染色质与基因组

1、第一节 遗传物质核酸,一、细菌的转化 二、噬菌体的侵染 三、感染性的RNA 四、DNA是遗传物质的旁证,一、细菌的转化,1928年，英国Griffth的肺炎双球菌转化实验,一、细菌的转化,1944年Avery等，将加热杀死的S型细菌滤过液分离纯化，提取了多糖、脂类、RNA、蛋白质、DNA等物质。 结果发现起转化作用的为DNA，首次证明了遗传信息是由核酸传递的,二、噬菌体的侵染,T2噬菌体由蛋白质和DNA组成，蛋白质含有S而不含P，而DNA则反之,三、感染性的RNA,三、感染性的RNA,Electron micrograph of tobacco mosaic virus. Magnificat

2、ion 37,428. Reconstitution experiment of Fraenkel-Conrat and Singer. The nucleic acid (RNA), not the protein component of the virus, controls inheritance,四、DNA是遗传物质的旁证,1、细胞核中DNA的含量恒定性,2、细胞核中DNA在各个时期质的恒定性,3、配子中DNA含量一般是体细胞中DNA含量的一半，蛋白质和其他物质则否,4、紫外线诱变作用与DNA的关系,第二节核酸的结构,从遗传现象来看，作为遗传物质应满足的条件： （1）自我复制的能力

3、（2）相对的稳定性 （3）多样性 （4）可变性,第二节核酸的结构,一、DNA和RNA的化学组成 二、DNA的结构 三、RNA的结构,一、DNA和RNA的化学组成,核苷酸,碱基,戊核榶,磷酸,T A C G U,DNA中,RNA中,脱氧核糖（DNA中） 核糖（RNA中,二、DNA的结构,1、DNA的一级结构 2、DNA的二级结构 3、DNA的高级结构,1、DNA的一级结构,DNA的一级结构： 是指DNA分子中4种核苷酸的连接方式和排列顺序。绝大部分生物的DNA分子都由两条单链构成，通常以线性和环状的形式存在。 Chargaff当量定律： 1943年，英国的Chargaff发现虽然不同的DNA其碱

4、基组成显著不同，但A和T，G和C的摩尔含量总是相等的，即A=T、G=C，因此，嘌呤的总含量和嘧啶的总含量是相等的，即A+G=C+T,1、DNA的一级结构,Rosalind E. Franklin (19201958,James D. Watson (1928 ) (Cold Spring Harbor Laboratory Research Library Archives. Margot Bennet, photographer.,Francis Crick (19162004) (Reproduced by permission of Herb Weitman, Washington Un

5、iversity, St. Louis, Missouri.,2、DNA的二级结构,2、DNA的二级结构,Double helical structure of DNA. (a) DNA magnified twenty-five million times by scanning tunneling microscopy.(b) Component parts. (c) Line drawing. (a . John D. Baldeschweiler.,2、DNA的二级结构,DNA分子是同两条多核苷酸链构成的，两条链围绕着同一轴盘绕，形成一个反向平行的双螺旋结构，两条链由碱基对之间的氢键互

6、补连接在一起。 双螺旋结构使DNA分子有相对的稳定性，两条链的反向极性和互补性提供了DNA分子自我复制的条件，无尽的核苷酸排列序列规定了DNA的多样性,3、DNA的高级结构,是指DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构。 超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，分为负超螺旋和正超螺旋两种,三、RNA的结构,1、信使RNA（mRNA） 2、核糖体RNA（rRNA） 3、转移RNA （tRNA,1、信使RNA（mRNA,是蛋白质结构基因转录的单链RNA，作为蛋白质合成的模板，载有各种蛋白质中氨基酸序列的信息，在蛋白质生物合成中起着传递信息的作用。 原核生物和真核生物mRNA的结构差别： 在原核

7、生物中，通常是几种不同的mRNA连在一起，相互之间由一段短的不编码蛋白质的间隔序列所分开，这种mRNA称这为多顺反子mRNA； 在真核生物中，mRNA则为一条RNA多聚链,1、信使RNA（mRNA,真核生物mRNA具有一些共同的结构特征，如：5端有一个特殊的帽子结构，即7-甲基鸟苷；3末端具有多聚腺嘌呤尾巴（长约200nts)。 mRNA约占细胞内RNA总量的5%10%，其寿命通常不很长，易被RNA酶降解,2、核糖体RNA（rRNA,核糖体是蛋白质合成装配的场所，它由rRNA和蛋白质组成。 rRNA约占细胞中RNA总量的75%80,3、转移RNA （tRNA,是一类小分子量的RNA，每条tRN

