染色质结构与复制综合

染色质结构与复制综合第1页，共150页，2023年，2月20日，星期五第2页，共150页，2023年，2月20日，星期五~2nm~11nm~30nm~300nm~700nm~1400nm EachDNAmoleculeispackagedintoachromosome50,000Xshorterthanitsextendedlength第3页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体：碱性(组)蛋白＋酸性核酸第4页，共150页，2023年，2月20日，星期五histonecluster1,H1b[Homosapiens]IEPofNP_005313.1from1to226IsoelectricPoint=11.6925histonecluster2,H2ab[Homosapiens]IEPofNP_778235.1from1to130IsoelectricPoint=11.5282第5页，共150页，2023年，2月20日，星期五GenBank：humanhistone

153条记录>gi|4504291|ref|NP_003525.1|H3histonefamily,memberH[Homosapiens]>gi|4504271|ref|NP_003516.1|histonecluster1,H2bi[Homosapiens]>gi|4504285|ref|NP_003522.1|histonecluster1,H3c[Homosapiens]>gi|4504293|ref|NP_003526.1|histonecluster1,H3j[Homosapiens]>gi|4504297|ref|NP_003528.1|histonecluster1,H3b[Homosapiens]>gi|4504301|ref|NP_003529.1|histonecluster1,H4a[Homosapiens]>gi|4504303|ref|NP_003530.1|histonecluster1,H4d[Homosapiens]>gi|4885379|ref|NP_005312.1|histonecluster1,H1e[Homosapiens]>gi|4758496|ref|NP_004884.1|H2Ahistonefamily,memberYisoform2[Homosapiens]>gi|13128862|ref|NP_003874.2|histonedeacetylase3[Homosapiens]>gi|28195394|ref|NP_778235.1|histonecluster2,H2ab[Homosapiens]第6页，共150页，2023年，2月20日，星期五第7页，共150页，2023年，2月20日，星期五第8页，共150页，2023年，2月20日，星期五Coreparticle

Approximately1.8turnsofDNA(consistingof146bp)woundaroundtheoutsideofthehistoneoctamer.第9页，共150页，2023年，2月20日，星期五第10页，共150页，2023年，2月20日，星期五Histonedepletedmetaphasechromosomes第11页，共150页，2023年，2月20日，星期五HE染色的原理第12页，共150页，2023年，2月20日，星期五人类染色体第13页，共150页，2023年，2月20日，星期五ChromosomenumberDNAofagenomeisdividedintochromosomes(variablesizeandnumber)

