第2章 染色体与DNA课件

第二章染色体与DNA

本章将介绍DNA的结构和从一代细胞岛到下一代细胞的传递、遗传及变异等过程。2024/6/261第2章染色体与DNA1第二章染色体与DNA第一节染色体第二节

DNA的结构第三节

DNA的复制第四节DNA的损伤修复与重组第五节DNA的转座2024/6/262第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1第一节染色体

由于亲代能够将自己的遗传物质DNA以染色体的形式传给子代，保持物种的稳定性和连续性。因此，人们普遍认为染色体在遗传上起着主要作用。人类22对染色体及性染色体性染色体扫描电镜图2024/6/264第2章染色体与DNA1第一节染色体1.染色体概述19世纪中叶，细胞生物学家在光学显微镜下，在细胞分裂时观察到存在于细胞核中的棒状可染色结构并将其命名为染色体。染色体包括DNA和蛋白质两部分。同一物种内每条染色体所带的DNA的量是一定的，但不同的染色体或不同物种之间变化很大，从上百万到几亿个核苷酸对不等。此外，组成染色体的蛋白质（组蛋白和非组蛋白）的种类和含量也是十分稳定的。2024/6/265第2章染色体与DNA1第一节染色体1.染色体概述：染色体在细胞分裂间期表现为染色质。染色体与染色质是同一种物质的两种形态。伸展的染色质形态有利于在它上面的DNA储存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分。

左图为人类染色体，在光镜下即可观察其形态，右图为电镜图片，可见不规则的染色质。2024/6/266第2章染色体与DNA1KeytermsAchromosome染色体isadiscreteunitofthegenomecarryingmanygenes.EachchromosomeconsistsofaverylongmoleculeofduplexDNAandanapproximatelyequalmassofproteins.Itisvisibleasamorphologicalentityonlyduringcelldivision.Chromatin

染色质describesthestateofnuclearDNAanditsassociatedproteinsduringtheinterphase(betweenmitoses)oftheeukaryoticcellcycle.第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1第一节染色体2024/6/269

1.染色体概述：原核细胞染色体细菌染色体外裹着稀疏的蛋白质，其中的一部分与DNA的折叠有关，另一些则参与DNA的复制、重组及转录过程。原核生物没有真正的细胞核，DNA一般位于一个类似核的结构——类核体上。第2章染色体与DNA1Thenucleoid（类核体）istheregioninaprokaryoticcellthatcontainsthegenome.TheDNAisboundtoproteinsandisnotenclosedbyamembrane.

第2章染色体与DNA1ThestructureofE.colinucleoid

(大肠杆菌拟核的结构)

Nucleoid:Asingledouble-strandedandclosed-circularDNAmolecular,4.6X106bpandallproteinsassociatedwithDNA(Pols,andrepressors).

highconcentrationofDNA(DNAconcentrationcanbeupto30-50mg/ml)Continuousreplication(morethanonecopyofgenome/cell)Attachtocellmembrane第2章染色体与DNA1Adomainofachromosomemayrefereithertoadiscretestructuralentitydefinedasaregionwithinwhichsupercoilingisindependentofotherdomains;ortoanextensiveregionincludinganexpressedgenethathasheightenedsensitivitytodegradationbytheenzymeDNAaseI.第2章染色体与DNA1DNAdomains/loops50~100domainsorloopsperE.colichromosome,with50

~100kb/loopTheendsofloopsareconstrained(束缚)byprotein-membranescaffold(骨架)Mayspoolonpolymerasesorotherenzymesandproteins（可能缠绕在聚合酶或其它酶和蛋白质上）第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1ProkaryoticChromosomesHaploidDNAiscompacted–Eg.E.colipacks1.5mmchromosomeintoacellthatisonly1uminlengthNohistonesornucleosomes–SmallbasicproteinsMAYserveasimilarfunctionGenesusuallydonotcontainintronsSingleoriginofreplication第2章染色体与DNA1第一节染色体2024/6/26161.染色体概述：原核生物DNA的主要特征：一般只有一条大染色体且大都带有单拷贝基因，除少数基因外（如rRNA基因）。整个染色体DNA几乎全部由功能基因和调控序列所组成。几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对应关系。第2章染色体与DNA1第一节染色体2.真核细胞染色体的组成真核生物染色体中DNA相对分子质量一般大大超过原核生物，并结合有大量的蛋白质，结构非常复杂。其具体组成成分为：组蛋白、非组蛋白、DNA。在真核细胞染色体中，DNA与蛋白质完全融合在一起，其蛋白质与相应DNA的质量之比约为2:1。这些蛋白质在维持染色体结构中起着重要作用。2024/6/2617第2章染色体与DNA1第一节染色体2.1.组蛋白组蛋白是染色体的结构蛋白，其与DNA组成核小体。根据其凝胶电泳性质可将其分为H1、H2A、H2B、H3及H4。2024/6/2618第2章染色体与DNA1第一节染色体

