第三章原核生物基因組結(jié)構(gòu)和基因

1、第三章 原核生物基因組結(jié)構(gòu) 原核 真核 多順反子 操縱子 單順反子 內(nèi)含子第一節(jié) 細(xì)菌基因組結(jié)構(gòu)和基因 細(xì)菌染色體 質(zhì)粒 真核染色體質(zhì)粒質(zhì)粒(plasmids) 細(xì)菌染色體外的共價閉合環(huán)狀雙鏈細(xì)菌染色體外的共價閉合環(huán)狀雙鏈DNADNA分子分分子分子量約為子量約為100 100 10 106 6 D.D.攜帶攜帶1 1100100個基因個基因, , 一一個菌細(xì)胞可有一至數(shù)十個質(zhì)粒。個菌細(xì)胞可有一至數(shù)十個質(zhì)粒。Structure of a bacterium highlighting the bacterial plasmid.1、可以在細(xì)胞質(zhì)中獨(dú)立于染色體之外（即以、可以在細(xì)胞質(zhì)中獨(dú)立于染色體之

2、外（即以游離狀態(tài)）存在，也可以插入到染色體上以游離狀態(tài)）存在，也可以插入到染色體上以附加體的形式存在；附加體的形式存在；2、在細(xì)胞分裂時，可以不依賴于細(xì)菌染色體、在細(xì)胞分裂時，可以不依賴于細(xì)菌染色體而獨(dú)立進(jìn)行自我復(fù)制，也可以插入到細(xì)菌染而獨(dú)立進(jìn)行自我復(fù)制，也可以插入到細(xì)菌染色體中與染色體一道進(jìn)行復(fù)制；色體中與染色體一道進(jìn)行復(fù)制；3、質(zhì)?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、或接合作用而、質(zhì)?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、或接合作用而由一個細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個細(xì)胞，使兩個細(xì)胞由一個細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個細(xì)胞，使兩個細(xì)胞都成為帶有質(zhì)粒的細(xì)胞；都成為帶有質(zhì)粒的細(xì)胞；4、質(zhì)粒對于細(xì)胞生存并不是必要的。、質(zhì)粒對于細(xì)胞生存并不是必要的。一 細(xì)

3、菌核質(zhì)體 細(xì)菌基因組必須經(jīng)過壓縮才能適應(yīng)細(xì)胞容量 通過DNA重復(fù)序列rep附著在核質(zhì)體蛋白上 類似真核組蛋白RNA-蛋白質(zhì)核心蛋白質(zhì)核心突環(huán)由雙鏈突環(huán)由雙鏈DNA結(jié)結(jié)合堿性蛋白質(zhì)組成合堿性蛋白質(zhì)組成平均一個突環(huán)含平均一個突環(huán)含有約有約40 kbDNA細(xì)菌細(xì)菌DNADNA：長度：一般為：長度：一般為：1 13 3mmmm例例：大腸桿菌的：大腸桿菌的DNADNA長約長約1 1mmmm。生長迅速的細(xì)菌在核分裂之后生長迅速的細(xì)菌在核分裂之后細(xì)胞往往來不及分裂細(xì)胞往往來不及分裂, ,所以細(xì)所以細(xì)胞中常有胞中常有2 24 4個核，而生長緩個核，而生長緩慢的細(xì)菌細(xì)胞中一般只有慢的細(xì)菌細(xì)胞中一般只有1 12

4、2個核，不在染色體復(fù)制時期一個核，不在染色體復(fù)制時期一般是單倍體。般是單倍體。功能：功能：負(fù)載遺傳信息。負(fù)載遺傳信息。 由大型環(huán)狀雙鏈由大型環(huán)狀雙鏈DNADNA纖絲不規(guī)則地折疊或纏纖絲不規(guī)則地折疊或纏繞而構(gòu)成的無核膜、核仁的區(qū)域繞而構(gòu)成的無核膜、核仁的區(qū)域 (Bacillus megaterium) Prokaryotic Cell Examples of nucleoid structure and distribution in Sulfolobus cells. 二 核質(zhì)體超螺旋化 正超螺旋 負(fù)超螺旋 通過EB結(jié)合實驗可以判斷螺旋情況 每一個結(jié)構(gòu)域由一個DNA環(huán)組成，環(huán)的兩端固定在蛋白上

5、，一旦DNA出現(xiàn)缺口，解旋只能是局部的，不能傳遞到下一個結(jié)構(gòu)域，保證了細(xì)菌核質(zhì)體的穩(wěn)定。 每一個細(xì)菌基因組約100個左右的結(jié)構(gòu)域，每個約40Kb DNA 細(xì)菌中的環(huán)狀DNA分子通常呈負(fù)超螺旋，負(fù)超螺旋含有自由能，可以為打開雙鏈提供能量。 唯一含有正超螺旋DNA生物是某些極端高溫（溫泉）環(huán)境中的微生物，這種結(jié)構(gòu)可以防止DNA在高溫中變性。三、拓?fù)洚悩?gòu)酶 通過切斷DNA的一條或兩條鏈中的磷酸二酯鍵，然后重新纏繞和封口來更正DNA連環(huán)數(shù)的酶。 拓?fù)洚悩?gòu)酶I催化DNA鏈的斷裂和重新連接，每次只作用于一條鏈，即催化瞬時的單鏈的斷裂和連接，它們不需要能量輔因子如ATP或NAD。 拓?fù)洚悩?gòu)酶II能同時斷裂并

