新版染色质和基因组

一、细菌转化1928年，英国Griffth肺炎双球菌转化试验新版染色质和基因组第1页一、细菌转化1944年Avery等，将加热杀死SⅢ型细菌滤过液分离纯化，提取了多糖、脂类、RNA、蛋白质、DNA等物质。结果发觉起转化作用为DNA，首次证实了遗传信息是由核酸传递。新版染色质和基因组第2页二、噬菌体侵染T2噬菌体由蛋白质和DNA组成，蛋白质含有S而不含P，而DNA则反之。新版染色质和基因组第3页三、感染性RNA新版染色质和基因组第4页三、感染性RNAElectronmicrographoftobaccomosaicvirus.Magnification37,428.ReconstitutionexperimentofFraenkel-ConratandSinger.Thenucleicacid(RNA),nottheproteincomponentofthevirus,controlsinheritance.新版染色质和基因组第5页四、DNA是遗传物质旁证1、细胞核中DNA含量恒定性2、细胞核中DNA在各个时期质恒定性3、配子中DNA含量普通是体细胞中DNA含量二分之一，蛋白质和其它物质则否。4、紫外线诱变作用与DNA关系新版染色质和基因组第6页第二节核酸结构从遗传现象来看，作为遗传物质应满足条件：（1）自我复制能力（2）相正确稳定性（3）多样性（4）可变性新版染色质和基因组第7页第二节核酸结构一、DNA和RNA化学组成二、DNA结构三、RNA结构新版染色质和基因组第8页一、DNA和RNA化学组成核苷酸碱基戊核榶磷酸TACGUDNA中RNA中脱氧核糖（DNA中）核糖（RNA中）新版染色质和基因组第9页新版染色质和基因组第10页新版染色质和基因组第11页二、DNA结构1、DNA一级结构2、DNA二级结构3、DNA高级结构新版染色质和基因组第12页1、DNA一级结构DNA一级结构：

是指DNA分子中4种核苷酸连接方式和排列次序。绝大部分生物DNA分子都由两条单链组成，通常以线性和环状形式存在。Chargaff当量定律：

1943年，英国Chargaff发觉即使不一样DNA其碱基组成显著不一样，但A和T，G和C摩尔含量总是相等，即[A]=[T]、[G]=[C]，所以，嘌呤总含量和嘧啶总含量是相等，即A+G=C+T。新版染色质和基因组第13页1、DNA一级结构新版染色质和基因组第14页RosalindE.Franklin

(1920–1958)JamesD.Watson(1928–)

(ColdSpringHarborLaboratoryResearchLibraryArchives.MargotBennet,photographer.)FrancisCrick(1916–)(ReproducedbypermissionofHerbWeitman,WashingtonUniversity,St.Louis,Missouri.)2、DNA二级结构新版染色质和基因组第15页2、DNA二级结构DoublehelicalstructureofDNA.

(a)DNAmagnifiedtwenty-fivemilliontimesbyscanningtunnelingmicroscopy.(b)Componentparts.(c)Linedrawing.

([a].JohnD.Baldeschweiler.)新版染色质和基因组第16页2、DNA二级结构DNA分子是同两条多核苷酸链组成，两条链围绕着同一轴盘绕，形成一个反向平行双螺旋结构，两条链由碱基对之间氢键互补连接在一起。双螺旋结构使DNA分子有相正确稳定性，两条链反向极性和互补性提供了DNA分子自我复制条件，无尽核苷酸排列序列要求了DNA多样性。新版染色质和基因组第17页3、DNA高级结构是指DNA双螺旋深入扭曲盘旋所形成特定空间结构。超螺旋结构是DNA高级结构主要形式，分为负超螺旋和正超螺旋两种。新版染色质和基因组第18页三、RNA结构1、信使RNA（mRNA）2、核糖体RNA（rRNA）3、转移RNA（tRNA）新版染色质和基因组第19页1、信使RNA（mRNA）是蛋白质结构基因转录单链RNA，作为蛋白质合成模板，载有各种蛋白质中氨基酸序列信息，在蛋白质生物合成中起着传递信息作用。原核生物和真核生物mRNA结构差异：

