第一章DNA超螺旋、基因组与染色体ppt课件

1、2-1 DNA2-1 DNA超螺旋与拓扑异构景象超螺旋与拓扑异构景象 第二章 DNA、染色体与基因组Superhelix of SV40 DNA (Vinograd, 1965)一、一、 DNA DNA超螺旋超螺旋superhelix or supercoilsuperhelix or supercoilDNADNA超螺旋构造超螺旋构造Linear DNA. LOpen Circle DNA OC relexed formSupercoiled circle(高级构造高级构造)Covalent Closed Circle CCC指双螺旋环状分子再度螺旋化即成为超螺旋构造。超超 螺螺 旋旋 形形

2、 成成 示示 意意末端固定的线型双螺旋末端固定的线型双螺旋额外的张力不能释放额外的张力不能释放双螺旋以扭曲方式缓双螺旋以扭曲方式缓解应力，构成超螺旋解应力，构成超螺旋二、二、 DNADNA超螺旋的方向性超螺旋的方向性松弛松弛relaxedrelaxed形状：形状： DNA DNA在水溶液中在水溶液中, , 构型偏构型偏B B型形型形状。状。DNADNA以以10.5 bp/helix10.5 bp/helix为最稳定构型。为最稳定构型。正超螺旋：小于正超螺旋：小于10.5bp/helix10.5bp/helix，那么其二级构造处于紧，那么其二级构造处于紧缩形状，由此产生的超螺旋为正超螺旋。缩形状

3、，由此产生的超螺旋为正超螺旋。 负超螺旋：大于负超螺旋：大于10.5bp/helix10.5bp/helix，那么其二级构造处于松，那么其二级构造处于松缠形状，由此产生的超螺旋为负超螺旋。缠形状，由此产生的超螺旋为负超螺旋。 由此可见，超螺旋总是要向着抵消初级螺旋改动的方向开由此可见，超螺旋总是要向着抵消初级螺旋改动的方向开展；双螺旋展；双螺旋DNADNA的松开导致构成负超螺旋；而的松开导致构成负超螺旋；而DNADNA的拧紧，那么的拧紧，那么导致构成正超螺旋；一切的超螺旋都比松弛型含有更多的自在导致构成正超螺旋；一切的超螺旋都比松弛型含有更多的自在能。能。 拓扑学拓扑学(topology)(t

4、opology)是研讨几何图形在平面位置关系不是研讨几何图形在平面位置关系不变情况下空间构造变化规律的数学分支。变情况下空间构造变化规律的数学分支。三、三、DNADNA超螺旋拓扑学定义超螺旋拓扑学定义实验证明，细胞内的实验证明，细胞内的DNADNA存在拓扑异构景象存在拓扑异构景象(topoisome)(topoisome)，即在坚持，即在坚持DNADNA一级和二级构造不变的情一级和二级构造不变的情况下，两条单链可以相互缠绕，构成不同的空间构型。况下，两条单链可以相互缠绕，构成不同的空间构型。超螺旋发生的规律超螺旋发生的规律Vinograd. J (1968)Vinograd equationL

5、 = T + W ( = + )L Linking number ( 双链双链DNA的交叉的交叉数数)T Twisting number (双链双链DNA的缠绕数，初级螺旋圈数，即的缠绕数，初级螺旋圈数，即DNA分子中分子中的的Watson-Crick螺旋周数，其数值可直接在处于最稳定形状螺旋周数，其数值可直接在处于最稳定形状下的双链环形或超螺旋方式下的双链环形或超螺旋方式DNA中的实践螺旋周数计中的实践螺旋周数计数得到，不一定是整数数得到，不一定是整数)W Writhing number (直观上为双螺旋数直观上为双螺旋数, 可可为小数为小数)W= 负值负值negative superhel

