染色体与DNA

第二章染色体与DNA主要内容◆染色体◆DNA结构◆DNA复制◆原核生物和真核生物DNA复制的特点◆DNA修复◆DNA转座2.1染色体2.1.1原核生物染色体：类核体◆原核生物DNA主要特征：﹡一条染色体，大多为单拷贝基因﹡整个染色体DNA基因几乎全部由功能基因与调控序列组成﹡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关系2.1.2真核生物染色体组成：蛋白质+DNA（2︰1）1.蛋白质：组蛋白和非组蛋白1）组蛋白：组蛋白+DNA=核小体根据凝胶电泳性质分：H1：富含LysH2AH2BH3：富含ArgH4：富含Arg介于H3和H4之间组蛋白的特性：★进化上的极端保守不同种生物组蛋白的AA组成十分相似特别是H3、H4（对稳定染色体结构起重要作用）H1变化大★无组织特异性但鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5★肽链上AA分布的不对称性碱性AA集中分布在N端的半条链上（易于DNA结合）另外半条链与其它组蛋白、非组蛋白结合★组蛋白的修饰作用包括甲基化、乙基化、磷酸化、ADP核糖基化等★富含Lys的组蛋白H52）非组蛋白占组蛋白总量的60-70%，种类多，包括RNA聚合酶及与细胞分裂有关的蛋白质等，他们也可能是染色体的结构成分★高速泳动蛋白（highmobilitygroupprotein,HMG蛋白）分子量小，在凝胶电泳中迁移速度快；可与DNA结合（不牢固）、能与H1作用；可能与DNA解旋有关。★DNA结合蛋白分子量较低，占非组蛋白的20%，染色质的8%。是与DNA复制或转录有关的酶或蛋白质★A24非组蛋白溶解性与组蛋白相似功能不祥2.真核生物基因组DNA许多DNA序列不编码蛋白质！★C值反常现象（C-valueparados）C值与种系进化的复杂程度不一致，某些低等生物具有较大的C值。1）与预期相比，C值明显扩大某些两栖动物的C值比哺乳动物大2）同一物种，C值相差过大两栖动物的C值可相差100倍★C值（Cvalue）一种生物单倍体基因组DNA的总量C值一般随生物进化而增加真核DNA序列分3类：1）不重复序列只有一个或几个拷贝，占DNA总量40%-80%如卵清蛋白、蚕的丝心蛋白、血红蛋白、珠蛋白2）中度重复序列重复次数在10-104，占总DNA10%-40%如非洲爪蟾的18S、5.8S及28SrRNA基因及间隔区组成的单位在DNA链上串联重复约5000次3）高度重复序列——卫星DNA★只存在真核生物，占基因组的10%-60%★由6-100bp组成，重复成千上万次3.染色质和核小体★组蛋白八聚体（Histoneoctamer）H2A与H2B、H3与H4的亲和力强，通过C端的疏水氨基酸结合组蛋白与DNA的结合*染色体结构的第一个层次，构成染色质的基本结构单位1）核小体*146bpDNA＋组蛋白八聚体→核小体的核心颗粒直径约10nm微球菌酶处理所得核小体DNA长度的变化200bpDNA完全舒展时长约68nm(?)染色体形成过程中长度与宽度的变化过程成分名称宽度增加长度压缩第一级DNA+组蛋白核小体5倍7倍第二级核小体螺线管3倍6倍第三级螺线管超螺旋13倍40倍第四级超螺旋染色体2.5-5倍5倍合计500-1000倍8400倍（8000-100000）★人类的染色体DNA长度：1.5cm染色体长度：2μm压缩比：8000真核生物基因组结构特点1）基因组庞大2）存在大量的重复序列3）大部分为非编码序列，占整个基因组序列的90%以上4）转录产物为单顺子5）断裂基因，有内含子结构6）存在大量的顺式作用元件（启动子、增强子、沉默子等）7）存在大量的DNA多态性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8）具有端粒结构18种北方粳稻品种的RAPD电泳图16种河南省水稻中晚粳新品系SRAP电泳图2.1.3原核生物基因组特点1.