分子生物学本染色体与公开课课件.ppt

1、分子生物学本染色体与2.1 染色体2.2.1 染色体概述n细胞内的DNA主要在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体n染色体包括DNA和蛋白质两大部分n在不同的细胞周期，有染色体与染色质之分n区别：细胞增殖周期的有丝分裂中期，才出现染色体；其余时间为染色质n原核生物一般也称“染色体”，但没有核小体一级结构;而且,原核细胞一般是单倍体n染色体图2.1.2 真核细胞染色体的组成n作为遗传物质，染色体具有的特征：P23n稳定n能自我复制n能指导蛋白质合成n变异染色体化学成分n主要成分nDNAn组蛋白n非组蛋白nRNAn酶含量稳定，组成核小体含量随细胞周期状态不同而改变n组蛋白：属于碱性蛋白，按精

2、氨酸/赖氨酸的比例，分为五种nH1nH2AnH2BnH3nH4核小体组蛋白，没有种属和组织专一性不组成核小体，进化中最少保守多精氨酸多赖氨酸稍多赖氨酸n组蛋白具有如下特征：P24n（1）保守性n（2）无组织特异性n（3）氨基酸分布的不对称性n（4）修饰（磷酸化、乙酰化，甲基化）n（5）H5（鸟、鱼、两栖类无H1有H5)n非组蛋白：n（1）HMG蛋白：可能与DNA的超螺旋结构有关。n（2）DNA结合蛋白：是酸性蛋白，又称序列特异性DNA结合蛋白，其功能为：n参与染色体的构建n启动基因的复制n调控基因的转录n（3）A24非组蛋白nDNA：n真核细胞DNA序列大致可分为3类：n不重复序列（单拷贝序列

3、、低度重复序列）n中度重复序列n高度重复序列单拷贝顺序（低度重复顺序）单拷贝顺序（低度重复顺序）n单拷贝顺序在单倍体基因组中只出现一次或数单拷贝顺序在单倍体基因组中只出现一次或数次，因而复性速度很慢次，因而复性速度很慢n单拷贝顺序在基因组中占单拷贝顺序在基因组中占 50-80，如人基，如人基因组中，大约有因组中，大约有 60-65 的顺序属于这一类。的顺序属于这一类。n单拷贝顺序中储存了巨大的遗传信息，单拷贝顺序中储存了巨大的遗传信息，编码各编码各种不同功能的蛋白质种不同功能的蛋白质n目前尚不清楚单拷贝基因的确切数字，在单拷目前尚不清楚单拷贝基因的确切数字，在单拷贝顺序中只有一小部份用来编码各

4、种蛋白质，贝顺序中只有一小部份用来编码各种蛋白质，其他部份的功能尚不清楚其他部份的功能尚不清楚中度重复顺序中度重复顺序n中度重复序列：在基因组中重复数十至中度重复序列：在基因组中重复数十至数万（数万（100拷贝），拷贝），大部份组蛋白基因串联重复形成基因簇大部份组蛋白基因串联重复形成基因簇在人体单倍基因组中约有1000-2000个tRNA基因，由50-60种tRNA基因编码，每种平均重复20-30次卫星为：5 ACAACTT 3染色体：细胞中期出现的形态尽管组蛋白基因在基因组中的排列和分布在不同生物之间相差甚大较复杂的重复单位组成的重复顺序不同生物中组蛋白基因在基因组中的排列不一样B 核苷的戊

5、糖的C-3上自私DNA（selfish DNA）Alu家族每个成员的长度约300bpH1-H4-H2B-H3-H2A 海胆E DNA的双螺旋结构2个H2A-H2B二聚体;2个H3-H4二聚体1974年，Kornberg 发现核小体3-TAGCCGATTCCGA GGCTGCT-5每个核仁组织区平均含有50个rRNA基因的重复单位目前认为染色体状态的改变是通过对构成染色体骨架的核心组蛋白（core histone）的修饰完成的。果蝇的卫星DNA顺序已经搞清楚，可分为三类，这三类卫星DNA都是由7bp组成的高度重复顺序：真核细胞DNA序列大致可分为3类：一级结构：核小体（真核生物的基本单位）D A

