第二章 染色体与DNA

LOGO第二章染色体与DNACompanyLogo/’.染色体DNA的结构基因本章主要内容CompanyLogo第一节染色体CompanyLogo染色体：细胞核内由核蛋白和DNA组成、能用碱性染料染色、有结构的线状体，是遗传物质基因的载体。一、染色体概述染色质：在生物的细胞核中，细胞分裂间期，有一种易被碱性染料染上颜色的物质。1.什么是染色体：CompanyLogo2.染色体的形式与存在：原核细胞亚显微结构模式图CompanyLogo1.原核生物染色体的特点原核生物只有一条染色体吗?2.真核生物染色体的特点人的染色体?CompanyLogo人类染色体2n=46CompanyLogo分子结构相对稳定能够自我复制，使亲子代之间保持连续性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3.染色体的主要特征：CompanyLogo二、真核细胞染色体的组成1.蛋白质2.真核生物基因组DNA3.染色质和核小体染色体DNA蛋白质组蛋白：非组蛋白H1H2AH2BH3H4核小体CompanyLogo1.蛋白质（组蛋白与非组蛋白）保守程度：H1H2A、H2BH3、H4核心组蛋白组蛋白（histone）:是指所有真核生物的细胞核中，与DNA结合存在的碱性蛋白质的总称。其分子量约10000～20000。CompanyLogo上海生化所分子遗传学1998年试题：在真核生物核内，五种组蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4）在进化过程中，H4极为保守，H2A最不保守（）。CompanyLogo（1）组蛋白的特征：①进化上的极端保守性②无组织特异性③肽链上氨基酸分布的不对称性④含赖氨酸的组蛋白H5：富含赖氨酸（24%）⑤组蛋白的可修饰性CompanyLogo（2）非组蛋白的特征：CompanyLogo高速泳动蛋白（highmobilitygroupprotein,HMG）特点：低盐（0.35mol/LNaCl）溶液抽提、溶于2%三氯乙酸、相对分子质量都在3.0×104以下的非组蛋白，能与DNA结合，也能与H1作用，与DNA结合并不牢固，可能与DNA的超螺旋结构有关。DNA结合蛋白（DNAbindingprotein）特点：相对分子质量比较低的蛋白质，约占非组蛋白的20%，染色体的8%，可能是一些与DNA复制或转录有关的酶或调节物质。A24非组蛋白（A24nonhistoneprotein）特点：溶解性与组蛋白相似，与H2A差不多大小，呈酸性，含有较多的天冬氨酸和谷氨酸，总量大约是H2A的1%，位于核小体内，功能不详。CompanyLogo2.真核生物基因组DNA基因组：一个物种的单倍体的染色体的数目称为该物种的～。C值：一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，通常称为该物种DNA的～。C值矛盾：基因所占基因组的比例不会超过20%，人们无法用已知功能来解释基因组的如此之大的DNA含量，这就叫做～。支原体104bp—显花植物1011bp哺乳动物：C值约109bp/5000bp~8000bp=40万～60万基因实际：约3万～4万个CompanyLogo图2-5各种生物细胞内DNA总量比较DNA总量C值CompanyLogo（1）真核细胞DNA序列大致可分为3类：①不重复序列/单一序列②中度重复序列③高度重复序列CompanyLogo①不重复序列/单一序列◆不重复序列，在单倍体基因组中只出现一次或数次，又称低度重复顺序。占哺乳类基因组的50~80%，人基因组中约占65%。序列长750~2000bp，相当于一个结构基因的长度。如：蛋清蛋白、血红蛋白等。◆功能：主要是编码蛋白质。单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质。如一个蚕丝心蛋白基因可作为模板合成104个丝心蛋白mRNA，每个mRNA可存活4d，共合成105个丝心蛋白，这样，在几天之内，一个单拷贝丝心蛋白基因就可以合成109个丝心蛋白分子。CompanyLogo②中度重复序列◆指在基因组中重复频率10~105的顺序，序列长100~5000bp；在基因组中所占比例约占10~40％。分布于结构基因之间、基因簇中、以及内含子中。◆一般是不编码蛋白质的序列，在调控基因表达中起重要作用。图2-6非洲爪蟾的rRNA基因结构示意图CompanyLogoCompanyLogo③高度重复序列高度重复序列在基因组中重复频率可高达106以上，因此复性速度很快。序列长度一般为10~300bp的较短序列。在基因组中所占比例随种属而异，约占10~60％，人基因组中约占20％。CompanyLogo高度重复序列的种类：反向重复序列反向重复序列由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成。这种重复顺序复性速度极快。序列长度100~1000bp，约占人基因组的5％。CompanyLogo串联重复序列由2~172bp重复单位排列成串而形成的。由于碱基组成不同于其他部份，在等密度梯度离心时与主体DNA分开，称卫星DNA。CompanyLogo（a）卫星DNA（satelliteDNA）重复区涵盖100kb~5Mb，大部分位于染色体着丝点。重复单位2bp~172bp。其中一种重复单位在170bp左右，为灵长类所独有。串联重复序列包括（b）小卫星(minisatellite)DNA重复区域在0.1kb~20kb间。主要包括重复单位在9~80bp之间的可变数目串联重复序列（variablenumberoftandemrepeats，VNTR）和端粒。（c）微卫星(microsatellite)DNA重复单元1~6bp的短串联接重复（shorttandemrepeats，STR），涵盖区域小于150bp。微卫星DNA里的重复数目亦随个体而异，广泛被用於DNA指纹。CompanyLogo散布重复序列散布重复序列可看成是一种转座子(transposableelements)，它们借DNA重组机制而转移。经过许多代的遗传累积，DNA的某段序列会散布各处。