遗传的细胞学基础与分子基础

关于遗传的细胞学基础与分子基础第一节染色体的形态特征与分子结构一．染色质与染色体※染色质(chromatin)

：是指间期细胞核内由DNA、组蛋白，非组蛋白及少量RNA组成的，易被碱性染料染色的一种无定形物质，是间期遗传物质在细胞内的存在形式。※染色体(chromosome)：是染色质在细胞分裂过程中经过紧密缠绕、折叠、凝缩、精巧包装而形成的，具有固定形态的遗传物质的存在形式。第2页,共89页，2024年2月25日，星期天染色质常染色质异染色质兼性异染色质组成性异染色质组成性异染色质：指各类细胞的全部发育过程中都处于凝缩状态的染色质。大多位于着丝粒区和端粒区，不具有转录活性。兼性异染色质：指在特定细胞的某一发育阶段所具有的凝缩状态的染色质。第3页,共89页，2024年2月25日，星期天兼性异染色质：巴氏小体（barrbody）第4页,共89页，2024年2月25日，星期天常染色质异染色质化学本质相同，以不同的状态存在，一定条件下可互相转化结构松散结构紧密着色较浅染色较深螺旋化程度低螺旋化程度较高在S期早、中期复制，转录活跃在S期后期复制，转录不活跃染色体大部分区域组成性异染色质：着丝粒、端粒周围兼性异染色质：核膜附近由单一序列和中度重复序列组成组成性异染色质：高度重复序列兼性异染色质：失活的X染色质※

常染色质与异染色质的异同第5页,共89页，2024年2月25日，星期天二．染色体的形态特征与超微结构1．染色体的形态特征每一物种有其特定的染色体形态特征，以有丝分裂中期和早后期为最典型。※染色体的数目因物种而异，同一物种的染色体数目是相对稳定的。第6页,共89页，2024年2月25日，星期天（1）染色体形态和结构相关的术语染色体单体(chromatid)长臂（q）短臂（p）

着丝粒(centromere)随体（satellite）次缢痕（secondconstriction）端粒（telomere）主缢痕（primaryconstriction）第7页,共89页，2024年2月25日，星期天（2）染色体分类染色体类型符号臂比着丝粒指数分裂后形态中央着丝粒染色体M1-1.70.5-0.375V近中着丝粒染色体SM1.7-30.374-0.25L近端着丝粒染色体ST3-70.249-0.125I端着丝粒染色体T﹥70.124-0I第8页,共89页，2024年2月25日，星期天中央着丝粒(M);V近中央着丝粒(SM);L近端着丝粒(ST);I顶端着丝粒(T);I中央着丝粒(M);V近中央着丝粒(SM);L近端着丝粒(ST);I顶端着丝粒(T);I第9页,共89页，2024年2月25日，星期天（3）特殊形态染色体存在于双翅目昆虫幼虫消化道细胞的、有丝分裂间期核中的、一种可见的、巨大的染色体。

双翅目昆虫的幼虫唾腺细胞，多个染色质（500～1000条染色线）重叠成类似染色体状结构。

比一般染色体长100～200倍，粗1000～2000倍。

※多线染色体(唾线染色体)第10页,共89页，2024年2月25日，星期天唾线染色体第11页,共89页，2024年2月25日，星期天最先在鲨鱼中发现，后从鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及某些无脊椎动物的卵母细胞中发现。呈环的DNA区域是RNA合成的活跃场所。※灯刷染色体第12页,共89页，2024年2月25日，星期天2．染色体的超微结构※包括：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。

一级结构：核小体是构成染色质的基本结构单位，是染色质中DNA、RNA和蛋白质组成一种致密的结构。第13页,共89页，2024年2月25日，星期天核小体：八聚体/组蛋白（H3H4和H2AH2B）+140bpDNA分子（缠绕1.75圈）→核心颗粒→之间为60bp的连接DNA片段（linker)→直径11nm圆盘状颗粒→核小体。(压缩1/7)第14页,共89页，2024年2月25日，星期天染色质的二级结构——螺线管

H1参与下，核小体紧密连接、螺旋缠绕（6个/圈）→染色质纤维（30nm）。(压缩1/6)

