同济大学细胞生物学课件-基因、染色质与染色体

1、第四章 基因、染色质与染色体肺炎双球菌转化实验1944年Avery等利用肺炎双球菌转化实验证明DNA是遗传物质。基因(gene)： 是细胞内遗传物质最小的结构功能单位，是DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列。基因组(genenome)：细胞所含有的能代表全部遗传信息的一整套基因。染色质(chromatin)：细胞核内被碱性染料 着色的物质。含有DNA与蛋白质等成分结合形成的复合体。染色体(chromosome)：在细胞有丝分裂时染色质染色质组装成一条条能在光镜下看到的棒状或点状的染色体。第一节 原核细胞基因一、原核细胞基因的结构以大肠杆菌基因组为例DNA分子：拟核中的双股环状DNA，分子量

2、2.4109，长4106 bp ，约含30004000个基因。质粒：环状DNA，带有少量基因，如对抗菌素、重金属有抗性的基因。绝大部分是编码序列。结构基因（structural gene)：编码蛋白质或酶的基因称为Gene 是单拷贝，基因与基因不重叠。有操纵子结构。即编码功能相关的几种蛋白质的基因往往成簇排列，形成转录功能单元，一起转录，一起翻译。一、原核细胞基因的结构大肠杆菌乳糖代谢有关的三个结构基因Z: -半乳糖苷酶Y：-半乳糖苷透性酶A：-半乳糖苷乙酰化酶编码这三个酶的结构基因相邻排列。二、原核细胞基因的功能(一)原核细胞基因的转录转录（transcription）：以 DNA 为模板合

3、成RNA的过程，即遗传信息从DNA传递给mRNA的过程。编码链与反编码链编码链：在DNA双链中，一条链为53方向含有RNA序列的链。反编码链：另一条链为35方向具有模板作用按碱基互补配对原则指导RNA合成的链。 大肠杆菌的RNA聚合酶的组成： 因子全酶 核心酶（2 4个亚基）因子（起始因子）：识别原核细胞结构基因上游的启动子，负责RNA合成的起始。核心酶： 2 四个亚基，核心酶能够催化转录RNA，核心酶与因子相结合成为全酶 RNA聚合酶转录过程示意图RNA聚合酶与启动子结合转录的起始RNA链的延长转录的终止转录过程转录后的加工原核细胞mRNA一般不需要经过加工，转录之后即为有功能的mRNA。r

4、RNA的加工rRNA基因的初级转录产物经剪切形成3种rRNA（5S、16S、23 SrRNA）,某些碱基被甲基化。tRNA分子的加工切除3 端的附加序列在3末端加上CCA三个核苷酸酶促修饰成稀有碱基，如假尿嘧啶(二)原核细胞基因表达的调控基因表达：遗传信息通过转录和翻译合成 特定蛋白质的过程大多数基因表达的调控是在转录水平上进行的关于原核细胞基因表达调控的学说，即操纵子学说。法国巴斯德研究所著名分子生物学家Jacob和Monod对大肠杆菌中-半乳糖苷酶合成的调节进行了研究， 1961年首先提出了操纵子和操纵基因的概念及乳糖操纵子模型。因而获诺贝尔医学或生理学奖。 操纵子学说O：操纵基因； P：

5、启动子； Z、Y、A：结构基因；R：调节基因 乳糖操纵子操纵基因（operator gene）：位于结构基因的上游的一段核苷酸序列，有控制结构基因转录的作用。启动子（promoter）:位于操纵基因上游的一段特殊的核苷酸序列，是RNA聚合酶的识别和结合部位。调节基因（regulator gene）：编码某种调节蛋白（阻遏蛋白），调节操纵子的活动。负调节：阻遏蛋白与操纵基因结合后对于结构基因的转录起阻止作用，这种调节方式称为负调节。正调节：代谢物激活蛋白（catabolite activator protein, CAP）与启动子结合后可以增强结构基因的转录活动，这种调节方式称为正调节、表达调控

