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1、2-1 DNA2-1 DNA超螺旋与拓扑异构现象超螺旋与拓扑异构现象 第二章 DNA、染色体与基因组DNA超螺旋基因组染色体Superhelix of SV40 DNA (Vinograd, 1965)一、一、 DNA DNA超螺旋超螺旋（superhelix or supercoil）DNA超螺旋基因组染色体DNADNA超螺旋结构超螺旋结构Linear DNA. LOpen Circle DNA OC relexed formSupercoiled circle(高级结构高级结构)Covalent Closed Circle CCC指双螺旋环状分子再度螺旋化即成为超螺旋结构。DNA超螺旋基因
2、组染色体超超 螺螺 旋旋 形形 成成 示示 意意末端固定的线型双螺旋末端固定的线型双螺旋额外的张力不能释放额外的张力不能释放双螺旋以扭曲方式缓双螺旋以扭曲方式缓解应力，形成超螺旋解应力，形成超螺旋DNA超螺旋基因组染色体二、二、 DNA DNA超螺旋的方向性超螺旋的方向性松弛（松弛（relaxedrelaxed）状态：）状态： DNADNA在水溶液中在水溶液中, , 构型偏构型偏B B型状型状态。态。DNADNA以以10.5 bp/helix10.5 bp/helix为最稳定构型。为最稳定构型。正超螺旋：正超螺旋：小于小于10.5bp/helix10.5bp/helix，则其二级结构处于紧缩，
3、则其二级结构处于紧缩状态，由此产生的超螺旋为正超螺旋。状态，由此产生的超螺旋为正超螺旋。 负超螺旋：负超螺旋：大于大于10.5bp/helix10.5bp/helix，则其二级结构处于松缠，则其二级结构处于松缠状态，由此产生的超螺旋为负超螺旋。状态，由此产生的超螺旋为负超螺旋。 由此可见，超螺旋总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展；双螺旋DNA的松开导致形成负超螺旋；而DNA的拧紧，则导致形成正超螺旋；所有的超螺旋都比松弛型含有更多的自由能。 DNA超螺旋基因组染色体拓扑学拓扑学(topology)(topology)是研究几何图形在平面位置关系不变是研究几何图形在平面位置关系不变情况下空间结
4、构变化规律的数学分支。情况下空间结构变化规律的数学分支。三、三、DNADNA超螺旋拓扑学定义超螺旋拓扑学定义实验证明，细胞内的实验证明，细胞内的DNADNA存在拓扑异构现象存在拓扑异构现象(topoisome)(topoisome)，即在保持，即在保持DNADNA一级和二级结构不变的情一级和二级结构不变的情况下，两条单链可以相互缠绕，形成不同的空间构型。况下，两条单链可以相互缠绕，形成不同的空间构型。DNA超螺旋基因组染色体超螺旋发生的规律超螺旋发生的规律Vinograd. J (1968)Vinograd equationL = T + W ( = + )L Linking number (
5、 双链双链DNA的交叉数的交叉数)T Twisting number (双链双链DNA的缠绕数，初级螺旋圈数，即的缠绕数，初级螺旋圈数，即DNA分子中的分子中的Watson-Crick螺螺旋周数，其数值可直接在处于最稳定状态下的双链环形（或超螺旋形式）旋周数，其数值可直接在处于最稳定状态下的双链环形（或超螺旋形式）DNA中的实际螺旋周数计数得到，不一定是整数中的实际螺旋周数计数得到，不一定是整数)W Writhing number (直观上为双螺旋数直观上为双螺旋数, 可为小可为小数数)W= 负值（负值（negative superhelix）W = 正值正值 ( positive super
