第二章染色體與DNA

本章將介紹DNA的結(jié)構(gòu)和從一代細胞島到下一代細胞的傳遞、遺傳及變異等過程。2024/6/261第2章染色體與DNA1第二章染色體與DNA第一節(jié)染色體第二節(jié)

DNA的結(jié)構(gòu)第三節(jié)

DNA的復制第四節(jié)DNA的損傷修復與重組第五節(jié)DNA的轉(zhuǎn)座2024/6/262第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體

由于親代能夠?qū)⒆约旱倪z傳物質(zhì)DNA以染色體的形式傳給子代，保持物種的穩(wěn)定性和連續(xù)性。因此，人們普遍認為染色體在遺傳上起著主要作用。人類22對染色體及性染色體性染色體掃描電鏡圖2024/6/264第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體1.染色體概述19世紀中葉，細胞生物學家在光學顯微鏡下，在細胞分裂時觀察到存在于細胞核中的棒狀可染色結(jié)構(gòu)并將其命名為染色體。染色體包括DNA和蛋白質(zhì)兩部分。同一物種內(nèi)每條染色體所帶的DNA的量是一定的，但不同的染色體或不同物種之間變化很大，從上百萬到幾億個核苷酸對不等。此外，組成染色體的蛋白質(zhì)（組蛋白和非組蛋白）的種類和含量也是十分穩(wěn)定的。2024/6/265第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體1.染色體概述：染色體在細胞分裂間期表現(xiàn)為染色質(zhì)。染色體與染色質(zhì)是同一種物質(zhì)的兩種形態(tài)。伸展的染色質(zhì)形態(tài)有利于在它上面的DNA儲存的信息的表達，而高度螺旋化了的棒狀染色體則有利于細胞分裂中遺傳物質(zhì)的平分。

左圖為人類染色體，在光鏡下即可觀察其形態(tài)，右圖為電鏡圖片，可見不規(guī)則的染色質(zhì)。2024/6/266第2章染色體與DNA1KeytermsAchromosome染色體isadiscreteunitofthegenomecarryingmanygenes.EachchromosomeconsistsofaverylongmoleculeofduplexDNAandanapproximatelyequalmassofproteins.Itisvisibleasamorphologicalentityonlyduringcelldivision.Chromatin

染色質(zhì)describesthestateofnuclearDNAanditsassociatedproteinsduringtheinterphase(betweenmitoses)oftheeukaryoticcellcycle.第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2024/6/269

1.染色體概述：原核細胞染色體細菌染色體外裹著稀疏的蛋白質(zhì)，其中的一部分與DNA的折疊有關，另一些則參與DNA的復制、重組及轉(zhuǎn)錄過程。原核生物沒有真正的細胞核，DNA一般位于一個類似核的結(jié)構(gòu)——類核體上。第2章染色體與DNA1Thenucleoid（類核體）istheregioninaprokaryoticcellthatcontainsthegenome.TheDNAisboundtoproteinsandisnotenclosedbyamembrane.

第2章染色體與DNA1ThestructureofE.colinucleoid

(大腸桿菌擬核的結(jié)構(gòu))

Nucleoid:Asingledouble-strandedandclosed-circularDNAmolecular,4.6X106bpandallproteinsassociatedwithDNA(Pols,andrepressors).

highconcentrationofDNA(DNAconcentrationcanbeupto30-50mg/ml)Continuousreplication(morethanonecopyofgenome/cell)Attachtocellmembrane第2章染色體與DNA1Adomainofachromosomemayrefereithertoadiscretestructuralentitydefinedasaregionwithinwhichsupercoilingisindependentofotherdomains;ortoanextensiveregionincludinganexpressedgenethathasheightenedsensitivitytodegradationbytheenzymeDNAaseI.第2章染色體與DNA1DNAdomains/loops50~100domainsorloopsperE.colichromosome,with50

