第二次课 第二章 DNA结构和染色体.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一节,DNA,的结构,第二节 染色体,第三节,DNA,的复制,第四节,DNA,的复制特点,第五节,DNA,的修复,第六节,DNA,的转座,第二章 染色体与,DNA,遗传物质的本质,一、,DNA,携带两类不同的遗传信息,1,、遗传物质必须具有的特性,DNA,的特征,a,、贮存并表达遗传信息,各异的碱基序列储存大量的遗,传信息,1kb DNA,序列,4,1000,种遗传信息,b,、能把信息传递给子代,DNA,的复制是其表达和传递遗传信息的基础,c,、物理和化学性质稳定,生理状态下物理、化学性质,稳定,d,、具有遗传变化的能力,有突变和修复能力，可稳定遗,传是生物进化的基础,2,、,DNA,携带两种遗传信息,a,、编码蛋白质和,RNA,的信息,(,编码,tRNA,、,rRNA,),64,个三联体密码子,3,个终止密码子,编码氨基酸的,61,个密码子有简并性、通用性,b,、编码基因选择性表达的信息,基因选择性表达,表现在：,细胞周期的不同时相中,个体发育不同阶段,不同的器官和组织,不同的外界环境下基因的表达与否以及量的差异,*,原核生物的结构基因占,Genome,的比例很大,x174phage 5386bp,结构基因用去,5169bp,比例达,96,*,真核生物的结构基因占,Genome,的比例很小,哺乳动物中结构基因只占,10,15,其余,80,以上的,DNA,起什么作用目前还无法精确解释，,但可以肯定其中大部分,DNA,序列是编码基因选择性表达的遗传信息,所以又称调控序列,二、,RNA,也可作为遗传物质,*RNA,病毒,传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组,RNA,、蛋白质外壳）,如,:,烟草花叶病毒,（,Tobacco Mosaic Virus,，,TMV),*,类病毒,（,viroid,）,:,使高等植物产生疾病的传染性因子,只由,RNA,组成,无蛋白质外壳保护,游离的共价闭合环状单链,RNA,分子,三、,是否存在核酸以外的遗传物质,Prion,(,proteinaccous,infections particle),朊病毒蛋白质样的感染因子,羊搔痒病,(,scripie,),人类库鲁（,kuru,）,病,牛海绵状脑炎,(,疯牛病,),均由,传染性病原蛋白颗粒,引起,统称,Prion,(,朊病毒,),Prion,复制,?,转录,?,翻译,?,疾病,症状,发病机理,发现病例,库鲁病（,Kuru,）,共济失调、继发痴呆,通过同类相食（人）传染,约,2600,例,医源性克雅氏病,(,iCJD,）,痴呆，共济失调,通过朊病毒污染的,HGH,，或通过角膜移植,约,80,例,家族性克雅氏病,同上,PrP,基因种系突变,约,100,个家族,零星发生克雅氏病,同上,体细胞突变,PrP,c,自发转变为,PrP,sc,？,每年发生率约百万分之一,克雅氏病新突变体,vCJD,共济失调，常伴有痴呆,牛朊病毒传染？,46,例,GS,综合症（,GSS,）,共济失调，常伴有痴呆,PrP,基因种系突变,约,50,个家族,致死性家族失眠症（,FFI,）,睡眠隔离，接着失眠，痴呆,PrP,基因种系突变（,D178N,和,M129,）,9,个家族,人类朊病毒疾病、症状及发病机理,致死性中枢神经系统的慢性退化,病理表现：大脑皮层的神经原细胞退化、空泡变性、死亡、消失，最终被星状细胞取代，因而造成海棉状态,朊病毒带来了诺贝尔生理,/,医学奖,1997,Stanley,B.Prusiner,发现朊病毒是作为老年性痴呆症等疾病的病原并能在寄主细胞中繁殖传播,第一节,DNA,的结构,嘧啶,Pyrimidines,嘌呤,Purines,一、碱基、核苷、核苷酸,碱基,Nitrogenous