6、+T/G+C的比值为1组蛋白基因组蛋白基因n尽管组蛋白基因在基因组中的排列和分布尽管组蛋白基因在基因组中的排列和分布在不同生物之间相差甚大在不同生物之间相差甚大H2B-H2A-H4-H3-H1 果蝇果蝇H1-H4-H2B-H3-H2A 海胆海胆n但所有组蛋白基因都不含内含子，但所有组蛋白基因都不含内含子，而且组而且组蛋白基因序列都很相似，从而编码的组蛋蛋白基因序列都很相似，从而编码的组蛋白在结构上和功能上也极为相似白在结构上和功能上也极为相似 组蛋白基因组蛋白基因n基因组中存在大量重复序列用以编码组基因组中存在大量重复序列用以编码组蛋白是有其重要意义的蛋白是有其重要意义的nDNA复制时，组蛋白

7、也要成倍增加，而复制时，组蛋白也要成倍增加，而且往往在且往往在DNA合成一小段后，组蛋白马合成一小段后，组蛋白马上就要与其相结合，这要求在较短的时上就要与其相结合，这要求在较短的时间内合成大量的组蛋白，因而需要有大间内合成大量的组蛋白，因而需要有大量的组蛋白基因存在量的组蛋白基因存在高度重复序列高度重复序列high repeated sequencen高度重复序列在基因组中重复频率高，可高度重复序列在基因组中重复频率高，可达百万（达百万（106）以上，因此复性速度很快）以上，因此复性速度很快 n在基因组中所占比例随种属而异，约占在基因组中所占比例随种属而异，约占10-60，在人基因组中约占，在

8、人基因组中约占 20。高度重。高度重复顺序又按其结构特点分为三种复顺序又按其结构特点分为三种 高度重复序列高度重复序列n种类种类n反向重复序列反向重复序列 n卫星卫星DNA n较复杂的重复单位组成的重复顺序较复杂的重复单位组成的重复顺序 卫星卫星DNADNAsatellite DNAn重复顺序：由重复顺序：由2-10bp组成重复单位，重组成重复单位，重复单位成串排列而成复单位成串排列而成n由于这类序列的碱基组成不同于其他部由于这类序列的碱基组成不同于其他部份，可用等密度梯度离心法将其与主体份，可用等密度梯度离心法将其与主体DNA 分开，因而称为卫星分开，因而称为卫星DNA（或随（或随体体DNA

9、）n在人细胞组中，卫星在人细胞组中，卫星 DNA约占约占 5-6，按其浮力密度不同，人的卫星按其浮力密度不同，人的卫星DNA可分可分为为、四种四种卫星卫星DNADNAn果蝇的卫星果蝇的卫星DNA顺序已经搞清楚，可分顺序已经搞清楚，可分为三类，这三类卫星为三类，这三类卫星DNA都是由都是由7bp组组成的高度重复顺序：成的高度重复顺序：卫星卫星为：为：5 ACAACTT 3 卫星卫星为：为：5 ACAAATT 3n蟹的卫星蟹的卫星DNA为只有为只有AT两个碱基的重复两个碱基的重复顺序组成顺序组成 基因家族与假基因基因家族与假基因n真核基因组的另一特点就是存在基因家真核基因组的另一特点就是存在基因家

10、族（族（multigene family）n多基因家族是指多基因家族是指基因组中许多来源相同、结构相似、功能相关的一组基因 基因家族与假基因基因家族与假基因n基因家族大致可分为两类：基因家族大致可分为两类：n一类是：基因家族成簇地分布在某一条一类是：基因家族成簇地分布在某一条染色体上，其可同时发挥作用，合成某染色体上，其可同时发挥作用，合成某些蛋白质（如：组蛋白基因家族就成簇些蛋白质（如：组蛋白基因家族就成簇地集中在第地集中在第 7 号染色体长臂号染色体长臂 3 区区 2 带到带到 3 区区 6 带区域内）带区域内）n另一类是：一个基因家族的不同成员成另一类是：一个基因家族的不同成员成簇地分布

