细胞生物学课件优秀课件

1、1教学内容：教学内容：一、细胞的结构与功能一、细胞的结构与功能 细胞的统一性和多样性；真核细胞的结构（主要细胞器、细胞骨细胞的统一性和多样性；真核细胞的结构（主要细胞器、细胞骨架）架）二、细胞的生活和调控二、细胞的生活和调控 细胞的增殖、分化、衰老和死亡；细胞信号转导细胞的增殖、分化、衰老和死亡；细胞信号转导三、基因组的维持三、基因组的维持 真核基因组的结构、染色质结构及其调控；真核基因组的结构、染色质结构及其调控；DNADNA的复制的复制 、修复和、修复和转座转座四、基因组的表达和调控四、基因组的表达和调控 转录、翻译的机制；原核和真核生物的基因调控；调控转录、翻译的机制；原核和真核生物的基

2、因调控；调控RNA RNA 五、分子及细胞生物学研究技术五、分子及细胞生物学研究技术 2基因组的维持基因组的维持 p 真核基因组的结构真核基因组的结构p 染色质结构及其调控染色质结构及其调控p DNA DNA的复制的复制 、修复和转座、修复和转座3真核基因组的结构真核基因组的结构4135uDNA的结构与功能的结构与功能u核小体核小体u基因与基因组基因与基因组4 核酸核酸（nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子。天然存在的核酸有两类，一类为脱的生物大分子。天然存在的核酸有两类，一类为脱氧核糖核酸（氧核糖核酸（deoxyribonucleic aci

3、d, DNA)，另一，另一类为核糖核酸（类为核糖核酸（ribonuleic acid, RNA)。DNA存在存在细胞核细胞核和和线粒体线粒体内，携带和传递遗传内，携带和传递遗传信息，决定细胞和个体的基因型（信息，决定细胞和个体的基因型（gene type)。 RNA存在于存在于细胞质细胞质和和细胞核细胞核内，参入细胞内内，参入细胞内DNA遗传信息的表达。遗传信息的表达。 病毒中，病毒中，RNA也可作为遗传信息的载体。也可作为遗传信息的载体。5Section 1 DNASection 1 DNA的结构与功能的结构与功能一、一、DNADNA的一级结构的一级结构 4种核苷酸的连接及排列顺序 四种脱氧

4、核糖核苷酸分别表示为： dAMP、dGMP、dTMP、dCMP6glycosidic bondphosphoester bondNucleoside7 DNA DNA是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都贮存在贮存在DNADNA分子中。分子中。 这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在DNADNA分子分子上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同了。上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同了。 DNADNA的一级结构的一级结构就是指核苷酸在就是指核苷酸在DNADNA分子中的排列顺分子中的排列顺序。因此测定序。因

5、此测定DNADNA的碱基排列顺序是分子生物学的基本的碱基排列顺序是分子生物学的基本课题之一。课题之一。1.DNA1.DNA一级结构中贮存的生物遗传信息一级结构中贮存的生物遗传信息8DNADNA分子的多样性分子的多样性 碱基的排列顺序，而构成了碱基的排列顺序，而构成了DNADNA分子的多样性分子的多样性 100bp DNA 100bp DNA分子可能排列方式就是分子可能排列方式就是4 4100100 DNA DNA中的碱基排列顺序是中的碱基排列顺序是DNADNA分子的重要属性分子的重要属性9 4 4种种dNTPdNTP以以3 3、5 5磷酸二酯键相连构成一个没有磷酸二酯键相连构成一个没有分枝的分

6、枝的线性大分子线性大分子。（与蛋白质比触觉不灵）。（与蛋白质比触觉不灵）。 它们的两个末端分别称它们的两个末端分别称5 5末端（游离磷酸基）末端（游离磷酸基）和和3 3末端（游离羟基）末端（游离羟基）。2 2、DNADNA一级结构的基本特点一级结构的基本特点10二、二、DNADNA的二级结构的二级结构1 1）主链）主链p 脱氧核糖和磷酸基相互连接构成脱氧核糖和磷酸基相互连接构成DNADNA的主链。的主链。p 从从化学键化学键的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸链的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸链是反向平行的。是反向平行的。p 二条主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内部，二条主链处于螺旋的外侧，碱基

7、处于螺旋的内部，由于糖和磷酸根的化学性质，主链是亲水的。由于糖和磷酸根的化学性质，主链是亲水的。p 两条链形成两条链形成右手螺旋右手螺旋，有共同的螺旋轴，螺旋的，有共同的螺旋轴，螺旋的直径是直径是20A20A。1.1.双螺旋的基本特征双螺旋的基本特征11Schematic modelSpace-filling model12 右手双螺旋构象是右手双螺旋构象是DNADNA最为常见的结构最为常见的结构-B-B型型DNADNA。 DNA DNA二级结构可分为两大类：一类是右手螺旋，二级结构可分为两大类：一类是右手螺旋，如：如：B-DNAB-DNA、CDNACDNA、D-DNAD-DNA、E-DNAE

