第二章_染色体与DNA

2019/12/191第二章染色体与DNA第一节染色体第二节DNA的结构第三节DNA的复制第四节DNA的修复第五节DNA的转座2019/12/192一、染色体的概述染色体（chromosome）：是指存在于细胞核中的棒状可染色结构，由染色质（chromatin）构成。染色质是由DNA、RNA和蛋白质形成的复合体。染色体是一种动态结构，在细胞周期的不同阶段明显不同。染色体是遗传物质的主要载体亲子代传递量的恒定第一节染色体2019/12/193不同物种染色体数目存在较大差别，同一物种内每条染色体所带的DNA量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大。如人的X染色体带有1.28亿个核苷酸对，而Y染色体只带有0.19亿个核苷酸对。2019/12/194真核生物染色体1、真核细胞结构2、染色体概况DNA:27%，蛋白质:66%，RNA:～6%每条染色体只有一个DNA分子2019/12/195非分裂期的染色质在电子显微镜下呈纤维串珠状的长丝一般说来，染色体只有在细胞有丝分裂过程中，才可在光学显微镜下观察到。2019/12/196真核细胞染色体的特征：染色体位于细胞核的核仁内。在细胞分裂间期，染色体以较细且松散的染色质形式存在，只有在细胞分裂期，才可在光学显微镜下观察到棒状可染色的染色体。在染色体中，DNA与组蛋白和非组蛋白完全融合在一起。2019/12/197细菌染色体组织没有明显的核区域，细菌基因组仍然是高度致密的。E.coli溶解时，DNA形成大量环形（loops）结构。在活体细胞中，DNA则以高度致密的状态与蛋白质结合。2019/12/198原核细胞染色体的特征:染色体位于类似“核”的结构—类核体上；染色体外包裹着稀疏的非组蛋白，不含组蛋白；原核生物中一般只有一条染色体，且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因（如rRNA基因)是以多拷贝形式存在的；整个染色体几乎完全由功能基因和调控序列所组成。2019/12/199二、真核细胞染色体的组成染色体的特征：（1）分子结构相对稳定；（2）能够自我复制，使亲子代间保持连续性；（3）能够指导蛋白质合成，控制整个生命过程；（4）能够产生可遗传的变异。2019/12/1910组蛋白残基数分子量（kD）%精%赖种类H121523.0129连接蛋白H2A12914.0911核心蛋白H2B12513.8616核心蛋白H313515.31310核心蛋白H410211.31411核心蛋白染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体，是一类小的碱性蛋白。1、蛋白质2019/12/1911组蛋白的特征：1、进化上的极端保守（如H3、H4）；2、无组织特异性；3、肽链上氨基酸分布的不对称性（赖氨酸、精氨酸含量丰富）；4、组蛋白的修饰作用（甲基化、乙酰化、磷酸化）；5、富含赖氨酸的组蛋白H5（H5的磷酸化可能在染色质的失活过程中起重要作用）。2019/12/1912非组蛋白包括酶类及细胞分裂有关的一些蛋白。它们可能与DNA的结构、复制及转录等有关。非组蛋白主要包括：1、HMG蛋白（highmobilitygroupprotein)，可能与超螺旋结构有关；2、DNA结合蛋白：可能是一些与DNA的复制或转录的关的酶或调节物；3、A24非组蛋白，肝脏中特有的一组蛋白，与H2A及泛素结构相似，功能不详。2019/12/1913各种生物细胞内DNA总量的比较2、DNA同类生物不同种属间DNA总量变化很大。从编码每类生物所需DNA量的最低值看，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。2019/12/1914开花植物鸟类哺乳动物爬行动物两栖类硬骨鱼软骨鱼棘皮动物甲壳类昆虫软体动物线虫霉菌藻类真菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌支原体各物种基因组大小比较C-值（C-value）:一种生物单倍体基因组DNA的总量。