11、不同染色体上，这些不同成员簇地分布不同染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质（如编码一组功能上紧密相关的蛋白质（如珠蛋白基因家族）珠蛋白基因家族）_分散式基因簇分散式基因簇 基因家族与假基因基因家族与假基因n在基因家族中，某些成员并不产生有功在基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，这些基因称为能的基因产物，这些基因称为假基因假基因（pseudo gene）n假基因与有功能的基因同源，原来可能假基因与有功能的基因同源，原来可能也是有功能的基因，但由于缺失，倒位也是有功能的基因，但由于缺失，倒位或点突变等，使这一基因失去活性，成或点突变等，使这一基因失去活性，成为无功能基因为

12、无功能基因人类的 rRNA基因位于13,14,15,21和22号染色体的核仁组织区rRNA 基因通常集中成簇存在，而不是分散于基因组中，这样的区域称为rDNA区B 核苷的戊糖的C-3上果蝇的卫星DNA顺序已经搞清楚，可分为三类，这三类卫星DNA都是由7bp组成的高度重复顺序：自私DNA（selfish DNA）每个 Alu 顺序两侧为 6-20bp的正向重复顺序（侧翼重复顺序），不同的Alu成员的侧翼重复顺序也各不相同自然界游离核苷酸中的磷酸最常位于染色体的核仁组织区（nucleolus organizer region）就是rDNA区真核基因组的另一特点就是存在基因家族（multigene

13、family）C 碱基A和G配对 D 碱基之间共价结合原核生物一般也称“染色体”，但没有核小体一级结构;而且,原核细胞一般是单倍体较复杂的重复单位组成的重复顺序每个核仁组织区平均含有50个rRNA基因的重复单位在人体单倍基因组中约有1000-2000个tRNA基因，由50-60种tRNA基因编码，每种平均重复20-30次单拷贝顺序中储存了巨大的遗传信息，编码各种不同功能的蛋白质E DNA的双螺旋结构中度重复顺序在基因组中所占比例在不同种属之间差异很大，一般约占10-40，在人约为12在这些DNA序列中虽然积累了大量缺失，重复或其他突变，但对生物并没有什么影响，它们的功能似乎只是自身复制，所以人

14、们称这类DNA为自私DNA或寄生DNA（parasite DNA）。核小体是所有真核生物染色体的基本结构单位中度重复顺序Alu家族自私自私DNADNA（selfish DNAselfish DNA）n在哺乳动物包括人体基因组中，存在着大量的非在哺乳动物包括人体基因组中，存在着大量的非编码顺序。这些顺序中，只有很小一部份具有重编码顺序。这些顺序中，只有很小一部份具有重要的调节功能，绝大部部分都没有什么特殊功用。要的调节功能，绝大部部分都没有什么特殊功用。在这些在这些DNA序列中虽然积累了大量缺失，重复或序列中虽然积累了大量缺失，重复或其他突变，但对生物并没有什么影响，它们的功其他突变，但对生物并

15、没有什么影响，它们的功能似乎只是自身复制，所以人们称这类能似乎只是自身复制，所以人们称这类DNA为自为自私私DNA或寄生或寄生DNA（parasite DNA）。自私）。自私DNA也许有重要的功能，但目前我们还不了解也许有重要的功能，但目前我们还不了解染色质染色质(体体)结构结构n染色质结构：染色质结构：n一级结构：核小体（真核生物的基本单位）一级结构：核小体（真核生物的基本单位）n二级结构：螺线管二级结构：螺线管n三级结构：超螺线体三级结构：超螺线体n四级结构：染色单体四级结构：染色单体8个组蛋白组成个组蛋白组成4个异源二聚体个异源二聚体:2个个H2A-H2B二聚体二聚体;2个个H3-H4二

