1、第二章 染色體與DNA,染色體 DNA的結(jié)構(gòu)與復(fù)制 原核生物和真核生物DNA復(fù)制的特點 DNA的修復(fù)與轉(zhuǎn)座,主 要 內(nèi) 容,第一節(jié) 染色體,一、染色體概述,3、染色體的功能遺傳物質(zhì)的主要載體,2、染色體的組成DNA和蛋白質(zhì),1、染色體的發(fā)現(xiàn)19世紀中葉在有絲分裂中發(fā)現(xiàn)的一種易被堿性染料染成深色的物質(zhì)；,第一節(jié) 染色體,4、染色體的重要特征 分子結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定; 能夠自我復(fù)制; 能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，從而控制整個生命過程; 能夠產(chǎn)生可遺傳的變異。,第一節(jié) 染色體,（一）、原核細胞的染色體,1、位于一個類似“核”的結(jié)構(gòu)“類核體”上，由DNA和外裹的稀疏蛋白質(zhì)組成，其中一部分蛋白與DNA的折疊有關(guān)，另

2、一些則參與DNA復(fù)制、重組及轉(zhuǎn)錄。,2、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；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(yīng)狀態(tài)。（無內(nèi)含子）,第一節(jié) 染色體,（二）真核細胞的染色體 真核細胞的染色體位于核仁內(nèi)，DNA與蛋白質(zhì)完全融合在一起，其蛋白質(zhì)與相應(yīng)DNA的質(zhì)量比約為2：1；其中蛋白質(zhì)包括組蛋白和非組蛋白， 真核生物染色體的組成：由DNA、組蛋白、非組蛋白及部分RNA（主要是尚未完成轉(zhuǎn)錄而仍與模板DNA相連接的那些RNA，其含量不到DNA的10%）組成。 除了性細胞以

3、外，真核細胞的染色體都是二倍體，而性細胞的染色體數(shù)目是體細胞的一半，稱為單倍體。 染色體被大量蛋白質(zhì)及核膜包圍，DNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯在不同的空間和時間上進行，其基因表達調(diào)控與DNA的序列和染色體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。,第一節(jié) 染色體,（二）真核細胞的染色體 染色體上的蛋白質(zhì)主要包括組蛋白和非組蛋白。組蛋白是染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，它與DNA組成核小體。組蛋白分別為Hl、H2A、H2B、H3及H4。它們含有大量的賴氨酸和精氨酸。 非組蛋白包括酶類，收縮蛋白、骨架蛋白、肌動蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。,第一節(jié) 染色體,（三）原核生物基因組 原核生物的基因組很小，大多只有一條染色體，且DNA含量少。（注意染

4、色體外遺傳基因的概念：即細菌的質(zhì)粒、真核生物的線粒體、高等植物的葉綠體等所含有的DNA和功能基因）。 結(jié)構(gòu)簡練：原核DNA分子的絕大部分是用來編碼蛋白質(zhì)的，只有非常小的一部分不轉(zhuǎn)錄。而且，這些不轉(zhuǎn)錄DNA序列通常是控制基因表達的序列。,第一節(jié) 染色體,（三）原核生物基因組 存在轉(zhuǎn)錄單元：原核DNA序列中功能相關(guān)的基因叢集在基因組的特定部位，形成轉(zhuǎn)錄單元，它們可被一起轉(zhuǎn)錄為可翻譯多個蛋白質(zhì)的mRNA分子，這種mRNA叫多順反子mRNA。 有重疊基因：在一些細菌和動物病毒中同一段DNA能攜帶兩種不同蛋白質(zhì)的信息。重疊基因主要有以下幾種情況:(1)一個基因完全在另一個基因里面；(2)部分重疊；(3)

5、兩個基因只有一個堿基對的重疊。 有的重疊基因的重疊部分翻譯相同序列的肽段；有的翻譯不同的肽段，這是因為翻譯起點錯位引起的。,第一節(jié) 染色體,重疊基因,第一節(jié) 染色體,（四）真核生物基因組 真核細胞基因組含有大量的重復(fù)序列，功能DNA序列大多被非功能DNA所隔開。許多DNA序列不編碼蛋白質(zhì)。真核細胞DNA序列可被分為3類: 不重復(fù)序列 占DNA總量的4080，長約7502000bP。結(jié)構(gòu)基因?qū)儆诓恢貜?fù)序列。,第一節(jié) 染色體,（四）真核生物基因組 中度重復(fù)序列 占總DNA的1040，各種rRNA、tRNA以及某些結(jié)構(gòu)基因?qū)儆谶@一類。中度重復(fù)序列往往分散在不重復(fù)序列之間。 高度重復(fù)序列衛(wèi)星DNA 占

