分子生物学3第三章有机体、染色体和基因

第三章有机体、染色体和基因(3、12)本文档共79页；当前第1页；编辑于星期三\1点55分第一节生命有机体第二节原核生物染色体和基因第三节真核生物的染色体第四节真核生物的基因本文档共79页；当前第2页；编辑于星期三\1点55分第一节生命有机体本文档共79页；当前第3页；编辑于星期三\1点55分一、生命有机体的划分按照细胞的结构和遗传物质在细胞内的分布，生命有机体可大致划分为：原核生物（Prokaryotes）真核生物（Eukaryotes）☆原核生物（Prokaryotes）遗传物质－－类核或拟核习惯上也称为染色体类核或拟核本文档共79页；当前第4页；编辑于星期三\1点55分☆真核生物（Eukaryotes）遗传物质集中存在于核膜包围的细胞核中,并与特殊的蛋白质结合为核蛋白－－染色体本文档共79页；当前第5页；编辑于星期三\1点55分本文档共79页；当前第6页；编辑于星期三\1点55分☆超分子的亚细胞生命形式病毒（寄主为动、植物）使用真核生物的遗传法则噬菌体(细菌或病毒)适应了原核生物的遗传策略繁殖必须在寄主体内进行，因而遗传机制与寄主密切相关如：病毒（virus）噬菌体(phage）本文档共79页；当前第7页；编辑于星期三\1点55分原核真核体积小（1－10µm）较大(（5－100µm）核膜无核膜有核膜基因组DNA与非组蛋白结合，基因组位于类核中DNA与组蛋白及非组蛋白结合，形成染色体细胞器无内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体能量代谢无线粒体，氧化还原酶系统位于质膜上氧化还原酶系统位于线粒体中细胞骨架无由微丝、微管和中间纤维组成分裂形式裂殖或出芽有丝分裂和减数分裂真核细胞和原核细胞的区别：本文档共79页；当前第8页；编辑于星期三\1点55分第二节原核生物染色体和基因本文档共79页；当前第9页；编辑于星期三\1点55分一、大肠杆菌（EscherichiacoliE.coli

）1、大肠杆菌在实际工作中的重要性1885TheodorEscherich(德国)原命名为Bacteriumcoli将其属名改为Escherichia是为了纪念发现者经常被当作是所有生物的原型（archetype）本文档共79页；当前第10页；编辑于星期三\1点55分b、生长迅速，要求营养物质简单，能进行很多生理生化过程c、有性生殖，可进行遗传学的研究(如遗传杂交及遗传性状的分析）d、能够供应病毒的生长，进行病毒扩增的研究a、在实验室中容易操作因为:本文档共79页；当前第11页；编辑于星期三\1点55分◙类核中，染色体DNA成分占80％，其余为RNA和蛋白质◙4.6x106bp的基因组DNA与多种DNA结合蛋白质组装成E.coli的染色体◙基因组DNA为双链环状，总长度为1.3mm，1400以上的基因（共3000－4000个）都已定位（1）染色体DNA2、大肠杆菌的遗传物质包括染色体DNA和质粒DNA本文档共79页；当前第12页；编辑于星期三\1点55分☻E.coli的基因结构的特点a、功能相关的几个结构基因以操纵元（operon）的形式存在其中包括共同的调节基因、启动子（promoter）、操作子（operator）,它们在基因转录时协同动作iOperonRegulatoryGenepozyADNAm-RNAβ

-GalactosidasePermeaseTransacetylaseProtein本文档共79页；当前第13页；编辑于星期三\1点55分E.coli染色体的基因图本文档共79页；当前第14页；编辑于星期三\1点55分b、功能相关的RNA基因也串联在一起(rrn操纵元)，如：16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA基因转录在同一个转录产物中d、RNA基因多拷贝大多数的E.coli菌株都含有七个rrn（其中六个分布在E.coliDNA的双向复制起点附近）c、蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在本文档共79页；当前第15页；编辑于星期三\1点55分本文档共79页；当前第16页；编辑于星期三\1点55分3、大肠杆菌的酶类细胞中含有核酸代谢所需的各种酶类

