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1、第二章 染色质、染色体、基因和基因组,1、染色质和染色体的形态2、染色质和染色体的化学成分/组成3、染色质和染色体的功能(自学)4、染色体畸变,第一节、 染色质与染色体,染色质(chromatin)：是指细胞周期间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合结构，因其易被碱性染料染色而得名。 染色体(chromosome)：是指在细胞分裂期出现的一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征的物体。 只有在细胞分裂中才可见的形态单位。,一、染色质和染色体的概念,染色质和染色体的化学组成相同，是同一物质在细胞不同时期的不同形态； 染色质和染色体是真核细胞内遗传物质的存在形式；,
2、2 染色质的分类,存在形态不同：常染色质和异染色质 常染色质(euchromatin) 间期纤丝，包装密度度比分裂期染色体的要小很多，一般位于细胞核的中央 (30nm) 常染色质是具有转录活性的染色质，结构疏松，电子密度低,异染色质(heterochromatin),间期为高度卷曲紧缩块状，可与有丝分裂期染色体相比，存在于细胞核周边(100-250nm) 特点： 持久压缩，无转录活性、是遗传惰性区。 在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩。 分为两类：组成型异染色质、兼性异染色质,两种染色质的区别,常染色质 异染色质 间期染色程度 染色浅 染色深 分布 核中央 核仁和核膜附近 螺旋化程度 低 高 呈
3、疏松状态 呈凝集状态 DNA序列 单一序列和部分重复序列 高度重复序列 功能状态 活跃的DNA分子部分 不活跃的DNA分子部分 进行转录和翻译 不能转录和翻译,核小体,核小体是构成染色质的基本结构单位 核小体（nucleosome）：串珠状的染色质，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，通过酶消化实验建立。 核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白八聚体和一个组蛋白H1。,由组蛋白2个H2A-H2B、 2个H3、 2个H4形成八聚体，构成核心颗粒； DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；,相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DN
4、A。,在低盐亲水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体（JA，Gall 1981）,通过形成核小体，长度压缩7倍，11nm的纤维。 但是在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，长度压缩6倍。,核小体螺线体（核丝）,solenoid,30nm的核丝以侧环模型结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域 。形成超螺线体。 多级螺旋染色体,核小体螺线体超螺线体染色体,（二）染色体,细胞分裂中期高度凝缩,染色体的一般形态特征,染色体的形态结构,1.染色单体 1.主缢痕（初级缢痕；着丝粒区）：两个染色单体相连处，染色较浅、向内凹陷成狭小区
5、段的部位。 着丝粒：着丝粒区连结两个染色单体的特殊区段。 动粒（着丝点；着丝盘）：是主缢痕处，两染色单体外侧表层部位与纺锤丝接触的。将染色体附着在微管上。,着 丝 粒 卫 星 DNA,根据着丝粒的位置和染色体两臂的长度比（臂比），将染色体分成4类：,近中着丝粒(M); V,亚中着丝粒(SM); L,近端着丝粒(ST);I,顶端着丝粒(T);I,2.次缢痕（副缢痕；核仁形成区）：主缢痕外着色较浅的染色体缢缩区，不能弯曲，与核仁形成有关。常在短臂出现。位置相对稳定。可作为鉴定标志之一。 3.核仁组织区（NOR）：位于染色体次缢痕部位，是rRNA基因活跃转录形成（5srRNA除外），核仁形成有关。
