54第二章 染色体与DNA

2.1染色体（Chromosome)染色体染色质DNA1RNA0.1蛋白质组蛋白1H1H2AH2BH3H4非组蛋白0.6第二章染色体与DNA2.1.1染色体的特点2.1.2真核生物(eukaryote)染色体的组成2.1.2.1蛋白质1）组蛋白的一般特性进化上的保守性不同生物的组蛋白氨基酸组成十分相似。牛、猪、大鼠的H4氨基酸完全相同。牛和豌豆的H4序列只有2个氨基酸差异;鲤鱼和小牛胸腺的H3只差1个氨基酸。保守程度：H1H2A、H2BH3、H4无组织特异性仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞不含H1而含H5，精细胞组蛋白为鱼精蛋白是例外。肽链氨基酸分布的不对称性碱性氨基酸分布在N端的半条链上，如N端的静电荷为16+，C端仅3+；碱性半条链与DNA负电荷区结合，另半条链与其他蛋白结合。组蛋白的可修饰性在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。H5组蛋白的特殊性富含赖氨酸（24%），与H1无明显亲缘关系。2）非组蛋白的一般特性多样性有30~600种，常见15~20种。分子质量1.5X104~1.8x105。包括：酶类、收缩大蛋白、骨架蛋白、核孔复合物蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。DNA结合蛋白为DNA复制和转录有关的酶；HMG蛋白系DNA超螺旋有关的蛋白；A24非组蛋白与组蛋白相似，功能不详组织特异性同义个体不同的组织，基因表达的差异与非组蛋白的特异性有关。种属特异性不同物种，组蛋白存在保守性。而非组蛋白存在很大的差异，反映物种的多样性。DNA是染色体的核心部分。DNA和RNA统称核酸。核酸的理化特性包括：稳定性、酸效应、碱效应、化学变性、热变性、紫外线吸收性、减色性复性、黏性、浮力梯度等。1)DNA的变性和复性变性（Denaturation)DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程称为变性。增色效应(Hyperchromaticeffect)在变性过程中，260nm紫外线吸收值先缓慢上升，当达到某一温度时骤然上升，称为增色效应。融解温度（MeltingtemperatureTm)变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度。生理条件下为85~95OC影响因素：G+C含量，pH值，离子强度，尿素，甲跣胺等2.1.2.2.DNA复性（Renaturation)热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。复性出现减色效应（Hypochromaticeffect)。复性的速率与DNA的浓度和序列的复杂性有关。Cot1/2变性和复性是可逆的。以Co代表完全变性的DNA单链的起始浓度，在时间t时的浓度变化是：dC/dt=kCo2积分后C/Co=1/(1+kCot)k为复性的速度常数。以C/Co对Cot作图，得Cot曲线。当C/Co=0.5，Cot值称为Cot1/2。Cot1/2与k的关系为k=1/Cot1/2C/CoCotCot1/2Cot1/2bp101031051072)C值反常现象（C-valueparadox)C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。高等生物一般C值高于低等生物，但有例外。即C值反常现象。两栖类比哺乳类高。真核生物含有大量的重复DNA是原因。3)单一序列和低度重复序列4)中度重复序列5)高度重复序列6)反向重复序列7)核酸的分子杂交2.1.2.3补充材料:观看网上教学动化片31SomeDNAdoesnotencodeprotein.和ageneismadeofDNA(Avery):SubunitofchromatincomposedofashortlengthofDNAwrappedaroundacoreofhistoneproteins.Thehumangenomecontainsabout3billionnucleotidepairsorganizedas23chromosomespairs.Ifuncoiled,theDNAcontainedbyeachofthosechromosomeswouldmeasurebetween1.7and8.5cmlong.Thisistoolongtofitintoacell.Moreover,ifchromosomeswerecomposedofextendedDNA,itisdifficulttoimaginehowtheDNAcouldbereplicatedandsegregatedintotwodaughtercellswithoutbreakingdown.Chromatin:ChromosomalDNAispackagedintoacompactstructurewiththehelpofspecializedproteinscalledhistones.ThecomplexDNAplushistonesineucaryoticcellsiscalledchromatin.Thefundamentalpackingunitisknownasanucleosome.Eachnucleosomeisabout11nmindiameter.TheDNAdoublehelixwrapsaroundacentralcoreofeighthistoneproteinmolecules(anoctamer)toformasinglenucleosome.Asecondhistone(H1intheillustration)fastenstheDNAtothenucleosomecore.Thetotalmassofthiscomplexisabout100,000daltons.Nucleosomesareusuallypackedtogether,withtheaidofahistone(H1,)toforma30nmlargefiber.Asa30nmfiber,thetypicalhumanchromosomewouldbeabout0.1cminlengthandwouldspanthenucleus100times.Thissuggestshigherordersofpackaging,togiveachromosomethecompactstructureseeninatypicalkaryotype(metaphase)cell.2.1.2.3染色质(chromatin)和核小体(nucleosome)串珠模型DNA+组蛋白核小体螺旋体（30nmfiber)超螺旋体(300nmloop)染色体(人类总DNA长度=180cm)140bp,八聚体,1.75,缩短7倍螺旋化,缩短6倍进一步螺旋化,缩短40倍盘绕.缩短4倍串珠模型非组蛋白在稳定高级结构起作用，可能是骨架蛋白，30nm的基质特点:1）结构简炼序列利用利用率高,不转录序列＜5%，不编码的序列也为调控序列2）存在转录单元(trnascriptionaloperon)多顺反子(polycistron)X174D-E-J-F-G-HmRNA外壳蛋白J、F、GH组装蛋白D裂解蛋白EE.coli色氨酸操纵子9个顺反子9个酶真核很少，如18s5.8s及28srRNA基因3）重叠基因（Sanger发现）基因内基因部分重叠基因一个碱基重叠2.1.3原核生物(prokaryote)基因组1.病毒基因组大小相差较大,与细菌或真核细胞相比，病毒的基因组很小，但是不同的病毒之间其基因组相差亦甚大。如乙肝病毒DNA只有3kb大小，所含信息量也较小，只能编码4种蛋白质，而痘病毒的基因组有300kb之大，可以编码几百种蛋白质，不但为病毒复制所涉及的酶类编码，甚至为核苷酸代谢的酶类编码，因此，痘病毒对宿主的依赖性较乙肝病毒小得多。2.病毒基因组可以由DNA组成，也可以由RNA组成，每种病毒颗粒中只含有一种核酸，或为DNA或为RNA，两者一般不共存于同一病毒颗粒中。组成病毒基因组的DNA和RNA可以是单链的，也可以是双链的，可以是闭环分子，也可以是线性分子。如乳头瘤病毒是一种闭环的双链DNA病毒，而腺病毒的基因组则是线性的双链DNA,脊髓灰质炎病毒是一种单链的RNA病毒，而呼肠孤病毒的基因组是双链的RNA分子。一般说来，大多数DNA病毒的基因组双链DNA分子，而大多数RNA病毒的基因组是单链RNA分子。3.多数RNA病毒的基因组是由连续的核糖核酸链组成，但也有些病毒的基因组RNA由不连续的几条核酸链组成。如流感病毒的基因组RNA分子是节段性的，由八条RNA分子构成，每条RNA分子都含有编码蛋白质分子的信息；而呼肠孤病毒的基因组由双链的节段性的RNA分子构成，共有10个双链RNA片段，同样每段RNA分子都编码一种蛋白质。目前，还没有发现有节段性的DNA分子构成的病毒基因组。2.1.3.1病毒基因组的结构特点4.基因重叠即同一段DNA片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子，这种现象在其它的生物细胞中仅见于线粒体和质粒DNA。这种结构使较小的基因组能够携带较多的遗传信息。重叠基因是1977年Sanger在研究ΦX174时发现的。ΦX174是一种单链DNA病毒，宿主为大肠杆菌，因此，又是噬菌体。它感染大肠杆菌后共合成11个蛋白质分子，总分子量为25万左右，相当于6078个核苷酸所容纳的信息量。而该病毒DNA本身只有5375个核苷酸，最多能编码总分子量为20万的蛋白质分子，Sanger在弄清ΦX174的11个基因中有些是重叠的之前,这样一个矛盾长时间无法解决。重叠基因有以下几种情况：一个基因完全在另一个基因里面。如基因Ａ和Ｂ是两个不同基因，而Ｂ包含在基因Ａ内。同样，基因Ｅ在基因Ｄ内。部分重叠。如基因Ｋ和基因Ａ及Ｃ的一部分基因重叠。两个基因只有一个碱基重叠。如基因Ｄ的终止密码子的最后一个碱基是Ｊ基因起始密码子的第一个碱基(如TAATG)。这些重叠基因尽管它们的DNA大部分相同，但是由于将mRNA翻译成蛋白质时的读框不一样，产生的蛋白质分子往往并不相同。有些重叠基因读框相同，只是起始部位不同，如SV40DNA基因组中，编码三个外壳蛋白VP1、VP2、VP3基因之间有122个碱基的重叠，但密码子的读框不一样。而小t抗原完全在大T抗原基因里面，它们有共同的起始密码子。5.病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一份不被翻译，这与真核细胞DNA的冗余现象不同如在ΦX174中不翻译的部份只占217/5375，G4DNA中占282/5577，都不到5％。不翻译的DNA顺序通常是基因表达的控制序列。如ΦX174的H基因和A基因之间的序列（3906－3973），共67个碱基，包括RNA聚合酶结合位，转录的终止信号及核糖体结合位点等基因表达的控制区。乳头瘤病毒是一类感染人和动物的病毒，基因组约8.0Kb,其中不翻译的部份约为1.0kb,该区同样也是其他基因表达的调控区.6.病毒基因组DNA序列中功能上相关的蛋白质的基因或rRNA的基因往往丛集在基因组的一个或几个特定的部位,形成一个功能单位或转录单元。它们可被一起转录成为含有多个mRNA的分子，称为多顺反子mRNA（polycistronicmRNA），然后再加工成各种蛋白质的模板mRNA。如腺病毒晚期基因编码病毒的12种外壳蛋白，在晚期基因转录时是在一个启动子的作用下生成多顺反子mRNA，然后再加工成各种mRNA，编码病毒的各种外壳蛋白，它们在功能上都是相关的；ΦX174基因组中的D-E-J-F-G-H基因也转录在同一mRNA中，然后再翻译成各种蛋白质，其中Ｊ、F、G及H都是编码外壳蛋白的，D蛋白与病毒的装配有关，E蛋白负责细菌的裂解，它们在功能上也是相关的。7.除了反转录病毒以外，一切病毒基因组都是单倍体，每个基因在病毒颗粒中只出现一次。反转录病毒基因组有两个拷贝。8.噬菌体（细胞病毒）的基因是连续的；而真核细胞病毒的基因是不连续的，具有内含子，除了正链RNA病毒之外