在原核生物中，通常是几个不一样mRNA连在一起，相互之间由一段短不编码蛋白质间隔序列所分开，这种mRNA称这为多顺反子mRNA；

在真核生物中，mRNA则为一条RNA多聚链。新版染色质和基因组第20页1、信使RNA（mRNA）真核生物mRNA含有一些共同结构特征，如：5‘端有一个特殊帽子结构，即7-甲基鸟苷；3’末端含有多聚腺嘌呤尾巴（长约200nts)。mRNA约占细胞内RNA总量5%~10%，其寿命通常不很长，易被RNA酶降解。新版染色质和基因组第21页2、核糖体RNA（rRNA）核糖体是蛋白质合成装配场所，它由rRNA和蛋白质组成。rRNA约占细胞中RNA总量75%~80%。新版染色质和基因组第22页3、转移RNA（tRNA）是一类小分子量RNA，每条tRNA含有70~90nt。tRNA在翻译过程中起着转运各种氨基酸至核糖体，按照mRNA密码次序合成蛋白质作用。每个细胞中最少有50种tRNA，约占细胞内RNA总量10%~15%。新版染色质和基因组第23页AcomputermodeloftheserinetransferRNA.Theaminoacidbindingsiteisyellow;theanticodonisred.

(.KenEward/SPL/PhotoResearchers.)SpecificityofthegeneticcodemanifestsitselfinthetransferRNA,inwhichaparticularanticodonisassociatedwithaparticularaminoacid.Inthiscase,glutamicacidisattachedtoitspropertransferRNA,whichhastheanticodonCUU.新版染色质和基因组第24页第三节基因结构特征一、基因概念发展二、基因普通结构特征新版染色质和基因组第25页一、基因概念发展19“基因”1865年“遗传因子”19“定位于染色体上”1944年“转化试验”1952年“T2噬菌体侵染试验”1926年《基因论》基因化学本质是DNA19“苯丙酮尿症”1941年“一个基因一个酶”顺反子学说：“一个基因一条多肽链”1961年“操纵子”学说1951年“转座子”概念1967年“插入序列”1977年“断裂基因”1978年内含子与外显子、重合基因新版染色质和基因组第26页二、基因普通结构特征（一）外显子与内含子（二）信号肽序列（三）侧翼序列和调控序列新版染色质和基因组第27页真核生物基因普通结构示意图GC盒AGGA或CAAT盒内含子加帽位点5‘m2GpppNp5‘非编码区起始密码子信号肽序列内含子边界5‘GT外显子终止密码子加poly(A)信号3‘非编码区内含子边界3‘AGTATA盒新版染色质和基因组第28页（一）外显子与内含子真核生物结构基因是断裂基因，普通由若干个外显子和内含子组成。内含子在原始转录产物加工过程中被切除，不包含在成熟mRNA序列中。GT-AG法则：