6、的机制第二节 染色质一、染色质的化学组成 染色质的主要化学成分是DNA和组蛋白、此外还有非组蛋白和少量的RNA。化学组成： DNA ：组蛋白 ：非组蛋白 ：RNA 1 ： 1 ：0.5 1.5 ：0.1(一) DNA是蕴藏遗传信息的生物大分子。同种生物的各类细胞中 DNA的含量是恒定的,而且DNA的含量和染色体的数量相关。 真核细胞基因组的特点真核细胞基因组庞大，存在着许多重复序列。基因多为断裂基因。断裂基因（split gene）：大部分基因含有非编码序列，即基因中的编码序列是不连续的。存在多基因家族。DNA重复序列(repetitive sequence)单一序列中度重复顺序高度重复顺序：

7、 真核细胞基因组的特点多基因家族 概念： 一组功能类似、其核苷酸序列具有同源性的基因。经过重复和变异所产生的一组基因。分类： 1. 基因家族成簇地分布在某一条染色体上 2一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上真核细胞基因组的特点假基因：在多基因家族中，有些成员不编码或编码的产物没有功能，如珠蛋白基因家族中的。断裂基因真核细胞的大部分基因中含有非编码序列，即基因中的编码序列是不连续的，称为断裂基因( split gene)。真核细胞基因组的特点 真核细胞基因的种类：结构基因45srRNA基因5srRNA基因tRNA基因等1外显子和内含子：外显子(exon)：是指基因内部具有编码意义的碱基序

8、列。内含子(intron)：无编码意义的碱基序列 外显子与内含子的序列相间排列。 GTAG法则：内含子的5端多以 GT开始，3端多以 AG结束，称 GTAG法则。 -珠蛋白基因结构图解真核基因的共同结构2启动子(promoter)：能被RNA聚合酶所识别并结合的特异性DNA序列，决定真核细胞基因转录起始。包括TATA框和CAAT框等。 启动子 3增强子(enhancer)：增强子是基因中的一个调节序列存在部位：位于转录起始点上游或下游，也可位于内含子。功能：能增强相关基因的转录活性4终止子：结构基因末端具有回文结构有一段碱基序列，作用：具有终止转录的作用 第二节 染色质一、染色质的化学组成 染

9、色质的主要化学成分是DNA和组蛋白、此外还有非组蛋白和少量的RNA。化学组成： DNA ：组蛋白 ：非组蛋白 ：RNA 1 ： 1 ：0.5 1.5 ：0.1(一) DNA是蕴藏遗传信息的生物大分子。同种生物的各类细胞中 DNA的含量是恒定的,而且DNA的含量和染色体的数量相关。 真核细胞基因组的特点真核细胞基因组庞大，存在着许多重复序列。基因多为断裂基因。断裂基因（split gene）：大部分基因含有非编码序列，即基因中的编码序列是不连续的。存在多基因家族。DNA重复序列(repetitive sequence)单一序列中度重复顺序高度重复顺序： 真核细胞基因组的特点多基因家族 概念： 一

10、组功能类似、其核苷酸序列具有同源性的基因。经过重复和变异所产生的一组基因。分类： 1. 基因家族成簇地分布在某一条染色体上 2一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上真核细胞基因组的特点假基因：在多基因家族中，有些成员不编码或编码的产物没有功能，如珠蛋白基因家族中的。断裂基因真核细胞的大部分基因中含有非编码序列，即基因中的编码序列是不连续的，称为断裂基因( split gene)。真核细胞基因组的特点 真核细胞基因的种类：结构基因45srRNA基因5srRNA基因tRNA基因等1外显子和内含子：外显子(exon)：是指基因内部具有编码意义的碱基序列。内含子(intron)：无编码意义的碱基

11、序列 外显子与内含子的序列相间排列。 GTAG法则：内含子的5端多以 GT开始，3端多以 AG结束，称 GTAG法则。 -珠蛋白基因结构图解真核基因的共同结构2启动子(promoter)：能被RNA聚合酶所识别并结合的特异性DNA序列，决定真核细胞基因转录起始。包括TATA框和CAAT框等。 启动子 3增强子(enhancer)：增强子是基因中的一个调节序列存在部位：位于转录起始点上游或下游，也可位于内含子。功能：能增强相关基因的转录活性4终止子：结构基因末端具有回文结构有一段碱基序列，作用：具有终止转录的作用 二组蛋白（histone）真核细胞染色质的主要结构蛋白质, 富含精氨酸、赖氨酸等碱

