第二讲染色体与DNA

1、第二讲第二讲 染色体与染色体与DNA v一、一、 DNA的组成与结构的组成与结构 v二、二、 DNA聚合酶与聚合酶与DNA的合成的合成 v三、三、 DNA的生理意义及成分分析的生理意义及成分分析 v四四. C-Value和和Cot1/2 v五、五、 染色体结构染色体结构 v六、六、 染色体的组成染色体的组成 v七七. 原核与真核染色体原核与真核染色体DNA比较比较 一、一、 DNADNA的组成与结构的组成与结构 Avery在1944年的研究报告中写道：“当溶液中酒 精的体积达到9/10时，有纤维状物质析出。如稍加 搅拌，它就会象棉线在线轴上一样绕在硬棒上，溶 液中的其它成份则呈颗粒状沉淀。溶解

2、纤维状物质 并重复数次，可提高其纯度。这一物质具有很强的 生物学活性，初步实验证实，它很可能就是DNA （谁能想到！）”。对DNA分子的物理化学研究导 致了现代生物学翻天覆地的革命，这更是Avery所 没有想到。 DNA的一级结构: 就是指4种核苷酸的连接及其排列顺序，表示 了该DNA分子的化学构成。 核苷酸序列对DNA高级结构的形成有很大影响。 例如： B-DNA中多聚（G-C）区易出现左手螺旋 DNA（Z-DNA）； 反向重复的DNA片段易出现发卡式结构等 。 DNA不仅具有严格的化学组成，还具有特 殊的高级结构，它主要以有规则的双螺旋形式 存在，其基本特点是： v1、DNA分子是由两条互

3、相平行的脱氧核苷酸长 链盘绕而成的。 v2、DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排 在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。 3、两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对 ，它的组成有一定的规律。 这就是嘌呤与嘧啶配对，而且腺嘌呤（A） 只能与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）只能与胞 嘧啶（C）配对。如一条链上某一碱基是C，另一条 链上与它配对的碱基必定是G。碱基之间的这种一一 对应的关系叫碱基互补配对原则。 组成DNA分子的碱基虽然只有4种，它们的配 对方式也只有A与T，C与G两种，但是，由于碱基可 以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。 例如，某DNA分子的一条多核苷酸链有100个 不

4、同的碱基组成，它们的可能排列方式就是4100 。 The accuracy of translation relies on the specificity of base pairing. The accuracy of translation relies on the specificity of base pairing. The actual rate in bacteria seems to be -10-8-10-10. This correspondsThe actual rate in bacteria seems to be -10-8-10-10. This corres

5、ponds to -1 error per genome per 1000 bacterial replication cycles, or -10-6 per to -1 error per genome per 1000 bacterial replication cycles, or -10-6 per gene per generation. gene per generation. DNA polymerase might improve DNA polymerase might improve the specificity of the specificity of comple

6、mentary base selection complementary base selection at either (or both) of two at either (or both) of two stages:stages: It could It could scrutinize the incoming scrutinize the incoming base for the proper base for the proper complementarity with the complementarity with the template base; for temp

7、late base; for example, by specifically example, by specifically recongnizing matching recongnizing matching chemical features. This chemical features. This would be a presynthetic would be a presynthetic error control.error control. Or it could Or it could scrutinize the base pair scrutinize the ba

8、se pair after the new base has after the new base has been added to the chain, been added to the chain, and, in those cases in and, in those cases in which a mistake has been which a mistake has been made, remove the most made, remove the most recently added base. recently added base. This would be

9、a This would be a proofreading ofreading control. 含氮碱基 焦磷酸 键形成 二、二、 DNA聚合酶与聚合酶与DNA的合成的合成 三、DNA的生理意义及成分分析 v早在1928年英国科学家Griffith等人就发现肺 炎链球菌使小鼠残废的原因是引起肺炎。细 菌的毒性（致病力）是由细胞表面荚膜中的 多糖所决定的。具有光滑外表的S型肺炎链球 菌因为带有荚膜多糖而都能使小鼠发病，而 具有粗糙外表的R型因为没有荚膜多糖而失去 致病力（荚膜多糖能保护细菌免受运动白细 胞攻击）。 v首先用实验证明基因就是DNA 分子的是美国著名的微生物