由于突变的结果，每个重复单位的序列并非完全相同。CompanyLogo3.染色质和核小体染色质：在生物的细胞核中，细胞分裂间期，有一种易被碱性染料染上颜色的物质。核小体：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。图2-7核小体结构示意图CompanyLogo图2-7-c核小体单元的产生CompanyLogoCompanyLogo（1）真核生物基因组结构特点真核基因组结构庞大3×109bp含有大量重复序列非编码区较多占整个基因组的90%以上单顺反子基因不连续性断裂基因（interrupted）、内含子（intron）、外显子（exon）含有大量顺式作用元件启动子、增强子、沉默子等存在大量的DNA多态性具有端粒结构CompanyLogo单顺反子：即一个基因编码一条多肽链或RNA链，每个基因转录有各自的调节元件。CompanyLogo断裂基因（splitinggene）真核基因的核苷酸序列中间有与氨基酸编码无关的DNA间隔区，使一个基因分隔成不连续的若干区段。这种编码序列不连续的间断基因称为断裂基因。现已证实，除了真核生物外，少数原核生物，如大肠杆菌T4噬菌体中也存在断裂基因。内含子（introns）是真核生物细胞DNA中的间插序列。这些序列被转录在前体RNA中，经过剪接被去除，最终不存在于成熟RNA分子中。外显子(exon)是真核生物基因的一部分，它在剪接(Splicing)后仍会被保存下来，并可在蛋白质生物合成过程中被表达为蛋白质。CompanyLogo顺式作用元件：是指与结构基因串联的特定DNA序列，是转录因子的结合位点，它们通过与转录因子结合而调控基因转录的精确起始和转录效率。启动子；增强子；沉默子，也叫绝缘子。CompanyLogo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。单核苷酸多态性（SNP）串联重复序列多态性CompanyLogo单核苷酸多态性（SNP）单核苷酸多态性(singlenucleotidepolymorphism，SNP)：主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。它是人类可遗传的变异中最常见的一种。占所有已知多态性的90%以上。SNP在人类基因组中广泛存在，平均每500～1000个碱基对中就有1个，估计其总数可达300万个甚至更多。CompanyLogoDNA重复序列多态性DNA重复序列的多态性（RSP），特别是短串联重复序列，如小卫星DNA和微卫星DNA，主要表现于重复序列拷贝数的变异。小卫星（minisatellite）DNA由15~65bp的基本单位串联而成，总长通常不超过20kb，重复次数在人群中是高度变异的。这种可变数目串联重复序列（VNTR）决定了小卫星DNA长度的多态性。微卫星（microsatellite）DNA的基本序列只有1~8bp，而且通常只重复10~60次。CompanyLogoDNA片段长度多态性DNA片段长度多态性（FLP），即由于单个碱基的缺失、重复和插入所引起限制性内切酶位点的变化，而导致DNA片段长度的变化。又称限制性片段长度多态性，这是一类比较普遍的多态性。CompanyLogo端粒（Telomere）：是真核生物线状染色体末端的DNADNA重复序列,作用是保持染色体的完整性。端粒是短的多重复的非转录序列（TTAGGG）及一些结合蛋白组成特殊结构。除了提供非转录DNA的缓冲物外，它还能保护染色体末端免于融合和退化，在染色体定位、复制、保护和控制细胞生长及寿命方面具有重要作用，并与细胞凋亡、细胞转化和永生化密切相关。CompanyLogo凭借“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”这一成果，揭开了人类衰老和罹患癌症等严重疾病的奥秘的三位美国科学家（美国加利福尼亚旧金山大学的伊丽莎白·布莱克本(ElizabethBlackburn)、美国巴尔的摩约翰·霍普金斯医学院的卡罗尔·格雷德(CarolGreider)、美国哈佛医学院的杰克·绍斯塔克(JackSzostak)。）获得2009年的诺贝尔生理学或医学奖。ElizabethBlackburnCarolGreiderJackSzostakCompanyLogo结构简练存在转录单元，为多顺反子有重叠基因三、原核生物基因组的结构特点φχ174噬菌体DNA：CompanyLogoDNA的存在：遗传物质染色体：染色体外的遗传因子真核生物染色体：线性双链分子原核生物染色体真核生物细胞器：线粒体、叶绿体细菌质粒DNA细胞内共生或寄生生物DNA如：病毒（环状、线性）环状双链分子第二节DNA的结构CompanyLogoDNA的组成成份：DNA核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核糖（RNA）脱氧核糖（DNA）A、G、C、UA、G、C、TOBOHOHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸123456978123456CompanyLogo1、定义：指DNA分子中各脱氧核苷酸的排列顺序。5′端3′端CGA3’,5’-磷酸二酯键一、DNA的一级结构CompanyLogo二、DNA的二级结构CompanyLogoAlandmarkdiscoveryinscienceWatsonCrick：剑桥大学Cavendish实验室Rosalindfrindlin:1945年毕业于剑桥，获博士学位LinusPauling：美国加州理工大学，知名的量子化学家Wilkins:伦敦皇家学院教授。CompanyLogo（二）DNA双螺旋结构的主要特点CompanyLogo①两条脱氧核苷酸链以反向平行的方式围绕同一中心轴向右盘绕CompanyLogo②主链处于螺旋的外侧（核糖+磷酸）亲水,核糖平面与螺旋轴平行,碱基处于螺旋的内侧，与中轴垂直CompanyLogo③螺距：10bp—3.4nm—3600đ=2nmCompanyLogo④沿中心轴观察，双螺旋结构上有两条螺形凹槽，一条较深宽，称为大沟（宽