分子生物学本2-染色体与DNA

2染色体与DNA2.1染色体

2.2.1染色体概述细胞内的DNA主要在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体染色体包括DNA和蛋白质两大部分在不同的细胞周期，有染色体与染色质之分区别：细胞增殖周期的有丝分裂中期，才出现染色体；其余时间为染色质原核生物一般也称“染色体”，但没有核小体一级结构;而且,原核细胞一般是单倍体染色体图2.1.2真核细胞染色体的组成作为遗传物质，染色体具有的特征：P23稳定能自我复制能指导蛋白质合成变异染色体化学成分主要成分DNA组蛋白非组蛋白RNA酶含量稳定，组成核小体含量随细胞周期状态不同而改变组蛋白：属于碱性蛋白，按精氨酸/赖氨酸的比例，分为五种H1H2AH2BH3H4核小体组蛋白，没有种属和组织专一性不组成核小体，进化中最少保守多精氨酸多赖氨酸稍多赖氨酸组蛋白具有如下特征：P24（1）保守性（2）无组织特异性（3）氨基酸分布的不对称性（4）修饰（磷酸化、乙酰化，甲基化）（5）H5（鸟、鱼、两栖类无H1有H5)非组蛋白：（1）HMG蛋白：可能与DNA的超螺旋结构有关。（2）DNA结合蛋白：是酸性蛋白，又称序列特异性DNA结合蛋白，其功能为：参与染色体的构建启动基因的复制调控基因的转录（3）A24非组蛋白DNA：真核细胞DNA序列大致可分为3类：不重复序列（单拷贝序列、低度重复序列）中度重复序列高度重复序列单拷贝顺序（低度重复顺序）单拷贝顺序在单倍体基因组中只出现一次或数次，因而复性速度很慢单拷贝顺序在基因组中占50-80％，如人基因组中，大约有60-65％的顺序属于这一类。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目前尚不清楚单拷贝基因的确切数字，在单拷贝顺序中只有一小部份用来编码各种蛋白质，其他部份的功能尚不清楚

中度重复顺序

中度重复序列：在基因组中重复数十至数万（<105）次的重复顺序中度重复序列复性速度快于单拷贝顺序，但慢于高度重复顺序少数在基因组中成串排列在一个区域，大多数与单拷贝基因间隔排列中度重复顺序中度重复顺序在基因组中所占比例在不同种属之间差异很大，一般约占10-40％，在人约为12％大多不编码蛋白质，其功能可能类似于高度重复顺序。但有些中度重复顺序则是编码蛋白质或rRNA的结构基因，如HLA基因，rRNA基因，tRNA基因，组蛋白基因，免疫球蛋白基因，等中度重复序列

middlerepeatedsequenceAlu家族

KpnⅠ家族

Hinf家族

rRNA基因

组蛋白基因

HLA基因免疫球蛋白基因中度重复顺序——Alu家族

是哺乳动物基因组中含量最丰富的一种中度重复顺序家族在单倍体人基因组中重复达30万-50万次，约占人基因组的3-6％Alu序列分散在整个人体或其他哺乳动物基因组中，在间隔区DNA，内含子中都发现有Alu序列，平均每5kbDNA就有一个Alu顺序中度重复顺序——Alu家族Alu家族每个成员的长度约300bp每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点（AG↓CT），Alu可将其切成长130和170bp的两段，因而定名为Alu序列（或Alu家族）中度重复顺序——Alu家族序列分析表明：人类Alu顺序是由两个约130bp的正向重复构成的二聚体，而在第二个单体中有一个31bp的插入序列，该插入序列在Alu家族的不同成员之间核苷酸顺序相似但不相同每个Alu顺序两侧为6-20bp的正向重复顺序（侧翼重复顺序），不同的Alu成员的侧翼重复顺序也各不相同中度重复顺序——Alu家族中度重复顺序——Alu家族Alu家族的功能是多方面的：可能参与hnRNA的加工与成熟与遗传重组及染色体不稳定性有关有形成Z-DNA的能力可能具有转录调节作用rRNA基因真核生物rRNA基因的重复次数多真核生物有四种rRNA（18S、28S、5S、5.8SrRNA）基因组中18S、28S和5.8SrRNA基因在同一转录单位，重复约5000次5SrRNA在低等真核生物（如：酵母）中也和18S、28SrRNA在同一转录单位；而在高等生物中，5SrRNA是单独转录的，而且其在基因组中的重复次数高于18S和28SrRNA基因真核生物rRNA基因结构

