第二章 染色體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)

1、第二節(jié)第二節(jié) 染色質(zhì)和染色體染色質(zhì)和染色體(Chromatin & chromosome) 染色質(zhì)絲的電子顯微鏡照片染色質(zhì)絲的電子顯微鏡照片由從串的核小體組成由從串的核小體組成 21號中期號中期染色體的光染色體的光學(xué)和電子顯學(xué)和電子顯微照片微照片 核小體核小體 一個染色單體一個染色單體為一條染色質(zhì)絲為一條染色質(zhì)絲 染色質(zhì)與染色體是由染色質(zhì)與染色體是由DNADNA、組蛋白、非、組蛋白、非組蛋白及組蛋白及RNARNA等組成的核蛋白復(fù)合體，是等組成的核蛋白復(fù)合體，是遺傳信息的載體。是同一種物質(zhì)在細(xì)胞周遺傳信息的載體。是同一種物質(zhì)在細(xì)胞周期的不同時期中所表現(xiàn)的兩種不同的存在期的不同時期中所表現(xiàn)

2、的兩種不同的存在形式。形式。 染色質(zhì)是細(xì)胞間期核內(nèi)伸展開的染色質(zhì)是細(xì)胞間期核內(nèi)伸展開的DNADNA蛋蛋白纖維。白纖維。 染色體是高度螺旋化的染色體是高度螺旋化的DNADNA蛋白纖維，蛋白纖維，是在細(xì)胞分裂期看得見的可用染料染色的是在細(xì)胞分裂期看得見的可用染料染色的條狀結(jié)構(gòu)。條狀結(jié)構(gòu)。 一、染色質(zhì)的化學(xué)組成一、染色質(zhì)的化學(xué)組成核核 酸酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)成成 分分DNARNA組蛋白組蛋白 非組蛋白非組蛋白所占比例所占比例10.05-0.110.5-1.5（一）（一）DNA單一序列（單一序列（unique seq.)unique seq.) 中度重復(fù)序列（中度重復(fù)序列（middle repetitive

3、 seq.)middle repetitive seq.)高度重復(fù)序列（高度重復(fù)序列（highly repetitive seq.)highly repetitive seq.)1.1.單一序列（單一序列（unique sequence)unique sequence) 在基因組中僅有一個或幾個拷貝，負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)氨基酸組成的信息,以三聯(lián)體密碼方式進行編碼。大多數(shù)編碼蛋白質(zhì)(酶)的結(jié)構(gòu)基因?qū)龠@種結(jié)構(gòu)形式 。2.2.中度重復(fù)序列中度重復(fù)序列（middle repetitive sequence)middle repetitive sequence) 重復(fù)次數(shù)在10105之間。多數(shù)是不編碼的序列，構(gòu)成

4、基因的間隔序列，在基因調(diào)控中起重要作用，涉及DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后加工等方面。有一些是有編碼功能的基因，如rRNA基因，tRNA基因，組蛋白的基因、核糖體蛋白的基因等。3.3.高度重復(fù)序列高度重復(fù)序列（highly repetitive sequence)highly repetitive sequence) 由一些短的DNA序列呈串聯(lián)重復(fù)排列，一般為幾個、十幾個或幾十個bp，但重復(fù)拷貝數(shù)超過105，在染色體的端粒、著絲粒，構(gòu)成結(jié)構(gòu)基因的間隔，維系染色體結(jié)構(gòu)，與減數(shù)分裂中同源染色體聯(lián)會配對有關(guān)。（二）組蛋白（二）組蛋白 組蛋白是真核細(xì)胞染色質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶正電荷的精氨酸和賴氨酸

5、，屬堿性蛋白質(zhì)。其含量恒定，在真核細(xì)胞中共有5種。組蛋白的分類及特性組蛋白的分類及特性 種類賴氨酸/精氨酸殘基數(shù)分子量 (kD)保守性存在部位及結(jié)構(gòu)作用存在部位及結(jié)構(gòu)作用H1存在于核心顆粒，形成存在于核心顆粒，形成核小體核小體存在于核心顆粒，形成存在于核心顆粒，形成核小體核小體存在于核心顆粒，形成核存在于核心顆粒，形成核小體小體存在于核心顆粒，形成存在于核心顆粒，形成核小體核小體29.0021523.0低高高極高極高H2AH2BH3H41.2212914.02.6612513.60.7713515.30.7910211.3存在于連接線上存在于連接線上核小體蛋白，核小體蛋白，幫助幫助DNA卷卷曲

