第二章DNA和染色体.

生物技术系1第二章DNA和染色体第一节概述一个真核细胞所含DNA的总长度可达2米；而细胞核的直径却仅为6um。如果要把这些DNA都包裹在细胞核内，就相当于要将40公里长的细线塞到一个网球里。19世纪中叶，发现染色体。当细胞分裂时，每一条染色体都复制生成一条与母链完全一样的子链，形成同源染色体对。原核生物DNA一般位于类核体上。细菌DNA是一条共价、闭合双链分子，通常也称为染色体。大肠杆菌一般情况下含有一条染色体。原核细胞都是单倍的。（一）原核细胞(prokaryoticcell)1．细胞组成：细胞壁(cellwall)：肽萄聚糖(cytolasma)细胞膜(plasmamembrane)：磷脂双分子层和蛋白质细胞质(cytoplasma)：没有分隔拟核(nucleoid):遗传物质聚集形2．原核生物：各种细菌、蓝藻等低等生物由原核细胞构成，统称为原核生物（prokaryote）。一、细胞的一般结构特点:比较小结构较简单（二）真核细胞细胞壁内质网质膜(细胞膜)线粒体叶绿体膜相结构液泡生物细胞细胞质溶酶体高尔基体核糖体非膜相结构原生质中心体核膜膜相结构细胞核染色质非膜相结构核仁真核细胞(与原核细胞相比)细胞核结构(最根本区别)具有核膜包被的细胞核、具有核仁；遗传物质以染色体结构存在、活动。其它区别细胞体积更大、结构和功能更复杂；具有多种膜相(membranous)和非膜相(non-membranous)结构的细胞器(organelle)1.细胞壁(cellwall)植物细胞细胞壁及穿壁胞间连丝(plasmodesma)对细胞的形态和结构起支撑和保护作用纤维素、半纤维素、果胶质使植物遗传研究、操作更困难尤其在细胞、亚细胞、分子水平细胞壁的去除2.细胞膜(plasmamembrane/plasmalemmaplasmalemma)组成磷脂双分子层＋蛋白质(表面、横跨、镶嵌)内膜折叠形成内质网细胞内其它膜相结构具有相似的被膜膜结构的基本功能选择透过性(房室化)、提供生理生化反应场所、信息传递、能量转换、代谢调控、细胞识别、癌变等3.细胞质(cytoplasm)构成成分基质：蛋白质、脂肪、游离氨基酸和电解质细胞器：线粒体(mitochondria)、质体(plastid)、核糖体(ribosome)、高尔基体(golgibody)等本学科中要强调的细胞器核糖体：蛋白质和rRNA，蛋白质合成、遗传信息表达4.细胞核(nucleus)形状、大小(因生物、组织而异)一般为圆球形；植物细胞核一般为525mm(1600mm)功能遗传物质集聚的主要场所，控制细胞发育和性状遗传结构核膜、核液、核仁染色质和染色体核膜、核液、核仁(补充)核膜(nuclearmembrane)双层膜、分隔核－质核孔：4070nm，选择性交换大分子核液(nuclearsap)也称为核浆、核内基质充满核内的液体状物质核仁(nucleolus)球形、外无被膜、一个或几个蛋白质、RNA，少量类脂和DNA核糖体、核内蛋白质合成有关生物技术系14第二节从DNA到染色体的组装一、染色质与染色体的概念1、染色体(chromosome)：是染色质在细胞分裂过程中经过紧密缠绕、折叠、凝缩、精巧包装而成的，是具有固定形态的遗传物质存在形式。2、染色质(chromatin)：是存在于真核生物间期细胞核内，易被碱性染料着色的一种无定形物质。所以说：染色质和染色体实际上是同一物质在细胞分裂过程中所表现的不同形态。二、染色质(chromatin)的组成组成：是以完整的双链DNA分子为骨架，组蛋白(histone)和非组蛋白及少量的RNA组成的稳定成分。根据其染色反应及染色程度的不同可分为：常染色质（euchromatin）：异染色质：(heterochromatin)组成性异染色质（constitutiveheterochromatin）兼性异染色质（facultativeheterochromatin）性质染色质的状态1、常染色质（euchromatin）：特点：①是构成染色体DNA的主体，染色较浅，而着色均匀；②在细胞分裂间期呈高度分散状态，伸展、折叠疏松；③在细胞分裂中期，常染色质螺旋化程度极高，染色较深。