北大基础分子生物学课件02染色体与DNA

第二讲染色体与DNACrick的中心法则（centraldogma）DNADNA1957年transcriptionRNARNAtranslationProteinProteinDNADNA1970年ReversetranscriptionProteinProteinRNARNA主要内容：1、染色体2、DNA的结构3、DNA的复制4、原核和真核生物DNA的复制特点5、DNA的修复6、DNA的转座DNAisthegeneticmaterial1.Griffith于1928年发现的“转化”现象对于认识核酸具有重要作用。1952年，Hershey和Chased的噬菌体侵染细菌的实验等证明细胞与噬菌体的遗传物质都是DNA。DNA不仅是真核生物的遗传物质，而且能够在不同物种间相互转移并保持功能活性。EukaryoticcellscanacquireanewphenotypeastheresultoftransfectionbyaddedDNA.分子生物学研究已经证实，DNA控制了生物的性状遗传。无论DNA或RNA，都是由许许多多个核苷酸连接而成的生物大分子，而每个核苷酸又由磷酸、核糖和碱基3部分组成。图2-1核苷酸的组成与结构。核苷的5’位和3’位都可能与磷酸基团相连。2.1染色体2.1.1染色体—遗传物质的主要载体染色体在遗传上起着主要作用,因为亲代能够将自己的遗传物质以染色体（chromosome）的形式传给子代，保持了物种的稳定性和连续性。Thenucleusofanondividingcell(interphase)isfilledwithadiffusematerialcalledChromatin,socalledbecauseearlymicroscopistsfoundthatitstainedbrightlywithcertaindyes.摘自:Lehninger,3rd,p35ChromatinconsistsofDNAandproteinsboundtightlytogetherandisthesubstanceofthechromosomes,whichdonotcondenseandbecomeindividuallyvisibleuntilthecellisreadytodivide.Nucleolus(核仁)isaspecificregionofthenucleusinwhichDNAislocated.Beforemitosis,thedouble-helicalDNAofthechromatinisreplicated,theninthefirstphaseofmitosisthechromatinfiberscondenseintodiscretebodies(chromosomes),eachconsistingoftwoidenticalchromatids.Inthefirstphaseofmitosisthechromatinfiberscondenseintochromosomes.Chromosomesconsistingoftwoidenticalchromatids染色体包括DNA和蛋白质两大部分。同一物种内每条染色体所带DNA的量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大，人X染色体有1.28亿个核苷酸对，而Y染色体只有0.19亿个核苷酸对。人类22对染色体及性染色体显微结构图表2-1人类基因组各条染色体中碱基对数量和推导的功能基因数量对照染色体编号长度（Mbp)估计的基因数122034532240295432002427418618615182213661722257714618318146156091131537101301653111322185染色体编号长度（Mbp)估计的基因数1213418611399103214871283158011981675142117781545187982619581675206198621334492236835X1281465Y19210总长2907391142.1.2真核细胞染色体的组成作为遗传物质，染色体具有如下特征：①分子结构相对稳定；②能够自我复制，使亲子代之间保持连续性；③能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程；④能够产生可遗传的变异。着丝粒位置英文名称形状分裂中期分裂后期中间Metacentric偏上Submetacentric靠近末端Acrocentric末端TelocentricCentromereP-armq-arm染色体的分类Theshorterarm,byconvention,isshownabovethecentromereandiscalledtheparm(petite),whilethelongerarmiscalledtheqarm.Mitoticchromosome(有丝分裂期的染色体)2.1.2.1蛋白质染色体蛋白主要分为组蛋白和非组蛋白两类。真核细胞的染色体中，DNA与组蛋白的质量比约为1：1。DNA、组蛋白和非组蛋白及部分RNA（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%）组成了染色体。组蛋白是染色体的结构蛋白，分为H1、H2A、H2B、H3及H4五种，与DNA共同组成核小体。组蛋白含有大量的赖氨酸和精氨酸，其中H3、H4富含精氨酸，H1富含赖氨酸。H2A、H2B介于两者之间。组蛋白具有如下特性：1、进化上的极端保守性。不同种生物组蛋白的氨基酸组成十分相似。牛、猪、大鼠的H4氨基酸序列完全相同，与豌豆序列相比也只有两个氨基酸的差异。2、无组织特异性只有鸟类、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。3、肽链上氨基酸分布的不对称性碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上，而大部分疏水基团都分布在C端。