郜剛分子生物學02染色體1染色體和DNA結(jié)構(gòu).ppt

1、第二章 染色體與DNA,第2章-遺傳物質(zhì)染色體與DNA-郜剛-山西師范大學生命科學學院,Summary of Avery, Macleod, and McCartys experiment.which demonstrated that DNA is the transforming principle.,Simplified view of information flow involving DNA,RNA,and proteins within cells.,上一節(jié)回顧,遺傳信息傳遞的中心法則,復制 DNA RNA 蛋白質(zhì) 生理功能,復制 DNA RNA 蛋白質(zhì) 生理功能,復制 DNA

2、RNA 蛋白質(zhì) 生理功能,?,?,tRNA和rRNA,micro RNAs 小RNA,非編碼RNA,轉(zhuǎn)錄,轉(zhuǎn)錄,反饋,翻譯,翻譯,反饋,轉(zhuǎn)錄,1954年crick,70-80年代,now,1,2,3,人類基因組染色體,2.1 染色體與減數(shù)分裂,線粒體基因組,（一）細胞周期簡單回顧,圖 真核生物細胞周期示意圖,Centromere locations and designations chromosomes based on centromere location.,減數(shù)分裂過程示意圖 1 細線期 2 偶線期 3 粗線期 4 雙線期 5 終變期 6 中期I 7 后期I 8 末期I 9 前期II

3、10 中期II 11 后期II 12 末期II,水稻花粉母細胞減數(shù)分裂各個時相,模式圖,一對染色體,減數(shù)分裂的生物學意義 減數(shù)分裂是有性生殖生物產(chǎn)生性細胞所進行的細胞分裂方式；而兩性性細胞受精結(jié)合(細胞融合)產(chǎn)生的合子是后代個體的起始點。 減數(shù)分裂不僅是生物有性繁殖必不可少的環(huán)節(jié)之一，也具有極為重要的遺傳學意義。,保證了親代與子代之間染色體數(shù)目的恒定性。 雙親性母細胞(2n)經(jīng)過減數(shù)分裂產(chǎn)生性細胞(n)，實現(xiàn)了染色體數(shù)目的減半； 雌雄性細胞融合產(chǎn)生的合子(及其所發(fā)育形成的后代個體)就具有該物種固有的染色體數(shù)目(2n)，保持了物種的相對穩(wěn)定。子代的性狀遺傳和發(fā)育得以正常進行。,為生物的變異提供了

4、重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。 減數(shù)分裂中期 I，二價體的兩個成員的排列方向是隨機的，所以后期 I 分別來自雙親的兩條同源染色體隨機分向兩極，因而所產(chǎn)生的性細胞就可能會有2n種非同源染色體的組合形式(染色體重組，recombination of chromosome)。,為生物的變異提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。 另一方面，非姊妹染色單體間的交叉導致同源染色體間的片段交換(exchange of segment)，使子細胞的遺傳組成更加多樣化，為生物變異提供更為重要的物質(zhì)基礎(chǔ)(染色體片斷重組，recombination of segment)。同時這也是連鎖遺傳規(guī)律及基因連鎖分析的基礎(chǔ)。,為什么染色體如此重要？,是

5、因為DNA，基因？ 問題討論：染色體與基因與DNA之間的關(guān)系？ 表2-1？,染色體與染色質(zhì),染色質(zhì)(chromatin)是存在于真核生物間期細胞核內(nèi)的一種易被堿性染料著色的無定形物質(zhì)，是伸展開的DNA蛋白質(zhì)纖維，每一條染色體是由一個線性的、完整的、雙螺旋的DNA分子，加上圍繞其中的組蛋白和非組蛋白所組成的，是細胞分裂間期遺傳物質(zhì)的存在形式。,它是由最基本的單位核小體(nucleosome)成串排列而成的,真核生物的染色體在細胞生活周期的大部分時間里都是以染色質(zhì)(chromatin)的形式存在的,染色體(chromosome)則是染色質(zhì)在細胞分裂過程中經(jīng)過緊密纏繞、折疊、凝縮、精巧包裝而成的具有