~100kb/loopTheendsofloopsareconstrained(束縛)byprotein-membranescaffold(骨架)Mayspoolonpolymerasesorotherenzymesandproteins（可能纏繞在聚合酶或其它酶和蛋白質(zhì)上）第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1ProkaryoticChromosomesHaploidDNAiscompacted–Eg.E.colipacks1.5mmchromosomeintoacellthatisonly1uminlengthNohistonesornucleosomes–SmallbasicproteinsMAYserveasimilarfunctionGenesusuallydonotcontainintronsSingleoriginofreplication第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2024/6/26161.染色體概述：原核生物DNA的主要特征：一般只有一條大染色體且大都帶有單拷貝基因，除少數(shù)基因外（如rRNA基因）。整個染色體DNA幾乎全部由功能基因和調(diào)控序列所組成。幾乎每個基因序列都與它所編碼蛋白質(zhì)序列呈線性對應關系。第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2.真核細胞染色體的組成真核生物染色體中DNA相對分子質(zhì)量一般大大超過原核生物，并結(jié)合有大量的蛋白質(zhì)，結(jié)構(gòu)非常復雜。其具體組成成分為：組蛋白、非組蛋白、DNA。在真核細胞染色體中，DNA與蛋白質(zhì)完全融合在一起，其蛋白質(zhì)與相應DNA的質(zhì)量之比約為2:1。這些蛋白質(zhì)在維持染色體結(jié)構(gòu)中起著重要作用。2024/6/2617第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2.1.組蛋白組蛋白是染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，其與DNA組成核小體。根據(jù)其凝膠電泳性質(zhì)可將其分為H1、H2A、H2B、H3及H4。2024/6/2618第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體

2.1.組蛋白組蛋白的特性：進化上極端保守性。其中H3、H4最保守，H1較不保守。無組織特異性。到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)鳥類、魚類及兩棲類紅細胞染色體不含H1而帶有H5，精細胞染色體的組蛋白是魚精蛋白。肽鏈上氨基酸分布的不對稱性。堿性氨基酸集中分布在N端的半條鏈上。例如，H4N端的半條鏈上凈電荷為+16，C端只有+3，大部分疏水基團都分布在C端。組蛋白的修飾作用。包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。富含賴氨酸的組蛋白H5。H5賴氨酸含量高達24%。

2024/6/2619第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體

2.2.非組蛋白染色體上除了存在大約與DNA等量的組蛋白以外，還存在大量的非組蛋白。非組蛋白的量大約是組蛋白的60%～70%，但它的種類卻很多，約在20-100種之間，其中常見的有15-20種。非組蛋白的組織專一性和種屬專一性。非組蛋白包括酶類、骨架蛋白、核孔復合物蛋白以及肌動蛋白、肌球蛋白等。它們也可能是染色質(zhì)的組成成分。2024/6/2620第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2024/6/2621

2.2.非組蛋白幾類常見的非組蛋白：高速泳動蛋白（HMG蛋白）。一般認為可能與DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)有關。DNA結(jié)合蛋白?？赡苁且恍┡cDNA的復制與轉(zhuǎn)錄有關的酶或調(diào)解物質(zhì)。A24非組蛋白。位于核小體內(nèi)，功能不詳。第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體

2.3.DNA真核細胞基因組最大的特點是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。C值：一種生物單倍體基因組DNA的總量。TheC-valueisthetotalamountofDNAinthegenome(perhaploidsetofchromosomes).2024/6/2622第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2024/6/26232.3.DNA一般情況，真核生物C值是隨著生物進化而增加，高等生物的C值一般大于低等生物。進一步研究發(fā)現(xiàn)，某些兩棲類C值大于哺乳動物，而且在兩棲類中C值變化也很大，可相差100倍。第2章染色體與DNA1TheC-valueparadox（C值反?，F(xiàn)象）

describestheobservationthattheamountofdeoxyribonucleicacidinthehaploidgenomeisnotrelatedtoitsevolutionarycomplexity.許多DNA序列不編碼蛋白質(zhì)，是無生理功能的。根據(jù)對DNA的動力學研究，真核生物DNA序列大致可分為3類：不重復序列、中度重復序列、高度重復序列。2024/6/2624第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2.3.DNA不重復序列。在單倍體基因組里，這些序列一般只有一個或幾個拷貝，它占DNA總量的40%－80%。不重復序列長約750－2000dp，相當于一個結(jié)構(gòu)基因的長度。單拷貝基因通過基因擴增仍可合成大量的蛋白質(zhì)。如蠶絲心蛋白基因。NonrepetitiveDNAconsistsofsequencesthatareunique:thereisonlyonecopyinahaploidgenome.