毛冠鹿第14页，共150页，2023年，2月20日，星期五Chromosomenumber

分析的意义哪一种结构更加合理？染色体数量：多vs少？多乎哉，不多也可能的答案：基因剂量(Genedosage)是关键第15页，共150页，2023年，2月20日，星期五GenomeComparisonOrganism~Size~#Genes~GeneDensityHuman 3000million 30-35K 1/100,000Mouse 3000million 30,000 1/100,000FruitFly 135million 13,061 1/13,781Arabidopsis 100million 25,000 1/4,000C.elegans 97million 19,099 1/5,079Yeast 12.1million 6,034 1/2,005Bacteria(E.coli)4.67million 3,237 1/1,443第16页，共150页，2023年，2月20日，星期五ChromosomestructureGenesinclude:Exons-codingregionsIntrons-non-codingregionsinterspersedbetweenexonsRegulatorysequences基因的结构、组成第17页，共150页，2023年，2月20日，星期五Inadditiontogenes,chromosomeshavelotsof“non-coding”sequenceX400第18页，共150页，2023年，2月20日，星期五ChromosomestructureStructuralfeaturesReplicationoriginCentromereTelomeresRepetitiousDNALINESandSINESDNAonlytransposonsSegmentalduplicationsandsimplesequencerepeats第19页，共150页，2023年，2月20日，星期五LINE长散置元(longinterspersedelements)SINE短散置元(shortinterspersedelements)第20页，共150页，2023年，2月20日，星期五Chromosomestructure2~3%vs97~98%||已知vs未知？第21页，共150页，2023年，2月20日，星期五第22页，共150页，2023年，2月20日，星期五SpecializedregionsofchromosomesOriginsofreplicationEukaryoticchromosomeshavemanyoriginsCentromere(1per)AttacheschromosometothemitoticspindleapparatusTelomere(2per)Linearendofthechromosome命名：区、带、亚带第23页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体带命名的国际规则(ISCN)命名方法：染色体的名称染色体臂的名称区号带号注意：离着丝粒最近的区为1区，其次2区；在一个区内，离着丝粒最近的带为1带，其次2带带、亚带：与带之间用“.”隔开。如：1p36.1(3区6带1亚带)第24页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体的带型第25页，共150页，2023年，2月20日，星期五第26页，共150页，2023年，2月20日，星期五细胞遗传学第27页，共150页，2023年，2月20日，星期五问题思考染色体是静态的还是动态的？地球深部的奥秘[地震、火山是地心活动的不同表现形式]…染色体呢？病毒会攻击染色体吗？逆转录病毒向染色体的整合第28页，共150页，2023年，2月20日，星期五问题思考变与不变的关系变是进化之源、不变是进化之果没有变化就没有进化变化是否会失控：分子进化问题：中性突变理论第29页，共150页，2023年，2月20日，星期五问题思考核小体在染色体上的分布是等间距吗？Ifyes：细胞如何处理转录因子和组蛋白的关系？Ifno：那么会是何种分布形式？注意：细胞通常不会处于线性状态。染色体重塑：Chromosomeremodeling第30页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体结构的稳定性性命攸关生死相关(肿瘤、转归)染色体结构的稳定性与衰老DNA解旋酶与早老症有关染色体结构的稳定性与肿瘤Translocation等第31页，共150页，2023年，2月20日，星期五ChromosomenumbervariationEuploidy(整倍体)Aneuploidy(非整倍体)第32页，共150页，2023年，2月20日，星期五EuploidytypesymbolSetofchromosomemonoploidnABCDiploid2nAABBCCPolyploidTriploid3nAAABBBCCCTetraploid4nAAAABBBBCCCCPentaploid5nAAAAABBBBBCCCCC第33页，共150页，2023年，2月20日，星期五AneuploidtypesymbolNumberofchromosomeDisomic2nAABBCCmonosomic2n-1AABBCNullisomic2n-2AABBPolysomicTrisomic2n+1AABBCCCDoubletrisomic2n+1+1AABBBCCCTetrasomic2n+2AABBCCCCPentasomic2n+3AABBCCCCC第34页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体结构的变化第35页，共150页，2023年，2月20日，星期五第36页，共150页，2023年，2月20日，星期五第37页，共150页，2023年，2月20日，星期五第38页，共150页，2023年，2月20日，星期五第39页，共150页，2023年，2月20日，星期五基因复制是基因家族产生之源

(已有信息的再利用在进化上比较经济)第40页，共150页，2023年，2月20日，星期五第41页，共150页，2023年，2月20日，星期五第42页，共150页，2023年，2月20日，星期五第43页，共150页，2023年，2月20日，星期五第44页，共150页，2023年，2月20日，星期五示例：基因家族定位具有成簇化(Clustering)倾向黑色素瘤抗原编码基因家族(MAGE)人MAGE-D1的染色体定位已经报道(Xp11.21-p11.23)人MAGE-D也位于Xp11.21-p11.23(据PAC克隆及Lucas等的结果)人KIAA1114定位于Xp11.21-p11.23(据PAC克隆AL049732)人MAGE-D1的染色体定位已经被报道位于Xp11.23从而，MAGE-D亚家族的所有人类基因成员均定位于Xp11.21-p11.23，形成了一个典型的位于X染色体上的基因簇(cluster)第45页，共150页，2023年，2月20日，星期五ABCDADEBC第46页，共150页，2023年，2月20日，星期五第47页，共150页，2023年，2月20日，星期五第48页，共150页，2023年，2月20日，星期五第49页，共150页，2023年，2月20日，星期五第50页，共150页，2023年，2月20日，星期五第51页，共150页，2023年，2月20日，星期五Alterationsofchromosomestructure第52页，共150页，2023年，2月20日，星期五ChangesinChromosomeStructureDeletionChromosome7:WilliamssyndromeDuplicationChromosome15:invdup15TranslocationChromosomes21&14:DownssyndromeChromosomes2&20:AlagillesyndromeInversion第53页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体的不稳定性与癌症

