染色体与DNA幻灯片.ppt

1、第二章 染色体与DNA,/.,染色体 DNA的结构 基因,本章主要内容,第一节 染色体,染色体：细胞核内由核蛋白和DNA组成、能用碱性染料染色、有结构的线状体，是遗传物质基因的载体。,一、染色体概述,染色质：在生物的细胞核中，细胞分裂间期，有一种易被碱性染料染上颜色的物质 。,1.什么是染色体：,2. 染色体的形式与存在：,原核细胞亚显微结构模式图,1.原核生物染色体的特点 原核生物只有一条染色体吗 ? 2.真核生物染色体的特点 人的染色体 ?,人类染色体2n=46,分子结构相对稳定 能够自我复制，使亲子代之间保持连续性 能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程 能够产生可遗传的变异,3.染

2、色体的主要特征：,二、真核细胞染色体的组成,1.蛋白质 2.真核生物基因组DNA 3.染色质和核小体,1.蛋白质（组蛋白与非组蛋白）,保守程度：H1 H2A、H2B H3、H4,组蛋白（histone）: 是指所有真核生物的细胞核中，与DNA结合存在的碱性蛋白质的总称。其分子量约1000020000 。,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（H1、 H2A、H2B、 H3、H4 ）在进化过程中，H4极为保守，H2A最不保守（ ）。,（1）组蛋白的特征：,进化上的极端保守性 无组织特异性 肽链上氨基酸分布的不对称性 含赖氨酸的组蛋白H5：富含赖氨酸（24%） 组蛋白的

3、可修饰性,（2）非组蛋白的特征：,高速泳动蛋白（high mobility group protein, HMG） 特点：低盐（0.35mol/L NaCl）溶液抽提、溶于2%三氯乙酸、相对分子质量都在3.0104以下的非组蛋白，能与DNA结合，也能与H1作用，与DNA结合并不牢固，可能与DNA的超螺旋结构有关。 DNA结合蛋白（DNA binding protein） 特点：相对分子质量比较低的蛋白质，约占非组蛋白的20%，染色体的8%，可能是一些与DNA复制或转录有关的酶或调节物质。 A24非组蛋白（A24 nonhistone protein） 特点：溶解性与组蛋白相似，与H2A差不多大

4、小，呈酸性，含有较多的天冬氨酸和谷氨酸，总量大约是H2A的1%，位于核小体内，功能不详。,2.真核生物基因组DNA,基因组：一个物种的单倍体的染色体的数目称为该物种的。,C值 ： 一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，通常称 为该物种DNA的。,C值矛盾：基因所占基因组的比例不会超过20%，人们无法用 已知功能来解释基因组的如此之大的DNA含量，这 就叫做。,支原体104bp 显花植物1011bp,哺乳动物：C值约109bp/5000bp8000bp = 40万60万 基因 实际：约3万4万个,图2-5 各种生物细胞内DNA总量比较,（1）真核细胞DNA序列大致可分为3类：, 不重复序列/单

5、一序列, 中度重复序列, 高度重复序列,不重复序列/单一序列,不重复序列，在单倍体基因组中只出现一次或数次，又称低度重复顺序 。占哺乳类基因组的5080%，人基因组中约占65%。序列长7502000bp，相当于一个结构基因的长度。 如：蛋清蛋白、血红蛋白等。 功能：主要是编码蛋白质。,单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质。如一个蚕丝心蛋白基因可作为模板合成104个丝心蛋白mRNA，每个mRNA可存活4d，共合成105个丝心蛋白，这样，在几天之内，一个单拷贝丝心蛋白基因就可以合成109个丝心蛋白分子。,中度重复序列,指在基因组中重复频率10105的顺序，序列长1005000bp；在基因组中

6、所占比例约占1040。分布于结构基因之间、基因簇中、以及内含子中。 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。,图2-6 非洲爪蟾的rRNA基因结构示意图,高度重复序列,高度重复序列在基因组中重复频率可高达106以上，因此复性速度很快。序列长度一般为10300bp的较短序列。 在基因组中所占比例随种属而异，约占1060，人基因组中约占20。,高度重复序列的种类：,反向重复序列 反向重复序列由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成。这种重复顺序复性速度极快。序列长度1001000bp，约占人基因组的5。,串联重复序列 由2172bp重复单位排列成串而形成的。 由于碱基组成