多种限制性内切酶（restrictionendonuclease）只在特异顺序碱基的位点上（迴文序列）与DNA结合，并沿固定的位点切割如：E.coli的EcoRⅠ的识别序列5‘…..G--A--A--T--T--C……3’3’…..C--T--T--A--A--G…….5’限制性内切酶－－－最基本的工具酶，在DNA测序、片段分离、克隆DNA的环节都要用到本文档共79页；当前第17页；编辑于星期三\1点55分二、噬菌体（phage）1、ΦX174噬菌体很小的E.coli噬菌体DNA为单链环状，有5386个核苷酸（FrederickSanger于1977分析测定，为此荣获第二次诺贝尔奖）2、ΦX174噬菌体基因排列更加体现经济原则b、DNA分子绝大部分用来编码蛋白质，不翻译部分只占4％（基因之间的间隔区控制基因表达的序列）a、11个蛋白质基因，只转录成三个mRNA本文档共79页；当前第18页；编辑于星期三\1点55分重迭基因有以下几种情况：

*一个基因完全在另一个基因内部如：B和A＊E和D其读码结构互不相同c、最显著的特点是有重叠基因（overlappinggenes或嵌套基因nestedgenes）

---ATG-----//------AATGCC----//---ATAACG---//--TAA----A*BATGCCN----NNATAA本文档共79页；当前第19页；编辑于星期三\1点55分*部分重叠K和C*两个基因共用少数碱基对

如：A*和CD和J-------ATGA-------CStartcodon-------TAATG-------A*StopcodonDStopcodonJStartcodon本文档共79页；当前第20页；编辑于星期三\1点55分2、λ噬菌体双链DNA长度48502bp(48Kb)*其DNA分子有三种存在形式a、两个粘性末端分离的线性分子COS位点(cohesive-endsite)c、闭合环状分子（粘性末端

互补，DNA连接酶连接）b、带有切刻的环状分子（开环的粘性末端互补后未连接的）本文档共79页；当前第21页；编辑于星期三\1点55分*其基因均是按功能相近的聚集成簇的（两个正调节基因N和Q除外）*存在形式在寄主体内有溶源生长周期（原噬菌体）和溶菌生长周期两种生活途径本文档共79页；当前第22页；编辑于星期三\1点55分第三节真核生物的染色体本文档共79页；当前第23页；编辑于星期三\1点55分一、概述：*真核DNA＋组蛋白核小体*核小体折叠压积染色质（chromatin）（其它的蛋白质和RNA）*大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在（弥散状）

M期－－染色体形式*染色质有两种型a、常染色质：密度较低，能被表达b、异染色质：密度较高，不被表达（着丝粒、端粒）本文档共79页；当前第24页；编辑于星期三\1点55分CellcycleInterphase间期:G1+S+G2Mphase(mitosis有丝分裂):本文档共79页；当前第25页；编辑于星期三\1点55分二、组蛋白（Histone）与Euk.的DNA结合的一类碱性蛋白质*染色体的主要蛋白质组分*富含Lys、Arg等碱性氨基酸，11KD～23KD*核心组蛋白有H2A、H2B、H3和H4，另一种为H1*与DNA紧密结合*保守性强，但H1的保守性较弱H2BH2AH3H4a2a3a1a2a3a1a2a3a1a2a3a1L1L2aN本文档共79页；当前第26页；编辑于星期三\1点55分*组蛋白八聚体（Histoneoctamer）H2A与H2B、H3与H4的亲和力强，通过C端的疏水氨基酸结合两个H3、H4先形成四聚体结合两个H2A和H2B的异二聚体组蛋白八聚体本文档共79页；当前第27页；编辑于星期三\1点55分二、核小体（Nuclearsome）*染色体结构的第一个层次，构成染色质的基本结构单位

