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1、（Southwest University）,第二章 染色体与DNA,二一一年九月,娜日苏 13452998964 qq657071944,细菌基因组,真核DNA与 基因组,蛋白质（略）,染色体,类核,蛋白质（未知）,单一序列为主,单一序列,重复序列,短片段 重复,长片段 重复,核小体（基本单位）,一级结构（核丝）,高级结构 （螺旋管、侧环）,基因组与染色体章节知识网络,（原核）,（真核）,基因组：一个细胞中遗传物质的总量（原核）；一套染色体遗传物质的总量（真核）；（遗传物质所携带的信息）（人类基因组测多少条染色体？） C值：在每一种生物中其单倍体基因组的DNA总量。（遗传物质的化学含量）,D
2、NA与基因组概念,爪蟾的基因组大小与人类相同（C值） C值悖论：C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象； C值的不统一反应了基因组大小与遗传复杂性间缺乏必然的联系。,一些门类中，生物复杂性差不多，但DNA含量相差甚大基因组大小差异； 昆虫、两栖类、植物里非常突出； 鸟类、爬行、哺乳却没有这种现象。,DNA与基因组概念,蟋蟀基因组大小为果蝇的11倍。 而组成这些昆虫动物的基因数目不可能有这么大的变化。,除了基因，基因组里含有哪些序列导致差距？,DNA与基因组概念,原核基因组含有大量的单一序列，仅有少量的重复序列； 真核基因组含有少量的单一序列和大量的重复序列。 真核生物DNA序列大致被分为3类
3、：不重复序列、中度重复序列、高度重复序列 原核生物的细胞中除了主染色体DNA以外，还含有质粒DNA和转座因子； 真核生物除了染色体DNA以外，还存在细胞器DNA(线粒体基因组)。,DNA与基因组概念,细菌虽然没真核细胞核染色体那样的结构，但是它们的基因组以类核的形式存在，并不裸露。,细菌的基因组是一个类核,细胞中致密物质就是类核,菌体破碎后，类核以环状纤维的形式释放。,类核有约100个独立的负超螺旋结构域；每一个环长约40 kb（13微米），每200 bp 就有一个负超螺旋，即基因组中含5% 的负超螺旋。,支架,保持了独立性,细菌的基因组是超螺旋的,大肠杆菌，2.4109 Da，4639 kb
4、，闭合环状DNA，约编码4288个基因；,莲人在绿杨津,玉淑声歌新阙,一,采,采莲人在绿杨津，在绿杨津一阙新 一阙新歌声淑玉，歌声淑玉采莲人 28字14字，叠字联,1977年，Sanger在“Nature”上发表噬菌体174的全部核苷酸序列； 基因组含有5386 nt，11个基因，3个转录单位，由3个启动子（pA、pB、pD）启动； 5386 nt 最多能编码1795个氨基酸，若每一个氨基酸的平均分子量为110 Da，则总的蛋白质分子量为197,000 Da，但实际却为262,000 Da； 将全部的DNA顺序与蛋白质的氨基酸顺序进行比较，发现了重叠基因。,噬菌体的基因组,噬菌体的基因组,重叠
5、基因（overlapping gene）:是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列成为两个或两个以上基因的组成部分。 基因的重叠是为了节约碱基，能经济和有效地利用DNA遗传信息量,更重要的可能是参与对基因的调控。,真核生物的基因组分子量很大，形态为线状，约编码100万个以上的基因，染色体和组蛋白结合形成四级结构。 人类的每个细胞在单倍体的核中DNA长约30亿个碱基对，估计编码22.5万个基因，每条染色体含碱基8千万至3亿不等。 现已有5千个基因被编目，1900个基因已进行了染色体定位，600个已被克隆分离出来。 若将一个细胞中每条染色体的DNA首尾彼此相接，全长约200