6、連接雙股DNA鏈它們通常需要能量輔因子ATP。在拓?fù)洚悩?gòu)酶II中又可以分為兩個亞類： 一個亞類是DNA旋轉(zhuǎn)酶(DNA gyrase )，其主要功能為引入負(fù)超螺旋，在DNA復(fù)制中起十分重要的作用。迄今為止，只有在原核生物中才發(fā)現(xiàn)DNA旋轉(zhuǎn)酶 另一個亞類是轉(zhuǎn)變超螺旋DNA(包括正超螺旋和負(fù)超螺旋)成為沒有超螺旋的松弛形式(relaxed form )。這一反應(yīng)雖然是熱力學(xué)上有利的方向，但不知道為什么它們?nèi)匀幌馜NA旋轉(zhuǎn)酶一樣需要ATP，這可能與恢復(fù)酶的構(gòu)象有關(guān)。這一類酶在原核生物和真核生物中都有發(fā)現(xiàn)。 拓?fù)洚悩?gòu)酶可以將復(fù)制后交聯(lián)的DNA環(huán)分開，有助于細(xì)胞分裂時DNA的平均分配。 如用抗生素阻止拓?fù)?/p>

7、異構(gòu)酶編碼基因gyrA和gyrB表達(dá)，將可能引起細(xì)胞死亡。四 其他結(jié)合DNA的蛋白質(zhì) Hu蛋白 Hi蛋白 P蛋白 五、抗生素抑制細(xì)胞生長1.抗生素阻礙前體合成 抑制二氫葉酸還原酶： 阻止嘌呤和嘧啶合成 抑制核糖核苷酸還原酶 與dUMP競爭作用2.抗生素阻礙核苷酸的聚合 類脫氧核甘酸 缺少羥基 DNA交聯(lián) 絲裂霉素C能夠交聯(lián)兩個G 作用對象無原核真核區(qū)分，一般用于腫瘤治療3.抗生素作用于DNA結(jié)構(gòu) 吖啶類染料 吖啶黃、吖啶橙等 類胸腺嘧啶 錯誤插入引起錯配4.抗生素作用于旋轉(zhuǎn)酶 GyrA抑制 GyrB抑制六、原核生物的基因 基因組結(jié)構(gòu) 重疊基因 重疊基因在表達(dá)時利用不同閱讀框。 重疊基因及基因內(nèi)

8、基因的現(xiàn)象反映了原核生物利用有限的遺傳資源表達(dá)更多生物功能的能力。174噬菌體的基因結(jié)構(gòu)噬菌體的基因結(jié)構(gòu)HGFJDCA BE蛋白蛋白D 丙丙 谷谷 甘甘 纈纈 蛋蛋 終止終止GCGGAAGGAGTGATGTAATGTCT蛋白蛋白E 精精 賴賴 谷谷 終止終止 起始起始 絲絲 蛋白蛋白J第二節(jié) 細(xì)菌染色體復(fù)制 復(fù)制起始 復(fù)制終止 終止區(qū)（ter) 復(fù)制叉雙向碰頭停止復(fù)制Tus蛋白結(jié)合ter區(qū)，抑制解旋酶活性，阻止DNA B蛋白移動，阻止復(fù)制叉移動，等待另外一個復(fù)制叉到來。細(xì)胞分裂與染色體復(fù)制協(xié)同 復(fù)制后兩個子代DNA的分離 利用拓?fù)洚悩?gòu)酶或者重組酶完成。一條分子發(fā)生斷裂，利用斷口跨過另外一條DN

9、A分子，從而分開兩條分子。 復(fù)制后染色體的精確分配 目前機(jī)制不清楚 質(zhì)粒的精確分配由Par A 和 Par B 蛋白完成。染色體復(fù)制與細(xì)胞分裂協(xié)同細(xì)胞周期與染色體復(fù)制協(xié)同 DnaA 蛋白合成的調(diào)節(jié) DnaA結(jié)合到oriC區(qū)啟動復(fù)制 復(fù)制的起始可能與DnaA的最低濃度有關(guān) 但是細(xì)胞生長快慢不一致時， DnaA濃度確一致，因此可能還有其他因子的輔助功能。 Dam甲基化酶對復(fù)制起始的鎖定。 全甲基化的oriC區(qū)能啟動復(fù)制，半甲基化的oriC區(qū)易于細(xì)胞膜結(jié)合 可能使復(fù)制過程等待細(xì)胞分裂進(jìn)程 同時甲基化也能調(diào)控DnaA蛋白的合成第三節(jié) 噬菌體 噬菌體噬菌體（phage,bacteriophage）即原核生物的病毒，包括（bacteriophage）,（actinophage)(cyanophage)等。在自然界中分布廣泛，有原核有原核生物的地方就有相應(yīng)的噬菌體。噬菌體種類 主要為六種主要形態(tài)A型，dsDNA，蝌蚪狀，收縮性尾B型，dsDNA，蝌蚪狀，非收縮性尾C型，dsDNA，非收縮性尾D型，ssDNA，球狀，無尾，大頂衣殼粒E型，ssRNA，球狀，無尾，小頂衣殼粒F型，ssDNA，絲狀，五頭尾噬菌體構(gòu)造一、噬菌體裂解發(fā)育循環(huán) 早期基因、中期基因、晚期基因T4噬菌體基因表達(dá)噬菌體DNA復(fù)制 M13復(fù)制 單鏈DNA-RF-切開小口-滾環(huán)復(fù)制 噬菌體復(fù)制 宿主