12、性氨基酸，属碱性蛋白质,带正电荷。1、组蛋白质的种类，保守性： 种类：五种组蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4）。 保守性 ：H1 种族保守性较低，其余4种在进化上高度保守。2、 结构特点： 除H1以外的4种组蛋白的氨基端含较多的碱性氨基酸，可与酸性DNA紧密结合，羧基端则含较多的疏水性氨基酸，使组蛋白可发生聚合作用。3、组蛋白的功能：与DNA结合形成染色体基本结构亚单位-核小体组蛋白与DNA紧密结合可抑制DNA复制与转录RNA；但组蛋白磷酸化或乙酰化则能改变组蛋白的电荷性质，使组蛋白和DNA结合力减弱，解除抑制作用。甲基化则可增强组蛋白与DNA的相互作用，增强抑制作用。三非组蛋白(non

13、-histone)是指能与染色体上特异DNA序列相结合的蛋白质。1、理化特性：，多肽链中一般含有较多带负电荷的天门冬氨酸、谷氨酸，故属于酸性蛋白。2、非组蛋白数量少种类极多。3、具有种属和组织的特异性。4、保守性较低，含量不稳定。5、功能： 在染色体构建过程中发挥骨架作用 结合特异DNA序列，启动复制和转录 作为转录活动的调控因子，控制基因转录，调节基因的选择性表达。 能特异地解除组蛋白对DNA的抑制作用，促进DNA的复制和基因的转录四、染色质中的RNA含量很低，随生理状态而变化。功能不明确。 二、染色质的超微结构(一)核小体（nucleosome) 染色质的基本单位核小体。由DNA和组蛋白组

14、成的结构。 核小体的基本结构核小体的结构：核小体核心：(H2A、H2B、H3、H4)2 组成八聚体，八聚体连接的顺序是：H2A-H2B-H4-H3-H3-H4-H2B-H2A核小体DNA：146bp的DNA缠绕在八聚体的外面1.75圈。H1锁住核小体DNA的进出口处， DNA双螺旋共缠绕2圈165bp。 加上H1称为染色质小体(chromotosome)。每个核小体其直径为1Onm，高6nm的扁圆柱体。2）连接DNA(1inker DNA)： 35bp左右DNA将核小体串联成直径10nm的串珠链，是染色质（体）的一级结构。（二）螺线管(solenoid)10nm的串珠链细线螺旋化形成30nm的

15、中空管称螺线管，每圈由6个核小体组成，H1位于中空的螺线管的内部，对螺线管的稳定起着重要的作用。螺线管是染色体的二级结构。 (三)染色体多级螺旋模型超螺线管（supersolenoid):是由30nm螺线管经螺旋化形成直径为0.20.4m的圆筒状结构，即染色质(染色体)的三级结构。染色单体:超螺线管进一步螺旋折叠形成染色单体，即染色质(染色体)的四级结构。染色体多级螺旋模型：由螺线管经超螺线管形成染色单体，称为染色体多级螺旋模型。压缩比例：倍倍 40倍 倍核小体螺线管 超螺线管染色单体Total：8400倍 1977年Laemmli用NaCl溶液或硫酸葡聚糖加肝素处理Hela细胞中期染色体，去

16、除组蛋白等成分后，在电镜下可看到由非组蛋白构成的染色体骨架，在这个基础上提出了“袢环”模型(四)染色体袢环结构模型HeLa细胞去除组蛋白染色体的电镜照片非组蛋白支架为2条染色单体的支架结构，DNA由支架区域发出人12号染色体的整装电镜图显示由30nm的纤维组成的两条染色单体及其在着丝粒处结合 “袢环”模型(loop model)：该模型认为染色单体的非组蛋白支架在着丝粒区域相连接。直径为30nm的螺线管一端与支架的某一点结合，另一端向周围呈环状迂回后再回到结合点处。这样的环状螺旋管称为“袢环”。每18个袢环在同一平面散开成一个单位，叫微带。微带在染色单体上沿纵轴排列。 三、常染色质和异染色质间

