真核細胞基因組結構和功能

1、關于真核細胞基因組結構與功能第一張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體的結構染色體研究的歷史背景染色體的化學組成 核小體的結構第二張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體研究的歷史背景：1865年，Mendel（奧地利）歷時八年，完成了植株（豌豆）雜交試驗，在此基礎上總結出二個著名遺傳學定律： 分離定律 獨立分配定律“遺傳因子”（genetic factor）是 Mendel 定律的基本思路，每一植株的各種相對性狀都來源兩個相同的“遺傳因子”，它們有顯性和隱性之分， “遺傳因子”含義是指決定遺傳性狀的基本遺傳單位第三張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月遺傳因子第四

2、張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體存在于細胞核中，經適當染色后可見由細絲狀顆粒物質所組成，一般在細胞分裂時才能看到在不同物種的細胞中，它們的數(shù)目不一樣，但總是以二條成對的同源（homologous）染色體的形式存在，且數(shù)目恒定第五張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞周期 （cell cycle）細 胞 產 生 到 分 裂 成 子 細 胞 之 間 的 過 程 大 腸 桿 菌 約 每 30 分 鐘 分 裂 一 次 ， 其 中 大 約 29 分 鐘 花 在 復 制 DNA 果 蠅 的 胚 胎 細 胞 周 期 只 有 8 分 鐘 大 部 分 成 長 中 的 動 植 物 細

3、胞 要 花 10 - 20 個 小 時 才 分 裂 完 畢第六張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體是遺傳的物質基礎體細胞增殖 有絲分裂（mitosis）方式 染色體對自身復制 姐妹染色體（sister chromatid） 姐妹染色體一分為二進入子細胞第七張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞分裂第八張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體是遺傳的物質基礎生殖細胞增殖 減數(shù)分裂（meiosis）方式 同源染色體分別進入新的子代細胞而產 生生殖細胞配子（精子或卵子），配 子只含有體細胞一半的染色體數(shù) 配子結合成合子后又恢復到體細胞的染 色體數(shù)，一個來自父本，一個

4、來自母本第九張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月減數(shù)分裂第十張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體與“遺傳因子”極其相似二者均成對存在，且其中的每個成員分別來自父、母親代產生配子時，配子只含“遺傳因子”（等位基因）中的一個或染色體對中的一條非等位基因及非同源染色體均可自由組合到配子中在上述基礎上，Sutton和Boveri（1902-1903）提出了染色體遺傳學 認為：染色體是“遺傳因子”的攜帶者第十一張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月基因連鎖和交換規(guī)律Morgan：發(fā)現(xiàn)了伴性基因，總結出了遺傳學上著名的基因連鎖（linkage）和交換（crossing-over

5、）規(guī)律通過測定連鎖的回交試驗，證實了基因在染色體上呈線性排列的事實產生了遺傳學上最早的基因定位線性遺傳圖第十二張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月Homologous chiasma第十三張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月第十四張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月Conversion and Crossover第十五張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月第十六張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體的主要化學成分DNA蛋白質RNA生化研究表明：上述三類組成染色體的化學成分中，蛋白質含量約為DNA的二倍，根據(jù)組成蛋白質的氨基酸特點分為組蛋白和非組蛋白兩類

6、。RNA含量很少，還不到DNA量的10%第十七張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月組蛋白（histones） 染色體中的堿性蛋白質特點：富含二種堿性氨基酸（賴氨酸和精氨酸）根據(jù)這兩種氨基酸在蛋白質分子中的相對比例將組蛋白分為五種小類型第十八張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月五種組蛋白比較第十九張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月組蛋白組蛋白的等電點（pI）在7.5-10.5之間，所含的強極性氨基酸使組蛋白帶上大量電荷，成為組蛋白與DNA結合及蛋白質之間的相互作用的主要化學力之一根據(jù)所含堿性氨基酸的相對比例劃分為三種類型：富精氨酸組蛋白（H3和H4），稍富賴氨酸組蛋白（

7、H2A和H2B）及極富賴氨酸組蛋白（H1）第二十張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月組蛋白五種組蛋白的氨基酸全順序均已確定。 H3 和 H4 的序列在各種屬之間極少有差異，這種生物進化上的高度保守性預示著其功能的重要性。其它三種組蛋白在不同種屬之間存在著較大的差異組蛋白對染色體中DNA的包裝有十分重要的作用第二十一張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月組蛋白第二十二張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月非組蛋白（non-histone protein，NHP）染色體中組蛋白以外的其它蛋白質是一大類種類繁雜的各種蛋白質的總稱估計總數(shù)在 300-600 之間分子量范圍為7-80