6、helix） Non-breaking Non-unwinding Non-overwindingL为定值，整数为定值，整数DNA超螺旋基因组染色体l B-DNAB-DNA是力学上稳定是力学上稳定的结构（的结构（ 10 bp/ helix 10 bp/ helix）l l 虽交叉数减少，但需转虽交叉数减少，但需转换为一种应力，以维持换为一种应力，以维持10bp/helix10bp/helix的螺旋数，的螺旋数，l 应力的重新分配应力的重新分配 或在或在B-DNAB-DNA状态中保留一单状态中保留一单链区链区或螺旋力将维持或螺旋力将维持B-DNAB-DNA的的右旋结构右旋结构, , 形成超螺旋形
7、成超螺旋 420bpL=42T=42W=0无无应应力力松松弛弛状状态态应应力力的的分分配配L = 36T = 36W = 0L = 36T = 42W = -6 链松弛后链松弛后再结成环再结成环链未松弛链未松弛再结成环再结成环松开松开6圈螺旋圈螺旋L = 6DNA超螺旋基因组染色体2 2比连系差（比连系差（Specific linking differenceSpecific linking difference） = = Lk Lk0 = Lk- Lk0 Lk0 能够根据能够根据DNADNA分子分子L Lk k的改变描述螺旋不足（超螺旋的改变描述螺旋不足（超螺旋），也叫超螺旋密度（），也叫超
8、螺旋密度（superhelix densitysuperhelix density）。）。 DNA超螺旋基因组染色体DNADNA分子形成超螺旋的生物学意义：分子形成超螺旋的生物学意义：1 1 超超螺螺旋旋DNADNA具具有有更更紧紧密密地地形形状状，因因此此在在DNADNA组组装中具有重要作用；装中具有重要作用；2 2 DNADNA的的结结构构具具有有动动态态性性，DNADNA超超螺螺旋旋程程度度的的改改变介导了这种结构的变化，这有利于其功能的发挥。变介导了这种结构的变化，这有利于其功能的发挥。3 3 DNADNA是是一一种种热热力力学学上上的的稳稳定定结结构构，超超螺螺旋旋的的引引入提高了他
9、的能量水平。入提高了他的能量水平。DNA超螺旋基因组染色体拓拓扑扑异异构构体体(topoisomer)(topoisomer)：具有不同连接数的同一种DNA分子称为DNA拓扑异构体。四、DNA拓扑异构体与拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶(topoisomerase)(topoisomerase) 作用方式：拓扑异构酶与DNA共价结合形成中间体，使磷酸二酯链暂时断裂形成切口，DNA分子的一条单链或双螺旋穿越另一条单链或双螺旋，改变其拓扑状态，但一级和二级结构并无变化。即在保持DNA一级和二级结构不变的情况下，两条单链可以相互缠绕，形成不同的空间构型。拓扑异构酶拓扑异构酶(topoisomerase
10、)(topoisomerase) 细胞内存在着一类能催化DNA拓扑异构体相互转化的酶，称为拓扑异构酶。或者说，能改变DNA拓扑联系数的酶就叫拓扑异构酶。DNA超螺旋基因组染色体型酶在两条单链上都产生切口，每次作用使连接数改变2。在型酶的作用是增加负超螺旋数，或减少正超螺旋数，在真核生物中还有减少负超螺旋的作用。 拓扑异构酶分为型和型两类。拓扑异构酶的生物学功能 消除DNA复制和转录等过程产生的正负超螺旋。在细胞中，型酶与型酶的活性保持一种平衡状态，型酶使DNA超螺旋化的作用为型酶使DNA松驰化的作用所抗衡，从而使DNA保持适当的超螺旋密度。型酶在DNA的一条单链上产生切口，使另一条单链得以穿越
11、，每作用一次使DNA连接数改变1；原核生物中，型酶只作用于负超螺旋DNA，减少负超螺旋数，使其松弛；在真核生物中，型酶还可以作用于正超螺旋DNA，减少正超螺旋数。DNA超螺旋基因组染色体Top I (swivelase, niking-closing enzyme) Breakage & rejoining of S.S. DNA at phospho-diester bondsBreakage & rejoining of S.S. DNA at phospho-diester bonds每次每次每次每次L of +1L of +1（在酶的作用下，在酶的作用下，DNA单链断裂单链断裂）松弛松