bases,Uracil,(U),核苷（,nucleotide,）,糖苷键,Glycosidic,bond,嘧啶的,1,位,N,原子、嘌呤的,9,位,N,原子,核糖是戊糖,RNA,核糖核苷,DNA,脱氧核糖核苷,1,9,核苷酸（,nucleotide acid,）,核苷的磷酸酯 脱氧核糖核苷酸,核糖核苷酸,其中,和,、,和,之间是,高能磷酸键,dNTP,碱基戊糖,核苷 核苷磷酸核苷,酸,核糖核苷三磷酸缩写为,NTP,二、,DNA,分子的一级结构,(DNA sequence),1,、,多聚核苷酸链,主链是核糖和磷酸,侧链为碱基,由,3,5,磷酸二酯键,连接,2,、链的方向：同一个磷酸基,的,3,酯键到,5,酯键的方向,(5,3,),5-UCAGGCUA-3,=UCAGGCUA,默认书写顺序,5,3,3,5,三、,DNA,的二级结构,*,1953.,Watsosn,&Crick,右手,B-DNA Double helix Model,（一）,DNA,双螺旋模型的提出（,double helix model,）,每一单链具有,5,3,极性,两条单链极性相反,反向平行,两条单链间以氢键连接,以中心为轴,，,向 右 盘 旋（,直径,2nm,）,双 螺 旋 中 存 在,大、小 沟,*,双螺旋的主链,磷酸二酯链,(,Phosphodiester,Backbone),C-G,T-A,碱基互补,直径,20,*,双螺旋模型参数,螺距为,34,（任一条链,绕轴一周所升降的距离）,每圈有,10,个核苷酸,（碱基）,有大沟和小沟,配对碱基并不充满双,螺旋空间，且碱基对,占据的空间不对称,两个碱基之间的垂直,距离是,3.4,。螺旋转,角是,36,度,Pitch,34,Rise,3.4,Width 20,Major,Groove,Minor,Groove,10.4,bp,/turn,大、小沟的差异,大沟中碱基差异容易识别，往往是蛋白质因子结合特异,DNA,序列的位点,小沟相对体现的信息较少,（二）,影响双螺旋结构稳定性的因素,l,氢键,(Hydrogen bond 46,kc,/mol),消除,DNA,单链上磷酸基团间的静电斥力,弱键,可加热解链,氢键堆积,有序排列,(,线性,方向,),l,磷酸酯键,(,phosphoester,bond 8090,kc,/mol),l,0.15 mol/L Na,+,生理盐条件,强键,需酶促解链,*,维持稳定性的因素,l,碱基堆积力,(,非特异性结合力,),(1,kc,/mol 0.6kc/mol)n,范德华力（,Van de,waals,force,）,(,1.7A/,嘌呤环与嘧啶环 作用半径,),(,0.34 nm/,碱基对间距,),3.4A,疏水作用力,(,Hydrophobic interaction,),不溶于水的非极性分子在水中相互联合,成串结合的趋势力,.,l,磷酸基团间的静电斥力,碱基内能增加,(,温度,),使氢键,因碱基排列有序状态的破坏,而减弱,*,不稳定因素,（三）双螺旋结构的基本形式,B-DNA,资料来自相对湿度为,92,所得到的,DNA,钠盐纤维,此外人们还发现了,A,、,C,、,D,、,E,等右手双螺旋和左手双螺旋,Z,构象等形式,DNA,结构的多态性：几种不同的,DNA,双螺旋结构以及同 一种双螺旋结构内参数存在差异的现象,原因：多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键,磷酸二酯键的两个,P-O,键、糖苷键、戊糖环各个键,A,B,Z,Handedness,Base Inclination,A,B,Z,大沟宽,小沟窄,小沟窄,大沟变深,小沟宽浅,大沟不存在,小沟窄而深,左手螺旋,左手螺旋是对右手螺旋的一个补充和发展，左手螺旋具有调控基因转录的生物活性。