染色体和DNA分子生物学.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,第二,章,染色体与,DNA,主要内容：,1、染色体,2、,DNA,的结构,3、,DNA,的复制,4、原核和真核生物,DNA,的,复制特点,5、,DNA的修复,6、,DNA的转座,遗传物质的本质就是核酸,DNA是细菌的遗传物质,DNA是病毒的遗传物质,DNA是动物细胞的遗传物质,某些病毒的遗传物质是RNA,O,O,H,N,(nitrogenous,base),O,O,（,N,=A,、,G,、,C,、,U,、,T,）,H,H,(,O,)H,2,OH,H,5,3,-,O,核糖,(,pentose,sugar,),P,-,磷酸,(phosphate),无论,DNA,或,RNA,，都是由许许多多个,核苷酸,连,接而成的生物大分子，而每个核苷酸又由,磷酸、,核糖,和,碱基,3,部分组成。,碱基,糖苷键,1,O,CH,2,磷酸酯键,4,核苷酸共价连接在一起形成多聚核苷酸链,组成,DNA,和,RNA,分子的五种,含氮碱基的结构式,染色体,遗传物质的主要载体,染色体在遗传上起,着主要作用,因为亲,代能够将自己的遗,传物质以,染色体,（,chromosome,）,的,形式传给子代，保,持了物种的稳定性,和连续性。,当细胞分裂时,染色体可见,原核与真核细胞,染色质的比较,原核细胞中,:,DNA,存在于称为,拟核,(nucleoid),的,结构区。每个原核细胞一般只有,一个染色体，每个染色体含一个,双链环状,DNA,。,真核细胞中,：,DNA,主要集中在细胞核内，线粒,体和叶绿体中均有各自的,DNA,。,Genome,size,:,the,length,of,DNA,associated,with,one,haploid,complement,of,chromosomes,Gene,number,:,the,number,of,genes,included,in,a,genome,Gene,density,:,the,average,number,of,genes,per,Mb,of,genomic,DNA,基因组与生物体的复杂性,基因组,(Genome),是由生物体内所有的染色体组成的,各类生物的最小基因数随,其复杂度而增加,染色体的特征,作为遗传物质，染色体具有如下特征：,分子结构相对稳定,；,能够,自我复制,，使亲子代之间保持连,续性；,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,。,染色体,包括：,DNA,和,蛋白质,两大部分。,同一物种内每条染色体所带,DNA,的量是,一定的，但不同染色体或不同物种之间,变化很大。,真核细胞染色体的组成,由核酸和蛋白质组成：,DNA,蛋白质,RNA,（,尚未完成转录而仍与模板,DNA,相连接的，其含量不到,DNA,的,10%,）,蛋白质,染色体蛋白主要分为,组蛋白,和,非组蛋,白,两类。,Histones,are,conserved,DNA-binding,proteins,of,eukaryotes,that,form,the,nucleosome,the,basic,subunit,of,chromatin.,H3,H2B,组蛋白,组蛋白,是染色体的,结构蛋白,：,有,H,1,、,H,2,A,、,H,2,B,、,H,3,及,H,4,五种，,与,DNA,共同组成,核小体,。,H2A,H4,真核细胞染色体上的组蛋白成分分析,种类,H,1,H,2,A,H,2,B,H,3,H,4,相对分,子质量,21,000,14,500,13,800,15,300,11,300,氨基酸,数,目,223,129,125,135,102,分离难,易,度,易,较难,较难,最难,最难,保守性,不保守,较保守,较保守,最保守,最保守,染色质,中比例,0.5,1,1,1,1,染色质,中位置,接头,核心,核心,核心,核心,组蛋白的特性,进化上的极端保守性,无组织特异性,肽链上氨基酸分布的不对称性,碱性氨基酸分布在,N,端；疏水基团在,C,端,存在较普遍的修饰作用,甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等,The,core,histones,share,a,common,structural,fold,组蛋白的修饰,（,Histone,modification,）,核心组蛋白,N-,端尾部在核小体结构、,DNA-,蛋白质相互作,用中的活跃作用；,某些氨基酸残基