7、不同于其他部份，在等密度梯度离心时与主体DNA分开，称卫星DNA。,（a）卫星DNA（satellite DNA） 重复区涵盖100kb5Mb，大部分位于染色体着丝点。重复单位2bp172bp。其中一种重复单位在170bp左右，为灵长类所独有。,串联重复序列包括,（b）小卫星(minisatellite)DNA 重复区域在0.1kb20kb间。主要包括重复单位在980bp之间的可变数目串联重复序列（variable number of tandem repeats，VNTR）和端粒。 （c）微卫星(microsatellite)DNA 重复单元16bp的短串联接重复（short tandem

8、repeats，STR），涵盖区域小于150bp。 微卫星DNA里的重复数目亦随个体而异，广泛被用於DNA指纹。,散布重复序列 散布重复序列可看成是一种转座子(transposable elements)，它们借DNA重组机制而转移。 经过许多代的遗传累积，DNA的某段序列会散布各处。由于突变的结果，每个重复单位的序列并非完全相同。,3.染色质和核小体,染色质：在生物的细胞核中，细胞分裂间期，有 一种易被碱性染料染上颜色的物质 。 核小体：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。,图2-7-c 核小体单元的产生,（1）真核生物基因组结构特点,真核基因组结构庞大 3109

9、bp 含有大量重复序列 非编码区较多 占整个基因组的90%以上 单顺反子 基因不连续性 断裂基因（interrupted）、内含子（intron）、外显子（exon） 含有大量顺式作用元件 启动子、增强子、沉默子等 存在大量的DNA多态性 具有端粒结构,单顺反子：即一个基因编码一条多肽链或RNA链，每个基因转录有各自的调节元件。,断裂基因（spliting gene） 真核基因的核苷酸序列中间有与氨基酸编码无关的DNA间隔区，使一个基因分隔成不连续的若干区段。这种编码序列不连续的间断基因称为断裂基因。现已证实，除了真核生物外，少数原核生物，如大肠杆菌T4噬菌体中也存在断裂基因。,内含子（int

10、rons）是真核生物细胞DNA中的间插序列。这些序列被转录在前体RNA中，经过剪接被去除，最终不存在于成熟RNA分子中。 外显子(exon)是真核生物基因的一部分，它在剪接(Splicing)后仍会被保存下来，并可在蛋白质生物合成过程中被表达为蛋白质。,顺式作用元件：是指与结构基因串联的特定DNA序列，是转录因子的结合位点，它们通过与转录因子结合而调控基因转录的精确起始和转录效率。,启动子；增强子；沉默子，也叫绝缘子。,DNA多态性：是指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异。 单核苷酸多态性（SNP） 串联重复序列多态性,单核苷酸多态性（SNP）,单核苷酸多态性(single n

11、ucleotide polymorphism，SNP)：,主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。 它是人类可遗传的变异中最常见的一种。占所有已知多态性的90%以上。SNP在人类基因组中广泛存在，平均每5001000个碱基对中就有1个，估计其总数可达300万个甚至更多。,DNA重复序列多态性,DNA重复序列的多态性（RSP），特别是短串联重复序列，如小卫星DNA和微卫星DNA，主要表现于重复序列拷贝数的变异。 小卫星（minisatellite）DNA由1565bp的基本单位串联而成，总长通常不超过20kb，重复次数在人群中是高度变异的。这种可变数目串联重复序列（VN

12、TR）决定了小卫星DNA长度的多态性。 微卫星（microsatellite）DNA的基本序列只有18bp，而且通常只重复1060次。,DNA片段长度多态性,DNA片段长度多态性（FLP），即由于单个碱基的缺失、重复和插入所引起限制性内切酶位点的变化，而导致DNA片段长度的变化。又称限制性片段长度多态性，这是一类比较普遍的多态性。,端粒（Telomere）：是真核生物线状染色体末端的DNADNA重复序列, 作用是保持染色体的完整性。,端粒是短的多重复的非转录序列（TTAGGG）及一些结合蛋白组成特殊结构。除了提供非转录DNA的缓冲物外，它还能保护染色体末端免于融合和退化，在染色体定位、复制、保

13、护和控制细胞生长及寿命方面具有重要作用，并与细胞凋亡、细胞转化和永生化密切相关。,凭借“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”这一成果，揭开了人类衰老和罹患癌症等严重疾病的奥秘的三位美国科学家（美国加利福尼亚旧金山大学的伊丽莎白布莱克本(Elizabeth Blackburn)、美国巴尔的摩约翰霍普金斯医学院的卡罗尔格雷德(Carol Greider)、美国哈佛医学院的杰克绍斯塔克(Jack Szostak)。）获得2009年的诺贝尔生理学或医学奖。,Elizabeth Blackburn,Carol Greider,Jack Szostak,结构简练 存在转录单元，为多顺反子 有重叠基因,三、

