2章分子生物学染色体与DNA

第二章染色体与DNA染色体DNA的结构与复制原核生物和真核生物DNA复制的特点DNA的修复与转座主要内容第一节染色体一、染色体概述3、染色体的功能—遗传物质的主要载体2、染色体的组成—DNA和蛋白质1、染色体的发现—19世纪中叶在有丝分裂中发现的一种易被碱性染料染成深色的物质；第一节染色体4、染色体的重要特征分子结构相对稳定;能够自我复制;能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程;能够产生可遗传的变异。第一节染色体（一）、原核细胞的染色体1、位于一个类似“核”的结构—“类核体”上，由DNA和外裹的稀疏蛋白质组成，其中一部分蛋白与DNA的折叠有关，另一些则参与DNA复制、重组及转录。2、原核生物中一般只有一条染色体，且大都带有单拷贝基因；只有很少数基因（如rRNA基因）是以多拷贝形式存在；整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。（无内含子）第一节染色体（二）真核细胞的染色体真核细胞的染色体位于核仁内，DNA与蛋白质完全融合在一起，其蛋白质与相应DNA的质量比约为2：1；其中蛋白质包括组蛋白和非组蛋白，真核生物染色体的组成：由DNA、组蛋白、非组蛋白及部分RNA（主要是尚未完成转录而仍与模板DNA相连接的那些RNA，其含量不到DNA的10%）组成。除了性细胞以外，真核细胞的染色体都是二倍体，而性细胞的染色体数目是体细胞的一半，称为单倍体。染色体被大量蛋白质及核膜包围，DNA的转录和翻译在不同的空间和时间上进行，其基因表达调控与DNA的序列和染色体的结构有关。第一节染色体（二）真核细胞的染色体染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体。组蛋白分别为Hl、H2A、H2B、H3及H4。它们含有大量的赖氨酸和精氨酸。非组蛋白包括酶类，收缩蛋白、骨架蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。第一节染色体（三）原核生物基因组原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少。（注意染色体外遗传基因的概念：即细菌的质粒、真核生物的线粒体、高等植物的叶绿体等所含有的DNA和功能基因）。结构简练：原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录。而且，这些不转录DNA序列通常是控制基因表达的序列。第一节染色体（三）原核生物基因组存在转录单元：原核DNA序列中功能相关的基因丛集在基因组的特定部位，形成转录单元，它们可被一起转录为可翻译多个蛋白质的mRNA分子，这种mRNA叫多顺反子mRNA。有重叠基因：在一些细菌和动物病毒中同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。重叠基因主要有以下几种情况:(1)一个基因完全在另一个基因里面；(2)部分重叠；(3)两个基因只有一个碱基对的重叠。有的重叠基因的重叠部分翻译相同序列的肽段；有的翻译不同的肽段，这是因为翻译起点错位引起的。第一节染色体重叠基因第一节染色体（四）真核生物基因组真核细胞基因组含有大量的重复序列，功能DNA序列大多被非功能DNA所隔开。许多DNA序列不编码蛋白质。真核细胞DNA序列可被分为3类:不重复序列占DNA总量的40％－80％，长约750－2000bP。结构基因属于不重复序列。第一节染色体（四）真核生物基因组中度重复序列占总DNA的10％～40％，各种rRNA、tRNA以及某些结构基因属于这一类。中度重复序列往往分散在不重复序列之间。高度重复序列――卫星DNA占总DNA的10％～60％，由6～100个碱基组成，在DNA链上串联重复高达数百万次。不转录。第一节染色体（四）真核生物基因组特点基因组庞大，一般都远大于原核生物的基因组；存在大量的重复序列；真核基因组的大部分序列为非编码序列，占整个基因组序列的90%以上；真核基因组的转录产物为单顺反子；真核基因是断裂基因，有内含子结构；真核基因组存在大量的顺式作用原件，包括启动子、增强子、沉默子等；第一节染色体（四）真核生物基因组特点真核基因组中存在大量的DNA多态性。DNA多态性是指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包括单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism,SNP)和串联重复序列多态性(tandemrepeatspolymorphism）两类。真核生物基因组具有端粒（telomere)结构。端粒是真核生物线性基因组DNA末端的一种特殊结构，它是一段DNA序列和蛋白质形成的复合体。其DNA序列相当保守，一般由多个短寡核苷酸串联在一起构成，它具有保护线性DNA的完整复制、保护染色体末端和决定细胞寿命的功能。第一节染色体（五）染色质和核小体由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。核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的8聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而Hl则在核小体的外面。每个核小体只有一个Hl。用核酸酶水解核小体后产生的核心颗粒含146bpDNA和组蛋白八聚体，146bpDNA绕在核心外面形成1·75圈，每圈约8Obp。许多核小体构成了连续的染色质DNA细丝。第一节染色体（五）染色质和核小体第二节DNA的结构DNA是高分子化合物，其基本单位是脱氧核苷酸。在所有的DNA分子中，磷酸和脱氧核糖是不变的，而含氮碱基是可变的，主要有4种：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。许许多多个脱氧核苷酸经3‘的羟基与5’的核苷三磷酸反应形成磷酸二酯键聚合而成为DNA链。DNA通常以线性或环状形式存在，绝大多数DNA分子都由碱基互补的双链构成，有少数生物以单链形式存在，如某些噬菌体和病毒。第二节DNA的结构一、DNA的一级结构DNA的一级结构就是指4种核苷酸的连接及其排列顺序。第二节DNA的结构DNA具有严格的化学组成，还具有特殊的空间结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在，其基本特点是:(l)DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的;(2)DNA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。