分子生物学本2染色体与dna

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1、2 染色体与DNA,2.1 染色体 2.2.1 染色体概述,细胞内的DNA主要在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体 染色体包括DNA和蛋白质两大部分 在不同的细胞周期，有染色体与染色质之分 区别：细胞增殖周期的有丝分裂中期，才出现染色体；其余时间为染色质 原核生物一般也称“染色体”，但没有核小体一级结构;而且,原核细胞一般是单倍体,染色体图,2.1.2 真核细胞染色体的组成,作为遗传物质，染色体具有的特征：P23 稳定 能自我复制 能指导蛋白质合成 变异,染色体化学成分,主要成分 DNA 组蛋白 非组蛋白 RNA 酶,含量稳定，组成核小体,含量随细胞周期状态不同而改变,组蛋白：属于碱性

2、蛋白，按精氨酸/赖氨酸的比例，分为五种 H1 H2A H2B H3 H4,核小体组蛋白，没有种属和组织专一性,不组成核小体，进化中最少保守,多精氨酸,多赖氨酸,稍多赖氨酸,组蛋白具有如下特征：P24 （1）保守性 （2）无组织特异性 （3）氨基酸分布的不对称性 （4）修饰（磷酸化、乙酰化，甲基化） （5）H5 （鸟、鱼、两栖类无H1有H5),非组蛋白： （1）HMG蛋白：可能与DNA的超螺旋结构有关。 （2）DNA结合蛋白：是酸性蛋白，又称序列特异性DNA结合蛋白，其功能为： 参与染色体的构建 启动基因的复制 调控基因的转录 （3）A24非组蛋白,DNA： 真核细胞DNA序列大致可分为3类：

3、不重复序列（单拷贝序列、低度重复序列） 中度重复序列 高度重复序列,单拷贝顺序（低度重复顺序）,单拷贝顺序在单倍体基因组中只出现一次或数次，因而复性速度很慢 单拷贝顺序在基因组中占 50-80 ，如人基因组中，大约有 60-65 的顺序属于这一类。 单拷贝顺序中储存了巨大的遗传信息，编码各种不同功能的蛋白质 目前尚不清楚单拷贝基因的确切数字，在单拷贝顺序中只有一小部份用来编码各种蛋白质，其他部份的功能尚不清楚,中度重复顺序,中度重复序列：在基因组中重复数十至数万（105）次的重复顺序 中度重复序列复性速度快于单拷贝顺序，但慢于高度重复顺序 少数在基因组中成串排列在一个区域，大多数与单拷贝基因间

4、隔排列,中度重复顺序,中度重复顺序在基因组中所占比例在不同种属之间差异很大，一般约占10-40，在人约为12 大多不编码蛋白质，其功能可能类似于高度重复顺序。但有些中度重复顺序则是编码蛋白质或rRNA的结构基因，如HLA基因，rRNA基因，tRNA基因，组蛋白基因，免疫球蛋白基因，等,中度重复序列 middle repeated sequence,Alu家族 Kpn家族 Hinf家族 rRNA基因 组蛋白基因 HLA基因 免疫球蛋白基因,中度重复顺序Alu家族,是哺乳动物基因组中含量最丰富的一种中度重复顺序家族 在单倍体人基因组中重复达30万-50万次，约占人基因组的3-6 Alu序列分散在整

5、个人体或其他哺乳动物基因组中，在间隔区DNA，内含子中都发现有Alu序列，平均每5kbDNA就有一个Alu顺序,中度重复顺序Alu家族,Alu家族每个成员的长度约300bp 每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点（AGCT），Alu可将其切成长130和170bp的两段，因而定名为Alu序列（或Alu家族）,中度重复顺序Alu家族,序列分析表明：人类 Alu 顺序是由两个约130 bp 的正向重复构成的二聚体，而在第二个单体中有一个 31 bp 的插入序列，该插入序列在 Alu 家族的不同成员之间核苷酸顺序相似但不相同 每个 Alu 顺序两侧为 6-20bp的正向重复顺序（侧翼重复顺序），

