《染色体与基因资料》PPT课件.ppt

第二章 染色体与DNA（基因）,1848年，Hofmeister从鸭跖草的花粉母细胞中隐隐约约发现丝状体。 1879年，W. Flemming提出了染色质（chromatin）这一术语，用以描述染色后细胞核中强烈着色的细丝状物质。 1888年，Waldeyer正式定名为Chromosome。 后来的研究证明染色质和染色体是同一物质在不同细胞周期中的形态表现。, 染色质和染色体,Cells,染色体(chromosome) Chromosome is a discrete unit of the genome carrying many genes. Each chromosome consists of a very long molecule of duplex DNA and an approximately equal mass of proteins. It is visible as a morphological entity only during cell division. 染色质(chromatin) Chromatin describes the condition of the chromosomal material during the interphase (between mitoses) of the cell cycle., Benjiamin Lewin,染色体（Chromosome ）:是细胞核内由核酸和蛋白组成，即由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成， 能用碱性染料染色、有结构的线状体，是遗传物质基因的载体。 染色质（ chromatin ）：具有与染色体同样的化学成分，两者仅是在细胞周期不同阶段表现出在形态和构型上之不同。,染色质,染色体,染色体的特征：,1、分子结构相对稳定 2、能够自我复制，使亲子代之间保持连续性 3、能够指导蛋白质的合成 4、能够产生可遗传的变异,原核细胞染色体,原核：是否具有真正的染色体结构？,（P24图）,染色体概念的广义性与狭义性 狭义：指真核生物的染色体，由DNA和蛋白质组成。 广义：指控制生物主要性状的核酸分子的超螺旋结构，承载生物体内所有遗传物质的构造称为染色体，包括真核生物细胞核中的染色体和原核生物拟核中的DNA。,简单地说，原核细胞核酸分子常裸露存在整个细胞中，与少量蛋白质结合，这些蛋白质有些与DNA的折叠有关，另外的参与DNA复制、重组和转录过程。,原核染色体DNA的特点：,原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因如rRNA基因是以多拷贝形式存在； 整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成； 几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。,染色体位于细胞核的核仁内， DNA与Pro完全融合，Pro/DNA的质量比2/1。,真核生物染色质（体）,一、真核细胞染色体的成分,核酸（DNA和极少量的RNA） 蛋白质（组蛋白与非组蛋白）,1. DNA,不重复序列(40-80%) 非严格的“单”，主要是结构基因，750-2000bp 中度重复序列(10-40%) 重复10-10000次，rRNA、tRNA、组蛋白基因 高度重复序列(10-60%) 卫星DNA，重复数百万次，6-100bp,真核细胞基因组的最大特点：含有大量的重复序列； 功能DNA区是不连续的。,以小鼠为例： 1.总DNA的10是小于10bp的高度重复序列，重复数十万到上百万次/genome。 2.总DNA的20是重复数千次、长约数百bp的中等重复序列。 3.总DNA的70是不重复或低重复序列，绝大部分功能基因都位于这类序列中。,2、蛋白组蛋白和非组蛋白,一类小的带有丰富正电荷，富含Lys，Arg的核蛋白，与DNA有高亲和力的氨基酸多聚物。 组蛋白分类： 1核小体核心组蛋白：H2A，H2B，H3，H4。分子量较小(102-135aa)，作用：盘绕DNA形成核小体核心颗粒。 2H1组蛋白：较大(220aa)，作用：与Linker DNA结合后利于核小体稳定和更高级结构的形成。,组蛋白（histone）,组蛋白的特性：,1、高度保守性 H3和H4 H2A和H2B H1 2、无组织特异性 仅鸟、鱼和两栖类的红细胞染色体不含H1，而是H5 3、氨基酸分布的不对称性 N端富含碱性氨基酸，C端多为疏水基团 4、易被修饰：甲基化、乙基化、磷酸化、泛素化、糖化 5、富含赖氨酸（24%）的组蛋白H5：染色质失活,染色体上的非组蛋白：,1、高速泳动蛋白（High mobility group protein）：与DNA的超螺旋结构有关。 2、DNA结合蛋白 与DNA的复制或转录有关的酶或调节物质。 3、A24非组蛋白：溶解性与组蛋白相似；一个C端与H2A组蛋白相同，两个N端 功能不详,非组蛋白的特点：,1、非组蛋白的多样性。