6、cm。,真核生物基因组,人类基因组 3109 bp,基因和 基因相 关序列 （20-30%）,基因以外 非编码序列 （70-80%）,非编码序列 90%,编码序列（多数为单一序列） 10%,中度/高度 重复序列 （20-30%）,单一序列/轻度 重复序列 （70-80%）,分散的重复 序列 （40%）,成簇的重复 序列 （60%）,短分散 序列 （Alu）,长分散 序列,小卫星,微卫星,真核生物基因组,单一序列：亦称非重复序列，是指在基因组中只有1个拷贝或2-3个拷贝的序列。 真核基因组中大多数基因是单拷贝的。 但单拷贝序列在真核生物中大部分不编码，编码的序列仅占百分之几。（注意),真核生物基
7、因组单一序列,真核生物基因组重复序列,正向重复：这种重复序列的方向是相同的。如转座子的两端的宿主序列以及端粒结构等； 反向重复：呈两侧对称（镜像关系），常存在于插入序列和转座子两端的结构元件中 ； 回文序列：是一种旋转对称，回文序列常存在于各种蛋白质结合位点。 （特点是在该段的碱基序列的互补链之间正读反读都相同，注意：并非在同一条链上正读反读）,重复序列：短片段的重复序列按排列方式不同可分为三种类型：,反向重复与回文序列： 回文序列变性后再复性时，同一条链内的互补的拷贝可以形成链内碱基配对，形成发夹式或“+”字形结构。,真核生物基因组重复序列反向重复与回文序列,画 上 荷 花 和 尚 画,书
8、临 汉 字 韩 林 书,顺反相同,轻度重复、中度重复和高度重复序列,轻度重复：在基因组中有 2-10 个拷贝。常常是编码的序列，如，酵母的tRNA基因、人/小鼠珠蛋白基因（血红蛋白）； 中度重复：基因组中有10-几千个拷贝，长度为300 bp。如，rRNA、tRNA、Alu序列等。,重复序列：长片段的重复序列分为轻度重复、中度重复和高度重复三种。,rRNA 基因集中成簇存在，各重复单位中的rRNA基因都相同。这样的区域称为rDNA，如染色体的核仁组织区，即为rDNA区。,间隔区类似卫星DNA的串联重复顺序。由于间隔区中的串联重复次数不同，因此，不同间隔区的长短差异很大。,重复序列中度重复,重复
9、序列高度重复序列,卫星 DNA： 高度重复序列，是一种简单的重复序列; 富含A-T，G-C含量远比基因组中其它部分要低得多； 当将DNA切成片段进行氯化铯密度梯度超离心时，由于富含A-T片段的浮力密度小，在离心管中常常单独形成一条较窄的带，在主体DNA带的上面，故称为卫星DNA（satellite DNA）。,小卫星 DNA：重复序列单位在10-100 bp 之间的序列。 微卫星 DNA：重复序列单位长度小于10 bp的序列。 卫星DNA在不同个体和基因组的不同位点上数目都不同。,卫星 DNA 按其重复序列单位大小可分为,重复序列高度重复序列,由于不同个体的这种串联重复的数目和位置都不相同，所
10、以人们就称其为DNA指纹（DNA fingerprints）。 来自犯罪现场的血迹指纹和7个嫌疑人的血液指纹。,Alec Jefferys 1985年英国遗传学家杰费 里斯发现DNA 指纹,即子代个体中有50%的条带来自特定的亲本一方。,亲子鉴定,染色体结构核小体,由DNA和组蛋白组成的染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构，大量实验证明了这一结构模型。,1956年，为双螺旋模型提供X衍射证据的Wilkins和Vittorio Luzzati ，对染色质进行了X衍射研究，发现染色质中具有间隔为100 埃的重复性结构。 1971年，Clark 和 Felsenfeld，首先用葡萄球菌核酸酶作
11、用染色质，发现有一些区域对核酸酶敏感，有一些则不敏感，不敏感的区域比较均一，这暗示染色体中存在着某些亚单位。,染色体结构核小体,1973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。表明组蛋白结合在DNA，以一种有规律的方式分布。 1974年，M.Noll ，用外源核酸酶处理染色质，然后进行电泳，证实了以上结果，他测得前三个片段的长度分别为205、405、605 bp 长，每个片段相差200bp，即染色质可能以200bp 为一个单位。,染色体结构核小体,1974年，Korn
