第二章染色体与DNA2

第二章染色体与DNA主要内容：1、染色体2、DNA的结构3、DNA的复制4、DNA的修复5、DNA的转座回顾知识点

DNA的结构一级结构：4种核苷酸的连接及其排列顺序。二级结构：反向平行双螺旋。高级结构：超螺旋。.1.Griffith于1928年发现的“转化”现象对于认识核酸具有重要作用。DNAisthegeneticmaterial1952年，Hershey和Chased的噬菌体侵染细菌的实验等证明细胞与噬菌体的遗传物质都是DNA。DNA不仅是真核生物的遗传物质，而且能够在不同物种间相互转移并保持功能活性。EukaryoticcellscanacquireanewphenotypeastheresultoftransfectionbyaddedDNA.分子生物学研究已经证实，DNA控制了生物的性状遗传。无论DNA或RNA，都是由许许多多个核苷酸连接而成的生物大分子，而每个核苷酸又由磷酸、核糖和碱基3部分组成。核苷酸的组成与结构。核苷的5’位和3’位都可能与磷酸基团相连染色体:chromosome遗传物质的主要载体,染色体在遗传上起着主要作用,因为亲代能够将自己的遗传物质以染色体的形式传给子代，保持了物种的稳定性和连续性。由DNA和proteins紧紧缠在一起，位于细胞的核仁内同一物种内每条染色体所带DNA的量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大。Beforemitosis,thedouble-helicalDNAofthechromatinisreplicated,theninthefirstphaseofmitosisthechromatinfiberscondenseintodiscretebodiesChromosomesconsistingoftwoidenticalchromatids染色体和染色质染色体、染色质和基因染色体与染色质的不同仅仅是形态结构的不同，而不是化学组成的不同。染色质的基本结构单位是核小体，染色质是由许多核小体重复串联而成。基因存在于染色体上。基因是一段有遗传功能的DNA片段。它们缠绕和连接着众多的核小体，因此染色体毫无疑问是遗传物质的载体染色质是细胞间期细胞核内能被碱性染料染色的物质。染色质的基本化学成分为脱氧核糖核酸核蛋白，它是由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合物真核细胞染色体染色体具有的特征①分子结构相对稳定；②能够自我复制，使亲子代之间保持连续性③能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程；④能够产生可遗传的变异。染色体蛋白主要分为组蛋白和非组蛋白两类。真核细胞的染色体中，DNA与组蛋白的质量比约为1：1。DNA、组蛋白和非组蛋白及部分RNA（尚未完成转录而仍与模板DNA相连接的那些RNA，其含量不到DNA的10%）组成了染色体。组蛋白1.染色体的结构蛋白，分为H1、H2A、H2B、H3及H4五种，与DNA共同组成核小体。2.组蛋白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。3.特性为：

不同种生物组蛋白的氨基酸组成十分相似，进化上的极端保守性无组织特异性：鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，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，而大部分疏水基团都分布在C端。碱性的半条链易与DNA的负电荷区结合，而另外半条链与其他组蛋白、非组蛋白结合。存在较普遍的修饰作用,如甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。修饰作用只发生在细胞周期的特定时间和组蛋白的特定位点上。非组蛋白约为组蛋白总量的60%～70%，可能有20～100种(常见的有15～20种),主要包括酶类、与细胞分裂有关的收缩蛋白、骨架蛋白、核孔复合物蛋白以及肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。DNAC值：通常是指一种生物单倍体基因组DNA的总量C值反常现象（C-valueparadox）：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DNA所隔开。高等生物具有比低等生物更复杂的生命活动，所以，理论上应该是它们的C值也应该更高。但是事实上C值没有体现出与物种进化程度相关的趋势。高等生物的C值不一定就意味着它的C值高于比它低等的生物。这种生物学上的DNA总量的比较和矛盾，称为C值悖论。各种生物细胞内DNA总量的比较同类生物不同种属之间DNA总量变化很大。从编码每类生物所需的DNA量的最低值看，生物细胞中的C值具有从低等生物到高等生物逐渐增加的趋势。真核细胞DNA序列可被分为3类1、不重复序列。在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占DNA总量的10%～80%。不重复序列长约750～2000bp，相当于一个结构基因的长度。蛋清蛋白、蚕的丝心蛋白、血红蛋白和珠蛋白等都是单拷贝基因。2、中度重复序列