8、-DNA、A-DNAA-DNA；另一类是局部的左手螺旋，即另一类是局部的左手螺旋，即Z-DNAZ-DNA。WatsonWatson和和CrickCrick于于19531953年根据年根据DNADNA纤维纤维X X射线晶体衍射线晶体衍射图，提出了射图，提出了DNADNA为右手双螺旋结构的科学假设为右手双螺旋结构的科学假设13ABZ14在在A-TA-T丰富的区段，丰富的区段，DNADNA常呈现常呈现B-DNAB-DNA。在转录状态，在转录状态，DNADNA与与RNARNA的杂合链呈现的杂合链呈现A-DNAA-DNA。虽然虽然B-DNAB-DNA是最常见的构象，但是是最常见的构象，但是A-DNAA-

9、DNA和和Z-Z-DNADNA似乎具有不同的生物活性。似乎具有不同的生物活性。15PropellerTwistBuckleTextbookTextbookReal LifeReal Life162 2）碱基对）碱基对 这两种碱基对（这两种碱基对（A/T,G/CA/T,G/C）有一个重要的特征，）有一个重要的特征，就是它们具有二次旋转对称性，即一对碱基对旋转就是它们具有二次旋转对称性，即一对碱基对旋转180180O O, ,并不影响双螺旋的对称性，并不影响双螺旋的对称性，因此双螺旋结构只因此双螺旋结构只限定了配对的方式，并不限定碱基的顺序。限定了配对的方式，并不限定碱基的顺序。 碱基环是一个共轭

10、环，本身构成一个平面分子。碱基环是一个共轭环，本身构成一个平面分子。在双螺旋中这个平面垂直于螺旋轴，相邻的两个碱在双螺旋中这个平面垂直于螺旋轴，相邻的两个碱基上下间隔基上下间隔3.4A,3.4A,每十对碱基组成一节螺旋每十对碱基组成一节螺旋，因此双，因此双螺旋的螺旋的螺距是螺距是34A34A。一条链中每个相邻的碱基方向相。一条链中每个相邻的碱基方向相差差36360 0。碱基之间的疏水作用可导致碱基堆集，这个。碱基之间的疏水作用可导致碱基堆集，这个引力同碱基对之间氢键一起稳定了双螺旋结构。引力同碱基对之间氢键一起稳定了双螺旋结构。17 沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋沿螺旋轴方向观察，

11、配对的碱基并不充满双螺旋的空间。的空间。 由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间是由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的不对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，一个槽大些，一个槽小些分别称为槽，一个槽大些，一个槽小些分别称为大沟大沟和和小沟小沟。 双螺旋表面的沟对双螺旋表面的沟对DNADNA和蛋白质的相互识别是很和蛋白质的相互识别是很重要的，因为在沟内才能觉察到碱基的顺序，而在重要的，因为在沟内才能觉察到碱基的顺序，而在双螺旋的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有双螺旋的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有信息可言。信息可言。1819

12、决定决定DNADNA双螺旋结构状态的因素主要有以下几点：双螺旋结构状态的因素主要有以下几点：氢键氢键碱基堆积力碱基堆积力带负电荷的磷酸基的静电斥力带负电荷的磷酸基的静电斥力碱基分子内能碱基分子内能20 DNA DNA三股螺旋构型称为三股螺旋构型称为H-DNAH-DNA，是在，是在DNADNA双螺旋结双螺旋结构基碱上形成的。构基碱上形成的。 它是双螺旋它是双螺旋DNADNA分子中一条链的某一节段，通过分子中一条链的某一节段，通过链的折叠与同一分子中链的折叠与同一分子中DNADNA结合而形成。结合而形成。 三条链均为三条链均为同型嘌呤同型嘌呤或或同型嘧啶同型嘧啶，即整段的碱基，即整段的碱基均为嘌呤

13、或嘧啶，其中两条链为正常双螺旋，第三均为嘌呤或嘧啶，其中两条链为正常双螺旋，第三条链位于条链位于双螺旋的大沟双螺旋的大沟中。中。 H-DNA H-DNA可在转录水平上阻止基因的转录，这就是可在转录水平上阻止基因的转录，这就是反基因策略，或称反基因策略，或称反基因技术反基因技术。2.2.三股螺旋三股螺旋DNADNA（H-DNAH-DNA）2122 当当DNADNA双链中含有双链中含有H H回文序列时，即某区段回文序列时，即某区段DNADNA两条链分别为两条链分别为HPuHPu和和HPyHPy，并且各自为，并且各自为回文结构回文结构时，时，任一条回文结构的任一条回文结构的5 5和和3 3部分都可以

14、形成分了子内三部分都可以形成分了子内三股螺旋结构及剩余的半条回文结构游离单链。真核股螺旋结构及剩余的半条回文结构游离单链。真核生物基因组中存在大量可形成生物基因组中存在大量可形成H-DNAH-DNA的多聚嘌呤核苷的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。酸和多聚嘧啶核苷序列。它们位于：它们位于： 调控区调控区DNADNA复制起点或终点染色体重组位点，提复制起点或终点染色体重组位点，提示它们可能与基因表达调控示它们可能与基因表达调控DNADNA复制及染色体的重组复制及染色体的重组有关有关。23DNADNA的三级结构指双螺旋链的扭曲。的三级结构指双螺旋链的扭曲。超螺旋超螺旋是是DNADNA三级结构的一种

