章分子生物学染色体与演示文稿

章分子生物学染色体与演示文稿当前1页，总共70页。（优选）章分子生物学染色体与当前2页，总共70页。第一节染色体4、染色体的重要特征分子结构相对稳定;能够自我复制;能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程;能够产生可遗传的变异。当前3页，总共70页。第一节染色体（一）、原核细胞的染色体1、位于一个类似“核”的结构—“类核体”上，由DNA和外裹的稀疏蛋白质组成，其中一部分蛋白与DNA的折叠有关，另一些则参与DNA复制、重组及转录。2、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。（无内含子）当前4页，总共70页。第一节染色体（二）真核细胞的染色体真核细胞的染色体位于核仁内，DNA与蛋白质完全融合在一起，其蛋白质与相应DNA的质量比约为2：1；其中蛋白质包括组蛋白和非组蛋白，真核生物染色体的组成：由DNA、组蛋白、非组蛋白及部分RNA（主要是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。除了性细胞以外，真核细胞的染色体都是二倍体，而性细胞的染色体数目是体细胞的一半，称为单倍体。染色体被大量蛋白质及核膜包围，DNA的转录和翻译在不同的空间和时间上进行，其基因表达调控与DNA的序列和染色体的结构有关。当前5页，总共70页。第一节染色体（二）真核细胞的染色体染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体。组蛋白分别为Hl、H2A、H2B、H3及H4。它们含有大量的赖氨酸和精氨酸。非组蛋白包括酶类，收缩蛋白、骨架蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。当前6页，总共70页。第一节染色体（三）原核生物基因组原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少。（注意染色体外遗传基因的概念：即细菌的质粒、真核生物的线粒体、高等植物的叶绿体等所含有的DNA和功能基因）。结构简练：原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录。而且，这些不转录DNA序列通常是控制基因表达的序列。当前7页，总共70页。第一节染色体（三）原核生物基因组存在转录单元：原核DNA序列中功能相关的基因丛集在基因组的特定部位，形成转录单元，它们可被一起转录为可翻译多个蛋白质的mRNA分子，这种mRNA叫多顺反子mRNA。有重叠基因：在一些细菌和动物病毒中同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。重叠基因主要有以下几种情况:(1)一个基因完全在另一个基因里面；(2)部分重叠；(3)两个基因只有一个碱基对的重叠。有的重叠基因的重叠部分翻译相同序列的肽段；有的翻译不同的肽段，这是因为翻译起点错位引起的。当前8页，总共70页。第一节染色体重叠基因当前9页，总共70页。第一节染色体（四）真核生物基因组真核细胞基因组含有大量的重复序列，功能DNA序列大多被非功能DNA所隔开。许多DNA序列不编码蛋白质。真核细胞DNA序列可被分为3类:不重复序列占DNA总量的40％－80％，长约750－2000bP。结构基因属于不重复序列。当前10页，总共70页。第一节染色体（四）真核生物基因组中度重复序列占总DNA的10％～40％，各种rRNA、tRNA以及某些结构基因属于这一类。中度重复序列往往分散在不重复序列之间。高度重复序列――卫星DNA占总DNA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。不转录。当前11页，总共70页。第一节染色体（四）真核生物基因组特点基因组庞大，一般都远大于原核生物的基因组；存在大量的重复序列；真核基因组的大部分序列为非编码序列，占整个基因组序列的90%以上；真核基因组的转录产物为单顺反子；真核基因是断裂基因，有内含子结构；真核基因组存在大量的顺式作用原件，包括启动子、增强子、沉默子等；当前12页，总共70页。第一节染色体（四）真核生物基因组特点真核基因组中存在大量的DNA多态性。DNA多态性是指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包括单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism,SNP)和串联重复序列多态性(tandemrepeatspolymorphism）两类。真核生物基因组具有端粒（telomere)结构。端粒是真核生物线性基因组DNA末端的一种特殊结构，它是一段DNA序列和蛋白质形成的复合体。其DNA序列相当保守，一般由多个短寡核苷酸串联在一起构成，它具有保护线性DNA的完整复制、保护染色体末端和决定细胞寿命的功能。当前13页，总共70页。第一节染色体（五）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。核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的8聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而Hl则在核小体的外面。每个核小体只有一个Hl。用核酸酶水解核小体后产生的核心颗粒含146bpDNA和组蛋白八聚体，146bpDNA绕在核心外面形成1·75圈，每圈约8Obp。许多核小体构成了连续的染色质DNA细丝。当前14页，总共70页。第一节染色体（五）染色质和核小体当前15页，总共70页。第二节DNA的结构DNA是高分子化合物，其基本单位是脱氧核苷酸。在所有的DNA分子中，磷酸和脱氧核糖是不变的，而含氮碱基是可变的，主要有4种：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。许许多多个脱氧核苷酸经3‘的羟基与5’的核苷三磷酸反应形成磷酸二酯键聚合而成为DNA链。DNA通常以线性或环状形式存在，绝大多数DNA分子都由碱基互补的双链构成，有少数生物以单链形式存在，如某些噬菌体和病毒。当前16页，总共70页。第二节DNA的结构一、DNA的一级结构DNA的一级结构就是指4种核苷酸的连接及其排列顺序。当前17页，总共70页。第二节DNA的结构