2、组成性异染色质（constitutiveheterochromatin）：特点：a.就是通常所指的异染色质；b.它是一种永久性异染色质，在染色体上的位置和大小都较恒定；c.大多数生物的异染色质集中分布于染色体的着丝粒周围。只与染色体结构有关，一般无功能表达。主要是卫星DNA。d.在间期，仍保持螺旋化状态，染色很深，因而可在光学显微镜下鉴别；e.与常染色质相比，异染色质有较高比例的G、C碱基，其DNA序列有高度重复性；3、兼性异染色质（fcultativeheterchromatin）:又称x性染色质。其特点如下：a.它起源于常染色质，具有常染色质的全部特点和功能，其复制时间、染色特征与常染色质相同；可存在于染色体的任何部位；b.特殊情况下：在个体发育的特定阶段，它可以转变成异染色质，就具有了异染色质的属性，如异固缩、迟复制、原有基因失活。着丝粒组成：被一团异染色质包裹功能：此处的DNA可在每次细胞分裂时介导每条染色体向子细胞移动。例如：果蝇和人类着丝粒的DNA序列就长达100000bp，它们大多是一些重复序列，这些重复序列在人类的着丝粒中称为α卫星DNA。着丝粒旁还有一个称为动粒的结构。动粒动粒：由蛋白质构成的内板和外板组成，在有丝分裂是它可介导纺锤丝牵动染色体，因此称为--。着丝粒的形成取决于动粒，即只有动粒形成了，α卫星DNA就会在其附近组装成着丝粒。端粒将染色体端粒处的染色质组装成异染色质的作用：在端粒处形成异染色质，负责修复染色体的细胞机器就不会将其误认为是外来的或破碎的染色体而将其降解，从而起到保护染色体的作用；可以有效的调整端粒的长度，在需要的时候打开或关闭某些基因；在有丝分裂过程中，端粒异染色质的存在将有利于染色体的精确配对与分离。三、从DNA到30nm染色质纤维的组装（1）核小体(nucleosome)1974年，Kornberg发现核小体。核小体是所有真核生物染色体的基本结构单位。小球菌核酸酶处理后凝胶电泳电镜观察从DNA到染色体不论是形态还是长度都相差很大现象一人类最长的一个染色体全长仅10mm，但其DNA却长达7.2cm；一个细胞核直径仅5mm现象二在这样一个小小的空间中却要纳下全长近200cm的DNA现象三经过20年的努力，最终提出了为大多数能接受的模型¾侧环模型。富含赖氨酸和精氨酸进化上的极端保守性无组织特异性氨基酸分布的不对称性核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2AH2BH3H4H2A、H2B、H3和H4各两分子组成组蛋白八聚体，构成核心组蛋白双螺旋DNA(146bp)以左手超螺旋的方式绕核心颗粒1.75圈，缠绕在核心组蛋白表面，构成核心颗粒两端各有11bp与H1结合，形成完整的核小体连接区DNA（平均55bp）将相邻的核小体连接核小体的组装30nm染色体螺旋管的模型(引自Griffithsetal1999)（3）扭曲成突环（Loop）附着在非组蛋白组成的支架（scaffold），约含75kbDNA。DNA核小体螺线管超螺线管染色单体压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍共计压缩8400倍核小体在DNA上的定位：理论上几乎所有的DNA都可以与组蛋白装成核小体，但在细胞中核小体之间的距离是不规则的，究竟在哪段DNA上形成核小体？DNA双螺旋盘绕组蛋白八聚体是需要压缩双螺旋中的小沟。∵富含AT的小沟比富含GC的小沟更容易压缩∴DNA与组蛋白八聚体结合时，通常倾向于将尽量多的富含AT的小沟折叠，因此，富含AT短序列的DNA更容易与组蛋白缠绕形成核小体。核小体在DNA上的定位：与DNA紧密结合的蛋白质（可能更重要）。