12、弛B-双螺旋双螺旋消除负超螺旋消除负超螺旋CCC OC onlyNo ATP, NADattach Negative supercoilGet energy from Negative supercoilDNA超螺旋基因组染色体图3.30 型拓扑异构酶作用机理Function Mechanism of Topoisomerase IDNA超螺旋基因组染色体Top II (gyrase) (gyrase) ATP needed ATP neededCutting & ligation Cutting & ligation of D. S. DNAof D. S. DNAtetramertetra
13、mer 每次每次每次每次L of 2L of 2紧缩紧缩B-双螺旋双螺旋引入负超双螺旋引入负超双螺旋Cut D.S. DNAATPLigateAABBDNA超螺旋基因组染色体Function Mechanism of Topoisomerase II DNA超螺旋基因组染色体2-2 基因和基因组一、基因、基因组的概念一、基因、基因组的概念二、基因组的大小与二、基因组的大小与C C值矛盾值矛盾三、基因组的复性动力学三、基因组的复性动力学四、重复序列四、重复序列五、真核与原核生物基因组比较五、真核与原核生物基因组比较DNA超螺旋基因组染色体指指DNADNA分子所携带遗传信息总和，即指一个细胞所有基
14、分子所携带遗传信息总和，即指一个细胞所有基因和基因间因和基因间DNADNA的总和，称基因组。遗传学定义为：一的总和，称基因组。遗传学定义为：一个物种的单倍体的染色体的数目为该物种的基因组。个物种的单倍体的染色体的数目为该物种的基因组。在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的DNADNA总量是总量是恒定的，称之为恒定的，称之为C C值。值。一、基因、基因组的概念一、基因、基因组的概念产生一条多肽链或功能产生一条多肽链或功能RNARNA所必需的全部核苷酸序列，所必需的全部核苷酸序列，在遗传学上也称顺反子（在遗传学上也称顺反子（cistroncistron）。）。
15、 ( (二二) )基因组基因组( (三三)C)C值值一个单倍体基因组中一个单倍体基因组中DNADNA的总量的总量( (一一) )基因基因DNA超螺旋基因组染色体霉菌藻类藻类G+细菌细菌G-细菌细菌显花植物显花植物鸟类鸟类哺乳类哺乳类爬行类爬行类两栖类两栖类硬骨鱼类硬骨鱼类软骨鱼类软骨鱼类赖皮类赖皮类甲壳类甲壳类昆虫类昆虫类软体动物软体动物蠕虫类蠕虫类真菌真菌枝原体枝原体C value paradoxC value paradoxof nucleotideof nucleotide A A 生生物物体体进进化化程程度度高高低低与与C C值值的的相相关关性性不强不强 B B 亲缘关系相亲缘关系相近
16、近的生物的生物C C值相差值相差较大较大 低等生物单倍体基因组低等生物单倍体基因组DNADNA的含量与生物复杂性呈正的含量与生物复杂性呈正相关，但高等生物这种关系并不一致。相关，但高等生物这种关系并不一致。DNA超螺旋基因组染色体真核生物真核生物 DNA 染色体数染色体数 （2C） （2N）两栖鲵两栖鲵 168.0 pg 24肺鱼肺鱼 100 38蝾螈蝾螈 85.3 24警蛙警蛙 28.2 24牛牛 6.4 60人人 6.4 46绵羊绵羊 5.7 54果蝇果蝇 0.2 8贝母贝母 196.7 24豌豆豌豆 28 12玉米玉米 11 20原核生物原核生物 DNA （C）Salmonella Sa
17、lmonella 0.0143 pg( (沙门氏菌沙门氏菌) )E.coliE.coli 0.0040T2 T2 0.00022 0.0000055174174 0.000005这种形态学的复杂程度与这种形态学的复杂程度与C C值值大小的不一致称为大小的不一致称为C C值矛盾。值矛盾。DNA超螺旋基因组染色体三、基因组的复性动力学三、基因组的复性动力学 Hydroxyapatite column 羟基磷灰石柱Low C of PHigh C of Prelease D.S. DNA absorb D.S. DNADNA超螺旋基因组染色体复性发生的过程的讨论复性发生的过程的讨论dCt / dt