Instability已知在所有癌细胞中都发生了染色体的增加或删减。但这种异常的遗传不稳定性和癌症之间的关系一直未能确定。NazneenRahman等对八个MVA(mosaicvariegatedaneupoidy)家族的DNA进行筛选。第54页，共150页，2023年，2月20日，星期五MVA是一种遗传性的疾病，病人25％的细胞发生了染色体的非整倍性，而且这种病人发生儿童癌症的几率比正常情况下要高。结果发现5个儿童的BUB1B基因的两个拷贝都发生了突变。这5个孩子的非整倍性细胞的百分比很高，而且有两个人已经患上了癌症。BUB1B基因编码一种特殊的能够协助保持染色体数量在细胞间的传递过程中正确无误的蛋白(Nature,2004)。第55页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体结构研究技术染色体核型分析(Karyotypeanalysis)荧光原位杂交技术(FISH)比较基因组杂交(CGH)第56页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体核型分析及其应用价值放射损伤相关。遗传学分析：特别在人类优生优育方面应用广泛。检查胎儿的染色体可用于胎儿早期遗传疾病的检查第57页，共150页，2023年，2月20日，星期五ChromosomeBanding/

KaryotypingBandingpatternisduetodifferentialstainingofdifferentregionsofagivenchromosome第58页，共150页，2023年，2月20日，星期五KaryotypeanalysisGetaphotoofchromosomesCutoffeachchromosomePairingthehomologouschromosomeDrawabaselineinapieceofpaperArrangethechromosomeaccordingtotherulesshowninpreviouspageMeasureeacharmsofthechromosomepairCalculatethefractionofeacharminthetotalarms’lengthGettheshort/longarmratioforeachpairofchromosomeDoastatisticsforatleast30photos第59页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体核型分型(Karyotyping)染色体核型分析是遗传学科学研究和辅助临床诊断的重要手段之一,是分析染色体异位和缺失,诊断各种遗传疾病的关键指标。染色体计数染色体边缘着色(便于分辨接触的染色体)分割接触及重叠的染色体选择G,R&Q核型模式，并显示合适的分带分辨率记忆已分析分带类型、分辨率、种属多个染色体模板供选择，适合不同种类样品特殊染色体比较第60页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体核型分析自动分割染色体同时也是一个图像识别/模式识别的问题第61页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体自动配对,核型分析第62页，共150页，2023年，2月20日，星期五染色体分析报告(样本)