可被修饰，如乙酰化、甲基化、磷酸化、,泛素化，,etc.,Histone,Proteins,Histone,Tails,are,chemically,modified,by,many,types,of,enzymes,(core),H2A,H2B,H3,&,H4,Nucleosome,DNA,DNA,methylation,Zhang,Y.,Reinberg,D.,Genes,Dev.,2001;15:2343-2360,Sites,of,modifications,on,the,histone,N,tails,(mainly,on,K,and,R),赖氨酸的乙酰化,(,形成,50,种,异构体,),；,丝氨酸,(H3,，,H4,，,H2B),的,磷酸化；,赖氨酸和精氨酸,(H3,和,H4),的甲基化；,其它修饰：如泛素化和,ADP-,核糖基化。,四种核心组蛋白尾部携带巨,大的表观遗传信息量。,组蛋白的修饰改变,染色质的功能,组蛋白的甲基化修饰,组蛋白的甲基化是由,组蛋白甲基化转移酶,(histonemethyl,transferase,，,HMT),完成的。,甲基化可发生在组蛋白的,赖氨酸,和,精氨酸,残基上,:,赖氨酸残基能够发生单、双、三甲基化,;,精氨酸残基,能够单、双甲基化，这些不同程度的甲基化极大地增,加了组蛋白修饰和调节基因表达的复杂性。,组蛋白的甲基化与,基因激活,和与,基因沉默,相关。,组蛋白的甲基化修饰方式是最稳定的。,Active,and,silent,modification,at,promoter,HAT/HDAC催化H3,H4特定赖氨酸,残基的乙酰化去乙酰化修饰，,实现乙酰化水平的动态平衡；,特定基因部位的组蛋白乙酰化和,去乙酰化是以一种非随机的、位,置特异的方式进行;,乙酰化去乙酰化修饰影响染,色质结构和基因活化；,高乙酰化：转录活化,；,低乙酰化：转录抑制,。,Histone,acetyltransferase,(HAT),/,Histone,deacetylase,complexes,(HDAC),组蛋,白乙酰基转移酶组蛋白去乙酰化酶,Histone,deacetylation,induced,by,recruitment,of,HDAC,to,gene,promoters,by,different,factors,Santiago,Ropero,Manel,Esteller.,Molecular,Oncology,(2007),19-25.,DNA,methyl,transferases,(DNMT),methyl,binding,protein,MeCP2,Estrogen,雌激素,receptor,(ER),transcription,factors,(E2F,Rb).,A,model,showing,a,possible,effect,of,HDAC2,mutation,in,cancer,development,Class,I,HDACs,are,involved,in,gene,transcription-repression,mediated,by,retinoblastoma,(Rb,眼,癌,),protein.,The,lost,of,HDAC2,function,could,induce,the,hyperacetylation,and,Re-expression,of,genes,regulated,by,retinoblastoma,protein,Rb,(tumor-suppressor),and,with,crucial,functions,in,cell,cycle,regulation.,Santiago,Ropero,Manel,Esteller.,Molecular,Oncology,(2007),19-25.,转录激活、转录延伸,DNA修复、拼接、复制,染色体的组装,基因沉默,某些疾病的形成,细胞的信号转导,基因组的整体乙酰化,组蛋白乙酰化去乙酰化参与的功能,组蛋白的其他修饰方式,组蛋白还有其他不稳定的修饰方式，如,磷酸化,、,腺苷酸化、,泛素化,、,ADP,核糖基化等。,通过多种修饰方式的组合,更为灵活的影响染色质,的结构与功能。所以有人称这些能被专识别的修,饰信息为,组蛋白密码,。,各种修饰间也存在着相互的关联。