这类序列的重复次数在101～104之间，占总DNA的10%～40%，如小鼠中占20%，果蝇中占15%，各种rRNA、tRNA以及某些结构基因如组蛋白基因等都属于这一类。图2-6非洲爪蟾的rRNA基因结构示意图动物卵细胞rDNA占卵细胞DNA的75%，从而使该细胞能积累1012个核糖体，以合成大量蛋白质供细胞分裂之需3、高度重复序列卫星DNA只存在于真核生物中，占基因组的10%~60%，由6~100个碱基组成，在DNA链上串联重复高达数百万次。因为卫星DNA不转录，其功能不详。它们是异染色质的成份，可能与染色体的稳定性有关5’–ATAAACTATAAACTATAAACT–3’3’–TATTTGATATTTGATATTTGA–5’染色质和核小体由DNA和组蛋白组成的染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构5´-磷酸核苷酸的基本结构OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1´2´NOHCH2HH5´4´3´PO-OOO-核糖(pentosesugar)磷酸(phosphate)碱基(nitrogenousbase)核小体：Nucleosome染色质的基本结构单位，由~200bpDNA和组蛋白八聚体组成DNA+Histoneoctamer(组蛋白八聚体)→Nucleosomecore(核小体核心146bp)+H1→Chromatosome(染色小体166bp)+linkerDNA→Nucleosome(核小体)(~200bpofDNAHistoneoctamer(组蛋白八聚体)NucleosomecoreTopviewSideview核小体单元的产生核小体由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而每个核小体只有一个H1，分布在核小体的外面。核心颗粒包括组蛋白八聚体及与其结合的146bpDNA，该序列绕在八聚体外面1.75圈，每圈约80bp。由许多核小体构成了连续的染色质DNA细丝regionofDNAdoublehelixhelix“Beadsonastring”formofChormatin30-nmchromatinfiberofpackednucleosomesSectionofchromosomeinanextendedformCondensedsectionofMetaphasechromosomeEntiremetaphasechromosomeFromDNAtochromosome染色体DNA结构示意图双链DNA两段各含10个螺旋的染色质一个螺旋中包含30个莲座状结构每个莲座状结构中都有6个环状DNA每个环状结构中含有75000bp30nm结构：Solenoid(螺线管)染色体DNA的念珠状结构在核小体中，DNA盘绕组蛋白八聚体核心，使分子收缩1/7。人中期染色体中含6.2×109碱基对，其理论长度应是200cm，这么长的DNA被包装在46个5μm长的圆柱体（染色体）中，其压缩比约为104。分裂间期染色质比较松散，压缩比大约是102～103。染色体形成过程中长度与宽度的变化原核生物基因组基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少，如大肠杆菌DNA的相对分子质量仅为4.6×106bp，其完全伸展总长约为1.3mm，含4000多个基因。主要是单拷贝基因，只有很少数基因〔如rRNA基因〕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。大肠杆菌细胞中基因组DNA的电镜显微照片细菌DNA是一条相对分子量在109左右的共价、闭合双链分子，通常也称为染色体。箭头处为环状质粒DNA.。特点：1、结构简炼。原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有很小一部分控制基因表达的序列不转录。2、存在转录单元原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成转录单元并转录产生含多个mRNA的分子，称为多顺反子mRNA。3、有重叠基因。一些细菌和动物病毒存在重叠基因，同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。真核生物基因组的特点1、基因组通常比较大；基因组远远大于原核生物的基因组，具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小。

2、含有内含子序列，基因是不连续的；3、有大量重复序列，重复次数可达百万次以上；4、表达调控较复杂，基因组中不编码的区域多于编码区域。5.真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。DNA的结构DNA的一级结构DNA又称脱氧核糖核酸，是deoxyribonucleicacid的简称，它是一种高分子化合物，其基本单位是脱氧核苷酸。在DNA分子中，磷酸和脱氧核糖是不变的，而4种含氮碱基即腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）是可变的。2-脱氧核糖（左）和核糖（右）结构式DNA的二级结构DNA双螺旋结构的要点