10、学 家Avery。Avery等人将光滑型 致病菌（S型）烧煮杀首先用实 验证明基因就是DNA分子的是 美国著名的微生物学家Avery。 Avery等人将光滑型致病菌（S 型）烧煮杀灭活性以后再侵染 小鼠，发现这些死细菌自然丧 失了致病能力。再用活的粗糙 型细菌（R型）来侵染小鼠，也 不能使之发病，因为粗糙型细 菌天然无致病力。当他们将经 烧煮杀死的S型细菌和活的R型 细菌混合再感染小鼠时，实验 小鼠每次都死了。解剖死鼠， 发现有大量活的S型（而不是R 型）细菌。他们推测，死细菌 中的某一成分棗转化源 （transforming principle）将无 致病力的细菌转化成病原细菌。 v美国冷泉

11、港卡内基遗传学实验室科学家Hershey和他的 学生Chase在1952年从事噬菌体侵染细菌的实验。噬菌 体专门寄生在细菌体内。它的头、尾外部都有由蛋白质 组成的外壳，头内主要是DNA。噬菌体侵染细菌的过程 可以分为以下5个步骤：噬菌体用尾部的末端（基片、 尾丝）吸附在细菌表面；噬菌体通过尾轴把DNA全部 注入细菌细胞内，噬菌体的蛋白质外壳则留在细胞外面； 噬菌体的DNA一旦进入细菌体内，它就能利用细菌的 生命过程合成噬菌体自身的DNA和蛋白质；新合成的 DNA和蛋白质外壳，能组装成许许多多与亲代完全相同 的子噬菌体；子代噬菌体由于细菌的解体而被释放出 来，再去侵染其他细菌。他们发现被感染的细

12、菌中带有 70%的噬菌体DNA，但只带有20%的噬菌体蛋白质。子 代噬菌体中带有50%标记的DNA，却只有1%的标记蛋 白质。 四四. C-Value和和Cot1/2 vThe total amount of DNA in the haploid genome is a characteristic of each living species known as C-value. Cot1/2 Cot1/2 is the product of concentration and time required for 50% is the product of concentration and

13、time required for 50% reassociation given in nucleotide-moles reassociation given in nucleotide-moles second/liter. second/liter. 五、五、 染色体结构染色体结构 vDNA molecules are the largest macromolecules in the cell and are commonly packaged into structures called “chromosomes”, most bacteria & viruses have a s

14、ingle chromosome where as Eukaryotic cells usually contain many. v任何一条染色体上都带有许多基因，一条 高等生物的染色体上可能带有成千上万个 基因，一个细胞中的全部基因序列及其间 隔序列统称为genomes（基因组）。 Genotype (基因型)： The genetic constitution of a given organism (指某个特定生物体细胞内的全 部遗传物质)。 Phenotype (表现型)： Visible property of any given organism (某个特定生物体中可观察到的物 理

15、或生理现象)。 Mutations（突变）： 染色体DNA中可遗传的核 苷酸序列变化。 端粒 端粒 着丝粒 六、六、 染色体的组成染色体的组成 1染色质和核小体染色质和核小体 v染色质DNA的Tm值比自由DNA高，说明在染色质 中DNA极可能与蛋白质分子相互作用；在染色质状 态下，由DNA聚合酶和RNA聚合酶催化的DNA复制 和转录活性大大低于在自由DNA中的反应；DNA酶I （DNaseI）对染色质DNA的消化远远慢于对纯 DNA的作用。染色质的电子显微镜图显示出由核小 体组成的念珠状结构，可以看到由一条细丝连接着 的一连串直径为10nm的球状体。 v核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两

16、个分 子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。 八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而H1 则在核小体的外面。每个核小体只有一个 H1。 v在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体核心， 从而使分子收缩成1/7，200bpDNA的长度 约为68nm，却被压缩在10nm的核小体中。 但是，人中期染色体中含3.3109碱基对， 其理论长度应是180cm，这么长的DNA被 包含在46个51m长的圆柱体（染色体）中， 其压缩比约为104。 不同式样 精细结构 2染色体中的核酸组成染色体中的核酸组成 v不重复序列 在单倍体基因组里，这些序列一般 只有一个或几个拷贝，它占DNA总量的40% 80%。不重复序列