,Ubiquitin,ligases,and,deubiquitinating,enzymes,responsible,for,monoubiquitination,of,histones,H2A,and,H2B,www.frontiersin.org,March2012|Volume2|Article26|,Histone,ubiquitinationand,deubiquitination,in,transcription,DNA,damage,response,and,cancer.,组蛋白修饰的作用机制,通过影响组蛋白与,DNA,双链的亲和性，从,而改变染色质的疏松或凝集状态，,或通过影响转录因子与结构基因启动子的,亲和性来发挥基因调控作用。,核心组蛋白尾部的修饰，不仅仅影响DNA包装和染,色质结构，更重要的是这些修饰是表观遗传信息的,携带者。,这种信息既决定了基因是怎样表达的，也决定了它,们的表达方式是怎样在一代细胞和下一代细胞之间,保持的。,在肿瘤、免疫、心血管等疾病的发生及其防治中具,有十分深远的意义,。,核心组蛋白尾部修饰的意义,组蛋白修饰是如何遗传给子染色体的,Epigenetic,inheritance,非组蛋白,约为组蛋白总量的,60%,70%,，可,能有,20,100,种,(常见的有,15,20,种),主要包括酶类(RNA聚合酶)、与细胞分裂有,关的蛋白。,也可能是染色质的结构部分。,非组蛋白,非组蛋白,HMG,蛋白,(High,mobility,group,protein),能与DNA结合但不牢固，也能与H,1,作用；,可能与DNA的超螺旋结构有关。,DNA,结合蛋白,相对分子量较低，占非组蛋白的20，染色质,的8；,可能与DNA的复制、转录、修复和重组有关。,真核细胞基因组的最大特点是它含有,大,量的重复序列,，而且,功能,DNA,序列大多,被不编码蛋白质的非功能,DNA,所隔开。,DNA,C,值（,C-value,）,：,是指一种生物单倍体基因组,DNA,的总量,各种生物细胞内,DNA,总量的比较,在真核生物中，,C,值一般是随生物进化而增加的，高等,生物的,C,值一般大于低等生物。,C,值反常现象,（,C-value,paradox,）,C,值往往与种系进化的复杂程度,不一致，某些低等生物却具有较,大的,C,值。,真核细胞,DNA,序列可被分为,3,类,碱基组成,重复次数,占DNA总,量（%）,基因类型,不重复,750,2000,1,几个,10%80%,结构基因,序列,中度,重复序列,10,1,10,4,10%40%,rRNA,tRNA,组蛋白基因,高度,重复序列,6100,数百万次,10%60%,卫星,DNA,蛋白质编码区域只占人类基因组,非常小的部分,17%,0.5%,Drosophila,85%,2%,Proportion,of,functional,elements,within,genomes,13%,E.,coli,70%,28%,2%,Yeast,S.,cerevisiae,0.5%,1.5%,98%,Human,28%,0.5%,71%,Nematode,C.,elegans,0.5%,0.01%,Lunfish,肺鱼,(dipnoi),Coding,(protein),RNA,Non-coding,82%,99.5%,Protein,coding,sequence,Human,genome,2-3,%,C.,elegan,genome,25,%,The,majority,of,transcripts,are,non-coding,RNAs,Transcriptional,output/complexity,The,major,differences,among,different,organisms,are,ncRNAs,人和黑猩猩的基因差别为,1,，来源于,非编码,RNA,。,人和鼠的蛋白质编码基因,99%,是共同的。,人个体间单倍体基因组的,碱基差异,300,万个,，其中,1,万个,(0.3%),出现在,蛋白质编码基因中,，且绝大多数存在于,非编码,RNA,。,含有,30,亿对碱基的人类基因组仅含有,2,3,万个蛋白质基因，是果蝇的两倍，啤,酒酵母的,4,倍。显而易见，,生 物 的 复 杂 性,不由编码蛋白质的数目决定,。,人类基因组的蛋白质编码区占总基因组,长度为,1,2,，那么其他,98,的基因,组有什么功能？,在这,98,的非蛋白质编码基因组序列里，,约,24,为插入编码序列的内含子序列；,人类基因平均每个基因有,7,个内含子。这,么冗长的内含子序列有什么生物学功能？,人类基因组草图带给科学家们的困惑,人类基因组绝大部分都被转录成,RNA,，,细胞内非编码,RNA,的数量是编码,RNA,的上百倍,。这促使许多科学家,认为生物体复杂性被隐藏在它们所输出的非编码,RNA,内，而非编码序列内。