*足量的微球菌核酸酶处理染色质可得到＃146bpDNA＋组蛋白八聚体→核小体的核心颗粒

直径约10nm1、核小体的组成本文档共79页；当前第28页；编辑于星期三\1点55分组蛋白八聚体146bp的核心DNA146bp的核心DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.8圈本文档共79页；当前第29页；编辑于星期三\1点55分Mononucleosomestypicallyhave~200bpDNA.End-trimmingreducesthelengthofDNAfirstto~165bp,andthengeneratescoreparticleswith146bp.＃微球菌酶处理所得核小体DNA长度的变化本文档共79页；当前第30页；编辑于星期三\1点55分本文档共79页；当前第31页；编辑于星期三\1点55分Chromatosome166bp,2superhelicalturnHistoneH1*组蛋白H1把核小体“封锁”起来其中，166bp核小体DAN的堆积比为1056nm线性长度→5.6nm螺线管本文档共79页；当前第32页；编辑于星期三\1点55分连接DNA<10to>100bp平均55bpNucleosomeHistoneH1Nucleosomerepeat:Core+linkerDNA200bp2、染色体结构的形成

（1）首先若干个核小体形成念珠状结构

本文档共79页；当前第33页；编辑于星期三\1点55分The10nmfiberisacontinuousstrongofnucleosomes.每个核小体单位包括：200bp左右的DNA、一个组蛋白八聚体、一分子H1本文档共79页；当前第34页；编辑于星期三\1点55分高度有序左手螺旋每圈包括六个核小体30nmfiber(直径30nm)Solenoid(螺线管）（2）30nm纤丝的构成－－

染色质结构的第二层次a、组成本文档共79页；当前第35页；编辑于星期三\1点55分Nuclearmatrix(核基质),proteincomplex30nmfiber300nmb、体内存在状态本文档共79页；当前第36页；编辑于星期三\1点55分从DNA到染色体的过程Compactionratio=8000本文档共79页；当前第37页；编辑于星期三\1点55分Centromere着丝粒Telomere有丝分裂中期的染色体姊妹染色单体Nuclearmatrix核基质30nm纤丝环Chromatid染色单体3、着丝粒（centromere或中心粒)和端粒(telomere)本文档共79页；当前第38页；编辑于星期三\1点55分（1）着丝粒(centromere)Yeastcentromere富含AT,两侧有高度重复的卫星DNA,属异染色质区本文档共79页；当前第39页；编辑于星期三\1点55分a、真核染色体线性DNA末端的特殊DNA序列b、有数百个拷贝的短的正向重复序列,且总是3’端富含G如：人体内5’-TTAGGG-3’c、复制靠端粒酶（telomerase核蛋白)来完成，不同于正常DNA的复制d、端粒DNA形成特殊的二级结构（G四联体形成四链结构）以使染色体末端免遭降解（2）端粒(Telomere)本文档共79页；当前第40页；编辑于星期三\1点55分第四节真核生物的基因本文档共79页；当前第41页；编辑于星期三\1点55分Genome&genes(基因组和基因的关系）Genome:allDNAsequencesinacellGenes:编码某一蛋白质或RNA的一段DNA序列（astretchofcontinuousDNAsequenceencodingaproteinorRNA）C-valueisthequantityofDNAinthegenome(perhaploidsetofchromosomes).C-valueparadox(C值矛盾)referstothelackofacorrelationbetweengenomesizeandgeneticcomplexity本文档共79页；当前第42页；编辑于星期三\1点55分一、相关概念

基因组（genome）：是指细胞或生物体的全套遗传物质，即生物体维持配子或配子体正常功能的全套染色体所含的全部基因（DNA）。allDNAsequencesinacell