17、长约7502000dp，相当于一 个结构基因的长度。单拷贝基因通过基因扩增仍 可合成大量的蛋白质，如一个蚕丝心蛋白基因可 作为模板合成104个丝心蛋白mRNA，每个mRNA 可存活4d，共合成105个丝心蛋白，这样，在几 天之内，一个单拷贝丝心蛋白基因就可以合成 109个丝心蛋白分子 。 v中度重复序列 这类重复序列的重复次数在10 104之间，占总DNA的10%40%。各种rRNA、 tRNA 及组蛋白基因等都属这一类。 非洲爪蟾的18S、5.8S及28SrRNA基因是连在一起的，中 间隔着不转录的间隔区，这些单位在DNA链上串联重复约 5000次。在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次不同

18、 比例的复制，产生2106个拷贝，使rDNA占卵细胞DNA 的75%，从而使该细胞能积累1012个核糖体。 v高度重复序列卫星DNA 这类DNA只在 真核生物中发现，占基因组的10%60%， 由6100个碱基组成，在DNA链上串联重复 几百万次。由于碱基的组成不同，在CsCl密 度梯度离心中易与其他DNA分开，形成含量 较大的主峰及高度重复序列小峰，后者又称 卫星区带（峰）。 高等真核生物DNA无论从结构还是功能看都 极为复杂，以小鼠为例： v 1.小鼠总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。 v 2.总DNA的20是重复数千次、长约数百 bp的中等重

19、复序列。 v 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。 v着丝粒（Centromere）：是细胞有丝分裂 期间纺锤体蛋白质与染色体的结合位点 （attachment point），这种结合对于染色 体对在子细胞中的有序和平均分配至关重 要。在酵母中，centromere的功能单位长 约130 bp，富含AT 碱基对。在高等真核细 胞中，centromere都是由长约510 bp、 方向相同的高度重复序列所组成。 v 酵母端粒（Telomeres）一般以100 bp左右 不精确重复序列所组成。 5(TxGy)n 3(AxCy)n 其中X、Y一般为14，单细胞真

20、核生物中n常为20100， 高等真核生物中1500。 染色体末端的线性重复序列不能被DNA polymarase 所准确复制，它们一般在DNA复制完成以后由 telomarase合成后加到染色体末端。 Alu（家族DNA）（长约300bp）是人类高度重复序列,因 为该序列中带有Alu的识别序列而得名。 数十万个Alu重复序 列散布于整个人类基因组中， 达到总序列的13。 Alu与 其它高度重复序列共占人类DNA的10以上。 3染色体中的蛋白质染色体中的蛋白质 v染色体上的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。 组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成 核小体。通常可以用2mol/L NaCl或 0.25

21、mol/L的HCl/H2SO4处理使组蛋白与DNA 分开。组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3及 H4。这些组蛋白都含有大量的赖氨酸和精氨 酸，其中H3、H4富含精氨酸，H1富含赖氨 酸；H2A、H2B介于两者之间。 组蛋白的一般特性 v1.进化上的极端保守性。牛、猪、大鼠的H4氨基 酸序列完全相同。牛的H4序列与豌豆序列相比只有 两个氨基酸的差异（豌豆H4中的异亮氨基酸60缬 氨酸60，精氨酸77赖氨酸77）。H3的保守性也很大， 鲤鱼与小牛胸腺的H3只差一个氨基酸，小牛胸腺与 豌豆H3只差4个氨基酸。 v2.无组织特异性。到目前为止，仅发现鸟类、鱼类 及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染 色体的组蛋白是鱼精蛋白。 3.肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基酸 集中分布在N端的半条链上。例如，N端的半条链上 净电荷为+16，C端只有+3，大部分疏水基团都分布 在C端。 4.组蛋白的修饰作用。包括甲基化、乙基化、磷 酸化及ADP核糖基化等。 5.富含赖氨酸的组蛋白H5。赖氨酸24%、丙氨酸 16%丝氨酸13%、精氨酸11%。 鸟类、两栖类、鱼类 红细胞分离的H5均有种的特异性。 非组蛋白的一般特性 染色体上除了存在大约与DNA