16、聚体二聚体H3-H4相互结合成中央形成相互结合成中央形成4聚体聚体,两个两个H2A-H2B位于位于H3-H4四聚体的外侧四聚体的外侧染色体的包装染色体的包装n二级结构：螺线二级结构：螺线体体n三级结构：超螺三级结构：超螺线体线体n四级结构：染色四级结构：染色单体单体染色体：细胞中期出现的形态n染色单体n着丝粒n端粒n染色体的高级结构对复制、转录等是否有影响？染色体处于凝集状态即异染色质（heterochromatin）状态时，转录因子不能结合，不能引发转录。只有当染色体处于松弛状态，才可能发生转录。目前认为染色体状态的改变是通过对构成染色体骨架的核心组蛋白（core histone）的修饰完成

17、的。组蛋白的修饰由多种类型，主要的有甲基化/去甲基化，乙酰化/去乙酰化等等。组蛋白的甲基化或是去乙酰化可以使组蛋白与染色体紧密结合，使转录因子无法结合而无法起始转录，反向修饰则激活转录。有些修饰是可以长期保持，比如对组蛋白上的赖氨酸的甲基化修饰，需要缓慢地替换组蛋白或是DNA复制来消除。但是染色体区域处于打开状态只是满足转录起始的基本条件，打开区域的基因是否转录还依赖于其它因素，比如启动子的甲基化状态、是否有合适的转录因子，以及其它顺式作用元件的影响。2.2 DNA的结构nDNA为什么能作为遗传物质？高度重复顺序又按其结构特点分为三种区别：细胞增殖周期的有丝分裂中期，才出现染色体；有形成Z-D

18、NA的能力目前尚不清楚单拷贝基因的确切数字，在单拷贝顺序中只有一小部份用来编码各种蛋白质，其他部份的功能尚不清楚DNA为什么能作为遗传物质？一类是：基因家族成簇地分布在某一条染色体上，其可同时发挥作用，合成某些蛋白质（如：组蛋白基因家族就成簇地集中在第 7 号染色体长臂 3 区 2 带到 3 区 6 带区域内）较复杂的重复单位组成的重复顺序D 核苷的戊糖的C-2及C-3上C 各核苷酸之间的连键性质及核苷酸的排列顺序Z-DNA对基因转录具有调控作用E 两条链的碱基之间以共价键结合tRNA基因的准确重复次数比较难以估计染色体：细胞中期出现的形态在基因组中所占比例随种属而异，约占10-60，在人基因

19、组中约占 20。1974年，Kornberg 发现核小体DNA复制时，组蛋白也要成倍增加，而且往往在DNA合成一小段后，组蛋白马上就要与其相结合，这要求在较短的时间内合成大量的组蛋白，因而需要有大量的组蛋白基因存在自私DNA（selfish DNA）另一类是：一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质（如珠蛋白基因家族）_分散式基因簇在人细胞组中，卫星 DNA约占 5-6，按其浮力密度不同，人的卫星DNA可分为、四种基因组中存在大量重复序列用以编码组蛋白是有其重要意义的1.thymine is appropriate for DNA where m

20、aintaining sequence with high fidelity is more critical(如右图）如右图）2.碱基配对中碱基配对中A=U的稳的稳定性比定性比A=T的稳定性差，的稳定性差，这样就保证了这样就保证了RNA转录转录过程中过程中RNA与与DNA的杂的杂化链不如化链不如DNA双链稳定，双链稳定，RNA转录后容易被转录后容易被DNA替代而脱落。而替代而脱落。而DNA双双链可以稳定结合链可以稳定结合3.Uracil is energetically less expensive to produce than thymine DNA的一级结构n定义：核苷酸排列顺序，或称

21、碱基排列顺序。核苷酸排列顺序，或称碱基排列顺序。n5-ATCGGCTAAGGCTCCGACGA-3n3-TAGCCGATTCCGA GGCTGCT-5n绝大多DNA分子都是两条互补的单链构成，只有少数是以单链存在Nature 原文及DNA双螺旋结构发现50周年庆典Web资源巡礼这些顺序中，只有很小一部份具有重要的调节功能，绝大部部分都没有什么特殊功用。C 碱基A和G配对 D 碱基之间共价结合原核生物一般也称“染色体”，但没有核小体一级结构;而且,原核细胞一般是单倍体（2）DNA结合蛋白：是酸性蛋白，又称序列特异性DNA结合蛋白，其功能为：DNA复制时，组蛋白也要成倍增加，而且往往在DNA合成一