2.1.组蛋白组蛋白的特性：进化上极端保守性。其中H3、H4最保守，H1较不保守。无组织特异性。到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。例如，H4N端的半条链上净电荷为+16，C端只有+3，大部分疏水基团都分布在C端。组蛋白的修饰作用。包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。富含赖氨酸的组蛋白H5。H5赖氨酸含量高达24%。

2024/6/2619第2章染色体与DNA1第一节染色体

2.2.非组蛋白染色体上除了存在大约与DNA等量的组蛋白以外，还存在大量的非组蛋白。非组蛋白的量大约是组蛋白的60%～70%，但它的种类却很多，约在20-100种之间，其中常见的有15-20种。非组蛋白的组织专一性和种属专一性。非组蛋白包括酶类、骨架蛋白、核孔复合物蛋白以及肌动蛋白、肌球蛋白等。它们也可能是染色质的组成成分。2024/6/2620第2章染色体与DNA1第一节染色体2024/6/2621

2.2.非组蛋白几类常见的非组蛋白：高速泳动蛋白（HMG蛋白）。一般认为可能与DNA的超螺旋结构有关。DNA结合蛋白。可能是一些与DNA的复制与转录有关的酶或调解物质。A24非组蛋白。位于核小体内，功能不详。第2章染色体与DNA1第一节染色体

2.3.DNA真核细胞基因组最大的特点是含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开。C值：一种生物单倍体基因组DNA的总量。TheC-valueisthetotalamountofDNAinthegenome(perhaploidsetofchromosomes).2024/6/2622第2章染色体与DNA1第一节染色体2024/6/26232.3.DNA一般情况，真核生物C值是随着生物进化而增加，高等生物的C值一般大于低等生物。进一步研究发现，某些两栖类C值大于哺乳动物，而且在两栖类中C值变化也很大，可相差100倍。第2章染色体与DNA1TheC-valueparadox（C值反常现象）

describestheobservationthattheamountofdeoxyribonucleicacidinthehaploidgenomeisnotrelatedtoitsevolutionarycomplexity.许多DNA序列不编码蛋白质，是无生理功能的。根据对DNA的动力学研究，真核生物DNA序列大致可分为3类：不重复序列、中度重复序列、高度重复序列。2024/6/2624第2章染色体与DNA1第一节染色体2.3.DNA不重复序列。在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占DNA总量的40%－80%。不重复序列长约750－2000dp，相当于一个结构基因的长度。单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质。如蚕丝心蛋白基因。NonrepetitiveDNAconsistsofsequencesthatareunique:thereisonlyonecopyinahaploidgenome.

2024/6/2625第2章染色体与DNA1第一节染色体2024/6/26262.3.DNA中度重复序列。这类重复序列的重复次数在10－104之间，占总DNA的10%－40%。各种rRNA、tRNA及组蛋白基因等都属这一类。P26ModeratelyrepetitiveDNAconsistsofrelativelyshortsequencesthatarerepeatedtypically10-10000×inthegenome.第2章染色体与DNA1第一节染色体2024/6/26272.3.DNA高度重复序列这类DNA只在真核生物中发现，占基因组的10%—60%，由6—100个碱基组成，在DNA链上串联重复几百万次。由于碱基的组成不同，在CsCl密度梯度离心中易与其他DNA分开，形成含量较大的主峰及高度重复序列小峰，后者又称卫星区带（峰）。HighlyrepetitiveDNAconsistsofveryshortsequences(typically<100bp)thatarepresentmanythousandsoftimesinthegenome,oftenorganizedaslongtandemrepeats.第2章染色体与DNA1SatelliteDNA

DNAthatcontainsmanytandem(notinverted)repeatsofashortbasicrepeatingunit.第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1第一节染色体2.4.真核细胞染色体的结构真核细胞染色体的DNA如图所示，经过四级压缩，长度压缩将近10000倍。四级分别为：核小体螺线管超螺旋圆筒染色单体2024/6/2630第2章染色体与DNA1第一节染色体2.4.真核细胞染色体的结构核小体核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成1/7，200bpDNA的长度约为68nm，却被压缩在10nm的核小体中。核小体串联起来形成10nm纤维。2024/6/2631第2章染色体与DNA1Thenucleosomeisthebasicstructuralsubunitofchromatin,consistingof~200bpofDNA,anH1histoneproteinandanoctamerofhistoneproteins.HistonesareconservedDNA-bindingproteinsthatformthebasicsubunitofchromatinineukaryotes.HistonesH2A,H2B,H3,H4formanoctamericcorearoundwhichDNAcoilstoformanucleosome.HistoneH1isexternaltothenucleosome.Anonhistoneisanystructuralproteinfoundinachromosomeexceptoneofthehistones.第2章染色体与DNA1The10nmfiberisalineararrayofnucleosomes,generatedbyunfoldingfromthenaturalconditionofchromatin.第2章染色体与DNA1Assemblyofahistoneoctamer(八聚体)