2024/6/2625第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2024/6/26262.3.DNA中度重復序列。這類重復序列的重復次數(shù)在10－104之間，占總DNA的10%－40%。各種rRNA、tRNA及組蛋白基因等都屬這一類。P26ModeratelyrepetitiveDNAconsistsofrelativelyshortsequencesthatarerepeatedtypically10-10000×inthegenome.第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2024/6/26272.3.DNA高度重復序列這類DNA只在真核生物中發(fā)現(xiàn)，占基因組的10%—60%，由6—100個堿基組成，在DNA鏈上串聯(lián)重復幾百萬次。由于堿基的組成不同，在CsCl密度梯度離心中易與其他DNA分開，形成含量較大的主峰及高度重復序列小峰，后者又稱衛(wèi)星區(qū)帶（峰）。HighlyrepetitiveDNAconsistsofveryshortsequences(typically<100bp)thatarepresentmanythousandsoftimesinthegenome,oftenorganizedaslongtandemrepeats.第2章染色體與DNA1SatelliteDNA

DNAthatcontainsmanytandem(notinverted)repeatsofashortbasicrepeatingunit.第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2.4.真核細胞染色體的結(jié)構(gòu)真核細胞染色體的DNA如圖所示，經(jīng)過四級壓縮，長度壓縮將近10000倍。四級分別為：核小體螺線管超螺旋圓筒染色單體2024/6/2630第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2.4.真核細胞染色體的結(jié)構(gòu)核小體核小體是由H2A、H2B、H3、H4各兩個分子生成的八聚體和由大約200bpDNA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。在核小體中DNA盤繞組蛋白八聚體核心，從而使分子收縮成1/7，200bpDNA的長度約為68nm，卻被壓縮在10nm的核小體中。核小體串聯(lián)起來形成10nm纖維。2024/6/2631第2章染色體與DNA1Thenucleosomeisthebasicstructuralsubunitofchromatin,consistingof~200bpofDNA,anH1histoneproteinandanoctamerofhistoneproteins.HistonesareconservedDNA-bindingproteinsthatformthebasicsubunitofchromatinineukaryotes.HistonesH2A,H2B,H3,H4formanoctamericcorearoundwhichDNAcoilstoformanucleosome.HistoneH1isexternaltothenucleosome.Anonhistoneisanystructuralproteinfoundinachromosomeexceptoneofthehistones.第2章染色體與DNA1The10nmfiberisalineararrayofnucleosomes,generatedbyunfoldingfromthenaturalconditionofchromatin.第2章染色體與DNA1Assemblyofahistoneoctamer(八聚體)

第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1H1的作用H1sealsthetwosuperhelicalturnsofDNAonthenucleosomesurface

HistoneH1-helps‘clamp’theDNAontothenucleosomeparticipatesinhigher-orderchromatinfoldingAsinglemoleculeofH1stabilizestheDNAatthepointatwhichitentersandleavesthenucleosomecore,andorganizestheDNAbetweennucleosomes.第2章染色體與DNA1HistoneH1playsanimportantroleinorganizingthechromatinfiber