比如人基因组的全长为大约3X109对碱基，编码3-4万个基因基因（Genes）：编码某一蛋白质或RNA的一段DNA序列。（astretchofcontinuousDNAsequenceencodingaproteinorRNA）☆基因组和基因本文档共79页；当前第43页；编辑于星期三\1点55分C值（C-value）：一种生物体的单倍体基因组DNA的总量。[

thequantityofDNAinthegenome(perhaploidsetofchromosomes).]☆C值反常理论（C-valueparadox)支原体细菌酵母霉菌蠕虫昆虫鸟类两栖类哺乳类1010109108107106从编码每类生物所需要的DNA的量的最低值看，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本文档共79页；当前第44页；编辑于星期三\1点55分植物鸟类哺乳动物爬行动物两栖动物硬骨鱼软骨鱼棘皮动物甲壳动物昆虫软体动物蠕虫霉菌藻类真菌格兰氏阳性菌格兰氏阴性菌支原体阴影部分为一个门内C-值的范围本文档共79页；当前第45页；编辑于星期三\1点55分

低等动物的C值大于高等动物如：两栖类的C值大于哺乳类肺鱼的C值比哺乳动物大10－15倍同一门中的动物C值变化很大如：两栖类中的C值变化很大，可相差100倍家蝇的比果蝇的大6倍C值反常（C-valueparadox)：基因组的大小与基因组的复杂性之间缺乏一定的联系。（thelackofacorrelationbetweengenomesizeandgenomecomplexity）许多的DNA序列不编码蛋白质表现：本文档共79页；当前第46页；编辑于星期三\1点55分二、真核生物DNA的复性动力学(重新结合动力学Reassociationkinetics）·基因组DNA的提取

·超声处理或剪切到一定的长度 (x100-1000bp)

·温度变性

·退火（Re-annealing）

·测量并捕捉退火过程得出复性动力学曲线C／C0＝1／（1＋kC0t）

(紫外吸收法、羟基磷灰石柱层析法)●真核生物复性动力学研究本文档共79页；当前第47页；编辑于星期三\1点55分HighlyrepetitiveDNAmoderatelyrepetitiveDNAuniqueDNAHumanE.coli三、真核生物基因组的DNA类型高度重复序列、中度重复序列单一序列复性反应分为三相，

每相代表不同复杂长度的序列类型本文档共79页；当前第48页；编辑于星期三\1点55分1、高度重复序列（Highlyrepetitivesequence）分布于着丝点,端粒区（原位杂交）,结构基因两侧往往没有转录功能，（着丝粒纺锤体）占基因组的10-60%,长度2～10bp(6～100bp)，重复数以百万次106许多富含A·T高度重复序列可以用密度梯度离心法分离出来本文档共79页；当前第49页；编辑于星期三\1点55分卫星DNA（SatelliteDNA）：将DNA切成数百个碱基对的片段进行超速离心时，由于富含AT的简单高度重复序列区段浮力密度较小，因而很容易和总体DNA分开，即常会在主要的DNA带的上面有一个次要的带相伴随MousegenomeDNA30%GCinsatelliteDNACsCl离心本文档共79页；当前第50页；编辑于星期三\1点55分ACAAACT,1.1x107拷贝,卫星Ⅰ25%genomeATAAACT,3.6x106拷贝,卫星Ⅱ8%genomeACAAATT,3.6x106拷贝,卫星Ⅲ8%genomeSatellitescomprisemorethan40%ofthegenome果蝇（Drosophila）卫星DNAn5’–ATAAACTATAAACTATAAACT–3’3’–TATTTGATATTTGATATTTGA–5’本文档共79页；当前第51页；编辑于星期三\1点55分（根据重复频率和大小又可分为小卫星和微卫星DNA）☆数目可变的串联重复或小卫星

(Variablenumbertandemrepeats.VNTR)

短的串联重复5-50copies有共同的核心序列，同一群体中个体间重复次数变动很大，所以个体间长度变化很大（DNA长度多态性）可利用其得到DNA指纹图（DNAfingerprinting）本文档共79页；当前第52页；编辑于星期三\1点55分DNA指纹图的制作DNA指纹图在法医上得到广泛应用限制性内切酶切割DNA电泳分离不同长度的DNA片段小卫星探针与之杂交显示不同长度的小卫星片段本文档共79页；当前第53页；编辑于星期三\1点55分微卫星（Microsatellite)又称简单序列重复（simpleSequenceRepeat,SSR)

