第二章分子生物学染色体与DNA2

第二章染色体与DNA

染色体

DNA的结构

DNA的复制真核生物和原核生物DNA复制的特点

DNA的修复DNA的转座一、染色体（Chromosome)

内容提要：细胞周期染色体与染色质染色体的结构和组成（原核生物、真核生物）核小体原核生物和真核生物基因组结构特点比较

（一）细胞周期（二）染色体与染色质染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质(chromatin)的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位—核小体(nucleosome)成串排列而成的。（三）染色体的结构和组成原核生物(prokaryote)

大肠杆菌的染色体特点：

闭环DNA，长度约4.6Mb，集中分布在成为“拟核”（nucleoid）的区域内，在正常生长情况下DNA保持连续复制BacterialDNAiscompactedinastructurecalledthenucleoid,whichoccupiesalargefractionofthebacterialcell'svolumeDNA结构域将大肠杆菌DNA与大多数结合蛋白分离开来，可观察到由50－100个环或结构域组成，这些环或结构域的末端被与细胞膜部分连接的蛋白质而固定大肠杆菌结构域组成基因组超螺旋电镜结构显示，就整体而言，大肠杆菌的基因组是由大量超螺旋的结构域构成的{组蛋白：H1H2AH2BH3H4非组蛋白}核小体{DNA蛋白质染色体真核生物染色体的组成组蛋白的一般特性：■进化上的保守性保守程度：H1H2A、H2BH3、H41、组蛋白上海生化所分子遗传学1998年试题：在真核生物核内。五种组蛋白（H1H2AH2BH3和H4）在进化过程中，H4极为保守，H2A最不保守（）■无组织特异性■肽链氨基酸分布的不对称性■H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%）■组蛋白的可修饰性简述真核生物染色体上组蛋白的种类，组蛋白修饰的种类及其生物学意义中国科学院2003年硕士研究生入学《生物化学与分子生物学》试题

在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。组蛋白的可修饰性1)DNA的变性和复性

■变性（Denaturation)

DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程称为变性。

■增色效应(Hyperchromaticeffect)在变性过程中，260nm紫外线吸收值先缓慢上升，当达到某一温度时骤然上升，称为增色效应。2、DNA■融解温度（MeltingtemperatureTm)变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度。生理条件下为85-95℃影响因素：G+C含量，pH值，离子强度，尿素，甲跣胺等■复性（Renaturation)热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。■减色效应（Hypochromaticeffect)

随着DNA的复性，260nm紫外线吸收值降低的现象。

2)C值反常现象（C-valueparadox)C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。

真核细胞基因组的最大特点是它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，这就是著名的“C值反常现象”。

C值矛盾简述DNA的C值以及C值矛盾（CValueparadox）.中科院上海生化所98年上海第二军医大：C值矛盾（四）核小体(nucleosome)Nucleosome、chromosome、genome中科院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题1、定义：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。

2、核小体的结构核心颗粒、连接区DNA中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试：简述真核细胞内核小体与核小体核心颗粒的结构。

3、染色体的包装—超螺旋结构6.8:140:11000:18000:1DNAdoublehelixNucleosome(10nmfiber)30nmFiberLoopsILoopsIIchromosome上海第二军医大硕士研究生入学考试试题：基因组的特点（真核、原核比较）（五）原核生物和真核生物基因组结构特点比较

●基因组很小，大多只有一条染色体●

结构简炼●存在转录单元(trnascriptionaloperon)

多顺反子(polycistron)X174D-E-J-F-G-HmRNA蛋白J、F、GHDEE.coli色氨酸操纵子9个顺反子9个酶1、原核生物基因组结构特点

●有重叠基因（Sanger发现）基因内基因部分重叠基因一个碱基重叠2、真核生物基因组结构特点●真核基因组结构庞大3×109bp、染色质、核膜●单顺反子●基因不连续性断裂基因（interruptedgene）、内含子(intron)、外显子(exon)●非编码区较多多于编码序列(9:1)●含有大量重复序列■不重复序列/单一序列：在基因组中有一个或几个拷贝。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如：蛋清蛋白、血红蛋白等功能：主要是编码蛋白质。

