基因和染色体

关于基因和染色体一、染色体及其在细胞分裂中的行为1.染色质⑴常染色质：是染色质的主要成分，染色较浅，着色均匀⑵异染色质：折叠非常致密，在染色体上染色较深，而且在细胞分裂周期中致密程度很少发生变化；多半位于染色体的着丝粒第2页,共129页，2024年2月25日，星期天1.染色质①组成型异染色质：一种永久性的、在染色体上有固定位置的异染色质；它由不表达的DNA序列组成，最典型的是位于染色体的着丝粒周围②功能型异染色质：又称X异染色质，是在特定条件下，由常染色质转变而来；哺乳动物的X染色体是最好的例子第3页,共129页，2024年2月25日，星期天2.

染色体的主要组成真核生物的染色体结构：一般包括四个组成部分，即着丝粒、端粒、复制起始点以及基因和非编码序列⑴核小体：由DNA和组蛋白(histone)构成⑵DNA复制起点复制子：发生复制的单个DNA单元复制起点：复制子中控制启动复制的元件第4页,共129页，2024年2月25日，星期天⑵DNA复制起点自主复制序列(autonomouslyreplicatingsequence,ARS)：真核生物染色体复制子中启动DNA复制的序列复制类型：D-环式复制：线粒体、叶绿体滚环式复制：噬菌体复制叉式复制第5页,共129页，2024年2月25日，星期天第6页,共129页，2024年2月25日，星期天第7页,共129页，2024年2月25日，星期天AreplicationeyeformsathetastructureincircularDNA.第8页,共129页，2024年2月25日，星期天⑶端粒端粒通常是由富含鸟嘌呤核苷酸(G)的短的串联重复序列组成，伸展到染色体的3‘端；一个基因组内的所有端粒，即一个细胞里不同染色体的端粒都由相同的重复序列组成一种单链断开的结构由端粒酶合成第9页,共129页，2024年2月25日，星期天第10页,共129页，2024年2月25日，星期天⑷着丝粒着丝粒centromere有丝分裂mitosis减数分裂meiosis染色单体chromatid第11页,共129页，2024年2月25日，星期天第12页,共129页，2024年2月25日，星期天第13页,共129页，2024年2月25日，星期天第14页,共129页，2024年2月25日，星期天第15页,共129页，2024年2月25日，星期天第16页,共129页，2024年2月25日，星期天3.染色体组型或核型染色体组型或核型：在细胞有丝分裂期间观察到的细胞内的整套染色体染色体带型：深浅相间的带纹图形第17页,共129页，2024年2月25日，星期天第18页,共129页，2024年2月25日，星期天第19页,共129页，2024年2月25日，星期天PolytenechromosomesofDrosophila.Credit:CourtesyToddR.Laverly,HHMVBerkeleyDrosophilaGenomeProject.第20页,共129页，2024年2月25日，星期天HumanGeneticsSidelightAmniocentesisandproceduresforprenataldiagnosisofchromosomalandbiochemicalabnormalities.第21页,共129页，2024年2月25日，星期天Fig7.1Preparationofcellsforcytologicalanalysis©2003JohnWileyandSonsPublishers第22页,共129页，2024年2月25日，星期天染色体显带技术a.G带，Giemsa染色可显示出富含AT碱基对的DNA部分b.Q带，用quinacrinemustard染色，紫外灯下显色c.C带，显示出着丝粒异染色质d.R带，显示出富含GC碱基对的DNA部分第23页,共129页，2024年2月25日，星期天KaryotypeofachildwithDownsyndrome,showingtrisomyforchromosome21(47,XX,+21).Credit:CourtesyofR.M.Fineman.第24页,共129页，2024年2月25日，星期天MetaphasehumanchromosomesstainedwithacridineorangetoshowRbanding.Credit:FromR.S.Verma,H.DosikandH.A.Lubs,Jr.,1977,“Demonstrationofcolor&sizepolymorphismsinhumanacrocentricchromosomesbyacidineorangereversebanding.”J.ofHeredity68:262-263,Fig.1.第25页,共129页，2024年2月25日，星期天二、染色体的改变染色体数目的改变整倍体非整倍体染色体结构的改变第26页,共129页，2024年2月25日，星期天1.染色体数目的改变整倍数改变单倍体：n，蜜蜂(雄、工、皇)，蚂蚁2倍体：2n3倍体：3n多倍体：4n，5n….同源多倍体(ABC)(ABC)(ABC)异源多倍体(ABC)(A’B’C’)(A’’B’’C’’)第27页,共129页，2024年2月25日，星期天Originofhexaploidwheatbysequentialbybridizationofdifferentspecies第28页,共129页，2024年2月25日，星期天小麦染色体组成分析普通小麦：(2n=42)一粒小麦：(2n=14)二粒小麦：(2n=28)山羊草：(2n=14)第29页,共129页，2024年2月25日，星期天