22、小段后，组蛋白马上就要与其相结合，这要求在较短的时间内合成大量的组蛋白，因而需要有大量的组蛋白基因存在中度重复序列：在基因组中重复数十至数万（105）次的重复顺序不重复序列（单拷贝序列、低度重复序列）3-TAGCCGATTCCGA GGCTGCT-5不组成核小体，进化中最少保守A 是一个三链结构 B DNA双股链的走向是反向平行的Z-DNA对基因转录具有调控作用中度重复顺序Alu家族DNA为什么能作为遗传物质？2 真核细胞染色体的组成组蛋白的修饰由多种类型，主要的有甲基化/去甲基化，乙酰化/去乙酰化等等。（5）H5（鸟、鱼、两栖类无H1有H5)E DNA的双螺旋结构B 核苷的戊糖的C-3上A

23、两条多核苷酸链完全相同在人细胞组中，卫星 DNA约占 5-6，按其浮力密度不同，人的卫星DNA可分为、四种nZ-DNA对基因转录具有调控作用n调控基因转录的的两个模式：nWatson-Crick DNA分子结构模型 A 是一个三链结构 B DNA双股链的走向是反向平行的 C 碱基A和G配对 D 碱基之间共价结合 E 磷酸戊糖主链位于DNA螺旋内侧n在DNA的双螺旋模型中 A 两条多核苷酸链完全相同 B 一条链是左手螺旋,另一条链是右手螺旋 C A+G/C+T的比值为1 D A+T/G+C的比值为1 E 两条链的碱基之间以共价键结合答案：B CnDNA的一级结构是指:A 各核苷酸中核苷与磷酸的连

24、键性质 B DNA分子由数目庞大的C、A、U、G 四种核苷酸通过3,5-磷 酸二酯键连接而成 C 各核苷酸之间的连键性质及核苷酸的排列顺序 D 核糖与含氮碱基的连键性质 E DNA的双螺旋结构nDNA双螺旋的每一螺距(以B-DNA为例)为:A 4.46nm B 4.5nm C 5.4nm D 3.4nm E 0.34nm答案：C D人类的 rRNA基因位于13,14,15,21和22号染色体的核仁组织区染色体的高级结构对复制、转录等是否有影响？在人体单倍基因组中约有1000-2000个tRNA基因，由50-60种tRNA基因编码，每种平均重复20-30次基因组中存在大量重复序列用以编码组蛋白是

25、有其重要意义的（3）氨基酸分布的不对称性A 是一个三链结构 B DNA双股链的走向是反向平行的通常每种组蛋白的基因在同一种生物中拷贝数是相同的不同生物中组蛋白基因在基因组中的排列不一样（5）H5（鸟、鱼、两栖类无H1有H5)中度重复顺序在基因组中所占比例在不同种属之间差异很大，一般约占10-40，在人约为12A 是一个三链结构 B DNA双股链的走向是反向平行的蟹的卫星DNA为只有AT两个碱基的重复顺序组成每个 Alu 顺序两侧为 6-20bp的正向重复顺序（侧翼重复顺序），不同的Alu成员的侧翼重复顺序也各不相同卫星为：5 ACAAATT 3中度重复顺序Alu家族中度重复顺序Alu家族E 两条链的碱基之间以共价键结合H1-H4-H2B-H3-H2A 海胆有些修饰是可以长期保持，比如对组蛋白上的赖氨酸的甲基化修饰，需要缓慢地替换组蛋白或是DNA复制来消除。5nm C 5.n自然界游离核苷酸中的磷酸最常位于 A 核苷的戊糖的C-2上 B 核苷的戊糖的C-3上 C 核苷的戊糖的C-5上 D 核苷的戊糖的C-2及C-3上 E 核苷的戊糖的C-2及C-5上答案：C