∵有些DNA上的结合蛋白有利于在其所在的位置形成一个核小体，有的则可能由于空间的位阻效应形成障碍，迫使核小体只能在它们的附近形成。总之，核小体在DNA上的定位是动态的，当细胞需要可迅速发生改变。影响核小体到染色体包装的因素：H1组蛋白：H1比组成核小体核心的几种组蛋白大，其保守性相对较差，在进化过程中，真核生物产生了许多种结构相近的H1，但它们的氨基酸序列却很不相同，一个H1和一个核小体结合，它与核小体中其他的组蛋白都有所接触。H1可以改变伸出核小体的DNA方向。从核小体核心伸出的组蛋白也很可能影响串珠状核小体到染色体的包装。四、染色体涂色技术和染色体显带技术除生殖细胞以及一些完全丢失了DNA的特殊细胞（如红细胞）外，每个人类细胞都含有两套染色体，一套来自母本，一套来自父本，这两套染色体中有22对染色体的大小、结构、形态都很相似，称为同源染色体。此外，还有1对非同源的性染色体即它们的大小、形态和结构都不相同。男的性染色体是X与Y，女的是两条X。它们都可利用DNA分子杂交技术使其“涂上”不同的颜色。涂色技术选细胞分裂中期分裂相好的片子；在保证染色体不断裂的基础上，将染色体DNA进行变性处理；用荧光染料将整个基因组中每条染色体的DNA着色，根据碱基互补配对的原理，将这些经过标记的总DNA和将要检测的染色体放在一起培养，进行显微观察。染色体显带技术（1）概念：将中期染色体标本经过酸、碱、盐、酶等化学因素或物理因素处理，使染色体上出现带纹，叫—。进行染色的染色体往往选自有丝分裂的早期，此时染色体尚未完全浓缩，因而条带较多。（2）类型：两大类：荧光分带和Giemsa分带。荧光分带—Q带；Giemsa—G、R、C、N、T带。①Q带：它是最早应用的。它是以荧光染料喹吖因（quinacrine）染色，故以Q命名。所染标本在荧光显微镜下呈现强弱不同的荧光光纹，它对Y染色体的鉴别有特殊的价值。②C带：它最初是着丝粒显带的简称，后来定为结构异染色质的显带方法。它是采用吉姆萨（Giemsa）混合染料进行染色，一般深染于着丝粒附近和次缢痕处。人类的第1、9和16号染色体尤为明显。③G带：经酶解（胰酶处理）染色体标本，用吉姆萨（Giemsa）染色，常规制片得到的染色体标本。人类G带，标准带型320条。④R带：它显示的带纹与Q带、G带正好相反，故称反带（reverseband）。在Q带、G带的深染区，R带为浅染，反之亦然。人类显带染色体模式图（3）表示：用4个号，染色体号、臂号[p-短臂（来源于法语petite），q-长臂]、区号、带号。如9P34表示第9号染色体、短臂、3区、第4条带纹。（4）高分辨率带：有550、850、1000条带3个标准级别。人类染色体R带带型分析核型分析(analysisofkaryotype)也称染色体组型分析(genomeanalysis)一个物种细胞内全部遗传物质(染色体/基因)总和.通过染色体制片、(光学)显微观察，分析细胞核内染色体数目，根据染色体长度、着丝点位置、长短臂比、随体有无等特点进行编号。目的区分、识别物种染色体；在染色体水平研究物种的遗传组成。中期染体模式图人类三种染色体：中（a）、亚中（b）、近端（c）着丝粒染色体1.0-1.71.7-3.03.0-7.0pq人类染色体组型分析核型记录的标准格式是：2n总数，性染色体组成。例如：正常女性的核型是46，XX；正常男性的核型是46，XY。出现染色体数目畸变的核型例如：45，XX，-C；48，XXY，+G。以人类22号染色体为例：它的基因测序于1999年完成，它含有48×106对核苷酸，约占整个基因组的1.5%。它的短臂几乎全由重复序列组成，这些短重复序列被包装成特别致密的染色质，即异染色质。人类基因组的特点：1）编码蛋白或RNA得序列占总基因组的比例非常小，仅为百分之几。2）基因很大，平均的基因大小为27000bp.3）绝大多数的人类基因都是有外显子与内含子相互交替排列