第二章染色體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)

染色質(zhì)絲的電子顯微鏡照片——由從串的核小體組成

21號中期染色體的光學(xué)和電子顯微照片

核小體一個染色單體為一條染色質(zhì)絲當(dāng)前第1頁\共有66頁\編于星期五\22點

染色質(zhì)與染色體是由DNA、組蛋白、非組蛋白及RNA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)在細胞周期的不同時期中所表現(xiàn)的兩種不同的存在形式。染色質(zhì)是細胞間期核內(nèi)伸展開的DNA蛋白纖維。染色體是高度螺旋化的DNA蛋白纖維，是在細胞分裂期看得見的可用染料染色的條狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)前第2頁\共有66頁\編于星期五\22點一、染色質(zhì)的化學(xué)組成核酸蛋白質(zhì)成分DNARNA組蛋白非組蛋白所占比例11當(dāng)前第3頁\共有66頁\編于星期五\22點（一）DNA單一序列（uniqueseq.)

中度重復(fù)序列（middlerepetitiveseq.)高度重復(fù)序列（highlyrepetitiveseq.)當(dāng)前第4頁\共有66頁\編于星期五\22點1.單一序列（uniquesequence)

在基因組中僅有一個或幾個拷貝，負責(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。當(dāng)前第5頁\共有66頁\編于星期五\22點2.中度重復(fù)序列（middlerepetitivesequence)

重復(fù)次數(shù)在10~105之間。多數(shù)是不編碼的序列，構(gòu)成基因的間隔序列，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。當(dāng)前第6頁\共有66頁\編于星期五\22點3.高度重復(fù)序列（highlyrepetitivesequence)

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)。當(dāng)前第7頁\共有66頁\編于星期五\22點（二）組蛋白

組蛋白是真核細胞染色質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶正電荷的精氨酸和賴氨酸，屬堿性蛋白質(zhì)。其含量恒定，在真核細胞中共有5種。當(dāng)前第8頁\共有66頁\編于星期五\22點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H1存在于核心顆粒，形成核小體存在于核心顆粒，形成核小體存在于核心顆粒，形成核小體存在于核心顆粒，形成核小體29.0021523.0低高高極高極高H2AH2BH3H41.2212914.02.6612513.60.7713515.30.7910211.3存在于連接線上核小體蛋白，幫助DNA卷曲形成核小體當(dāng)前第9頁\共有66頁\編于星期五\22點核小體當(dāng)前第10頁\共有66頁\編于星期五\22點組蛋白的化學(xué)修飾乙酰化：可改變賴氨酸所帶的電荷，降低組蛋白與DNA的結(jié)合，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的進行。

磷酸化：同乙酰化

甲基化：可增強組蛋白和DNA的相互作用，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性當(dāng)前第11頁\共有66頁\編于星期五\22點（三）非組蛋白①酸性蛋白質(zhì)，帶負電荷,富含天門冬AA，谷AA等酸性AA②種類多

③具有種屬和組織特異性

④整個周期都能合成

特性當(dāng)前第12頁\共有66頁\編于星期五\22點非組蛋白是染色體上與特異DNA序列結(jié)合的蛋白質(zhì)，能識別特異的DNA序列，識別信息存在于DNA本身，位點在大溝部分，識別與結(jié)合籍氫鍵和離子鍵。當(dāng)前第13頁\共有66頁\編于星期五\22點非組蛋白的功能

①參與構(gòu)建染色體②啟動DNA的復(fù)制③調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄當(dāng)前第14頁\共有66頁\編于星期五\22點當(dāng)前第15頁\共有66頁\編于星期五\22點二、染色質(zhì)的類型當(dāng)前第16頁\共有66頁\編于星期五\22點伸展?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.在細胞分裂期，常染色質(zhì)位于染色體的臂。

(一)常染色質(zhì)（euchromatin)

當(dāng)前第17頁\共有66頁\編于星期五\22點（二）異染色質(zhì)（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)。當(dāng)前第18頁\共有66頁\編于星期五\22點結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)（constitutiveheterochromatin)