■中度重复序列：在基因组中的拷贝数为101~104。如：rRNA、tRNA

一般是不编码蛋白质的序列，在调控基因表达中起重要作用

根据DNA复性动力学研究，DNA序列可以分成哪几种类型？并加以举例说明。(2001年上海生化所）■高度重复序列：拷贝数达到几百个到几百万个。

◆卫星DNA：A·T含量很高的简单高度重复序列。第二章染色体与DNA

染色体

DNA的结构

DNA的复制

DNA的修复

DNA的转座二、DNA的结构1）

概念指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序，DNA序列是这一概念的简称。碱基序列1、DNA的一级结构2）特征：●双链反向平行配对而成●脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在内侧●内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A：T，C：G）。3）DNA结构的表示法2、DNA的二级结构1）定义：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。

绕DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。大沟，小沟都、是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。

DNA双螺旋模型是哪年由谁提出的?简述其基本内容.为什么说该模型的提出是分子生物学发展史上的里程碑,具有划时代的贡献?

浙江大学医学院2003生物化学（硕士）2）分类：右手螺旋：A-DNA，B-DNA左手螺旋：Z-DNAABZABZ3、DNA的高级结构1）定义：指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。2）主要形式：超螺旋结构（正超螺旋和负超螺旋）线状DNA形成的超螺旋环状DNA形成的超螺旋拓扑异构酶or溴化乙锭拓扑异构酶or溴化乙锭DNA扭曲与双螺旋相同（拧紧）DNA扭曲与双螺旋相反（松开）负超螺旋松弛DNA正超螺旋第二章染色体与DNA

染色体

DNA的结构

DNA的复制

DNA的修复

DNA的转座三、DNA的复制内容提要：●DNA的半保留复制●与DNA复制有关的物质●DNA的复制过程（大肠杆菌为例）●DNA复制的其它方式●真核生物中DNA的复制特点1、定义：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。（一）DNA的半保留复制（semi-conservativereplication）Semi-conservativeConservativeDispersive中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试：请设计一个实验来证明DNA复制是以半保留方式进行的（8分）。2、实验证据（1958Meselson和Stahl）：

MatthewMesselsonFranklinStahl“Heavy”DNA“Hybrid”

DNA“light”DNA“Hybrid”DNA3、DNA半保留复制的生物学意义：

DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。

（二）与DNA复制有关的物质1、原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)2、模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA3、引物：DNA的合成需要一段RNA链作为引物4、引物合成酶（引发酶）：此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物（Primer)。实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。

5、DNA聚合酶:以DNA为模板的DNA合成酶●以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物●反应需要有模板的指导●反应需要有3

-OH存在●DNA链的合成方向为5

3

性质聚合酶Ⅰ聚合酶Ⅱ聚合酶Ⅲ3'5'外切活性+++5'3'外切活性+--5'3'聚合活性+中+很低+很高新生链合成--+主要是对DNA损伤的修复；以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙。修复紫外光引起的DNA损伤DNA复制的主要聚合酶，还具有3’-5‘外切酶的校对功能，提高DNA复制的保真性原核生物中的DNA聚合酶(大肠杆菌）

α

β

γ

δ

ε定位细胞核细胞核线粒体细胞核细胞核3‘-5’外切--+++酶活性功能引物合成修复作用线粒体DNA的复制核DNA的复制？真核生物中的DNA聚合酶

6、DNA连接酶（1967年发现）：若双链DNA中一条链有切口，一端是3’-OH，另一端是5‘-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。但是它不能将两条游离的DNA单链连接起来

DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用3‘5‘3‘5‘OHP7、DNA拓扑异构酶(DNATopisomerase)：拓扑异构酶І：使DNA一条链发生断裂和再连接，作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区，同转录有关。

例：大肠杆菌中的ε蛋白拓扑异构酶Π：该酶能暂时性地切断和重新连接双链DNA，作用是将负超螺旋引入DNA分子。同复制有关。例：大肠杆菌中的DNA旋转酶上海生化所1998年分子遗传学试题：拓扑异构酶8、DNA解螺旋酶/解链酶（DNAhelicase)

通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I、II、III。rep蛋白沿3’

5’移动，而解螺旋酶I、II、III沿5’

3’移动。9、单链结合蛋白(SSBP-single-strandbindingprotein)：稳定已被解开的DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。（三）DNA的复制过程（大肠杆菌为例）双链的解开

RNA引物的合成

DNA链的延伸切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段1、双链的解开

DNA的复制有特定的起始位点，叫做复制原点。ori(或o）、富含A、T的区段。基本概念：

上海生化所1998年分子遗传学试题：真核生物复制起始点的特征包括（）A富含GC区B富含AT区CZDNAD无明显特征

从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子复制时，解链酶等先将DNA的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉复制叉复制叉复制方向和速度：

单起点、双向等速多起点、双向等速生物体DNA复制的特点复制起始点是固定的（富含AT序列）复制起始需要特定的蛋白复制方向和速度多样性，但以双向等速为主双链解开、复制起始大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性,形成开链解链酶六体分别与单链DNA相结合(需DnaC帮助),进一步解开DNA双链2、RNA引物的合成DnaB蛋白活化引物合成酶，引发RNA引物的合成。引物长度约为几个至10个核苷酸，基因组DNA复制时，先导链的引物是DNA，后随链的引物是RNA(-)

2002年上海生化与细胞所与大肠杆菌起点与复制起始有关的酶和辅助因子参与复制的蛋白质和酶相对分子质量亚基数目功能DnaA520001识别起始点序列DnaB3000006解开DNA双链DnaC290001辅助DnaB结合于起始点HU190002类组蛋白，DNA结合蛋白，促进起始DnaG（引物合成酶）600001合成RNA引物SSB（单链DNA结合蛋白）756004结合单链DNARNA聚合酶4540005促进DnaA活性拓扑异构酶ii4000004释放DNA解链过程中产生的扭曲张力Dam甲基化酶320001使起点GATC序列的腺嘌呤甲基化DNA的半不连续复制（semi-discontinuousreplication)DNA复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的，故称半不连续复制。在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为前导链；合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链为滞后链。3、DNA链的延伸在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成5

3

的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。华中科技大学2004年生物化学与分子生物学硕士研究生入学试题名词解释：冈崎片段（3分）武汉大学2003年硕士研究生入学分子生物学试题：Replicon、

semi-conservativereplication

华中科技大学2004年生物化学与分子生物学硕士研究生入学试题原核DNA合成酶中（）的主要功能是合成前导链和冈崎片段A、DNA聚合酶ⅠB、DNA聚合酶ⅡC、DNA聚合酶ⅢD、引物酶4、切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段（复制终止）在DNA聚合酶Ⅰ催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链DNA连接酶连接DNA双链中的单链缺口连接DNA链3

-OH末端和相邻DNA链5

-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’T4DNA连接酶大肠杆菌DNA连接酶双链环状、θ型复制、双向等速大肠杆菌质粒DNAθ型复制模式（四）DNA复制的其它方式滚环型：单向复制的特殊方式如：ΦΧ174的双链环状DNA复制型（RF）（1）模板链和新合成的链分开;（2）不需RNA引物，在正链3‘－OH上延伸（3）只有一个复制叉;