15、形式，三级结构的一种形式，DNADNA在核小在核小体中的扭曲方式也是一种超螺旋结构。体中的扭曲方式也是一种超螺旋结构。超螺旋的超螺旋的生物学意义生物学意义可能是：可能是：1.1.使使DNADNA分子体积变小，对其在细胞的包装过程分子体积变小，对其在细胞的包装过程有利。有利。2.2.影响双螺旋的解链过程影响双螺旋的解链过程, ,从而影响从而影响DNADNA分子与分子与其它分子其它分子( (如酶、蛋白质、核酸如酶、蛋白质、核酸) )之间的相互作之间的相互作用。用。三、三、DNADNA的三级结构的三级结构24线状DNA形成的超螺旋25环状DNA形成的超螺旋26拓扑异构酶拓扑异构酶or溴化乙锭溴化乙锭

16、拓扑异构酶拓扑异构酶or溴化乙锭溴化乙锭DNA扭曲与双螺扭曲与双螺旋相同（拧紧）旋相同（拧紧）DNA扭曲与双螺扭曲与双螺旋相反（松开）旋相反（松开）负超螺旋负超螺旋松弛松弛DNA正超螺旋正超螺旋在不同类型的在不同类型的拓扑异构酶拓扑异构酶作用下，作用下，DNADNA的可的可以在超螺旋和松弛以在超螺旋和松弛DNADNA形式之间转变。形式之间转变。27拓扑异构酶可以催化拓扑异构酶可以催化DNADNA产生瞬时单链或双产生瞬时单链或双链的断裂，从而改变链的断裂，从而改变连环数连环数（使环状（使环状DNADNA两两条链完全分开时，一条链必须穿过另一条链条链完全分开时，一条链必须穿过另一条链的次数的次数

17、），），使超螺旋使超螺旋DNADNA解旋。解旋。在原核和真核生物中都存在在原核和真核生物中都存在去除超螺旋去除超螺旋的的拓拓扑异构酶扑异构酶I I和和IIII。拓扑异构酶拓扑异构酶 （Topoisomerases）28拓扑异构酶拓扑异构酶I I: : 通过一步改变通过一步改变DNADNA的连环数，不需要的连环数，不需要ATPATP。使使DNADNA暂时产生暂时产生单链缺口单链缺口，让未被切割的一条单链在切，让未被切割的一条单链在切口结合之前穿过这一切口。口结合之前穿过这一切口。29 拓扑异构酶拓扑异构酶IIII：通过两步改变：通过两步改变DNADNA的连环数，需要的连环数，需要ATPATP提供

18、能量。提供能量。 在在DNADNA上产生瞬时的上产生瞬时的双链缺口双链缺口，并在缺口闭合以前，并在缺口闭合以前使一小段未被切割的双链使一小段未被切割的双链DNADNA穿越这一缺口。穿越这一缺口。 30DNA的拓扑异构体可以通过电泳分离的拓扑异构体可以通过电泳分离n长度相同而连环数不同的共价闭合环状长度相同而连环数不同的共价闭合环状DNADNA分子叫做分子叫做DNADNA的拓扑异构体的拓扑异构体。n通过琼脂糖凝胶电泳可以将它们彼此分开通过琼脂糖凝胶电泳可以将它们彼此分开。松弛或有缺口的环状松弛或有缺口的环状线状线状超螺旋超螺旋溴乙锭（溴乙锭（EBEB）可以嵌）可以嵌入核酸分子的碱基对入核酸分子的

19、碱基对平面之间，在紫外光平面之间，在紫外光照射下发出橙黄色的照射下发出橙黄色的荧光，常作为染料检荧光，常作为染料检测核酸的存在。测核酸的存在。311.1.信息量大，可以缩微；信息量大，可以缩微；2.2.表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理；制机理；3.3.核糖的核糖的2 2脱氧，在水溶液中稳定性好；脱氧，在水溶液中稳定性好；4.4.可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群体是有利的）；化对群体是有利的）；5.5.有有T T无无U U，基因组得以增大，而无，基因组得以增大，而无C C脱氨基成脱

20、氨基成U U带来带来的潜在危险。（尿嘧啶的潜在危险。（尿嘧啶DNADNA糖苷酶可以灵敏识别糖苷酶可以灵敏识别DNADNA中的中的U U而随时将其剔除）。而随时将其剔除）。四、四、DNADNA作为遗传物质的主要优点作为遗传物质的主要优点32五、五、DNADNA的变性、复性和分子杂交的变性、复性和分子杂交1 1、DNADNA的变性（的变性（denaturationdenaturation）u DNA DNA 溶液温度在高于生理温度或者溶液温度在高于生理温度或者pHpH较高时，较高时，互补的两条链就可以分开，这一过程叫做互补的两条链就可以分开，这一过程叫做Denaturation (Denatura

21、tion (变性变性) )。u DNADNA变性：紫外吸收增加；变性：紫外吸收增加；u DNADNA的热变性称为的热变性称为DNADNA的的“融解融解”，50% 50% DNADNA分子解链的温度称为分子解链的温度称为融点融点TmTm表示；表示；u 不同种类不同种类DNADNA有不同的有不同的TmTm值；值；u TmTm随（随（G + CG + C）%含量呈线性增加。含量呈线性增加。33342 2、DNADNA的复性的复性DNADNA回复成双链结构，称为回复成双链结构，称为复性复性（renaturationrenaturation） 热变性经冷却后即可复性，称为热变性经冷却后即可复性，称为退火