DNA具有严格的化学组成，还具有特殊的空间结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在，其基本特点是:(l)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。两条链上的碱基通过氢键结合形成碱基对，它的组成规律是嘌呤与嘧啶配对。即A与T,G与C。组成DNA分子的碱基虽然只有4种，但碱基可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。DNA的ATGC的排列方式几乎是无限的。每个DNA分子所具有的特定的碱基排列顺序构成了DNA分子的特异性，不同的DNA链可以编码出完全不同的多肽。当前18页，总共70页。第二节DNA的结构当前19页，总共70页。第二节DNA的结构二、DNA的二级结构当前20页，总共70页。第二节DNA的结构当前21页，总共70页。A-DNAB-DNAZ-DNA当前22页，总共70页。第二节DNA的结构

二、DNA的二级结构DNA的二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。在生物活体中，通常情况下，DNA的二级结构以两大类存在:右手螺旋（A－DNA、B－DNA）和左手螺旋（Z－DNA）。通常情况下DNA的构象为B-DNA。当前23页，总共70页。第二节DNA的结构当DNA处于转录状态时，DNA模板链与由它转录所得的RNA链间形成的双链就是A-DNA。Z－DNA构象在转录区上游离转录区近时，抑制转录；若离转录区远，可以增加转录区的负超螺旋程度促使转录。Z－DNA构象有转录起始的调节活性。当前24页，总共70页。第二节DNA的结构DNA的两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴构成螺旋结构。多核苷酸的方向由核苷酸间的磷酸二酯键的走向决定，一条从5’→3’，另一条从3‘→5’。链间有螺旋型的凹槽，一条小沟;一条大沟。两条链上的碱基以氢键相连，G与C配对，A与T配对。碱基对层叠于双螺旋的内侧。相邻碱基对平面之间的距离为0·34nm，以3·4nm为一个结构重复周期。核苷酸的磷酸基团与脱氧核糖在外侧，通过磷酸二酯键相连接而构成DNA分子骨架。脱氧核糖环平面与纵轴大致平行。双螺旋的直径为2.0nm。当前25页，总共70页。第二节DNA的结构三、DNA的高级结构DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类。当前26页，总共70页。第三节DNA的复制一、DNA半保留复制(semiconservartivereplication)机理：由于DNA分子由两条多核苷酸链组成，一条链上的碱基――G只能与另一条链上的C相配对，A只能与T相配对，所以，两条链是互补的，一条链上的核苷酸排列顺序决定了另一条链上的核甘酸排列顺序。就是说，DNA分子的每一条链都含有合成它的互补链所需的全部信息。DNA在复制过程中碱基间的氢键首先断裂，双螺旋解旋并被分开，每条链分别作为模板合成新链，产生互补的两条链。这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。因此，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种复制方式被称为DNA的半保留复制。当前27页，总共70页。第三节DNA的复制DNA的半保留复制当前28页，总共70页。第三节DNA的复制DNA半保留复制的实验依据：15N标记培养基，CsCl离心密度标记（0）；14N培养基培养3代。当前29页，总共70页。第三节DNA的复制DNA的半保留复制当前30页，总共70页。第三节DNA的复制(a)DNA改变双螺旋构象，解链酶解开双链，在单链DNA结合蛋白(SSB)和DNA聚合酶III的共同作用下合成先导链，方向与复制叉推进的方向一致。在滞后链上，当复制叉进一步打开时，RNA引物才能与DNA单链相结合；b)滞后链合成时，产生冈崎片段；(c)复制叉继续前进，DNA引物酶合成新的RNA引物，与DNA单链相结合准备引发合成新的冈崎片段。当前31页，总共70页。第三节DNA的复制

