1、第二章 染色質(zhì)、染色體、基因和基因組,授課教師 孫維洋,SDUTCM,第一節(jié) 染色質(zhì)和染色體,一、染色質(zhì)和染色體形態(tài) 1.染色質(zhì)的形態(tài) 染色質(zhì)存在于真核細(xì)胞核中，是由DNA、組蛋白和非組蛋白組成的復(fù)合物形成的高度有序的核蛋白體。 染色質(zhì)的形態(tài)可分為常染色質(zhì)和異染色質(zhì) 常染色質(zhì)位于核的中央，為松散解旋的細(xì)纖維絲，可進(jìn)行活躍的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄。 異染色質(zhì)位于核的周邊部位，高度螺旋纏繞，處于功能靜止?fàn)顟B(tài)。,細(xì)胞核及染色質(zhì),染色質(zhì)是一種纖維狀結(jié)構(gòu)，也被稱為染色質(zhì)絲，它是由若干重復(fù)單位核小體（nucleosome）成串排列而成的。 核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，真核細(xì)胞的間期松解后呈串珠樣結(jié)構(gòu)。 用DNA酶消

2、化染色質(zhì)可以球狀小體一顆顆分開，說明小體之間的連接部分是DNA鏈。 每個球狀小體是由8個組蛋白分子組成的聚合體，組蛋白包括H2A、H2B、H3和H4，各2個。,每個球狀小體與連接段的DNA組成一個核小體，包括200bp的DNA和一個組蛋白8聚體，及一個分子的組蛋白H1。 DNA在蛋白八聚體上的纏繞總是遵循左手螺旋方向的。 組蛋白H1將核小體壓縮到一起形成直徑30nm左右的規(guī)則的重復(fù)排列結(jié)構(gòu)，稱為螺線體。,Nucleosome core 146 bp, 1.8 superhelical turn,Chromatosome 166 bp, 2 superhelical turn,Histone o

3、ctamer 組蛋白八聚體,Top view,Side view,Nucleosome (核小體) core (核心),The 30 nm fiber,Higher ordered Left-handed helix Six nucloesomes per turn,30 nm fiber (30nm in diameter) Solenoid-like,Nucleosome repeat Core + linker DNA ca 200 bp,Nuclear matrix (核基質(zhì)), protein complex,30 nm fiber,300 nm,Highest level of c

4、hromatin organization: looped domain structure,100kb,染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)：核小體 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,D2. Chromatin Structure,Steps from DNA to chromosome,2.染色體的形態(tài),細(xì)胞分裂中期，染色體達(dá)到凝縮的極點(diǎn)，輪廓結(jié)構(gòu)清晰，有利于觀察研究，因此多采用中期染色體作為研究對象。 不同生物、不同細(xì)胞類型及不同發(fā)育階段，染色體的數(shù)目，大小和形狀各異。 概念：染色單體，著絲粒，次縊痕，隨體，核仁組織區(qū)，端粒，復(fù)制子與復(fù)制起始點(diǎn),次縊痕：有些染色體臂上狹窄和淺染的區(qū)域

5、。 隨體：位于近端著絲粒染色體的短臂末端有一球狀或棒狀結(jié)構(gòu)，稱為隨體。 核仁組織區(qū)：在細(xì)胞周期的間期和前期，近端著絲粒染色體長臂上的次縊痕形成核仁，這個區(qū)成為核仁組織區(qū)。為核糖體基因所在區(qū)，rRNA轉(zhuǎn)錄活躍。 端粒：染色體末端的特異結(jié)構(gòu)。端粒DNA的末端受蛋白因子保護(hù)，不容易被酶切。 復(fù)制子與復(fù)制起始點(diǎn)：染色體上負(fù)責(zé)自主復(fù)制的DNA序列稱為復(fù)制子，或復(fù)制起始點(diǎn)。,端粒(telomere) 真核生物染色體線性DNA分子末 端的結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1. 由末端單鏈DNA序列和蛋白質(zhì)構(gòu)成 2. 末端DNA序列是多次重復(fù)的富含G、C 堿基的短序列 功能：1. 維持染色體的穩(wěn)定性 2. 維持DNA復(fù)制的

6、完整性,端粒酶(telomerase) 特點(diǎn)： 1. 由RNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合物 2. 為特殊的逆轉(zhuǎn)錄酶，能以自身的RNA為 模板逆轉(zhuǎn)錄合成端粒DNA 功能： 合成端粒DNA，維持端粒的長度,爬行模型：,端粒及端粒酶的意義： 端粒的長短及端粒酶活性變 化與細(xì)胞水平的老化(aging)及 腫瘤的發(fā)生有一定關(guān)系。,根據(jù)著絲粒位置進(jìn)行的染色體分類圖示,端粒、著絲點(diǎn)和DNA復(fù)制原點(diǎn)是構(gòu)成染色體不可缺少的三要素。,二、染色質(zhì)和染色體的化學(xué)成分及組成,1.DNA 2.組蛋白 按照精氨酸/賴氨酸比例，將組蛋白分為5種：H1、H2A、H2B、H3、H4。 H1含有大量賴氨酸，H2A、H2B含有稍多賴氨酸，H

7、3、H4含有大量精氨酸。又分為兩大類： H2A、H2B、H3、H4為核小體組蛋白及H1組蛋白。,3.非組蛋白 一類酸性蛋白質(zhì)，富含天門冬氨酸、谷氨酸等酸性氨基酸。 作用： （1）參與染色體的構(gòu)建 （2）啟動基因的復(fù)制 （3）調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄 4.核糖核酸（RNA） 占染色質(zhì)的13，可能與基因調(diào)控有關(guān)。 5.酶 DNA聚合酶，RNA聚合酶，核苷酰轉(zhuǎn)移酶， DNA甲基化酶，磷蛋白激酶，磷酸酶，組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶，蛋白酶等。,三、染色質(zhì)和染色體的功能,1.有絲分裂Mitosis 細(xì)胞周期Cell cycle分為G1期、S期、G2期和M期 M期又分為五個時期：前期、前中期、中期、后期、末期。,Cell c

