分子生物學(xué)本染色體與DNA

分子生物學(xué)本染色體與DNA第1頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1染色體

2.2.1染色體概述細胞內(nèi)的DNA主要在染色體上，所以說遺傳物質(zhì)的主要載體是染色體染色體包括DNA和蛋白質(zhì)兩大部分在不同的細胞周期，有染色體與染色質(zhì)之分區(qū)別：細胞增殖周期的有絲分裂中期，才出現(xiàn)染色體；其余時間為染色質(zhì)原核生物一般也稱“染色體”，但沒有核小體一級結(jié)構(gòu);而且,原核細胞一般是單倍體第2頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月染色體圖第3頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2真核細胞染色體的組成作為遺傳物質(zhì)，染色體具有的特征：P23穩(wěn)定能自我復(fù)制能指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成變異第4頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月染色體化學(xué)成分主要成分DNA組蛋白非組蛋白RNA酶含量穩(wěn)定，組成核小體含量隨細胞周期狀態(tài)不同而改變第5頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白：屬于堿性蛋白，按精氨酸/賴氨酸的比例，分為五種H1H2AH2BH3H4核小體組蛋白，沒有種屬和組織專一性不組成核小體，進化中最少保守多精氨酸多賴氨酸稍多賴氨酸第6頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白具有如下特征：P24（1）保守性（2）無組織特異性（3）氨基酸分布的不對稱性（4）修飾（磷酸化、乙?；谆?）H5（鳥、魚、兩棲類無H1有H5)第8頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月非組蛋白：（1）HMG蛋白：可能與DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)。（2）DNA結(jié)合蛋白：是酸性蛋白，又稱序列特異性DNA結(jié)合蛋白，其功能為：參與染色體的構(gòu)建啟動基因的復(fù)制調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄（3）A24非組蛋白第9頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月DNA：真核細胞DNA序列大致可分為3類：不重復(fù)序列（單拷貝序列、低度重復(fù)序列）中度重復(fù)序列高度重復(fù)序列第10頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月單拷貝順序（低度重復(fù)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(fù)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?qū)儆谶@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(zhì)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(zhì)，其他部份的功能尚不清楚

第11頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月中度重復(fù)順序

中度重復(fù)序列：在基因組中重復(fù)數(shù)十至數(shù)萬（<105）次的重復(fù)順序中度重復(fù)序列復(fù)性速度快于單拷貝順序，但慢于高度重復(fù)順序少數(shù)在基因組中成串排列在一個區(qū)域，大多數(shù)與單拷貝基因間隔排列第12頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月中度重復(fù)順序中度重復(fù)順序在基因組中所占比例在不同種屬之間差異很大，一般約占10-40％，在人約為12％大多不編碼蛋白質(zhì)，其功能可能類似于高度重復(fù)順序。但有些中度重復(fù)順序則是編碼蛋白質(zhì)或rRNA的結(jié)構(gòu)基因，如HLA基因，rRNA基因，tRNA基因，組蛋白基因，免疫球蛋白基因，等第13頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月中度重復(fù)序列

middlerepeatedsequenceAlu家族

KpnⅠ家族

Hinf家族

rRNA基因

組蛋白基因

HLA基因免疫球蛋白基因第14頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月中度重復(fù)順序——Alu家族

是哺乳動物基因組中含量最豐富的一種中度重復(fù)順序家族在單倍體人基因組中重復(fù)達30萬-50萬次，約占人基因組的3-6％Alu序列分散在整個人體或其他哺乳動物基因組中，在間隔區(qū)DNA，內(nèi)含子中都發(fā)現(xiàn)有Alu序列，平均每5kbDNA就有一個Alu順序第15頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月中度重復(fù)順序——Alu家族Alu家族每個成員的長度約300bp每個單位長度中有一個限制性內(nèi)切酶Alu的切點（AG↓CT），Alu可將其切成長130和170bp的兩段，因而定名為Alu序列（或Alu家族）第16頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月中度重復(fù)順序——Alu家族序列分析表明：人類Alu順序是由兩個約130bp的正向重復(fù)構(gòu)成的二聚體，而在第二個單體中有一個31bp的插入序列，該插入序列在Alu家族的不同成員之間核苷酸順序相似但不相同每個Alu順序兩側(cè)為6-20bp的正向重復(fù)順序（側(cè)翼重復(fù)順序），不同的Alu成員的側(cè)翼重復(fù)順序也各不相同第17頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月中度重復(fù)順序——Alu家族第18頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月中度重復(fù)順序——Alu家族Alu家族的功能是多方面的：可能參與hnRNA的加工與成熟與遺傳重組及染色體不穩(wěn)定性有關(guān)有形成Z-DNA的能力可能具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用第19頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月rRNA基因真核生物rRNA基因的重復(fù)次數(shù)多真核生物有四種rRNA（18S、28S、5S、5.8SrRNA）基因組中18S、28S和5.8SrRNA基因在同一轉(zhuǎn)錄單位，重復(fù)約5000次5SrRNA在低等真核生物（如：酵母）中也和18S、28SrRNA在同一轉(zhuǎn)錄單位；而在高等生物中，5SrRNA是單獨轉(zhuǎn)錄的，而且其在基因組中的重復(fù)次數(shù)高于18S和28SrRNA基因第20頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月真核生物rRNA基因結(jié)構(gòu)第21頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