6、ixW = 正值正值 ( positive superhelix Non-breaking Non-unwinding Non-overwindingL为定值，整数为定值，整数l B-DNA是力学上稳定的构造 10 bp/ helixl l 虽交叉数减少，但需转虽交叉数减少，但需转换为一种应力，以维持换为一种应力，以维持10bp/helix10bp/helix的螺旋数，的螺旋数，l 应力的重新分配 或在B-DNA形状中保管一单链区或螺旋力将维持或螺旋力将维持B-DNAB-DNA的的右旋构造右旋构造, , 构成超螺旋构成超螺旋 420bpL=42T=42W=0无应力松弛形状无应力松弛形状应力的分

7、配应力的分配L = 36T = 36W = 0L = 36T = 42W = -6 链松弛后链松弛后再结成环再结成环链未松弛链未松弛再结成环再结成环松开松开6圈螺旋圈螺旋L = 62 2比连系差比连系差Specific linking differenceSpecific linking difference = = Lk Lk Lk0 = Lk- Lk0 Lk0 可以根据可以根据DNADNA分子分子LkLk的改动描画螺旋缺乏超螺的改动描画螺旋缺乏超螺旋，也叫超螺旋密度旋，也叫超螺旋密度superhelix densitysuperhelix density。 DNADNA分子构成超螺旋的生物

8、学意义：分子构成超螺旋的生物学意义：1 1 超螺旋超螺旋DNADNA具有更严密地外形，因此在具有更严密地外形，因此在DNADNA组组装中具有重要作用；装中具有重要作用；2 2 DNA DNA的构造具有动态性，的构造具有动态性，DNADNA超螺旋程度的改超螺旋程度的改动介导了这种构造的变化，这有利于其功能的发扬。动介导了这种构造的变化，这有利于其功能的发扬。3 3 DNA DNA是一种热力学上的稳定构造，超螺旋的引是一种热力学上的稳定构造，超螺旋的引入提高了他的能量程度。入提高了他的能量程度。拓扑异构体拓扑异构体(topoisomer)(topoisomer)：具有不同衔接数的同一种：具有不同衔

9、接数的同一种DNADNA分子称为分子称为DNADNA拓扑异构体。拓扑异构体。四、DNA拓扑异构体与拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶(topoisomerase) (topoisomerase) 作用方式：作用方式：拓扑异构酶与拓扑异构酶与DNADNA共价结合构成中间体，使磷酸二酯链暂共价结合构成中间体，使磷酸二酯链暂时断裂构成切口，时断裂构成切口，DNADNA分子的一条单链或双螺旋穿越另一分子的一条单链或双螺旋穿越另一条单链或双螺旋，改动其拓扑形状，但一级和二级构造条单链或双螺旋，改动其拓扑形状，但一级和二级构造并无变化。并无变化。即在坚持DNA一级和二级构造不变的情况下，两条单链可以相互缠绕，

10、构成不同的空间构型。拓扑异构酶拓扑异构酶(topoisomerase) (topoisomerase) 细胞内存在着一类能催化细胞内存在着一类能催化DNADNA拓扑异构体相互转化的酶，称为拓扑异构酶。或者说，拓扑异构体相互转化的酶，称为拓扑异构酶。或者说，能改动能改动DNADNA拓扑联络数的酶就叫拓扑异构酶。拓扑联络数的酶就叫拓扑异构酶。型酶在两条单链上都产生切口，每次作用使衔接数改动2。在型酶的作用是添加负超螺旋数，或减少正超螺旋数，在真核生物中还有减少负超螺旋的作用。 拓扑异构酶分为型和型两类。拓扑异构酶的生物学功能 消除DNA复制和转录等过程产生的正负超螺旋。在细胞中，型酶与型酶的活性坚

11、持一种平衡形状，型酶使DNA超螺旋化的作用为型酶使DNA松驰化的作用所抗衡，从而使DNA坚持适当的超螺旋密度。型酶在DNA的一条单链上产生切口，使另一条单链得以穿越，每作用一次使DNA衔接数改动1；原核生物中，型酶只作用于负超螺旋DNA，减少负超螺旋数，使其松弛；在真核生物中，型酶还可以作用于正超螺旋DNA，减少正超螺旋数。Top I (swivelase, niking-closing enzyme) Breakage & rejoining of S.S. DNA at phospho-diester bonds Breakage & rejoining of S.S. D