二粒小麦普通小麦

一粒小麦7II+7I7II+14IAAAA+BAA+B+D

二粒小麦14II14II+7IAABBAABBAABB+D

山羊草21I7II+14IDDA+B+DDD+A+B第30页,共129页，2024年2月25日，星期天染色体数目的改变非整倍数改变单体：2n-1，缺一条染色体缺体：2n-2，缺一对同源染色体双单体：2n-1-1，缺二条非同源染色体三体：2n+1，多一条染色体第31页,共129页，2024年2月25日，星期天单体果蝇染色体基因定位ey/ey:无眼

+/+：有眼单体果蝇：2n-1(1);2n-1(2);2n-1(3);2n-1(4)ey/eyX2n-1(1);2n-1(2);2n-1(3);2n-1(4)

ey/+ey/-

有眼无眼

与某一单体杂交，出现了无眼果蝇，证明ey基因在该单体的染色体上第32页,共129页，2024年2月25日，星期天MeioticnondisjunctionandtheoriginofDownsyndrome.第33页,共129页，2024年2月25日，星期天第34页,共129页，2024年2月25日，星期天第35页,共129页，2024年2月25日，星期天2.染色体结构的畸变染色体结构大片段的改变重复：染色体区段增加缺失：染色体片段丢失倒位：染色体位置颠倒易位：非同源染色体片段位置互换第36页,共129页，2024年2月25日，星期天染色体畸变的生物学效应许多肿瘤中可检测出染色体畸变缺失可能使控制细胞周期的基因丢失或失活倒位和缺失可能会使那些肿瘤抑制基因断裂，使表达诱导肿瘤产生蛋白的基因融合或者使基因转移到新的位置，受到新的调控元件的调节第37页,共129页，2024年2月25日，星期天染色体结构变化的类型

重复duplication第38页,共129页，2024年2月25日，星期天缺失deletion第39页,共129页，2024年2月25日，星期天倒位inversion第40页,共129页，2024年2月25日，星期天易位translocation第41页,共129页，2024年2月25日，星期天⑴重复duplication

重复是指染色体的片段出现多个拷贝，重复往往可改变基因剂量，可能造成表型的显著改变第42页,共129页，2024年2月25日，星期天重复的细胞学和遗传学效应细胞学效应：减数分裂时，同源染色体配对出现弧状结构；弧状结构是重复的部分遗传学效应：出现突变，严重时死亡第43页,共129页，2024年2月25日，星期天第44页,共129页，2024年2月25日，星期天第45页,共129页，2024年2月25日，星期天第46页,共129页，2024年2月25日，星期天

基因剂量不平衡造成发育异常第47页,共129页，2024年2月25日，星期天ThefragileXandanormalXchromosomefromafemale(left),andthefragileXandanormalYchromosomefromamale(right)第48页,共129页，2024年2月25日，星期天⑵缺失deletion