rRNA基因rRNA基因通常集中成簇存在，而不是分散于基因组中，这样的区域称为rDNA区染色体的核仁组织区（nucleolusorganizerregion）就是rDNA区rRNA基因人类的rRNA基因位于13,14,15,21和22号染色体的核仁组织区每个核仁组织区平均含有50个rRNA基因的重复单位5SrRNA基因似乎全部位于1号染色体（1q42-43）上每单倍体基因组约有1000个5SrRNA基因tRNA基因tRNA基因的准确重复次数比较难以估计在非洲爪蟾中约有300个拷贝由tRNAmet,tRNAphe,tRNAtrp及其它tRNA基因组成的3.18kb的串联重复单位在人体单倍基因组中约有1000-2000个tRNA基因，由50-60种tRNA基因编码，每种平均重复20-30次组蛋白基因组蛋白基因在各种生物体内重复的次数不一样，但都在中度重复的范围内通常每种组蛋白的基因在同一种生物中拷贝数是相同的不同生物中组蛋白基因在基因组中的排列不一样组蛋白基因没有一定的排列方式，而在拷贝数高等生物基因组中（>100拷贝），大部份组蛋白基因串联重复形成基因簇组蛋白基因尽管组蛋白基因在基因组中的排列和分布在不同生物之间相差甚大H2B-H2A-H4-H3-H1果蝇H1-H4-H2B-H3-H2A海胆但所有组蛋白基因都不含内含子，而且组蛋白基因序列都很相似，从而编码的组蛋白在结构上和功能上也极为相似

组蛋白基因基因组中存在大量重复序列用以编码组蛋白是有其重要意义的DNA复制时，组蛋白也要成倍增加，而且往往在DNA合成一小段后，组蛋白马上就要与其相结合，这要求在较短的时间内合成大量的组蛋白，因而需要有大量的组蛋白基因存在高度重复序列

highrepeatedsequence高度重复序列在基因组中重复频率高，可达百万（106）以上，因此复性速度很快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％。高度重复顺序又按其结构特点分为三种

高度重复序列

种类反向重复序列

卫星DNA

较复杂的重复单位组成的重复顺序

卫星DNA

satelliteDNA重复顺序：由2-10bp组成重复单位，重复单位成串排列而成由于这类序列的碱基组成不同于其他部份，可用等密度梯度离心法将其与主体DNA分开，因而称为卫星DNA（或随体DNA）在人细胞组中，卫星DNA约占5-6％，按其浮力密度不同，人的卫星DNA可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种

卫星DNA果蝇的卫星DNA顺序已经搞清楚，可分为三类，这三类卫星DNA都是由7bp组成的高度重复顺序：

卫星Ⅰ为：5’ACAACTT3’卫星Ⅱ为：5’ACAAATT3’蟹的卫星DNA为只有AT两个碱基的重复顺序组成

基因家族与假基因

真核基因组的另一特点就是存在基因家族（multigenefamily）多基因家族是指基因组中许多来源相同、结构相似、功能相关的一组基因

基因家族与假基因基因家族大致可分为两类：一类是：基因家族成簇地分布在某一条染色体上，其可同时发挥作用，合成某些蛋白质（如：组蛋白基因家族就成簇地集中在第7号染色体长臂3区2带到3区6带区域内）另一类是：一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质（如珠蛋白基因家族）____分散式基因簇

基因家族与假基因在基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，这些基因称为假基因（pseudogene）假基因与有功能的基因同源，原来可能也是有功能的基因，但由于缺失，倒位或点突变等，使这一基因失去活性，成为无功能基因自私DNA（selfishDNA）