18、= -KC2 反应初始反应初始 t = 0 单链单链DNADNA的随机碰撞的随机碰撞 过程（过程（ randomly collisionrandomly collision ）（二级反应动力学）（二级反应动力学）单链单链 DNA DNA浓度浓度 = C0反应达反应达 t t 时时单链单链DNADNA浓度浓度 = Ct 两两条条部部分分同同源源( (小小于于20dNt)20dNt)的的S.S. S.S. DNA, DNA, 在在复复性性过过程程中中形成的部分双链区是不稳定的形成的部分双链区是不稳定的DNA超螺旋基因组染色体 dCt / dt = -KCt2 积分积分 Ct / C0 = 1 /
19、1+KC0t 当当 Ct / C0 = 1/2 时时Ct / C0 = 1/2 = 1 / 1+ KC0t(1/2)K = 1 / Cot(1/2)Cot(1/2) = 1/K (mol. Sec / L) 任一DNA分子达到Ct / C0 = 的速率是定值DNA超螺旋基因组染色体0101C0t(1/2) C0t(1/2) Fraction reassociated在在控控制制反反应应条条件件相相同同的的前前提提下下, , 两两种种DNADNA分分子子的的C C0 0t t(1/2)(1/2)值值, ,取决于取决于dNt dNt 的排列复杂性的排列复杂性 。 AAAAAAAA K. C. =
20、1 C0t(1/2) = 210-6ATCGATCGATCG K.C. = 4 K.C. = 5 105 C0t(1/2) = 1( ( 复性动力学的复杂性，复性动力学的复杂性，Kinetic complexityKinetic complexity，K.C )K.C )DNA超螺旋基因组染色体DNA超螺旋基因组染色体Eukaryotic genomes have several sequence componentsDNA超螺旋基因组染色体变变性性程程度度 部部分分变变性性的的DNADNA可可直直接接通通过过拉拉链链作作用用迅迅速速复复性性，而而完完全变性的全变性的DNADNA一般需要几个小
21、时才能复性。一般需要几个小时才能复性。 除温度、离子强度、除温度、离子强度、pHpH等变性条件外，影响复性的因素有：等变性条件外，影响复性的因素有：DNADNA的浓度的浓度 浓度越大有效碰撞的频率越高。浓度越大有效碰撞的频率越高。DNADNA分子大小分子大小 越小的分子复性越快。越小的分子复性越快。DNADNA复复杂杂性性(complexity)(complexity) 指指最最长长的的没没有有重重复复序序列列的的核核苷酸对数之和。苷酸对数之和。ATATATATATATATATATATATAT的复杂性为的复杂性为2 2；ATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCA
22、TGCATGCATGCATGCATGCATGCATGC的复杂性为的复杂性为4 4；ATGCATGCATGCCTCAGTATGCCTCAGTATGCATGCATGCATGCATGCATGC的复杂性为的复杂性为1010；ATGCTGACGTAGCAATGCTGACGTAGCA的复杂性为的复杂性为1414。序序列列复复杂杂的的DNADNA更更容容易易发发生生非非对对应应配配对对，所所以以复复杂杂性性越越高高的的DNADNA复复性性越越困难。困难。DNA超螺旋基因组染色体3.高度重复序列高度重复序列（Highly repetitive sequence）四、重复序列四、重复序列1.单一序列单一序列（U