6、不同的Alu成员的侧翼重复顺序也各不相同,中度重复顺序Alu家族,中度重复顺序Alu家族,Alu家族的功能是多方面的： 可能参与hnRNA的加工与成熟 与遗传重组及染色体不稳定性有关 有形成Z-DNA的能力 可能具有转录调节作用,rRNA基因,真核生物rRNA基因的重复次数多 真核生物有四种rRNA（18S、28S、5S、5.8S rRNA） 基因组中 18S、28S和5.8S rRNA基因在同一转录单位，重复约5000次 5S rRNA 在低等真核生物（如：酵母）中也和18S、28SrRNA在同一转录单位；而在高等生物中，5S rRNA 是单独转录的，而且其在基因组中的重复次数高于18S和2

7、8S rRNA基因,真核生物rRNA基因结构,rRNA基因,rRNA 基因通常集中成簇存在，而不是分散于基因组中，这样的区域称为rDNA区 染色体的核仁组织区（nucleolus organizer region）就是rDNA区,rRNA基因,人类的 rRNA基因位于13,14,15,21和22号染色体的核仁组织区 每个核仁组织区平均含有50个rRNA基因的重复单位 5S rRNA 基因似乎全部位于1号染色体（1q42-43）上 每单倍体基因组约有1000个5SrRNA基因,tRNA 基因,tRNA基因的准确重复次数比较难以估计 在非洲爪蟾中约有300个拷贝由tRNA met, tRNA ph

8、e, tRNA trp及其它tRNA基因组成的3.18kb的串联重复单位 在人体单倍基因组中约有1000-2000个tRNA基因，由50-60种tRNA基因编码，每种平均重复20-30次,组蛋白基因,组蛋白基因在各种生物体内重复的次数不一样，但都在中度重复的范围内 通常每种组蛋白的基因在同一种生物中拷贝数是相同的 不同生物中组蛋白基因在基因组中的排列不一样 组蛋白基因没有一定的排列方式，而在拷贝数高等生物基因组中（100拷贝），大部份组蛋白基因串联重复形成基因簇,组蛋白基因,尽管组蛋白基因在基因组中的排列和分布在不同生物之间相差甚大 H2B-H2A-H4-H3-H1 果蝇 H1-H4-H2B-

9、H3-H2A 海胆 但所有组蛋白基因都不含内含子，而且组蛋白基因序列都很相似，从而编码的组蛋白在结构上和功能上也极为相似,组蛋白基因,基因组中存在大量重复序列用以编码组蛋白是有其重要意义的 DNA复制时，组蛋白也要成倍增加，而且往往在DNA合成一小段后，组蛋白马上就要与其相结合，这要求在较短的时间内合成大量的组蛋白，因而需要有大量的组蛋白基因存在,高度重复序列 high repeated sequence,高度重复序列在基因组中重复频率高，可达百万（106）以上，因此复性速度很快 在基因组中所占比例随种属而异，约占10-60，在人基因组中约占 20 。高度重复顺序又按其结构特点分为三种,高度重

10、复序列,种类 反向重复序列 卫星DNA 较复杂的重复单位组成的重复顺序,卫星DNA satellite DNA,重复顺序：由2-10bp组成重复单位，重复单位成串排列而成 由于这类序列的碱基组成不同于其他部份，可用等密度梯度离心法将其与主体DNA 分开，因而称为卫星DNA （或随体DNA） 在人细胞组中，卫星 DNA约占 5-6 ，按其浮力密度不同，人的卫星DNA可分为、四种,卫星DNA,果蝇的卫星DNA顺序已经搞清楚，可分为三类，这三类卫星DNA都是由7bp组成的高度重复顺序： 卫星为：5 ACAACTT 3 卫星为：5 ACAAATT 3 蟹的卫星DNA为只有AT两个碱基的重复顺序组成,基

11、因家族与假基因,真核基因组的另一特点就是存在基因家族（multigene family） 多基因家族是指基因组中许多来源相同、结构相似、功能相关的一组基因,基因家族与假基因,基因家族大致可分为两类： 一类是：基因家族成簇地分布在某一条染色体上，其可同时发挥作用，合成某些蛋白质（如：组蛋白基因家族就成簇地集中在第 7 号染色体长臂 3 区 2 带到 3 区 6 带区域内） 另一类是：一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质（如珠蛋白基因家族）_分散式基因簇,基因家族与假基因,在基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，这些基因称为假基因（pse