DNA的复制是由固定的起始点开始的。一般把生物体的复制单位称为复制子(replicon)。一个复制子只含一个复制起点。通常，细菌、病毒和线粒体的DNA分子都是由单个复制子完成复制的，而真核生物基因组则同时在多个复制起点上进行复制，它们的基因组包含有多个复制子。

无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的。复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。当前32页，总共70页。第三节DNA的复制无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的。复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。当前33页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点原核生物DNA复制的特点真核生物DNA复制的特点DNA复制的调控当前34页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点

一、原核生物DNA复制的特点大肠杆菌基因组以双链环状DNA分子的形式存在，其DNA复制的中间产物可形成一个θ,复制从定点开始双向等速进行，复制起始区位于其遗传图。复制起始后，两个复制叉在距起始点1800处会合。当前35页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点一、原核生物DNA复制的特点1、起始：首先起始复合体（DnaA-ATP）与4乘9bp结合，3乘13bp(富含AT)在Ⅱ型拓扑异构酶的作用下，使3乘13bp区域松弛，在再DNA解旋酶的作用下，3乘13bp区域发生解链；复制泡被单链结合蛋白(SSB蛋白)覆盖，以免断裂和再复性；DNA诱发酶结合到模板DNA上并合成一段短的RNA，作为合成DNA的引物，引发第一个复制叉的先导链的复制，接下来是双向复制。当前36页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点一、原核生物DNA复制的特点当前37页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点