6、固定形態(tài)的遺傳物質(zhì)存在形式，是高度螺旋化的DNA蛋白質(zhì)纖維。 特定時期的特殊形式,染色體這一概念除指真核生物細胞分裂中期具有一定形態(tài)特征的染色質(zhì)外，現(xiàn)在已擴大為包括原核生物及細胞器在內(nèi)的基因載體的總稱。大部分原核生物的染色體形態(tài)比較簡單，它只是一條裸露的或與少數(shù)蛋白質(zhì)結(jié)合的DNA或RNA雙鏈或單鏈分子,染色體在復制之后含有縱向并列的兩條染色單體(chromatids)，由著絲粒(centromere)聯(lián)在一起(圖)。每一染色單體的骨架是一條連續(xù)的DNA分子，一般認為細胞分裂中期時看到的染色單體就是由一條DNA蛋白質(zhì)纖絲重復折疊而成的。,？,選擇：一條染色體就是（ ）條DNA分子 A 1 ， B

7、 2 ， C 3 ， D 4,2.1.2真核生物染色體的組成,組蛋白的一般特性： 1 進化上的保守性 保守程度：H1 H2A、H2B H3 、H4,1、組蛋白,上海生化所分子遺傳學1998年試題：是非題 在真核生物核內(nèi)。五種組蛋白（H1 H2A H2B H3 和H4）在進化過程中，H4極為保守，H2A最不保守（ ）,2 無組織特異性 3 肽鏈氨基酸分布的不對稱性 4 H5組蛋白的特殊性：富含賴氨酸（24%） 5 組蛋白的可修飾性,簡述真核生物染色體上組蛋白的種類，組蛋白修飾的種類及其生物學意義 中國科學院2003年碩士研究生入學生物化學與分子生物學試題,作業(yè)： 1、上網(wǎng)查5種組蛋白的氨基酸序列

8、， 2、上網(wǎng)查5種組蛋白的基因的堿基序列 3、上網(wǎng)查5種組蛋白的三維結(jié)構(gòu) 4、20種氨基酸的分類、特征、縮寫,在細胞周期特定時間可發(fā)生甲基化、乙?；⒘姿峄虯DP核糖基化等。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙?；饔?、H1有磷酸化作用。,修飾作用共同的特點，即降低組蛋白所攜帶的正電荷。這些組蛋白修飾的意義：一是改變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)，直接影響轉(zhuǎn)錄活性；二是核小體表面發(fā)生改變，使其他調(diào)控蛋白易于和染色質(zhì)相互接觸，從而間接影響轉(zhuǎn)錄活性。,6 組蛋白的可修飾性,非組蛋白,非組蛋白是染色體上與特異DNA序列結(jié)合的蛋白質(zhì)，又稱序列特異性DNA結(jié)合蛋白（凝膠遲滯電泳實驗）。 包括多種參與核酸代謝與修飾的酶類

9、、核質(zhì)蛋白、骨架蛋白、基因表達和染色體結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)蛋白等。,非組蛋白的特性,含有較多的天門冬氨酸、谷氨酸，帶負電荷，屬酸性蛋白質(zhì)； 整個細胞周期都進行合成，不象組蛋白只在S期合成，并與DNA復制同步進行； 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)合靠氫鍵和離子鍵；,記錄下來,A24非組蛋白,DNA結(jié)合蛋白,具有多樣性和異質(zhì)性； 具有多種功能，如幫助DNA分子折疊，以形成不同的結(jié)構(gòu)域，從而有利于DNA的復制和基因的轉(zhuǎn)錄，協(xié)助啟動DNA復制，控制基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)基因表達。 分子量小，高泳動率,原核生物(prokaryote)的染色體,類核體解開之后的結(jié)構(gòu)：緊密的腳手架結(jié)