14、原核生物基因组的结构特点, 174噬菌体DNA：,DNA的存在：,第二节 DNA的结构,DNA的组成成份：,1、定义：指DNA分子中各脱氧核苷酸的排列顺序。,3,5-磷酸二酯键,一、 DNA的一级结构,二、DNA的二级结构,A landmark discovery in science,Watson,Crick：剑桥大学Cavendish 实验室,Rosalind frindlin:1945年毕业于剑桥，获博士学位 Linus Pauling：美国加州理工大学，知名的量子化学家 Wilkins:伦敦皇家学院教授。,（二）DNA双螺旋结构的主要特点,是什么呢？,两条脱氧核苷酸链以反向平行的方式围

15、绕同一中心轴向右盘绕,主链处于螺旋的外侧（核糖+磷酸）亲水,核糖平面与螺旋轴平行,碱基处于螺旋的内侧，与中轴垂直,螺距：10bp3.4nm3600 =2nm,沿中心轴观察，双螺旋结构上有两条螺形凹槽，一条较深宽，称为大沟（宽1.2nm，深0.85nm ）；另一条浅窄，称为小沟（宽0.6nm，深0.75nm ）。, 碱基互补配对 A=T；G C,（DNA多态性）,10.9bp 10bp 12bp 0.29nm 0.34nm 0.35nm,二级结构的特殊构型,DNA构象的改变可以调控基因转录，B-DNA是活性最高的DNA构象，B-DNA变成A-DNA后，仍有活性，但若局部变构为Z-DNA后，活性明

16、显降低。 Z-DNA调控基因转录的两个模式,邻近调控（转录区与调节区相邻）,控制区启动子,控制区,负超螺旋程度低，无扭转张力,负超螺旋程度高，有扭转张力,远距离调控（转录区可在上千个碱基以外）,DNA二级结构及其对基因调控的影响,DNA构型的生物学意义,1、沟（特别是大沟）的特征在遗传信息表达过程中起关键作用 2、沟的宽窄及深浅影响调控蛋白对DNA信息的识别 3、三种构型的DNA处于动态转变之中 4、DNA二级结构的变化与高级结构的变化是相互关联的，这种变化在DNA复制与转录中具有重要的生物学意义。,三、 DNA的三级结构,定义：双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构。 如扭拮、超螺旋等。,

17、负超螺旋(negative supercoil) DNA双螺旋链盘绕不足时所形成的超螺旋。,正超螺旋(positive supercoil) DNA双螺旋链盘绕过多时所形成的超螺旋。,四、 DNA的变性与复性,当DNA浓度为50ug/ml,OD260=1.0 变性DNA,OD260=1.37 核苷酸混合液,OD260=1.6 熔点温度, OD260=1.118,增色效应 减色效应,增色效应（Hyperchromatic effect） 在变性过程中，260nm紫外线吸收值增加的现象，称为。 融解温度（Melting temperature, Tm）： 热变性中光吸收达到最大吸收（完全变性）一半

18、（双螺旋结构失去一半）时的温度称为。,复性（Renaturation）： 热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。 减色效应（Hypochromic effect）： 随着DNA的复性，260nm紫外线吸收值降低的现象。,（一）影响变性DNA复性的因素,1.Na+浓度：0.18-0.2mol/L时，可屏蔽两条链间的静电斥力。 2.温度：低于Tm值25 时，错误的配对会解除，才能形成正确的配对。 3.长度：链长易形成折叠，不利于形成双链。 4.浓度：互补单链DNA的浓度（Co）越高，复性速度越快。 5.核苷酸的排列或核苷酸序列的复杂性：形成“复性核心” 后才能产生复性“拉链效应”。 （由物种本身

19、控制）,（二）DNA复性的动力学揭示核苷酸复杂性的重要方法之一,1.测定DNA分子的复性动力学的复杂性的条件： 阳离子浓度为0.18 mol/L； 温度低于Tm值25 ； 片段大小为400nt的标准反应条件。,2. 复性动力学特征二级反应动力学公式 dCt/dt = -kCt2 C/Co=1/(1+kCot) k：为二级反应常数（单位：L/mol秒），受DNA分子序列的 复杂性、阳离子浓度、温度的影响 t：反应进程的时间（单位：秒） C0: 反应开始时单链DNA的浓度（核苷酸mol/L） Ct：不同反应时间（t）的单链DNA浓度（核苷酸mol/L）,当Ct=1/2C0(即DNA复性一半）时 C