第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1H1的作用H1sealsthetwosuperhelicalturnsofDNAonthenucleosomesurface

HistoneH1-helps‘clamp’theDNAontothenucleosomeparticipatesinhigher-orderchromatinfoldingAsinglemoleculeofH1stabilizestheDNAatthepointatwhichitentersandleavesthenucleosomecore,andorganizestheDNAbetweennucleosomes.第2章染色体与DNA1HistoneH1playsanimportantroleinorganizingthechromatinfiber

第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1LinkerDNA（连接DNA）ThelinkerDNAbetweenthenucleosomecoresvariesbetweenlessthan10andmorethan100bp,butisnormallyaround55bp.Thenucleosomalrepeatunitishencearound200bp.“Beadsonastring念珠”structure第2章染色体与DNA1BeadsonaStringViewofChromatin第2章染色体与DNA1LinkerDNA<10to>100bpaverage55bp“Beadsonastring”structureNucleosomeHistoneH1Nucleosomerepeat:Core+linkerDNA200bp第2章染色体与DNA1第一节染色体2.4.真核细胞染色体的结构螺线管螺线管是由10nm染色质细丝盘绕形成的螺旋管状细丝，表现为30nm纤维。螺线管每一螺旋包含6个核小体，压缩比为6。这种螺线管是分裂间期和分裂前期染色体的基本组分。2024/6/2642第2章染色体与DNA1The30nmfiberisacoiledcoilofnucleosomes.Itisthebasicleveloforganizationofnucleosomesinchromatin.第2章染色体与DNA1Levelsofchromatinorganization(left).AhighlycondensedmitoticChromosome(above).IthasbeenCondensed~10,000foldThe30nmfiber第2章染色体与DNA1The30nmfiberHigherorderedLeft-handedhelixSixnucloesomesperturn30nmfiber(30nmindiameter)Solenoid(螺线管）第2章染色体与DNA130nmfiber第2章染色体与DNA1Nuclearmatrix,aproteincomplex30nmfiber300nmHighestlevelofchromatinorganization:loopeddomainstructure第2章染色体与DNA1Highestlevelofchromatinorganization第2章染色体与DNA1第一节染色体2.4.真核细胞染色体的结构超螺旋圆筒有迹象表明：中期染色质是一细长、中空的圆筒，直径4000nm，由30nm的螺线管缠绕而成，压缩比为40。染色单体染色单体由超螺旋圆筒再压缩5倍而成。2024/6/2649第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1端粒异染色质着丝粒常染色质姐妹染色单体短臂长臂第2章染色体与DNA1Centromere着丝粒粒TelomereNuclearmatrix核基质Loopsof30nmfiberSisterchromatid姊妹染色单体Chromatid染色单体第2章染色体与DNA1Whatstructuresarenecessarytoafunctionaleukaryoticchromosome?CentromeresTelomeresOriginsofreplication第2章染色体与DNA1Thecentromere(着丝粒)Centromeresarethelargestconstrictionregionwheretwochromatids(姊妹染色体）arejoinedThesiteofattachmentofspindlefibers(纺锤体)viakinetochore

(动粒)100,000sof171basepairrepeat,calledalphasatellitesequencesCentromereassociatedproteinsarebound第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1Kinetochore动粒第2章染色体与DNA1CentromereDNA裂殖酵母酿酒酵母果蝇第2章染色体与DNA1ThreeconservedregionscanbeidentifiedbythesequencehomologiesbetweenyeastCENelements.Yeastcentromere第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1Centromere（着丝粒）:

aregionofchromosomewheretwosisterchromatidsarejoinedatmetaphase.(isaconstrictedregionofachromosomethatincludesthesiteofattachment(thekinetochore)tothemitoticormeioticspindle.)Kinetochore（动粒）:isthestructuralfeatureofthechromosometowhichmicrotubulesofthemitoticspindleattach.Itslocationdeterminesthecentromericregion.(proteincomplexattachingmicrotubulesofmitoticspindle)Amicrotubuleorganizingcenter