10、構(gòu)，而不是松散的絲狀結(jié)構(gòu),原核生物DNA的主要特征,原核生物中一般只有一條染色體，且大都帶有單拷貝基因，只有很少數(shù)基因(如rRNA基因)是以多拷貝形式存在的； 整個染色體DNA幾乎全部由功能基因與調(diào)控序列所組成； 幾乎每個基因序列都與它所編碼的蛋白質(zhì)序列呈線性對應狀態(tài)。 不少原核生物具有質(zhì)粒DNA（教材未提），而且通常起到重要的生理功能,真核生物基因組DNA,C值反?，F(xiàn)象（C-value paradox) C值矛盾 C值是一種生物的單倍體基因組DNA的總量。 真核細胞基因組的最大特點是它含有大量的重復序列，而且功能DNA序列大多被不編碼蛋白質(zhì)的非功能DNA所隔開，這就是著名的“C值反?，F(xiàn)象”。

11、,產(chǎn)生C值矛盾的本質(zhì)原因是什么？,？,C值矛盾表現(xiàn)在哪兩個方面？,同類生物不同種屬之間DNA含量變化很大： 比如同樣是兩棲動物，能夠相差100倍,從生物由地等到高等的進化地位來看，其所需要的最少的編碼DNA的含量，反應在C值上是逐步升高的。 但真實的C值并非如此，某些低等生物的C值比高等生物還要高,低等生物-高等生物（逐漸進化）,生物所需要的編碼DNA的最低含量（逐漸升高）,簡述DNA的C值以及C值矛盾（C Value paradox）. 中科院上海生化所 08 年 上海第二軍醫(yī)大： C值矛盾,的序列可分為3種類型 page25,單一序列（主要為基因編碼序列，一個或幾個拷貝，比例少于5） 中度

12、重復序列（101-5），分為短散的重復序列（一般少于500 bp）和長散的重復序列（一般多于1000 bp），與基因選擇性表達的調(diào)控有關(guān)；,高度重復序列（105），分為衛(wèi)星DNA(satellite，重復單位長5-100 bp)主要分布在著絲粒區(qū)域，小衛(wèi)星DNA(minisatellte DNA, 單位長12-100 bp，拷貝數(shù)可變，常用于DNA指紋(DNA finger-printing)技術(shù))，微衛(wèi)星DNA(microsatellte DNA，單位1-5 bp，常串聯(lián)達50-100 bp，具有高度多態(tài)性，遺傳上保守，但個體差異較大)，用于構(gòu)建遺傳圖譜。,1) DNA的變性和復性 變性（D

13、enaturation) DNA雙鏈的氫鍵斷裂，最后完全變成單鏈的過程稱為變性。 增色效應(Hyperchromatic effect) 在變性過程中，260nm紫外線吸收值先緩慢上升，當達到某一溫度時驟然上升，稱為增色效應。,2、DNA特性,融解溫度（Melting temperature Tm ) 變性過程紫外線吸收值增加的中點稱為融解溫度。 生理條件下為85-95 影響因素：G+C含量，pH值，離子強度，尿素，甲跣胺等,PCR引物設(shè)計 退火溫度,DNA溶解溫度與DNA中的GC含量極其相關(guān),復性（Renaturation) 熱變性的DNA緩慢冷卻，單鏈恢復成雙鏈。 減色效應（Hypochr

14、omatic effect) 隨著DNA的復性， 260nm紫外線吸收值降低的現(xiàn)象。,染色質(zhì)和核小體(nucleosome),Nucleosome、chromosome、genome 中科院2002年碩士學位研究生入學分子遺傳學試題,1、定義：用于包裝染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位，是由DNA鏈纏繞一個組蛋白核構(gòu)成的。,核小體的結(jié)構(gòu),電鏡下的染色質(zhì) 顯示了核小體的形態(tài),2、核小體的結(jié)構(gòu),核心顆粒、連接區(qū)DNA,核心顆粒、連接區(qū)DNA,核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位。由200個(160-240)左右堿基對的DNA和五種組蛋白結(jié)合而成。其中四種組蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各2 分子組成八聚體的小圓盤，14