左为外周血染色体分析报告;右为腔液染色体分析报告第63页，共150页，2023年，2月20日，星期五FISH(荧光原位杂交)特殊的颜色补偿的颜色(消除颜色的混淆)含染色体核型(颜色/灰度)彩色至灰度转换(用于DAPI标记的分带细微分析)灰度图像DAPI探针标记高度精度定位第64页，共150页，2023年，2月20日，星期五多色彩荧光原位杂交用几种不同颜色的荧光素单独或混合标记的探针，进行原位杂交，同时检测间期细胞或中期细胞中的多个特异核酸序列。克服了常规技术的许多局限，能同时检测多个基因，分辨复杂的染色体易位和微小缺失，区分间期细胞多倍体和超二倍体等。第65页，共150页，2023年，2月20日，星期五第66页，共150页，2023年，2月20日，星期五比较基因组杂交(CGH)比较基因组杂交具有两种优点：无须预先知道受影响的部位；避免制备中期细胞的麻烦。在其允许的范围内，可以系统地检测整个染色体基因组的获得和丢失。不需要制备患者的染色体标本，只需抽取肿瘤组织和正常组织的基因组DNA，分别进行标记后作为探针与正常人染色体杂交即可。第67页，共150页，2023年，2月20日，星期五比较基因组杂交(CGH)带有图像数据库的全自动CGH图像采集系统高精度自动彩色/灰度DAPI核型分析，并可适用于非人类(如小鼠)染色体标本的分析，并可自动记忆已分析分带类型、分辨率、种属自动或手动确定染色体轴向位置，重叠染色体去除单独或组合显示染色体比率图谱第68页，共150页，2023年，2月20日，星期五应用范围临床医学计划生育,新生婴儿遗传疾病研究,妇幼保健科学,遗传学,血液科及血液病,肿瘤细胞扫描绘制基因物理图谱FISH能快速、精确的确定杂交或探针在染色体上的位置和探针与染色体带、端粒、着丝粒的相互关系间期细胞染色体FISH可确定空间位置紧密相连的探针顺序第69页，共150页，2023年，2月20日，星期五致突变研究同时检测染色体结构和数目畸变检测染色体复杂易位，微小损失快速检测间期及单倍体细胞染色体断裂非整倍体和超二倍体检测微核染色体来源进行微核分析检测双着丝粒染色体及无着丝粒染色体等不稳定畸变检测遗传物质损伤后的修复第70页，共150页，2023年，2月20日，星期五4.肿瘤病理学直接检测肿瘤组织染色体数目和结构异常检测癌基因、抑癌基因、病毒序列的有无及拷贝数无需对分离的肿瘤细胞进行细胞培养5.产前诊断直接用孕中期羊水细胞及植入前卵裂球细胞母体外周血分离的胎儿细胞进行分析，无需细胞培养过程，可对间期细胞直接检测分辨，而传统遗传学检测手段无法分辨的异常核型同时检测多种类型的非整倍体发生频率简化绒毛细胞和羊水细胞长期培养及核型分析方法第71页，共150页，2023年，2月20日，星期五新的研究领域(技术)染色体免疫沉淀技术(ChIP)能真实、完整地反映结合在DNA序列上的调控蛋白，是目前确定与特定蛋白结合的基因组区域或确定与特定基因组区域结合的蛋白质的最好方法。ChiP技术和芯片技术的结合有利于确定全基因组范围内染色体蛋白的分布模式以及组蛋白修饰情况。ChIP-on-chip第72页，共150页，2023年，2月20日，星期五该技术和芯片技术联合起来可以帮助分析在整个基因组范围内转录因子的结合位点，称作基因组范围的定位分析(Genome-widelocationanalysis)。一网打尽第73页，共150页，2023年，2月20日，星期五基本原理在活细胞状态下固定蛋白质－DNA复合物，并将其随机切断为一定长度范围内的染色质小片段，然后通过免疫学方法沉淀此复合体，特异性地富集目的蛋白结合的DNA片段，通过对目的片断的纯化与检测，从而获得蛋白质与DNA相互作用的信息。第74页，共150页，2023年，2月20日，星期五CHIP不仅可以检测体内反式因子与DNA的动态作用，还可以用来研究组蛋白的各种共价修饰与基因表达的关系。CHIP与其他方法的结合，可以扩大了其应用范围，如CHIP与基因芯片相结合建立的CHIP-on-chip方法已广泛用于顺式作用因子的高通量筛选。第75页，共150页，2023年，2月20日，星期五ChIP技术的示意图甲醛处理使(DNA结合)蛋白质与DNA交联超声波将染色质打断成一定大小通过抗体沉淀蛋白质－DNA交联复合体解除交联，纯化DNA实时定量PCR检测DNA的量第76页，共150页，2023年，2月20日，星期五应用组蛋白修饰酶的抗体作为“生物标记”转录调控分析药物开发研究有丝分裂研究DNA损伤与凋亡分析第77页，共150页，2023年，2月20日，星期五分析与思考全部染色体事件与染色体的关系：染色体的静态与动态；Xist：X染色体基因表达的失活DNA甲基化核小体易位…染色体“呼吸ing”…第78页，共150页，2023年，2月20日，星期五阶段总结染色体是动态的，不是一成不变的染色体群体水平的变化与个体水平变化的关系(物种进消)第79页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA复制(生物合成)