(MTOC)isaregionfromwhichmicrotubulesemanate产生.ThemajorMTOCsinamitoticcellarethecentrosomes(中心体).第2章染色体与DNA1Centromere:thechromosomallocationwherethe kinetochoreisformed.Thecentromereappearsastheprimaryconstriction

inthemioticchromosome.Kinetochore:Proteinaceousstructuresthat assembleontocentromeresduringmitosis.Thecentromere/kinetochorecomplexisthesiteofattachment ofthespindlemicrotubulesandisresponsibleforpropersegregationofreplicatedsisterchromatidstodaughtercells.第2章染色体与DNA1TheTelomere(端粒)SpecializedDNAsequenceswhichformtheendsofthelinearDNAoftheeukaryoticchromosomeContainsuptohundredscopiesofashortrepeatedsequence

(5’-TTAGGG-3’inhuman)Synthesizedbytheenzymetelomerase

(a

ribonucleoprotein)

ThetelomericDNAformsaspecialsecondarystructuretoprotectthechromosomalendsfromdegradation第2章染色体与DNA1MammaliantelomereDNAconsistsoftandem串联repeatsofTTAGGG

plusavarietyofattachedproteins.Thetelomereshaveasingle-stranded3’overhang5’-TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’3’-AATCCCAATCCCAATCCCAATAAAAATCCC-5”Theaveragelengthofthedouble-strandedTTAGGGrepeatvariesamongspecies: Mice-------------- 50,000bp Man-------------- 10,000bp Cattle------------ 13,000bpto20,000bp第2章染色体与DNA1Group OrganismTelomericrepeat(5'to3'towardtheend)Vertebrates Human,mouse,Xenopus TTAGGGFilamentousfungi Neurospora（脉孢菌） TTAGGGSlimemolds Physarum,Didymium TTAGGG

（粘液菌类） Dictyostelium AG(1-8)Ciliatedprotozoa Tetrahymena,Glaucoma TTGGGG（纤毛 Paramecium TTGGG(T/G)原生动物） Oxytricha,Stylonychia, TTTTGGGG Euplotes Fissionyeasts

Schizosaccharomycespombe TTAC(A)(C)G(1-8)Buddingyeasts Saccharomycescerevisiae TGTGGGTGTGGTGTelomerescontainarraysofDNArepeats第2章染色体与DNA1ThetelomericDNAformsaspecialsecondarystructureTelomereisthenaturalendofachromosomeTheDNAsequenceconsistsofasimplerepeatingunitwithaprotrudingsingle-strandedend（突出的单链尾巴）thatmayfoldintoahairpin（发夹）.第2章染色体与DNA1Thelongstretchesofthedouble-strandedtelomereDNA(TTAGGG)areloopedaroundandthesingle-strandedterminusistucked隐藏backinsidethedouble-strandedDNAmolecule

—thusprotectingthechromosometerminus

tloops第2章染色体与DNA1FromL.J.Kleinsmith,PrinciplesofCancerBiology.Copyright(c)2006PearsonBenjaminCummings.TelomereStructureinHumanDNA3’-overhang第2章染色体与DNA1第2章染色体与DNA1Telomerase:aribonucleoproteinwithreverse transcriptaseactivitythatcatalyzesthe extensionorlengtheningoftelomers.TelomerasecariesitsownRNAtemplate.Thetelomereissynthesizedbytheenzymetelomerase第2章染色体与DNA1Telomere&Telomerase第2章染色体与DNA1Telomerelengthsdecreasewithtimeorpassagenumberinculturedcelllinesthatlacktelomeraseactivity.Telomeraseactivityishighinmostimmortalizedcell

lines（永生化的细胞系）

andneoplasitctissue(肿瘤组织).Telomerelengthsdecreasewithageinsometissuesandtelomereshorteningmaycontributetotheagingprocess.Telomeraseactivityingermlinecells（胚系细胞）

isthoughttorestoretelomerelengthsforthenextgeneration.第2章染色体与DNA1Dolly(theclonedsheep)wasreportedtohaveshorterthannormaltelomeres.Cattle(andmice)clonedfromfibroblasts（成纤维细胞）withshortchromosomeshavenormaltelomerelengths.Telomerelengthsarerestoredtonormalbytelomeraseactivityintheearlyembryo.第2章染色体与DNA1TelomeraseMaintainsTelomeresNosenescenceSenescence衰老CellswithtelomeraseCellswithouttelomeraseCelldivisions

Telomererepeat第2章染色体与DNA1Telomeresserveatleastfourfunctions1.Telomeresprotectthechromosomeendsfromdegradati