6、形成核小曲形成核小體體核小體核小體組蛋白的化學(xué)修飾組蛋白的化學(xué)修飾 乙酰化：可改變賴氨酸所帶的電荷，乙?；嚎筛淖冑嚢彼崴鶐У碾姾桑档徒M蛋白與降低組蛋白與DNADNA的結(jié)合，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的結(jié)合，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的進行。的進行。 磷酸化：同乙?；姿峄和阴；?甲基化：可增強組蛋白和甲基化：可增強組蛋白和DNADNA的相互作的相互作用，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性用，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性（三）非組蛋白（三）非組蛋白 酸性蛋白質(zhì)，帶負(fù)電荷酸性蛋白質(zhì)，帶負(fù)電荷, ,富含天門富含天門冬冬AAAA，谷，谷AAAA等酸性等酸性AAAA 種類多種類多 具有種屬和組織特異性具有種屬和組織特異性 整個周期都能合成整個周期都能合成 特性特性 非

7、組蛋白是染色體上與特異非組蛋白是染色體上與特異DNA序列結(jié)合的蛋白質(zhì)，能識別特序列結(jié)合的蛋白質(zhì)，能識別特異的異的DNA序列，識別信息存在于序列，識別信息存在于DNA本身，位點在大溝部分，識別本身，位點在大溝部分，識別與結(jié)合籍氫鍵和離子鍵。與結(jié)合籍氫鍵和離子鍵。非組蛋白的功能非組蛋白的功能 參與構(gòu)建染色體參與構(gòu)建染色體 啟動啟動DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄 二、染色質(zhì)的類型二、染色質(zhì)的類型 伸展?fàn)顟B(tài)，螺旋化程度低，用堿性染料染色時著色淺而均勻的染色質(zhì)。 2.單一序列DNA和中度重復(fù)序列DNA，具有轉(zhuǎn)錄活性。3.大部分位于間期核的中央，一部分介于異染色質(zhì)之間。4.在細(xì)胞分

8、裂期，常染色質(zhì)位于染色體的臂。 ( (一一) )常染色質(zhì)（常染色質(zhì)（euchromatin)euchromatin) （二）異染色質(zhì)（二）異染色質(zhì)（heterochromatin)heterochromatin) 1.螺旋化程度高，處于凝集狀態(tài)，堿 性染料染色時著色較深。2.一般位于核的邊緣或圍繞在核仁的 周圍。3.轉(zhuǎn)錄不活躍或無轉(zhuǎn)錄活性。4.可分為結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)和兼性異染色 質(zhì)。結(jié) 構(gòu) 異 染 色 質(zhì) （結(jié) 構(gòu) 異 染 色 質(zhì) （ c o n s t i t u t i v e c o n s t i t u t i v e heterochromatin)heterochromatin) 在

9、各種細(xì)胞類型的細(xì)胞周期中（除復(fù)制期在各種細(xì)胞類型的細(xì)胞周期中（除復(fù)制期外）都呈濃縮狀態(tài)，由高度重復(fù)的外）都呈濃縮狀態(tài)，由高度重復(fù)的DNADNA序列構(gòu)成；序列構(gòu)成；在中期染色體上常位于染色體的著絲粒區(qū)，端在中期染色體上常位于染色體的著絲粒區(qū)，端粒區(qū)、次縊痕等部位；具有遺傳惰性，不轉(zhuǎn)錄粒區(qū)、次縊痕等部位；具有遺傳惰性，不轉(zhuǎn)錄也不編碼蛋白質(zhì)；在復(fù)制行為上，較常染色質(zhì)也不編碼蛋白質(zhì)；在復(fù)制行為上，較常染色質(zhì)早聚縮晚復(fù)制。早聚縮晚復(fù)制。 兼性異染色性兼性異染色性（facultative heterochromatin)facultative heterochromatin) 在某些細(xì)胞類型或在一定發(fā)育階