15、6個堿基對的DNA在小圓盤外面繞1 3/4圈。每一分子的H1與DNA結(jié)合, 鎖住核小體DNA的進出口, 起穩(wěn)定核小體結(jié)構(gòu)的作用。兩相鄰核小體之間以連接DNA(linker DNA)相連(圖11-24), 連接DNA的長度變化不等, 因不同的種屬和組織而異, 但通常是60個堿基對,核小體究竟含有幾個組蛋白分子？,1、核小體是由H2A、H2B、H3、H4各兩個分子生成的八聚體和由大約200bp DNA組成的，八聚體在中間，DNA分子盤繞在外，而H1則在核小體的外面，每個核小體只有一個H1，用核酸酶水解核小體后產(chǎn)生只含146bp核心顆粒，包括組蛋白八聚體及與其結(jié)合的146bpDNA，該序列繞在核心外

16、面形成1.75圈。每圈約80bp,核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位。由200個(160-240)左右堿基對的DNA和五種組蛋白結(jié)合而成。其中四種組蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各2 分子組成八聚體的小圓盤，146個堿基對的DNA在小圓盤外面繞1 3/4圈。每一分子的H1與DNA結(jié)合, 鎖住核小體DNA的進出口, 起穩(wěn)定核小體結(jié)構(gòu)的作用。兩相鄰核小體之間以連接DNA(linker DNA)相連(圖11-24), 連接DNA的長度變化不等, 因不同的種屬和組織而異, 但通常是60個堿基對。,乙酰基團,重復一下,Structure of nucleosome,The nucleosome core

17、particle derived from X-ray crystal analysis,電鏡圖 顯示一個染色質(zhì)片段中球形顆粒的長度為200bP,問題：,簡述染色體DNA是怎樣包裝的？,?,1400nm粗染色體 700nm染色單體 300nm染色質(zhì)絲 30nm粗的蓮座結(jié)構(gòu) 11nm粗的核小體 2nm粗的雙螺旋DNA,10nm雙鏈DNA 通過組蛋白構(gòu)成8聚體核小體，串聯(lián)成11nm念珠狀結(jié)構(gòu) 核小體念珠結(jié)構(gòu)進一步螺旋成30nm粗的蓮座結(jié)構(gòu)，每一蓮座結(jié)構(gòu)由6個核小體結(jié)構(gòu)組成，蓮座結(jié)構(gòu)形成螺線管 進一步超螺旋為300nm粗的染色質(zhì)絲狀結(jié)構(gòu) 染色質(zhì)絲高度超螺旋為700nm粗的染色單體 兩條染色單體粗度為

18、1400nm,染色體一步步包裝的壓縮比例,6.8:1,40:1,1000:1,8000:1,DNA double helix,Nucleosome (10 nm fiber),30 nm Fiber,Loops I,Loops II,chromosome,核小體和螺線管的結(jié)構(gòu),核小體的形成是染色體中DNA壓縮的第一個階段,！,一個問題的答案：簡述真核生物DNA的復雜性？ 單一序列（主要為基因編碼序列，一個或幾個拷貝，比例少于5）；中度重復序列（101-5），分為短散的重復序列（一般少于500 bp）和長散的重復序列（一般多于1000 bp），與基因選擇性表達的調(diào)控有關(guān)；高度重復序列（105），

19、分為衛(wèi)星DNA(satellite，重復單位長5-100 bp)主要分布在著絲粒區(qū)域，小衛(wèi)星DNA(minisatellte DNA, 單位長12-100 bp，拷貝數(shù)可變，常用于DNA指紋(DNA finger-printing)技術(shù))，微衛(wèi)星DNA(microsatellte DNA，單位1-5 bp，常串聯(lián)達50-100 bp，具有高度多態(tài)性，遺傳上保守，但個體差異較大)，用于構(gòu)建遺傳圖譜。,問題：真核生物基因組的結(jié)構(gòu)特點？,1、真核基因組龐大 2、存在大量的重復序列。 3、基因組的大部分為非編碼序列，90以上，即冗余DNA 4、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子，即轉(zhuǎn)錄單元是轉(zhuǎn)錄子 5、核基因是斷裂基

