第二章染色质和染色体总结

第二章染色质、染色体、基因和基因组1、染色质和染色体的形态2、染色质和染色体的化学成分/组成3、染色质和染色体的功能(自学)4、染色体畸变第一节、染色质与染色体染色质(chromatin)：是指细胞周期间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合结构，因其易被碱性染料染色而得名。染色体(chromosome)：是指在细胞分裂期出现的一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征的物体。只有在细胞分裂中才可见的形态单位。一、染色质和染色体的概念染色质和染色体的化学组成相同，是同一物质在细胞不同时期的不同形态；染色质和染色体是真核细胞内遗传物质的存在形式；2染色质的分类存在形态不同：常染色质和异染色质常染色质(euchromatin)间期纤丝，包装密度度比分裂期染色体的要小很多，一般位于细胞核的中央(30nm)常染色质是具有转录活性的染色质，结构疏松，电子密度低异染色质(heterochromatin)间期为高度卷曲紧缩块状，可与有丝分裂期染色体相比，存在于细胞核周边(100-250nm)特点：–①持久压缩，无转录活性、是遗传惰性区。–②在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩。–③分为两类：组成型异染色质、兼性异染色质两种染色质的区别常染色质异染色质间期染色程度染色浅染色深分布核中央核仁和核膜附近螺旋化程度低高呈疏松状态呈凝集状态DNA序列单一序列和部分重复序列高度重复序列功能状态活跃的DNA分子部分不活跃的DNA分子部分进行转录和翻译不能转录和翻译核小体核小体是构成染色质的基本结构单位核小体（nucleosome）：串珠状的染色质，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，通过酶消化实验建立。核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白八聚体和一个组蛋白H1。①由组蛋白2个H2A-H2B、2个H3、2个H4形成八聚体，构成核心颗粒；②DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；③相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。在低盐亲水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体（JA，Gall1981）通过形成核小体，长度压缩7倍，11nm的纤维。但是在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，长度压缩6倍。核小体→螺线体（核丝）solenoid30nm的核丝以侧环模型结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域。形成超螺线体。多级螺旋—染色体核小体→螺线体→超螺线体→染色体（二）染色体细胞分裂中期高度凝缩染色体的一般形态特征染色体的形态结构1.染色单体1.主缢痕（初级缢痕；着丝粒区）：两个染色单体相连处，染色较浅、向内凹陷成狭小区段的部位。①着丝粒：着丝粒区连结两个染色单体的特殊区段。②动粒（着丝点；着丝盘）：是主缢痕处，两染色单体外侧表层部位与纺锤丝接触的。将染色体附着在微管上。着丝粒卫星DNA根据着丝粒的位置和染色体两臂的长度比（臂比），将染色体分成4类：染色体类型符号臂比着丝粒指数分裂后形态近中着丝粒染色体M1-1.70.5-0.375V亚中着丝粒染色体SM1.7-30.374-0.25L近端着丝粒染色体ST3-70.249-0.125I顶端着丝粒染色体T﹥70.124-0I近中着丝粒(M);V亚中着丝粒(SM);L近端着丝粒(ST);I顶端着丝粒(T);I2.次缢痕（副缢痕；核仁形成区）：主缢痕外着色较浅的染色体缢缩区，不能弯曲，与核仁形成有关。常在短臂出现。位置相对稳定。可作为鉴定标志之一。3.核仁组织区（NOR）：位于染色体次缢痕部位，是rRNA基因活跃转录形成（5srRNA除外），核仁形成有关。