在各種細胞類型的細胞周期中（除復(fù)制期外）都呈濃縮狀態(tài)，由高度重復(fù)的DNA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)早聚縮晚復(fù)制。當(dāng)前第19頁\共有66頁\編于星期五\22點兼性異染色性（facultativeheterochromatin)

在某些細胞類型或在一定發(fā)育階段，原來的常染色質(zhì)聚縮，喪失轉(zhuǎn)錄活性，變?yōu)楫惾旧|(zhì)。兼性異染色質(zhì)的總量隨細胞類型而變化，一般胚胎細胞含量少，高度分化的細胞含量較多，說明隨著細胞分化，較多的基因漸次以聚縮狀態(tài)而關(guān)閉。因此，染色質(zhì)的壓縮折疊可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑。當(dāng)前第20頁\共有66頁\編于星期五\22點當(dāng)前第21頁\共有66頁\編于星期五\22點當(dāng)前第22頁\共有66頁\編于星期五\22點常、異染色質(zhì)的區(qū)別常染色質(zhì)

異染色質(zhì)螺旋化程度低高染色較淺較深間期核中央核邊緣分裂期染色體臂著絲粒區(qū)和端粒區(qū)活性常轉(zhuǎn)錄很少轉(zhuǎn)錄復(fù)制時間S早、中期S晚期當(dāng)前第23頁\共有66頁\編于星期五\22點染色質(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（一）染色質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)模型三、染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)與包裝當(dāng)前第24頁\共有66頁\編于星期五\22點1.一級結(jié)構(gòu)

核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，為染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)，10nm。當(dāng)前第25頁\共有66頁\編于星期五\22點球狀組蛋白核心H4DNA雙螺旋(140-160bp、1.75圈）H3H4H3H2AH2AH2BH2BH4H3H3H4H2AH2AH2BH2B10nm連接DNA（60bp）H1H1核小體核心部連接部DNA分子：140-160bp、1.75圈組蛋白：2（H2A、H2B、H3、H4）八聚體組蛋白：H1DNA分子：60bp核小體當(dāng)前第26頁\共有66頁\編于星期五\22點2.二級結(jié)構(gòu)：螺線管是染色質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)，6個核小體纏繞一圈形成的中空性管.外30nm;內(nèi)10nm,組蛋白H1位于螺旋管內(nèi)側(cè)。當(dāng)前第27頁\共有66頁\編于星期五\22點內(nèi)10nm組蛋白H1當(dāng)前第28頁\共有66頁\編于星期五\22點染色質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)：螺線管當(dāng)前第29頁\共有66頁\編于星期五\22點3.三級結(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。4.四級結(jié)構(gòu)：超螺線管進一步折疊成為四級結(jié)構(gòu)—染色單體。（DNA分子長度壓縮至1/8000~1/10000）。當(dāng)前第30頁\共有66頁\編于星期五\22點當(dāng)前第31頁\共有66頁\編于星期五\22點（二）染色質(zhì)的袢環(huán)結(jié)構(gòu)模型(loopmodel)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)當(dāng)前第32頁\共有66頁\編于星期五\22點袢環(huán)模型（loopmodel）染色體支架（非組蛋白）袢環(huán)（30nm螺線管）123456789101112131415161718當(dāng)前第33頁\共有66頁\編于星期五\22點當(dāng)前第34頁\共有66頁\編于星期五\22點（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、染色體當(dāng)前第35頁\共有66頁\編于星期五\22點中期染色體按著絲粒的位置分為：

1/2~5/8中央著絲粒染色體5/8~7/8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當(dāng)前第36頁\共有66頁\編于星期五\22點主縊痕模式圖動粒結(jié)構(gòu)域配對結(jié)構(gòu)域中心結(jié)構(gòu)域當(dāng)前第37頁\共有66頁\編于星期五\22點隨體染色體的臂上凹陷縮窄形成次縊痕，與核仁的形成有關(guān)，稱為核仁組織區(qū)（NOR)。當(dāng)前第38頁\共有66頁\編于星期五\22點端粒（telomere）當(dāng)前第39頁\共有66頁\編于星期五\22點生殖細胞、胚胎干細胞和腫瘤細胞含有端粒酶，可以使端?；謴?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胞的生命鐘,當(dāng)端?？s短到一定程度，即是細胞衰老的標(biāo)志。端粒（telomere）當(dāng)前第40頁\共有66頁\編于星期五\22點端粒酶是一種由蛋白質(zhì)和RNA組成的核糖核蛋白酶。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)致細胞衰老。端粒酶端粒酶與端粒的關(guān)系當(dāng)前第41頁\共有66頁\編于星期五\22點