DNABiosynthesis,Replication第80页，共150页，2023年，2月20日，星期五基本概念复习与回顾DNA复制(DNAreplication)原核DNA复制真核DNA复制线粒体DNA复制复制亲代DNA子代DNA子代DNA第81页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA复制的基本内容复制的方式半保留复制(semi-conservativereplication)复制的高保真性(highfidelity)双向复制(bidirectionalreplication)半不连续复制(semi-discontinuousreplication)第82页，共150页，2023年，2月20日，星期五半保留复制遗传物质的保守性保守=?=保真第83页，共150页，2023年，2月20日，星期五

双向复制原核DNA复制分子克隆中大量使用！第84页，共150页，2023年，2月20日，星期五foryeast第85页，共150页，2023年，2月20日，星期五foryeast第86页，共150页，2023年，2月20日，星期五真核DNA复制第87页，共150页，2023年，2月20日，星期五复制的半不连续性领头链//前导链随从链//后随链(不连续片段：冈崎片段)半不连续性

“半连续性”第88页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA复制的酶学

TheEnzymologyofDNAReplication第89页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA复制之应用广泛用于DNA标记过程中标记探针DotblotNorthernblotSouthernblot标记物质的种类：同位素(isotope)：放射自显影生物素(biotin)：卵白素(avidin)HRP酶标记荧光素：荧光显微镜直接观察标记底物dATP、dCTP、dGTP、dTTP第90页，共150页，2023年，2月20日，星期五12345678ABCDEFG第91页，共150页，2023年，2月20日，星期五第92页，共150页，2023年，2月20日，星期五BrainHeartSkeletalMuscleColonThymusSpleenKidneyLiverSmallIntestinePlacentaLungPeripheralBloodLeukocyte3.2kb

第93页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA聚合反应的特点DNA新链生成需要引物和模板新链的延长只能沿5’3’方向进行第94页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA聚合酶全称：DNA依赖的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)简称：DNA-pol活性：5’3’的聚合活性核酸外切酶活性第95页，共150页，2023年，2月20日，星期五原核生物的DNA聚合酶DNA-polIDNA-polIIDNA-polIII第96页，共150页，2023年，2月20日，星期五第97页，共150页，2023年，2月20日，星期五第98页，共150页，2023年，2月20日，星期五复制保守性的酶学基础DNA复制根据碱基配对规律进行，是遗传信息能够准确传代的基本原理复制保真性的酶学机制DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读复制的保真性和碱基选择第99页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA复制中的分子解链及DNA分子拓扑学变化DNA分子的碱基埋在双螺旋内部。只有将DNA解开成为单链状态，才能起模板作用。第100页，共150页，2023年，2月20日，星期五拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键分类：拓扑异构酶I拓扑异构酶II第101页，共150页，2023年，2月20日，星期五应用举例TOPOcloning第102页，共150页，2023年，2月20日，星期五拓扑异构酶的作用机制拓扑异构酶I切断DNA双链中的一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶II切断DNA双链中的两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供给能量，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。第103页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA连接酶第104页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA生物合成过程