12、NA at phospho-diester bonds松弛松弛B-双螺旋双螺旋消除负超螺旋消除负超螺旋CCC OC onlyNo ATP, NADattach Negative supercoilGet energy from Negative supercoil图3.30 型拓扑异构酶作用机理Function Mechanism of Topoisomerase ITop II (gyrase) ATP neededCutting & ligation Cutting & ligation of D. S. DNAof D. S. DNAtetramertetramer 每次

13、每次L of 2紧缩紧缩B-双螺旋双螺旋引入负超双螺旋引入负超双螺旋Cut D.S. DNAATPLigateAABBFunction Mechanism of Topoisomerase II 2-2 基因和基因组一、基因、基因组的概念一、基因、基因组的概念二、基因组的大小与二、基因组的大小与C C值矛盾值矛盾三、基因组的复性动力学三、基因组的复性动力学四、反复序列四、反复序列五、真核与原核生物基因组比较五、真核与原核生物基因组比较指指DNADNA分子所携带遗传信息总和，即指一个细胞一切基分子所携带遗传信息总和，即指一个细胞一切基因和基因间因和基因间DNADNA的总和，称基因组。遗传学定义为

14、：一的总和，称基因组。遗传学定义为：一个物种的单倍体的染色体的数目为该物种的基因组。个物种的单倍体的染色体的数目为该物种的基因组。在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的DNADNA总量是总量是恒定的，称之为恒定的，称之为C C值。值。一、基因、基因组的概念一、基因、基因组的概念产生一条多肽链或功能产生一条多肽链或功能RNARNA所必需的全部核苷酸序列，所必需的全部核苷酸序列，在遗传学上也称顺反子在遗传学上也称顺反子cistroncistron。 ( (二二) )基因组基因组( (三三)C)C值值一个单倍体基因组中一个单倍体基因组中DNADNA的总量的总量(

15、 (一一) )基因基因霉菌藻类藻类G+细菌细菌G-细菌细菌显花植物显花植物鸟类鸟类哺乳类哺乳类爬行类爬行类两栖类两栖类硬骨鱼类硬骨鱼类软骨鱼类软骨鱼类赖皮类赖皮类甲壳类甲壳类昆虫类昆虫类软体动物软体动物蠕虫类蠕虫类真菌真菌枝原体枝原体C value paradoxC value paradoxof nucleotide of nucleotide A A 生物体进化程生物体进化程度高低与度高低与C C值的相值的相关性不强关性不强 B B 亲缘关系相亲缘关系相近的生物近的生物C C值相差值相差较大较大 低等生物单倍体基因组低等生物单倍体基因组DNADNA的含量与生物复杂性呈正的含量与生物复杂性呈

16、正相关，但高等生物这种关系并不一致。相关，但高等生物这种关系并不一致。真核生物真核生物 DNA 染色体数染色体数 2C 2N两栖鲵两栖鲵 168.0 pg 24肺鱼肺鱼 100 38蝾螈蝾螈 85.3 24警蛙警蛙 28.2 24牛牛 6.4 60人人 6.4 46绵羊绵羊 5.7 54果蝇果蝇 0.2 8贝母贝母 196.7 24豌豆豌豆 28 12玉米玉米 11 20原核生物原核生物 DNA CSalmonella 0.0143 pg(沙门氏菌沙门氏菌)E.coli 0.0040T2 0.00022 0.0000055174 0.000005这种形状学的复杂程度与这种形状学的复杂程度与C

17、C值值大小的不一致称为大小的不一致称为C C值矛盾。值矛盾。三、基因组的复性动力学三、基因组的复性动力学 Hydroxyapatite column 羟基磷灰石柱Low C of PHigh C of Prelease D.S. DNA absorb D.S. DNA复性发生的过程的讨论复性发生的过程的讨论dCt / dt = -KC2 反响初始反响初始 t = 0 单链单链DNA的随机碰撞的随机碰撞 过程过程 randomly collision 二二级反响动力学级反响动力学单链单链 DNA DNA浓度浓度 = C0 = C0反响达反响达 t t 时时单链单链DNADNA浓度浓度 = Ct

