朱玉贤现代分子生物学第四版-第2章-染色体与DNA

第二章染色体与DNA本章将介绍DNA的结构和从一代细胞岛到下一代细胞的传递、遗传及变异等过程。2020/3/181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第四节原核生物和真核生物DNA复制特点第五节DNA的修复第六节DNA的转座第七节SNP的理论与应用2第一节染色体2020/3/183由于亲代能够将自己的遗传物质DNA以染色体的形式传给子代，保持物种的稳定性和连续性。因此，人们普遍认为染色体在遗传上起着主要作用。人类22对染色体及性染色体性染色体扫描电镜图第一节染色体2020/3/1841.染色体概述：19世纪中叶，细胞生物学家在光学显微镜下，在细胞分裂时观察到存在于细胞核中的棒状可染色结构并将其命名为染色体。染色体包括DNA和蛋白质两部分。同一物种内每条染色体所带的DNA的量是一定的，但不同的染色体或不同物种之间变化很大，从上百万到几亿个核苷酸对不等。此外，组成染色体的蛋白质（组蛋白和非组蛋白）的种类和含量也是十分稳定的。第一节染色体2020/3/1851.染色体概述：染色体在细胞分裂间期表现为染色质。染色体与染色质是同一种物质的两种形态。伸展的染色质形态有利于在它上面的DNA储存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分。左图为人类染色体，在光镜下即可观察其形态，右图为电镜图片，可见不规则的染色质。第一节染色体2020/3/1861.染色体概述：原核细胞染色体：一般只有一条大染色体且大都带有单拷贝基因，除少数基因外（如rRNA基因）。整个染色体DNA几乎全部由功能基因和调控序列所组成。几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对应关系。第一节染色体2020/3/1872.真核细胞染色体的组成：真核生物染色体中DNA相对分子质量一般大大超过原核生物，并结合有大量的蛋白质，结构非常复杂。其具体组成成分为：组蛋白、非组蛋白、DNA。在真核细胞染色体中，DNA与蛋白质完全融合在一起，其蛋白质与相应DNA的质量之比约为2:1。这些蛋白质在维持染色体结构中起着重要作用。第一节染色体2020/3/1882.1.组蛋白组蛋白是染色体的结构蛋白，其与DNA组成核小体。根据其凝胶电泳性质可将其分为H1、H2A、H2B、H3及H4。第一节染色体2020/3/1892.1.组蛋白组蛋白的特性：进化上极端保守性。其中H3、H4最保守，H1较不保守。无组织特异性。到目前为止，仅发现鸟类、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。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。例如，N端的半条链上净电荷为+16，C端只有+3，大部分疏水基团都分布在C端。组蛋白的修饰作用。包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。富含赖氨酸的组蛋白H5。H5赖氨酸含量高达24%。第一节染色体2020/3/18102.2.非组蛋白染色体上除了存在大约与DNA等量的组蛋白以外，还存在大量的非组蛋白。非组蛋白的量大约是组蛋白的60%～70%，但它的种类却很多，约在20-100种之间，其中常见的有15-20种。非组蛋白的组织专一性和种属专一性。非组蛋白包括酶类、骨架蛋白、核孔复合物蛋白以及肌动蛋白、肌球蛋白等。它们也可能是染色质的组成成分。几类常见的非组蛋白：HMC蛋白。一般认为可能与DNA的超螺旋结构有关。DNA结合蛋白。可能是一些与DNA的复制与转录有关的酶或调解物质。A24非组蛋白。位于核小体内，功能不详。第一节染色体2020/3/18112.3.DNA真核细胞基因组最大的特点是好有大量的重复序列，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值：一种生物单倍体基因组DNA的总量。一般情况，真核生物C值是随着生物进化而增加，高等生物的C值一般大于低等生物。（下页左图）进一步研究发现，某些两栖类C值大于哺乳动物，而且在两栖类中C值变化也很大，可相差100倍。（下页右图）由此推断，许多DNA序列不编码蛋白质，是无生理功能的。根据对DNA的动力学研究，真核生物DNA序列大致可分为3类：不重复序列、中度重复序列、高度重复序列。2020/3/18121第一节染色体2020/3/18132.3.DNA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40%－80%。不重复序列长约750－2000dp，相当于一个结构基因的长度。单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质。如蚕丝心蛋白基因。中度重复序列。这类重复序列的重复次数在10－104之间，占总DNA的10%－40%。各种rRNA、tRNA及组蛋白基因等都属这一类。高度重复序列——卫星DNA。这类DNA只在真核生物中发现，占基因组的10%—60%，由6—100个碱基组成，在DNA链上串联重复几百万次。由于碱基的组成不同，在CsCl密度梯度离心中易与其他DNA分开，形成含量较大的主峰及高度重复序列小峰，后者又称卫星区带（峰）。第一节染色体2020/3/18142.4.真核细胞染色体的结构真核细胞染色体的DNA如图所示，经过四级压缩，长度压缩将近10000倍。四级分别为：核小体螺线管超螺旋圆筒染色单体第一节染色体2.4.真核细胞染色体的结构核小体核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成1/7，200bpDNA的长度约为68nm，却被压缩在10nm的核小体中。核小体串联起来形成10nm纤维。2020/3/18152020/3/1816第一节染色体2.4.真核细胞染色体的结构螺线管螺线管是由10nm染色质细丝盘绕形成的螺旋管状细丝，表现为30nm纤维。螺线管每一螺旋包含6个核小体，压缩比为6。这种螺线管是分裂间期和分裂前期染色体的基本组分。2020/3/1817第一节染色体2.4.