8、A含有7090nt。tRNA在翻译过程中起着转运各种氨基酸至核糖体，按照mRNA的密码顺序合成蛋白质的作用。 每个细胞中至少有50种tRNA，约占细胞内RNA总量的10%15,A computer model of the serine transfer RNA. Theamino acid binding site isyellow; the anticodonis red. (. Ken Eward/SPL/Photo Researchers.,Specificity of the genetic codemanifests itselfin the transfer RNA, in wh

9、ich aparticular anticodon isassociated with a particular amino acid. In this case, glutamicacid is attached to its proper transfer RNA, which has theanticodon CUU,第三节基因的结构特征,一、基因的概念发展 二、基因的一般结构特征,一、基因概念的发展,1909年“基因,1865年“遗传因子,1910年“定位于染色体上,1944年“转化实验,1952年“T2噬菌体侵染实验,1926年基因论,基因的化学本质是DNA,1908年“苯丙酮尿症,

10、1941年“一个基因一种酶,顺反子学说：“一个基因一条多肽链,1961年“操纵子”学说,1951年“转座子”的概念,1967年“插入序列,1977年“断裂基因,1978年内含子与外显子、重叠基因,二、基因的一般结构特征,一）外显子与内含子 （二）信号肽序列 （三）侧翼序列和调控序列,真核生物基因的一般结构示意图,一）外显子与内含子,真核生物结构基因是断裂基因，一般由若干个外显子和内含子组成。 内含子在原始转录产物的加工过程中被切除，不包含在成熟mRNA的序列中。 GT-AG法则： 在每个外显子和内含子的接头区，有一段高度保守的共有序列，即每个内含子的5端起始的2nts都是GT，3末端的2nts

11、都是AG,图示,二）信号肽序列,在分泌蛋白基因的编码序列中，在起始密码子之后，有一段编码富含疏水氨基酸多肽的序列，称为信号肽序列，它所编码的信号肽行使着运输蛋白质的功能。 信号肽序列在完成分泌过程后将被切除，不留在新生的多肽链中,图示,三）侧翼序列和调控序列,每个结构因子在第一个和最后一个外显子的外侧，都有一段不被转录和翻译的非编区，称为侧翼序列 其中从转录起始位点至起始密码子称为5非翻译区，从终止密码子至转录终止子称为3非翻译区,图示,侧翼序列虽不被转录和翻译，但它常常含有影响基因表达的DNA序列。对基因的有效表达起着调控作用的特殊序列被统称为调控序列. 包括启动子、增强子、沉默子、终止子、

12、核糖体结合位点、加帽和加尾信号等,三）侧翼序列和调控序列,1、启动子 2、增强子和沉默子 3、终止子 4、加尾信号 5、核糖体结合位点,图示,1、启动子,是指准确而有效地启始基因转录所需的一段特异的核苷酸序列。 转录起始位点(+1位)下游区域为正区，上游区域为负区。 启动子通常位于转录起始位点上游100bp(-100bp)内，是RNA聚合酶识别和结合的位点,图示,2、增强子和沉默子,增强子也是一种基因调控序列，它可使启动子发动转录的能力大大增强，从而显著地提高基因转录的效率。 增强子的作用与它所处的位置、方向及与基因的距离无关。具有组织特异性和细胞特异性。 沉默子：通过与有关的蛋白质结合，对转

13、录起阻抑作用，根据需要关闭某些基因的转录，可以远距离作用于启动子。其对基因的阻遏作用没有方向的限制,3、终止子,是一段位于基因3端非翻译区（UTL）中与终止转录过程有关的序列，由一段富含GC的颠倒重复序列以及寡聚T组成，是RNA酶停止工作的信号,图示,4、加尾信号,真核生物mRNA的3Poly(A)尾巴不是由基因编码，是在转录后通过多聚腺苷酸聚合酶作用加上的。此过程受3UTL中加尾信号的控制,图示,5、核糖体结合位点,SD序列（shine-dalgarno sequence)： 在原核生物基因翻译起始位点周围有一组特殊的序列，控制着基因的翻译过程，SD是其中主要的一种,三、真核生物基因组的特点