8、kD等電點為3.9-9.2第二十三張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月非組蛋白功能1. 參與并調控基因表達 參與基因復制、轉錄及核酸修飾的酶 類（如各種 DNA和 RNA聚合酶等） 就是一類重要的非組蛋白 參與轉錄調控的蛋白質2. 維持染色體的高級結構 非組蛋白中的核基質蛋白對于維持染 色體的高級結構是必不可少的。第二十四張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體的包裝第二十五張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月核小體（nucleosome） 1974年，Kornberg 發(fā)現(xiàn)核小體 核小體是所有真核生物染色體的 基本結構單位第二十六張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于202

9、2年6月核小體的研究（一）電鏡觀察破裂的間期細胞流出的染色質，可見染色質纖維呈非連續(xù)性顆粒狀，就像一條細線上串聯(lián)著許多有一定間隔的小珠狀顆粒（核小體）用小球菌核酸酶處理提取的染色質，可得到單個的核小體顆粒對染色質進行酶解處理，通過凝膠電泳鑒定，發(fā)現(xiàn)：產物是一系列不同長度的DNA片段，且這些片段之間有一個200 bp左右的“階差”第二十七張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月核小體的研究（二）對核小體多聚體的研究，獲得的結果是：相鄰多聚體之間的DNA“階差”等于核小體單體中的DNA長度（200 bp 左右），且多聚體分子量總是單體分子量的整倍數(shù)以密度梯度離心法制備核小體單體，對其中的蛋白質

10、進行化學分析得知，每一個單體中含有H2A、H2B、H3和H4各二分子（它們構成一個八聚體），H1一分子第二十八張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十九張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月核小體是染色體的基本結構單位核小體重復單位所有真核生物中具有普遍意義的染色體基本結構不同生物（或同種生物的不同細胞）的核小體，其DNA片段長度的有所差別一種細胞通常有特定的平均值，一般為180-200bp每一核小體所含的DNA與組蛋白的量大致相等第三十張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月核小體結構的研究（一）核酸酶酶解實驗結果： 核小體由核心顆粒（core particle）和連接區(qū)

11、DNA（linker DNA）二部分組成核小體單體被小球菌核酸酶處理后，隨著時間延長，其降解產物（DNA片段）會逐漸縮短，從 200 bp降至 146 bp至此變?yōu)楹茈y進一步降解的穩(wěn)定狀態(tài)第三十一張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月核小體結構的研究（二）對此穩(wěn)定降解產物進行分析，證明它是由146 bp 的DNA片段和 H2A、H2B、H3 和H4各二分子組成，這種結構稱為核心顆粒（core particle）H1總是隨著核心顆粒的形成而消失，通常是在DNA被降解至160 bp以后，提取物中H1丟失，提示H1位于“裸露”DNA與核心顆粒的毗鄰區(qū)第三十二張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于202

12、2年6月核小體結構的研究（三）核心顆粒外，“裸露”的DNA長度為60bp左右，稱為連接區(qū)DNA （linker DNA）連接區(qū)DNA的長度在不同物種差異較大，其范圍在10-140bp第三十三張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月核小體結構的研究（四）生物物理的有關研究說明：DNA盤繞在組蛋白八聚體的周圍，呈很有規(guī)律的螺旋狀根據(jù)上述結果，我們對核小體的結構可作這樣的描述：染色質中的DNA雙螺旋鏈，等距離纏繞組蛋白八聚體形成眾多核心顆粒，各顆粒之間為帶有H1組蛋白的連接區(qū)DNA。組成染色質的重復結構單位就是核小體第三十四張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月核小體結構（一）1. 核心顆

13、粒外觀呈橢圓形，軸比為 0.5，顆粒直徑11nm，高5.5nm， 繞顆粒的 DNA 長度為 50 nm（146bp），連接區(qū) DNA 長度為 20nm（約60bp）第三十五張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月核小體結構（二）2. （H2AH2BH3H4）2 構成的致密八 聚體位于顆粒中央，外繞 1.75 圈左走向 的 DNA 鏈，每圈約85bp DNA，螺旋間 距為2.8 nm，組蛋白主要為-螺旋，處 于DNA雙螺旋的大溝中，靠靜電引力與 DNA保持穩(wěn)定結合。由于空間構象的關 系，纏繞在蛋白八聚體上的DNA鏈并非 所有部分都與組蛋白結合第三十六張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6

14、月核小體結構（三）3. 相鄰核心顆粒由連接區(qū) DNA 連接，其 伸展長度約20 nm（據(jù)認為天然狀況下 由于核小體是緊挨著的，這一空間距離 可能并不存在）。H1組蛋白結合在靠核 心顆粒的連接區(qū)DNA上第三十七張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體的包裝超螺旋結構核小體：染色體DNA的一級包裝由直徑2nm的DNA雙螺旋鏈繞組蛋白形成直徑11nm 的核小體 “串珠” 結構，若以每堿基對沿螺旋中軸上升距離為 0.34 nm計，200bp DNA（一個核小體的DNA片段）的伸展長度為 68 nm，形成核小體后僅為11 nm（核小體直徑），其長度壓縮了6-7倍第三十八張，PPT共一百零五頁，

