分子生物学第二章 DNA结构与功能

2DNA结构与功能主要内容染色体DNA的结构DNA的复制DNA的修复DNA的转座2020/2/28一、染色体（Chromosome)内容提要：细胞周期染色体与染色质染色体的结构和组成（原核生物、真核生物）核小体原核生物和真核生物基因组结构特点比较（一）细胞周期（二）染色体与染色质染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质(chromatin)的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位—核小体(nucleosome)成串排列而成的。（三）染色体的结构和组成原核生物(prokaryote){组蛋白：H1H2AH2BH3H4非组蛋白}核小体{DNA蛋白质染色体真核生物染色体的组成核小体组蛋白(nucleosomalhistone)：H2B、H2A、H3和H4,帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构H1组蛋白：在构成核小体时H1起连接作用,它赋予染色质以极性。1、组蛋白(histone)真核生物染色体的基本结构蛋白富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸碱性蛋白质可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）；组蛋白的一般特性：i)进化极端保守性:不同种生物组蛋白的氨基酸组成十分相似。其中H3、H4最保守；H2A、H2B变化相对大；H1变化更大。H3、H4可能对稳定真核生物的染色体结构起重要作用。保守程度：H1H2A、H2BH3、H4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（H1H2AH2BH3和H4）在进化过程中，H4极为保守，H2A最不保守（）ii)无种属组织特异性:到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5；精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。iii)肽链氨基酸分布的不对称性碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上，大部分疏水基团分布在C端；可能与它们的功能相互作用有关:碱性的半条链易与DNA的负电荷区结合，而另外半条链与其它组蛋白、非组蛋白结合。iv)H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%）、丙氨酸（16％）、丝氨酸（13％）、精氨酸（11％）。H5的磷酸化可能在染色质失活过程中起重要作用。在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。H2A、H2B、H1不明显。v)组蛋白的可修饰性修饰作用的特点：——降低组蛋白所携带的正电荷。组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其它调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。简述真核生物染色体上组蛋白的种类，组蛋白修饰的种类及其生物学意义中国科学院2003年硕士研究生入学《生物化学与分子生物学》试题2.非组蛋白占组蛋白总量的60％－70％，种类很多，20－100种，常见有15－20种；包括酶类、如RNA聚合酶及与细胞分裂有关的收缩蛋白、骨架蛋白、核孔复合物以及肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。可能是染色质的结构部分。高速泳动（highmobilitygroupprotein，HMG)蛋白：——能与DNA结合，也能与H1结合，可能与DNA的超螺旋结构有关。DNA结合蛋白：能是一些与DNA的复制或转录有关的酶或调节物质。A24非组蛋白：其C端与H2A相同，但它有两个N端，一个N端的序列与H2A相同，另一个与泛素相同；其大小与H2A差不多，酸性，含较多的谷氨酸和天冬氨酸，位于核小体内，功能不祥。非组蛋白非组蛋白具多样性和异质性对DNA具有识别特异性，又称序列特异性DNA结合蛋白(sequencespecificDNAbindingproteins)具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。C值:是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。C值反常现象（C-valueparadox)/C值矛盾:真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开，这就是著名的“C值反常现象”。3.真核生物基因组DNAGenome:allDNAsequencesinacellGenes:astretchofcontinuousDNAsequenceencodingaproteinorRNAC-valueisthequantityofDNAinthegenome(perhaploidsetofchromosomes).C-valueparadox(C值矛盾)referstothelackofacorrelationbetweengenomesizeandgeneticcomplexity在真核生物中C值一般是随生物进化而增加的，高等生物的C值一般大于低等生物。然而，某些两栖类的C值甚至比哺乳动物还大，而在两栖类中C值的变化也很大，可相差100倍。由此推断，许多DNA序列可能不编码蛋白质，是无生理功能的。Rangeofgenomesizefoundindifferentorganismphyla.C值反常现象/C值矛盾：指C值与种系进化复杂性不一致的现象。简述DNA的C值以及C值矛盾（CValueparadox）.中科院上海生化所98年上海第二军医大：C值矛盾（四）核小体(nucleosome)Nucleosome、chromosome、genome中科院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题1、定义：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。