,University,of,Queensland,Australia,Washington,University,School,of,Medicine,USA,University,of,Massachusetts,Medical,School,USA,Functions,of,ncRNAs,rRNAs,and,tRNAs,RNA,maturation,:,snRNA,in,recognizing,splicing,sites,RNA,modification,:,snoRNA,converting,uridine,to,pseudo-uridine,Regulation,of,gene,expression,and,translation,:,e.g.,miRNAs,DNA,replication,:,e.g.,telomerase,RNAs,-,template,for,addition,of,telomeric,repeats,Etc.,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。,电镜下看到的染色质结构,染色质和核小体,实验证据,：,1,、染色质,DNA,的,Tm,值,比自由,DNA,高，说,明在染色质中,DNA,极可能与蛋白质分子相,互作用。,2,、在染色质状态下，由,DNA,聚合酶和,RNA,聚合酶催化的,DNA,复制和转录活性,大大低,于在自由,DNA,中的反应,。,3、,DNA,酶,I,（,DNaseI,）对染色质,DNA,的消,化,远远慢于对纯,DNA,的作用。,实验证据,：,用小球菌核酸酶处理染色质,以后进行电泳，便可以得到,一系列片段，这些被保留的,DNA,片段均为,200bp,基本单,位的倍数。,Molecular,Biology,of,the,Gene,Figure,7-1,146bp,DNA,+,Histone,octamer,(,组蛋白八聚体,),Nucleosome,core,(,核,小体核心,),+,H1,Chromatosome,(,染色小,体,166bp),+,linker,DNA,Nucleosome,(,核小体,),(200,bp,of,DNA),Nucleosome,(,核小体,),是染色质的基本结构,单位，由,200,bp,DNA,和组蛋白八聚体组成,核小体核心颗粒结构,Histone,octamer,(,组蛋白八聚体,),Top,view,Side,view,The,assembly,of,a,nucleosome,Molecular,Biology,of,the,Gene,Figure,7-20,How,does,the,higher-order,chromatin,structure,form?,(1),Histone,H1,binds,to,the,linker,DNA,between,nucleosome,inducing,tighter,DNA,wrapping,around,the,nucleosome,10,nm,fibers,The,addition,of,H1,leads,to,more,compact,nucleosomal,DNA,Nucleosomal,DNA,in,the,presence,of,histone,H1.,Nucleosomal,DNA,in,the,absence,of,histone,H1.,(2),Nucleosome,arrays,can,form,more,complex,structures:,the,30-nm,fiber,(“zigzag,model”),30,nm,fibers,have,6,nucleosomes/turn,organized,into,a,solenoid.,Histone,H1,and,histone,N-terminal,tails,are,required,for,formation,of,the,30,nm,fiber.,This,fiber,is,the,basic,constituent,of,both,interphase,chromatin,and,mitotic,chromosomes.,(40-fold