非组蛋白的量大约是组蛋白的60%70%，但它的种类却很多。主要是酶、核酸结合蛋白、反式作用因子等。 2、非组蛋白的组织专一性和种属专一性。 非组蛋白能专一地激活某些基因。,二、染色体的超微结构,1. 核小体（nucleosome）： 核小体是染色体的基本结构单位，染色体就是由若干重复单位的核小体组成。 2. 螺线体（solenoid）： 核小体链呈螺旋形缠绕，并形成超微螺旋，称为螺线体。 3. 超螺线体（super solenoid）： 螺线体进一步螺旋化，是染色体的三级结构。 4. 染色体： 超螺线体再进一步折叠，盘绕就形成了染色体（实际上是染色单体）。,染色体的基本单位-核小体,核小体(nucleosome)结构,DNA绕在组蛋白八聚体(H2A、H2B、H3、H4各一对)核心外1.8周(146bp)，形成核小体核心颗粒。 两个核小体核心颗粒之间有Linker DNA(0-80bp)， 核小体核心颗粒+Linker=核小体(长180-210bp),每6个核小体绕一圈，这样反复盘绕，形成一个中空的管状结构，即为螺线体。螺线体的外直径约为30nm，内径10nm，由于螺线体的每一周螺旋含有6个核小体，所以螺线体的长度压缩为原先核小体链的1/6。如果将核小体作为染色体的一级结构，那么这种螺线体就是染色体的二级结构。,螺线体的结构,3.超螺线体（super solenoid）： 螺线体进一步螺旋化，形成一条直径为0.4m的圆管，人们把这种圆管状结构称为超螺线体。超螺线体是染色体的三级结构。超螺旋体的结构是原来螺线体的1/40。 4.染色体： 超螺线体再进一步折叠，盘绕就形成了染色体（实际上是染色单体）。染色体又比原来的超螺线体缩短了5倍。染色体是在光镜下能看到的四级结构。,三、染色体压缩包装,10nm核小体（1/7） 30nm螺线体（1/6） 超螺线体（1/40） 染色单体（1/5） 所以DNA以高度压缩的形式（8400倍）存在染色体上,例如： 人类的46条染色体虽然长短不一，但平均长度仅数微米。而构成每条染色体的DNA分子的平均长度约有数厘米长，总长度可达1.7m。这么长的DNA分子无法容纳在细胞核中，所以 DNA分子经过多级的卷曲、折叠，形成了长度仅有原先的1/100左右、总的压缩程度为1/8400的染色体，而存在细胞核中。几个水平的包装使得原来几厘米长的染色体能够装进直径只有几微米长的核中。,四、染色体的结构要素,自主复制DNA序列(autonomously replicating sequence;ARS ):能够充当复制起始位点的DNA序列，能确保染色体在细胞周期中能够自我复制，从而保证染色体在世代传递中具有稳定性和连续性。 着丝粒（centromere）：细胞分裂时染色体与纺锤丝相连结的部位，为染色体的正常分离所必需。在着丝粒附近有高度重复的卫星DNA（长约510 bp、方向相同的高度重复序列），它们不能与组蛋白结合，形成异染色质区域。 端粒(telomere)：真核生物线状染色体分子末端的DNA区域 。,端粒DNA的特点与功能：,有许多短的正向重复序列。 端粒的末端都有一条12-16碱基的单链3端突出。 端粒DNA末端不能被外切核酸酶和单链特异性的内切核酸酶识别。 端粒的功能：防止DNA末端降解，保证染色体的稳定性和功能, 基因与DNA,基因是生物体遗传信息的基本单位，其本质是DNA（有的生物基因组是RNA），它是合成一种功能蛋白或RNA分子所必须的全部DNA（RNA）序列。,基因的种类,移动基因 断裂基因 假基因 重叠基因,移动基因,移动基因又叫转位因子。由于它可以从染色体基因组上的一个位置转移到另外一个位置，甚至在不同染色体之间跃迁，因此也形象地称之为跳跃基因。,1983 McClintock (美),50年代初发现可移动的遗传因子（jumping gene or mobile element）,Barbara McClintock,83年获奖,断裂基因,真核生物的结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因或不连续基因（splite gene）。 先转录成初级转录物，即核内不均一RNA（hnRNA），又叫前体mRNA；然后经过删除和连接，去除无关的DNA间隔序列的转录物，便形成成熟的mRNA分子；它从细胞核中输送到细胞质，再翻译成相应的多肽链。这种在mRNA成熟过程中其转录物被剪除掉的对应DNA部分叫做间隔序列或内含子，被保留下来的对应的DNA部分叫编码序列或外显子。,Pre-mRNA,Introns Removed Exons junctions,Splitting gene,假基因,现已在大多数真核生物中都发现了假基因，这是一种核苷酸序列同其相应的正常功能基因基本相同，但却不能表达或者表达异常，不能产生有功能的基因产物的失活基因。 假基因来源可能有两种：一种可能来源于“亲本基因”的重复和突变（重复假基因）；另一种可能来源于mRNA逆转录成DNA插入基因组中形成（加工假基因）。,重复的假基因 许多假基因都是同“亲本基因”连锁的，而且同其编码区和侧翼序列的DNA具有很高的同源性。