第15页,共89页，2024年2月25日，星期天

染色质的三级结构——超螺线管

螺线管进一步盘绕形成，直径400nm

(压缩1/40)染色质的四级结构——染色单体

超螺线管再次折叠而成——chromatid

（长2—10uM）(压缩1/5)5㎝/DNA→2-10μm/染色单体长度压缩了近万倍——四级结构螺旋模型。第16页,共89页，2024年2月25日，星期天第17页,共89页，2024年2月25日，星期天第二节染色体在细胞分裂中的行为一．细胞周期二．有丝分裂中的染色体行为三．减数分裂中的染色体行为四．遗传的染色体学说第18页,共89页，2024年2月25日，星期天一．细胞周期（cellcycle）细胞周期：由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，所需的时间称细胞周期。G1期S期G2期M期第19页,共89页，2024年2月25日，星期天二．有丝分裂中的染色体行为（一）有丝分裂的过程第20页,共89页，2024年2月25日，星期天第21页,共89页，2024年2月25日，星期天第22页,共89页，2024年2月25日，星期天Mitosisinaction!第23页,共89页，2024年2月25日，星期天（二）有丝分裂的特点：染色体复制1次，细胞分裂1次，1次分裂1个细胞形成2个细胞，子细胞与母细胞一样。（三）有丝分裂的意义：1、保证了细胞上下代之间遗传物质的稳定性和连续性。2、维持个体的正常生长和发育第24页,共89页，2024年2月25日，星期天三．减数分裂中的染色体行为减数分裂：是一种特殊方式的细胞分裂，是在配子形成过程中发生的，包括两次连续的核分裂，但染色体只复制一次，因而在形成的四个子细胞核中，每个核只含有单倍数的染色体，即染色体数减少一半。第25页,共89页，2024年2月25日，星期天第26页,共89页，2024年2月25日，星期天

1细线期

2偶线期

3粗线期

4双线期

5终变期

6中期I

7后期I

8末期I

减数I

9前期II

10中期II

11后期II

12末期II

减数II减数分裂仅在性母细胞进行。减数分裂有两次分裂:减数第一次分裂和减数第二次分裂。前期I减数间期第27页,共89页，2024年2月25日，星期天1.减数第一次分裂（1）前期I①细线期（凝集期；花束期）:

细长线状，核仁存在。②偶线期（配对期或合线期）:同源染色体开始联会（联会复合体），二价体（四分体）（一）减数分裂（成熟分裂）的过程第28页,共89页，2024年2月25日，星期天联会复合体（SC）染色质侧体中体第29页,共89页，2024年2月25日，星期天③粗线期（重组期）:发生交换，可见二价体。④双线期（合成期）:可见交叉。⑤终变期或称浓缩期:交叉端化。③④⑤第30页,共89页，2024年2月25日，星期天（2）中期I:核膜、核仁消失，着丝粒不分裂。（3）后期I:同源染色体分离，向两极移动，染色体减半。（4）末期I:核膜、核仁重现。第31页,共89页，2024年2月25日，星期天2.减数第二次分裂（1）前期II:每条染色体含2条姊妹染色单体,染色体数是n。（2）中期II:染色体着丝粒排列在赤道板上。（3）后期II:着丝粒纵裂,姊妹染色单体向两极移动。（4）末期II:核膜重新形成。第32页,共89页，2024年2月25日，星期天

中期有丝分裂中期减数分裂中期I和后期I第33页,共89页，2024年2月25日，星期天水稻减数分裂1.粗线期2.终变期3.中期Ⅰ4.后期Ⅰ5.末期Ⅰ6.分裂间期7.前期Ⅱ8.中期Ⅱ9.后期Ⅱ10.末期Ⅱ11.四分体12.单核花粉13.单核分裂花粉14.二核花粉15.成熟花粉第34页,共89页，2024年2月25日，星期天★染色体复制1次，细胞连续分裂2次；

★

1次分裂1个细胞形成4个细胞，子细胞染色体是母细胞一半，每个子细胞遗传信息的组合是不同；

★具有时空性；★前期长而复杂,同源染色体经历了配对、联会、交换，从而使遗传物质发生了重组。（二）减数分裂的特点：第35页,共89页，2024年2月25日，星期天（三）减数分裂的意义1.保证了物种的相对稳定性：第36页,共89页，2024年2月25日，星期天2.为子代的变异提供了物质基础，有利于进化：后期I同源染色体的成员移向两极是随机的，非同源染色体的组合是自由的。第37页,共89页，2024年2月25日，星期天非姊妹染色单体交叉与片断交换第38页,共89页，2024年2月25日，星期天四遗传的染色体学说※由Sutton和Boveri在1902-1903年间首先提出，中心观点是孟德尔的遗传因子由染色体携带。第39页,共89页，2024年2月25日，星期天第40页,共89页，2024年2月25日，星期天第41页,共89页，2024年2月25日，星期天第三节生活周期一．低等植物的生活周期二．高等植物的生活周期三．高等动物的生活周期第42页,共89页，2024年2月25日，星期天一．低等植物的生活周期粗糙脉孢霉（Neurosporacrassa）第43页,共89页，2024年2月25日，星期天二．高等植物的生活周期拟南芥（Arabidopsisthaliana）