22、退火(annealing)(annealing)35来源不同的两条DNA链经变性后，通过缓慢降温形成的人工杂交的DNA分子的过程。互补的DNA和RNA链也可以形成杂交分子。杂交是分子杂交技术的基础，包括Southern 杂交、 Northern 杂交、DNA芯片等。3 3、DNA DNA 分子杂交分子杂交 (Hybridization) (Hybridization)3637Section 2 Section 2 核小体核小体核小体是染色质包装的基本结构单位核小体是染色质包装的基本结构单位38Isolated from interphase nucleus: 30nm thickChromat

23、in unpacked, show the nuclesome（）铺展染色质的（）铺展染色质的电镜观察电镜观察39(2)用非特异性用非特异性微球菌核酸酶微球菌核酸酶消化染色质消化染色质,部分酶部分酶解片段检测结果解片段检测结果40由由X-射线晶体衍射射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构所揭示的核小体三维结构（引自K.Luger等，1997）（）应用（）应用X X射线衍射、中子散射和电镜三维重射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究染色质结晶颗粒建技术研究染色质结晶颗粒41（）SV40微小染色体分析与电镜观察微小染色体分析与电镜观察 42二、二、核小体结构要点核小体结构要点(1)每个核

24、小体单位包括每个核小体单位包括200bp左右的左右的DNA超螺超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1。(2)组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。4344(3)146bp的的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体体1.75圈圈, 组蛋白组蛋白H1在核心颗粒外结合额外在核心颗粒外结合额外20bp DNA，锁住核小体，锁住核小体DNA的进出端，的进出端，起稳定核小体的作用。包括组蛋白起稳定核小体的作用。包括组蛋白H1和和166bp DNA的核小体结构又称的核小体结构又称染色质小体染色质小体。(4)两个相邻核小体之

25、间以连接两个相邻核小体之间以连接DNA 相连，相连，典型长度典型长度60bp，不同物种变化值为，不同物种变化值为080bp。45(5)组蛋白与组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列，性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列，实验表明，核小体具有自组装（实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质。）的性质。(6)核小体沿核小体沿DNA的的定位定位受不同因素的影响，受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达进而通过核小体相位改变影响基因表达 。46核小体的性质及结构要点示意图核小体的性质及结构要点示意图（引自B.Al

26、berts等） 在用微球菌核酸酶降解染色质时，反应早期可得到166bp的片段，但不稳定；进一步降解则得到146bp片段，比较稳定。推测可能原因是失去H1后，DNA两端各有10bp的DNA，易被核酸酶作用而降解。47Chromatin Packing48Chromatin Packing49Section 3 Section 3 基因与基因组基因与基因组 基因基因：表达一种蛋白质或功能：表达一种蛋白质或功能RNARNA的基本单位。的基本单位。 基因组基因组：是指某种生物所包含的全套：是指某种生物所包含的全套基因。基因。人类基因组的人类基因组的C C值在值在3 310109 9 bp bp ； 病

27、毒病毒含含10103 310105 5bpbp；细菌含；细菌含10105 510107 7bpbp；50基因与蛋白质基因与蛋白质1000bp(1kb)1000bp(1kb)编码一个蛋白质；编码一个蛋白质；病毒含病毒含4545个基因；个基因；大肠杆菌含大肠杆菌含3000400030004000个基因；个基因；人类应有人类应有200300200300万个基因（万个基因（3 310109 9 bp )bp )，实际只有，实际只有1010万个左右；万个左右；病毒的基因数要比计算所得的大，因为病毒的基因数要比计算所得的大，因为有基因重叠现象。有基因重叠现象。51 结构简练，结构简练，DNADNA分子的绝

28、大部分用来编码蛋分子的绝大部分用来编码蛋白质，不转录部分所占比例较小。白质，不转录部分所占比例较小。 存在转录单元，功能相关的存在转录单元，功能相关的RNARNA和蛋白质基和蛋白质基因往往形成功能单位或转录单元，一起转录因往往形成功能单位或转录单元，一起转录成多顺反子的成多顺反子的mRNAmRNA。 在一些细菌和病毒中有重叠基因，同一段的在一些细菌和病毒中有重叠基因，同一段的DNADNA能携带两种不同蛋白质的编码信息。能携带两种不同蛋白质的编码信息。原核生物基因组52 最大的特点是含有大量的重复序列，而且功能最大的特点是含有大量的重复序列，而且功能DNADNA序列大多被不编码蛋白质的非功能序列

29、大多被不编码蛋白质的非功能DNADNA隔开。隔开。真核生物基因组53 基因组庞大基因组庞大 存在大量重复序列存在大量重复序列 基因组序列基因组序列90%90%以上的部分是非编码序列以上的部分是非编码序列 转录产物是单顺反子转录产物是单顺反子 真核基因一般都含有内含子真核基因一般都含有内含子 存在大量的顺式元件存在大量的顺式元件 存在大量的存在大量的DNADNA多态性多态性 具有端粒结构具有端粒结构真核生物基因组的结构特点：54染色质结构及其调控染色质结构及其调控染色质DNA与蛋白质染色质组装的模型常染色质和异染色质染色质结构与基因活化染色体55染色质染色质（chromatin）: 在核内可以被