2、延伸：先导链在DNA合成酶Ⅲ的作用下跟着延伸；包含DnaB解旋酶和DNA引物酶的移动复合体在后随链上隔1000～2000核苷酸合成一个RNA引物。延伸均由DNA合成酶Ⅲ来完成。后随链一旦被DNA合成酶Ⅲ延伸时，冈崎片段上的RNA引物就被DNA合成酶Ⅰ切掉，所留下的缺口被紧接着的后随链延伸来填补。一、原核生物DNA复制的特点当前38页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点一、原核生物DNA复制的特点3、终止：两个复制叉在oriC约1800的对面相遇，在这个区域有几个Ter(20bp左右)的位点，它们与Tus(DnaB解旋酶抑制剂)结合成Ter-Tus复合物，Ter-Tus复合物阻止复制叉的移动，等到相反方向的复制叉到达后，（由于两条子链是相扣的）在DNA拓扑异构酶Ⅳ的作用下使复制叉解体，释放子链DNA。当前39页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点二、真核生物DNA复制的特点1、真核生物每条染色质上可以有多处复制起始点，而原核生物只有一个起始点;2、真核生物的染色体在全部完成复制之前，各个起始点上DNA的复制不能再开始，而在快速生长的原核生物中，复制起始点上可以连续开始新的DNA复制，表现为虽只有一个复制单元，但可有多个复制叉。当前40页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点二、真核生物DNA复制的特点3、真核生物DNA的复制子被称为ARS(autonomouslyreplicatingsequences自主复制序列)，长约15Obp左右，包括数个复制起始必需的保守区。真核生物DNA复制的起始需要起始原点识别复合物(ORC)参与。真核生物DNA复制叉的移动速度比原核生物慢得多（大约只有5Obp/s，还不到大肠杆菌的1/20）。当前41页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点二、真核生物DNA复制的特点由于真核生物复制速度慢以及染色体在全部完成复制之前，各个起始点上DNA的复制不能再开始这两点，若其染色体上只有一个复制起点，要完成一代复制的时间太长（如人染色体每条按1亿计算，完成一代复制的时间为2×106S）。真核生物以每条染色质上有多处复制起始点来克服这个问题。人类DNA中每隔30000bp～300000bp就有一个复制起始位点。当前42页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点二、真核生物DNA复制的特点在真核细胞中主要有5种DNA聚合酶，分别称为DNA聚合酶α、β、γ、δ和ε。真核细胞的DNA聚合酶均以dNTP为底物，需Mg2＋激活，聚合时必须有模板链和具有3‘-OH末端的引物链，链的延伸方向为5’→3‘。DNA聚合酶α的功能是引物合成。DNA聚合酶β在DNA损伤的修复中起作用。DNA聚合酶δ是负责DNA复制的主要酶，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。当前43页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点一、原核生物DNA聚合酶原核生物大肠杆菌DNA聚合酶有五类：1、DNA聚合酶Ⅰ：第一个被鉴定出来的DNA聚合酶，修复、切除RNA引物等作用；2、DNA聚合酶Ⅱ：DNA的修复；3、DNA聚合酶Ⅲ：DNA复制中链延长反应的主要聚合酶；4、DNA聚合酶Ⅳ：主要在SOS修复过程中起作用；5、DNA聚合酶Ⅴ：主要在SOS修复过程中起作用。当前44页，总共70页。第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点一、真核生物DNA聚合酶1、DNA聚合酶α：引物合成，起始前导链和后随链的合成；2、DNA聚合酶β：负责DNA的损伤修复，属于高忠实性修复酶；3、DNA聚合酶γ：在线粒体DNA的复制中起作用；4、DNA聚合酶δ：主要负责DNA复制，参与前导链和后随链的合成；5、DNA聚合酶ε：与后随链合成有关，在DNA合成过程中核苷切除及碱基的切除修复中起作用；当前45页，总共70页。第五节DNA的修复错配修复碱基切除修复核苷酸切除修复DNA的直接修复SOS反应当前46页，总共70页。第五节DNA的修复一、错配修复错配修复(mismatchrepair)可以将DNA子链中的错配几乎完全修复，充分反映了母链的重要性。该系统识别母链的依据来自Dam甲基化酶，它能使位于5’GATC序列中腺苷酸的N6位甲基化。一旦复制叉通过复制起始位点，母链就会在开始DNA合成前的几秒钟至几分钟内被甲基化。此后，只要两条DNA链上碱基配对出现错误，错配修复系统就会根据"保存母链，修正子链"的原则，找出错误碱基所在的DNA链，并在对应于母链甲基化腺苷酸上游鸟苷酸的5'位置切开子链。当前47页，总共70页。第五节DNA的修复一、错配修复当前48页，总共70页。第五节DNA的修复一、错配修复当前49页，总共70页。第五节DNA的修复二、碱基切除修复所有细胞中都带有不同类型、能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能特异性切除受损核苷酸上的N-β－糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点（AP位点）。DNA分子中一旦产生了AP位点，AP核酸内切酶就会把受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开，并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA，由DNA聚合酶Ⅰ合成新的片段，最终由DNA连接酶把两者连成新的被修复的DNA链，这一过程即为碱基切除修复(base-excisionrepair)。当前50页，总共70页。第五节DNA的修复三、核苷酸切除修复