TheProcessofDNAReplication原核生物的DNA生物合成复制的起始：两个条件DNA解开成双链，提供模板合成引物，提供3‘-OH末端真核生物的DNA生物合成第105页，共150页，2023年，2月20日，星期五第106页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA复制的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。第107页，共150页，2023年，2月20日，星期五第108页，共150页，2023年，2月20日，星期五第109页，共150页，2023年，2月20日，星期五第110页，共150页，2023年，2月20日，星期五第111页，共150页，2023年，2月20日，星期五第112页，共150页，2023年，2月20日，星期五第113页，共150页，2023年，2月20日，星期五第114页，共150页，2023年，2月20日，星期五第115页，共150页，2023年，2月20日，星期五复制的延长注意：边合成，边形成核小体稳定结构第116页，共150页，2023年，2月20日，星期五复制的终止第117页，共150页，2023年，2月20日，星期五第118页，共150页，2023年，2月20日，星期五第119页，共150页，2023年，2月20日，星期五第120页，共150页，2023年，2月20日，星期五第121页，共150页，2023年，2月20日，星期五第122页，共150页，2023年，2月20日，星期五第123页，共150页，2023年，2月20日，星期五北京时间10月5日下午5点30分，2009年诺贝尔生理学或医学奖揭晓，三位美国科学家因在端粒和端粒酶如何保护染色体方面的发现而获奖。

这三位科学家分别为美国加州大学旧金山分校的ElizabethH.Blackburn、美国约翰•霍普金斯大学医学院的CarolW.Greider和哈佛医学院的JackW.Szostak。其中，Blackburn1948年出生于澳大利亚塔斯马尼亚州首府霍巴特；Greider1961年出生于美国加州圣地亚哥；Szostak1952年出生于英国伦敦。

三位科学家将均分1000万瑞典克朗的奖金。

今年的诺贝尔生理学或医学奖授予三位美国科学家，他们解决了生物学中的一个重大问题——细胞分裂期间染色体如何被完整复制，以及染色体如何得到保护不至退化。三位科学家的研究显示，解决方案应该存在于染色体的末端——端粒，以及形成端粒的端粒酶中。

长线状的DNA分子携带着我们的基因，被“包裹”进染色体中，而端粒就相当于染色体末端的“帽子”。ElizabethBlackburn和JackSzostak发现，端粒中一段独特的DNA序列保护染色体免于退化。CarolGreider和ElizabethBlackburn鉴别出了端粒酶，正是这种酶制造了端粒DNA。这些发现解释了，染色体的末端如何受到端粒的保护，以及它们如何由端粒酶而形成。

如果端粒变短，细胞就会衰老。相反，如果端粒酶活性很高，端粒长度就会维持，细胞衰老就会延迟，在癌细胞中就是这种情形，可被认为具有永生。某些遗传性疾病则与此大不相同，它们具有有缺陷的端粒酶，导致细胞损坏。今年的诺贝尔生理学或医学奖认可这种基础性细胞机制的发现，这一发现已经刺激了新型疾病治疗策略的研发。

第124页，共150页，2023年，2月20日，星期五逆转录和其他复制方式

ReverseTranscriptionandOtherReplicationWays第125页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA聚合反应第126页，共150页，2023年，2月20日，星期五第127页，共150页，2023年，2月20日，星期五滚环复制和D环复制滚环复制(rollingcirclereplication)是某些低等生物的DNA复制形式，如ΦX174和M13噬菌体等。第128页，共150页，2023年，2月20日，星期五D环复制(D-loopreplication)线粒体DNA(mitochondrialDNA,mtDNA)的复制方式第129页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA损伤(突变)与修复

DNADamage(Mutation)andRepair第130页，共150页，2023年，2月20日，星期五突变的意义第131页，共150页，2023年，2月20日，星期五引发突变的因素分子医学第132页，共150页，2023年，2月20日，星期五突变的分子改变类型第133页，共150页，2023年，2月20日，星期五第134页，共150页，2023年，2月20日，星期五第135页，共150页，2023年，2月20日，星期五DNA重排DNA分子内部较大片段的交换