在哺乳动物包括人体基因组中，存在着大量的非编码顺序。这些顺序中，只有很小一部份具有重要的调节功能，绝大部部分都没有什么特殊功用。在这些DNA序列中虽然积累了大量缺失，重复或其他突变，但对生物并没有什么影响，它们的功能似乎只是自身复制，所以人们称这类DNA为自私DNA或寄生DNA（parasiteDNA）。自私DNA也许有重要的功能，但目前我们还不了解

染色质(体)结构染色质结构：一级结构：核小体（真核生物的基本单位）二级结构：螺线管三级结构：超螺线体四级结构：染色单体1974年，Kornberg发现核小体核小体是所有真核生物染色体的基本结构单位每个核小体单位包括２００bp左右的ＤＮＡ和一个组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3、H4各两个）以及一个分子的组蛋白Ｈ１组成8个组蛋白组成4个异源二聚体:2个H2A-H2B二聚体;2个H3-H4二聚体H3-H4相互结合成中央形成4聚体,两个H2A-H2B位于H3-H4四聚体的外侧染色体的包装二级结构：螺线体三级结构：超螺线体四级结构：染色单体染色体：细胞中期出现的形态染色单体着丝粒端粒染色体的高级结构对复制、转录等是否有影响？染色体处于凝集状态即异染色质（heterochromatin）状态时，转录因子不能结合，不能引发转录。只有当染色体处于松弛状态，才可能发生转录。目前认为染色体状态的改变是通过对构成染色体骨架的核心组蛋白（corehistone）的修饰完成的。组蛋白的修饰由多种类型，主要的有甲基化/去甲基化，乙酰化/去乙酰化等等。组蛋白的甲基化或是去乙酰化可以使组蛋白与染色体紧密结合，使转录因子无法结合而无法起始转录，反向修饰则激活转录。有些修饰是可以长期保持，比如对组蛋白上的赖氨酸的甲基化修饰，需要缓慢地替换组蛋白或是DNA复制来消除。但是染色体区域处于打开状态只是满足转录起始的基本条件，打开区域的基因是否转录还依赖于其它因素，比如启动子的甲基化状态、是否有合适的转录因子，以及其它顺式作用元件的影响。2.2DNA的结构DNA为什么能作为遗传物质？1.thymineisappropriateforDNAwheremaintainingsequencewithhighfidelityismorecritical(如右图）

2.碱基配对中A=U的稳定性比A=T的稳定性差，这样就保证了RNA转录过程中RNA与DNA的杂化链不如DNA双链稳定，RNA转录后容易被DNA替代而脱落。而DNA双链可以稳定结合3.Uracilisenergeticallylessexpensivetoproducethanthymine

DNA的一级结构

定义：核苷酸排列顺序，或称碱基排列顺序。核苷酸排列顺序，或称碱基排列顺序。5’-ATCGGCTAAGGCTCCGACGA--3’3’-TAGCCGATTCCGAGGCTGCT--5’绝大多DNA分子都是两条互补的单链构成，只有少数是以单链存在Nature原文及DNA双螺旋结构发现50周年庆典Web资源巡礼Z-DNA对基因转录具有调控作用调控基因转录的的两个模式：Watson-CrickDNA分子结构模型A是一个三链结构BDNA双股链的走向是反向平行的C碱基A和G配对D碱基之间共价结合E磷酸戊糖主链位于DNA螺旋内侧在DNA的双螺旋模型中A两条多核苷酸链完全相同B一条链是左手螺旋,另一条链是右手螺旋CA+G/C+T的比值为1DA+T/G+C的比值为1E两条链的碱基之间以共价键结合答案：BCDNA的一级结构是指:A各核苷酸中核苷与磷酸的连键性质BDNA分子由数目庞大的C、A、U、G四种核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键连接而成C各核苷酸之间的连键性质及核苷酸的排列顺序D核糖与含氮碱基的连键性质EDNA的双螺旋结构DNA双螺旋的每一螺距(以B-DNA为例)为:A4.46nmB4.5nmC5.4nmD3.4nmE0.34nm答案：CD自然界游离核苷酸中的