两条链上的碱基通过氢键结合形成碱基对，它的组成规律是嘌呤与嘧啶配对。即A与T,G与C。组成DNA分子的碱基虽然只有4种，但碱基可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。DNA的ATGC的排列方式几乎是无限的。每个DNA分子所具有的特定的碱基排列顺序构成了DNA分子的特异性，不同的DNA链可以编码出完全不同的多肽。第二节DNA的结构第二节DNA的结构二、DNA的二级结构第二节DNA的结构A-DNAB-DNAZ-DNA第二节DNA的结构二、DNA的二级结构DNA的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。在生物活体中，通常情况下，DNA的二级结构以两大类存在:右手螺旋（A－DNA、B－DNA）和左手螺旋（Z－DNA）。通常情况下DNA的构象为B-DNA。第二节DNA的结构当DNA处于转录状态时，DNA模板链与由它转录所得的RNA链间形成的双链就是A-DNA。Z－DNA构象在转录区上游离转录区近时，抑制转录；若离转录区远，可以增加转录区的负超螺旋程度促使转录。Z－DNA构象有转录起始的调节活性。第二节DNA的结构DNA的两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴构成螺旋结构。多核苷酸的方向由核苷酸间的磷酸二酯键的走向决定，一条从5’→3’，另一条从3‘→5’。链间有螺旋型的凹槽，一条小沟;一条大沟。两条链上的碱基以氢键相连，G与C配对，A与T配对。碱基对层叠于双螺旋的内侧。相邻碱基对平面之间的距离为0·34nm，以3·4nm为一个结构重复周期。核苷酸的磷酸基团与脱氧核糖在外侧，通过磷酸二酯键相连接而构成DNA分子骨架。脱氧核糖环平面与纵轴大致平行。双螺旋的直径为2.0nm。第二节DNA的结构三、DNA的高级结构DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类。第三节DNA的复制一、DNA半保留复制(semiconservartivereplication)机理：由于DNA分子由两条多核苷酸链组成，一条链上的碱基――G只能与另一条链上的C相配对，A只能与T相配对，所以，两条链是互补的，一条链上的核苷酸排列顺序决定了另一条链上的核甘酸排列顺序。就是说，DNA分子的每一条链都含有合成它的互补链所需的全部信息。DNA在复制过程中碱基间的氢键首先断裂，双螺旋解旋并被分开，每条链分别作为模板合成新链，产生互补的两条链。这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。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，这种复制方式被称为DNA的半保留复制。第三节DNA的复制DNA的半保留复制第三节DNA的复制DNA半保留复制的实验依据：15N标记培养基，CsCl离心密度标记（0）；14N培养基培养3代。第三节DNA的复制DNA的半保留复制第三节DNA的复制(a)DNA改变双螺旋构象，解链酶解开双链，在单链DNA结合蛋白(SSB)和DNA聚合酶III的共同作用下合成先导链，方向与复制叉推进的方向一致。在滞后链上，当复制叉进一步打开时，RNA引物才能与DNA单链相结合；b)滞后链合成时，产生冈崎片段；(c)复制叉继续前进，DNA引物酶合成新的RNA引物，与DNA单链相结合准备引发合成新的冈崎片段。第三节DNA的复制DNA的复制是由固定的起始点开始的。一般把生物体的复制单位称为复制子(replicon)。一个复制子只含一个复制起点。通常，细菌、病毒和线粒体的DNA分子都是由单个复制子完成复制的，而真核生物基因组则同时在多个复制起点上进行复制，它们的基因组包含有多个复制子。无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的。复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。第三节DNA的复制无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的。复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点原核生物DNA复制的特点真核生物DNA复制的特点DNA复制的调控第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点一、原核生物DNA复制的特点大肠杆菌基因组以双链环状DNA分子的形式存在，其DNA复制的中间产物可形成一个θ,复制从定点开始双向等速进行，复制起始区位于其遗传图。复制起始后，两个复制叉在距起始点1800处会合。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点一、原核生物DNA复制的特点1、起始：首先起始复合体（DnaA-ATP）与4乘9bp结合，3乘13bp(富含AT)在Ⅱ型拓扑异构酶的作用下，使3乘13bp区域松弛，在再DNA解旋酶的作用下，3乘13bp区域发生解链；复制泡被单链结合蛋白(SSB蛋白)覆盖，以免断裂和再复性；DNA诱发酶结合到模板DNA上并合成一段短的RNA，作为合成DNA的引物，引发第一个复制叉的先导链的复制，接下来是双向复制。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点一、原核生物DNA复制的特点第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点2、延伸：先导链在DNA合成酶Ⅲ的作用下跟着延伸；包含DnaB解旋酶和DNA引物酶的移动复合体在后随链上隔1000～2000核苷酸合成一个RNA引物。延伸均由DNA合成酶Ⅲ来完成。后随链一旦被DNA合成酶Ⅲ延伸时，冈崎片段上的RNA引物就被DNA合成酶Ⅰ切掉，所留下的缺口被紧接着的后随链延伸来填补。一、原核生物DNA复制的特点第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点一、原核生物DNA复制的特点3、终止：两个复制叉在oriC约1800的对面相遇，在这个区域有几个Ter(20bp左右)的位点，它们与Tus(DnaB解旋酶抑制剂)结合成Ter-Tus复合物，Ter-Tus复合物阻止复