第22頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月rRNA基因rRNA基因通常集中成簇存在，而不是分散于基因組中，這樣的區(qū)域稱為rDNA區(qū)染色體的核仁組織區(qū)（nucleolusorganizerregion）就是rDNA區(qū)第23頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月rRNA基因人類的rRNA基因位于13,14,15,21和22號染色體的核仁組織區(qū)每個核仁組織區(qū)平均含有50個rRNA基因的重復(fù)單位5SrRNA基因似乎全部位于1號染色體（1q42-43）上每單倍體基因組約有1000個5SrRNA基因第24頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月tRNA基因tRNA基因的準(zhǔn)確重復(fù)次數(shù)比較難以估計在非洲爪蟾中約有300個拷貝由tRNAmet,tRNAphe,tRNAtrp及其它tRNA基因組成的3.18kb的串聯(lián)重復(fù)單位在人體單倍基因組中約有1000-2000個tRNA基因，由50-60種tRNA基因編碼，每種平均重復(fù)20-30次第25頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白基因組蛋白基因在各種生物體內(nèi)重復(fù)的次數(shù)不一樣，但都在中度重復(fù)的范圍內(nèi)通常每種組蛋白的基因在同一種生物中拷貝數(shù)是相同的不同生物中組蛋白基因在基因組中的排列不一樣組蛋白基因沒有一定的排列方式，而在拷貝數(shù)高等生物基因組中（>100拷貝），大部份組蛋白基因串聯(lián)重復(fù)形成基因簇第26頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白基因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H2B-H2A-H4-H3-H1果蠅H1-H4-H2B-H3-H2A海膽但所有組蛋白基因都不含內(nèi)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(jié)構(gòu)上和功能上也極為相似第27頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

組蛋白基因基因組中存在大量重復(fù)序列用以編碼組蛋白是有其重要意義的DNA復(fù)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(jié)合，這要求在較短的時間內(nèi)合成大量的組蛋白，因而需要有大量的組蛋白基因存在第28頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月高度重復(fù)序列

highrepeatedsequence高度重復(fù)序列在基因組中重復(fù)頻率高，可達百萬（106）以上，因此復(fù)性速度很快在基因組中所占比例隨種屬而異，約占10-60％，在人基因組中約占20％。高度重復(fù)順序又按其結(jié)構(gòu)特點分為三種

第29頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月高度重復(fù)序列

種類反向重復(fù)序列

衛(wèi)星DNA

較復(fù)雜的重復(fù)單位組成的重復(fù)順序

第30頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月衛(wèi)星DNA

satelliteDNA

重復(fù)順序：由2-10bp組成重復(fù)單位，重復(fù)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％，按其浮力密度不同，人的衛(wèi)星DNA可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種

第31頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月衛(wèi)星DNA果蠅的衛(wèi)星DNA順序已經(jīng)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(fù)順序：

衛(wèi)星Ⅰ為：5’ACAACTT3’

衛(wèi)星Ⅱ為：5’ACAAATT3’蟹的衛(wèi)星DNA為只有AT兩個堿基的重復(fù)順序組成

第32頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

基因家族與假基因

真核基因組的另一特點就是存在基因家族（multigenefamily）多基因家族是指基因組中許多來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因第33頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

基因家族與假基因基因家族大致可分為兩類：一類是：基因家族成簇地分布在某一條染色體上，其可同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白質(zhì)（如：組蛋白基因家族就成簇地集中在第7號染色體長臂3區(qū)2帶到3區(qū)6帶區(qū)域內(nèi)）另一類是：一個基因家族的不同成員成簇地分布不同染色體上，這些不同成員編碼一組功能上緊密相關(guān)的蛋白質(zhì)（如珠蛋白基因家族）____分散式基因簇第34頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