12、berg 和Thomas ，用核酸酶消化一下染色质， 用电镜观察发现：单体为一个100 埃的小体，二聚体是两个相联的小体，三聚体和四聚体分别由三个小体和四个小体组成;,表明，200 bp 的电泳片段长度级差正好是电镜观察到的一个“绳珠”单位，他们称其为核小体或核粒，提出了染色质结构的“绳珠”模型。,染色体结构核小体,Olins夫妇（1974年）和Pierre Chambon等（1975），在电镜下观察到大鼠胸腺和鸡肝染色质的“绳珠”状结构，小球的直径为100 埃，Olins并把这种小球称为n小体，译成钮体。 X衍射图表明：并无可容纳像DNA分子那样大小的孔洞，只可能是DNA缠绕在“珠”的表面。
13、,染色体结构核小体,现已证明，核小体是由H2A、H2B、H3及H4各两个分子生成的八聚体和由大约200 bp DNA组成的。 八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，HI在核小体的外面，每个核小体只有一个HI。,染色体结构核小体,核小体 200 bp,染色质 小体 166 bp,DNA链接区: 两个核小体之间的DNA 街头区 32-34 bp,八聚体,DNA：166 bp,H1,2H32-H42,2H2A-H2B,146 bp,20 bp,核心颗粒,核小体核心颗粒模型,核小体核心颗粒结构,核小体可分为核心颗粒和接头区两部分。 核心颗粒包括八聚体、H1及结合的146 bp DNA，形成1.75圈，每圈
14、80 bp。,染色体结构核小体,相邻核小体彼此紧密相联使染色质形成直径为10nm的核丝（nucleofilament）。,染色体一级结构核丝,染色体的高级结构螺旋管,那么核丝怎样形成更高级的结构呢？公认的是螺旋管（solenoid）模型，因为这一模型符合很多作者所观察到的30nm的染色体丝 。,30nm染色体螺旋丝的照片,这一模型是1976年Finch和Klug提出的。发现在镁离子存时 10nm 的核丝进一步螺旋化，形成直径为30-50nm的核丝，因而提出10nm的染色质纤丝螺旋缠绕成直径为30nm的螺旋管。 H1起到了重要的作用，因为H1用完时仍能形成10 nm的染色质丝，却不能形成30nm
15、的纤丝 。,染色体高级结构螺旋管,螺旋管的形成。由10 nm 染色质细丝盘绕成螺旋管状的粗丝，称为螺旋管（solenoid）。每一螺旋包含6个核小体。,染色体的高级结构螺旋管,侧环模型：30nm纤维成环状以蛋白质核心骨架（scaffold）为中心盘绕形成一个细长、中空的超螺旋圆筒，直径为700 nm ；,从核小体到染色体视频（侧环模型）,染色体的高级结构侧环,由螺旋管怎么形成染色体单体？现在公认模型为侧环模型。 认为30nm的纤丝和非组蛋白骨架结合形成很多侧环，人类染色体约2000个环区。 每个环和染色体的复制单位、以及表达调控有关 。 带有侧环的非组蛋白骨架进一步的形成直径为700nm的螺旋
16、，这就是染色单体。,原核生物的复制特点,复制起点、方向、速度,复制机制：半保留复制,线性DNA,复制酶系统,双链：型,单链：滚环,DNA复制的知识网,复制的几种主要方式,环状DNA,线粒体：D-环复制,复制起始大肠杆菌oriC复制原点,复制过程冈崎段与半不连续复制,复制的终止,真核生物的复制特点,DNA复制可能的三种机制,DNA复制时，先碱基间的氢键断裂，双螺旋解旋，每条链分别作为模板合成新链，产生互补的两条链。 新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。,DNA的半保留复制机制,因此，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，所以这种复制方式称为DNA的半保留复制。,Watson和Crick，在1953年4月25日的Nature上的具有划时代意义的题为“Molecular structure of Nucleic Acids”论文的最后一段这样写道： “特定的碱基配对性质让我们立刻注
