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1、 染色体与DNA1本章内容l染色体lDNA的结构lDNA的复制l原核和真核生物DNA的复制特点lDNA的修复lDNA的转座21 染色体（chromosome）3松散态的染色质一、染色体概述压缩态的染色体4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。5结构 分子结构相对稳定； 能自我复制； 能指导蛋白质合成； 能产生可遗传的变异。DN
2、A蛋白质染色体染色体（chromosome）特征P2267二、真核细胞染色体的组成P22DNA：约占30%，遗传物质，遗传信息的载体 蛋白质:与DNA质量比约为2:1 组蛋白(histone)：呈碱性，染色体的结构蛋白；与DNA 含量呈一定的比例 非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清 楚，可能与染色质结构调节有关， 另外，可能存在少量的RNA组蛋白 非组蛋白核小体DNA蛋白质染色体81、组蛋白l染色体的结构蛋白l有H1、H2A、H2B、H3及H4五种，与DNA共 同组成核小体。91011l进化上的极端保守性保守程度：H1 H2A、H2B H3 、H4l无组织特异性l肽链上氨基酸分
3、布的不对称性碱性氨基酸分布在N端；疏水基团在C端l存在较普遍的修饰作用甲基化、乙酰化、磷酸化等lH5富含赖氨酸 (24%)组蛋白的特性 P2412组蛋白的可修饰性：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。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。13142、非组蛋白 P24大约是组蛋白的60%70%，约有20-100种，其中常见 的有15-20种。 具有组织
4、专一性和种属专一性。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。15几类常见的非组蛋白l高速泳动蛋白 (High mobility group protein， HMG蛋白)能与DNA结合但不牢固，也能与H1作用；可能与DNA的超 螺旋结构有关。lDNA结合蛋白相对分子量较低，占非组蛋白的20，染色质的8；可能 与DNA的复制、转录、修复和重组有关。lA24非组蛋白溶解性和组蛋白相似。有两个N端。总量大约是H2A的1%。 功能不详。16l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。
5、3、DNA P2517lC值（ C-value ）：l通常是指一种生物单倍体基因组DNA的总 量。l在真核生物中，C值一般是随生物进化而 增加的，高等生物的C值一般大于低等生 物。18各种生物细胞内DNA总量的比较霉菌 藻类G+细菌 G-细菌显花植物 鸟类 哺乳类 爬行类两栖类 硬骨鱼类 软骨鱼类 棘皮类 甲壳类 昆虫类 软体动物 蠕虫类真菌19C值反常现象（C-value paradox ）lC值往往与种系进化的复杂程度不一致，某 些低等生物却具有较大的C值。如一些两栖 动物的C值甚至比哺乳动物还大。l这就是著名的“C值反常现象” (C value paradox)，也称C-值谬误。20上节
6、知识回顾l1、组蛋白的特性 P24l进化上的极端保守性l无组织特异性l肽链上氨基酸分布的不对称性l存在较普遍的修饰作用lH5富含赖氨酸 (24%)212、C值反常现象lC值通常是指一种生物单倍体基因组DNA的总 量。lC值往往与种系进化的复杂程度不一致，某些 低等生物却具有较大的C值。如一些两栖动物 的C值甚至比哺乳动物还大。22根据 DNA复性动力学研究，DNA序列大致上 可被分成3类 P25l1）、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。23l2）、中度重复序列：在基因组中的拷贝数为10
7、1-104。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 24非洲爪蟾的18S、5.8S及28SrRNA基因是连在一起的，中 间隔着不转录的间隔区，这些单位在DNA链上串联重复约 5000次。在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次不同 比例的复制，产生2106个拷贝，使rDNA占卵细胞DNA 的75%，从而使该细胞能积累1012个核糖体。 25l3）、高度重复序列-卫星DNA：拷贝数达到几百个 到几百万个。l卫星DNA(satellite DNA) 在介质氯化铯中作密度梯 度离心，此时DNA分子将按其大小分布在离心管内不同 密度的氯化铯介质中，小的分子处于上层，大
8、的分子 处于下层；从离心管外看，不同层面的DNA形成了不同 的条带。根据荧光强度的分析，可以看到在一条主带 以外还有一个或多个小的卫星带。这些在卫星带中的 DNA即被称为卫星DNA，这种DNA的GC含量一般少于主带 中的DNA，浮力密度也低。l卫星DNA是不转录的，其功能不详，可能与染色体 的稳定性有关。26真核细胞DNA序列27l贝克等(Bak, A. L., 1977)：染色体四级结构模型理论能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程l一级结构：核小体 二级结构：螺线管 三级结构：超螺线体四级结构：染色单体4、染色质 P272829l1956年，Wilkins和Vittorio Luzzat