当DNA链上相应位置的核甘酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，则由核苷酸切除修复(nucleotide-excisionrepair)系统负责修复。损伤发生后，首先由DNA切割酶(excinuclease)在己损伤的核甘酸5’和3’位分别切开磷酸糖苷键，产生一个由12～13个核甘酸(原核生物)或27～29个核苷酸(人类或其他高等真核生物)的小片段，移去小片段后由DNA聚合酶Ⅰ(原核)或ε（真核)合成新的片段，并由DNA连接酶完成修复中的最后一道工序。当前51页，总共70页。第五节DNA的修复三、核苷酸切除修复当前52页，总共70页。第五节DNA的修复四、DNA的直接修复生物体内还存在多种DNA损伤以后直接修复(directrepair)，不需要切除碱基或核苷酸的机制。下面两个例子：1、在DNA光解酶(Photolyase)的作用下把在光下或经紫外光照射形成的环丁烷胸腺嘧啶二体及6-4光化物(6-4photoproduct)还原成为单体的过程。2、生物体内还广泛存在着使06-甲基鸟嘌呤脱甲基化的甲基转移酶，以防止形成G-T配对。当前53页，总共70页。第五节DNA的修复四、DNA的直接修复当前54页，总共70页。着色性干皮病病因着色性干皮病（XP）是第一个与DNA损伤修复缺陷有关的人类疾病，可累及各种族人群。患者细胞存在UV照射后DNA损伤修复功能缺陷，患者的皮肤部位缺乏核酸内切酶，不能修复被紫外线损伤的皮肤的DNA，因此在日光照射后皮肤容易被紫外线损伤，先是出现皮肤炎症，继而可发生皮肤癌。患者发生皮肤癌的可能性几乎是100%。XP是常染色体隐性遗传病，具有遗传异质性。在某些家族中，显示性联遗传。

当前55页，总共70页。着色性干皮病症状早期病理变化为非特异性，可有角化过度，马尔匹基层变薄伴某些皮突萎缩和伸长相互交叉。中期表皮部分区域表现萎缩，间以棘层肥厚。表皮细胞核排列紊乱，有些区内表皮呈不典型性生长而使其组织像有如日光性角化病。到晚期肿瘤期可见各种肿瘤的组织学改变。

当前56页，总共70页。着色性干皮病图片当前57页，总共70页。第五节DNA的修复四、DNA的直接修复当前58页，总共70页。第五节DNA的修复五、SOS反应（SOSresponse）SOS反应是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。SOS反应包括诱导DNA损伤修复、诱变反应、细胞分裂的抑制以及溶原性细菌释放噬菌体等。SOS反应主要包括两个方面：1）DNA的修复2）产生变异。前者有利于细胞的存活；后者可能产生不利的后果，如导致细胞癌变。当前59页，总共70页。第六节DNA的转座1、DNA的转座：也称移位（transposition)，是由可移位因子(transposableelement)介导的遗传物质重排现象。一、DNA的转座与转座子2、转座子(transposon，Tn)：是存在于染色体DNA上可自主复制和移位的基本单位。当前60页，总共70页。第六节DNA的转座转座可被分为复制型和非复制型两大类。在复制型转座中，整个转座子被复制，所移动和转位的是原转座子的拷贝。转座酶和解离酶分别作用于原始转座子和复制转座子。在非复制型转座中，原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位。二、转座子的分类和结构特征（一）转座子的分类当前61页，总共70页。第六节DNA的转座转座子是一些较短的DNA序列，可以转移到细胞基因组的任何位置；它不需要序列间具有同源性，也不是位点特异性的，所以转座作用又被称为异常重组。与DNA的同源重组相比，转座作用发生的频率要低得多。转座作用能说明在细菌中发现的许多基因缺失或倒转现象，而且它常被用于构建新的突变体。在转座过程中，可移位因子的一个拷贝常常留在原来位置上，在新位点上出现的仅仅是它的拷贝，转座依赖于DNA的复制。（二）转座子的结构特征当前62页，总共70页。第六节DNA的转座转座子(transposon，Tn)是存在于染色体DNA上可自主位移（非复制性）和复制位移（复制性）的基本单位。最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被称为插入序列(