20、ot=1/k,K值就反映了特定DNA分子的复性动力学的复杂性,表示：将有50%的单链DNA分子复性成双链分子的反应时间与初始单链DNA浓度的乘积定义为Cot，也等于参数K值的倒数。,3.原核生物的Cot曲线（原核生物DNA的复性动力学）,不同物种核酸的Cot曲线,原核生物Cot曲线形状：不同生物曲线形状相似 都是单一序列； 原核生物Cot曲线跨度：一般只有两个数量级； 原核生物Cot曲线位置：基因组越大越靠右。,（1）真核生物的DNA复性曲线 真核生物Cot曲线特点：阶梯状，跨度7-8个数量级。 真核生物Cot曲线的组成： 快复性组分 中间复性组分 慢复性组分,4.真核生物DNA复性动力学,（

21、2）3种复性组分复杂性的计算 X = KC0t1/2 每种复性成分的实际C0t值 = 测得的C0t值 该组分占总DNA的百分比 待测样品DNA的复杂长度= 标准DNA的复杂长度 待测样品DNA Cot / 标准DNA Cot （3）每一组分拷贝数（重复频率）的计算 重复频率f = 化学复杂长度 / 动力学复杂长度 =（基因组化学复杂度 标准DNA C0t） / （待测DNA样品 C0t 标准DNA样品动力学复杂长度 ） 通常标准DNA长度为E.coli DNA长度4.2106bp 化学复杂度：用化学方法测定总DNA的长度,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。

22、（2001年上海生化所）,五、分子杂交,原理：具有互补序列的两条同源核酸单链间在一定条件下可 进行严格配对的过程。 应用：基因克隆的筛选、物理图谱的构建、基因定位、基因突变分析、基因表达调控研究等方面。 Southern Blotting：特指DNA分子转移到固相支持物上的过程。 Northern Blotting：当将RNA进行变性和电泳分离后，转移到固相支持物上的过程。,Southern and Northern blotting,原位杂交,荧光原位杂交技术（Fluorescence in situ hybridization,FISH），用于特定核酸序列在不同组织结构中的定位，已经有20

23、 多年的研究历史。,第三节 基 因,一、 基因概念:,基 因： 是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，它是遗传物质的最小功能单位。 基因是实体 基因是遗传信息传递和性状分化发育的依据 基因是可分的.,二、 DNA中基因的排布特点,(一)原核生物基因结构特点,操纵单位 蛋白质基因单拷贝 RNA基因多拷贝 调控序列多样性,图 2. 咔唑降解途径示意图 酶的命名分别是：CarAaAcAd, 咔唑 1,9-双加氧酶；CarBaBb, 2-氨基联苯-2,3-二醇 1,2-双加氧酶； CarC, 2-羟基-6-氧-6-（2-氨基）2，4-二烯脱氢酶；CarD, 2-羟基-2,4-戊烯酸水解酶; CarE,

24、醛缩酶；CarF, 乙醛脱氢酶；AntABC, 邻氨基苯甲酸1，2-双加氧酶；CatA, 邻苯二酚1，2-双加氧酶；CatB, cis-粘康酸内酯化酶； CatC, 粘康酸内酯化合物-异构酶40,41.,例：,The arrangement of car gene cluster element from different bacteria.,(二)真核生物基因结构特点,1.不连续基因,2.基因家族与基因簇,基因家族：真核生物的基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样的一组基因称为。,基因家族中，某些成员并不能表达出有功能的产物，这些基因称为假基因，表示为“”。哺乳动物中普遍存在这一现象。可能由突变产生。,假基因,假基因是最典型的“垃圾 DNA” 假基因是功能基因的缺陷拷贝，它在序列结构上与功能基因非常相似，但已丧失了正常的蛋白质编码功能，也称为死基因。 人类基因组中有 2 万个左 右假基因及其片段。 假基 因与功能基因的紧密相关性以及它在基因组进化过程中的重要性 。,假基因来源,假基因的来源,3.串联重复基因,特点： 各成员之间有高度的序列一致性，甚至完全相同，不像基因家族中各成