12、udo gene） 假基因与有功能的基因同源，原来可能也是有功能的基因，但由于缺失，倒位或点突变等，使这一基因失去活性，成为无功能基因,自私DNA（selfish DNA）,在哺乳动物包括人体基因组中，存在着大量的非编码顺序。这些顺序中，只有很小一部份具有重要的调节功能，绝大部部分都没有什么特殊功用。在这些DNA序列中虽然积累了大量缺失，重复或其他突变，但对生物并没有什么影响，它们的功能似乎只是自身复制，所以人们称这类DNA为自私DNA或寄生DNA（parasite DNA）。自私DNA也许有重要的功能，但目前我们还不了解,染色质(体)结构,染色质结构： 一级结构：核小体（真核生物的基本单位）

13、 二级结构：螺线管 三级结构：超螺线体 四级结构：染色单体,1974年，Kornberg 发现核小体 核小体是所有真核生物染色体的基本结构单位 每个核小体单位包括bp左右的和一个组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3、H4各两个）以及一个分子的组蛋白组成,8个组蛋白组成4个异源二聚体: 2个H2A-H2B二聚体;2个H3-H4二聚体 H3-H4相互结合成中央形成4聚体,两个H2A-H2B位于H3-H4四聚体的外侧,染色体的包装,二级结构：螺线体 三级结构：超螺线体 四级结构：染色单体,染色体：细胞中期出现的形态 染色单体 着丝粒 端粒,染色体的高级结构对复制、转录等是否有影响？,染色体处于凝集状态

14、即异染色质（heterochromatin）状态时，转录因子不能结合，不能引发转录。只有当染色体处于松弛状态，才可能发生转录。目前认为染色体状态的改变是通过对构成染色体骨架的核心组蛋白（core histone）的修饰完成的。 组蛋白的修饰由多种类型，主要的有甲基化/去甲基化，乙酰化/去乙酰化等等。组蛋白的甲基化或是去乙酰化可以使组蛋白与染色体紧密结合，使转录因子无法结合而无法起始转录，反向修饰则激活转录。有些修饰是可以长期保持，比如对组蛋白上的赖氨酸的甲基化修饰，需要缓慢地替换组蛋白或是DNA复制来消除。 但是染色体区域处于打开状态只是满足转录起始的基本条件，打开区域的基因是否转录还依赖于其

15、它因素，比如启动子的甲基化状态、是否有合适的转录因子，以及其它顺式作用元件的影响。,2.2 DNA的结构,DNA为什么能作为遗传物质？,1.thymine is appropriate for DNA where maintaining sequence with high fidelity is more critical (如右图） 2.碱基配对中A=U的稳定性比A=T的稳定性差，这样就保证了RNA转录过程中RNA与DNA的杂化链不如DNA双链稳定，RNA转录后容易被DNA替代而脱落。而DNA双链可以稳定结合 3.Uracil is energetically less expensive

16、 to produce than thymine,DNA的一级结构,定义： 核苷酸排列顺序，或称碱基排列顺序。核苷酸排列顺序，或称碱基排列顺序。 5-ATCGGCTAAGGCTCCGACGA-3 3-TAGCCGATTCCGA GGCTGCT-5 绝大多DNA分子都是两条互补的单链构成，只有少数是以单链存在,Nature 原文及DNA双螺旋结构发现50周年庆典Web资源巡礼,Z-DNA对基因转录具有调控作用 调控基因转录的的两个模式：,Watson-Crick DNA分子结构模型 A 是一个三链结构 B DNA双股链的走向是反向平行的 C 碱基A和G配对 D 碱基之间共价结合 E 磷酸戊糖主链位于DNA螺旋内侧 在DNA的双螺旋模型中 A 两条多核苷酸链完全相同 B 一条链是左手螺旋,另一条链是右手螺旋 C A+G/C+T的比值为1 D A+T/G+C的比值为1 E 两条链的碱基之间以共价键结合,答案： B C,