指二条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋立体结构主链(backbone)：由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成。主链有二条,它们似"麻花状绕一共同轴心以右手方向盘旋,相互平行而走向相反形成双螺旋构型。主链处于螺旋的外则,这正好解释了由糖和磷酸构成的主链的亲水性。所谓双螺旋就是针对二条主链的形状而言的。碱基对(basepair)：碱基位于螺旋的内则,它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖基相连。同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。配对碱基总是A与T和G与C。碱基对以氢键维系，A与T间形成两个氢键。大沟和小沟：大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。在大沟和小沟内的碱基对中的N和O原子朝向分子表面。结构参数：螺旋直径2nm；螺旋周期包含10对碱基；螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm。

DNA的高级结构超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式。分为：正超螺旋负超螺旋双螺旋DNA拧紧则导致正超螺旋，而双螺旋DNA的松开导致负超螺旋。超螺旋DNA分子比松散分子能量高。对于负超螺旋，这一能量会使DNA螺旋易于局部解旋，负超螺旋有利于需要解旋过程的进行，如转录起始和复制起始。三、DNA的复制内容提要：●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复制的几种主要方式●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-conservativereplication）2、实验证据（1958Meselson和Stahl）：

MatthewMesselsonFranklinStahl“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、RNA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DNA为模板的DNA合成酶(1)都以dNTP为底物。(2)都需要Mg2+激活。(3)聚合时必须有模板链和具有3’-OH末端的引物链。(4)链的延伸都方向为5'→3'。大肠杆菌DNA聚合酶

聚合酶Ⅰ聚合酶Ⅱ聚合酶Ⅲ酶活性5′→3′聚合作用+++3′→5′外切酶活性+++5′→3′外切酶活性+--构成(亚基数)单体单体多亚基生物学活性10.0515

功能修复合成、校对校对复制去除引物、填补空隙修复校对

DNA复制的主要聚合酶，还具有3’-5’外切酶的校对功能，提高DNA复制的保真性修复DNA损伤主要是对DNA损伤的修复；以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙。（中）（很低）（很高）真核生物DNA聚合酶

聚合酶αβγδε

5′→3′聚合作用+++++3′→5′外切作用--+++5′→3′外切作用-----细胞内定位核核线粒体核核功能复制引发修复复制复制复制DNA聚合酶δ是负责DNA复制主要的酶，参与先导链和滞后链的合成。而DNA聚合酶ε的功能是补全去掉RNA引物后的缺口。

聚合酶αβγδε

5′→3′聚合作用+++++3′→5′外切作用--+++5′→3′外切作用-----细胞内定位核核线粒体核核功能复制引发修复复制复制复制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

DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用3‘5‘3‘5‘OHP7、DNA拓扑异构酶(DNATopisomerase)：

主要功能是消除DNA解链过程中所产生的扭曲力。拓扑异构酶І：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ε蛋白拓扑异构酶Π：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解链酶（DNAhelicase)

通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。E.coli中的rep蛋白就是解链酶，还有解链酶I、II、III。rep蛋白沿前导链模板3’5’移动，

解链酶I、II、III沿滞后链模板5’

3’移动。9、单链结合蛋白(SSB蛋白)：稳定已被解开的DNA单链，阻止复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）双链的解开RNA引物的合成DNA链的延伸切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段1、双链的解开DNA的复制有固定的起始点，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，叫复制子复制时，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，故称为复制叉复制起点固定

1原核一个复制子,真核多个复制子2.一个复制子,(一般)两个复制叉;3.前导链,滞后链相对4.在一个复制周期中,真核为一次;原核可同时进行多次复制,形成多个复制叉双链解开、复制起始由大肠杆菌oriC复制起始点处引发的DNA复制过程大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4各9bp保守序列相结合。在Hu蛋白和ATP的共同作用下，DnaA复制起始复合物使3x13bp直接重复序列变形，形成开链。DnaB（解链酶）六体分别与单链DNA相结合（需要DnaC的帮助）进一步解开DNA双链。与引物结合，起始DNA复制。2、RNA引物的合成DnaB蛋白活化引物合成酶，引发RNA引物的合成。引物长度约为几个至10个核苷酸，DNA的半不连续复制（semi-discontinuousreplication)

