有机体染色体和基因

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1、第三章 有机体、染色体和基因,第一节 生命有机体 第二节 原核生物染色体和基因 第三节 真核生物的染色体 第四节 真核生物的基因,第一节 生命有机体,一、生命有机体的划分,按照细胞的结构和遗传物质在细胞内的分布，生命有机体可 大致划分为： 原核生物（ Prokaryotes ） 真核生物（ Eukaryotes ）, 原核生物（ Prokaryotes ）,遗传物质类核或拟核 习惯上也称为染色体,类核或拟核,Prokaryotic cell,Eukaryotic cell,Cellular classification,A Prokaryotic cell The electron micro

2、graph on the left is magnified about 80000 times, 真核生物（ Eukaryotes ）,遗传物质集中存 在于核膜包围的 细胞核中,并与 特殊的蛋白质结 合为核蛋白 染色体, 超分子的亚细胞生命形式,病毒（寄主为动、植物） 使用真核生物的遗传法则 噬菌体(细菌或病毒) 适应了原核生物的遗传策略,繁殖必须在寄主体内进行，因而遗传机制与寄主密切相关,如：病毒（virus） 噬菌体(phage ）,不同形态的病毒颗粒 A, B, C. 球状（分别为疱疹病毒，昆虫多角体病毒和流感病毒；D. 杆状（烟草花叶病毒）；E. 噬菌体（T4噬菌体）；F, G. 多

3、面体（分别为腺病毒和脊髓灰质炎病毒）。,真核细胞和原核细胞的区别：,第二节 原核生物染色体和基因,一、大肠杆菌（Escherichia coli E.coli ）,1、大肠杆菌在实际工作中 的重要性,1885 Theodor Escherich (德国) 原命名为 Bacterium coli 将其属名改为 Escherichia 是为了纪念发现者,经常被当作是所有生物的 原型（archetype）,b、生长迅速，要求营养物质简单，能进行很多生理生化过程,c、有性生殖，可进行遗传学的研究 (如遗传杂交及遗传性状 的分析 ）,d、能够供应病毒的生长，进行病毒扩增的研究,a、在实验室中容易操作,因

4、为:,E. Coli是基因克隆、原核表达的载体 质粒提取、感受态制备、生长曲线, 类核中，染色体DNA成分占80，其余为RNA和蛋白质, 4.6 x 106bp的基因组DNA 与多种DNA结合蛋白质组装成 E. coli的染色体, 基因组DNA为双链环状， 总长度为1.3mm，1400 以上的基因（共30004000个）都已定位,（1） 染色体DNA,2、大肠杆菌的遗传物质,包括染色体DNA和质粒DNA,E.coli 染色体的基因图, E.coli的基因结构的特点,a、功能相关的几个结构基因以操纵元（operon）的形式存在 其中包括共同的调节基因、启动子（promoter）、操作子 （ope

5、rator）, 它们在基因转录时协同动作,b、功能相关的RNA基因也串联在一起(rrn 操纵元)， 如：16S rRNA、23S rRNA、5S rRNA基因转录在同一个 转录产物中,d、RNA基因多拷贝 大多数的E. coli菌株都含 有七个rrn （其中六个分布在 E. coli DNA的双向复制 起点附近）,c、蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在,（2） 质粒DNA （plasmid DNA）,细菌中另一类遗传物质,环状DNA，存在于染色 体之外，能自我复制,质粒也携带许多基因， 如：抗生素抗性基因,3、大肠杆菌的酶类,细胞中含有核酸代谢所需的各种酶类 多种限制性内切酶（restricti

6、on endonuclease）,只在特异顺序碱基的位点上（迴文序列）与DNA结合，并沿 固定的位点切割,如：E.coli的 EcoR的识别序列,5G-A-A-T-T-C3 3C-T-T-A-A-G.5,限制性内切酶最基本的工具酶， 在DNA测序、片段分离、克隆DNA的环节都要用到,二、噬菌体（phage ）,1、X174噬菌体 DNA为单链环状，有5386个核苷酸（Frederick Sanger 于1977分析测定，为此荣获第二次诺贝尔奖 ）,2、X174噬菌体基因排列更加体现 经济原则,b、DNA分子绝大部分用来编 码蛋白质，不翻译部分只占4 （基因之间的间隔区 控制基因表达的序列）,a

7、、11个蛋白质基因，只转录成 三个mRNA,重迭基因有以下几种情况： * 一个基因完全在另一个基因内部 如：B和A E和D 其读码结构互不相同,c、 最显著的特点是有重叠基因 （overlapping genes 或 嵌套基因 nested genes）,* 部分重叠 K和C,* 两个基因共用少数碱基 如：A*和C D和J,-ATGA-,C,Start codon,-TAATG-,A*,Stop codon,D,Stop codon,J,Start codon,2、噬菌体 双链DNA 长度48502bp(48Kb),* 其DNA分子有三种存在形式,a、两个粘性末端分 离的线性分子 COS位点

8、(cohesive-end site),c、闭合环状分子（粘性末端 互补，DNA连接酶连接）,b、带有切刻的环状分子（开环的 粘性末端互补后未连接的）,* 其基因均是按功能相近的聚集成簇的（两个正调节基因N 和Q除外）,* 存在形式 在寄主体内有溶源生长周期（原噬菌体）和溶菌生长周期两种生活途径,第三节 真核生物的染色体,一、概述：,* 大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在（弥散状） M期染色体形式,* 染色质有两种型 a、常染色质：密度较低，能被表达 b、异染色质：密度较高，不被表达（着丝粒、端粒）,Cell cycle,Interphase 间期: G1 + S + G2 M phase