缺失是指染色体部分片段的丢失缺失往往不会发生回复突变，从而使得未发生缺失的染色体上的隐性等位基因得以表现，也可能造成表达产物不平衡第49页,共129页，2024年2月25日，星期天中间染色体缺失：ABCDEF

ABCDF端点染色体缺失：ABCDEF

ABCDE缺失纯合体：ABCDF

ABCDF缺失杂合体：ABCDEF

ABCDF

染色体缺失第50页,共129页，2024年2月25日，星期天缺失的细胞学和遗传学效应细胞学效应：减数分裂时，同源染色体配对出现弧状结构；弧状结构是正常的染色体部分遗传学效应：出现突变，严重时死亡；有时会出现拟显性现象第51页,共129页，2024年2月25日，星期天

缺失的遗传学效应－拟显性现象玉米：紫色基因A对绿色基因a显性绿色植株aaX紫色植株AA

紫色Aa

UVAa花粉Xaa

F1

绿色紫色花粉：正常___A

缺失A基因___

第52页,共129页，2024年2月25日，星期天果蝇缺刻表型Notchphenotype

是因为包括Notch基因在内的染色体片段发生缺失造成的

上图为正常表型

下图为突变型第53页,共129页，2024年2月25日，星期天Karyotypeofinfantwithcri-du-chatsyndrome,46,XY(5p-).Credit:CourtesyUniversityofUtahCytogeneticsLaboratory.第54页,共129页，2024年2月25日，星期天

Cri-du-chatsyndrome.Credit:CourtesyIreneA.Uchida,DepartmentofPediatrics,McMasterUniversity第55页,共129页，2024年2月25日，星期天⑶倒位inversion

倒位是指染色体一个片段发生颠倒

倒位可能造成基因被打碎或移位

倒位往往形成无效的配子，从而使计算出的重组频率偏低第56页,共129页，2024年2月25日，星期天第57页,共129页，2024年2月25日，星期天人和黑猩猩的四号染色体因一个臂间倒位而不同第58页,共129页，2024年2月25日，星期天第59页,共129页，2024年2月25日，星期天第60页,共129页，2024年2月25日，星期天第61页,共129页，2024年2月25日，星期天Suppressionofrecombinationinaninversionheterozygote第62页,共129页，2024年2月25日，星期天Doublecrossingoverinaninversionheteroygote.第63页,共129页，2024年2月25日，星期天第64页,共129页，2024年2月25日，星期天倒位区之间的交换第65页,共129页，2024年2月25日，星期天倒位杂合子将会产生异常配子图一臂内倒位第66页,共129页，2024年2月25日，星期天

环内倒位区单交换第67页,共129页，2024年2月25日，星期天倒位杂合子将会产生异常配子

图二臂间倒位第68页,共129页，2024年2月25日，星期天倒位的细胞学效应和遗传学

效应细胞学效应：倒位杂合体在减数分裂同源染色体配对时，形成倒位环遗传学效应：倒位区内重组，形成不可育配子；被称为“抑制重组”第69页,共129页，2024年2月25日，星期天平衡致死系紧密连锁或中间具有倒位片段的相邻基因由于生殖细胞的同源染色体不能交换，所以可以以非等位基因的双杂合子，保存非等位基因的纯合隐性致死基因，该品系被称为平衡致死系第70页,共129页，2024年2月25日，星期天Cy:翻翅，隐性；纯合致死(Cy/Cy)S:星状眼，致死基因(S/S)翻翅果蝇与待保留致死基因果蝇杂交

Cy+XCy++S+SCy+Cy++SCy++S+S死亡保存死亡

第71页,共129页，2024年2月25日，星期天ClB品系：C—交换抑制因子；l—隐性致死突变；B—棒眼(X染色体上，l和B有一段倒位)步骤：a.待测♂果蝇与杂合(ClB/+++)♀果蝇杂交；

b.F1ClB♀与F1♂(野生型)单对杂交，目的是检查某一特定X染色体上的突变；

c.观察分析：①有X隐性致死突变，F2

无雄蝇(♂:ClB和l’死亡);②隐性非致死突变，F2预期♀:♂=2:1，突变性状只在F2雄蝇表现，F1ClB中不表现；③无X隐性突变，在F2♂仅表现简单的♀:♂=2:1。第72页,共129页，2024年2月25日，星期天Muller-5法：