15、創(chuàng)作于2022年6月染色體的包裝超螺旋結構螺線管纖維（solenoidal fiber）：染色體DNA二級包裝由6個核小體盤繞形成一種中空螺線管，其外徑為30 nm，因此，螺線管的形成使DNA一級包裝又壓縮小6倍若以充分伸展的DNA雙螺旋論，每個螺線管包含了408 nm（668 nm）長度的DNA鏈，而每圈螺線管的長度幾乎等于核小體直徑，即11nm，故染色體的二級包裝相當于將DNA長度壓縮了近40倍第三十九張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體的包裝超螺旋結構環(huán)狀螺線管：染色體DNA的三級的包裝電鏡顯示，由螺線管纖維纏繞在一個由某些非組蛋白構成的中心軸（centralaxis）骨架

16、上形成的。這顯然使螺線管纖維得到了較大程度的壓縮第四十張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體的包裝超螺旋結構三級包裝后，DNA鏈被壓縮的程度仍遠遠不足以形成能被細胞核容納的染色體，因此，環(huán)狀螺線管纖維需進一步包裝從環(huán)狀螺線管到包裝形成染色體，是DNA壓縮程度最高的階段，估計在200-240倍。經各級包裝后染色體DNA總共被壓縮了數(shù)千倍（8100多倍）第四十一張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十二張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體的包裝第四十三張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月真核生物染色體基因組的結構和功能第四十四張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作

17、于2022年6月真核生物的基因組比較龐大人的單倍體基因組3.16109 bp按1000個堿基編碼一種蛋白質計：理論上，可有300萬個基因實際上，人細胞中所含基因總數(shù)大概不會超過10萬個說明：人類細胞基因組中有許多DNA序列并不轉錄成mRNA用于指導蛋白質的合成 第四十五張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月真核生物基因組特點1. 真核生物基因組DNA與蛋白質結合形成 染色體，儲存于細胞核內， 除配子細胞 外， 體細胞內的基因的基因組是雙份的 （即雙倍體,diploid），即有兩份同源的 基因組2. 真核細胞基因轉錄產物為單順反子。一 個結構基因經過轉錄生成一個mRNA分 子，再翻譯生成一

18、條多肽鏈第四十六張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月真核生物基因組特點3. 存在重復序列，重復次數(shù)可達百萬次以 上4. 基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼的區(qū)域5. 大部分基因含有內含子，因此，基因是 不連續(xù)的（斷裂基因，split gene）6. 基因組遠遠大于原核生物的基因組，具 有許多復制起始點，而每個復制子的長 度較小第四十七張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月真核生物基因結構示意圖第四十八張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月高度重復序列high repeated sequence高度重復序列在基因組中重復頻率高，可達百萬（106）以上，因此復性速度很快 在基因組中所

19、占比例隨種屬而異，約占10-60，在人基因組中約占 20 。高度重復順序又按其結構特點分為三種 第四十九張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月高度重復序列種類反向重復序列 衛(wèi)星DNA 較復雜的重復單位組成的重復順序 功能 第五十張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月倒位（反向）重復序列reverse repeated sequence這種重復順序復性速度極快，即使在極稀的DNA濃度下，也能很快復性，因此又稱零時復性部分，約占人基因組的5反向重復序列由兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA鏈上反向排列而成。變性后再復性時，同一條鏈內的互補的拷貝可以形成鏈內堿基配對，形成發(fā)夾式或“+”字形

20、結構第五十一張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月倒位（反向）重復序列第五十二張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月倒位（反向）重復序列倒位重復（即兩個互補拷貝）間可有一到幾個核苷酸的間隔，也可以沒有間隔沒有間隔的又稱回文（palimdrome）回文結構約占所有倒位重復的三分之一第五十三張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月衛(wèi)星DNAsatellite DNA重復順序：由2-10bp組成重復單位，重復單位成串排列而成由于這類序列的堿基組成不同于其他部份，可用等密度梯度離心法將其與主體DNA 分開，因而稱為衛(wèi)星DNA （或隨體DNA）在人細胞組中，衛(wèi)星 DNA約占 5-6 按其

21、浮力密度不同，人的衛(wèi)星DNA可分為、四種第五十四張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月衛(wèi)星DNA第五十五張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月衛(wèi)星DNA果蠅的衛(wèi)星DNA順序已經搞清楚，可分為三類，這三類衛(wèi)星DNA都是由7bp組成的高度重復順序： 衛(wèi)星為：5 ACAACTT 3 衛(wèi)星為：5 ACAAATT 3蟹的衛(wèi)星DNA為只有AT兩個堿基的重復順序組成第五十六張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月較復雜的重復單位組成的重復順序這種重復順序為靈長類動物 所獨有用限制性內切酶 Hind 消化非洲綠猴DNA，可以得到重復單位為172 bp的高度重復順序，這種順序大部份由交替變化的嘌