30、在核内可以被碱性碱性染料染料强烈着色的物质。强烈着色的物质。 指指间期细胞核间期细胞核内由内由DNA、组蛋白、非、组蛋白、非组蛋白及少量组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构组成的线性复合结构, 是间期细胞遗传物质存在的形式。是间期细胞遗传物质存在的形式。 DNA、组蛋白是染色质的稳定成分。、组蛋白是染色质的稳定成分。56染色体染色体(chromosome): 指细胞在有丝指细胞在有丝分裂分裂或减数分裂过程中或减数分裂过程中, 由染色质聚缩而成的棒状结构。由染色质聚缩而成的棒状结构。染色质与染色体是在细胞周期不同的功染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段能阶段可以相互转变可以相互转变的的形态结

31、构的的形态结构染色质与染色体具有基本相同的化学组染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但成，但包装程度不同包装程度不同,构象不同构象不同。57Section 1 Section 1 染色质染色质DNADNA与蛋白质与蛋白质一、染色质、染色质DNADNA 在真核细胞中，每条未复制的染色体在真核细胞中，每条未复制的染色体包含一条包含一条DNADNA分子，分子，一个生物贮存在单倍染色体一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的组中的总遗传信息，称为该生物的基因组基因组（genomegenome）。 基因组大小基因组大小通常随物种的复杂性而增加。通常随物种的复杂性而增加。 58Specie

32、s Genome size SV40 5 103bpE.coli 4.6106bpYeast 2107bp Fruit fly 2108bpHuman 3109bp Some amphibian and plants have larger genome size than human.59C C值与值与C C值矛盾值矛盾60 染色质染色质DNA的类型：的类型：按序列在基因组中的拷贝数划分：按序列在基因组中的拷贝数划分： 非重复序列（单拷贝序列）：拷贝数非重复序列（单拷贝序列）：拷贝数15 中度重复序列：拷贝数中度重复序列：拷贝数102105 高度重复序列：拷贝数高度重复序列：拷贝数105以上

33、以上 61 按照序列的功能分：按照序列的功能分： 蛋白质编码序列蛋白质编码序列 可编码的中度重复序列可编码的中度重复序列 重复序列重复序列DNADNA：不编码的中度重复序列：不编码的中度重复序列 高度重复序列高度重复序列 间隔间隔DNADNA62（1）蛋白质编码序列：）蛋白质编码序列：所占比例随生物复杂程度的不同而异。所占比例随生物复杂程度的不同而异。主要是非重复的单一主要是非重复的单一DNA序列；也有多序列；也有多个拷贝的情况。个拷贝的情况。6364（2）串联重复序列）串联重复序列 （可编码的中度重复序列）（可编码的中度重复序列）一般的拷贝数是一般的拷贝数是20300个。个。编码产物包括编码

34、产物包括tRNA，rRNA，snRNA和组和组蛋白。蛋白。Tandemly repeated genes encode identical or nearly identical proteins or functional RNAs.These genes are needed to meet the great cellular demand for their transcripts.65（3）不编码的中度重复序列不编码的中度重复序列DNA： 散在重复序列散在重复序列(interspersed repeats) DNA转座子转座子 假基因假基因 LTR反转座子反转座子 非非LTR反转座子

35、反转座子 短散在元件短散在元件 长散在元件长散在元件66（4）高度重复序列）高度重复序列DNA 简单序列简单序列DNA（simple sequence DNA ）卫星卫星DNA（satellite DNA） ： 重复单位重复单位5100bp,主要分布在着丝粒部位主要分布在着丝粒部位 小卫星小卫星DNA（minisatellite DNA）：）： 重复单位重复单位12100bp,常用于常用于DNA指纹分析指纹分析 微卫星微卫星DNA （microsatellite DNA）：）： 重复单位重复单位15bp, 用于遗传图谱构建和个体鉴定用于遗传图谱构建和个体鉴定67二、染色质蛋白二、染色质蛋白负责

36、负责DNA分子分子遗传信息的组织、复制和阅读遗传信息的组织、复制和阅读 分类：分类： 组蛋白组蛋白(histone)： 与与DNA非特异性结合非特异性结合 非组蛋白非组蛋白(nonhistone)： 与特定的与特定的DNA序列或组蛋白结合序列或组蛋白结合 68（一）组蛋白（一）组蛋白(histone) 真核生物染色体的基本结构蛋白，富含真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的带正电荷的Arg和和Lys等碱性氨基酸，属等碱性氨基酸，属碱性碱性蛋白蛋白质，可以和酸性的质，可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结紧密结合（非特异性结合）。合）。 聚丙烯酰胺凝胶电泳（聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）可

37、以区分出）可以区分出5种不同的组蛋白：种不同的组蛋白：H1，H2A，H2B，H3，H4。69（1）核小体组蛋白核小体组蛋白(nucleosomal histone)：H2B、H2A、H3和和H4,帮助帮助DNA卷曲形成卷曲形成核小体的稳定结构。核小体的稳定结构。没有种属及组织特异性没有种属及组织特异性，在进化上十，在进化上十分分保守保守；组蛋白在功能上分成两组组蛋白在功能上分成两组7071（2）H1组蛋白：在构成核小体时，起连接组蛋白：在构成核小体时，起连接作用作用, 它赋予染色质以极性。它赋予染色质以极性。 有一定的种属及组织特异性，保守有一定的种属及组织特异性，保守性低于性低于核小体组蛋白