碱性的半条链易与DNA的负电荷区结合，而另外半条链与其他组蛋白、非组蛋白结合。4、存在较普遍的修饰作用,如甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。修饰作用只发生在细胞周期的特定时间和组蛋白的特定位点上。表2-5真核细胞染色体上的组蛋白成分分析种类相对分子质量氨基酸数目分离难易度保守性染色质中比例染色质中位置H121000223易不保守0.5接头H2A14500129较难较保守1核心H2B13800125较难较保守1核心H315300135昀难昀保守1核心H411300102昀难昀保守1核心表2-6不同组蛋白分子中所含的碱性氨基酸比较（占氨基酸总数的%）碱性氨基酸H1H2AH2BH3H4赖氨酸29.510.916.09.610.8精氨酸1.39.36.413.313.7非组蛋白约为组蛋白总量的60%～70%，可能有20～100种(常见的有15～20种),主要包括酶类、与细胞分裂有关的收缩蛋白、骨架蛋白、核孔复合物蛋白以及肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。2.1.2.2.DNA真核细胞基因组的昀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（C-valueparadox）”。所谓C值，通常是指一种生物单倍体基因组DNA的总量。各种生物细胞内DNA总量的比较同类生物不同种属之间DNA总量变化很大。从编码每类生物所需的DNA量的昀低值看，生物细胞中的C值具有从低等生物到高等生物逐渐增加的趋势。真核细胞DNA序列可被分为3类：1、不重复序列。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10%～80%。不重复序列长约750～2000bp，相当于一个结构基因的长度。蛋清蛋白、蚕的丝心蛋白、血红蛋白和珠蛋白等都是单拷贝基因。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。图2-6非洲爪蟾的rRNA基因结构示意图在动物卵细胞形成过程中，rDNA可进行几千次不同比例的复制，产生2×106个拷贝，使rDNA占卵细胞DNA的75%，从而使该细胞能积累1012个核糖体，以合成大量蛋白质供细胞分裂之需。3、高度重复序列——卫星DNA只存在于真核生物中，占基因组的10%~60%，由6~100个碱基组成，在DNA链上串联重复高达数百万次。因为卫星DNA不转录，其功能不详。它们是异染色质的成份，可能与染色体的稳定性有关。5’–ATAAACTATAAACTATAAACT–3’3’–TATTTGATATTTGATATTTGA–5’DrosophilasatelliteDNArepeat(severalmillioncopies)nACAAACT,1.1x107bp,25%genomeATAAACT,3.6x106bp,8%genomeACAAATT,3.6x106bp,8%genomeAATATAG,crypticSatellitescomprisemorethan40%ofthegenome2.1.2.3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。“Beadsonastring”structure染色质DNA的Tm值比自由DNA高，说明在染色质中DNA极可能与蛋白质分子相互作用。在染色质状态下，由DNA聚合酶和RNA聚合酶催化的DNA复制和转录活性大大低于在自由DNA中的反应。DNA酶I（DNaseI）对染色质DNA的消化远远慢于对纯DNA的作用。用小球菌核酸酶处理染色质以后进行电泳，便可以得到一系列片段，这些被保留的DNA片段均为200bp基本单位的倍数。核小体结构示意图电镜下看到的染色质结构DNA+Histoneoctamer(组蛋白八聚体)→Nucleosomecore(核小体核心146bp)+H1→Chromatosome(染色小体166bp)+linkerDNA→Nucleosome(核小体)(~200bpofDNA)Nucleosome(核小体)是染色质的基本结构单位，由~200bpDNA和组蛋白八聚体组成Histoneoctamer(组蛋白八聚体)TopviewSideviewNucleosomecore核小体单元的产生核小体由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而每个核小体只有一个H1，分布在核小体的外面。核心颗粒包括组蛋白八聚体及与其结合的146bpDNA，该序列绕在八聚体外面1.75圈，每圈约80bp。由许多核小体构成了连续的染色质DNA细丝。FromDNAtochromosomeShortregionofDNAdoublehelix“Beadsonastring”formofChormatin30-nmchromatinfiberofpackednucleosomesSectionofchromosomeinanextendedformCondensedsectionofMetaphasechromosomeEntiremetaphasechromosome两段各含10个螺旋的染色质一个螺旋中包含30个莲座状结构每个莲座状结构中都有6个环状DNA每个环状结构中含有75000bp30nm结构：Solenoid(螺线管)染色体DNA的念珠状结构双链DNA染色体DNA结构示意图在核小体中，DNA盘绕组蛋白八聚体核心，使分子收缩1/7。人中期染色体中含6.2×109碱基对，其理论长度应是200cm，这么长的DNA被包装在46个5μm长的圆柱体（染色体）中，其压缩比约为104。分裂间期染色质比较松散，压缩比大约是102～103。染色体形成过程中长度与宽度的变化宽度增加长度压缩500-1000倍8400倍(8000-10000)第一级DNA+组蛋白ÍÎ核小体5倍7倍第二级核小体ÍÎ螺线管3倍6倍第三级螺线体ÍÎ超螺旋13倍40倍第四级超螺线体ÍÎ染色体2.5-5倍5倍2.1.3原核生物基因组原核生物的基因组很小