第二章染色体的物质结构.

第二节染色质和染色体(Chromatin&chromosome)染色质丝的电子显微镜照片——由从串的核小体组成21号中期染色体的光学和电子显微照片核小体一个染色单体为一条染色质丝染色质与染色体是由DNA、组蛋白、非组蛋白及RNA等组成的核蛋白复合体，是遗传信息的载体。是同一种物质在细胞周期的不同时期中所表现的两种不同的存在形式。染色质是细胞间期核内伸展开的DNA蛋白纤维。染色体是高度螺旋化的DNA蛋白纤维，是在细胞分裂期看得见的可用染料染色的条状结构。一、染色质的化学组成核酸蛋白质成分DNARNA组蛋白非组蛋白所占比例10.05-0.110.5-1.5（一）DNA单一序列（uniqueseq.)中度重复序列（middlerepetitiveseq.)高度重复序列（highlyrepetitiveseq.)1.单一序列（uniquesequence)在基因组中仅有一个或几个拷贝，负责蛋白质氨基酸组成的信息,以三联体密码方式进行编码。大多数编码蛋白质(酶)的结构基因属这种结构形式。2.中度重复序列（middlerepetitivesequence)重复次数在10~105之间。多数是不编码的序列，构成基因的间隔序列，在基因调控中起重要作用，涉及DNA复制、RNA转录及转录后加工等方面。有一些是有编码功能的基因，如rRNA基因，tRNA基因，组蛋白的基因、核糖体蛋白的基因等。3.高度重复序列（highlyrepetitivesequence)由一些短的DNA序列呈串联重复排列，一般为几个、十几个或几十个bp，但重复拷贝数超过105，在染色体的端粒、着丝粒，构成结构基因的间隔，维系染色体结构，与减数分裂中同源染色体联会配对有关。（二）组蛋白组蛋白是真核细胞染色质的主要结构蛋白，富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸，属碱性蛋白质。其含量恒定，在真核细胞中共有5种。组蛋白的分类及特性种类赖氨酸/精氨酸残基数分子量(kD)保守性存在部位及结构作用H1存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体29.0021523.0低高高极高极高H2AH2BH3H41.2212914.02.6612513.60.7713515.30.7910211.3存在于连接线上核小体蛋白，帮助DNA卷曲形成核小体核小体组蛋白的化学修饰乙酰化：可改变赖氨酸所带的电荷，降低组蛋白与DNA的结合，调节转录的进行。磷酸化：同乙酰化甲基化：可增强组蛋白和DNA的相互作用，调节转录活性（三）非组蛋白①酸性蛋白质，带负电荷,富含天门冬AA，谷AA等酸性AA②种类多③具有种属和组织特异性④整个周期都能合成特性非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，能识别特异的DNA序列，识别信息存在于DNA本身，位点在大沟部分，识别与结合籍氢键和离子键。非组蛋白的功能①参与构建染色体②启动DNA的复制③调控基因的转录组蛋白与非组蛋白的比较非组蛋白组蛋白有种属和组织细胞特异性无特异性活动的染色质中含量最高含量恒定整个细胞周期中都可以合成在S期合成与DNA结合对基因表达有正调控作用与DNA结合有抑制基因表达的作用二、染色质的类型1.伸展状态，螺旋化程度低，用碱性染料染色时着色浅而均匀的染色质。2.单一序列DNA和中度重复序列DNA，具有转录活性。3.大部分位于间期核的中央，一部分介于异染色质之间。4.在细胞分裂期，常染色质位于染色体的臂。(一)常染色质（euchromatin)（二）异染色质（heterochromatin)1.螺旋化程度高，处于凝集状态，碱性染料染色时着色较深。2.一般位于核的边缘或围绕在核仁的周围。3.转录不活跃或无转录活性。4.可分为结构异染色质和兼性异染色质。结构异染色质（constitutiveheterochromatin)在各种细胞类型的细胞周期中（除复制期外）都呈浓缩状态，由高度重复的DNA序列构成；在中期染色体上常位于染色体的着丝粒区，端粒区、次缢痕等部位；具有遗传惰性，不转录也不编码蛋白质；在复制行为上，较常染色质早聚缩晚复制。兼性异染色性（facultativeheterochromatin)在某些细胞类型或在一定发育阶段，原来的常染色质聚缩，丧失转录活性，变为异染色质。兼性异染色质的总量随细胞类型而变化，一般胚胎细胞含量少，高度分化的细胞含量较多，说明随着细胞分化，较多的基因渐次以聚缩状态而关闭。因此，染色质的压缩折叠可能是关闭基因活性的一种途径。X小体常、异染色质的区别常染色质异染色质螺旋化程度低高染色较浅较深间期核中央核边缘分裂期染色体臂着丝粒区和端粒区活性常转录很少转录复制时间S早、中期S晚期染色质的一级结构：核小体染色质的二级结构：螺线管染色质的三级结构：超螺线管染色质的四级结构：染色单体（一）染色质的四级结构模型三、染色质的结构与包装1.一级结构核小体是染色质的基本结构单位，为染色质的一级结构，10nm。球状组蛋白核心H4DNA双螺旋(140-160bp、1.75圈）H3H4H3H2AH2AH2BH2BH4H3H3H4H2AH2AH2BH2B10nm连接DNA（60bp）H1H1核小体核心部连接部DNA分子：140-160bp、1.75圈组蛋白：2（H2A、H2B、H3、H4）八聚体组蛋白：H1DNA分子：60bp核小体2.二级结构：螺线管是染色质的二级结构，6个核小体缠绕一圈形成的中空性管.外30nm;内10nm,组蛋白H1位于螺旋管内侧。内10nm组蛋白H1染色质的二级结构：螺线管3.三级结构：超螺线管为染色质的三级结构，它是由螺旋管进一步盘曲而形成。4.四级结构：超螺线管进一步折叠成为四级结构—染色单体。（DNA分子长度压缩至1/8000~1/10000）。