一般以1－6个碱基为核心序列

存在于基因组的广泛区域：基因的间隔区，内含子，外显子，调控区不同物种，微卫星含量不同：真核生物平均50－150kb一个微卫星不同微卫星在不同物种中丰度不同：哺乳动物基因组，(AC)n最丰富，植物基因组，(AT)n最丰富真核生物基因组中，二核苷酸微卫星最丰富，三核苷酸微卫星比二核苷酸微卫星低10倍，四核苷酸微卫星更少作为DNA分子标记，构建遗传图谱本文档共79页；当前第54页；编辑于星期三\1点55分2、中度重复序列(middlerepetitivesequence)100-几千bp/copy10-104copies/genome占基因组的10％－40％（小鼠占20％，果蝇中占15％）分散在不重复序列之间无编码功能的中度重复序列如：Alu家族有编码功能的中度重复序列

如：rDNAtDNAHistonegene

本文档共79页；当前第55页；编辑于星期三\1点55分a、以Alu序列为代表的不编码序列Alufamily（Alu家族）：在长约300bp的片段中，大多数片段含有一个限制性内切酶AluⅠ的酶切位点（AGCT）均匀分散在整个genome中的非重复序列间在人类genome中占1％～3％Alu序列显然是一个编码7SLRNA的基因衍生来的7SLRNA---一种信号识别颗粒的组分本文档共79页；当前第56页；编辑于星期三\1点55分b、有编码基因产物的中等重复序列rDNAtDNAHistonegenecluster往往以基因家族的形式组织低等真核生物10-20%高等植物80%repetitivesequence高等动物50%本文档共79页；当前第57页；编辑于星期三\1点55分大部分结构基因位于非重复的DNA序列内3、单拷贝序列本文档共79页；当前第58页；编辑于星期三\1点55分四、基因簇与基因家族（Genecluster、Genefamily）

基因家族（Genefamily）:真核生物的基因组中许多来源相同，结构相似、功能相关的一组基因①简单多基因家族：5SrRNA基因家族复杂多基因家族：各个成员并不都是相同的组蛋白基因家族，rRNA、tRNA基因家族目前基因家族可分为三类：基因簇（genecluster）：基因家族的各成员紧密成簇，排列成大段的串联重复单位，定位于染色体的特殊区域③由发育阶段控制的多基因家族：人类珠蛋白的基因家族本文档共79页；当前第59页；编辑于星期三\1点55分串联重复基因簇的特点：各成员之间有高度的序列一致性拷贝数高几十～几百非转录的间隔区短而一致正好满足组蛋白基因、rRNA基因和tRNA的基因产物被细胞大量需要组蛋白基因、rRNA基因和tRNA往往以串联重复基因簇的形式出现本文档共79页；当前第60页；编辑于星期三\1点55分a、组蛋白基因家族（Histonegenefamily）H1H4H2BH3H2A一个重复单位(基因簇genecluster)的组织情况组织方式因不同生物而异：基因次序、转录方向、间隔区的长短、重复频率不转录间隔区参见P359页图12－20不算是典型的串联重复基因簇(有些以散在形式出现)海胆组蛋白基因表达特点：①没有内元②没有多聚A尾巴P359页本文档共79页；当前第61页；编辑于星期三\1点55分b、rRNA基因家族（rDNAgenefamily）海胆450copies烟草750copies果蝇100copiesT18sT5.8sT28s

NT

18sT5.8sT45s41s20s32s28s5.8s18s重复单位的组织一个重复单位内的转录的间隔区（内元）重复单位之间的不转录间隔区本文档共79页；当前第62页；编辑于星期三\1点55分c、tRNA基因tRNA约长70～80bp，其基因约长140bp(内元)串联重复排列，但各重复单位内的各tRNA基因可以不同c、5SrRNA基因简单多基因家族成簇排列、102～103、104拷贝1233不转录的间隔区15SrRNA2假基因重复单位间由重度重复序列隔开本文档共79页；当前第63页；编辑于星期三\1点55分