6、總DNA的1060，由6100個堿基組成，在DNA鏈上串聯(lián)重復(fù)高達數(shù)百萬次。不轉(zhuǎn)錄。,第一節(jié) 染色體,（四）真核生物基因組特點 基因組龐大，一般都遠大于原核生物的基因組； 存在大量的重復(fù)序列； 真核基因組的大部分序列為非編碼序列，占整個基因組序列的90%以上； 真核基因組的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子； 真核基因是斷裂基因，有內(nèi)含子結(jié)構(gòu)； 真核基因組存在大量的順式作用原件，包括啟動子、增強子、沉默子等；,第一節(jié) 染色體,（四）真核生物基因組特點 真核基因組中存在大量的DNA多態(tài)性。DNA多態(tài)性是指DNA序列中發(fā)生變異而導(dǎo)致的個體間核苷酸序列的差異，主要包括單核苷酸多態(tài)性（single nucleotid

7、e polymorphism,SNP)和串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性(tandem repeats polymorphism）兩類。 真核生物基因組具有端粒（telomere)結(jié)構(gòu)。端粒是真核生物線性基因組DNA末端的一種特殊結(jié)構(gòu)，它是一段DNA序列和蛋白質(zhì)形成的復(fù)合體。其DNA序列相當保守，一般由多個短寡核苷酸串聯(lián)在一起構(gòu)成，它具有保護線性DNA的完整復(fù)制、保護染色體末端和決定細胞壽命的功能。,第一節(jié) 染色體,（五）染色質(zhì)和核小體,由DNA和組蛋白組成的染色質(zhì)纖維細絲是許多核小體連成的念珠狀結(jié)構(gòu)。核小體是由H2A、H2B、H3、H4各兩個分子生成的8聚體和由大約200bpDNA組成的。八聚體在中間，D

8、NA分子盤繞在外，而Hl則在核小體的外面。每個核小體只有一個Hl。用核酸酶水解核小體后產(chǎn)生的核心顆粒含146bpDNA和組蛋白八聚體， 146bpDNA繞在核心外面形成175圈，每圈 約8Obp。許多核小體構(gòu)成了連續(xù)的染色質(zhì) DNA細絲。,第一節(jié) 染色體,（五）染色質(zhì)和核小體,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),DNA是高分子化合物，其基本單位是脫氧核苷酸。在所有的DNA分子中，磷酸和脫氧核糖是不變的，而含氮堿基是可變的，主要有4種：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。許許多多個脫氧核苷酸經(jīng)3的羥基與5的核苷三磷酸反應(yīng)形成磷酸二酯鍵聚合而成為DNA鏈。,DNA通常以線性或環(huán)狀形式存在，

9、絕大多數(shù)DNA分子都由堿基互補的雙鏈構(gòu)成，有少數(shù)生物以單鏈形式存在，如某些噬菌體和病毒。,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),一、DNA的一級結(jié)構(gòu) DNA的一級結(jié)構(gòu)就是指4種核苷酸的連接及其排列順序。,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),DNA具有嚴格的化學組成，還具有特殊的空間結(jié)構(gòu)，它主要以有規(guī)則的雙螺旋形式存在，其基本特點是: (l)DNA分子是由兩條互相平行的脫氧核苷酸長鏈盤繞而成的; (2)DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)。 兩條鏈上的堿基通過氫鍵結(jié)合形成堿基對，它的組成規(guī)律是嘌呤與嘧啶配對。即A與T, G與C。 組成DNA分子的堿基雖然只有4種，但堿基可以任何順序排列

10、，構(gòu)成了DNA分子的多樣性。DNA的ATGC的排列方式幾乎是無限的。每個DNA分子所具有的特定的堿基排列順序構(gòu)成了DNA分子的特異性，不同的DNA鏈可以編碼出完全不同的多肽。,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),二、DNA的二級結(jié)構(gòu),第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),A-DNA B-DNA Z-DNA,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),二、DNA的二級結(jié)構(gòu) DNA的二級結(jié)構(gòu)是指兩條多核苷酸鏈反向平行盤繞所生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。在生物活體中，通常情況下，DNA的二級結(jié)構(gòu)以兩大類存在: 右手螺旋（ADNA、BDNA）和左手螺旋（ZDNA）。 通常情況下DNA的構(gòu)象為B-DNA。,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),當DNA處于轉(zhuǎn)錄