基因家族與假基因在基因家族中，某些成員并不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物，這些基因稱為假基因（pseudogene）假基因與有功能的基因同源，原來可能也是有功能的基因，但由于缺失，倒位或點突變等，使這一基因失去活性，成為無功能基因第35頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月自私DNA（selfishDNA）

在哺乳動物包括人體基因組中，存在著大量的非編碼順序。這些順序中，只有很小一部份具有重要的調(diào)節(jié)功能，絕大部部分都沒有什么特殊功用。在這些DNA序列中雖然積累了大量缺失，重復(fù)或其他突變，但對生物并沒有什么影響，它們的功能似乎只是自身復(fù)制，所以人們稱這類DNA為自私DNA或寄生DNA（parasiteDNA）。自私DNA也許有重要的功能，但目前我們還不了解

第37頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月染色質(zhì)(體)結(jié)構(gòu)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：一級結(jié)構(gòu)：核小體（真核生物的基本單位）二級結(jié)構(gòu)：螺線管三級結(jié)構(gòu)：超螺線體四級結(jié)構(gòu)：染色單體第38頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jié)構(gòu)單位每個核小體單位包括２００bp左右的ＤＮＡ和一個組蛋白八聚體（H2A、H2B、H3、H4各兩個）以及一個分子的組蛋白Ｈ１組成第39頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月8個組蛋白組成4個異源二聚體:2個H2A-H2B二聚體;2個H3-H4二聚體H3-H4相互結(jié)合成中央形成4聚體,兩個H2A-H2B位于H3-H4四聚體的外側(cè)第40頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月染色體的包裝第41頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月二級結(jié)構(gòu)：螺線體三級結(jié)構(gòu)：超螺線體四級結(jié)構(gòu)：染色單體第42頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月染色體：細胞中期出現(xiàn)的形態(tài)染色單體著絲粒端粒第44頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月染色體的高級結(jié)構(gòu)對復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等是否有影響？染色體處于凝集狀態(tài)即異染色質(zhì)（heterochromatin）狀態(tài)時，轉(zhuǎn)錄因子不能結(jié)合，不能引發(fā)轉(zhuǎn)錄。只有當(dāng)染色體處于松弛狀態(tài)，才可能發(fā)生轉(zhuǎn)錄。目前認(rèn)為染色體狀態(tài)的改變是通過對構(gòu)成染色體骨架的核心組蛋白（corehistone）的修飾完成的。組蛋白的修飾由多種類型，主要的有甲基化/去甲基化，乙?；?去乙酰化等等。組蛋白的甲基化或是去乙?；梢允菇M蛋白與染色體緊密結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄因子無法結(jié)合而無法起始轉(zhuǎn)錄，反向修飾則激活轉(zhuǎn)錄。有些修飾是可以長期保持，比如對組蛋白上的賴氨酸的甲基化修飾，需要緩慢地替換組蛋白或是DNA復(fù)制來消除。但是染色體區(qū)域處于打開狀態(tài)只是滿足轉(zhuǎn)錄起始的基本條件，打開區(qū)域的基因是否轉(zhuǎn)錄還依賴于其它因素，比如啟動子的甲基化狀態(tài)、是否有合適的轉(zhuǎn)錄因子，以及其它順式作用元件的影響。第45頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2DNA的結(jié)構(gòu)DNA為什么能作為遺傳物質(zhì)？第46頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月1.thymineisappropriateforDNAwheremaintainingsequencewithhighfidelityismorecritical(如右圖）

2.堿基配對中A=U的穩(wěn)定性比A=T的穩(wěn)定性差，這樣就保證了RNA轉(zhuǎn)錄過程中RNA與DNA的雜化鏈不如DNA雙鏈穩(wěn)定，RNA轉(zhuǎn)錄后容易被DNA替代而脫落。而DNA雙鏈可以穩(wěn)定結(jié)合3.Uracilisenergeticallylessexpensivetoproducethanthymine

第48頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月DNA的一級結(jié)構(gòu)

定義：核苷酸排列順序，或稱堿基排列順序。核苷酸排列順序，或稱堿基排列順序。5’-ATCGGCTAAGGCTCCGACGA--3’3’-TAGCCGATTCCGAGGCTGCT--5’絕大多DNA分子都是兩條互補的單鏈構(gòu)成，只有少數(shù)是以單鏈存在第49頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第50頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共69頁，