10、段，原在某些細(xì)胞類型或在一定發(fā)育階段，原來的常染色質(zhì)聚縮，喪失轉(zhuǎn)錄活性，變?yōu)楫惾緛淼某Ｈ旧|(zhì)聚縮，喪失轉(zhuǎn)錄活性，變?yōu)楫惾旧|(zhì)。兼性異染色質(zhì)的總量隨細(xì)胞類型而變化，色質(zhì)。兼性異染色質(zhì)的總量隨細(xì)胞類型而變化，一般胚胎細(xì)胞含量少，高度分化的細(xì)胞含量較一般胚胎細(xì)胞含量少，高度分化的細(xì)胞含量較多，說明隨著細(xì)胞分化，較多的基因漸次以聚多，說明隨著細(xì)胞分化，較多的基因漸次以聚縮狀態(tài)而關(guān)閉。因此，染色質(zhì)的壓縮折疊可能縮狀態(tài)而關(guān)閉。因此，染色質(zhì)的壓縮折疊可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑。是關(guān)閉基因活性的一種途徑。 常染色質(zhì)常染色質(zhì) 異染色質(zhì)異染色質(zhì)螺旋化程度螺旋化程度低低高高染染 色色 較淺較淺較深較深間間 期期核

11、中央核中央核邊緣核邊緣分裂期分裂期染色體臂染色體臂著絲粒區(qū)和端粒區(qū)著絲粒區(qū)和端粒區(qū)活活 性性常轉(zhuǎn)錄常轉(zhuǎn)錄很少轉(zhuǎn)錄很少轉(zhuǎn)錄復(fù)制時間復(fù)制時間S 早、中期早、中期S 晚期晚期染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)：核小體染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)：核小體染色質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)：螺線管染色質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)：螺線管染色質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)：超螺線管染色質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)：超螺線管染色質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)：染色單體染色質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)：染色單體（一）染色質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)模型（一）染色質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)模型三、染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)與包裝三、染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)與包裝1.一級結(jié)構(gòu) 核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，為染色核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，為染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)，質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)， 10nm 10nm。

12、球狀組蛋白核心球狀組蛋白核心H4DNA雙螺旋雙螺旋(140-160bp、1.75圈）圈）H3H4H3H2AH2AH2BH2BH4H3H3H4H2AH2AH2BH2B 10nm連接連接DNA（60bp） H1 H1核小體核小體核心部核心部連接部連接部DNA分子：分子：140-160bp、1.75圈圈組組 蛋蛋 白：白：2（H2A、H2B、H3、H4）八）八聚體聚體組組 蛋蛋 白：白：H1DNA分子：分子：60bp核小體核小體2 .2 .二級結(jié)構(gòu)：二級結(jié)構(gòu)： 螺線管螺線管是染色質(zhì)的二級結(jié)是染色質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)，構(gòu)，6 6個核小體纏繞一圈形成的個核小體纏繞一圈形成的中空性管中空性管. . 外外30nm;

13、 30nm; 內(nèi)內(nèi)10nm,10nm,組蛋白組蛋白H1H1位于螺旋管內(nèi)側(cè)。位于螺旋管內(nèi)側(cè)。內(nèi)10nm組蛋白H1染色質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)：螺線管染色質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)：螺線管3 .3 .三級結(jié)構(gòu)：三級結(jié)構(gòu)： 超螺線管為染色質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)，超螺線管為染色質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)，它是由螺旋管進一步盤曲而形成。它是由螺旋管進一步盤曲而形成。4 .4 .四級結(jié)構(gòu)：四級結(jié)構(gòu)： 超螺線管進一步折疊成為四級結(jié)超螺線管進一步折疊成為四級結(jié)構(gòu)構(gòu)染色單體。（染色單體。（DNADNA分子長度壓縮分子長度壓縮至至1/80001/10 0001/80001/10 000）。）。（二）染色質(zhì)的袢環(huán)結(jié)構(gòu)模型（二）染色質(zhì)的袢環(huán)結(jié)構(gòu)模型 (loop mo