23、nique sequence） 主要是蛋白质编码基因。主要是蛋白质编码基因。2.2.中度重复序列中度重复序列（Moderately repetitive sequence）包括包括rRNA、tRNA、组蛋白的编码基因。研究较多的是、组蛋白的编码基因。研究较多的是Alu家族。家族。长度不到长度不到10bp10bp，多是串联集中分布，一般不转录。有些，多是串联集中分布，一般不转录。有些ATAT含量很高的高度重复序列，在离心时常会在主要的含量很高的高度重复序列，在离心时常会在主要的DNADNA带的上面有一个次要的带的上面有一个次要的DNADNA带相伴随，这就是所谓的带相伴随，这就是所谓的“卫星卫星D
24、NA”DNA”DNA超螺旋基因组染色体 着丝点（centromere）功能必需的DNA序列约130bp长，并富含A=T碱基对；在着丝点附近，还有高度重复的卫星DNA。 端粒（telomere）顺序长约100bp，起到稳定染色体的作用。是由： 5(Tx Gy)n x约为14 3(Ax Cy)n y约为184.4.反向重复序列反向重复序列（Inverted repetitive sequence） 又称回文序列（又称回文序列（PalindromePalindrome）, ,易形成发夹结构，在易形成发夹结构，在DNADNA双链中可能形成十字形结构。双链中可能形成十字形结构。 CAT CATGAACG
25、TCCGAACGTCCTATTGTCTATTGTCGGACGTTCGGACGTTCTGATGA GTA GTACTTGCAGGCTTGCAGGATAACAGATAACAGCCTGCAAGCCTGCAAGACTACTDNA超螺旋基因组染色体基因家族：真核生物基因组中有许多来源相同、结构相似、基因家族：真核生物基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样一组基因称为基因家族。功能相关的基因，这样一组基因称为基因家族。（4 4）有些可以编码蛋白质，在某些基因的转录中作为调）有些可以编码蛋白质，在某些基因的转录中作为调控成分。控成分。五五. . 断裂基因断裂基因（split gene）也叫不
26、连续基因，指在真核生物中，大多数编码蛋白质的也叫不连续基因，指在真核生物中，大多数编码蛋白质的基因是不连续的，即基因的编码序列之间插入了不编码的基因是不连续的，即基因的编码序列之间插入了不编码的序列，称为断裂基因。序列，称为断裂基因。内含子的意义：内含子的意义：（1 1）可能是遗传的残留物。）可能是遗传的残留物。（2 2）Walter GilbertWalter Gilbert假说：是使蛋白质进化过程的残迹。假说：是使蛋白质进化过程的残迹。（3 3）可以保护基因家族中基因的完整性。）可以保护基因家族中基因的完整性。DNA超螺旋基因组染色体五、真核与原核生物基因组比较五、真核与原核生物基因组比较
27、（ P78 ） 作为总结性的问题，课后总结。同时掌握作为总结性的问题，课后总结。同时掌握断裂基因断裂基因、假基因假基因、内含子内含子、外显子外显子的概念。的概念。DNA超螺旋基因组染色体2-3染色体DNA超螺旋基因组染色体2-3染色体一、组成一、组成1. 1. 核小体（核小体（nucleosomenucleosome）：）：染色质是由重复单位构染色质是由重复单位构成的，每个重复单位由约成的，每个重复单位由约200bp200bp的的DNADNA和和H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4各两分子组成，这个重复单位叫核小体。各两分子组成，这个重复单位叫核小体。2. 2. 组蛋白（组蛋白（hi
28、stonehistone）五种：五种： H1 H1、H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4。呈碱性。呈碱性。除了除了H1H1以外，其余四种有相互作用形成聚合体的趋势。以外，其余四种有相互作用形成聚合体的趋势。它们通过它们通过C C端的疏水氨基酸相互结合，而端的疏水氨基酸相互结合，而N N端的碱性氨基端的碱性氨基酸则向四面伸出以便与酸则向四面伸出以便与DNADNA分子相互作用。分子相互作用。DNA超螺旋基因组染色体3.3.构成：构成：每个核小体含每个核小体含8 8个组蛋白；个组蛋白；200bp DNA200bp DNA中，中，146bp 146bp 紧紧缠绕紧紧缠绕着组蛋白，其余用于连接