结构简练：绝大部分DNA用来编码蛋白质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，形成功能单位或转录单元，被一起转录为含多个mRNA的分子，称为多顺反子3.有重叠基因★一个基因完全在另一个基因里面★部分重叠★两个基因只有一个碱基对是重叠的2.2DNA的结构★一级结构★二级结构★高级结构2.2.1DNA的一级结构(核苷酸的连接及排列顺序)1、多聚核苷酸链主链是核糖和磷酸侧链为碱基由3’,5’磷酸二酯键连接2、链的方向：同一个磷酸基的3’酯键到5’酯键的方向(5’→3’)5’-UCAGGCUA-3’=UCAGGCUA默认书写顺序5’→3’2.2.2DNA的二级结构★两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构1953Watson&Crick右手B-DNADoublehelixModel*双螺旋模型参数·直径2nm·螺距为3.4nm（任一条链绕轴一周所升降的距离）·每圈有10个核苷酸（10bp）（碱基）·两个碱基之间的垂直距离是0.34nm。螺旋转角是36°·有大沟和小沟配对碱基并不充满双螺旋空间，且碱基对占据的空间不对称ABZ□Z-DNA是右手螺旋结构模型的补充和发展□Z-DNA调控基因转录的两个模式DNA的双螺旋结构的意义该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。2.2.3高级结构★指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构★主要形式：超螺旋（正超螺旋和负超螺旋）负超螺旋---------→松弛DNA---------→正超螺旋★双螺旋松开导致负超螺旋，拧紧导致正超螺旋拓扑异构酶拓扑异构酶溴乙啶溴乙啶B-DNA紧缠overwinding(左旋)导致左手超螺旋以一根绳子做实验：原来的绳子的两股以右旋方向缠绕；在绳子的一端向紧缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个左旋的超螺旋以解除外加捻转的协变正超螺旋（positivesupercoiled）B-DNA松缠unwinding(右旋)导致右手超螺旋在绳子的一端向松缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个右旋的超螺旋以解除外加捻转的协变负超螺旋（NegativeSupercoiled）超螺旋的形成总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展所有生物的DNA几乎有5%为NegativeSuperhelix★超螺旋状态的描述1、可用数学公式描述L=T+W(α=β+γ)Vinograd方程式L连接数（Linkingnumber）DNA两条链间交叉数，不发生链断裂时，L为定值（即一条链绕另一条链的次数）T盘绕数（Twistingnumber）双螺旋的缠绕数，初级螺旋圈数（双螺旋的圈数）W超螺旋数（Writhingnumber）直观上为双螺旋在空间的转动数W=负值（negativesuperhelix）W=正值(positivesuperhelix）L=T+W(α=β+γ)右手方向：负超螺旋左手方向：正超螺旋松弛环状DNA解链环状★拓扑异构酶拓扑异构体：只在连接数(L)上有差别的同种DNA分子称为这种DNA的拓扑异构体拓扑异构酶（topoisomerase）：催化DNA由一种拓扑异构体转变成另一种拓扑异构体的酶类性质Ⅰ型Ⅱ型原核生物原核生物真核生物真核生物被切割的DNA链1122对ATP的需求否否是是依赖于DNA的ATP酶否否是是产生负超螺旋否否是否松弛正超螺旋否是是是改变超螺旋的方式结合到一条链上形成复合物切断一条链形成酶和DNA的复合体一条链穿越重新连接L=21、拓扑异构酶Ⅰ(topoisomeraseI)结果：使双链超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA连接数增加一个1,消除一个负超旋L=3共价连接Tyrosine-5’P端单链穿越带切开的3′与另一