20、因，有內(nèi)含子結(jié)構(gòu)，即不連續(xù)性 6、存在大量順式作用元件，如啟動子、增強子、沉默子 7、存在復雜的DNA多態(tài)性：單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)和串聯(lián)重復序 列多態(tài)性(tandem repeats polymorphism) 8、DNA末端具有端粒結(jié)構(gòu)二咳基因組具有端粒結(jié)構(gòu),真核生物的重復序列 斷裂基因示意,根據(jù) DNA復性動力學研究，DNA序列可以分成哪幾種類型？并加以舉例說明。(2001年上海生化所）,問題：原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點？,原核生物的基因組很小，大多只有一條染色體，且DNA含量少 結(jié)構(gòu)簡練：原核DNA分子的絕大部分是用來編碼蛋白

21、質(zhì)的，只有非常小的一部分不轉(zhuǎn)錄，這與真核DNA的冗余現(xiàn)象不同 存在順反子的轉(zhuǎn)錄單元：原核生物DNA序列中功能相關(guān)的RNA和蛋白質(zhì)基因，往往叢集在基因組的一個或幾個特定部位，形成功能單位或轉(zhuǎn)錄單元，它們可被一起轉(zhuǎn)錄為含多個mRNA的分子，叫多順反子mRNA 存在有重疊基因,原核生物的多順反子,X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D E,E.coli 色氨酸操縱子 9個順反子 9個酶 ( 第六章 ), 原核生物的重疊基因（Sanger發(fā)現(xiàn)？） 基因內(nèi)基因 部分重疊基因 一個堿基重疊,Bronze sculpture of double-helical DNA,銅雕雙螺旋

22、,2.2 DNA的結(jié)構(gòu) page 31,1） 概念 指4種脫氧核苷酸的連接及其排列順序， DNA序列是這一概念的簡稱。堿基序列,2.2.1 DNA的一級結(jié)構(gòu),DNA,紅寶書,bible,核酸的化學組成和分子結(jié)構(gòu),核苷酸,Structures and names of the nucleosides and nucleotides of RNA and DNA.,？,脫氧核糖 脫的是那個氧？,脫氧核糖和磷酸的連接,方向 (5- 3),3）DNA結(jié)構(gòu)的表示法,字母式,結(jié)構(gòu)式,線條式,5pApTpGpCOH3,單核苷酸5磷酸基團向核酸鏈的3-OH發(fā)動親核攻擊，形成磷酸二脂鍵,DNA一級結(jié)構(gòu)的特征,2

23、）特征： 雙鏈反向平行配對而成 脫氧核糖和磷酸交替連接，構(gòu)成DNA骨架，堿基排在內(nèi)側(cè) 內(nèi)側(cè)堿基通過氫鍵互補形成堿基對（A:T，C:G）。,DNA的二級結(jié)構(gòu),定義：指兩條多核苷酸鏈反向平行盤繞所產(chǎn)生的雙螺旋結(jié)構(gòu) 特征：Watson和Crick由X射線衍射結(jié)構(gòu)分析提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，此模型所描述的是BDNA鈉鹽在一定濕度下的結(jié)構(gòu)。BDNA鈉鹽結(jié)構(gòu)既規(guī)則又很穩(wěn)定，是由兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞伺一中心軸構(gòu)成的右手螺旋結(jié)構(gòu),The DNA double helix as proposed by Watson and Crick.,思考題： “溝的”生物學意義何在,模型要點：page 34,？,Page 34,多核苷酸的方向由核苷酸間的磷酸二酯鍵的走向決定，一條從5,另一條從3-5。鏈間有螺旋型的凹槽，其中一條較淺，叫小溝；一條較深，叫大溝。兩條鏈上的堿基以氫鍵相連，G與C配對，A與T配對。嘌吟和嘧啶堿基對層疊于雙螺旋的內(nèi)側(cè)。順著螺旋軸心從上向下看，可見堿基平面與縱軸垂直，且螺旋的軸心穿過氫鍵的中點。相鄰堿基對平面之間的距離為034 nm，即順中心軸方向，每隔034 nm有一個核