14、del)(loop model)一、二級結(jié)構(gòu)與四級結(jié)構(gòu)模型一致：核小體（10nm），螺線管（30nm）30nm螺線管形成袢環(huán)袢環(huán)模型（loop model）染色體支架（非組蛋白）袢環(huán)（ 30nm螺線管）123456789101112131415161718（一）染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)（一）染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)染色單體次縊痕短臂（p）長臂（q）隨體常染色質(zhì)區(qū)異染色質(zhì)區(qū)主縊痕（初級縊痕）四、染色體四、染色體中期染色體按著絲粒的位置分為： 1/25/8中央著絲粒染色體5/87/8亞中著絲粒染色體7/8 近端著絲粒染色體中部亞中部近端部端部 末端處染色體的類型主縊痕模式圖主縊痕模式圖動粒結(jié)構(gòu)域動粒結(jié)構(gòu)域配對結(jié)構(gòu)

15、域配對結(jié)構(gòu)域中心結(jié)構(gòu)域中心結(jié)構(gòu)域隨體隨體染色體的臂上凹陷縮窄染色體的臂上凹陷縮窄形成次縊痕，與核仁的形成次縊痕，與核仁的形成有關(guān)，稱為核仁組形成有關(guān)，稱為核仁組織區(qū)（織區(qū)（NOR)。端粒（端粒（telomere） 生殖細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞含有端粒酶，可以使端粒恢復(fù)原長。 端粒是存在于染色體末端的特化部位。通常由一簡單重復(fù)的序列組成,進化上高度保守?？梢员Ｗo染色體末端不被降解，并防止與其它染色體的末端融合。 正常染色體每復(fù)制一次,端粒序列減少50-100個bp,因而端粒也被稱為細(xì)胞的生命鐘,當(dāng)端粒縮短到一定程度，即是細(xì)胞衰老的標(biāo)志。端粒（telomere） 端粒酶是一種由蛋白質(zhì)和RNA組成

16、的核糖核蛋白酶。具有延長端粒末端重復(fù)序列的功能，如果端粒酶活性喪失，端粒將逐漸縮短，從而導(dǎo)致細(xì)胞衰老。端粒酶端粒酶端粒酶與端粒的關(guān)系 2009年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給三名科學(xué)家，他們解決了生物學(xué)的一個重大問題：在細(xì)胞分裂時染色體如何完整地自我復(fù)制以及染色體如何受到保護以免于退化。這三位諾貝爾獎獲得者向我們展示，解決辦法存在于染色體末端端粒，以及形成端粒的酶端粒酶。 Elizabeth H. Blackburn 伊麗莎白-布萊克本Carol W. Greider 卡羅爾-格雷德Jack W. Szostak杰克-紹斯塔克University of California San Francis

17、co, CA, USA美國加利福尼亞舊金山大學(xué)Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, MD, USA 巴爾的摩約翰-霍普金斯醫(yī)學(xué)院Harvard Medical School; Massachusetts General Hospital Boston, MA, USA; 哈佛醫(yī)學(xué)院（二）染色體穩(wěn)定遺傳的功能序列：（二）染色體穩(wěn)定遺傳的功能序列： .自主復(fù)制序列自主復(fù)制序列 （autonomously replicating sequence,ARS） 是是DNA復(fù)制的起點；復(fù)制的起點； 均有一段保守序列：均有一段保守序列：

18、200bp-A(T)TTTAT(C)A(G)TTTA(T)-200bp, 2 2、著絲粒序列、著絲粒序列(centromereDNAsequence,CEN)(centromereDNAsequence,CEN) 由串聯(lián)重復(fù)序列組成，含有由串聯(lián)重復(fù)序列組成，含有1111個高度保守的堿基序列：個高度保守的堿基序列： -TGATTTCCGAA-TGATTTCCGAA-，其功能是形成著，其功能是形成著絲粒，使細(xì)胞分裂中染色體能夠準(zhǔn)絲粒，使細(xì)胞分裂中染色體能夠準(zhǔn)確地分離。確地分離。 3、端粒序列、端粒序列 (telomeric sequence, TEL) 不同生物的端粒序列都很相不同生物的端粒序列都