在每个外显子和内含子接头区，有一段高度保守共有序列，即每个内含子5‘端起始2nts都是GT，3’末端2nts都是AG。图示新版染色质和基因组第29页（二）信号肽序列在分泌蛋白基因编码序列中，在起始密码子之后，有一段编码富含疏水氨基酸多肽序列，称为信号肽序列，它所编码信号肽行使着运输蛋白质功效。信号肽序列在完成份泌过程后将被切除，不留在新生多肽链中。图示新版染色质和基因组第30页（三）侧翼序列和调控序列每个结构因子在第一个和最终一个外显子外侧，都有一段不被转录和翻译非编区，称为侧翼序列其中从转录起始位点至起始密码子称为5‘非翻译区，从终止密码子至转录终止子称为3‘非翻译区。图示新版染色质和基因组第31页侧翼序列虽不被转录和翻译，但它经常含有影响基因表示DNA序列。对基因有效表示起着调控作用特殊序列被统称为调控序列.包含开启子、增强子、缄默子、终止子、核糖体结合位点、加帽和加尾信号等。新版染色质和基因组第32页（三）侧翼序列和调控序列1、开启子2、增强子和缄默子3、终止子4、加尾信号5、核糖体结合位点图示新版染色质和基因组第33页1、开启子★是指准确而有效地启始基因转录所需一段特异核苷酸序列。转录起始位点(+1位)下游区域为正区，上游区域为负区。开启子通常位于转录起始位点上游100bp(-100bp)内，是RNA聚合酶识别和结合位点。图示新版染色质和基因组第34页2、增强子和缄默子增强子也是一个基因调控序列，它可使开启子发动转录能力大大增强，从而显著地提升基因转录效率。增强子作用与它所处位置、方向及与基因距离无关。含有组织特异性和细胞特异性。缄默子：经过与相关蛋白质结合，对转录起阻抑作用，依据需要关闭一些基因转录，能够远距离作用于开启子。其对基因阻遏作用没有方向限制。新版染色质和基因组第35页3、终止子是一段位于基因3‘端非翻译区（UTL）中与终止转录过程相关序列，由一段富含GC颠倒重复序列以及寡聚T组成，是RNA酶停顿工作信号。图示新版染色质和基因组第36页4、加尾信号真核生物mRNA3‘Poly(A)尾巴不是由基因编码，是在转录后经过多聚腺苷酸聚合酶作用加上。此过程受3’UTL中加尾信号控制。图示新版染色质和基因组第37页5、核糖体结合位点SD序列（shine-dalgarnosequence)：在原核生物基因翻译起始位点周围有一组特殊序列，控制着基因翻译过程，SD是其中主要一个。新版染色质和基因组第38页三、真核生物基因组特点（一）基因组和C值（二）单一序列（三）重复序列（四）基因家族和假基因新版染色质和基因组第39页（一）基因组和C值1、基因组狭义：单倍体细胞中全套染色体（人：22条常染色体+X，Y+线粒体DNA）广义：一物种全部遗传物质及其携带遗传信息。详细内容参见第八章基因组学新版染色质和基因组第40页2、C值与C值矛盾C值（Cvalue）：每一个生物中单倍体基因组DNA总量是特异，称这为C值。普通来说，C值与生物结构、功效复杂程度相关，即表现在基因数目和基因产物种类上。新版染色质和基因组第41页不一样生物基因组C值注：基因组长度由公式10bp=3.4nm计算出新版染色质和基因组第42页基因组DNA含量

与物种形态复杂性并不对应新版染色质和基因组第43页C值矛盾C值大小与物种结构组成和功效复杂性没有严格对应关系，这种现象称为C值矛盾。两栖类动物，比如两栖鲵C值是84，其c值竟然比包含人类(3.2)在内哺乳类c值还高近30倍。牛与人DNA含量相等。而豌豆与蚕豆均属豆科，又都有12条染色体，可是DNA含量却相差7倍新版染色质和基因组第44页n值矛盾新版染色质和基因组第45页一些主要模式生物基因数目新版染色质和基因组第46页（二）单一序列UniqueSequence又称非重复序列（nonrepetitivesequence）是指在基因组中只有一个或几个拷贝DNA序列。原核生物除了短片段反向重复序列以及16S、23S、5SrRNA和tRNA基因外，皆为单一序列。真核生物单一序列所占百分比为40%~70%新版染色质和基因组第47页（三）重复序列Repetivesequence重复序列长短：短仅有几个甚至两个核苷酸，长有几百至上千个核昔酸：重复程度：多可在基因织中出现几十万到几百万次，称为高度重复序列，另外一些序列重复几十到几千次，称为中度重复序列。分布：成簇存在于DNA一些部位，或分散分布于整个基因组。新版染色质和基因组第48页不是全部单一序列都是编码多肽链结构基因。真核生物基因组中编码多肽链单一序列仅占有百分之几，绝大部分为基因之间非编码间隔序列。真核基因组中大多数结构基因是单一序列新版染色质和基因组第49页（四）基因家族和假基因1、基因家族Genefamily真核生物基因组中有许多起源相同、结构相同、功效相关基因，这么一级基因称为一个基因家族。基因簇Genecluster：基因家族基因组员紧密连锁，成簇状集中排列在同一条染色体某一区域。如：高等真核生物28S、18S和5.8SrRNA；tRNA基因；珠蛋白基因家族新版染色质和基因组第50页2、假基因在多基因家族中，一些组员并不产生有功效基因产物，但在结构和DNA序列上与对应活性基因含有相同性，这类基因称为假基因(pseudogene)。假基因与有功效基因有同源性，起初可能是有功效基因，但因为缺失、倒位或突变等原因使该基因失去活性成为无功效基因。新版染色质和基因组第51页人类基因组结构编码DNA90Mb人类基因组3000Mb基因和基因相关序列900Mb非编码DNA810Mb拟基因基因片段内含子前导区尾区基因外序列2100Mb重复DNA420Mb单拷贝和低拷贝DNA1680Mb串联重复散在重复卫星DNA小卫星DNA微卫星DNALTR元件LINESINEDNA转座子新版染色质和基因组第52页第四节染色质与染色体一、染色质化学组成二、染色质类型三、染色质包装结构模型四、染色体形态、结构和数目五、核型分析与染色体显带新版染色质和基因组第53页一、染色质化学组成染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少许RNA组成。DNA与组蛋白是染色质稳定成份。新版染色质和基因组第54页组蛋白(histone)是富含带正电荷Lys和Arg碱性蛋白质。组蛋白经过带正电荷氨基(N)末端区域与带负电荷DNA骨架链相互作用。组蛋白有5种：H1；H2A、H2B、H3、H4在功效上分为关键组蛋白(corehistone)和H1组蛋白两组。新版染色质和基因组第55页HistoneSequenceDatabaseNon-RedundantProteinSequenceSetH1/H5