第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1LinkerDNA（連接DNA）ThelinkerDNAbetweenthenucleosomecoresvariesbetweenlessthan10andmorethan100bp,butisnormallyaround55bp.Thenucleosomalrepeatunitishencearound200bp.“Beadsonastring念珠”structure第2章染色體與DNA1BeadsonaStringViewofChromatin第2章染色體與DNA1LinkerDNA<10to>100bpaverage55bp“Beadsonastring”structureNucleosomeHistoneH1Nucleosomerepeat:Core+linkerDNA200bp第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2.4.真核細胞染色體的結(jié)構(gòu)螺線管螺線管是由10nm染色質(zhì)細絲盤繞形成的螺旋管狀細絲，表現(xiàn)為30nm纖維。螺線管每一螺旋包含6個核小體，壓縮比為6。這種螺線管是分裂間期和分裂前期染色體的基本組分。2024/6/2642第2章染色體與DNA1The30nmfiberisacoiledcoilofnucleosomes.Itisthebasicleveloforganizationofnucleosomesinchromatin.第2章染色體與DNA1Levelsofchromatinorganization(left).AhighlycondensedmitoticChromosome(above).IthasbeenCondensed~10,000foldThe30nmfiber第2章染色體與DNA1The30nmfiberHigherorderedLeft-handedhelixSixnucloesomesperturn30nmfiber(30nmindiameter)Solenoid(螺線管）第2章染色體與DNA130nmfiber第2章染色體與DNA1Nuclearmatrix,aproteincomplex30nmfiber300nmHighestlevelofchromatinorganization:loopeddomainstructure第2章染色體與DNA1Highestlevelofchromatinorganization第2章染色體與DNA1第一節(jié)染色體2.4.真核細胞染色體的結(jié)構(gòu)超螺旋圓筒有跡象表明：中期染色質(zhì)是一細長、中空的圓筒，直徑4000nm，由30nm的螺線管纏繞而成，壓縮比為40。染色單體染色單體由超螺旋圓筒再壓縮5倍而成。2024/6/2649第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1端粒異染色質(zhì)著絲粒常染色質(zhì)姐妹染色單體短臂長臂第2章染色體與DNA1Centromere著絲粒粒TelomereNuclearmatrix核基質(zhì)Loopsof30nmfiberSisterchromatid姊妹染色單體Chromatid染色單體第2章染色體與DNA1Whatstructuresarenecessarytoafunctionaleukaryoticchromosome?CentromeresTelomeresOriginsofreplication第2章染色體與DNA1Thecentromere(著絲粒)Centromeresarethelargestconstrictionregionwheretwochromatids(姊妹染色體）arejoinedThesiteofattachmentofspindlefibers(紡錘體)viakinetochore

(動粒)100,000sof171basepairrepeat,calledalphasatellitesequencesCentromereassociatedproteinsarebound第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1Kinetochore動粒第2章染色體與DNA1CentromereDNA裂殖酵母釀酒酵母果蠅第2章染色體與DNA1ThreeconservedregionscanbeidentifiedbythesequencehomologiesbetweenyeastCENelements.Yeastcentromere第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1Centromere（著絲粒）:

aregionofchromosomewheretwosisterchromatidsarejoinedatmetaphase.(isaconstrictedregionofachromosomethatincludesthesiteofattachment(thekinetochore)tothemitoticormeioticspindle.)Kinetochore（動粒）:isthestructuralfeatureofthechromosometowhichmicrotubulesofthemitoticspindleattach.Itslocationdeterminesthecentromericregion.(proteincomplexattachingmicrotubulesofmitoticspindle)Amicrotubuleorganizingcenter

(MTOC)isaregionfromwhichmicrotubulesemanate產(chǎn)生.ThemajorMTOCsinamitoticcellarethecentrosomes(中心體).第2章染色體與DNA1Centromere:thechromosomallocationwherethe kinetochoreisformed.Thecentromereappearsastheprimaryconstriction

inthemioticchromosome.Kinetochore:Proteinaceousstructuresthat assembleontocentromeresduringmitosis.Thecentromere/kinetochorecomplexisthesiteofattachment ofthespindlemicrotubulesandisresponsibleforpropersegregationofreplicatedsisterchromatidstodaughtercells.第2章染色體與DNA1TheTelomere(端粒)SpecializedDNAsequenceswhichformtheendsofthelinearDNAoftheeukaryoticchromosomeContainsuptohundredscopiesofashortrepeatedsequence

