微生物学简介

1、第二章 染色体与DNAn 染色体n DNA的结构n DNA的复制n DNA的修复n DNA的转座一、染色体（Chromosome) 内容提要：细胞周期染色体与染色质染色体的结构和组成（ 原核生物 、 真核生物）核小体原核生物和真核生物基因组结构特点比较 （一）细胞周期（二）染色体与染色质染色体（染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂时遗传物质是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。果。真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质以染色质(ch

2、romatin)的形式存在的。的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位本的单位核小体核小体(nucleosome)成串排列而成的。成串排列而成的。（三）染色体的结构和组成原核生物(prokaryote) 组蛋白： H1 H2A H2B H3 H4非组蛋白核小体DNA蛋白质染色体真核生物染色体的组成组蛋白的一般特性： 进化上的保守性保守程度：H1 H2A、H2B H3 、H41、组蛋白无组织特异性肽链氨基酸分布的不对称性H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%）组蛋白的可修饰性 在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷

3、酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。组蛋白的可修饰性1) DNA的变性和复性 变性（Denaturation) DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程称为变性。 增色效应(Hyperchromatic effect)在变性过程中，260nm紫外线吸收值先缓慢上升，当达到

4、某一温度时骤然上升，称为增色效应。2、DNA融解温度（Melting temperature Tm ) 变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度。 生理条件下为85-95影响因素：G+C含量，pH值，离子强度，尿素，甲跣胺等复性（Renaturation) 热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。减色效应（Hypochromatic effect) 随着DNA的复性， 260nm紫外线吸收值降低的现象。 2) C值反常现象（C-value paradox) C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。 真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能

5、DNA所隔开，这就是著名的“C值反常现象”。 C值矛盾（四）核小体( (nucleosomenucleosome) )1、定义：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。 2、核小体的结构核心颗粒、连接区DNA3、染色体的包装超螺旋结构6.8:140:11000:18000:1DNA double helixNucleosome (10 nm fiber)30 nm FiberLoops ILoops IIchromosome（五）原核生物和真核生物基因组结构特点比较 基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元(trnascriptional operon) 多

6、顺反子(polycistron)X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D EE.coli 色氨酸操纵子 9个顺反子 9个酶 ( 第六章 )1、原核生物基因组结构特点 有重叠基因（Sanger 发现）基因内基因 部分重叠基因 一个碱基重叠2、真核生物基因组结构特点真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜单顺反子基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、内含子(intron)、 外显子(exon)非编码区较多 多于编码序列(9:1) 含有大量重复序列 不重复序列/单一序列：在基因组中有一个或几个拷贝。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如：

7、蛋清蛋白、血红蛋白等 功能：主要是编码蛋白质。 中度重复序列：在基因组中的拷贝数为101104。 如：rRNA、tRNA 一般是不编码蛋白质的序列，在调控基因表达中起重要作用 高度重复序列：拷贝数达到几百个到几百万个。 卫星DNA：A T含量很高的简单高度重复序列。二、DNA的结构1 1） 概念概念 指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序， DNA序列是这一概念的简称。碱基序列1、 DNA的一级结构2）特征：双链反向平行配对而成脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在内侧内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A：T，C：G）。3）DNA结构的表示法2 2、DNA DNA 的二级结构的二级结构1）

8、定义：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。 绕DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。大沟，小沟都、是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。 2）分类：右手螺旋：A-DNA，B-DNA左手螺旋：Z-DNAABZABZ3、DNA的高级结构1）定义：指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。2）主要形式：超螺旋结构（正超螺旋和负超螺旋）线状DNA形成的超螺旋环状DNA形成的超螺旋拓扑异构酶or溴化乙锭拓扑异构酶or溴化乙锭DNA扭曲与双螺旋相同（拧紧）DNA扭曲与双螺旋相反（松开）负超螺旋松弛DNA正超螺旋三、DN

9、A的复制DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制内容提要： DNA的半保留复制与DNA复制有关的物质 DNA的复制过程（大肠杆菌为例） DNA复制的其它方式真核生物中DNA的复制特点1、定义：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。（一）DNA的半保留复制（semi-conservative replication）Semi-conservative Conservative Dispersive2、实验证据（1958 Meselson 和Stahl ）： Matthew Messelson Fran