14、,一）基因组和C值 （二）单一序列 （三）重复序列 （四）基因家族和假基因,一）基因组和C值,1、基因组 狭义：单倍体细胞中的全套染色体（人：22条常染色体+X，Y+线粒体DNA） 广义：一物种的全部遗传物质及其携带的遗传信息。 详细内容参见第八章 基因组学,2、C值与C值矛盾,C值（C value）： 每一种生物中的单倍体基因组的DNA总量是特异的，称这为C值。 一般来说，C值与生物结构、功能复杂程度相关，即表现在基因数目和基因产物的种类上,不同生物基因组的C值,注：基因组的长度由公式10bp=3.4nm计算出,基因组DNA含量与物种形态复杂性并不对应,C值矛盾,C值的大小与物种的结构组成和

15、功能的复杂性没有严格的对应关系，这种现象称为C值矛盾。 两栖类动物，例如两栖鲵的C值是84，其c值竟然比包括人类(3.2)在内的哺乳类的c值还高近30倍。 牛与人的DNA含量相等。 而豌豆与蚕豆均属豆科，又都有12条染色体，可是DNA含量却相差7倍,n值矛盾,一些主要模式生物基因的数目,二）单一序列,Unique Sequence 又称非重复序列（nonrepetitive sequence） 是指在基因组中只有一个或几个拷贝的DNA序列。 原核生物除了短片段的反向重复序列以及16S、23S、5SrRNA和tRNA基因外，皆为单一序列。 真核生物单一序列所占的比例为40%70,三）重复序列,R

16、epetive sequence 重复序列的长短：短的仅有几个甚至两个核苷酸，长的有几百至上千个核昔酸： 重复程度：多的可在基因织中出现几十万到几百万次，称为高度重复序列，另外一些序列重复几十到几千次，称为中度重复序列。 分布：成簇存在于DNA某些部位，或分散分布于整个基因组,不是所有的单一序列都是编码多肽链的结构基因。 真核生物基因组中编码多肽链的单一序列仅占有百分之几，绝大部分为基因之间非编码的间隔序列。 真核基因组中大多数结构基因是单一序列,四）基因家族和假基因,1、基因家族Gene family 真核生物基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样的一级基因称为一个基因家族。

17、 基因簇Gene cluster：基因家族的基因成员紧密连锁，成簇状集中排列在同一条染色体的某一区域。 如：高等真核生物的28S、18S和5.8S rRNA；tRNA基因；珠蛋白基因家族,2、假基因,在多基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，但在结构和DNA序列上与相应的活性基因具有相似性，这类基因称为假基因(pseudogene)。 假基因与有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，但由于缺失、倒位或突变等原因使该基因失去活性成为无功能基因,人类基因组结构,第四节 染色质与染色体,一、染色质的化学组成 二、染色质的类型 三、染色质包装的结构模型 四、染色体的形态、结构和数目 五、

18、核型分析与染色体显带,一、染色质的化学组成,染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成。 DNA与组蛋白是染色质的稳定成分,组蛋白(histone,是富含带正电荷的Lys和Arg的碱性蛋白质。组蛋白通过带正电荷的氨基(N)末端区域与带负电荷的DNA骨架链相互作用。 组蛋白有5种：H1；H2A、H2B、H3、H4 在功能上分为核心组蛋白(core histone)和H1组蛋白两组,Histone Sequence Database,Non-Redundant Protein Sequence Set H1/H5 H2A H2B H3 H4,http:/genome.nhgri.nih.go

19、v/histones,Last modified: Thursday, 31-Mar-2005 11:24:32 EST,Human Histone Gene Complement,核心组蛋白(core histone,包括H2A、H2B、H3、H4组蛋白。 这4种组蛋白有通过羧基(c)端的疏水氨基酸相互作用形成聚合体的趋势，而N端带正电荷的氨基酸则向四面伸出，以便与DNA分子结合，从而帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构。 这4种组蛋白没有种属及组织特异性，在进化上高度保守,core histone and nucleosome,Post-translational modifications

20、,The color code for modified residues is as follows: Navy blue backgroundMethylation Yellow backgroundAcetylation Red backgroundAmidation Pale blue-green backgroundUbiquitination Purple backgroundPhosphorylation Yellow background with black outline Phosphorylation and acetylation White-on-blackMethy