29、两个核小体，称为连接着组蛋白，其余用于连接两个核小体，称为连接DNADNA（linker DNAlinker DNA）。）。H1H1通常和连接通常和连接DNADNA相结合，把核小体相结合，把核小体“封锁封锁”起来。起来。DNA超螺旋基因组染色体4. 4. 核小体包装的高级形式核小体包装的高级形式DNA超螺旋基因组染色体DNA超螺旋基因组染色体DNA超螺旋基因组染色体（1 1）核核小小体体（压压缩缩比比为为7 7，200bp200bp长长为为68nm68nm，压压缩缩后后为为10nm 10nm ） （2 2）30nm30nm的的核核小小体体纤纤维维（30nm 30nm fiberfiber，压压
30、缩缩比比为为4040）。（3 3）染染色色体体DNADNA的的某某一一部部分分和和“核核骨骨架架”（nuclear nuclear scaffoldscaffold）相相连连，把把染染色色体体DNADNA隔隔成成许许多多含含2000020000至至100000100000碱基对的碱基对的DNADNA环。环。（4 4）约约6 6个个环环与与核核骨骨架架形形成成一一个个梅梅花花结结，每每3030个个梅梅花花结结形形成一盘。一条染色单体大约有成一盘。一条染色单体大约有1010盘。盘。4. 4. 核小体包装的高级形式核小体包装的高级形式DNA超螺旋基因组染色体染色体模型基于的原理：染色体模型基于的原理
31、：真核染色体真核染色体DNADNA包装好象是一次缠绕再包装好象是一次缠绕再接一次更高级的缠绕。即在螺旋上形接一次更高级的缠绕。即在螺旋上形成螺旋，再形成螺旋。成螺旋，再形成螺旋。DNA超螺旋基因组染色体名词解释名词解释DNADNA的的拓拓扑扑异异构构体体，DNADNA拓拓扑扑异异构构酶酶，基基因因，基基因因组组，C C值值，C C值值悖悖理理，卫卫星星DNADNA，基因家族，断裂基因，内含子，外显子，假基因，核小体基因家族，断裂基因，内含子，外显子，假基因，核小体判断：判断：1.DNA1.DNA拓拓扑扑异异构构酶酶能能够够切切开开DNADNA的的1 1条条链链，而而DNADNA拓拓扑扑异异构构
32、酶酶能能同同时时切切开开DNADNA的的2 2条链，但都可以使条链，但都可以使DNADNA产生正向超螺旋。产生正向超螺旋。2.2.人是最高等生物，其基因组的碱基对数目是生物界中最大的。人是最高等生物，其基因组的碱基对数目是生物界中最大的。3.3.端粒酶是一种逆转录酶（反转录酶），它含有富端粒酶是一种逆转录酶（反转录酶），它含有富G G的的RNARNA模板。模板。4.Cot4.Cot1/21/2是与基因组的大小成反比的。是与基因组的大小成反比的。5.5. 从从中中看看出出在在不不存存在在重重复复序序列列情情况况下下，C C0 0t t1/21/2值值与与基基因因组组大大小小成成正正比比，C C0
33、 0t t1/21/2值值是可以作为衡量一个基因组大小的尺度。是可以作为衡量一个基因组大小的尺度。6. 6. 多倍体只是导致基因组大小的增加，但没有引起有机体复杂度的增加。多倍体只是导致基因组大小的增加，但没有引起有机体复杂度的增加。7. 7. 一个一个DNADNA分子的分子的C C0 0t t1/21/2值越大，表明它的复杂度越高。值越大，表明它的复杂度越高。简答：简答：DNADNA分子形成超螺旋的生物学意义。分子形成超螺旋的生物学意义。比较真核与原核基因组结构特点。说明着丝粒与端粒属于哪种序列？比较真核与原核基因组结构特点。说明着丝粒与端粒属于哪种序列？如果一段如果一段DNADNA序列的两端为反向重复序列，若发生同源重组将会产生什么结果？序列的两端为反向重复序列，若发生同源重组将会产生什么结果？DNA超螺旋基因组染色体