19、很相似，由長似，由長5-10bp的重復(fù)單位串聯(lián)的重復(fù)單位串聯(lián)而成。而成。 草履蟲的草履蟲的TTGGGG 錐蟲的錐蟲的TAGGG 擬南芥的擬南芥的TTTAGGG 人的人的TTAGGG 端粒的功能：端粒的功能： 保證染色體末端的完全復(fù)制，保證染色體末端的完全復(fù)制，端粒端粒DNADNA提供復(fù)制線性提供復(fù)制線性DNADNA末端的模末端的模板。板。 在兩端形成保護性的帽結(jié)構(gòu)，在兩端形成保護性的帽結(jié)構(gòu)，使使DNADNA免受核酸酶和其他不穩(wěn)定因免受核酸酶和其他不穩(wěn)定因素的破壞和影響。素的破壞和影響。 在細(xì)胞的壽命、衰老和死亡中在細(xì)胞的壽命、衰老和死亡中起作用。起作用。（三）、人類的正常核型（三）、人類的正常

20、核型 1. 1. 核型（核型（KaryotypeKaryotype） ： 一個體細(xì)胞（一個體細(xì)胞（somatic cellsomatic cell）中）中的全部染色體，按其大小和形態(tài)特的全部染色體，按其大小和形態(tài)特征排列所構(gòu)成的圖像。征排列所構(gòu)成的圖像。 正常男性：正常男性：46，XY正常女性：正常女性：46，XX人類體細(xì)胞的正常核型（人類體細(xì)胞的正常核型（Denver體制）體制） 組組 染色體號染色體號 主要特征主要特征A組組B組組 C組組D組組E組組F組組G組組 123亞中著絲粒染色體亞中著絲粒染色體中央著絲粒染色體中央著絲粒染色體4 5亞中著絲粒染色體亞中著絲粒染色體6 12、X亞中著絲

21、粒染色體亞中著絲粒染色體大大小小13 15近端著絲粒染色體、有隨體近端著絲粒染色體、有隨體161718亞中著絲粒染色體亞中著絲粒染色體中央著絲粒染色體中央著絲粒染色體19 20中央著絲粒染色體中央著絲粒染色體2122、Y近端著絲粒染色體、有隨體近端著絲粒染色體、有隨體Y染色體略大、長臂平行伸展、無隨體染色體略大、長臂平行伸展、無隨體1 2 31 2 34 54 56 7 8 9 10 11 12 X6 7 8 9 10 11 12 X13 14 1513 14 1516 17 1816 17 1819 2019 2021 22 Y21 22 YA AB BC CE EF FG GD D2.2.

22、染色體的顯帶技術(shù)染色體的顯帶技術(shù) 用特殊的染色方法使染色體用特殊的染色方法使染色體在其長軸上顯出明暗交替或染色在其長軸上顯出明暗交替或染色深淺不同的橫紋深淺不同的橫紋帶。帶。 染色體標(biāo)本的制備染色體標(biāo)本的制備1)1)人類外周血淋巴細(xì)胞培養(yǎng)及染人類外周血淋巴細(xì)胞培養(yǎng)及染 色體標(biāo)本制備色體標(biāo)本制備采血采血接種接種培養(yǎng)培養(yǎng)秋水仙素處理秋水仙素處理收集細(xì)胞收集細(xì)胞低滲低滲固定固定制片制片染色染色觀察觀察3)3)羊水細(xì)胞培養(yǎng)及染色體標(biāo)本羊水細(xì)胞培養(yǎng)及染色體標(biāo)本 制備制備 抽羊水最佳時間妊娠抽羊水最佳時間妊娠16201620周周2)2)骨髓細(xì)胞染色體標(biāo)本制備骨髓細(xì)胞染色體標(biāo)本制備顯顯帶帶技技術(shù)術(shù)整條顯帶整條顯帶局部顯帶局部顯帶Q帶：喹吖因或熒光染料帶：喹吖因或熒光染料顯顯帶帶技技術(shù)術(shù)整條顯帶