10、klin Stahl“Heavy” DNA“Hybrid” DNA“light” DNA “Hybrid” DNA3、DNA半保留复制的生物学意义： DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。 （二）与DNA复制有关的物质1、原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、 dCTP、dTTP)2、模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA3、引物：DNA的合成需要一段RNA链作为引物4、引物合成酶（引发酶）：此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物（Primer)。实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。 5、 DNA聚合酶:以D

11、NA为模板的DNA合成酶以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物反应需要有模板的指导反应需要有3-OH存在DNA链的合成方向为5 3 性质 聚合酶聚合酶 聚合酶3 5 外切活性+ + + +5 3 外切活性+-5 3 聚合活性+ 中+ 很低+ 很高新生链合成-+主要是对主要是对DNADNA损伤的修损伤的修复；以及复；以及在在DNADNA复制时复制时切除切除RNARNA引物并填补其引物并填补其留下的空隙。留下的空隙。修复紫外修复紫外光引起的光引起的DNADNA损伤损伤DNA DNA 复制的主要复制的主要聚合酶，还具有聚合酶，还具有3-5 3-5 外切酶的外切酶的校对功能，提高校对功能，提高DNADNA复制的

12、保真性复制的保真性原核生物中的DNA聚合酶(大肠杆菌） 定位 细胞核 细胞核 线粒体 细胞核 细胞核3-5外切 - - + + +酶活性功能引物引物 合成合成修复修复作用作用线粒体线粒体DNADNA的复制的复制核核DNADNA的复制的复制？真核生物中的DNA聚合酶 6、DNA连接酶（1967年发现）：若双链DNA中一条链有切口，一端是3-OH，另一端是5-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。 但是它不能将两条游离的DNA单链连接起来 DNADNA连接酶连接酶在在DNADNA复制、损伤修复、重组等过程复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用中起重要作用3535OHOHP P7、

13、DNA 拓扑异构酶(DNA Topisomerase)： 拓扑异构酶：使DNA一条链发生断裂和再连接，作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区，同转录有关。例：大肠杆菌中的蛋白 拓扑异构酶：该酶能暂时性地切断和重新连接双链DNA，作用是将负超螺旋引入DNA分子。同复制有关。 例：大肠杆菌中的DNA旋转酶8、DNA 解螺旋酶 /解链酶（DNA helicase) 通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。 E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I、II、III。reprep蛋白沿蛋白沿3 3 55移动，而解螺旋酶移动，而解螺旋酶I I、IIII、IIIIII沿沿5 5 33移动。移动

14、。9、单链结合蛋白单链结合蛋白(SSBP-single-strand binding protein)：稳定已被解开的稳定已被解开的DNA单链，阻止复单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。性和保护单链不被核酸酶降解。（三）DNA的复制过程（大肠杆菌为例）n 双链的解开双链的解开n RNARNA引物的合成引物的合成n DNADNA链的延伸链的延伸n 切除切除RNARNA引物，填补缺口，连接相邻的引物，填补缺口，连接相邻的DNADNA片段片段1 1、双链的解开双链的解开 DNA的复制有特定的起始位点，叫做复制原点。 ori(或o）、富含A、T的区段。基本概念： 从复制原点到终点，组成一个复制单位

15、，叫从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子复制子复制时，解链酶等先将DNA的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉复制叉复制叉复制叉复制叉复制方向和速度： 单单起点、起点、双双向等速向等速多多起点、起点、双双向等速向等速双链解开、复制起始大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性,形成开链解链酶六体分别与单链DNA相结合(需DnaC帮助),进一步解开DNA双链2 2、RNARNA引物的合成引物的合成DnaB蛋白活化引物合成酶，引发RNA引物的合成

16、。引物长度约为几个至10个核苷酸，DNA的半不连续复制（semi-discontinuous replication) DNA复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的，故称半不连续复制。在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为前导链；合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链为滞后链。3 3、DNADNA链的延伸链的延伸 在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成53 的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。4 4、切除、切除RNARNA引物，填补缺口，连接相邻的引物，填补缺口，连接相

