分子生物学染色体dg

第二章原核生物和真核生物的染色体DNAmoleculesarethelargestmacromoleculesinthecellandarecommonlypackagedintostructurescalled“chromosomes”,mostbacteria&viruseshaveasinglechromosomewhereasEukaryoticcellsusuallycontainmany.（一）概述

任何一条染色体上都带有许多基因，例如：一条高等生物的染色体上可能带有成千上万个基因。如果设想将人体细胞中的DNA分子绕地球一周，那么，每个碱基大约只占1－5厘米，而一个2－3kb的基因只相当于地球上一条数十米长，数厘米宽的线段！（二）概念介绍染色质:是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位—核小体(nucleosome)成串排列而成的。染色体（chromosome）: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以染色质(chromatin)的形式存在的。（三）染色质和核小体

现象：染色质DNA的Tm值比自由DNA高；在染色质状态下，由DNA聚合酶和RNA聚合酶催化的DNA复制和转录活性大大低于在自由DNA中的反应；DNA酶I（DNaseI）对染色质DNA的消化远远慢于对纯DNA的作用。染色质的电子显微镜图显示出由核小体组成的念珠状结构，可以看到由一条细丝连接着的一连串直径为10nm的球状体。推论：染色质中DNA极可能与蛋白质分子相互作用。p.27AhighlyorganizedcomplexofDNAandprotein

（>50%）(nucleoproteincomplex),whichmakesuptheeukaryoticchromatin.ThenucleoproteincomplexwasnamedNucleosome（核小体）.结论3.1核小体(nucleosome)概念区分：Nucleosome、chromosome、

Genome定义：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链和组蛋白构成的。

核小体是由组蛋白核心和DNA组成的。组蛋白是与DNA相互作用的一类碱性蛋白质的总称，包括H1

、H2A、H2B、H3和H4五种。核小体的结构是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的——八聚体在中间，DNA分子盘绕1.75圈，而H1则在核小体的外面，每个核小体只有一个H1。3.2核小体和串珠模型概念区分：核小体与核小体核心颗粒

染色质结构模型----串珠模型核小体核心颗粒连接区核小体LinkerDNA10～100bp之间average55bp“Beadsonastring”structureNucleosomeHistoneH1NucleosomeDNA:CoreDNA+linkerDNA共约200bp

Solvingthepackingproblem:ThelengthofachromosomalDNAcanbeuptoseveralcentimeters(cm),butthethediameterofnucleusisabout1-10μm.(about104-fold)染色质染色体折叠，螺旋

在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成1/7，200bpDNA的长度约为68nm，却被压缩在10nm的核小体中。双链DNA螺线管结构超级螺线管结构染色单体结构染色质压缩形成染色体念珠状结构压缩倍数1/71/61/301/5共计：6000-8000倍螺线管结构的横切面

如:人中期染色体中含3.3×109碱基对，其理论长度应是180cm，这么长的DNA被包含在46个51μm长的圆柱体（染色体）中，其压缩比约为104

。3.3染色体中的蛋白质—组蛋白和非组蛋白

组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体。通常可以用2mol/LNaCl或0.25mol/L的HCl/H2SO4处理使组蛋白与DNA分开。p.22Fourfamiliesofcorehistone:H2A,H2B,H3andH4,andanadditionalhistoneH1SmallMolecularweight,10kDaforcorehistonesand23kDaforH1.这些组蛋白都含有大量的赖氨酸和精氨酸，其中H3、H4富含精氨酸，H1富含赖氨酸；H2A、H2B介于两者之间，能够与DNA紧密结合。3.3.1组蛋白(Histones)的结构3.3.2组蛋白的特点进化上的极端保守性无组织特异性肽链氨基酸分布的不对称性组蛋白H5的特殊性组蛋白的可修饰性组蛋白在进化上的极端保守性：例如：牛、猪、大鼠的H4氨基酸序列完全相同。保守程度：低——高

H1H2A、H2BH3、H4重要性？组蛋白无组织特异性：到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，鱼类精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。肽链上氨基酸分布的不对称性：碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。例如，N端的半条链上净电荷为+16，C端只有+3，大部分疏水基团都分布在C端。

组蛋白H5的特殊性：富含赖氨酸（24%）外还有Ala（16%），Ser（13%）及Arg（11%）3.3.3组蛋白的变体和修饰Short-termchangesinchromosomepackingmodulatedbychemicalmodificationofhistoneproteins建议阅读资料：表观遗传学

修饰作用在细胞周期特定时间可发生，包括甲基化、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。

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。组蛋白修饰的意义：

一、改变染色体的结构，直接影响转录活性；二、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。Forexample：Activelytranscribedchromatin:viaacetylation(乙酰化)oflysineresiduesintheN-terminalregionsofthecorehistones.Condensation（浓缩）ofchromosomesatmitosis:bythephosphorylation(磷酸化)ofhistoneH1.3.3.4H1的特性与作用：23kDa,Locatedoutsideofnucleosomecore,bindstoDNAmorelooselyLessconservedinitssequence.StabilizethepointatwhichDNAentersandleavesthenucleosomecore.C-tailofH1