H2A

H2B

H3

H4

/histones/新版染色质和基因组第56页Lastmodified:Thursday,31-Mar-11:24:32ESTHumanHistoneGeneComplement新版染色质和基因组第57页新版染色质和基因组第58页关键组蛋白(corehistone)包含H2A、H2B、H3、H4组蛋白。这4种组蛋白有经过羧基(c)端疏水氨基酸相互作用形成聚合体趋势，而N端带正电荷氨基酸则向四面伸出，方便与DNA分子结合，从而帮助DNA卷曲形成核小体稳定结构。这4种组蛋白没有种属及组织特异性，在进化上高度保守。新版染色质和基因组第59页corehistoneandnucleosome新版染色质和基因组第60页Post-translationalmodifications

Thecolorcodeformodifiedresiduesisasfollows:Navybluebackground MethylationYellowbackground AcetylationRedbackground AmidationPaleblue-greenbackground UbiquitinationPurplebackground PhosphorylationYellowbackgroundwithblackoutline

PhosphorylationandacetylationWhite-on-black Methylationandacetylation新版染色质和基因组第61页H1新版染色质和基因组第62页H2A,N-terminal

新版染色质和基因组第63页H2A,C-terminal

新版染色质和基因组第64页H2B

新版染色质和基因组第65页H3

新版染色质和基因组第66页H4

新版染色质和基因组第67页H1组蛋白H1组蛋白中氨基酸分布与关键组蛋白相反，其碱性区域不在氨基区域，而在羧基区域，它与DNA结合很强烈。H1组蛋白主要是与非组蛋白相结合并与关键组蛋白相互作用，造成染色质超螺旋化，产生高级结构。H1组蛋白含有一定种属和组织特异性，在连接核小体并维持染色质高级结构方面有主要作用。新版染色质和基因组第68页H1histoneandnucleosome新版染色质和基因组第69页非组蛋白(nonhistone)主要是指染色体上与特异DNA序列相结合蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白。主要包含：与DNA和组蛋白代谢、复制、重组、转录调控等亲密相关各种酶类；形成染色质高级结构支架蛋白；含有基因调控作用高迁移率蛋白(HMGprotein)。另外，还有一类可促进DNA包装进精子头部鱼精蛋白。新版染色质和基因组第70页非组蛋白(nonhistone)非组蛋白特征：⑴多样性与组织特异性⑵与DNA结合特异性⑶功效多样性新版染色质和基因组第71页二、染色质类型依据形态特征和染色性能可分为：常染色质(euchromatin)异染色质(heterochromatin)新版染色质和基因组第72页常染色质是指在间期细胞核内，对碱性染料着色浅、染色质纤维折叠压缩程度低、处于较为伸展状态染色质，多存在于核质中。组成常染色质DNA主要是单一序列DNA和中度重复序列DNA。新版染色质和基因组第73页异染色质是指在间期细胞核内，对碱性染料着色深、染色质纤维折叠压缩程度高、处于聚缩状态染色质，常以高度有序结构形式存在于细胞核周围部位。异染色质又分为：结构异染色质(constructiveheterochromatin)兼性异染色质(facultativeheterochromatin)新版染色质和基因组第74页结构异染色质(constructiveheterochromatin)是指在整个细胞周期中，除复制以外，均处于聚缩状态，DNA包装在整个细胞周期中基本没有较大改变异染色质。含有以下特征：