2、核小体的结构核心颗粒连接区DNAHistoneoctamer(组蛋白八聚体)TopviewSideviewNucleosomecoreNucleosomecore146bp,1.8superhelicalturnChromatosome166bp,2superhelicalturnDNAHistoneoctamerHistoneH1◆每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一分子H1组蛋白构成核小体的盘状核心结构◆146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈,组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。包括组蛋白H1和166bpDNA的核小体结构又称染色质小体。◆两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化值为0～80bp◆组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列，实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质◆核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试：简述真核细胞内核小体与核小体核心颗粒的结构。3、染色体的包装—超螺旋结构染色质包装的多级螺旋模型◆一级结构：核小体◆二级结构：螺线管(solenoid)◆三级结构：超螺线管(supersolenoid)◆四级结构：染色单体（chromatid）压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍DNA———→核小体———→螺线管———→超螺线管———→染色单体6.8:140:11000:18000:1DNAdoublehelixNucleosome(10nmfiber)30nmFiberLoopsILoopsIIchromosome由X-射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构（引自K.Luger等，1997）a.通过DNA超螺旋中心轴所显示的核小体核心颗粒8个组蛋白分子的位置；b．垂直与中心轴的角度所见到的核小体核心颗粒的盘状结构；c．半个核小体核心颗粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4种核心组蛋白分子，每种组蛋白由3个α螺旋和一个伸展的N-端尾部组成。N-端尾部有序排列，参与核小体之间的相互作用，以形成螺线管等高级结构。上海第二军医大硕士研究生入学考试试题：基因组的特点（真核、原核比较）（五）原核生物和真核生物基因组结构特点比较1、真核生物基因组结构特点●基因组远远大于原核生物的基因组，具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小。●基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，体细胞内的基因的基因组是双份的（即双倍体,diploid），即有两份同源的基因组。●单顺反子：一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。●基因不连续性断裂基因（interruptedgene）、内含子(intron)、外显子(exon)●非编码区较多多于编码序列(9:1)●含有大量重复序列：重复次数可达百万次以上●真核基因组存在大量的顺式作用元件。包括启动子、增强子、沉默子等。●真核基因组存在大量的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（SNP)和串联重复序列多态性等。●真核生物基因组具有端粒结构。真核细胞DNA序列大致可被分为3类：不重复序列/单一序列中度重复序列高度重复序列(1)不重复序列/单一序列在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占DNA总量的40％-80％，不重复序列长约750-2000bp，相当于一个结构基因的长度。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如：蛋清蛋白、血红蛋白等功能：编码蛋白质。在基因组中，单拷贝顺序的两侧往往为散在分布的重复顺序。由于某些单拷贝顺序编码蛋白质，体现了生物的各种功能，因此对这些序列的研究对医学实践有特别重要的意义。(2)中度重复序列:这类序列的重复次数在101－104之间，占总DNA的10％—40％，如小鼠中占20％，果蝇中占15％。各种rRNA、tRNA以及某些结构基因(如组蛋白基因等)都属于这一类。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28S、5.8S及18SrRNA基因：非洲爪蛙的18S、5.8S及28SrRNA基因是连在一起的，它们中间隔着不转录的间隔区，这些18S、5.8S及28SrRNA基因及间隔区组成的单位在DNA链上串联重复许多次。不转录的间隔区是由21-100个碱基对组成的类似卫星DNA的串联重复序列。中度重复序列往往分散在不重复序列之间。依据重复顺序的长度，中度重复顺序可分为两种类型：短分散片段长分散片段补充：（i）短分散片段（shortinterspersedrepeatedsegments,SINES）：这类重复顺序的平均长度约为300bp(小于500bp），它们与平均长度约为1000bp的单拷贝顺序间隔排列。拷贝数可达10万左右。如Alu家族等属于这种类型的中度重复序列。Alu家族：Alu家族是哺乳动物包括人基因组中含量最丰富的一种中度重复顺序家族，在单倍体人基因组中重复达30万-50万次，约占人基因组的3-6％。Alu家族每个成员的长度约300bp，由于每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点（AG↓CT）从而将其切成长130和170bp的两段，因而定名为Alu序列（或Alu家族）。Alu序列分散在整个人体或其他哺乳动物基因组中，在间隔DNA、内含子中都发现有Alu序列，平均每5kbDNA就有一个Alu顺序。已建立的基因组中无例外地含有Alu顺序。Alu序列具有种的特异性，人的Alu序列制备的探针只能用于检测人的基因组中的Alu序列。由于在大多数的含有人的DNA的克隆中都含有Alu顺序，因此，可以这样认为，用人的Alu序列制备的探针与要筛选的克隆杂交，阳性者即为含有人DNA克隆，阴性者不含有人DNA。Hinf家族：这一家族以319bp长度的串联重复存在于人体基因组中。用限制性内切酶HinfⅠ消化人体DNA，可以分离到这一片段。Hinf家族在单位基因组内约有50-100个拷贝，分散在不同的区域。319bp单位可以再分成两个亚单位，分别为172bp和147bp,