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、DNA链的延伸1.新链同时合成方向5’3’2.前导链,滞后链{冈崎片段1000bp~2000bp(大肠杆菌),100~200bp(真核生物)}3.RNA引物的合成;DNA链的延伸;引物的切除,缺口补平,连接.半不连续复制在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。{冈崎片段1000bp~2000bp(大肠杆菌),100~200bp(真核生物)}半不连续复制Semi-discontinuousreplication:冈崎片段Okazakifragment细菌、病毒和线粒体的DNA分子都是作为单个复制子完成复制的；真核生物基因组可以同时在多个复制起点上进行双向复制，也就是说它们的基因组包含有多个复制子Multipleeukaryoticreplicons放射性标记实验证明DNA的复制是从固定的起始点双向等速进行A.DNA仅用[3H]胸腺嘧啶标记10min即压X光片；B.DNA在[3H]标记10min后又继续非标记合成10min，导致X光片上的复制叉变长，银颗粒分布广而稀少。4、切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段（复制终止）在DNA聚合酶Ⅰ催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链复制的终止大肠杆菌1双链环状DNA2.DNA复制形式为θ型3.定点(ori)开始双向等速复制4.两个复制叉在距起始点1800处会合(Ter-Tus复合物阻止复制叉的移动)。5.只有一个复制单元，但可有多个复制叉。大肠杆菌DNA聚合酶I、II和III的性质比较双链环状、θ型复制、双向等速DNA复制动画:

/video/2008/2410.htm(四).复制的几种主要方式1.线性DNA双链的复制①单一起点的单向复制。(如腺病毒)③多个起始点的双向复制（如真核生物）②单一起点的双向复制（如T7噬菌体）2环状DNA双链的复制①θ型复制（如大肠杆菌）---单一起点的双向等速复制③D-环型复制(单向)-----线粒体②滚环型复制(单向)—ΦX174滚环型：单向复制的特殊方式如：ΦΧ174的双链环状DNA复制型（RF）（1）不需RNA引物，在正链3‘－OH上延伸（2）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、真核生物有含多亚基DNA聚合酶复合体。真核生物DNA的复制特点真核生物DNA的复制子被称为ARS（autonomouslyreplicatingsequences），长约150bp左右，包括数个复制起始必需的保守区。真核生物DNA聚合酶的特性比较ThemechanismoftelomereextensionbytelomeraseToextendthelengthofatelomere,thetelomerasefirstextendsitslongerstrand.Then,usingthesamemechanismassynthesizingthelaggingstrand,theshorterstrandisextendedThemechanismoftelomereextensionbytelomeraseReversetranscriptioncatalyzedbytelomerasetoposition35ofRNAtemplateDissociationof3’endofDNAandbasepairingtoadownstreamregionoftelomeraseRNAReversetranscriptiontoposition35TranslocationandhybridizationDNA复制的调控DNA链延伸的速度在同种生物的不同细胞中几乎是恒定的，只是复制叉的数量不同。迅速分裂的细胞具较多的复制叉，而分裂缓慢的细胞复制叉较少并出现复制的间隙。复制起始频率的直接调控因子是蛋白质和RNARNA1的编码区在引物RNA编码区的5’末端，转录方向与引物RNA相反，因此与引物RNA的5’末端互补，并通过氢键配对与后者相互作用，阻止了RNaseH加工引物前体，使其不能转化为有活性的引物而对复制起负调控作用。Rop蛋白是RNA1基因转录的激活因子。大肠杆菌染色体DNA的复制调控染色体的复制与分裂一般是同步的，但二者并不直接偶联。•在一定生长速度范围内，细胞与染色体的质量之比相对恒定。•复制子由起始物位点和复制起点两部分组成。起始物位点编码复制体调节蛋白，复制起点与调节蛋白相互作用并启动复制。调节蛋白通过与复制复合物的相互作用确定复制起始频率和复制方式。•复制起点有OriC和OriH两种。真核细胞DNA的复制调控•细胞生活周期水平调控（限制点调控）：决定细胞停留在G1期还是进入S期(byCyclins,Cdc(CellDivisionCycle)geneproducts)。•染色体水平调控：决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一定顺序在S期起始复制。•复制子水平调控：决定复制的起始与否，并且是高度保守的。四、DNA的修复1、错配修复●Dam甲基化酶使母链位于5’GATC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