compaction),(3),Further,compaction,of,DNA,involves,large,loops,of,nucleosomal,DNA,Additional,10,3,-10,4,-fold,compaction,is,required,but,the,mechanism,is,unclear,The,nuclear,scaffold,model,is,proposed,From,DNA,to,chromosome,Short,region,of,DNA,double,helix,“Beads,on,a,string”,form,of,Chromatin,30-nm,chromatin,fiber,of,packed,nucleosomes,Section,of,chromosome,in,an,extended,form,Condensed,section,of,Metaphase,chromosome,Entire,metaphase,chromosome,染色体形成过程中长度与宽度的变化,宽度增加,长度压缩,第一级,第二级,第三级,第四级,DNA+,组蛋,白,核小体,螺线管,超螺旋,核小体,螺线管,超螺旋,染色体,5,倍,3,倍,13,倍,2.5-5,倍,7,倍,6,倍,40,倍,5,倍,500-1000,倍,8400,倍,(8000-,10000),The,importance,of,packing,of,DNA,into,chromosomes,Chromosome,is,a,compact,form,of,the,DNA,that,readily,fits inside the cell,To,protect DNA,from,damage,DNA,in,a,chromosome,can,be,transmitted,efficiently,to,both,daughter,cells,during,cell,division,Chromosome,confers,an,overall,organization,to,each,molecule,of,DNA,which,facilitates gene expression,as,well,as,recombination,真核生物基因组的结构特点,真核基因组,庞大,，一般都远大于原核生物的基因组。,真核基因组存在大量的,重复序列,。,真核基因组的,大部分为非编码序列,(90,),，是真核生物与,细菌和病毒之间最主要的区别。,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元件,(,启动子、增强子、沉,默子,),。,真核基因组中,存在大量的,DNA,多态性,：单核苷酸多态性和,串连重复序列多态性。,真核基因组具有,端粒,(telomere),结构。保护线性,DNA,的完,整复制、保护染色体末端和决定细胞的寿命等功能。,原核生物,的基因组,很小,，大多只有,一,条染色体,，且,DNA,含量少,.,如大肠杆菌,DNA,的相对分子质量仅为,4.6,10,6,bp,，其完全伸展总长约为,1.3mm,，含,4000,多个基因。,原核生物基因组,原核生物基因,主要是,单拷贝,基因，只,有很少数基因如rRNA基因以多拷,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。,大肠杆菌细胞中基因组,DNA,的电镜显微照片,箭头为环状质粒,DNA,细菌,DNA,是一条相对分子量在,10,9,左右的,共价、闭合双链分子，通常也称为染色体。,原核细胞,DNA,特点：,1,、,结构简炼,原核,DNA,分子的绝大部分是用来编,码蛋白质的，只有很小一部分控制基,因表达的序列不转录。,这些不转录DNA序列通常是控制基因,表达的序列。,2,、,存在转录单元,原核生物,DNA,序列中功能相关的,RNA,和蛋白质基因，往往丛集在基,因组的一个或几个,特定部位,，形成,转,录单元,并转录产生含多个,mRNA,的,分子，称为,多顺反子,mRNA,。,3,、,有重叠基因,一些细菌和动物病毒存在重叠基因：,同一段,DNA,能携带两种不同蛋白质的,信息,。,1977年，Sanger正式发现了,重叠基因,：,X174,感染寄主后共合成,9,个蛋白质-分子量约,2.5,10,5,-,6,078,个核苷酸，,而病毒,DNA,本身只有,5,375,个核苷酸。,Sanger,发现,9,个基因中有些是重叠的：,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。,DNA,的结构,一级结构,二级结构,三级结构,DNA,的一级结构,指,4,种核苷酸的,连接,及其排列顺序,，表示,了该,DNA,分子的,化学,构成,。,许多个脱氧核苷酸,经,3,-5,磷酸二酯键,聚,合而成为DNA链。