遗传的细胞学基础与分子基础ppt课件

遗传的细胞学基础与分子 基础 第一节 染色体的形态特征与分子结构 第二节 染色体在细胞分裂中的行为 第三节 生活周期 第四节 中心法则及其发展 第五节 基因的现代概念 第一节 染色体的形态特征与分子结构 一染色质与染色体 染色质 (chromatin) ： 是指 间期细胞核 内由 DNA 、组蛋白，非组蛋白及少量 RNA组成的，易被碱性 染料染色的一种 无定形 物质，是间期遗传物质在细 胞内的存在形式。 染色体 (chromosome)： 是 染色质 在 细胞分裂过 程 中经过紧密缠绕、折叠、凝缩、精巧包装而形成 的，具有 固定形态 的遗传物质的存在形式。 染色质 常染色质 异染色质 兼性异染色质 组成性异染色质 组成性异染色质组成性异染色质 ：指各类细胞的全部发育过：指各类细胞的全部发育过 程中都处于凝缩状态的染色质。大多位于着程中都处于凝缩状态的染色质。大多位于着 丝粒区和端粒区，不具有转录活性丝粒区和端粒区，不具有转录活性 。 兼性异染色质兼性异染色质 ：指在特定细胞的某一发育阶：指在特定细胞的某一发育阶 段所具有的凝缩状态的染色质。段所具有的凝缩状态的染色质。 兼性异染色质：巴氏小体（ barr body） 常染色 质 异染色 质 化学本 质 相同，以不同的状 态 存在，一定条件下可互相 转 化 结构松散 结构紧密 着色较浅 染色较深 螺旋化程度低 螺旋化程度较高 在 S期早、中期复制，转 录活跃 在 S期后期复制， 转录不 活跃 染色体大部分区域 组成性异染色质：着丝粒、端粒周围 兼性异染色质：核膜附近 由单一序列和中度重复序 列组成 组成性异染色质：高度重复序列 兼性异染色质：失活的 X染色质 常染色质与异染色质的异同 二染色体的形态特征与超微结构 1染色体的形态特征 每一物种有其特定的染色体形态特征， 以有丝分裂中期和早后期为最典型。 染色体的数 目因物种而异 ，同一物种的 染色体数目是 相对稳定的 。 （ 1）染色体形态和结构相关的术语 染色体单体 (chromatid ) 长臂（ q ） 短臂（ p ） 着丝粒 (centromere) 随体 （ satellite） 次缢痕 （ second constriction） 端粒 （ telomere） 主缢痕 （ primary constriction） （ 2）染色体分类 染色体 类 型 符号 臂比 着 丝 粒指数 分裂后形 态 中央着 丝 粒 染色体 M 1-1.7 0.5-0.375 V 近中着 丝 粒 染色体 SM 1.7-3 0.374-0.25 L 近端着 丝 粒 染色体 ST 3-7 0.249-0.125 I 端着 丝 粒染 色体 T 7 0.124-0 I 中央着丝粒 (M); V 近中央着丝粒 (SM); L 近端着丝粒 (ST);I 顶端着丝粒 (T);I 中央着丝粒 近中央着丝粒 近端着丝粒 顶端着丝粒 （ 3）特殊形态染色体 存在于 双翅目昆虫幼虫 消化道细胞的、有丝分裂 间 期核中 的、一种可见的、巨大的染色体。 双翅目昆虫的 幼虫唾腺细胞 ，多个染色质（ 500 1000条染色线）重叠成类似染色体状结构。 比一般染色体长 100 200倍，粗 1000 2000倍。 多线染色体 (唾线染色体 ) 唾 线 染 色 体 最先在鲨鱼中发现，后从鱼类、两栖类 、爬行类、鸟类以及某些无脊椎动物的 卵母细胞中发现。 呈环的 DNA区域是 RNA合成的活跃场所 。 灯刷染色体 2染色体的超微结构 包括：一级结构、二级结构、三级结 构和四级结构。 u 一级结构：核小体是构成染色质的基 本结构单位，是染色质中 DNA、 RNA和 蛋白质组成一种致密的结构。 核小体：八聚体 /组蛋白（ H3 H4和 H2A H2B） +140 bpDNA分子（缠绕 1.75圈） 核心颗 粒 之间为 60 bp的连接 DNA片段（ linker) 直径 11 nm圆盘状颗粒 核小体。 ( 压缩 1/7) u染色质的二级结构 螺线管 H1参与下，核小体紧密连接、螺旋缠绕（ 6个 /圈 ） 染色质纤维（ 30 nm）。 (压缩 1/6) u 染色质的三级结构 超螺线管 螺线管 进一步盘绕形成，直径 400 nm (压缩 1/40) u染色质的四级结构 染色单体 超螺线管再次折叠而成 chromatid （长 210 uM ） (压缩 1/5) 5 /DNA2-10m/ 染色单体 长度压缩了近万倍 四级结构螺旋模型 。 第二节 染色体在细胞分裂中的行为 u一细胞周期 u二有丝分裂中的染色体行为 u三减数分裂中的染色体行为 u四遗传的染色体学说 一细胞周期（ cell cycle） 细胞周期：由细胞分裂结束到下一次细胞 分裂结束所经历的过程，所需的时间称细 胞周期。 G1期 S 期 G2期 M期 二有丝分裂中的染色体行为 （一）有丝分裂的过程 Mitosis in action! （二）有丝分裂的特点： 染色体复制 1次，细胞分裂 1次， 1次分裂 1 个细胞形成 2个细胞，子细胞与母细胞一样 。 （三）有丝分裂的意义： 1、保证了细胞上下代之间遗传物质的稳定 性和连续性。 2、维持个体的正常生长和发育 三减数分裂中的染色体行为 减数分裂：是一种特殊方式的细胞分裂 ，是在配子形成过程中发生的，包括两 次连续的核分裂，但染色体只复制一次 ，因而在形成的四个子细胞核中，每个 核只含有单倍数的染色体，即染色体数 减少一半。 1 细线期 2 偶线期 3 粗线期 4 双线期 5 终变期 6 中期 I 7 后期 I 8 末期 I 减数 I 9 前期 II 10 中期 II 11 后期 II 12 末期 II 减数 II 减数分裂仅在性母细胞进行。减数分裂有两次 分裂 :减数第一次分裂和减数第二次分裂。 前 期 I 减数间期减数间期 1.减数第一次分裂 （ 1）前期 I 细线期（凝集期；花束期 ） : 细长线状，核仁存在。 偶线期（配对期或合线期 ） : 同源染色体开始联会（联会 复合体），二价体（四分体 ） （一）减数分裂（成熟分裂）的过程 联会复合体 （ SC） 染色质 侧体 中体 粗线期（重组期） :发 生交换，可见二价体。 双线期（合成期） :可 见 交叉。 终变期或称浓缩期 :交 叉端化。 （ 2）中期 I:核膜、核仁消失，着丝粒不分 裂。 （ 3）后期 I:同源染色体分离，向两极移动 ，染色体减半 。 （ 4）末期 I :核膜、核仁重现。 2.减数第二次分裂 （ 1）前期 II:每条染色体含 2条姊妹染色单体 ,染色体 数是 n 。 （ 2） 中期 II:染色体着丝粒排列在赤道板上。 （ 3）后期 II:着丝粒纵裂 ,姊妹染色单体向两极移动 。 （ 4）末期 II:核膜重新形成。 中 期 有丝分裂中期 减数分裂中期 I和后期 I 水 稻 减 数 分 裂 1.粗线期 2.终变期 3.中期 4.后期 5. 末期 6.分裂间期 7.前期 8.中期 9.后期 10. 末期 11.四分体 12.单核花粉 13.单核分裂花粉 14.二核花粉 15.成熟花粉 染色体复制 1次，细胞连续分裂 2次； 1次分裂 1个细胞形成 4个细胞，子细胞 染色体是母细胞一半，每个子细胞遗传信 息的组合是不同； 具有时空性； 前期长而复杂 ,同源染色体经历了配对 、联会、交换，从而使遗传物质发生了重 组。 （二）减数分裂的特点： （三）减数分裂的意义 1.保证了物种的相对稳定性： 2.为子代的变异提供了物质基础，有利于进 化 ： 后期 I同源染色体的成员移向两极是随机 的，非同源染色体的组合是自由的。 非姊妹染色单体交叉与片断交换 四 遗传的染色体学说 由 Sutton和 Boveri在 1902- 1903年间首先提 出，中心观点是 孟德尔的遗传因 子由染色体携带 。 第三节 生活周期 u一低等植物的生活周期 u二高等植物的生活周期 u三高等动物的生活周期 一低等植物的生活周期 粗糙脉孢霉 （ Neurospora crassa） 二高等植物的生活周期 拟南芥 （ Arabidopsis thaliana） 三高等动物的生活周期 黑腹果蝇 （ Drosophila melanogaster ） 人类配子形成与生活周期 第四节 中心法则及其发展 u一中心法则与遗传信息流 1958年 Crick提出 Central dogma。 u二中心法则的修正与发展 lRNA 的复制 lRNA反向合成 DNA lRNA的自催化剪接 lDNA水平上的基因重排 lRNA编辑 l基因中内含子的切除和外显子的连接 l朊粒的感染与繁殖问题 Replication Regulation Regulation 1981年， Cech研究组在研究四膜虫时发现，后 将这一类 是具有催化功能的 RNA分称为核酶（ ribozyme）。 