4.随体：从次缢痕到短臂末端有一种圆形或略呈长形的染色体节段。可作为鉴定标志之一。5.端粒（telomere）：末端特化的着色较深部位。由端粒DNA和端粒结合蛋白(TBP)组成。富含G的高度重复的短序列组成，末端形成t环。1978年BlackburnE.B.在研究四膜虫的rDNA时发现染色体末端有6nt的串联重复：5`—G4T2—3`，重复几十次，总长度为：370-520bp,Cn(A/T)m,n1,m1~4单链长14-16nt端粒的3`单链末端取代了端粒上游中的一个相同序列形成t环,反应由端粒结合蛋白TRF2催化•端粒（telomere）作用：1.维持染色体的稳定性。防止染色体DNA降解、末端融合和缺失2.与细胞寿命有关，起细胞分裂计时器的作用。端粒的复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶来完成。3.保证遗传信息的完整复制4.指导染色体与核膜相连端粒酶：含有RNA模板到逆转录酶端粒酶在大多数正常体细胞中无活性，在永生化细胞和恶性肿瘤细胞中有活性，因此可作为恶性肿瘤标记物。端粒酶抑制剂可抑制恶性肿瘤细胞的增殖：核酶/反义核酸逆转录酶抑制剂核苷酸类似物二、染色质和染色体的化学组成由相同的化学物质组成主要成分：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA比例：1:1:(1-1.5):0.05（一）DNA4种序列：①单一序列；②轻度重复序列；③中度重复序列（101~5）；④高度重复序列（105）。3种主要构像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。3种基本元素：①自主复制序列(ARS)；②着丝粒序列(CEN)；③端粒序列(TEL)。酵母人工染色体(YAC)：含上述3种成分，用于转基因。重复序列(repeatedsequances)指在基因组中多次出现的DNA序列。由特定长度的重复单位，特定的拷贝数目在空间上以特定的方式组成。根据C0t曲线分为高度重复序列，中度重复序列和单拷贝序列等。补充：C0t曲线与复性动力学基因组序列复杂性的研究是通过测量变性DNA的复性速率来进行的。复性曲线：剩余单链DNA比例对Cot1/2作图高度重复序列复性速度快10-710-510-310-1101031051.00.0humanE.coliU:AC0t1/2PhageλCC00.5基本为单一序列1．单拷贝序列（singlecopysequence）或单一序列（uniquesequence）；非重复序列真核生物基因组的30％～70％，大多数基因在单倍体中都是单拷贝。单拷贝序列最重要的作用是具有编码功能。编码蛋白质和酶的结构基因以及基因的间隔序列。但编码序列只占单拷贝序列的一小部分，所以单拷贝序列除了编码以外还应有其它功能。2．轻度重复序列（slightlyrepetitivesequence）这种重复序列在基因组中只有2～10个拷贝，如组蛋白、酵母tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因。轻度重复序列包括两种情况：一是重复序列中的基因都是有功能的，例如血红蛋白β链的基因有胚胎型和胎儿型，只是基因产物在氨基酸组成上是各有差异；二是重复序列中的基因有的有功能，有的没有功能，如假基因等。轻度重复序列很难用点突变方法进行鉴定，因为任何一个拷贝的失活都不能影响其它拷贝的活性。3．中度重复序列（moderatelyrepetitivesequence）中度重复序列一般都是不编码的序列，有10至几千个拷贝，例如rRNA基因、tRNA基因。目前认为，大部分中度重复序列与基因表达的调控有关。tRNA基因一般分布于基因组中，rRNA基因常集中分布于核仁形成区。中度重复序列的共同特征是两端有类似于转座子两端的重复序列，这种现象十分类似于逆转录病毒的结构。人Alu序列家族4．高度重复序列（highlyrepetitivesequence）大多数高等真核生物的DNA都含有20％以上的高度重复序列，由非常短的序列重复多次，可达几百万个拷贝，串联成长长的一大簇集中在异染色质区，特别是在着丝粒和端粒附近。因为序列简单，缺乏转录必要的启动子而不具转录能力。