11、狀態(tài)時，DNA模板鏈與由它轉(zhuǎn)錄所得的RNA鏈間形成的雙鏈就是A-DNA。 ZDNA構(gòu)象在轉(zhuǎn)錄區(qū)上游離轉(zhuǎn)錄區(qū)近時，抑制轉(zhuǎn)錄；若離轉(zhuǎn)錄區(qū)遠，可以增加轉(zhuǎn)錄區(qū)的負超螺旋程度促使轉(zhuǎn)錄。ZDNA構(gòu)象有轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)活性。,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),DNA的兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸構(gòu)成螺旋結(jié)構(gòu)。 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53，另一條從35。鏈間有螺旋型的凹槽，一條小溝;一條大溝。 兩條鏈上的堿基以氫鍵相連，G與C配對，A與T配對。堿基對層疊于雙螺旋的內(nèi)側(cè)。相鄰堿基對平面之間的距離為034nm，以34nm為一個結(jié)構(gòu)重復(fù)周期。 核苷酸的磷酸基團與脫氧核糖在外側(cè)，通過磷酸二

12、酯鍵相連接而構(gòu)成DNA分子骨架。 脫氧核糖環(huán)平面與縱軸大致平行。 雙螺旋的直徑為2.0nm。,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),三、DNA的高級結(jié)構(gòu),DNA的高級結(jié)構(gòu)是指DNA雙螺旋進一步扭曲盤繞所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)是DNA高級結(jié)構(gòu)的主要形式，可分為正超螺旋與負超螺旋兩大類。,第三節(jié) DNA的復(fù)制,一、DNA半保留復(fù)制(semiconservartive replication)機理： 由于DNA分子由兩條多核苷酸鏈組成，一條鏈上的堿基G只能與另一條鏈上的C相配對，A只能與T相配對，所以，兩條鏈是互補的，一條鏈上的核苷酸排列順序決定了另一條鏈上的核甘酸排列順序。就是說，DNA分子的每一條鏈都含

13、有合成它的互補鏈所需的全部信息。DNA在復(fù)制過程中堿基間的氫鍵首先斷裂，雙螺旋解旋并被分開，每條鏈分別作為模板合成新鏈，產(chǎn)生互補的兩條鏈。這樣新形成的兩個DNA分子與原來DNA分子的堿基順序完全一樣。因此，每個子代分子的一條鏈來自親代DNA，另一條鏈則是新合成的，這種復(fù)制方式被稱為DNA的半保留復(fù)制。,第三節(jié) DNA的復(fù)制,DNA的半保留復(fù)制,第三節(jié) DNA的復(fù)制,DNA半保留復(fù)制的實驗依據(jù)：15N標記培養(yǎng)基，CsCl離心密度標記（0）；14N培養(yǎng)基培養(yǎng)3代。,第三節(jié) DNA的復(fù)制,DNA的半保留復(fù)制,第三節(jié) DNA的復(fù)制,(a)DNA改變雙螺旋構(gòu)象，解鏈酶解開雙鏈，在單鏈DNA結(jié)合蛋白(SS

14、B)和DNA聚合酶III的共同作用下合成先導(dǎo)鏈，方向與復(fù)制叉推進的方向一致。在滯后鏈上，當復(fù)制叉進一步打開時，RNA引物才能與DNA單鏈相結(jié)合；b)滯后鏈合成時，產(chǎn)生岡崎片段；(c)復(fù)制叉繼續(xù)前進，DNA引物酶合成新的RNA引物，與DNA單鏈相結(jié)合準備引發(fā)合成新的岡崎片段。,第三節(jié) DNA的復(fù)制,DNA的復(fù)制是由固定的起始點開始的。一般把生物體的復(fù)制單位稱為復(fù)制子(replicon)。一個復(fù)制子只含一個復(fù)制起點。通常，細菌、病毒和線粒體的DNA分子都是由單個復(fù)制子完成復(fù)制的，而真核生物基因組則同時在多個復(fù)制起點上進行復(fù)制，它們的基因組包含有多個復(fù)制子。,無論是原核生物還是真核生物，DNA的復(fù)制