21、lation and acetylation,H1,H2A, N-terminal,H2A, C-terminal,H2B,H3,H4,H1组蛋白,H1组蛋白中的氨基酸分布与核心组蛋白相反，其碱性区域不在氨基区域，而在羧基区域，它与DNA的结合很强烈。 H1组蛋白主要是与非组蛋白相结合并与核心组蛋白相互作用，导致染色质的超螺旋化，产生高级结构。 H1组蛋白具有一定的种属和组织特异性，在连接核小体并维持染色质的高级结构方面有重要作用,H1 histone and nucleosome,非组蛋白(nonhistone,主要是指染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白

22、。 主要包括： 与DNA和组蛋白的代谢、复制、重组、转录调控等密切相关的各种酶类；形成染色质高级结构的支架蛋白；具有基因调控作用的高迁移率蛋白(HMG protein)。此外，还有一类可促进DNA包装进精子头部的鱼精蛋白,非组蛋白(nonhistone,非组蛋白的特性： 多样性与组织特异性 与DNA结合的特异性 功能多样性,二、染色质的类型,根据形态特性和染色性能可分为： 常染色质(euchromatin) 异染色质(heterochromatin,常染色质,是指在间期细胞核内，对碱性染料着色浅、染色质纤维折叠压缩程度低、处于较为伸展状态的染色质，多存在于核质中。 构成常染色质的DNA主要是单

23、一序列DNA和中度重复序列DNA,异染色质,是指在间期细胞核内，对碱性染料着色深、染色质纤维折叠压缩程度高、处于聚缩状态的染色质，常以高度有序的结构形式存在于细胞核周边部位。 异染色质又分为： 结构异染色质(constructive heterochromatin) 兼性异染色质(facultative heterochromatin,结构异染色质(constructive heterochromatin,是指在整个细胞周期中，除复制以外，均处于聚缩状态，DNA包装在整个细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。 具有如下特征： 在中期染色体上多定位于着丝粒、端粒、次缢痕及染色体臂内某些节段；主要

24、由相对简单、高度重复的DNA序列构成；具有显著的遗传惰性，不转录也不编码蛋白质；在复制行为上比常染色质复制晚、聚缩早；占有较大部分核DNA，在功能上参与染色质高级结构的形成，作为核DNA的转座元件，可引起遗传变异,兼性异染色质(facultative heterochromatin,是指在某些细胞类型或一定的发育阶段，由原来的常染色质聚缩，并丧失基因转录活性而变为异染色质的染色质。 兼性异染色质的总量常随不同细胞类型而变化，染色质通过紧密折叠压缩可能是关闭基因活性的一种途径,Barr body in epidermal spinous cell layer nuclear appendage

25、in white blood cells,Left:Barr body (arrows) in the epidermal spinous cell layer Right:Nuclear appendage (drumstick) identified by arrow in white blood cells. (Reproduced,with permission,from Grumbach MM,Barr ML:Cytologic tests of chromosomal sex in relation to sex anomalies in man. Recent Prog Horm

26、 Res 1958:14:255.,Stained sex chromatin in the nuclei of human cells showing the female-indicative Barr body (bright spot) and the male-indicative Y body (bright spot,三、染色质包装的结构模型,一、染色质的基本结构单位核小体 二、染色质的高级结构,螺线管,核小体与串珠结构,DNAChromosome Packing,染色质结构的基本单位核小体,由核心颗粒和连接区构成； 核心颗粒包括由8个组蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4各两个

27、）构成的组蛋白核心和包绕在核心表面的DNA分子； 包绕在组蛋白核心表面的DNA长140bp，环绕1圈； 连接区由DNA分子和H1组蛋白分子构成，长度不定,染色质和染色体的多级结构,由连接区将许多核心颗粒相连接构成了染色体的一级结构； 每六个核小体盘绕成直径30nm的螺线管，成为染色体的二级结构； 螺线管进一步螺旋化形成0.4um的圆筒状结构，称为超螺线管，是染色体的三级结构； 超螺线管进一步缠绕折叠构成染色单体，两条染色单体通过着丝粒相连成为染色体,螺线管(solenoid,四、染色体的形态、结构和数目,1、染色体的形态,2、染色体中的关键结构,染色体和染色单体 每一个染色体由两条染色单体组成，同一个染色体中的两个染色单体是由一条DNA分子链复制后形成的两条子代DNA链所构成，每一条染色单体中有一条DNA分子； 着丝粒（主缢痕）： 由特殊的重复DNA序列和蛋白质结构构成，是细胞有丝分裂时的重要结构；着丝粒把染色体分为长臂和短臂,端粒： 由