18、= Ct 两条部分同源两条部分同源(小于小于20dNt)的的S.S. DNA, 在复性过程中在复性过程中构成的部分双链区是不稳定的构成的部分双链区是不稳定的 dCt / dt = -KCt2 积分 Ct / C0 = 1 / 1+KC0t 当当 Ct / C0 = 1/2 时时Ct / C0 = 1/2 = 1 / 1+ KC0t(1/2)K = 1 / Cot(1/2)Cot(1/2) = 1/K (mol. Sec / L) 任一DNA分子到达Ct / C0 = 的速率是定值0101C0t(1/2) C0t(1/2) Fraction reassociated在控制反响条件一样的前提下在控

19、制反响条件一样的前提下, , 两种两种DNADNA分子的分子的C0t(1/2)C0t(1/2)值值, ,取决于取决于dNt dNt 的陈列复杂性的陈列复杂性 。 AAAAAAAA K. C. = 1 C0t(1/2) = 210-6ATCGATCGATCG K.C. = 4 K.C. = 5 105 C0t(1/2) = 1( ( 复性动力学的复杂性，复性动力学的复杂性，Kinetic complexityKinetic complexity，K.C )K.C )Eukaryotic genomes have several sequence components变性程度变性程度 部分变性的部

20、分变性的DNADNA可直接经过拉链作用迅速复可直接经过拉链作用迅速复性，而完全变性的性，而完全变性的DNADNA普通需求几个小时才干复性。普通需求几个小时才干复性。 除温度、离子强度、除温度、离子强度、pHpH等变性条件外，影响复性的要素有：等变性条件外，影响复性的要素有：DNADNA的浓度的浓度 浓度越大有效碰撞的频率越高。浓度越大有效碰撞的频率越高。DNADNA分子大小分子大小 越小的分子复性越快。越小的分子复性越快。DNADNA复杂性复杂性(complexity) (complexity) 指最长的没有反复序列的核指最长的没有反复序列的核苷酸对数之和。苷酸对数之和。ATATATATATA

21、TATATATATATAT的复杂性为的复杂性为2 2；ATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGC的复杂性为的复杂性为4 4；ATGCATGCCTCAGTATGCATGCATGCATGCATGCCTCAGTATGCATGCATGC的复杂性为的复杂性为1010；ATGCTGACGTAGCAATGCTGACGTAGCA的复杂性为的复杂性为1414。序列复杂的序列复杂的DNADNA更容易发生非对应配对，所以复杂性越高的更容易发生非对应配对，所以复杂性越高的DNADNA复性越复性越困难。困难。3.高度反复序列高度反复序

22、列Highly repetitive sequence四、反复序列四、反复序列单一序列单一序列Unique sequence 主要是蛋白质编码基因。2.2.中度反复序列中度反复序列Moderately repetitive Moderately repetitive sequencesequence包括包括rRNA、tRNA、组蛋白的编码基因。研讨较多的是、组蛋白的编码基因。研讨较多的是Alu家族。家族。长度不到长度不到10bp10bp，多是串联集中分布，普通不转录。有些，多是串联集中分布，普通不转录。有些ATAT含量很高的高度反复序列，在离心时常会在主要的含量很高的高度反复序列，在离心时常会

23、在主要的DNADNA带的上面有一个次要的带的上面有一个次要的DNADNA带相伴随，这就是所谓的带相伴随，这就是所谓的“卫星卫星DNADNA 着丝点centromere功能必需的DNA序列约130bp长，并富含A=T碱基对；在着丝点附近，还有高度反复的卫星DNA。 端粒telomere顺序长约100bp，起到稳定染色体的作用。是由： 5(Tx Gy)n x约为14 3(Ax Cy)n y约为18反向反复序列反向反复序列Inverted repetitive Inverted repetitive sequencesequence 又称回文序列又称回文序列PalindromePalindrome,