17、邻的DNADNA片段片段 （复制终止）（复制终止）在DNA聚合酶催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链双链环状、型复制、双向等速（四）DNA复制的其它方式滚环型：单向复制的特殊方式如：174的双链环状DNA复制型（RF）（1）模板链和新合成的链分开;（2）不需RNA引物，在正链3OH上延伸（3）只有一个复制叉; D环复制单向复制的特殊方式如：动物线粒体DNA（五）真核生物中DNA的复制特点1、真核生物每条染色体上有多个复制起点，多复制子2、真核生物染色体在全部复制完之前,各个起始点不再重新开始DNA复制；而在快速生长的原

18、核生物中，复制起点可以连续开始新的复制(多复制叉)。真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。3、真核生物有多种DNA聚合酶。四、DNA的修复DNA修复系统功能错配修复恢复错配碱基切除修复切除突变的碱基核甘酸切除修复修复被破坏的DNADNA直接修复修复嘧啶二体或甲基化DNA1、错配修复Dam甲基化酶使母链位于5GATC序列中腺甘酸甲基化甲基化紧随在DNA复制之后进行根据复制叉上DNA甲基化程度，切除尚未甲基化的子链上的错配碱基 根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图发现错配碱基在水解ATP的作用下，MutS， MutL与碱基错配点的DNA双链结合MutS-MutL在DNA双链上移动，发现甲基

19、化DNA后由MutH切开非甲基化的子链 甲基化指导的错配修复示意图错配碱基位于切口3下游端，错配碱基位于切口5上游端，2、碱基切除修复一些碱基在自发或悠变下会发生脱酰胺，然后改变配对性质，造成氨基转换突变n腺嘌呤变为次黄嘌呤与胞嘧啶配对n鸟嘌呤变为黄嘌呤与胞嘧啶配对n胞嘧啶变为尿嘧啶与腺嘌呤配对胞嘧啶去氨基生成尿嘧啶如果复制发生就会产生一个突变.糖甘水解酶识别改变了的碱基，把碱基从N-糖苷键处切下来，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。由AP磷酸内切酶将受损核甘酸的糖甘-磷酸键切开。DNA连接酶连接利用DNA聚合酶I切除损伤部位，补上核苷酸3、核苷酸切除修复1）通过特异的核酸内

20、切酶识别损伤部位2）由酶的复合物在损伤的两边切除几个核苷酸3） DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链4）DNA连接酶将切口补平识别损伤部位损伤的两边切除几个核苷酸DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链DNA连接酶将切口补平4 、DNA的直接修复在DNA光解酶的作用下将环丁烷胸腺嘧啶二体和6-4光化物还原成为单体甲基转移酶使O6-甲基鸟嘌呤脱甲基生成鸟嘌呤，防止G-T配对五、 DNA的转座（一）基本概念：DNA的转座：由可移位因子介导的遗传物质重排现象。转座子（transposon）：存在与染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。（二）转座子的类型和结构特征原核生物转座子的类型：1、插入

21、序列(insertional sequence,IS)2、复合转座子(composite transposon)3、TnA家族1、插入序列(IS)IS是最简单的转座子，不含有任何宿主基因，它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。 ：IS1 复合转座子是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列 2、复合转座子(composite transposon)(三）转座作用的机制复制性转座子非复制性转座子反转录病毒整合入宿主DNA中的分子机制，其本质是转座IS-两端有 IR，只编码转座酶类转座因子-结构同 IS，但不能独立存在，仅作为复合转座子的两端

22、组件复合转座子-两端由 IS 或类 IS 构成，可编码抗抗菌素物质原核TnA 转座子家族-两端为 IR，可编码转座酶、解离酶和抗性物质AC-Ds-植物（玉米）中的激活-解离因子转座子P 因子-果蝇中父本因子，在 MP中导致杂种不育反转录病毒、RNA DNA整合宿主靶 DNATyCopia病毒超家族LINSL1（1）有长末端重复序列（2）编码反转录酶或整合酶（3）可含内含子SINSB1/ Alu（1）无重复序列（2）不编码转座子产物（3）无内含子转座因子真核反转录转座子非病毒超家族假基因复习题1、证明DNA是遗传物质的两个关键性实验是：肺炎链球菌在老鼠体内的毒性和T2噬菌体感染大肠杆菌。这两个实验中主要的论点证据是：（ ） (a)从被感染的生物体内重新分离得到DNA，作为疾病的致病剂 (b)DNA突变导致毒性丧失 (c)生物体吸收的外源DNA（而并非蛋白质）改变了其遗传潜能 (d)DNA是不能