8、ycle,Interphase 間期: G1 + S + G2 (G0) M phase (mitosis 有絲分裂): Prophase 前期 metaphase 中期 anaphase 后期 telophase 末期,D3 Eukaryotic Chromosomal Structure,Cell cycle,2.減數(shù)分裂,由第一次減數(shù)分裂和第二次減數(shù)分裂組成 最復(fù)雜的是前期I，又可以分為： 細(xì)線期：染色體細(xì)長線狀 偶線期：同源染色體配對 粗線期：染色體聯(lián)會，縮短變粗 雙線期：聯(lián)會染色體開始分離，非同源染色體發(fā)生交換 終變期：染色體向核的四周移動,Mitotic chromosome,Ce

9、ntromere 中心粒,Telomere,D3 Eukaryotic Chromosomal Structure,Mitotic chromosome at metaphase,Nuclear matrix 核基質(zhì),Loops of 30nm fiber,Sister chromatid 姊妹染色單體,Chromatid 染色單體,Kinetochore動粒,Mitotic chromosome,D3 Eukaryotic Chromosomal Structure,Mitotic spindle,Mitotic chromosome at metaphase,Centromere 中心粒,

10、Mitotic spindle,Kinetochore 動粒,The polytene chromosomes (多線染色體) of D. melanogaster form an alternating series of bands and interbands,Amphibian lampbrush chromosome 燈刷染色體 loop surrounded by a matrix of ribonucleo-protein,Special forms of chromosomes,Supplementary,3.染色體的畸變,即染色體突變，原因有自發(fā)的和物理化學(xué)因素誘變兩大類。

11、染色體數(shù)目改變有兩類：整倍體和非整倍體 染色體結(jié)構(gòu)改變有四類：缺失、重復(fù)、倒位和易位 倒位是指某一單個染色體中DNA片段翻轉(zhuǎn)的重排過程。 易位是指染色體片段在同一條或不同染色體間轉(zhuǎn)移交換的過程。,第二節(jié) 基 因,基因的生物學(xué)定義：一個基因決定一個性狀。 基因的分子生物學(xué)定義 基因是指DNA分子中能編碼一條多肽鏈，并具有一定長度的片段。 基因的功能：基因的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄、翻譯和翻譯后加工成為具有生物學(xué)功能的多肽和蛋白質(zhì)。,Genome (基因組): all DNA sequences in a cell,Gene (基因): a stretch of continuous DNA sequen

12、ce encoding a protein or RNA,原核生物的基因特征,功能相關(guān)的基因高度集中 編碼蛋白質(zhì)基因多為單拷貝 RNA基因為多拷貝，如rRNA 基因連續(xù)，沒有間隔序列 單個環(huán)狀染色體，其中無蛋白結(jié)合,真核生物基因特征,基因的不連續(xù)性 基因家族：真核細(xì)胞的基因組中有許多來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因 重復(fù)基因結(jié)構(gòu):中度重復(fù)和高度重復(fù)序列,細(xì)胞器基因,線粒體基因 葉綠體基因,第三節(jié) 基因組,基因組是細(xì)胞中一套完整單體的遺傳物質(zhì)的總和。 對細(xì)菌和噬菌體而言，是單個染色體上所含的全部基因。 而對于二倍體真核生物而言是指維持配子或配子體正常功能最基本的染色體及其所攜帶的全部基因。,基

13、因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),原核生物基因組結(jié)構(gòu) 1.較小 2.幾乎無蛋白質(zhì)同核酸結(jié)合 3.有操縱子結(jié)構(gòu) 4.有單拷貝和多拷貝兩種形式 5.有重疊基因 6.多順反子,真核生物基因組結(jié)構(gòu),1.較大 2.與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成多條染色體 3.有重復(fù)序列 4.以單拷貝和多拷貝2種形式存在 5.基因不連續(xù) 6.單順反子,遺傳圖譜、物理圖譜、基因圖譜,1.遺傳圖譜 以具有遺傳多樣性的遺傳標(biāo)記為“路標(biāo)”，以遺傳學(xué)距離為圖距的基因組圖。 2.物理圖譜 指以一段已知核苷酸序列的DNA片段為“路標(biāo)”，以Mb或Kb為圖距的基因組圖。,3.基因圖譜 根據(jù)生物體中全部基因的種類數(shù)量及其在染色體上的定位繪制的基因組圖，是最為詳盡的物理圖譜。,人類基因組,1.人類基因組定義 人類細(xì)胞所包含的一整套完整的基因序列。 2.人類基因組計劃研究的意義 全面透徹地認(rèn)識人類基因組的正常結(jié)構(gòu)、功能及基因的異常結(jié)構(gòu)及其與人類疾病的關(guān)系。 3.人類基因組計劃研究的內(nèi)容 繪制遺傳圖譜、物理圖譜和序列圖，最核心的就是序列圖的繪制。,4.人類基因組的多肽性與基因組藥學(xué) 通過鑒定疾病相關(guān)靶點(diǎn)，促進(jìn)新藥物的發(fā)現(xiàn)。 (1)共性研究：某一疾病在所有人群的穩(wěn)定遺傳的作用靶點(diǎn) (2)個性研究：