D环复制单向复制的特殊方式如：动物线粒体DNA（五）真核生物中DNA的复制特点1、真核生物每条染色体上有多个复制起点，多复制子2、真核生物染色体在全部复制完之前,各个起始点不再重新开始DNA复制；而在快速生长的原核生物中，复制起点可以连续开始新的复制(多复制叉)。真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。3、真核生物有多种DNA聚合酶。真核生物DNA复制的全过程三级结构（拓扑结构）的破除二级结构（双螺旋结构）的破除半不连续复制哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM二、真核生物的DNA复制(生物合成)

•细胞能否分裂，决定于进入S期及M期这两个关键点。G1→S及G2→M的调节，与蛋白激酶活性有关。•蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。（三）端粒酶参与解决染色体末端复制问题切除引物的两种机制5

3

3

55

3

3

5+5

3

3

3

3

5

5

端粒(telomere)

指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。端粒的功能：维持染色体的稳定性维持DNA复制的完整性端粒的结构特点：由末端单链DNA序列和蛋白质构成。末端DNA序列是多次重复的富含G、T碱基的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG…端粒酶(telomerase)端粒酶RNA(humantelomeraseRNA,hTR)端粒酶协同蛋白(humantelomeraseassociatedprotein1,hTP1)端粒酶逆转录酶(humantelomerasereversetranscriptase,hTRT)

组成

端粒酶催化端区TG链的合成

5’—TTTTGGGGTTTTG-OH3’

CAAAACCCCAAAA端粒酶

GCGA

3’AA5’

结合、聚合、杂交

5’—TTTTGGGGTTTTGgggttttg3’

CAAAACCCCAAAACGAGA3’5’

TTTT

移位

GGGg

Gg

Gg5’—TTTT

ttttg3’

CAAAACCCCAAAACGAGA3’5’

终止

5’—TTTTGGGGTTTTGgggttttggggttttg-OH3’5’—TTTTGGGGTTTTGgggttttggggttttg-OH3’3‘—

5’—TTTTGGGGTTTTGgggttttg

gggtt

3’—HO-ggggttDNApol5’—TTTTGGGGTTTTGgggttttg

gggtt

3’—AAAACCCCAAAACCCCAAAAggggtt1.遵守严格的碱基配对规律；2.聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；3.复制出错时DNA-pol的及时校读功能。DNA复制的保真性：第二章染色体与DNA

染色体

DNA的结构

DNA的复制

DNA的修复

DNA的转座四、DNA的修复DNA修复系统功能错配修复恢复错配碱基切除修复切除突变的碱基核甘酸切除修复修复被破坏的DNADNA直接修复修复嘧啶二体或甲基化DNA

扼要说明细胞中DNA修复系统有哪几种（8分）中国科学院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题1、错配修复●Dam甲基化酶使母链位于5’GATC序列中腺甘酸甲基化●甲基化紧随在DNA复制之后进行●根据复制叉上DNA甲基化程度，切除尚未甲基化的子链上的错配碱基

根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图发现错配碱基在水解ATP的作用下，MutS，MutL与碱基错配点的DNA双链结合MutS-MutL在DNA双链上移动，发现甲基化DNA后由MutH切开非甲基化的子链

甲基化指导的错配修复示意图错配碱基位于切口3’下游端，错配碱基位于切口5’上游端，2、碱基切除修复一些碱基在自发或悠变下会发生脱酰胺，然后改变配对性质，造成氨基转换突变腺嘌呤变为次黄嘌呤与胞嘧啶配对鸟嘌呤变为黄嘌呤与胞嘧啶配对胞嘧啶变为尿嘧啶与腺嘌呤配对胞嘧啶去氨基生成尿嘧啶如果复制发生就会产生一个突变.糖甘水解酶识别改变了的碱基，把碱基从N-β-糖苷键处切下来，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。由AP磷酸内切酶将受损核甘酸的糖甘-磷酸键切开。DNA连接酶连接利用DNA聚合酶I切除损伤部位，补上核苷酸3、核苷酸切除修复1）通过特异的核酸内切酶识别损伤部位2）由酶的复合物在损伤的两边切除几个核苷酸3）DNA聚合酶以母链为模板复制合成新子链4）DNA连接酶将切口补平识别损伤部位损伤的两边切除几个核苷酸DNA聚合酶以母链为模板复制合成新子链DNA连接酶将切口补平4、DNA的直接修复在DNA光解酶的作用下将环丁烷胸腺嘧啶二体和6-4光化物还原成为单体甲基转移酶使O6-甲基鸟嘌呤脱甲基生成鸟嘌呤，防止G-T配对

