现代分子生物学课件-第二章

第二章染色体和DNA2.1染色体2.2DNA的结构2.3DNA的复制2.4原核生物和真核生物DNA复制的特点2.5DNA的修复2.6DNA的转座2.7SNP的理论与应用染色体概述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。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。染色体的结构表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290739114第一节原核与真核生物的染色体结构原核细胞染色体结构原核细胞基因组真核细胞染色体的组成真核细胞基因组原核生物染色体结构大肠杆菌染色体是Escherich在1885年发现的，在相当长的一段时间内，一直被当作正常肠道菌群的组成部分，认为是非致病菌。直到20世纪中叶，才认识到一些特殊血清型的大肠杆菌对人和动物有病原性，尤其对婴儿和幼畜（禽），常引起严重腹泻和败血症，它是一种普通的原核生物。原核生物基因组原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少，如大肠杆菌DNA的相对分子质量仅为4.6×106bp，其完全伸展总长约为1.3mm，含4000多个基因。原核生物基因主要是单拷贝基因，只有很少数基因〔如rRNA基因〕以多拷贝形式存在；整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。1、结构简炼原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有很小一部分控制基因表达的序列不转录。如在ΦX174中不转录部分只占4%左右（217/5386),T4DNA中占5.1%（282/5577)。2、存在转录单元原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成转录单元并转录产生含多个mRNA的分子，称为多顺反子mRNA。3、一些细菌和动物病毒存在重叠基因，同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。Weiner和Weber在研究一种大肠杆菌RNA病毒时发现，有两个基因从同一起点开始翻译，一个在400bp处结束，而在3%的情况下，翻译可一直进行下去直到800bp处碰到双重终止信号时才停止。ΦX174感染寄主后共合成9个蛋白质，相对分子质量约2.5×105，相当于6078个核苷酸，而病毒DNA本身只有5375个核苷酸。Sanger在弄清ΦX174DNA的全部核苷酸序列及各个基因的起迄位置和密码数目以后发现，9个基因中有些是重叠的。其主要有以下三种情况（1）一个基因完全在另一个基因里面（2）部分重叠（3）两个基因只有一个碱基对重叠φX174基因重叠真核生物染色体结构要点：染色质、核小体、组蛋白、非组蛋白、端粒、常染色质和异染色质、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。染色体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。通常用2mol/LNaCl或0.25mol/L的HCl/H2SO4处理染色质使组蛋白与DNA分开。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最难最保守1核心H411300102最难最保守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。1、HMG蛋白(highmobilitygroupprotein)。这是一类能用低盐（0.35mol/LNaCl）溶液抽提、能溶于2%的三氯乙酸、相对分子质量都在3.0×104以下的非组蛋白，可能与DNA超螺旋结构有关。2、DNA结合蛋白用2mol/LNaCl除去全部组蛋白和70%的非组蛋白后，还有一部分非组蛋白紧紧地与DNA结合在一起，只有用2mol/LNaCl和5mol/L尿素才能把这些蛋白解离。可能是一些与DNA的复制或转录有关的酶或调节物质真核生物基因组要点：非编码DNA、复性动力学、不重复序列、中度重复序列(分散重复DNA、串联基因簇）、高度重复序列（卫星DNA）、遗传多态性。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，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。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。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基因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。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。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。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。核小体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。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。第二节DNA的结构和功能DNA的一级结构DNA的二级结构DNA的高级结构DNA的结构要点：DNA/RNA序列、DNA双螺旋、A、B、Z型螺旋、闭环DNA、超螺旋、拓扑异构体、拓扑异构酶。DNA的一级结构DNA的一级结构是指4种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该DNA分子的化学构成。DNA的二级结构DNA不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的高级结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在。DNA二级结构的基本特点是：1、DNA是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。2、DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。3、两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对。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。通常情况下，DNA的二级结构分两大类：一类是右手螺旋，如A-DNA和B-DNA；另一类是左手螺旋，即Z-DNA。DNA二级结构中左手螺旋——Z-DNA的研究B-DNA是最常见的DNA构象，A-DNA和Z-DNA可能具有不同的生物活性。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。超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类，它们在特殊情况下可以相互转变，如：拓扑异构酶拓扑异构酶溴乙锭溴乙锭负超螺旋松驰DNA正超螺旋研究细菌质粒DNA时发现，天然状态下该DNA以负超螺旋为主，稍被破坏即出现开环结构，两条链均断开则呈线性结构。在电场作用下，相同分子质量的超螺旋DNA比线性DNA迁移率大，线性DNA又比开环的DNA迁移率大，以此可判断质粒结构是否被破坏。谢谢大家2、滚环型（rollingcircle）ΦX174的双链环状DNA就是以这种方式复制的。DNA的合成始于对正链原点的专一性切割，所形成的自由5'端被从双链环中置换出来并为单链DNA结合蛋白所覆盖，使其3'—OH端在DNA聚合酶的作用下不断延伸。3、D-环型（D-loop）这也是一种单向复制的特殊方式。这种方式首先在动物线粒体DNA的复制中被发现。双链环在固定点解开进行复制。但两条链的合成是高度不对称的，一条链上迅速合成出互补链，另一条链则成为游离的单链环（即D-环）。实验结果表明，无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的。复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。原核和真核生物DNA的复制特点原核生物DNA的复制特点大肠杆菌基因组以双链环状DNA分子的形式存在，其DNA复制的中间产物可形成一个θ，复制从定点开始双向等速进行，复制起始区位于其遗传图的84min附近。复制起始后，两个复制叉在距起始点180°处会合。复制叉的形成过程是个有多种蛋白质及酶参与的复杂过程。已经发现一些酶和蛋白质能使DNA双链变得易于解开，或者可以使超螺旋分子松弛。(1)单链结合蛋白（SSB蛋白）T4噬菌体的32kDa蛋白可以结合单链DNA，它还能使双