第44页,共89页，2024年2月25日，星期天三．高等动物的生活周期黑腹果蝇（Drosophilamelanogaster）

第45页,共89页，2024年2月25日，星期天人类配子形成与生活周期第46页,共89页，2024年2月25日，星期天第47页,共89页，2024年2月25日，星期天第48页,共89页，2024年2月25日，星期天第四节中心法则及其发展一．中心法则与遗传信息流1958年

Crick提出Centraldogma。第49页,共89页，2024年2月25日，星期天二．中心法则的修正与发展RNA的复制RNA反向合成DNARNA的自催化剪接DNA水平上的基因重排RNA编辑基因中内含子的切除和外显子的连接朊粒的感染与繁殖问题第50页,共89页，2024年2月25日，星期天ReplicationRegulationRegulation第51页,共89页，2024年2月25日，星期天1981年，Cech研究组在研究四膜虫时发现，后将这一类是具有催化功能的RNA分称为核酶（ribozyme）。RNA的自催化剪接（self-splicingRNAs

）核酶研究的意义：核酶的发现打破了酶是蛋白质的传统观念，是对中心法则作了重要补充；；RNA作为生物催化剂，具有重要生物学意义，如利用核酶的结构设计合成人工核酶，为治疗或破坏有害基因、肿瘤等疾病提供手段;在生命起源问题上，为先有核酸提供了依据。

第52页,共89页，2024年2月25日，星期天四膜虫rRNA内含子的二级结构四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式5´-端核苷酸序列第53页,共89页，2024年2月25日，星期天GOH3´G5´OH5´3´GOH414G3995´3´3955´3´E1E2I四膜虫RNA的自我剪接5´3´L19RNA具有催化活性的片段第54页,共89页，2024年2月25日，星期天人类免疫球蛋白基因的重排和肽链合成DNA水平上的基因重排（generearangement）第55页,共89页，2024年2月25日，星期天H链：分γ、α、μ、δ、ε五类，基因位于第14号染色体L链λ链：位于第22号染色体κ链：位于第2号染色体第56页,共89页，2024年2月25日，星期天人类免疫球蛋白κ链的基因重排和肽链合成第57页,共89页，2024年2月25日，星期天某些mRNA的核苷酸序列 ，在生成转录产物后还需插入、删除或取代一些核苷酸残基，方能生成具有正确翻译功能的模板，这种遗传信息在mRNA水平上的改变过程，称为RNA编辑。例:血浆载脂蛋白ApoB的编辑作用。RNA编辑（RNAediting）第58页,共89页，2024年2月25日，星期天第59页,共89页，2024年2月25日，星期天基因中内含子的切除和外显子的连接第60页,共89页，2024年2月25日，星期天鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图例1：卵清蛋白基因成熟过程。第61页,共89页，2024年2月25日，星期天鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰第62页,共89页，2024年2月25日，星期天例2:同一转录本,在不同的组织,因剪接差异产生各自不同的mRNA。第63页,共89页，2024年2月25日，星期天1982年PrusinerS.B.以叙利亚仓鼠为实验材料，发现羊瘙痒病（scrapie）的病原体是一种蛋白质，不含核酸，命名为prion，意即ProteinnaceousInfectionONly，译为蛋白质感染因子或朊病毒，Prusiner因此项发现更新了医学感染的概念，获1997年的诺贝尔生理与医学奖。朊粒的感染与繁殖问题第64页,共89页，2024年2月25日，星期天第65页,共89页，2024年2月25日，星期天对蛋白质感染因子的增殖方式有两种解释，一种是重折叠模型（refoldingmodel），一种是晶种模型（Seedingmodel）。第66页,共89页，2024年2月25日，星期天三．表观遗传变异（epigeneticvariation）※表观遗传变异：在基因的DNA序列没有发生改变的情况下，基因功能发生了可遗传的变化，并最终导致了表型的变化。※表观遗传学（Epigenetics）：1942年的时候,WaddingtonC.H.首次提出。几十年后，霍利迪(HolidayR.)提出系统性论断，即表观遗传学研究没有DNA序列变化的、可遗传的基因表达改变的一门学科。它提供了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。第67页,共89页，2024年2月25日，星期天※表观遗传学是与遗传学相对应的概念：遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平变化，如基因突变、基因杂合丢失及基因重组扩增等；表观遗传学则是指基于基因序列不发生改变所导致的基因表达水平变化，如DNA甲基化和染色质构象变化等。第68页,共89页，2024年2月25日，星期天X染色体失活※目前已发现的表观遗传变异主要有：基因组印记组蛋白修饰DNA甲基化RNA编辑（略）第69页,共89页，2024年2月25日，星期天X染色体失活在哺乳动物中，雌雄性个体X染色体的数目不同,这类动物需要以一种方式来解决X染色体剂量的差异。在雌性哺乳动物中,两条X染色体有一个是失活的，称为X染色体的剂量补偿(dosagecompensation)