22、呤和嘧啶組成。有人把這類稱為衛(wèi)星DNA人的衛(wèi)星DNA更為復雜，含有多順序家族第五十七張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月高度重復順序的功能1. 調節(jié)反向序列常存在于DNA復制起點區(qū)的附近。另外，許多反向重復序列是一些蛋白質（包括酶）與DNA的結合位點2. 參與基因表達的調控DNA的重復順序可以轉錄到核內不均一RNA（hnRNA）分子中，并形成發(fā)夾結構，這對穩(wěn)定RNA分子，免遭分解有重要作用第五十八張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月高度重復順序的功能3. 參與轉位作用 幾乎所有轉位因子的末端都包括反向重復順序，長度由幾個bp 到1400bp。由于這種順序可以形成回文結構，因此在

23、轉位作用中既能連接非同源的基因，又可以被參與轉位的特異酶所識別第五十九張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月高度重復順序的功能4. 與進化有關 不同種屬的高度重復順序的核苷酸序列不同，具有種屬特異性，但相近種屬又有相似性。如：人與非洲綠猴的衛(wèi)星 DNA長度僅差1個堿基（前者為171 bp，后者為172bp），而且堿基序列有65是相同的，這表明它們來自共同的祖先第六十張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月高度重復順序的功能5. 同一種屬中不同個體的高度重復順序的重復次數(shù)不一樣，這可以作為每一個體的特征，即DNA指紋6. 衛(wèi)星 DNA 成簇的分布在染色體著絲粒附近，可能與減數(shù)分裂時染色

24、體配對有關，即同源染色體之間的聯(lián)會可能依賴于具有染色體專一性的特定衛(wèi)星DNA順序第六十一張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月中度重復序列middle repeated sequenceAlu家族 Kpn家族 Hinf家族 rRNA基因 多聚dd家族 組蛋白基因 第六十二張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月中度重復順序中度重復序列：在基因組中重復數(shù)十至數(shù)萬（100拷貝），大部份組蛋白基因串聯(lián)重復形成基因簇第九十二張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月組蛋白基因在果蠅和非洲爪蟾中，5 種組蛋白也排成一個重復單位，也存在間隔區(qū)，組蛋白基因的轉錄方向不一樣。多個重復單位形成串聯(lián)重

25、復排列哺乳動物，組蛋白基因一般不再形成重復單位，而呈散在分布或集成一小群盡管組蛋白基因在基因組中的排列和分布在不同生物之間相差甚大，但所有組蛋白基因都不含內含子，而且組蛋白基因序列都很相似，從而編碼的組蛋白在結構上和功能上也極為相似第九十三張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月組蛋白基因基因組中存在大量重復序列用以編碼組蛋白是有其重要意義的DNA復制時，組蛋白也要成倍增加，而且往往在DNA合成一小段后，組蛋白馬上就要與其相結合，這要求在較短的時間內合成大量的組蛋白，因而需要有大量的組蛋白基因存在第九十四張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月超基因人體基因組中還有幾個大的基因簇，也屬

26、于中度重復序列的長分散片段。在一個基因簇內含有幾百個功能相關的基因，這些基因簇又稱為超基因（Super gene），如人類主要組織相容性抗原復合體HLA和免疫球蛋白重鏈及輕鏈基因都屬于超基因超基因可能是由于基因擴增后又經過功能和結構上的輕微改變而產生的，但仍保留了原始基因的結構及功能的完整性第九十五張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月抗體基因的形成第九十六張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月單拷貝順序（低度重復順序）單拷貝順序在單倍體基因組中只出現(xiàn)一次或數(shù)次，因而復性速度很慢單拷貝順序在基因組中占 50-80 ，如人基因組中，大約有 60-65 的順序屬于這一類。單拷貝順序中儲存了巨大的遺傳信息，編碼各種不同功能的蛋白質目前尚不清楚單拷貝基因的確切數(shù)字，在單拷貝順序中只有一小部份用來編碼各種蛋白質，其他部份的功能尚不清楚第九十七張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年6月單拷貝順序（低度重復順序）在基因組中，單拷貝順序的兩側往往為散在分布的重復順序由于某些單拷貝順序編碼蛋白質，體現(xiàn)了生物的各種功能，因此對這些序列的研究對醫(yī)學實踐有特別重要的意義由于其拷貝數(shù)少，在DNA重組技術出現(xiàn)以前，要分離和分析其結構和順序幾乎是不可能的第九十八張，PPT共一百零五頁，創(chuàng)作于2022年