9、i对染色质进 行了X衍射研究，发现染色质具有间隔为100埃的 重复性结构。(这意味着什么？）l1971年，Clark和Felsenfeld用葡萄球菌核酸酶作用染色质，发现有些区域对核酸酶不敏感，且 不敏感的区域比较均一。 (这暗示着什么？）核小体30l1973年，Hewish和Burgoyun用内源核酸酶 消化细胞核，再从核中分离出DNA，结果发现 一系列DNA片段，它们相当于长约200bp的一 种基本单位的多聚体。 (意味着什么？）核小体l1974年，M.Noll用外源核酸酶处理染色质， 然后进行电泳，测得前三个片段的长度分别为 205bp、405bp、605bp (表明什么？）31lOli
10、ns夫妇（1974）和Pierre Chambon等 （1975）在电镜下观察到染色质的“绳珠” 状结构，小球的直径为100埃。“小体”“钮 体”lX衍射图表明组蛋白的多聚体是紧密相连， 并无可容纳象DNA分子那样大小的空洞。 表明什么？32l1974年，Kornberg和Thomas用微球菌核酸酶部分消化染 色质，切断一部分200bp单位之间的DNA，使其中含有单 体、二聚体、三聚体和四聚体等。然后经梯度离心将它 们分开。每一组再通过凝胶电泳证明其分子大小及纯度 。然后分别用电镜来观察各组的材料，结果单体均为一 个100埃的小体，二聚体则是两个相联的小体，同样三 聚体和四聚体分别由三个小体和
11、四个小体组成。表明什 么？l1984年，Klug和Butler修正核小体模型。333435核小体 的梯度 离心和 电泳36核小体构成核小体构成37146bp DNA + Histone octamer (组蛋白八聚体) Nucleosome core (核小体核心) + H1Chromatosome (染色小体 166bp) + linker DNA Nucleosome(核小体) (200 bp of DNA)38解释核小体结构的对称模式认为，H32- H42 四聚体处于对称结构的中心，上下各 有一个H2A-HAB 二聚体。在体外，DNA 能直接缠绕到完整的(交联)八聚体上， 也可用DNA先
12、和2H3-2H4 四聚体反应，再添加两个 H2A-H2B 二聚体，最后完成组装39染色质高级结构染色质高级结构30nm30nm4041从核小体到染色体视频从核小体到染色体视频4243三、原核生物和真核生物基因组结构特点比较1、原核生物基因组结构特点 P30 基因组组很小：大多只有一条染色体，基因多为单为单 拷贝贝 结构简练：重复序列少，DNA分子绝大部分用来编码蛋白质 存在转录单转录单 元：转录产物为多顺反子mRNA(polycistron) 有重叠基因（Sanger发现）:同一段DNA含有两种不同蛋白质的信息44莲人在绿杨津 采 一玉漱声歌新阙采莲人在绿杨津，在绿杨津一阙新。 一阙新歌声漱玉
13、，歌声漱玉采莲人。重叠基因45l1976年Burrell B. G., Air G. M. 和Hutchison C. A.首先报告X174噬菌体含有重叠基因。l1977年Sanger证实了重叠基因l 对单链环状的噬菌体X174进行了测序。 5386 nt, 11 基因，3个转录单位，由3个启动 子（pA，pB，pD）启动。l X174含有的5386nt最多能编码1795个氨 基酸，若每个氨基酸的平均分子量为110Da， 则总的蛋白质分子量为197,000Da，但实际蛋 白质总分子量却为262,000Da。l 将全部DNA顺序和蛋白质的氨基酸顺序进 行比较，发现了重叠基因。46472、真核生物
14、基因组结构特点 P29l基因组庞大；一般远大于原核生物的基因组 l存在大量的重复序列l大部分为非编码序列l转录产物为单顺反子l断裂基因，有内含子结构l存在大量的顺式作用元件l存在大量的DNA多态性l具有端粒结构482 DNA的结构一级结构 二级结构 三级结构49无论DNA或RNA，都是由许许多多个核苷酸连接而 成的生物大分子，而每个核苷酸又由磷酸、核糖和碱 基3部分组成。15051组成DNA和RNA分子的五种含氮碱基的结构式52一、DNA的一级结构 P32DNA的一级结构是指四种 核苷酸的连接及排列顺序 ，表示该DNA分子的化学 构成。简称为DNA序列或 碱基序列。lDNA由脱氧核苷酸聚合而成
15、。l碱基的不同决定了脱氧核苷酸的不同53lDNA分子由两条反向平行的脱氧核苷酸链盘绕而成。lDNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。l两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对。碱基 配对遵循碱基互补配对原则(Chargaff规则)。DNA一级结构特点 P325455二、DNA的二级结构 P33l lWatsonWatson和和CrickCrick以立体以立体 化学原理为准则，对化学原理为准则，对 WilkinsWilkins和和FranklinFranklin的的 DNA XDNA X射线衍射分析结射线衍射分析结 果加以研究，提出了果加以研究，提出了 DN
16、ADNA结构的双螺旋模型结构的双螺旋模型 。lDNA二级结构是指两条 多核苷酸链反向平行盘绕 所生成的双螺旋结构。56DNA双螺旋模型的特点双螺旋模型的特点1 1）螺旋直径2nm；2）链间有螺旋形凹槽，较小的为小沟（ 1.2nm），较大的为大沟（2.2nm）；3）碱基间距0.34nm ； 4）每轮碱基数10 ； 5）碱基平面与纵轴垂直。57ADNA：每螺旋含11个碱基对，大沟变窄、深，小沟变宽、浅。 右螺旋DNA BDNA:存在最普遍 BDNA家族 CDNADDNATDNA左螺旋DNA：ZDNA：每个螺旋含12个碱基对，分子长链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿形排列，有如“之”字形一样，只有一个沟，相当于B构象中的小沟，它狭而深，大沟则不复