。X染色体失活的选择和起始发生在胚胎发育的早期,这个过程被X失活中心(X-inactivationcenter,Xic)

所控制，是一种反义转录调控模式。第70页,共89页，2024年2月25日，星期天

X-失活中心存在着X染色体失活相关的特异性转录基因Xist(X-inactive-specifictranscript)

，当失活的命令下达时,这个基因就会产生一个17kb不翻译的RNA与X染色体结合，引发失活。X失活中心还有“记数”的功能，即保持每个二倍体中仅有一条X染色体有活性，其余全部失活。X染色体的失活状态需要表观遗传修饰如DNA甲基化来维持。这种失活可以通过有丝分裂或减数分裂遗传给后代。第71页,共89页，2024年2月25日，星期天XistRNA结合在Ｘ染色体上（见箭头），从而关闭整个Ｘ染色体基因的表达第72页,共89页，2024年2月25日，星期天DNA甲基化

所谓DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5‘-C共价键结合一个甲基基团。在脊椎动物中，CpG二核苷酸是DNA甲基化发生的主要位点。

CpG常成簇存在，人们将基因组中富含CpG的一段DNA称为CpG岛(CpGisland),通常长度在1kb～2kb左右。第73页,共89页，2024年2月25日，星期天正常情况下，人类基因组“垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态，与之相反，CpG岛常位于转录调控区附近，且在正常生理情况下，CpG

岛是非甲基化的。甲基化一般会使基因失活即基因沉默，去甲基化又可以使基因重新恢复活性。体内甲基化状态有三种:持续的低甲基化状态，如持家基因;诱导的去甲基化状态，如发育阶段中的一些基因;高度甲基化状态，如女性的一条缢缩的X染色体。第74页,共89页，2024年2月25日，星期天DNA甲基化影响到基因的表达，与肿瘤的发生密切相关，甲基化状态的改变是致癌作用的一个关键因素。人类的一些癌症常出现整个基因组DNA的低甲基化和CpG岛局部甲基化程度的异常升高，这将导致基因组的不稳定(如染色体的不稳定、可移动遗传因子的激活、原癌基因的表达)。当CpGs异常甲基化会导致所在基因沉默，这与56％的人类基因组编码基因相关，特别是CpG岛甲基化可能会导致抑癌基因转录失活问题。第75页,共89页，2024年2月25日，星期天

有专家指出，可以使用DNA甲基转移酶抑制剂来治疗人和小鼠的癌症，其疗效可能是由于这些抑制剂恢复了肿瘤抑制基因的活性。但是这种导致DNA低甲基化的治疗方式，可能在防止一些癌症发生的同时，也会造成基因组的不稳定并增加其他组织罹患癌症的风险。这些都是需要继续深入研究的问题。DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。第76页,共89页，2024年2月25日，星期天组蛋白修饰----乙酰化和去乙酰化真核细胞基因组和组蛋白紧密地包装在一起，形成一个个核小体，核小体是构成染色质的基本单位。基因的表达需要改变染色质的状态：染色质压缩程度高时基因沉默（即无转录活性），染色质压缩程度较低时基因表达（即有转录活性）。染色质这种动态构象转换是靠DNA甲基化和组蛋白乙酰化修饰可逆调节的。第77页,共89页，2024年2月25日，星期天染色质活性区域即压缩程度低的区域均有去甲基化DNA和高水平的乙酰化组蛋白，相反在染色质非活性区域即压缩程度高的区域，有甲基化DNA和高水平的去乙酰化组蛋白。这种可逆的修饰使得基因表达可以受激素、饮食以及药物等外界因素的调控。第78页,共89页，2024年2月25日，星期天左图组蛋白乙酰化时与DNA的结合松弛，染色质压缩程度低，有转录活性，右图则相反，去乙酰化染色质结构紧密无转录活性。第79页,共89页，2024年2月25日，星期天基因组印记人们在研究中发现,来自双亲的某些等位基因,在子代的表达不同,有些只有父源的基因有转录活性,而母源的同一基因则始终处于沉默状态,另一些基因的情况则相反。这是由于二倍体细胞中来自某一亲本的等位基因或它所在染色体发生了表观遗传修饰,导致不同亲本来源的两个等位基因只有一个可以表达，另一个因甲基化而沉默。在基因组中的这类现象就是基因组印记(genomicimprinting)

。研究者在植物、昆虫和哺乳动物中都发现了基因组印记现象。第80页,共89页，2024年2月25日，星期天

印记发生原因：等位基因的抑制(allelicrepression)被印记控制区(imprintingcontrolregions