真核细胞染色体的结构超螺旋圆筒有迹象表明：中期染色质是一细长、中空的圆筒，直径4000nm，由30nm的螺线管缠绕而成，压缩比为40。染色单体染色单体由超螺旋圆筒再压缩5倍而成。2020/3/1818第一节染色体2020/3/18193.原核生物基因组：原核生物基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少。如大肠杆菌DNA仅4.6Mb，完全伸展总长约为1.3mm，含4000多个基因。从基因组的结构来看，原核细胞DNA有如下特点：结构简练。非编码序列极少，这与真核细胞DNA冗余现象完全不同。存在转录单元。多顺反子mRNA。有重叠基因。同一段DNA含有两种不同蛋白质的信息。3、原核生物的基因组特点（1）结构简练：不转录部分很少且常是控制基因表达的序列（2）存在转录单元：多顺反子mRNA，这些功能相关的RNA和蛋白质基因协同表达。（3）有重叠基因：同一段DNA能携带两种一同的蛋白质信息，主要是：一个基因完全存在于另一个基因内部分重叠两个基因只有一个碱基对的重叠第二节DNA的结构2020/3/1821第二节DNA的结构第二节DNA的结构2020/3/1822DNA作为遗传物质的主要优点：信息量大，可以缩微表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理核糖的2’脱氧，在水溶液中稳定性好可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群体是有利的）有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜在危险。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以灵敏识别DNA中的U而随时将其剔除）。第二节DNA的结构2020/3/18231.DNA的一级结构DNA又称脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid）。DNA的一级结构即是指四种核苷酸的连接及排列顺序，表示该DNA分子的化学构成。DNA由脱氧核苷酸聚合而成。碱基的不同决定了脱氧核苷酸的不同。第二节DNA的结构2020/3/18241.DNA的一级结构脱氧核苷酸由碱基（A、T、G、C）、脱氧核糖及磷酸基团组成。以下是脱氧核苷酸及碱基结构式。第二节DNA的结构2020/3/18251.DNA的一级结构脱氧核苷酸之间由3’→5’磷酸二酯键连接成DNA链，两条链的碱基通过氢键实现AT、GC配对。第二节DNA的结构2020/3/18261.DNA的一级结构DNA一级结构特点是：DNA分子由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成。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。两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有一定的规律。这就是嘌呤与嘧啶配对（A与T，G与C配对）。碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则。由于碱基可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。第二节DNA的结构2020/3/18272.DNA的二级结构DNA二级结构是指两条多核苷酸链反相平行盘绕所生成的双螺旋盘绕结构。DNA有三种构像：A-DNA、B-DNA、Z-DNA，其中AB为右手构象，Z为左手构像。B型为普遍存在的结构。A型、Z型可能具有不同的生物活性还存在其他构型。第二节DNA的结构2020/3/18282.DNA的二级结构B-DNA特点：螺旋直径2nm链间有螺旋形凹槽，较小的为小沟（1.2nm），较大的为大沟（2.2nm）碱基间距0.34nm每轮碱基数10碱基平面与纵轴垂直ADNA的特点B-DNA-3.4Å/bp-23.5Åwide-10.4bp/turnA-DNA-2.3Å/bp-25.5Åwide-11bp/turn-Base-pairstiltedabout19degreesfromaxisofthehelix.Figure:B-andA-DNA左手螺旋Z-DNAMinorgrooveMajorgrooveZ-DNA-3.8Å/bp-18.4Åwide-12bp/turn-base-pairstiltedabout9degreesfromaxisofthehelix第二节DNA的结构2020/3/18363.DNA的高级结构DNA的高级结构指DNA双螺旋进一步扭曲盘旋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，可分为正超螺旋和负超螺旋两类，它们在不同类型的拓扑异构酶作用下或特殊情况下可相互转变，如：拓扑异构酶溴乙啶拓扑异构酶溴乙啶负超螺旋正超螺旋松弛DNA第二节DNA的结构2020/3/18373.DNA的高级结构DNA的超螺旋结构形成的意义：使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。螺旋超螺旋DNASupercoiling超螺旋E.Colibacterium:~1um(10-6m)longItsgenome:~1300umlong!!!Ahumancell:~10umlongItsgenome:~1,000,000um1mlong!!Howdocellscontain/package/handletheirDNA?Somechromosomesarelinear:-eukaryotesandsomevirusesSomearecircular:-bacteria,mitochondria,chloroplastsandsomevirusesInALLcases,theDNAisCOILED(盘绕）verytightlyinthecellNegativesupercoiling（负超螺旋）iswherethesupercoilsareintheoppositedirectiontothecoilingoftheDNAdoublehelix（超螺旋的方向与DNA双螺旋的方向相反）---underwinding，add