此种类型的假基因拷贝的一种可能机理是:由含有“亲本基因”的染色体区段串连重复突变形成。,加工的假基因 这类假基因没有与“亲本基因”连锁，而且其结构是同转录本而非“亲本基因”类似。例如：它们没有启动子和间隔子，但在3-末端都有一段延伸的腺嘌呤短序列，恰似mRNA分子3-末端的Poly（A）尾巴。这些特征表明，此类假基因很可能来自加工的RNA之DNA拷贝，因此称之为加工的假基因。,重叠基因,随着DNA核苷酸序列测定技术的发展，在一些细菌和动物病毒中发现了不同基因的核苷酸有时是可以共用的，也就是说不同基因的核苷酸序列彼此重叠。这样核苷酸序列重叠的基因叫做重叠基因。,不同终止位点 ( Q RNA virus 1973. A. Weiner ),400Nt 800Nt AUG-UGA-UAA,UGA, UAG 易被漏读， 错读 UAA 能严格终止,不同的阅读框,-AUG-TCAUGCCCAA-AUGAGGC-,选择不同的起始和终止,(Simian Virus 40 SV40),基因家族 （gene family）,真核生物的基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样一组基因称为基因家族。由于它们功能相关，结构相似且核苷酸序列具有同源性，因此极有可能由某一共同祖先基因经重复和突变产生。,基因家族分类,单纯多基因家族，即一个基因形成许多串连单位，如5SRNA基因； 复合多基因家族，一般是功能相关的基因串连形成，如组蛋白基因家族； 发育控制复合多基因家族，这些串连在一起的基因在个体发育不同阶段中分别表达，如珠蛋白基因家族。,基因家族的特点,基因家族的成员可以串联排列在一起，形成基因簇(gene cluster)或串联重复基因，如rRNA、tRNA和组蛋白的基因； 有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上，如珠蛋白基因； 在基因家族中发现有些成员不产生有功能的基因产物，即假基因。, 基因组,基因组（Genome），传统定义是单倍体细胞中的全套染色体为一个基因组，或是单倍体细胞中的全部基因为一个基因组。（?） 基因组应该指单倍体细胞中包括编码序列和非编码序列在内的全部DNA分子。 说的更确切些，核基因组是单倍体细胞核内的全部 DNA分子；线粒体基因组则是一个线粒体所包含的全部DNA分子；叶绿体基因组则是一个叶绿体所包含的全部DNA分子。,原核生物基因组结构特点:,结构简单：大部分为蛋白编码序列，只有极少数不转录 2. 存在转录单元：功能相关的RNA和蛋白质基因丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成功能单位或转录单位；转录产物为多顺反子mRNA. 3. 有重叠基因,真核生物基因组结构特点:,1. 基因组比较庞大 2. 存在大量的重复序列 基因组的大部分序列为非编码序列，占90% 4. 转录产物为单顺反子 5. 为断裂基因，有内含子结构 6. 存在大量的顺式作用元件，如启动子、沉默子和增强子等 7. 存在DNA多态性，包括单核苷酸多态性和串联重复序列多态性 8. 具有端粒结构,植物,动物,真菌,细菌,C值：每种单倍体基因组的DNA含量称为C值，常用bp表示，对一个物种来说，C值是恒定的。,C-值矛盾,在结构、功能很相似的同一类生物中，甚至是亲缘关系非常紧密的物种之间，它们的C值相差数10乃至上百倍，人们把这种基因组的大小和物种的遗传复杂度没有直接相关性的现象叫做C值矛盾(C-Value Paradox)。,补充 染色体外的DNA,1、质粒 2、细胞器基因组,1. 质粒DNA,质粒(plasmid)：是某些细菌和真核生物细胞中存在于染色体以外的DNA分子，1kb-200kb不等，大多数细菌的质粒是双链、共价闭合环状DNA分子，以超螺旋形式存在。,细菌中普遍存在； 宿主范围较窄； 独立于染色体之外进行复制和遗传； 有多种机制维持其稳定的拷贝及精确分配给子代； 复制转录或多或少依赖宿主编码的酶与蛋白质； 含有编码对细菌宿主有利酶的基因（抗生素抗性、限制修饰、降解复杂化合物等）,2. 细胞器基因组,线粒体基因组(mitochondrial DNA，mtDNA) ：闭环双链超螺旋，动物的较小，植物的较大。,例如：人类线粒体DNA ：由16569个碱基对组成，每一个mtDNA分子为环状双链DNA分子，外环为重链，内环为轻链。含有37个基因，其中13个蛋白质基因，包括1个细胞色素B基因，2个ATP酶复合体组成成分基因，3个细胞色素C氧化酶亚单位的基因及7个呼吸链NADH脱氢酶亚单位的基因；2个rRNA基因；还有22个tRNA基因。,特点： (1) 排列得非常紧凑，一般不含内含子顺序。 (2)高效利用DNA。有五个阅读框缺少终止密码子，仅以U或UA结尾。 (3)mtDNA的突变率高于核中DNA，并且缺乏DNA的修复能力。 (4)mtDNA为母系遗传。 (5)部分mtDNA的密码子不同于核内DNA的密码子。,叶绿体基因组（Chloroplst DNA,cpDNA）： 闭环双链