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，基因组大小与机体的遗传复杂性缺乏相关性，这就是所谓的C-值矛盾（C-valueparadox）。2019/12/1915（1）、不重复序列：在单倍体基因组中只有一个或几个拷贝的DNA序列。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝。（2）、中度重复序列:每个基因组中10～104个拷贝。平均长度为300bp，一般是不编码序列，广泛散布在非重复序列之间。可能在基因调控中起重要作用。常有数千个类似序列，各重复数百次，构成一个序列家族。大多数高等真核生物的基因组都有10%~40%的中度重复序列。真核细胞DNA的种类:2019/12/1916(3)、高度重复序列——卫星DNA（satelliteDNA）只存在于真核生物中，占基因组的10%~60%，由6~10个碱基组成。卫星DNA均位于染色体的着丝粒。2019/12/19173、染色质和核小体染色质：是由许多核小体连成的念珠状结构。实验证据：1）染色质中，H2A、H2B、H3、H4的数量大致相等，而H1的数量不超过它们的一半；2）组蛋白组成直径约10nm的颗粒，由裸露的DNA连接；3）DNA位于核小体的外侧；染色质小球菌核酸酶处理染色质2019/12/19184）用小球菌核酸酶处理染色质，得到的DNA片段为200bp的整数倍；5）将组蛋白加入SV40的DNA中，可在体外形成染色质样纤维。其中与一个核小体结合的DNA很接近200bp；缺少H2A、H2B、H3、H4中任何一种都不能形成核小体，H1则不是必需的。2019/12/1919核小体是组成染色质的重复单位，每个核小体由约200（160～250）bp的DNA，和H2A、H2B、H3、H4各2个，以及一个H1组成。核小体中组蛋白聚合体组成2019/12/19201）核心颗粒结构：单个核小体继续消化可以把DNA进一步剪短，释放出H1；剩余的颗粒称为核心颗粒，由H2A、H2B、H3、H4组成；结合在核心颗粒而不被降解的DNA称为核心DNA（coreDNA）；重复单位中除核心DNA以外的其它DNA称为连接DNA（linkerDNA）。双折叠对称盘形，高6nm，直径11nm;由(H3)2(H4)2四聚体构成组蛋白八聚体核心，顶部和底部各有一H2A.H2B二聚体;2019/12/1921小球菌核酸酶对染色质的持续作用产生各种不同结果2019/12/19222）组蛋白H1H1由两部分组成，一部分是保守的核心，一部分是可变的延伸出去的N端和C端臂。DNA进入和离开组蛋白聚合体的位置十分接近，这由进出两端与H1结合形成。如没有H1，则DNA进入和离开核心颗粒的位置是随机的。2019/12/1923由核小体串联形成的10nm纤丝30nm纤丝3）、染色质的存在形式：2019/12/192430nm纤丝由10nm纤维卷曲绕成圆筒形线圈，每圈约6个核小体，螺距11nm（核小体直径）。这一结构需要H1稳定。30nm纤丝的包装比为40。2019/12/1925DNA和组蛋白构成核小体，核小体再绕成一个中空的螺线管状结构，这种螺线管状结构（有的部分就是珠状核小体结构）就成为染色质丝。染色质丝再与许多非组蛋白结合形成染色体结构。染色体的包装过程DNA核小体7倍30nm纤丝6倍67nm10nm每圈6个核小体中期染色质40倍5倍染色体单体200bpDNA2019/12/1926真核生物基因组的结构特点：1、基因组庞大；2、大量重复序列的存在；3、大部分序列为非编码序列；4、转录产物为单顺反子；5、真核基因是断裂基因；6、真核基因存在大量的顺式作用元件；7、DNA存在多态性；8、具有端粒结构。2019/12/1927DNA多态性：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(singlenucleotidepolymorphism,SNP)和串联重复序列多态性(tandemrepeatspolymorphism)两类。