医学遗传的物质基础

1、 遗传的物质基础染色体与DNA 一、基因（组）与遗传二、遗传物质染色体与DNA的区别与联系三、DNA的组成与结构四、原核与真核染色体DNA比较基因（gene）一、基因（组）与遗传：基因的分子生物学概念基因的遗传学概念从遗传学史的角度看，基因概念大致分以下几个阶段泛基因（或者称前基因）阶段孟德尔的遗传因子阶段摩尔根的基因阶段顺反子阶段操纵子阶段现代基因阶段现代基因阶段 重新认识基因的阶段基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位对于编码蛋白质的结构基因来说，基因是决定一条多肽链的DNA片段根据其是否具有转录和翻译功能可以把基因分为三类第一类是编码蛋白质的基因，它

2、具有转录和翻译功能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节基因第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因第三类是不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因基因组（genome）基因组： 细胞内遗传信息的携带者DNA的总体基因组中不同的区域具有不同的功能： 有些区域编码蛋白质的结构基因 有些区域复制及转录的调控信号 有些区域的功能尚不清楚基因组的结构不同的功能区域（DNA fragment）在整个DNA分子中的分布情况基因组结构基因组结构不同生物体中DNA的大小2 .1 染色体（Chromosome) 染色体 染色质 DNA 1

3、RNA 0.1 蛋白质 组蛋白 1 H1 H2A H2B H3 H4 非组蛋白 0.6二、遗传物质染色体与DNA的区别与联系2.1.1 染色体的特点2.1.2 真核生物(eukaryote) 染色体的组成2.1.2.1 蛋白质-组蛋白和非组蛋白1）组蛋白的一般特性 进化上的保守性不同生物的组蛋白氨基酸组成十分相似。牛、猪、大鼠的H4氨基酸完全相同。牛和豌豆的H4序列只有2个氨基酸差异;鲤鱼和小牛胸腺的H3只差1个氨基酸。保守程度：H1 H2A、H2B H3 、H4 无组织特异性仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞不含H1而含H5，精细胞组蛋白为鱼精蛋白是例外。 肽链氨基酸分布的不对称性碱性氨基酸分布

4、在N端的半条链上，如N端的静电荷为16+，C 端仅3+；碱性半条链与DNA负电荷区结合，另半条链与其他蛋白结合。 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。 H5组蛋白的特殊性富含赖氨酸（24%），与H1无明显亲缘关系。2）非组蛋白的一般特性 多样性有30600种，常见1520种。分子质量1.5 X1041.8x105。包括：酶类、收缩大蛋白、骨架蛋白、核孔复合物蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。DNA结合蛋白为DNA复制和转录有关的酶；HMG蛋白系DNA超螺旋有关的蛋白；A2

5、4非组蛋白与组蛋白相似，功能不详 组织特异性同义个体不同的组织，基因表达的差异与非组蛋白的特异性有关。 种属特异性不同物种，组蛋白存在保守性。而非组蛋白存在很大的差异，反映物种的多样性。 DNA是染色体的核心部分。DNA和RNA统称核酸。核酸的理化特性包括：稳定性、酸效应、碱效应、化学变性、热变性、紫外线吸收性、减色性复性、黏性、浮力梯度等。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，当达到某一温度时骤然上升，称为增色效应

6、。 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8595OC影响因素：G+C含量，pH值，离子强度，尿素，甲酰胺等. DNA 复性（Renaturation)热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。复性出现减色效应（Hypochromatic effect)。复性的速率与DNA的浓度和序列的复杂性有关。 Cot1/2变性和复性是可逆的。以Co代表完全变性的DNA单链的起始浓度，在时间 t时的浓度变化是： dC/dt = kCo2 积分后 C/Co = 1/(1+kCot)k为复性的速度常数。以C/Co 对Cot作图，得Co

7、t曲线。当C/Co = 0.5， Cot值称为Cot1/2 。Cot1/2与k 的关系为 k = 1/ Cot1/2 多种 如果肺炎的诊断成立，评价病情的严重程度、肺部炎症的播散和全身炎症反应程度。除此之外患者如有下列危险因素会增加肺炎的严重程度和死亡危险： （一）病史 年龄65岁；存在基础疾病或相关因素，如慢性阻塞性肺疾病（COPD）、糖尿病、慢性心、肾功能不全、慢性肝病、一年内住过院、疑有误吸、神志异常、脾切除术后状态、长期嗜酒或营养不良。 （二）体佂 呼吸频率30次/分；脉搏120次/分；血压20X109/L；呼吸空气时动脉血氧分压（PaCO2）50mmHg; 血肌酐106umol/L或

8、血尿素氮7.1mmol/L；血红蛋白90g/L或血红细胞比容1500。 染色体末端的线性重复序列不能被DNA polymerase 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,称为端粒。 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。 Nucleosome : Subunit of chromatin composed of a short length of DNA wrapped

9、around a core of histone proteins. The human genome contains about 3 billion nucleotide pairs organized as 23 chromosomes pairs . If uncoiled, the DNA contained by each of those chromosomes would measure between 1.7 and 8.5 cm long. This is too long to fit into a cell. Moreover, if chromosomes were

10、composed of extended DNA, it is difficult to imagine how the DNA could be replicated and segregated into two daughter cells without breaking down. Chromatin: Chromosomal DNA is packaged into a compact structure with the help of specialized proteins called histones . The complex DNA plus histones in

11、eucaryotic cells is called chromatin . The fundamental packing unit is known as a nucleosome. Each nucleosome is about 11nm in diameter. The DNA double helix wraps around a central core of eight histone protein molecules (an octamer) to form a single nucleosome. A second histone (H1 in the illustrat