38、。核小体组蛋白。72（二）非组蛋白（二）非组蛋白 主要指和特异主要指和特异DNA序列结合的蛋白，序列结合的蛋白，又称序列特异性又称序列特异性DNA结合蛋白结合蛋白 (sequence specific DNA binding proteins)，可以通过，可以通过凝胶阻滞实验检测。凝胶阻滞实验检测。 73A A 非组蛋白的非组蛋白的特性特性v非组蛋白具有多样性非组蛋白具有多样性，不同组织细胞中其种类，不同组织细胞中其种类和数量都不同，代谢周转快。包括核酸代谢和和数量都不同，代谢周转快。包括核酸代谢和修饰的酶类，骨架蛋白，基因表达的调控蛋白修饰的酶类，骨架蛋白，基因表达的调控蛋白等。等。v识别识

39、别DNADNA具有特异性具有特异性识别信息来自于识别信息来自于DNADNA序列自身，识别位点在序列自身，识别位点在DNADNA双螺旋的大沟部分。双螺旋的大沟部分。v具有具有多种功能多种功能，包括基因表达的调控和染色质，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。高级结构的形成。74B B 非组蛋白的非组蛋白的结构模式结构模式螺旋螺旋-转角转角-螺旋模式螺旋模式(helix-turn-helix motif) 锌指模式锌指模式(Zinc finger motif) 亮氨酸拉链模式亮氨酸拉链模式(Leucine zipper motif，ZIP)螺旋螺旋-环环-螺旋结构模式螺旋结构模式(helix-

40、loop-helix motif，HLH) HMG-盒结构模式（盒结构模式（HMG-box motif） 7576Section 2Section 2、染色质组装的模、染色质组装的模型型771 染色质组装的前期过程染色质组装的前期过程 组装过程（图组装过程（图519） 解决高度压缩结构与转录要求的矛盾：解决高度压缩结构与转录要求的矛盾： 通过染色质修饰酶的作用，使染色质通过染色质修饰酶的作用，使染色质更接近转录机器。包括对组蛋白尾部共价更接近转录机器。包括对组蛋白尾部共价修饰，以及破坏组蛋白修饰，以及破坏组蛋白DNA接触。接触。782.2.染色质包装的多级螺旋模型染色质包装的多级螺旋模型 (m

41、ultiple coiling model) (multiple coiling model)一级结构：核小体一级结构：核小体(nucleosome)(nucleosome)二级结构：螺线管二级结构：螺线管(solenoid)(solenoid) 三级结构：超螺线管三级结构：超螺线管(supersolenoid) (supersolenoid) 四级结构：染色单体（四级结构：染色单体（chromatidchromatid） 压缩压缩7 7倍倍 压缩压缩6 6倍倍 压缩压缩4040倍倍 压缩压缩5 5倍倍 DNA DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 超螺线管超螺线管 染色单体染色单体 7980非

42、组蛋白构成的非组蛋白构成的染色体骨架染色体骨架(chromsomal scaffold)和由骨架伸出的无数的和由骨架伸出的无数的DNA侧环侧环30nm的的染色线染色线折叠成环折叠成环, 沿染色体纵轴沿染色体纵轴, 由由中央向四周伸出中央向四周伸出,构成构成放射环放射环。 3. 染色体的骨架放射环结构模型染色体的骨架放射环结构模型 (scaffold radial loop structure model) 81Evidence for Scaffold Radial Loop Model82 由螺线管形成由螺线管形成DNA复制环复制环,每每18个复制环呈个复制环呈放射状平面排列放射状平面排列,

43、 结合在核基质上形成结合在核基质上形成微带微带(miniband)。微带是染色体高级结构的单位。微带是染色体高级结构的单位,大约大约106个微带沿纵轴构建成个微带沿纵轴构建成子染色体子染色体。838485Section 3、常染色质和异染色质、常染色质和异染色质常染色质常染色质 (euchromatin) 异染色质异染色质 (heterochromatin)86常染色质常染色质(euchromatin) 概念：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低概念：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低, 处于伸展状态（典型包装率处于伸展状态（典型包装率750倍）倍）, 用碱性染料用碱性染料染色时着色浅的那些染色

44、质。染色时着色浅的那些染色质。 主要是主要是单一序列单一序列DNA和中度重复序列和中度重复序列DNA(如如组蛋白基因和组蛋白基因和tRNA基因基因) 常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件。分条件。87异染色质异染色质(heterochromatin) 概念：指间期细胞核中概念：指间期细胞核中, 折叠压缩程度高折叠压缩程度高, 处于聚缩状态的染色质组分。处于聚缩状态的染色质组分。 类型类型结构异染色质（或组成型异染色质）结构异染色质（或组成型异染色质）(constitutive heterochromatin) 兼性异染色质兼性异染色质 (fac

45、ultative heterochromatin) 88结构异染色质的特点结构异染色质的特点 除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心态，形成多个染色中心 。 多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕等处；多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕等处； 由相对简单、高度重复的由相对简单、高度重复的DNA序列构成；序列构成； 具有显著的具有显著的遗传惰性遗传惰性, 不转录也不编码蛋白质；不转录也不编码蛋白质；89与常染色质相比，复制上表现为晚复与常染色质相比，复制上表现为晚复制早聚缩；制早聚缩；在功能上参与染色质高级结构的形成，在功能上参与染色质高级结构的