lRNA的自催化剪接（ self-splicing RNAs ） 核酶研究的意义： 核酶的发现 打破了酶是蛋打破了酶是蛋 白质的传统观念，白质的传统观念， 是对中心法则作了重要补 充； RNA作为生物催化剂，具有重要生物学作为生物催化剂，具有重要生物学 意义，如意义，如 利用核酶的结构设计合成人工核酶 ， 为治疗或破坏有害基因、肿瘤等疾病提供为治疗或破坏有害基因、肿瘤等疾病提供 手段手段 ； 在生命起源问题上，为先有核酸提供在生命起源问题上，为先有核酸提供 了依据。了依据。 四膜虫 rRNA内含子的二 级 结构 四膜虫 rRNA的剪接采用 自我剪接 方式 5-端核苷酸序列 G OH 3 G 5 OH 5 3 G OH 414 G 399 5 3 395 5 3 E1 E2 I 四膜虫 RNA的 自我剪接 5 3 L19 RNA 具有催化活 性的片段 人类免疫球蛋白基因的重排和肽链合成 lDNA水平上的基因重排（ gene rearangement） H链：分 、 、 、 、 五类，基因 位 于第 14号染色体 L 链 链：位于第 22号染色体 链：位于第 2号染色体 人类免疫球蛋白 链的基因重排和肽链合成 某些 mRNA的核苷酸序列 ，在生成转录 产物后还需插入、删除或取代一些核苷酸 残基，方能生成具有正确翻译功能的模板 ，这种遗传信息在 mRNA水平上的改变过 程，称为 RNA编辑。 例 :血浆载脂蛋白 Apo B的编辑作用 。 lRNA编辑 （ RNA editing） l基因中内含子的切除和外显子的连接 鸡卵清蛋白成熟 mRNA与 DNA杂交电镜图 例例 1：卵清蛋白基因成熟过程。：卵清蛋白基因成熟过程。 鸡卵清蛋白 基因 hnRNA 首、尾修饰 hnRNA剪接 成熟的 mRNA 鸡 卵 清 蛋 白 基 因 及 其 转 录 、 转 录 后 修 饰 例例 2: 同一转录本同一转录本 , 在不同的组织在不同的组织 , 因剪接差异因剪接差异 产生各自不同的产生各自不同的 mRNA。 1982年 Prusiner S.B.以叙利亚仓鼠为实 验材料，发现羊瘙痒病（ scrapie）的病 原体是一种蛋白质，不含核酸，命名为 prion，意即 Proteinnaceous Infection ONly，译为蛋白质感染因子或朊病毒， Prusiner因此项发现更新了医学感染的概 念，获 1997年的诺贝尔生理与医学奖。 l朊粒的感染与繁殖问题 对蛋白质感染因子的增殖方式有两种解释， 一种是重折叠模型（ refolding model），一 种是晶种模型（ Seeding model）。 u三表观遗传变异 （ epigenetic variation） 表观遗传变异：在基因的 DNA 序列没有 发生改变的情况下，基因功能发生了可遗 传的变化，并最终导致了表型的变化。 表观遗传学（ Epigenetics ）： 1942 年 的时候 , Waddington C.H. 首次提出。几 十年后，霍利迪 (Holiday R.) 提出系统性 论断，即表观遗传学研究没有 DNA 序列 变化的、可遗传的基因表达改变的一门学 科 。它提供了何时、何地、以何种方式 去应用遗传信息的指令。 表观遗传学是与遗传学相对应的概念 ： 遗传学是指基于基因序列改变所致基因表 达水平变化，如基因突变、基因杂合丢失及 基因重组扩增等； 表观遗传学则是指基于基因序列不发生改 变所导致的基因表达水平变化，如 DNA甲 基化和染色质构象变化等。 lX染色体失活 目前已发现的表观遗传变异主要有 ： l基因组印记 l组蛋白修饰 lDNA甲基化 lRNA编辑（略） lX染色体失活 在哺乳动物中，雌雄性个体 X 染色体的数 目不同 ,这类动物需要以一种方式来解决 X 染色体剂量的差异。在雌性哺乳动物中 ,两 条 X 染色体有一个是失活的，称为 X染色 体的剂量补偿 (dosage compensation) 。 X染色体失活的选择和起始发生在胚胎 发育的早期 ,这个过程被 X 失活中心 (X - inactivation center ,Xic) 所控制，是一 种反义转录调控模式。 