6、4.随体：从次缢痕到短臂末端有一种圆形或略呈长形的染色体节段。可作为鉴定标志之一。,5.端粒（telomere）：末端特化的着色较深部位。由端粒DNA和端粒结合蛋白(TBP)组成。富含G的高度重复的短序列组成，末端形成t环。,1978年Blackburn E.B.在研究四膜虫的rDNA时发现染色体末端有6nt的串联重复：5G4T23，重复几十次， 总长度为：370-520bp, Cn(A/T)m, n1,m14 单链长14-16nt,端粒的3单链末端取代了端粒上游中的一个相同序列形成t环, 反应由端粒结合蛋白TRF2催化,端粒（telomere）作用： 维持染色体的稳定性。防止染色体DNA降解
7、、末端融合和缺失 与细胞寿命有关，起细胞分裂计时器的作用。端粒的复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶来完成。 保证遗传信息的完整复制 指导染色体与核膜相连,端粒酶：含有RNA模板到逆转录酶 端粒酶在大多数正常体细胞中无活性，在永生化细胞和恶性肿瘤细胞中有活性，因此可作为恶性肿瘤标记物。 端粒酶抑制剂可抑制恶性肿瘤细胞的增殖： 核酶/反义核酸 逆转录酶抑制剂 核苷酸类似物,二、染色质和染色体的化学组成,由相同的化学物质组成 主要成分：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA 比例：1:1:(1-1.5):0.05,（一）DNA,4种序列：单一序列； 轻度重复序列； 中度重复序列（1015）；高度重复序列
8、（105）。 3种主要构像：B-DNA、Z-DNA、A-DNA。 3种基本元素：自主复制序列(ARS)；着丝粒序列(CEN) ；端粒序列(TEL)。 酵母人工染色体(YAC )：含上述3种成分，用于转基因。,重复序列(repeated sequances) 指在基因组中多次出现的DNA序列。由特定长度的重复单位，特定的拷贝数目在空间上以特定的方式组成。 根据C0t曲线分为高度重复序列，中度重复序列和单拷贝序列等。,补充： C0t曲线与复性动力学,基因组序列复杂性的研究是通过测量变性DNA的复性速率来进行的。 复性曲线：剩余单链DNA比例对Cot1/2作图 高度重复序列复性速度快,10-7 10
9、-5 10-3 10-1 10 103 105,1.0,0.0,human,E.coli,U:A,C0t1/2,Phage ,CC0,0.5,基本为单一序列,1单拷贝序列（single copy sequence）或单一序列（unique sequence）；非重复序列 真核生物基因组的3070，大多数基因在单倍体中都是单拷贝。 单拷贝序列最重要的作用是具有编码功能。 编码蛋白质和酶的结构基因以及基因的间隔序列。 但编码序列只占单拷贝序列的一小部分，所以单拷贝序列除了编码以外还应有其它功能。,2轻度重复序列（slightly repetitive sequence） 这种重复序列在基因组中只有
10、210个拷贝，如组蛋白、酵母tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因。轻度重复序列包括两种情况：一是重复序列中的基因都是有功能的，例如血红蛋白链的基因有胚胎型和胎儿型，只是基因产物在氨基酸组成上是各有差异；二是重复序列中的基因有的有功能，有的没有功能，如假基因等。轻度重复序列很难用点突变方法进行鉴定，因为任何一个拷贝的失活都不能影响其它拷贝的活性。,3中度重复序列（moderately repetitive sequence） 中度重复序列一般都是不编码的序列，有10至几千个拷贝，例如rRNA基因、tRNA基因。目前认为，大部分中度重复序列与基因表达的调控有关。 tRNA基因一般分布于基因组中， r
11、RNA基因常集中分布于核仁形成区。 中度重复序列的共同特征是两端有类似于转座子两端的重复序列，这种现象十分类似于逆转录病毒的结构。人Alu序列家族,4高度重复序列（highly repetitive sequence） 大多数高等真核生物的DNA都含有20以上的高度重复序列，由非常短的序列重复多次，可达几百万个拷贝，串联成长长的一大簇集中在异染色质区，特别是在着丝粒和端粒附近。因为序列简单，缺乏转录必要的启动子而不具转录能力。 卫星DNA,含量最高的一种染色体蛋白 带正电荷，含大量Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为： 核心组蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4；