条连(b)TyrosineNHOˉPO5′HOCRHNCHCH2OPOOOˉHDNA链OHR′2NHHHONNNN(-)(+)结合TopⅠ(-)(-)(-)3个负超螺旋O成DNA-磷酸DNA-酶中间物酪氨共价键（L=n)(a)接封口TyrPOH的一条链形切开双链中TopⅠ双螺旋DNA3′5′(c)的双链切断后面(+)(-)切断的双链穿起至上面与原断链连接封口(-)(-)TopⅠ被解离2个负超螺旋(-)(-)拓扑酶动画2、拓扑异构酶Ⅱ－TopII引入负超螺旋作用于双链涉及双链的断裂和连接－－每次使DNA的连接数改变23、拓扑异构酶的生物学功能a、恢复由一些细胞过程产生的超螺旋如：复制叉前面正超的消除转录酶前正超的消除，后面负超的产生b、防止细胞DNA的过度超螺旋多种拓扑异构酶的作用严格控制体内负超螺旋维持在5%水平所以－－一种拓扑异构酶的单向突变对细胞来说是致命的因而一般两种拓扑异构酶的突变水平相当2.3DNA的复制★通过半保留的方式，以亲代DNA分子为模板合成子代DNA链的过程2.3.1半保留复制★复制过程中各以双螺旋DNA的其中一条链为模板合成其互补链，新生的互补链与母链构成子代DNA分子2.3.2复制的起点、方向合速度★复制叉：染色体中参与复制的活性区域，即复制正在发生的位点复制起点,呈现叉子的形式★复制子（replicon）生物体的复制单位★复制起点是固定的，表现为固定的序列。并识别参与复制起始的特殊蛋白质★复制以双向等速方式为主2.3.3复制的几种主要方式1.线性DNA双链的复制★RNA切除后，5’端缩短！解决机制1）将线性复制子转变为环状或多聚体（如T4和T7噬菌体）2）在DNA末端形成发夹式结构，使该分子没有游离的末端3）在某种蛋白质的介入下，在真正的末端上启动复制3）在某种蛋白质的介入下，在真正的末端上启动复制（P41图2-19）2.环状DNA双链的复制1）θ型2）滚环型（rollingcircle）:φX174的双链环状DNA复制型（RF）3）D-环型（D-loop）★首先在动物线粒体DNA的复制中被发现★两条链的合称高度不对称★哺乳动物；线粒体；叶绿体2.4原核生物和真核生物DNA复制的特点2.4.1原核生物DNA复制的特点★大肠杆菌复制起始点（OriC）的结构3×13bp直接重复序列DnaA结合位点，4×9bp保守序列保守序列GATCTNTTNTTTTTTATCCACA1.DNA双螺旋的解旋1）DNA解链酶（DNAhelicase）2）单链结合蛋白（SSB）3）DNA拓扑异构酶（DNAtopoisomerase）2.DNA的引发★引物酶合成引物（Primer）★后随链的引发由引发体（primosome）完成★引发体由6种蛋白质组成n,n’,n”,DnaB,C和I（n,n’,n”,DnaB,C和I）+引发酶=引发体★引发酶，dnaG基因的产物（RNA聚合酶）仅用于合成DNA复制所需的一小段RNA★大肠杆菌由OriC复制起点处引发的DNA复制过程（P46图2-24）DnaB蛋白：解链3.冈崎片段与半不连续复制4.复制的终止当复制叉移动到终止子序列（Ter）时，Ter-Tus使DnaB终止解链，等相反方向的复制叉到达后停止复制，其间未被复制的（约50-100bp）由修复方式填补空缺，而后两条链解开。在TopⅣ作用下使复制叉解体，释放子代DNA.DNA复制1DNA复制2冈崎片段合成5.DNA聚合酶大肠杆菌DNA聚合酶和的性质比较性质聚合酶Ⅰ聚合酶Ⅱ聚合酶Ⅲ3’→5’外切酶活性＋＋＋5’→3’外切酶活性＋－－新生链合成－－＋M（×103）10390900细胞内分子数400？10-20生物学活性10.0515已知的基因结构Pol(A)Pol(B)Pol(C)（DnaE,N,X,Q等）2.4.2真核生物DNA复制的特点1）多个起始点2）在全部完成复制之前，各起始点上DNA的复制不能再开始；在快速生长的原核生物中，复制起始点上可连续开始新的DNA复制，即只有一个复制单元，但有多个复制叉。3）真核生物复制起始区☆自主复制序列（autonomouslyreplicatingsequence,ARS）酵母的复制起始点☆