⑴在中期染色体上多定位于着丝粒、端粒、次缢痕及染色体臂内一些节段；⑵主要由相对简单、高度重复DNA序列组成；⑶含有显著遗传惰性，不转录也不编码蛋白质；⑷在复制行为上比常染色质复制晚、聚缩早；⑸占有较大部分核DNA，在功效上参加染色质高级结构形成，作为核DNA转座元件，可引发遗传变异。新版染色质和基因组第75页兼性异染色质(facultativeheterochromatin)是指在一些细胞类型或一定发育阶段，由原来常染色质聚缩，并丧失基因转录活性而变为异染色质染色质。兼性异染色质总量常随不一样细胞类型而改变，染色质经过紧密折叠压缩可能是关闭基因活性一个路径。新版染色质和基因组第76页BarrbodyinepidermalspinouscelllayernuclearappendageinwhitebloodcellsLeft:Barrbody(arrows)intheepidermalspinouscelllayerRight:Nuclearappendage("drumstick")identifiedbyarrowinwhitebloodcells.(Reproduced,withpermission,fromGrumbachMM,BarrML:Cytologictestsofchromosomalsexinrelationtosexanomaliesinman.RecentProgHormRes1958:14:255.)新版染色质和基因组第77页Stainedsexchromatininthenucleiofhumancellsshowingthefemale-indicativeBarrbody(brightspot)andthemale-indicativeYbody(brightspot)

新版染色质和基因组第78页三、染色质包装结构模型一、染色质基本结构单位——核小体二、染色质高级结构新版染色质和基因组第79页新版染色质和基因组第80页螺线管核小体与串珠结构DNA→ChromosomePacking新版染色质和基因组第81页染色质结构基本单位—核小体由关键颗粒和连接区组成；关键颗粒包含由8个组蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4各两个）组成组蛋白关键和包绕在关键表面DNA分子；包绕在组蛋白关键表面DNA长140bp，围绕1¾圈；连接区由DNA分子和H1组蛋白分子组成，长度不定；新版染色质和基因组第82页新版染色质和基因组第83页新版染色质和基因组第84页染色质和染色体多级结构由连接区将许多关键颗粒相连接组成了染色体一级结构；每六个核小体盘绕成直径30nm螺线管，成为染色体二级结构；螺线管深入螺旋化形成0.4um圆筒状结构，称为超螺线管，是染色体三级结构；超螺线管深入缠绕折叠组成染色单体，两条染色单体经过着丝粒相连成为染色体。新版染色质和基因组第85页新版染色质和基因组第86页新版染色质和基因组第87页新版染色质和基因组第88页螺线管(solenoid)新版染色质和基因组第89页四、染色体形态、结构和数目新版染色质和基因组第90页1、染色体形态新版染色质和基因组第91页2、染色体中关键结构染色体和染色单体每一个染色体由两条染色单体组成，同一个染色体中两个染色单体是由一条DNA分子链复制后形成两条子代DNA链所组成，每一条染色单体中有一条DNA分子；着丝粒（主缢痕）：由特殊重复DNA序列和蛋白质结构组成，是细胞有丝分裂时主要结构；着丝粒把染色体分为长臂和短臂；新版染色质和基因组第92页端粒：由特殊重复DNA序