12、ion) fastens the DNA to the nucleosome core. The total mass of this complex is about 100,000 daltons. Nucleosomes are usually packed together, with the aid of a histone (H1,) to form a 30nm large fiber. As a 30nm fiber, the typical human chromosome would be about 0.1cm in length and would span the n

13、ucleus 100 times. This suggests higher orders of packaging, to give a chromosome the compact structure seen in a typical karyotype (metaphase) cell. 染色质(chromatin) 和核小体(nucleosome)串珠模型DNA+组蛋白核小体螺旋体（30nm fiber)超螺旋体(300nm loop)染色体(人类总DNA长度=180cm)140bp, 八聚体, 1.75,缩短7倍螺旋化,缩短6倍进一步螺旋化,缩短40倍盘绕.缩短4倍串珠模型非组蛋白

14、在稳定高级结构起作用，可能是骨架蛋白，30nm的基质三、 DNA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：

15、 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： 1、DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。2、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

16、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个不同的碱基组成，它们的可能排列方式就是4100 。 含氮碱基焦磷酸键形成四、原核与真核染色体DNA比较 原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因如rRNA基因是以多拷贝形式存在； 整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成； 几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。 真核细胞（Eukaryotic cells）果蝇带有25倍于E. Coli

17、 的DNA,人类带有600倍于E. Coli 的DNA. Eukaryotic DNA 中基因密度明显低于原核和病毒。如人DNA中平均每毫米只带有50个基因,而E. Coli中基因密度每毫米DNA带有2400个基因！一个人细胞中所带有的DNA约有2m/1.7mm细菌。成人带有1X1014个细胞，成人体内全部DNA的总长度（Contour Length） 2X1011 Km DNA物理图谱是指DNA链的限制性酶切片段的排列顺序,即酶切片段在DNA链上的定位。 限制性内切酶在DNA链上的切口是以特异序列为基础的, 核苷酸序列不同的DNA，经酶切后就会产生不同长度的DNA片段，由此而构成独特的酶切图

18、谱。因此，DNA物理图谱是DNA分子结构的特征之一。 DNA是很大的分子，由限制酶产生的用于测序反应的DNA片段只是其中的极小部分，这些片段在DNA链中所处的位置关系是应该首先解决的问题，故DNA物理图谱是顺序测定的基础,也可理解为指导DNA测序的蓝图。 曾经认为, DNA测序从物理图谱制作开始,它是测序工作的第一步。Vent 发明的测序方法使物理图谱的重要性有所改变。2. DNA物理图谱：EcoR1XhoISacIBglIIHindIIIPstISmaI2.2.4 DNA的高级结构指DNA本身的进一步盘绕成超螺旋的结构，形成特定的空间结构1. DNA的超螺旋负超螺旋 松弛DNA 正超螺旋 空

19、间结构改变 10bp/螺旋 空间结构改变拓扑异构酶or溴化乙锭拓扑异构酶or溴化乙锭轴心在中心DNA扭曲与双螺旋相同DNA扭曲与双螺旋相反DNA双螺旋额外多或少转几圈，空间机构改变，产生额外张力得不到释放，导致原子空间重排，造成扭曲超螺旋。 在电场的作用下，相同分子量的超螺旋环状DNA比线性DNA迁移率大，线性DNA迁移率大于开链DNA。琼脂糖电泳闭环DNA自然条件下，DNA常以闭环形式存在，即两条单链均为环状且相互连在缠绕的数目为双螺旋的螺旋数，称为连接数（Linking number，Lk）。超螺旋超螺旋是DNA轴线的再次螺旋，若以Lk表示松弛闭环DNA的连接数， Lk 的改变将导致超螺旋

20、。大部分天然DNA呈负的超螺旋，即DNA变形的方向与双螺旋解旋的方向相反。拓扑异构体具有特定连接数的环状dsDNA分子称为拓扑异构体（topoisomer），除非其中的一条链或两条链均遭到破坏，其连接数不会发生改变。拓扑异构体的差异是连接数的不同。缠绕和扭曲超螺旋在几何上分为缠绕（twist）和扭曲（writhe），前者指双螺旋是紧绕或松绕的，后者沿双螺旋轴本身的缠绕变化。根据等式:Lk =TwWr，缠绕和扭曲是可以相互转化的。超螺旋的水平可用连接数的变化Lk来衡量。某B-DNA 1350bp，每螺旋10bp，在松弛情况下L = T = 1350/10 = 135, W= 0，无超螺旋若DNA

21、 一端固定，另一端解螺旋5圈，在两端封闭：L = 1355 = 130由于分子内张力，出现两中可能情况： 在分子内保持一个单链区，T = 130，W = 0 DNA张力趋于保持B-DNA原状， T = 135，L = 130，W = 5 DNA分子超盘绕5次的负超螺旋。Lk =TwWr 的计算DNA Unwinding Causes Topological Problems(Transcription)UnwoundParentalDuplexOver-Woundregion20嵌入剂嵌入剂（intercalator），如澳化乙锭（ethidium bromide， EB），通过嵌入到配对碱基之间的方式与DNA结合，导致DNA双螺旋的局部解旋（untwisting）；如果是闭环DNA，则会使缠绕增加。超螺旋能负超螺旋的DNA具有很强的扭力，这一能量促使DNA双螺旋的解旋，并驱动需解旋的DNA的解旋过程。2.拓扑异构酶(topoisomerase)催化拓扑变构体（topois