46、形成，导致染色质区间性，作为核导致染色质区间性，作为核DNA的转的转座元件，引起遗传变异。座元件，引起遗传变异。 90兼性异染色质兼性异染色质 在某些细胞类型或一定的发育阶段在某些细胞类型或一定的发育阶段, 原来原来的常染色质聚缩的常染色质聚缩, 并丧失基因转录活性并丧失基因转录活性, 变变为异染色质，如为异染色质，如X染色体随机失活染色体随机失活. 异染色质化可能是关闭基因活性的一种异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径途径 。9192常染色质与异染色质之间的转变常染色质与异染色质之间的转变 常染色质与异染色质之间的转变常常伴随常染色质与异染色质之间的转变常常伴随着一些组蛋白和着一些组蛋白和

47、DNADNA的修饰。的修饰。93对不同对不同Lys位点甲基化位点甲基化产生不同的染色质状态产生不同的染色质状态A: 代表转录激活代表转录激活R: 代表转录抑制代表转录抑制94 四种核心组蛋白的修饰发生在四种核心组蛋白的修饰发生在N N端。端。 组蛋白修饰的位点组蛋白修饰的位点: : 甲基化甲基化: Lys: Lys和和ArgArg 乙酰化乙酰化: Lys: Lys 磷酸化磷酸化: Ser: Ser95 不同组蛋白或同一个组蛋白在不同氨基酸不同组蛋白或同一个组蛋白在不同氨基酸残基上的修饰决定了染色质所处的状态。残基上的修饰决定了染色质所处的状态。 例如：例如： H3K4、H3K36:该位点甲基化

48、激活基因该位点甲基化激活基因转录转录, 是活性染色质的标志。是活性染色质的标志。 H3K9、H3K27、H4K20:该位点甲基化该位点甲基化调节染色质结构，是异染色质的标志。调节染色质结构，是异染色质的标志。9697Section 4 染色质结构与基因活化 根据功能状态的不同，染色质可以分为：根据功能状态的不同，染色质可以分为： 活性染色质（活性染色质（active chromatinactive chromatin） 非活性染色质（非活性染色质（inactive chromatininactive chromatin）98 活性染色质是具有活性染色质是具有转录活性转录活性的染色质，这的染色质

49、，这是由于是由于核小体的构型发生构象的变化核小体的构型发生构象的变化，往，往往具有疏松的染色质结构，从而便于转录往具有疏松的染色质结构，从而便于转录因子与顺式作用元件的结合、因子与顺式作用元件的结合、RNA聚合酶聚合酶在转录模板上的滑动。在转录模板上的滑动。 大多数情况下，转录中染色质的大多数情况下，转录中染色质的DNA基本基本保持着同组蛋白的结合，只是随着转录的保持着同组蛋白的结合，只是随着转录的进行相应的核小体结构出现一系列的变化。进行相应的核小体结构出现一系列的变化。99（1 1）活性染色质的结构特点）活性染色质的结构特点活性染色质具有活性染色质具有DNase I超敏感位点超敏感位点（D

50、Nasehypersensitive site） 活化染色质对活化染色质对DNase 的优先敏感性是的优先敏感性是可转录染色质的一个基本特征。可转录染色质的一个基本特征。100 DNase I超敏感位点是染色质上无核小体的超敏感位点是染色质上无核小体的DNA区段，通常位于区段，通常位于5-启动子区，长度几启动子区，长度几百百bp。 超敏感位点与启动子功能有关，可能为超敏感位点与启动子功能有关，可能为RNARNA聚合酶、转录因子、蛋白调控因子提供聚合酶、转录因子、蛋白调控因子提供结合位点。结合位点。101活性染色质在生化上具有特殊性活性染色质在生化上具有特殊性活性染色质活性染色质很少有组蛋白很少

51、有组蛋白H1与其结合；与其结合；活性染色质的组蛋白活性染色质的组蛋白乙酰化程度高乙酰化程度高；活性染色质的核小体组蛋白活性染色质的核小体组蛋白H2B很少被磷酸化很少被磷酸化；活性染色质中核小体组蛋白活性染色质中核小体组蛋白H2A在许多物种很少有变异在许多物种很少有变异形式形式；组蛋白组蛋白H3的变种的变种H3.3只在活跃转录的染色质中出现；只在活跃转录的染色质中出现；HMG14和和HMG17只存在于活性染色质中。只存在于活性染色质中。102活性染色质在组蛋白修饰上的特异性活性染色质在组蛋白修饰上的特异性 组蛋白的修饰，包括甲基化、乙酰化和磷组蛋白的修饰，包括甲基化、乙酰化和磷酸化直接影响染色质

52、的活性。酸化直接影响染色质的活性。 乙酰化一般是活性染色质的标志，而甲基乙酰化一般是活性染色质的标志，而甲基化和磷酸化则在两类染色质中都存在。化和磷酸化则在两类染色质中都存在。103（2 2）染色质活化与基因激活）染色质活化与基因激活 疏松染色质结构的形成是基因活化的前提。疏松染色质结构的形成是基因活化的前提。104核小体相位的影响核小体相位的影响当调控蛋白与染色质当调控蛋白与染色质DNA的特定位点结的特定位点结合时，染色质易被引发二级结构的改变，合时，染色质易被引发二级结构的改变，进而进而影响影响其它的一些结合位点与调控蛋其它的一些结合位点与调控蛋白的结合。白的结合。拓扑异构酶可以调整拓扑异