假基因（Pseudogenes

）：与正常基因结构相似，但没有正常功能的DNA序列P363页d、由发育阶段控制的多基因家族人类珠蛋白基因家族－－－典型的血红蛋白在基因组中可形成稳定的无活性的拷贝珠蛋白血红素α2β2

不同的亚基由各自的基因编码本文档共79页；当前第64页；编辑于星期三\1点55分◘发育过程中的珠蛋白（血红蛋白）的亚基组成两种亚基的编码基因分别形成两个不同的基因簇,并存在于不同的染色体上每个基因簇中的基因按其在发育过程中的表达次序从5’→3’排列在编码链上(其中包括有功能的基因和假基因)α2γ22%97%1%

α-样亚基

β-样亚基本文档共79页；当前第65页；编辑于星期三\1点55分Eachofthea-likeandb-likeglobingenefamiliesisorganizedintoasingleclusterthatincludesfunctionalgenesandpseudogenes.本文档共79页；当前第66页；编辑于星期三\1点55分四、割裂基因（splittinggene）不连续基因（discontinuousgene）、

断裂基因（interruptedgene）概念：编码某一RNA的基因中有些序列并不出现在成熟的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其他的序列隔开P360页的表述有一定的片面性1、割裂基因的发现◘通过成熟mRNA（或cDNA）与编码基因的DNA杂交试验而发现本文档共79页；当前第67页；编辑于星期三\1点55分7introns8exonsR－环鸡的卵清蛋白基因DNA与其mRNA杂交图本文档共79页；当前第68页；编辑于星期三\1点55分1978Gilbert真核生物基因的新概念

Exon(外显子、外元)DNA与成熟RNA间的对应区域氨基酸的编码区（aminoacidcodingregion）非间隔区（unspacer）

isanysegmentofaninterruptedgenethatisrepresentedinthematureRNAproduct原初转录物中通过RNA拼接反应而保留于成熟RNA中的序列或基因中与成熟RNA序列相对应的DNA序列本文档共79页；当前第69页；编辑于星期三\1点55分Intron(内含子、内元)isasegmentofDNAthatistranscribed,butremovedfromwithinthetranscriptbysplicingtogetherthesequences(exons)oneithersideofit.DNA与成熟RNA间的非对应区域氨基酸的非编码区（uncodingregion）间隔区（spacer）但被转录原初转录物中通过RNA拼接反应而被去除的RNA序列或基因中与这种RNA序列相对应的DNA序列R－环（R-loop）：mRNA与编码单链DNA杂交时，不互补的intron部分形成的环本文档共79页；当前第70页；编辑于星期三\1点55分割裂基因前体mRNAIntrons去除Exons连接本文档共79页；当前第71页；编辑于星期三\1点55分PrecursormRNA(pre-mRNA)HeterogeneousnuclearRNA(HnRNA)真核生物基因的转录物又称为所以－－真核生物基因又称为SplittinggeneInterruptedgene间隔基因，断裂基因前体mRNA,核内不均一RNA由于真核生物的绝大多数结构基因都含有内元本文档共79页；当前第72页；编辑于星期三\1点55分2、

SplittingGene的普遍性a)真核生物（Eukaryots）中绝大部分结构基因

tDNA,rDNA

mtDNA,cpDNAb)原核生物（Prokaryots）中SV40大T抗原gene小t抗原gene1984Dr.ChuT4phage的胸苷合成酶gene1017dNtintronSplittinggene并非真核生物所特有本文档共79页；当前第73页；编辑于星期三\1点55分酵母Maturase合成受Cyt.bintronII的自动控制maturase过剩利用intronII编码成熟酶maturase减少提前剪切intronII3、

Splittinggene概念的相对性a)

Intron并非“含而不露”Yeast细胞色素b基因IntronII编码成熟酶本文档共79页；当前第74页；编辑于星期三\1点55分c)

并非真核生物所有的结构基因均为splittinggene

不是splittinggeneb)

Exon并非“表里如一”人类尿激酶原基因ExonI不编码