2019/12/1928三、原核生物基因组及其特点1、原核生物的遗传物质原核生物的遗传物质只以裸露的核酸分子存在，且与少量的非组蛋白结合，但不形成染色体结构，习惯上把原核生物的核酸分子也称为染色体。2019/12/19292、原核生物基因组的特点（1）结构简练其DNA分子绝大多数用于编码蛋白质，不翻译的序列只占4%，并且编码序列是连续的；（2）存在转录单元功能上密切相关的基因构成操纵子或高度集中，并且可被一起转录；（3）重叠基因和基因内基因即同一段DNA序列能携带两种不同蛋白质的遗传信息。2019/12/1930小结一、染色体染色体的概念真核、原核染色体的特征2019/12/1931二、真核细胞染色体的组成蛋白质组蛋白种类、特性非组蛋白DNAC值C值矛盾DNA的种类不重复序列中度重复序列高度重复序列染色质和核小体核小体的概念染色体的包装三、真核生物、原核生物基因组结构的特点2019/12/1932核苷酸结构第二节DNA的结构2019/12/19331、DNA的一级结构：是指4种核苷酸的排列顺序，表示了该DNA分子的化学组成。由于4种核苷酸的差异仅是碱基的不同，因此又是指碱基的排列顺序。基本特点：（1）由两条互相平行的脱氧核苷酸链盘绕而成；（2）两条主链的脱氧核糖和磷酸由3’,5’磷酸二酯键交互连接而成，排在外侧，构成基本骨架；碱基位于内侧；（3）两条链上的碱基通过氢键结合，碱基必须以A-T、C-G配对形成碱基对；2019/12/1934直径：2.0nm；螺距：3.4nm；每匝10bp/10.5bp；大沟含较多信息，为复制，转录部位；小沟具一定调节功能。2、DNA的二级结构：是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。2019/12/1935DNA的二级结构右手螺旋左手螺旋A-DNAB-DNAZ-DNA2019/12/1936DNA双螺旋结构的多态性2019/12/1937B-DNA（含水量92%）脱水后变形为A-DNA（含水75%），相邻磷酸间距缩小，每匝增为11bp。总体变得宽而短；大沟变细、加深；小沟变得宽而浅。A-DNA通常DNA在细胞中以B-DNA形式存在，但可能发生改变；DNA-RNA杂交分子呈A型。2019/12/1938Z-DNA与B-DNA的比较最大区别：Z-DNA为左旋！由部分碱基平面反转所致。螺距4.5nm，每对碱基上升0.37nm，每匝12bp。主链变的不平滑，从之字形。Z-DNAZ-DNA在邻近调控系统，抑制转录；在远离调控区，激活转录的起始。所以，Z-DNA可能与基因的调控有关。2019/12/1939A—DNAB—DNAZ—DNA螺旋方向右右左每匝碱基数111012每碱基对上升距离0.26nm0.34nm0.37nm螺距2.8nm3.4nm4.5nm每碱基对在螺旋中旋转角度3336-60总尺寸短而宽较长而细长而细大沟细而深宽而中等深平伏于螺旋表面小沟宽而浅窄而中等深很窄很深三种DNA结构特性比较2019/12/19403、DNA的高级结构DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。1965年首次发现绝大多数的原核生物DNA为共价闭合环状DNA（covalentlyclosedcircle，cccDNA），经进一步螺旋化，成为超螺旋结构。之后发现，几乎所有的DNA分子，包括线形分子，具超螺旋结构。2019/12/1941L=T+WL(linkingnumber，连接数)：一股链绕另一股链盘绕的次数。在闭合分子双链的共价键不发生断裂时保持不变，为分子的拓扑学常数。T(twistingnumber，盘绕数)：代表一股链绕旋转轴所做的完整的旋转数。即DNA双螺旋的匝数，等于碱基数÷每匝碱基数。W(writhingnumber，超盘绕数)：代表双螺旋轴在空间上的转动数。即直观上的超螺旋数。分子内发生扭转时，张力导致超螺旋形成。超螺旋的形成原因2019/12/1942正超螺旋（positivesupercoil）：由于双链紧缠而引起的超螺旋。负超螺旋（negaivesupercoil）：由于双链松缠而引起的