X-失活中心 存在着 X染色体失活相关的特异 性转录基因 Xist (X - inactive - specifictranscript) ，当失活的命令下达时 , 这个基因就会产生一个 17kb 不翻译的 RNA 与 X 染色体结合，引发失活。 X失活中心还有 “记数 ”的功能，即保持每个二倍体中仅有一 条 X染色体有活性，其余全部失活。 X 染色体 的失活状态需要表观遗传修饰如 DNA 甲基化 来维持。这种失活可以通过有丝分裂或减数 分裂遗传给后代。 Xist RNA结合在染色体上（见箭头）， 从而关闭整个染色体基因的表达 lDNA甲基化 所谓 DNA甲基化是指在 DNA甲基化转移 酶的作用下，以 S-腺苷甲硫氨酸 (SAM)为 甲基供体，在基因组 CpG二核苷酸的胞嘧 啶 5-C共价键结合一个甲基基团。在脊椎 动物中， CpG二核苷酸是 DNA 甲基化发 生的主要位点。 CpG常成簇存在，人们将基因组中富含 CpG的一段 DNA 称为 CpG岛 (CpGisland) ,通常长度在 1kb 2kb 左右。 正常情况下，人类基因组 “垃圾 ”序列的 CpG二核苷 酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态，与之相反 ， CpG岛常位于转录调控区附近，且在正常生理情 况下， CpG 岛是非甲基化的。 甲基化一般会使基因失活即基因沉默，去甲基化又 可以使基因重新恢复活性。 体内甲基化状态有三种 : 持续的低甲基化状态，如持家基因 ; 诱导的去甲基化状态，如发育阶段中的一些基因 ; 高度甲基化状态，如女性的一条缢缩的 X 染色体。 DNA 甲基化影响到基因的表达，与肿瘤的 发生密切相关，甲基化状态的改变是致癌作 用的一个关键因素。人类的一些癌症常出现 整个基因组 DNA 的低甲基化和 CpG岛局部 甲基化程度的异常升高，这将导致 基因组的 不稳定 (如染色体的不稳定、可移动遗传因 子的激活、原癌基因的表达 ) 。当 CpGs异 常甲基化会导致所在基因沉默，这与 56的 人类基因组编码基因相关，特别是 CpG岛甲 基化可能会导致抑癌基因转录失活问题。 有专家指出，可以使用 DNA 甲基转移酶抑 制剂来治疗人和小鼠的癌症，其疗效可能是 由于这些抑制剂恢复了肿瘤抑制基因的活性 。但是这种导致 DNA 低甲基化的治疗方式， 可能在防止一些癌症发生的同时，也会造成 基因组 的不稳定并增加其他组织罹患癌症的 风险。这些都是需要继续深入研究的问题。 DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因 组学的重要研究内容。 l组蛋白修饰 -乙酰化和去乙酰化 真核细胞基因组和组蛋白紧密地包装在一 起，形成一个个核小体，核小体是构成染 色质的基本单位。基因的表达需要改变染 色质的状态：染色质压缩程度 高 时 基因沉 默 （即无转录活性），染色质压缩程度较 低 时 基因表达 （即有转录活性）。染色质 这种动态构象转换是靠 DNA甲基化和组蛋 白乙酰化修饰可逆调节的。 染色质活性区域即压缩程度低的区域均有 去甲基化 DNA和高水平的乙酰化组蛋白， 相反在染色质非活性区域即压缩程度高 的区域，有甲基化 DNA和高水平的去乙酰 化组蛋白。 这种可逆的修饰使得基因表达可以受激 素、饮食以及药物等外界因素的调控。 左图组蛋白乙酰化时与 DNA的结合松弛，染 色质压缩程度低，有转录活性，右图则相反 ，去乙酰化染色质结构紧密无转录活性。 l基因组印记 人们在研究中发现 ,来自双亲的某些等位基 因 ,在子代的表达不同 ,有些只有父源的基因有 转录活性 ,而母源的同一基因则始终处于沉默 状态 ,另一些基因的情况则相反。这是由于 二 倍体细胞中来自某一亲本的等位基因或它所 在染色体发生了表观遗传修饰 ,导致不同亲本 来源的两个等位基因只有一个可以表达，另 一个因甲基化而沉默。 在基因组中的这类现 象就是 基因组印记 (genomic imprinting) 。 研究者在植物、昆虫和哺乳动物中都发现了 基因组 印记现象 。 印记发生原因： 等位基因的抑制 (allelic repression) 被 印 记控制区 (