(5’-TTAGGG-3’inhuman)Synthesizedbytheenzymetelomerase

(a

ribonucleoprotein)

ThetelomericDNAformsaspecialsecondarystructuretoprotectthechromosomalendsfromdegradation第2章染色體與DNA1MammaliantelomereDNAconsistsoftandem串聯(lián)repeatsofTTAGGG

plusavarietyofattachedproteins.Thetelomereshaveasingle-stranded3’overhang5’-TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’3’-AATCCCAATCCCAATCCCAATAAAAATCCC-5”Theaveragelengthofthedouble-strandedTTAGGGrepeatvariesamongspecies: Mice-------------- 50,000bp Man-------------- 10,000bp Cattle------------ 13,000bpto20,000bp第2章染色體與DNA1Group OrganismTelomericrepeat(5'to3'towardtheend)Vertebrates Human,mouse,Xenopus TTAGGGFilamentousfungi Neurospora（脈孢菌） TTAGGGSlimemolds Physarum,Didymium TTAGGG

（粘液菌類） Dictyostelium AG(1-8)Ciliatedprotozoa Tetrahymena,Glaucoma TTGGGG（纖毛 Paramecium TTGGG(T/G)原生動物） Oxytricha,Stylonychia, TTTTGGGG Euplotes Fissionyeasts

Schizosaccharomycespombe TTAC(A)(C)G(1-8)Buddingyeasts Saccharomycescerevisiae TGTGGGTGTGGTGTelomerescontainarraysofDNArepeats第2章染色體與DNA1ThetelomericDNAformsaspecialsecondarystructureTelomereisthenaturalendofachromosomeTheDNAsequenceconsistsofasimplerepeatingunitwithaprotrudingsingle-strandedend（突出的單鏈尾巴）thatmayfoldintoahairpin（發(fā)夾）.第2章染色體與DNA1Thelongstretchesofthedouble-strandedtelomereDNA(TTAGGG)areloopedaroundandthesingle-strandedterminusistucked隱藏backinsidethedouble-strandedDNAmolecule

—thusprotectingthechromosometerminus

tloops第2章染色體與DNA1FromL.J.Kleinsmith,PrinciplesofCancerBiology.Copyright(c)2006PearsonBenjaminCummings.TelomereStructureinHumanDNA3’-overhang第2章染色體與DNA1第2章染色體與DNA1Telomerase:aribonucleoproteinwithreverse transcriptaseactivitythatcatalyzesthe extensionorlengtheningoftelomers.TelomerasecariesitsownRNAtemplate.Thetelomereissynthesizedbytheenzymetelomerase第2章染色體與DNA1Telomere&Telomerase第2章染色體與DNA1Telomerelengthsdecreasewithtimeorpassagenumberinculturedcelllinesthatlacktelomeraseactivity.Telomeraseactivityishighinmostimmortalizedcell

lines（永生化的細胞系）

andneoplasitctissue(腫瘤組織).Telomerelengthsdecreasewithageinsometissuesandtelomereshorteningmaycontributetotheagingprocess.Telomeraseactivityingermlinecells（胚系細胞）

isthoughttorestoretelomerelengthsforthenextgeneration.第2章染色體與DNA1Dolly(theclonedsheep)wasreportedtohaveshorterthannormaltelomeres.Cattle(andmice)clonedfromfibroblasts（成纖維細胞）withshortchromosomeshavenormaltelomerelengths.Telomerelengthsarerestoredtonormalbytelomeraseactivityintheearlyembryo.第2章染色體與DNA1TelomeraseMaintainsTelomeresNosenescenceSenescence衰老CellswithtelomeraseCellswithouttelomeraseCelldivisions

Telomererepeat第2章染色體與DNA1Telomeresserveatleastfourfunctions1.Telomeresprotectthechromosomeendsfromdegradati