A.Muller-5品系:B(棒眼)-Wa(杏眼)-sc(小盾片少刚毛)——并具重复倒位

B.检出步骤:Ⅰ.将待测的♂果蝇与纯合Muller♀果蝇杂交.Ⅱ.将F1♀♂自交,目的是检查某一特定X染色体上的突变.Ⅲ.观察分析F2：①如果无X隐性致死突变预期F2♂:♀=1:1表型比为简单的1:1:1:1;②如果有X隐性致死突变预期F2♂:♀=2:1表型比1:1:1;③如果有隐性非致死突变在F2♂中可见突变第73页,共129页，2024年2月25日，星期天Muller-5检测突变

xBWaXx_______xBWayx________XxBWaxBWay

xBWa_______BWa_____xBWaBWa

Muller-5杂合体Muller-5?

第74页,共129页，2024年2月25日，星期天⑷易位

translocation

易位是指染色体片段的转移，既可发生在非同源染色体间，亦可发生在同一条染色体的不同位置

易位往往造成基因移位或断裂，影响基因功能第75页,共129页，2024年2月25日，星期天第76页,共129页，2024年2月25日，星期天第77页,共129页，2024年2月25日，星期天第78页,共129页，2024年2月25日，星期天

人类二号染色体有一罗伯逊易位，在黑猩猩、大猩猩、猩猩中均无

G带表明，人类发生罗伯逊易位的两条近端着丝粒祖先染色体在其他三类灵长类动物中仍然存在第79页,共129页，2024年2月25日，星期天第80页,共129页，2024年2月25日，星期天第81页,共129页，2024年2月25日，星期天Structureandpairingbehaviorofareciprocaltranslocationbetweenchromosomes.第82页,共129页，2024年2月25日，星期天易位的细胞学效应和遗传学

效应细胞学效应：易位杂合体在减数分裂同源染色体配对时，形成十字型结构遗传学效应：形成不可育和可育配子，各占1/2；被称为“半不育”第83页,共129页，2024年2月25日，星期天三、基因突变和表观遗传变异基因突变是指基因的一种等位形式变成另一种等位形式突变是相对于正常而言的遗传学研究中，将自然界中普遍出现的性状或指定实验用的某一品系的性状，作为“野生型”或“正常”的性状与“野生型”性状相关的等位基因称为野生型等位基因，一般记为+，或a+

，B+等第84页,共129页，2024年2月25日，星期天任何不同于野生型等位基因的称为突变型等位基因从野生型变为突变型，称为正向突变(forwardmutation)从突变型变回成野生型，则称为恢复突变(backmutation)或逆向突变(reversemutation)自发突受(spontaneousmutation)诱发突变(inducedmutation)诱变剂(mutagen)，致癌物(cancinogen)突变率(mutationrate)第85页,共129页，2024年2月25日，星期天1.点突变和移码突变⑴点突变：单碱基对置换转换(transition):A↔G、T↔C颠换(transversion)：嘌呤↔嘧啶同义突变(samesensemutation)或中性突变(neutralmutation)简并性、同工酶错义突变(missensemutation)无义突变(nonsensemutation)第86页,共129页，2024年2月25日，星期天碱基置换突变的内源机制①5-甲基胞嘧啶的脱氨作用5mC(脱氨)→(互变异构化)→T

②DNA复制过程中出现差错③滑移错配(slippedmismatching)④其他一些因素的作用第87页,共129页，2024年2月25日，星期天⑵移码突变frameshiftmutation第88页,共129页，2024年2月25日，星期天2.基因重组和基因转换重组分为同源重组(homologousrecombination)和非同源重组(non-homologousrecombination)