24、 ,易构成发夹构造，在易构成发夹构造，在DNADNA双链中能够构成十字形构造。双链中能够构成十字形构造。 CATGAACGTCCTATTGTCGGACGTTCTGA CATGAACGTCCTATTGTCGGACGTTCTGA GTACTTGCAGGATAACAGCCTGCAAGACT GTACTTGCAGGATAACAGCCTGCAAGACT基因家族：真核生物基因组中有许多来源一样、构造类似、基因家族：真核生物基因组中有许多来源一样、构造类似、功能相关的基因，这样一组基因称为基因家族。功能相关的基因，这样一组基因称为基因家族。4 4有些可以编码蛋白质，在某些基因的转录中作为调有些可以编码蛋白质

25、，在某些基因的转录中作为调控成分。控成分。五五. . 断裂基因断裂基因split genesplit gene也叫不延续基因，指在真核生物中，大多数编码蛋白质的也叫不延续基因，指在真核生物中，大多数编码蛋白质的基因是不延续的，即基因的编码序列之间插入了不编码的基因是不延续的，即基因的编码序列之间插入了不编码的序列，称为断裂基因。序列，称为断裂基因。内含子的意义：内含子的意义：1能够是遗传的残留物。2 2Walter GilbertWalter Gilbert假说：是使蛋白质进化过程的残迹。假说：是使蛋白质进化过程的残迹。3 3可以维护基因家族中基因的完好性。可以维护基因家族中基因的完好性。五、

26、真核与原核生物基因组比较五、真核与原核生物基因组比较 P78 P78 作为总结性的问题，课后总结。同时掌握断裂基因、假基因、内含子、外显子的概念。2-3染色体2-3染色体一、组成一、组成1. 1. 核小体核小体nucleosomenucleosome：染色质是由反复单位构成的，：染色质是由反复单位构成的，每个反复单位由约每个反复单位由约200bp200bp的的DNADNA和和H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4各两分各两分子组成，这个反复单位叫核小体。子组成，这个反复单位叫核小体。2. 2. 组蛋白组蛋白histonehistone五种：五种： H1 H1、H2AH2A、H2BH2B

27、、H3H3、H4H4。呈碱性。呈碱性。除了除了H1H1以外，其他四种有相互作用构成聚合体以外，其他四种有相互作用构成聚合体的趋势。它们经过的趋势。它们经过C C端的疏水氨基酸相互结合，端的疏水氨基酸相互结合，而而N N端的碱性氨基酸那么向四面伸出以便与端的碱性氨基酸那么向四面伸出以便与DNADNA分子相互作用。分子相互作用。3.3.构成：构成：每个核小体含每个核小体含8 8个组蛋白；个组蛋白；200bp DNA200bp DNA中，中，146bp 146bp 紧紧缠绕着组蛋白，其他用于衔接两个核小体，紧紧缠绕着组蛋白，其他用于衔接两个核小体，称为衔接称为衔接DNADNAlinker DNAli

28、nker DNA。H1H1通常和衔接通常和衔接DNADNA相结合，把核小体相结合，把核小体“封锁起来。封锁起来。4. 4. 核小体包装的高级方式核小体包装的高级方式1 1核小体紧缩比为核小体紧缩比为7 7，200bp200bp长为长为68nm68nm，紧缩后为，紧缩后为10nm 10nm 2 230nm30nm的核小体纤维的核小体纤维30nm fiber30nm fiber，紧缩比为，紧缩比为4040。3 3染色体染色体DNADNA的某一部分和的某一部分和“核骨架核骨架nuclear nuclear scaffoldscaffold相连，把染色体相连，把染色体DNADNA隔成许多含隔成许多含2000020000至至100000100000碱基对的碱基对的DNADNA环。环。4 4约约6 6个环与核骨架构成一个梅花结，每个环与核骨架构成一个梅花结，每3030个梅花结