上海生化所1998年分子遗传学试题：DNA修复系统的作用是保证DNA序列不发生任何变化（）第二章染色体与DNA

染色体

DNA的结构

DNA的复制

DNA的修复

DNA的转座DNA的转座(DNATransposition)五、DNA的转座（一）基本概念：DNA的转座：由可移位因子介导的遗传物质重排现象。转座子（transposon）：存在与染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。转座子的发现1951年，通过对玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，B.McClintock(美)首次提出转座子的概念。Ds-Ac系统(Dissociation-ActivationSystem)：抑制因子（inhibitor,I)，后改称为解离因子(dissociator,Ds)。激活因子(activator,Ac),能够控制Ds因子。（二）转座子的类型和结构特征原核生物转座子的类型：1、插入序列(insertionalsequence,IS)2、复合转座子(compositetransposon)3、TnA家族1、插入序列(IS)IS是最简单的转座子，不含有任何宿主基因，它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。

λ：：IS1插入序列（insertionalsequence,IS）

1.最简单的转座子,不含有任何宿主基因。

2.是很小的DNA片段(约1kb)，末端具有倒置重复序列。

3.转座时常复制宿主靶位点4～15bp的DNA形成正向重复区。

4.大部分IS序列只有一个开放读码框。

5.是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。1.是一类带有某些抗药性基因(或其他宿主基因)的转座子复合式转座子（compositetransposon）2.两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列。3.IS序列就不能再单独移动，只能作为复合体移动。1.没有IS序列的、体积庞大(5000bp以上)的转座子。TnA家族2.常带有3个基因，一个编码β-内酰胺酶(AmpR)，另两个则是转座作用所必须的。3.所有TnA类转座子两翼都带有38bp的倒置重复序列。转座作用的机制转座发生时，受体分子中有一段很短的（3～12bp）、被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。1.复制性转座2.非复制性转座

复制性转座(ReplicativeTransposition)A.整个转座子被复制，所移动的仅仅是原转座子的拷贝。B.转座酶(transposase)和解离酶(resolvase)分别作用于原始及复制转座子。C.TnA类主要是这种形式A.原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位非复制性转座(NonreplicativeTransposition)B.IS序列、Mu及Tn5等都以这种方式进行转座转座作用的遗传学效应①转座引起插入突变,导致结构基因失活。②转座产生新的基因。③转座产生的染色体畸变。④转座引起生物进化。

(1)自主性因子:具有自主剪接和转座的功能

(2)非自主性因子:单独存在时是稳定的，不能转座，当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能。例：玉米中的转座子－Ac-Ds体系真核生物中的转座子

Ds-Ac系统

C代表颜色,决定玉米糊粉层红和紫色的发生。抑制因子（inhibitor,I)，后改称为解离因子(dissociator,Ds),它抑制C基因的作用。

I和C都在玉米的第九对染色体上，且两者的座位很近。激活因子(activator,Ac),能够控制Ds因子。C与I基因之间易发生断裂，使I基因转座到原来染色体的其他部位或别的染色体上，于是C恢复活性表现有色。如果I（Ds）因子停留在原来的座位，并未发生断裂和转座，那么玉米籽粒为无色。

为什么Ds既能停留在原位，对C基因起着抑制作用，又能在玉米籽粒发育的不同阶段发生断裂和转座呢？Ds的作用还受到激活因子A