：stabilizetheDNAbetweenthenucleosomecores.非组蛋白是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质。3.2非组蛋白的定义及特点非组蛋白具有多样性。非组蛋白的量大约是组蛋白的60%～70%，但它的种类却很多，约在20-100种之间，其中常见的有15-20种。非组蛋白不仅包括以DNA作为底物的酶,也包括作用于组蛋白的一些酶,如组蛋白甲基化酶、DNA聚合酶。此外还包括DNA结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白。3.2.1常见的非组蛋白举例：高速泳动蛋白（highmobilitygroupprotein，HMG蛋白）：HMG蛋白的C端含酸性氨基酸，可与核小体核心组蛋白的碱性区域相结合。既能够与DNA结合，也能够与H1作用，作用不牢固。主要功能有:可能与超螺旋结构有关。DNA结合蛋白：与DNA复制或转录有关的酶或调节物质A24非组蛋白

一种与H2A结构部分类似的非组蛋白，功能不详。小结非组蛋白核小体DNA蛋白质染色质组蛋白：H1H2AH2BH3H4（四）StructureandfunctionofgenomeGenomes（基因组）：一个细胞中的全部基因序列及其间隔序列统称为基因组。不同区域功能不同：编码蛋白质的结构基因、复制及转录的调控信号。4.1原核生物基因组结构简炼：非常小的一部分不转录，且不转录DNA序列通常是控制基因表达序列4.1.1原核染色体(Prokaryoticchromosome)的结构SupercoileddomainNon-supercoileddomainProtein-membranecoreorscaffoldDomain/LoopBasicproteinSupercoiledDNAMemberbindingproteins?DNAdomains/loops电子显微镜下可以看到；每个E.coli的染色体含有

50-100个域或环,每个环含50-100kb；环的末端与染色体中心的高密度区（scaffold）——骨架区相连。环结构是动态还是静态的呢?why?●基因组很小，大多只有一条染色体，通常是密闭环状的；●含有类核，即骨架区●DNA与膜相连●没有明显的细胞周期●存在多顺反子转录单元(polycistrontrnascriptionaloperon)●存在重叠基因4.1.2原核生物基因组结构特点●原核生物往往含有重叠基因（Sanger发现）基因内基因部分重叠基因一个碱基重叠TAATG真核生物基因组往往由多条染色体组成，p.234.2真核生物基因组

人类染色体核型Eukaryoticchromosome(真核染色体)不重复序列（单一序列DNA/单一序列

，UniquesequenceDNA）：

不重复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。它占DNA总量的40%－80%。单拷贝顺序中储存了巨大的遗传信息，编码各种不同功能的蛋白质。如：蛋清蛋白、血红蛋白、丝心蛋白等功能：主要是编码蛋白质。4.2.1染色体中的DNA分类

中度重复序列这类重复序列的重复次数在10－104之间，占总DNA的10%－40%。例如：rRNA、tRNA

及组蛋白等。RepetitiveDNA(重复序列DNA)非洲爪蟾的18S、5.8S及28SrRNA基因是连在一起的，中间隔着不转录的间隔区，这些单位在DNA链上串联重复约5000次。在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次不同比例的复制，产生2×106个拷贝，使rDNA占卵细胞DNA的75%，从而使该细胞能积累1012个核糖体。

高度重复序列高度重复序列在基因组中重复频率高，拷贝数达到几百个到几百万个。例如：卫星DNA——A·T含量很高的简单高度重复序列。在基因组中所占比例随种属而异，约占10-60％，在人基因组中约占20％。5’–ATAAACTATAAACTATAAACT–3’3’–TATTTGATATTTGATATTTGA–5’DrosophilasatelliteDNArepeat(severalmillioncopies)nACAAACT,1.1x107bp,25%genomeATAAACT,3.6x106bp,8%genomeACAAATT,3.6x106bp,8%genomeAATATAG,crypticSatellitescomprisemorethan40%ofthegenome小鼠基因组DNA组成：1.小鼠总DNA的10％是小于10bp的高度重复序列，重复数十万到上百万次/genome。2.总DNA的20％是重复数千次、长约数百bp的中等重复序列。3.总DNA的70％是不重复或低重复序列,绝大部分功能基因都位于这类序列中。可见，高等真核生物DNA的结构是极为复杂的。4.2.2真核基因组结构特点真核基因组结构庞大

3×109bp、染色质、核膜单顺反子基因不连续性断裂基因（interruptedgene）、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4.3原核生物与真核生物基因组比较

原核生物的基因组比较小，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。ViralDNAmoleculesarerelativelysmallHIV=9000ntRNAQβ=4200ntBactariaDNAis100timeslengththanviral.E.colidouble-strandedis4639221bp.

真核基因组基因组大，往往具有多条染色体，其中基因密度明显低于原核生物和病毒。如：果蝇带有25倍于E.Coli的DNA,人类带有600倍于E.Coli的DNA.

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！