17、期核中染色质主要根据其形态结构、染色性能和功能状态分为常染色质和异染色质。三、 常染色质和异染色质 根据间期核中染色质的形状、结构和功能状态的不同分为： 常染色质(euchromatin) 异染色质(heterochromatin)1）形态结构、存在状态： 直径约10nm、较疏松的细纤维结构。 对于碱性染料着色浅，弱嗜碱性，位于核中央浅亮区。2）功能状态： 多为单一序列，为基因所在部位，具有转录活性，控制着间期细胞的活动。（一）常染色质(euchromatin)（二）异染色质(heterochromatin)1）形态结构、存在状态： 直径为2030nm高度缠绕的纤维丝。 对于碱性染料着色深，强

18、嗜碱性，常紧贴于核纤层内面，或围绕在核仁周围。2）功能状态分类：一）结构异染色质(constitutive heterochromatin) ： 异染色质的主要类型。（1）所有细胞中呈浓缩状态，没有转录活性。（2）由高度重复的DNA序列构成，称卫星DNA(satellite DNA) 。（3）多定位于中期染色体着丝粒、端粒、次缢痕，参与高级结构的形成。（4）参与细胞分裂、控制结构蛋白质的基因表达。（5）其DNA多在 S期的晚期复制。二）兼性异染色质(facultative heterochromatin) 有些染色质仅在某些类型的细胞或一定的发育阶段的细胞中呈异染色质状态。在某些条件下可以向常

19、染色质转变，恢复转录活性，故称为兼性异染色质。 X染色质：间期细胞一条呈异固缩状态X染色体，也称巴氏小体(Barr body)（三）常染色质与异染色质在细胞中的分布及相互转换 1）分布相与细胞分化程度相关 分化程度愈高，致密异染色质为主； 增殖活跃的细胞，疏松的常染色质为主。2）常染色质与兼性异染色质可以相互转换第三节 染色质与染色体的功能一、遗传信息的贮存、复制及传递经DNA复制产生的两个完全相同的两个DNA分子，通过有丝分裂，以染色体的形式平均分配到2个子细胞中，把亲代的遗传信息传递给子细胞。 二、RNA的转录与加工不均一核RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnR

20、NA） ：结构基因转录的初级产物分子量大小各不相同的各种前体RNA，存在于细胞核内。剪接：将 DNA基因中非编码顺序(如内含子)转录的部分剪掉，然后将 DNA基因中编码顺序(外显子)拼接起来。戴帽：对mRNA的5端进行化学修饰。即在 mRNA的5端第一个核苷酸前方接上一个7甲基鸟嘌呤三磷酸（m7G）的结构。作用：提供核糖体所识别的标志；封闭 mRNA5端的作用、防止被磷酸酶水解，对mRNA起保护作用 加尾： 由多聚腺苷酸聚合酶催化，在mRNA3端加上50250个腺苷酸残基，形成多聚腺苷酸(称poly A)的尾巴 。加尾可防止被磷酸酶水解，能延长mRNA的寿命。 结构基因的转录加工过程：结构基因

21、转录后形成前体RNA对HnRNA进行剪切拼接，形成mRNA对 mRNA的5端化学修饰“戴帽”对 mRNA 3端化学修饰“加尾”成熟mRNA第四节 细胞核骨架(nuclear skeleton)核骨架: 细胞核中除去核被膜、染色质、核仁以外，由纤维状和颗粒状蛋白质等构成的网架体系，又称核基质(nuclear matrix)。广义上的核骨架还包括核纤层。一、核骨架形态结构与化学组成（一）核骨架化学组成蛋白质:90以上RNA和DNA:少量用RNase消化核骨架,可见其三维结构发生很大改变,由此可见RNA对保持核骨架三维结构的完整性起着重要作用(二)核骨架的形态结构间期核中核基质是由粗细不均的纤维蛋白