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。當(dāng)前第42頁\共有66頁\編于星期五\22點ElizabethH.Blackburn伊麗莎白-布萊克本CarolW.Greider卡羅爾-格雷德JackW.Szostak杰克-紹斯塔克UniversityofCalifornia

SanFrancisco,CA,USA美國加利福尼亞舊金山大學(xué)JohnsHopkinsUniversitySchoolofMedicine

Baltimore,MD,USA巴爾的摩約翰-霍普金斯醫(yī)學(xué)院HarvardMedicalSchool;MassachusettsGeneralHospital

Boston,MA,USA;哈佛醫(yī)學(xué)院當(dāng)前第43頁\共有66頁\編于星期五\22點（二）染色體穩(wěn)定遺傳的功能序列：當(dāng)前第44頁\共有66頁\編于星期五\22點１.自主復(fù)制序列

（autonomouslyreplicatingsequence,ARS）

是DNA復(fù)制的起點；

均有一段保守序列：200bp-A(T)TTTAT(C)A(G)TTTA(T)-200bp,當(dāng)前第45頁\共有66頁\編于星期五\22點

2、著絲粒序列(centromereDNAsequence,CEN)

由串聯(lián)重復(fù)序列組成，含有11個高度保守的堿基序列：-TGATTTCCGAA-，其功能是形成著絲粒，使細胞分裂中染色體能夠準(zhǔn)確地分離。當(dāng)前第46頁\共有66頁\編于星期五\22點3、端粒序列(telomericsequence,TEL)

不同生物的端粒序列都很相似，由長5-10bp的重復(fù)單位串聯(lián)而成。

草履蟲的TTGGGG錐蟲的TAGGG擬南芥的TTTAGGG

人的TTAGGG當(dāng)前第47頁\共有66頁\編于星期五\22點

端粒的功能：

①保證染色體末端的完全復(fù)制，端粒DNA提供復(fù)制線性DNA末端的模板。②在兩端形成保護性的帽結(jié)構(gòu)，使DNA免受核酸酶和其他不穩(wěn)定因素的破壞和影響。③在細胞的壽命、衰老和死亡中起作用。當(dāng)前第48頁\共有66頁\編于星期五\22點（三）、人類的正常核型1.核型（Karyotype）：

一個體細胞（somaticcell）中的全部染色體，按其大小和形態(tài)特征排列所構(gòu)成的圖像。

當(dāng)前第49頁\共有66頁\編于星期五\22點正常男性：46，XY正常女性：46，XX當(dāng)前第50頁\共有66頁\編于星期五\22點人類體細胞的正常核型（Denver體制）組染色體號主要特征A組B組C組D組E組F組G組123亞中著絲粒染色體中央著絲粒染色體4——5亞中著絲粒染色體6——12、X亞中著絲粒染色體大小13——15近端著絲粒染色體、有隨體161718亞中著絲粒染色體中央著絲粒染色體19——20中央著絲粒染色體21——22、Y近端著絲粒染色體、有隨體Y染色體略大、長臂平行伸展、無隨體當(dāng)前第51頁\共有66頁\編于星期五\22點123456789101112X13141516171819202122YABCEFGD當(dāng)前第52頁\共有66頁\編于星期五\22點2.染色體的顯帶技術(shù)

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深淺不同的橫紋——帶。

當(dāng)前第53頁\共有66頁\編于星期五\22點染色體標(biāo)本的制備1)人類外周血淋巴細胞培養(yǎng)及染色體標(biāo)本制備采血→接種→培養(yǎng)→秋