53、构酶可以调整DNA双螺旋的局部双螺旋的局部构象和高级结构的变化，使其超螺旋化构象和高级结构的变化，使其超螺旋化或松弛。或松弛。105 核小体通常定位在核小体通常定位在DNA特殊位点而利于转录特殊位点而利于转录u基因的关键调控元件（增强子和启动子）位于核基因的关键调控元件（增强子和启动子）位于核小体颗粒之外，便于和转录因子的结合。小体颗粒之外，便于和转录因子的结合。u基因调控元件位于盘绕核心组蛋白的基因调控元件位于盘绕核心组蛋白的DNA上，通上，通过转录因子将增强子和启动子联系起来。过转录因子将增强子和启动子联系起来。106107组蛋白的修饰组蛋白的修饰意义意义：v组蛋白的修饰可以改变染色质的结

54、构，组蛋白的修饰可以改变染色质的结构，影响转录活性。影响转录活性。v组蛋白修饰使核小体的表面发生改变，组蛋白修饰使核小体的表面发生改变，使其他的调控蛋白易于和染色质相互使其他的调控蛋白易于和染色质相互接触，间接影响转录活性。接触，间接影响转录活性。108 染色质的乙酰基化状态是一动态过程，存在乙酰染色质的乙酰基化状态是一动态过程，存在乙酰基转移酶（如：转录辅激活子）和去乙酰化酶基转移酶（如：转录辅激活子）和去乙酰化酶（如：转录辅阻抑物），分别促进和抑制转录的（如：转录辅阻抑物），分别促进和抑制转录的进行。进行。 许多许多辅激活子（辅激活子（coactivatorcoactivator）具有组蛋

55、白乙酰转具有组蛋白乙酰转移酶功能，自身作为接头蛋白，在基因的上游位移酶功能，自身作为接头蛋白，在基因的上游位点将转录因子和基础转录装置连接起来。点将转录因子和基础转录装置连接起来。109辅激活子通过辅激活子通过乙酰化调节基乙酰化调节基因转录的模型因转录的模型糖皮质激素受体糖皮质激素受体110111转录抑制的模型转录抑制的模型112 HMG结构域蛋白的影响结构域蛋白的影响 v 可识别某些异型的可识别某些异型的DNA结构，与结构，与DNA弯折弯折和和DNA-蛋白质复合体高级结构的形成有关蛋白质复合体高级结构的形成有关 。（染色质变构因子染色质变构因子）113114Section 5 Section

56、 5 染色体染色体115116一一 染色体的主要结构染色体的主要结构l着丝粒（着丝粒（centromerecentromere）与着丝点（动粒，）与着丝点（动粒，kinetochorekinetochore）l次缢痕次缢痕(secondary constriction)(secondary constriction)l核仁组织区核仁组织区 (nucleolar organizing (nucleolar organizing region,NOR)region,NOR)l随体随体(satellite)(satellite)l端粒端粒(telomere) (telomere) 117着丝粒与着丝

57、点着丝粒与着丝点( (动粒动粒) )着丝粒区也叫主缢痕，是一个着丝粒区也叫主缢痕，是一个高度有序的整合结构高度有序的整合结构，在结构和组成上非均一，至少包括三个结构域。它在结构和组成上非均一，至少包括三个结构域。它们的整合功能，们的整合功能，确保分裂中染色体和纺锤体整合，确保分裂中染色体和纺锤体整合，发生有序的染色体分离。发生有序的染色体分离。118（）（）动粒结构域动粒结构域(kinetochore domain) (kinetochore domain) 在着丝粒的外表面在着丝粒的外表面 内板内板(inner plate)(inner plate) 中间间隙中间间隙(middle spac

58、e)(middle space) 外板外板(outer plate)(outer plate) 纤维冠纤维冠(fibrouscorona)(fibrouscorona)： 微管蛋白构成微管蛋白构成119120（）中央结构域（）中央结构域(central domain)(central domain)着丝粒区的主体，由串联重复的着丝粒区的主体，由串联重复的卫星卫星DNADNA组成。组成。如：有如：有CENP-BCENP-B盒可与动粒蛋白结合盒可与动粒蛋白结合121（）（）配对结构域配对结构域(pairing domain)：代表中期姐妹染色单体相互作用的代表中期姐妹染色单体相互作用的位点位点 如

59、：内部着丝粒蛋白如：内部着丝粒蛋白INCENP(inner centromere protein)和染色单体连接蛋和染色单体连接蛋白白clips(chromatid linking proteins) 和和染色体配对有关。染色体配对有关。122123染色体的复制和稳定遗传，至少应具备以下关染色体的复制和稳定遗传，至少应具备以下关键序列（键序列（功能元件功能元件）: :（）确保自我复制的（）确保自我复制的DNADNA复制起点复制起点（）使复制后的染色体能够平均分配到子细胞（）使复制后的染色体能够平均分配到子细胞中去的中去的着丝粒着丝粒（）保持染色体独立性和稳定性的（）保持染色体独立性和稳定性的端粒端粒二二 染色体染色体DNADNA的的3 3种功能元件种功能元件124125（）（）自主复制自主复制DNADNA序列序列(autonomously replicating DNA sequence, (autonomously replicating DNA sequence, ARS)ARS)： 具有一段具有一段11-14bp11-14bp的同源性很高的的同源性很高的富含富含AT