非同源重组区分为保守重组(conservativerecombination)和复制重组(replicativerecombination)同源重组是依赖于大范围的DNA同源序列间的联会，重组可以发生在联会部分的任何位置上第89页,共129页，2024年2月25日，星期天非同源重组依赖于少量的DNA同源序列间的联会，又称为位点专一重组(sitespecificrecombination)一个DNA分子整合到另一个DNA分子上，称为保守重组，又称整合重组(integrativerecombination)复制重组：使一个DNA分子插入另一个DNA分子中；由转座引起(异常重组illegitimaterecombination)第90页,共129页，2024年2月25日，星期天⑴同源重组细菌发生在双方DNA的同源区域部分复制的染色体DNA之间或染色体DNA与外源DNA之间细菌的转化、接合和转导第一，RecBCD（外切核酸酶Ⅴ）和Chi位点RecA蛋白第91页,共129页，2024年2月25日，星期天3‘◘RecBCD的识别和切割位点a、RecBCD结合在DNA的平头末端（产生机制不清楚）b、外切、解链、移动（ATP）c、兔耳状loop结构产生（再旋酶活性低于解旋酶活性）d、RecBCD在loop单链区的

chi位点3‘方4～6NT处切断单链（单链内切酶）☀

chi位点：GCTGGTGG

目前发现的重组热点

E.coli

含1000个、Euk.第92页,共129页，2024年2月25日，星期天e、RecBCD切割产生3’单链末端第93页,共129页，2024年2月25日，星期天RecA引起的链交换和Holliday结构的生成

第94页,共129页，2024年2月25日，星期天第95页,共129页，2024年2月25日，星期天⑵位点专一重组λ噬菌体DNA的整合和切离是典型的位点专一重组λ噬菌体感染大肠杆菌后，或是进入裂解生长，或是进入溶源生长通过λDNA和细菌DNA特定的附着位点之间的重组来实现的第96页,共129页，2024年2月25日，星期天大肠杆菌DNA上的att(attach)位点记为attB，长度为23bp，分B、O和B′三个部分λDNA上的att位点记为attP，长度为240bp，分P、O和P′三个部分λDNA的整合和切离都发生在attB和attP的各自O序列中，因此O序列称为核心序列，全长15bp，核心序列两侧的序列对重组也是起作用的第97页,共129页，2024年2月25日，星期天第98页,共129页，2024年2月25日，星期天整合过程◘整合后的附着位点为

attL（BOP’）

attR（POB’）◘整合位点---attB、attP

切除位点---attL、attR◘整合过程需要λ整合酶

（integraseInt）（λ编码）和寄主的整合宿主因子IHF

（integrationhostfactor）共同作用第99页,共129页，2024年2月25日，星期天溶源性细菌(lysogen)溶菌周期（lysis）原噬菌体第100页,共129页，2024年2月25日，星期天第101页,共129页，2024年2月25日，星期天intIHF第102页,共129页，2024年2月25日，星期天第103页,共129页，2024年2月25日，星期天⑶基因转换Geneconversion细胞减数分裂形成4个子细胞时，如果3个子细胞得到了一个亲本的等位基因，只有1个子细胞得到另一个亲本的等位基因，这种亲本之间等位基因被调换的现象基因转换是通过重组和DNA修复所造成第104页,共129页，2024年2月25日，星期天第105页,共129页，2024年2月25日，星期天酵母接合型的转换单倍体细胞的接合型matingtype：a型和α型，由单个基因座MAT所决定MAT有一对等位基因MATa和MATα

在同宗接合(homothallic)的酵母菌株中，酵母菌十分频繁地转换其接合型第106页,共129页，2024年2月25日，星期天在MAT基因座两侧有两个基因MATa和MATα的拷贝，这就是HMLα和HMRa基因MAT基因座是通过转座而转换其接合型的基因转换GeneconvertionMAT基因座的序列转换成另一个基因的序列第107页,共129页，2024年2月25日，星期天酵母MAT序列的转换-----依赖于同源重组的位点特异性的序列代换