15、主要是從固定的起始點以雙向等速復(fù)制方式進行的。復(fù)制叉以DNA分子上某一特定順序為起點，向兩個方向等速生長前進。,第三節(jié) DNA的復(fù)制,無論是原核生物還是真核生物，DNA的復(fù)制主要是從固定的起始點以雙向等速復(fù)制方式進行的。復(fù)制叉以DNA分子上某一特定順序為起點，向兩個方向等速生長前進。,第四節(jié) 原核生物和真核生物DNA復(fù)制的特點,原核生物DNA復(fù)制的特點 真核生物DNA復(fù)制的特點 DNA復(fù)制的調(diào)控,第四節(jié) 原核生物和真核生物DNA復(fù)制的特點,一、原核生物DNA復(fù)制的特點 大腸桿菌基因組以雙鏈環(huán)狀DNA分子的形式存在，其DNA復(fù)制的中間產(chǎn)物可形成一個,復(fù)制從定點開始雙向等速進行，復(fù)制起始區(qū)位于其遺

16、傳圖。復(fù)制起始后，兩個復(fù)制叉在距起始點1800處會合。,第四節(jié) 原核生物和真核生物DNA復(fù)制的特點,一、原核生物DNA復(fù)制的特點 1、起始：首先起始復(fù)合體（DnaA-ATP）與4乘9bp結(jié)合，3乘13bp(富含AT)在型拓撲異構(gòu)酶的作用下，使3乘13bp區(qū)域松弛，在再DNA解旋酶的作用下，3乘13bp區(qū)域發(fā)生解鏈；復(fù)制泡被單鏈結(jié)合蛋白(SSB蛋白)覆蓋，以免斷裂和再復(fù)性；DNA誘發(fā)酶結(jié)合到模板DNA上并合成一段短的RNA，作為合成DNA的引物，引發(fā)第一個復(fù)制叉的先導(dǎo)鏈的復(fù)制，接下來是雙向復(fù)制。,第四節(jié) 原核生物和真核生物DNA復(fù)制的特點,一、原核生物DNA復(fù)制的特點,第四節(jié) 原核生物和真核生物

17、DNA復(fù)制的特點,2、延伸：先導(dǎo)鏈在DNA合成酶的作用下跟著延伸；包含DnaB解旋酶和DNA引物酶的移動復(fù)合體在后隨鏈上隔10002000核苷酸合成一個RNA引物。延伸均由DNA合成酶來完成。后隨鏈一旦被DNA合成酶延伸時，岡崎片段上的RNA引物就被DNA合成酶切掉，所留下的缺口被緊接著的后隨鏈延伸來填補。,一、原核生物DNA復(fù)制的特點,第四節(jié) 原核生物和真核生物DNA復(fù)制的特點,一、原核生物DNA復(fù)制的特點,3、終止：兩個復(fù)制叉在oriC約1800的對面相遇，在這個區(qū)域有幾個Ter(20bp左右)的位點，它們與Tus(DnaB解旋酶抑制劑)結(jié)合成Ter-Tus復(fù)合物，Ter-Tus復(fù)合物阻止

18、復(fù)制叉的移動，等到相反方向的復(fù)制叉到達后，（由于兩條子鏈是相扣的）在DNA拓撲異構(gòu)酶的作用下使復(fù)制叉解體，釋放子鏈DNA。,第四節(jié) 原核生物和真核生物DNA復(fù)制的特點,二、真核生物DNA復(fù)制的特點,1、真核生物每條染色質(zhì)上可以有多處復(fù)制起始點，而原核生物只有一個起始點; 2、真核生物的染色體在全部完成復(fù)制之前，各個起始點上DNA的復(fù)制不能再開始，而在快速生長的原核生物中，復(fù)制起始點上可以連續(xù)開始新的DNA復(fù)制，表現(xiàn)為雖只有一個復(fù)制單元，但可有多個復(fù)制叉。,第四節(jié) 原核生物和真核生物DNA復(fù)制的特點,二、真核生物DNA復(fù)制的特點,3、 真核生物DNA的復(fù)制子被稱為ARS(autonomously replicating sequences自主復(fù)制序列 )，長約15Obp左右，包括數(shù)個復(fù)制起始必需的保守區(qū)。真核生物DNA復(fù)制的起始需要起始原點識別復(fù)合物(ORC)參與。真核生物DNA復(fù)制叉的移動速度比原核生物慢得多（大約只有5Obp/s，還不到大腸桿菌的1/20）。,第四節(jié) 原核生物和真核生物DNA復(fù)制的特點,二、真核生物DNA復(fù)制的特點,由于真核生物復(fù)制速度慢以及染色體在全部完成復(fù)制之前，各個起始點上DNA的復(fù)制不能再開始這兩點，若其染色體上只有一個復(fù)制起點，要完成一代復(fù)制的時間太長（如人染色體每條按1億計算，完成一代復(fù)制的時間為2106S）。真核生物以每條染