12、连接组蛋白（linker histone）：H1。,（二）组蛋白（histone）,组蛋白的一般特性 4种核心组蛋白高度保守，尤其是H3、H4。无种属、组织特异性。 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，大部分疏水基团都分布在C端。 H1反之 所有的组蛋白都是修饰的（ N端）。甲基化、磷酸化、乙酰化等。 组蛋白修饰是一个重要事件。,序列特异性DNA结合蛋白。特性： 带负电，富含天冬氨酸、谷氨酸，属酸性蛋白。 种类多达数百种，含量少 主要为结构蛋白和酶类 具有种属和组织特异性 整个细胞周期都合成，组蛋白只在S期合成。,（三）非组蛋白（non-histone）,功能： 参与染色体的
13、构建：帮助染色质纤维的进一步折叠、盘曲 启动基因的复制 基因表达调节、基因产物转运、核内信息传递，细胞周期中核亚微结构的变化 p39，表2-1,（三）非组蛋白（non-histone）,（四）RNA和酶,含量极少，与同源DNA高度杂交 调节基因表达 染色质是多种酶的底物,三、染色质和染色体的功能,是遗传信息贮存、传递及表达（蛋白质） 的物质基础 （一）染色质在遗传中的作用 1、有丝分裂 2、减数分裂,细胞周期,连续分裂的细胞，从一次分裂完成时开始，到下一次分裂完成时为止。,细胞分裂间期,细胞分裂期,阶段,变化：完成DNA的复制和 有关蛋白质的合成,间期（初）,结果：每个染色体都形成 两个姐妹染
14、色单体，呈染色 质形态，细胞中DNA数目加 倍，染色体数目不变,间期,1、有丝分裂（cell mitosis）,特点是有纺锤体形成及染色体的变化，子染色体被平均分配到子细胞，这种分裂方式普遍见于高等动植物。,2、有丝分裂过程,有丝分裂过程是一个连续的过程，为了便于描述人为地划分为五个时期： 前期(prophase) 前中期(premetaphase) 中期(metaphase) 后期(anaphase) 末期(telophase),前期的主要事件是： 线性染色质经螺旋化、折叠和包装，变短变粗，形成染色体。每条染色体包含2个染色单体(姐妹染色体)。 动粒装配、星体形成与分裂极确立。,1.前期,前
15、 期,1、两现：染色体出现、 纺锤体出现,2、两失： 核膜消失、核仁消失,纺锤体有三种微管结构,极体微管：由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达，负责将两极推开。 动粒微管（着丝点微管）：由中心体发出，连接在染色体着丝点动粒上，着丝点上具有马达蛋白。 星体微管：由在两极中心体向外放射，末端结合有分子马达，负责两极的分离。, 染色体进一步浓缩，变短变粗，形成X形结构。 纺锤体进一步装配，形成动粒微管和极体微管。 染色体在各种相关因素共作用下向赤道方向运动。,2.前中期：核膜解体标志前中期开始, 纺锤体呈现典型的纺锤样。 位于染色体两侧的动粒微管长度相等，作用力均衡。,3.中期：其
16、标志是所有染色体排列到赤道板上,赤道板,中 期,可分为后期A与后期B。后期A动粒微管变短，染色体向两极运动。后期B极性微管长度增加，两极距离拉长。,4.后期：其标志是姊妹染色单体分开并移向两极,后 期,后期A: 该阶段染色体的分离由微管去聚合假说解释： 动粒微管不断解聚缩短,造成的拉力将染色体拉向两极。,5.末期,染色体单体到达两极，即进入了末期。 动粒微管消失， 极性微管继续加长。 染色单体去浓缩。 核膜、核仁重新装配。,中间小体,6.胞质分裂 开始于细胞分裂后期， 结束于细胞分裂末期。 胞质分裂过程： 肌动蛋白与肌球蛋白在 赤道板周围形成收缩环， 收缩环收缩形成收缩沟， 收缩环处细胞膜融合形 成两个子细胞。,2、减数分裂（Meiosis）,减数分裂是一种特殊的有丝分裂方式，仅发生于有性生殖细胞形成过程中的某个阶段。 主要特点：DNA复制一次，