酵母结合型的转变---DNA序列的代换，而不是互换

---依赖于序列的同源性（被代换的序列命运是被降解调---突变试验）第108页,共129页，2024年2月25日，星期天同源序列

匣子WXYZ1Z2totalHML

723704747

239882501MAT

723704747

239882501MATa723704642239882369HMRa704642239881585第109页,共129页，2024年2月25日，星期天

转换过程内切酶(HO)识别、切割--Y/Z1交界处---起始MAT序列的转换

(双链断裂)

［HM匣子受Sir阻遏蛋白的保护］①第110页,共129页，2024年2月25日，星期天Y区域被降解，直到Yα和Ya相同的部分或一直到X区域①②第111页,共129页，2024年2月25日，星期天四个断头侵入供体匣子的同源部分并与其中互补链配对以供体DNA为模板复制Y区域，holliday结构形成③④第112页,共129页，2024年2月25日，星期天Holliday结构的拆分，产生新的MAT匣子和这次转换中的供体匣子第113页,共129页，2024年2月25日，星期天需要大范围的同源序列

需要重组酶系(rad52基因产物、位点特异性的HO内切酶)第114页,共129页，2024年2月25日，星期天3.动态突变dynamicmutation动态突变，又称基因组不稳定性genomicinstability：DNA序列中由于寡核苷酸拷贝数目的变化，引起生物表型改变的突变；通常是由三联体密码子重复数目的增加而形成的X脆性染色体综合症是由于在X染色体P27.3位置上CGG拷贝数目增加到200以上，引起基因的改变，形成痕迹很重的染色体，突变的部分很容易被打断，所以被称为是脆性染色体第115页,共129页，2024年2月25日，星期天脆性位点是染色体上在特殊条件下易断裂的位点，可能为收缩或缝隙；在人类染色体上已发现一系列的脆性位点；其中研究最详尽的位于X染色体上，目前发现其与智障有关；脆性X综合症为X连锁遗传，出现几率在男婴中为1/2500，主要成因可能是因为CGG三核苷片段重复数目的变化第116页,共129页，2024年2月25日，星期天

三联体密码子的重复与疾病

疾病密码子正常拷贝患者拷贝脊髓肌肉萎缩症CAG(gln)11-3340--62亨廷顿症CAG(gln)11-3442--100X脆性染色体CGG(arg)6-54250-4000强直型肌营养不良CTG(leu)7-2349-75小脑共济失调CAG(glu)4-1840-200第117页,共129页，2024年2月25日，星期天三核苷酸重复拷贝扩增的致病机制⑴蛋白质交联形成不溶性包膜

CAG-CAG-CAG-……….

富含谷氨酰氨的蛋白质＋其它蛋白质

转谷氨酰氨酶不溶性包膜影响神经细胞功能

第118页,共129页，2024年2月25日，星期天三核苷酸重复拷贝扩增的致病机制⑵能量供应不足

甘油醛磷酸脱氢酶(GAPDH)糖脑所需能量

GAPDH＋病人的polyGln糖缺乏脑所需能量第119页,共129页，2024年2月25日，星期天三核苷酸重复拷贝扩增的致病机制⑶蛋白质翻译受阻

FMR1基因表达的蛋白，是正常人智力发育中的重要功能蛋白；如果FMR1基因存在有过量的重复序列，产生的mRNA不能与完整的核糖体结合，阻止了FMR蛋白生成，导致脆性X染色体综合症第120页,共129页，2024年2月25日，星期天三核苷酸重复拷贝扩增的致病机制⑷基因产物的毒性积累

(CAG)n人雄性激素受体猴肾细胞COS系富含gln的蛋白质与细胞核结合

COS凋亡

第121页,共129页，2024年2月25日，星期天4.表观遗传变异

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