9、 (mitosis 有丝分裂):,与Euk.的DNA结合的一类碱性蛋白质,二、组蛋白（Histone）,* 染色体的主要蛋白质组分,* 富含Lys、Arg等碱性氨基酸，11KD 23KD,* 核心组蛋白有H2A、H2B、H3和H4，另一种为H1,* 与DNA紧密结合,* 保守性强，但H1的保守性较弱,* 组蛋白八聚体（Histone octamer ） H2A与H2B、H3与H4的亲和力强， 通过C端的疏水氨基酸结合,三、核小体（Nuclearsome）,* 染色体结构的第一个层次，构成染色质的基本结构单位,* 足量的微球菌核酸酶处理染色质可得到, 146bpDNA 组蛋白 八聚体核小体的核

10、心颗粒 直径约10nm,1、核小体的组成,146bp的核心DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.8圈,Mononucleosomes typically have 200 bp DNA. End-trimming reduces the length of DNA first to 165 bp, and then generates core particles with 146 bp., 微球菌酶处理所得核小体DNA长度的变化,Chromatosome 166 bp, 2 superhelical turn,* 组蛋白H1把核小体 “封锁”起来,其中，166bp核小体DNA的堆积比为10 56nm

11、线性长度5.6nm螺线管,连接 DNA 100 bp 平均 55 bp,Nucleosome,Histone H1,Nucleosome repeat: Core + linker DNA 200 bp,2、染色体结构的形成,（1） 首先若干个核小体形成念珠状结构,The 10 nm fiber is a continuous strong of nucleosomes.,每个核小体单位包括：200bp左右的DNA、一个组蛋白八聚体、一分子H1,高度有序 左手螺旋 每圈包括六个核小体,30 nm fiber (直径30nm) Solenoid (螺线管）,（2） 30nm纤丝的构成 染色质结构

12、的第二层次,a、组成,30 nm fiber,300 nm,b、体内存在状态,从DNA到染色体的过程,DNA,核小体,螺线管,超螺线管,染色单体,压缩7倍,压缩6倍,压缩40倍,压缩5倍,共计压缩8400倍,DNA+组蛋白 核小体+连接丝,核小体+连接丝 螺线管(solenoid),螺线管 超螺线管 (super-solenoid),超螺线管 染色体,Centromere 着丝粒,Telomere,有丝分裂中期的染色体,姊妹染色单体,3、着丝粒（centromere 或中心粒) 和端粒(telomere),（1）着丝粒( centromere),Yeast centromere,富含AT,两侧

13、有高度重复的卫星DNA,属异染色质区,a、真核染色体线性DNA末端的特殊DNA序列 b、有数百个拷贝的短的正向重复序列 ,且总是3端富含G 如：人体内 5-TTAGGG-3 c、复制靠端粒酶（ telomerase 核蛋白）来完成 ，不同于正常DNA的复制 d、端粒DNA形成特殊的二级结构（G四联体形成四链结构）以使染色体末端免遭降解,（2） 端粒(Telomere ),第四节 真核生物的基因,一、相关概念,基因组（genome）：是指细胞或生物体的全套遗传物 质，即生物体维持配子或配子体正常功能的全套染色体 所含的全部基因（DNA）。all DNA sequences in a cell,比

14、如人基因组的全长为大约3109对碱基，编码 20500个基因,基因（Genes）：编码某一蛋白质或RNA的一段DNA序列。（a stretch of continuous DNA sequence encoding a protein or RNA）, 基因组和基因,C值（C-value）：一种生物体的单倍体基因组DNA的总量。 the quantity of DNA in the genome (per haploid set of chromosomes)., C值反常理论（C-value paradox),在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的DNA总量是恒定的。 C是每种生物的特征，不

15、同生物之间差别很大。 低等真核生物中与形态复杂程度相关，但高等真核生物中变化很大。,从编码每类生物所需要的DNA的量的最低值看，生物细胞中的C值具有从低等生物到高等生物逐渐增加的趋势,植物 鸟类 哺乳动物 爬行动物 两栖动物 硬骨鱼 软骨鱼 棘皮动物 甲壳动物 昆虫 软体动物 蠕虫 霉菌 藻类 真菌 格兰氏阳性菌 格兰氏阴性菌 支原体,阴影部分为一个门内C-值的范围,低等动物的C值大于高等动物 如：两栖类的C值大于哺乳类 肺鱼的C值比哺乳动物大1015倍,同一门中的动物C值变化很大 如：两栖类中的C值变化很大，可相差100倍 家蝇的比果蝇的大6倍,C值矛盾（C-value paradox)：基

16、因组的大小与基因组的复杂性之间缺乏一定的联系。（ the lack of a correlation between genome size and genome complexity）,许多的DNA序列不编码蛋白质,表现：,二、真核生物DNA的复性动力学 (重新结合动力学 Reassociation kinetics）, 基因组DNA的提取 超声处理或剪切到一定的长度 (x 100-1000 bp) 温度变性 退火（ Re-annealing） 测量并捕捉退火过程得出复性动力学曲线 CC01（1kC0t） (紫外吸收法、羟基磷灰石柱层析法), 真核生物复性动力学研究,三、真核生物基因组的DNA类型,高度重复序列、 中度重复序列 单一序列,