（二）染色质的袢环结构模型(loopmodel)一、二级结构与四级结构模型一致：核小体（10nm），螺线管（30nm）30nm螺线管形成袢环袢环模型（loopmodel）染色体支架（非组蛋白）袢环（30nm螺线管）123456789101112131415161718（一）染色体的形态结构染色单体次缢痕短臂（p）长臂（q）随体常染色质区异染色质区主缢痕（初级缢痕）四、染色体中期染色体按着丝粒的位置分为：1/2~5/8中央着丝粒染色体5/8~7/8亚中着丝粒染色体7/8近端着丝粒染色体中部亚中部近端部端部—末端处染色体的类型主缢痕模式图动粒结构域配对结构域中心结构域随体染色体的臂上凹陷缩窄形成次缢痕，与核仁的形成有关，称为核仁组织区（NOR)。端粒（telomere）生殖细胞、胚胎干细胞和肿瘤细胞含有端粒酶，可以使端粒恢复原长。端粒是存在于染色体末端的特化部位。通常由一简单重复的序列组成,进化上高度保守。可以保护染色体末端不被降解，并防止与其它染色体的末端融合。正常染色体每复制一次,端粒序列减少50-100个bp,因而端粒也被称为细胞的生命钟,当端粒缩短到一定程度，即是细胞衰老的标志。端粒（telomere）端粒酶是一种由蛋白质和RNA组成的核糖核蛋白酶。具有延长端粒末端重复序列的功能，如果端粒酶活性丧失，端粒将逐渐缩短，从而导致细胞衰老。端粒酶端粒酶与端粒的关系2009年的诺贝尔生理学或医学奖颁给三名科学家，他们解决了生物学的一个重大问题：在细胞分裂时染色体如何完整地自我复制以及染色体如何受到保护以免于退化。这三位诺贝尔奖获得者向我们展示，解决办法存在于染色体末端—端粒，以及形成端粒的酶—端粒酶。ElizabethH.Blackburn伊丽莎白-布莱克本CarolW.Greider卡罗尔-格雷德JackW.Szostak杰克-绍斯塔克UniversityofCaliforniaSanFrancisco,CA,USA美国加利福尼亚旧金山大学JohnsHopkinsUniversitySchoolofMedicineBaltimore,MD,USA巴尔的摩约翰-霍普金斯医学院HarvardMedicalSchool;MassachusettsGeneralHospitalBoston,MA,USA;哈佛医学院（二）染色体稳定遗传的功能序列：１.自主复制序列（autonomouslyreplicatingsequence,ARS）是DNA复制的起点；均有一段保守序列：200bp-A(T)TTTAT(C)A(G)TTTA(T)-200bp,2、着丝粒序列(centromereDNAsequence,CEN)由串联重复序列组成，含有11个高度保守的碱基序列：-TGATTTCCGAA-，其功能是形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离。3、端粒序列(telomericsequence,TEL)不同生物的端粒序列都很相似，由长5-10bp的重复单位串联而成。草履虫的TTGGGG锥虫的TAGGG拟南芥的TTTAGGG人的TTAGGG端粒的功能：①保证染色体末端的完全复制，端粒DNA提供复制线性DNA末端的模板。②在两端形成保护性的帽结构，使DNA免受核酸酶和其他不稳定因素的破坏和影响。③在细胞的寿命、衰老和死亡中起作用。（三）、人类的正常核型1.核型（Karyotype）：一个体细胞（somaticcell）中的全部染色体，按其大小和形态特征排列所构成的图像。正常男性：46，XY正常女性：46，XX人类体细胞的正常核型（Denver体制）组染色体号主要特征A组B组C组D组E组F组G组123亚中着丝粒染色体中央着丝粒染色体4——5亚中着丝粒染色体6——12、X亚中着丝粒染色体大小13——15近端着丝粒染色体、有随体161718亚中着丝粒染色体中央着丝粒染色体19——20中央着丝粒染色体21——22、Y近端着丝粒染色体、有随体Y染色体略大、长臂平行伸展、无随体123456789101112X13141516171819202122YABCEFGD2.染色体的显带技术用特殊的染色方法使染色体在其长轴上显出明暗交替或染色深浅不同的横纹——带。染色体标本的制备1)人类外周血淋巴细胞培养及染色体标本制备采血→接种→培养→秋水仙素处理→收集细胞→低渗→固定→制片→染色→观察3)羊水细胞培养及染色体标本制备抽羊水最佳时间妊娠16—20周2)骨髓细胞染色体标本制备显带技术整条显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料显带技术整条显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料G带：Giemsa染色显带技术整条显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料G带：Giemsa染色R带：Q、G反带高分辨带示550-850条带阶段中期染色体照片（46,XX)显带技术整条显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料G带：Giemsa染色R带：Q、G反带高分辨带C带：着丝粒等区的异染色质显带技术整条显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料G带：Giemsa染色R带：Q、G反带高分辨带C带：着丝粒等区的异染色质T带：端粒染色体端粒显带技术整条显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料G带：Giemsa染色R带：Q、G反带高分辨带C带：着丝粒等区的异染色质T带：端粒N带：NOR区酸性蛋白定义一个特定的带时，需要以下四个条件：⑴染色体号⑵臂的符号⑶区号⑷该带在所属区的带号或亚带以及次亚带号如:2q11;2q11.1;2q11.11pq32112346432152131212123541213241p31