22、和颗粒状结构相互联系构成复杂而有序的三维网络结构，充满整个核空间。核基质、核纤层与细胞质中的中间纤维在结构上相互联系，形成一个贯穿于细胞核与细胞质之间的复合网络系统。核骨架的形态结构二、核骨架的功能对DNA的空间构型起支撑和维系作用，参与DNA超螺旋化的构筑；为DNA复制提供场所，使复制有效、迅速地进行；RNA转录的场所，只有结合上核骨架基因才能转录；转录形成的RNA(如hn RNA)在核骨架上加工修饰与细胞分裂过程中染色体构建、核形态的消失和重建等密切相关。一、中期染色体的形态结构染色体各部的成分和结构： 染色单体 着丝粒 动粒次缢痕随体端粒第五节 染色体与人类核型有丝分裂中期，染色体的形态

23、特征最为典型，不同物种的染色体数目、形态都是特征性的。 中期染色体由两条染色单体所组成，两者在着丝粒的部位相互结合。 1.染色单体（chromatid） 2.着丝粒 (centromere)每个染色体的有一凹缩的部位称为主缢痕。主缢痕的染色质部位称着丝粒，主缢痕将每条染色单体分成两部分，长的称长臂(q)，短的称短臂(p)。3.动粒(kinetochore) 主缢痕两侧各有一蛋白质构成的三层的盘状或球状结构，与染色体移动有关，称之为动粒。 4次缢痕 (sencondary constriction) 某些染色体上可存在另一种缢缩的部位，称为次缢痕。多数染色体的次缢痕部位是核仁组织者区。 5随体

24、(satellite) 随体是指染色体末端部分的圆形或圆柱形的结构，通过次缢痕与染色体的臂相连。6端粒 (telomere) 染色体端部的特化部分，防止染色体之间互相粘在一起，维持染色体的稳定。由高度重复的短序列核苷酸组成。端粒核苷酸复制要靠端粒酶来完成。正常体细胞缺乏端粒酶，端粒DNA每复制一次就减少50100bp，故随细胞分裂而变短，与细胞衰老呈正相关。 染色体的三个必备元件复制起始点着丝粒端粒中央着丝粒染色体(metacentric chromosome)亚中着丝粒染色体(submetacentric chromosome)近端着丝粒染色体(acrocentric chromosome)

25、端着丝粒染色体(telocentric chromosome)染色体分为四种类型：二、正常人类核型核型：一个体细胞（somatic cell）的全套染色体，按一定顺序排列起来，就叫核型（karyotype） 人类体细胞的正常核型包括46条染色体，可配成23对，其中22对是常染色体，1对是性染色体。每23条染色体构成一个染色体组，所以人类体细胞中有2个染色体组，称为二倍体（2n）。二、正常人类核型正常人核型分组及其特征： 按染色体的大小和着丝粒的位置，可分为7组(AG组)。X染色体属于C组Y染色体属于G组染色体显带技术通过特殊处理再用染色，可使染色体的长、短臂上显出清晰的横纹。经过显带染色，每条

26、染色体所含带的大小、染色的深浅、数量、排列顺序构成这条染色体的带型。带型染色体界标、区带命名及表示方法界标：选择每条染色体的显著形态特征（包括着丝粒、某些带、臂的顶端）作为界标。 区：位于相邻界标之间的染色体区域表示方法：染色体号、P或q、区、带、亚带如：1p22 13q14、19q34带的命名第六节 基因和染色体与人类疾病一、单基因病1、家族性高胆固醇血症 (familial hypercholesterolemia，FH)患者临床征状：患者LDLR缺陷使其血清中胆固醇 含量升高，手、肘、膝、踝可有黄瘤，易发生冠心病。发病机制：由于LDLR基因突变所致。基因定位：19p132、苯丙酮尿症(phenylketonuriaPKU) 为一种遗传性代谢病，我国发生率为1/16500 。患者临床征状：毛发淡黄、皮肤白皙、虹膜黄色、尿有鼠味或霉臭味。并出现智力发育障碍。