,5,端,3,端,C,G,A,3,-5,磷酸二酯键,DNA,一级结构的表示法,5,3,5,p,p,p,p,OH,3,A,C,T,G,1,3,线条式,5,ACTGCATAGCTCGA,3,字母式,结构式,碱基、核苷和核苷酸,碱基,腺嘌呤,(adenine),鸟嘌呤,(guanine),胞嘧啶,(cytosine),胸腺嘧啶,(thymine),核苷,腺苷,(adenosine),鸟苷,(guanosine),胞苷,(cytidine),胸苷,(thymidine),核苷酸,腺苷酸,(adenylic,acid),鸟苷酸,(guanylic,acid),胞苷酸,(cytidylic,acid),胸苷酸,(thymidylic,acid),RNA,DNA,AMP,dAMP,GMP,dGMP,CMP,dCMP,dTMP,尿嘧啶,(uracil),尿苷,(uridine),尿苷酸,(uridylic,acid),UMP,碱基与糖的结合物称为核苷，如果再与一个磷酸脂基相连则形成核苷酸,5,-dNMP,5,-dNDP,5,-dNTP,N=,A,、,G,、,C,、,T,腺苷酸及其多磷酸化合物,5,-NMP,5,-NDP,5,-NTP,N=,A,、,G,、,C,、,U,AMP,Adenosine,monophosphate,ADP,Adenosine,diphosphate,ATP,Adenosine,triphosphate,多聚核苷酸链中新生,磷酸糖苷键,的产生过程,单核苷酸,5-,磷酸基团向核酸链的,3-OH,发起进攻,5-NTP,是核酸合成的前体,DNA,的二级结构,指两条多核苷酸链,反向平行,盘绕所生成的,双螺旋结构,。,DNA,双链的组成,碱基互补配对原则:,在DNA分子中，,嘌呤,永远与,嘧啶,配对，,腺嘌呤,（A）=,胸腺嘧啶,（T）,鸟嘌呤,（G）=,胞嘧啶,（C）,1.,X-,光衍射实验数据表明,DNA,是一种规则螺旋结构。,DNAdouble,helix,(DNA,双螺旋结构,),1953,，,Watson,和,Crick,基于三个方面的发现,提出了,DNA,双螺旋模型：,2.,DNA,密度测量说明这种,螺旋结构应有两条链。,3.,不论碱基数目多少，,G,的,含量总是与,C,一样，而,A,与,T,也是一样的。,Rosalind,E.,Franklin,对,DNA,晶体结构的研究为,Wilkins,的获奖奠定了基础。,Wilkins,1962,Nobel,Prize,DNA,链的基本特点,1,、,DNA,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,。,3,、两条链上的碱基通过,氢键,相结合，形成,碱基,对,。,Width,20,Minor,Groove,(12nm),Major,Groove,(22nm),3.4,Pitch,34,10.4,bp/turn,DNA的反向平行双螺旋结构,Rise,A,B,Z,外型,螺旋方向,螺旋直径,碱基直升,每圈碱基数,碱基倾角,大沟,小沟,粗短,右手,2.55nm,0.23nm,11,20,0,很窄很深,很宽、浅,适中,右手,2.37nm,0.34nm,10,0,0,很宽较深,窄、深,细长,左手,1.84nm,0.38nm,12,7,0,平坦,较窄很深,A-,，,B-,，,Z-,型,DNA,三种结构比较,右手螺旋,DNA:,1.,B-DNA:,A-T丰富的DNA片段,2.,A-DNA,(对基因表达有重要意义）,a.,DNA-RNA(处于转录状态的DNA),b.,RNA-RNA,(dsRNA),左手螺旋,DNA,Z-DNA,的研究,1979,年，,Rich,提出左手螺旋,Z-DNA,结,构。它是右手螺旋结构模型的一个补充,和发展。,B-DNA,是最常见的,DNA,构象，,A-DNA,和,Z-DNA,可能具有不同的生物,活性。,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，它们在,特殊情况下可以,相互转变,，如：,拓扑异构酶,拓扑异构酶,溴乙锭,负超螺旋,溴乙锭,松驰,DNA,正超螺旋,双螺旋DNA的松开导致负超螺旋，而拧,紧则导致正超螺旋。,Summary,染色体的主要成分：,DNA,和蛋白质（组蛋白、,非组蛋白）,组蛋白上存在很多修饰。,Nucleosome,(,核小体,),是染色质的基本结构,单位。,DNA,的结构,一级结构：,4,种核苷酸的连接及其排列顺序。,二级结构：反向平行双螺旋。,三级结构：超螺旋。,遗传物质的主要载体是染色体。,Thank,you,！,