卫星DNA含量最高的一种染色体蛋白带正电荷，含大量Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为：–核心组蛋白（corehistone）：H2A、H2B、H3、H4；–连接组蛋白（linkerhistone）：H1。（二）组蛋白（histone）组蛋白的一般特性1.4种核心组蛋白高度保守，尤其是H3、H4。无种属、组织特异性。肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基酸集中分布在N端，大部分疏水基团都分布在C端。H1反之所有的组蛋白都是修饰的（N端）。甲基化、磷酸化、乙酰化等。组蛋白修饰是一个重要事件。序列特异性DNA结合蛋白。特性：•带负电，富含天冬氨酸、谷氨酸，属酸性蛋白。种类多达数百种，含量少主要为结构蛋白和酶类具有种属和组织特异性•整个细胞周期都合成，组蛋白只在S期合成。（三）非组蛋白（non-histone）功能：1.参与染色体的构建：帮助染色质纤维的进一步折叠、盘曲2.启动基因的复制3.基因表达调节、基因产物转运、核内信息传递，细胞周期中核亚微结构的变化p39，表2-1（三）非组蛋白（non-histone）（四）RNA和酶含量极少，与同源DNA高度杂交调节基因表达染色质是多种酶的底物三、染色质和染色体的功能是遗传信息贮存、传递及表达（蛋白质）的物质基础（一）染色质在遗传中的作用1、有丝分裂2、减数分裂细胞周期连续分裂的细胞，从一次分裂完成时开始，到下一次分裂完成时为止。细胞分裂间期细胞分裂期阶段分分裂间期分裂期前期中期后期末期子细胞①变化：完成DNA的复制和有关蛋白质的合成②结果：每个染色体都形成两个姐妹染色单体，呈染色质形态，细胞中DNA数目加倍，染色体数目不变间期核膜核仁染色质1、有丝分裂（cellmitosis）特点是有纺锤体形成及染色体的变化，子染色体被平均分配到子细胞，这种分裂方式普遍见于高等动植物。2、有丝分裂过程有丝分裂过程是一个连续的过程，为了便于描述人为地划分为五个时期：前期(prophase)前中期(premetaphase)中期(metaphase)后期(anaphase)末期(telophase)前期的主要事件是：①线性染色质经螺旋化、折叠和包装，变短变粗，形成染色体。每条染色体包含2个染色单体(姐妹染色体)。②动粒装配、星体形成与分裂极确立。1.前期前期1、两现：染色体出现、纺锤体出现2、两失：核膜消失、核仁消失纺锤体有三种微管结构极体微管：由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达，负责将两极推开。动粒微管（着丝点微管）：由中心体发出，连接在染色体着丝点动粒上，着丝点上具有马达蛋白。星体微管：由在两极中心体向外放射，末端结合有分子马达，负责两极的分离。极性微管动粒微管星体微管星体微管中心粒中心粒外基质染色体中心粒外基质动物细胞的纺锤体•染色体进一步浓缩，变短变粗，形成X形结构。•纺锤体进一步装配，形成动粒微管和极体微管。•染色体在各种相关因素共作用下向赤道方向运动。2.前中期：核膜解体标志前中期开始•纺锤体呈现典型的纺锤样。•位于染色体两侧的动粒微管长度相等，作用力均衡。3.中期：其标志是所有染色体排列到赤道板上赤道板中期可分为后期A与后期B。后期A动粒微管变短，染色体向两极运动。后期B极性微管长度增加，两极距离拉长。4.后期：其标志是姊妹染色单体分开并移向两极后期后期A:该阶段染色体的分离由微管去聚合假说解释：动粒微管不断解聚缩短,造成的拉力将染色体拉向两极。5.末期染色体单体到达两极，即进入了末期。动粒微管消失，极性微管继续加长。染色单体去浓缩。核膜、核仁重新装配。中间小体6.胞质分裂•开始于细胞分裂后期，结束于细胞分裂末期。•胞质分裂过程：①肌动蛋白与肌球蛋白在赤道板周围形成收缩环，②收缩环收缩形成收缩沟，③收缩环处细胞膜融合形成两个子细胞。2、减数分裂（Meiosis）减数分裂是一种特殊的有丝分裂方式，仅发生于有性生殖细胞形成过程中的某个阶段。主要特点：DNA复制一次，而细胞连续分裂两次，形成单倍体的两性生殖细胞，通过受精作用又恢复二倍体。意义：同源染色体间发生交换，使配子的遗传多样化，增加了后代的适应性。因此减数