,控制区启动子,不转录,邻近调控转录区与调节区相邻,转录,控制区,负超螺旋低无扭转张力,不转录,负超螺旋程度高有扭转力,转录,远距离调控转录区可在上千个碱基对以外,1,、反向重复序列与二级结构,反向重复序列（,inverted,repeatitive,sequence or inverted repeats,IR,）又称回文序列（廻文）：指两段同样的核苷酸序列同时存在于一个分子中，但具有相反的方向,.,有时也有不完全相同的情况,RNA,和,DNA,中都可能存在,此外还可有,directed,repeatitive,sequence-,正向重复序列,（四）一些,DNA,序列的不寻常结构,C,反向重复序列间间隔较短或无间隔,反向重复序列间间隔较长,*,较短的回文序列可能是作为一种信号,如：,限制性内切酶的识别位点,一些调控蛋白的识别位点,例如限制性内切酶,EcoR,的识别位点,5,GAATTC,3,3,CTTAAG,5,（,1,）形成条件,一股为嘌呤，另一股为嘧啶的核苷酸双链能够形成三链,如：,polyA/polyU,polydA/polydT,polyd,(AG)/,polyd(CT,),2,、三螺旋,DNA,(,Trible,Helix DNA,T.S DNA),可能与基因调控区域的功能和染色体重组有关,PolyT,/A,TTTTTTTTTTT,AAAAAAAAAA,PolyT,/A,TTTTTTTTTTT,AAAAAAAAAA,TTTTTTTTTTT,AAAAAAAAAA,TTTTTTTTTTT,AAAAAAAAAA,D.S.DNA+D.S.DNA,T.S.,DNA+,S.S.,DNA,（,2,）组成形式,第三条链位于,B-DNA,的,Major groove,中,T.S.DNA,的连接键,Watson bonding,A,T,G C,(D.S.DNA),H+,Hoogsteen,氢键,G,C,+,(,质子化,),(,第三链,pH,小于,7),(,Hoogsteen,氢键：在酸性溶液中，胞嘧啶的,N-3,原子被质子化，可与鸟嘌呤,N-7,原子形成氢键，同时胞嘧啶的,N-4,氢原子也可与鸟嘌呤的,O-6,形成氢键，这种氢键被称为,Hoogsteen,氢键。,),三股螺旋,DNA,结构特点总结,第三条单链,DNA,分子,位于,B-DNA,大沟内,与,B-DNA,以,Hoogsteen,键连接,A T,G C,两氢键配对，,C,必需质子化,poly(Py,),:(,Pu,):(,Py,),为常见类型,Trible,helix,Major groove,Py,:,Pu,:,Py,3,ed,3,、,四股螺旋,DNA,(,tetraplex,DNA,Tetrable,Helix DNA,),均有形成,四股螺旋,DNA,的可能,5-,TTAGGG,TTAGGG,TTAGGG,-3,3-,AATCCC,AATCCC,-5,Poly(G),染色体端粒高度重复的,DNA,序列,形成条件串联重复的鸟苷酸,已有实验结果表明真核细胞端粒中存在四链结构,结 构 特 点,碱基之间靠,Hoogsteen,键连接,G,G,G,G,基本结构单元鸟嘌呤四联体,可能的功能,A,、稳定真核生物染色体结构,B,、保证,DNA,末端准确复制,C,、与,DNA,分子的组装有关,D,、与染色体的,meiosis&mitosis,有关,Hoogsteen,Bonding,5-,TTAGGG,TTAGGGTTAGGGT,3-AATCCCAATCCC,GGG,T,A,（五）超螺旋（,superhelix,OR,supercoil,）,最早在,SV40,和多瘤病毒,中发现,超螺旋是所有线性或环,形,DNA,的共有的重要特征,The,supercoils,of the SV40,minichromosome,can be relaxed to generate a circular structure,whose loss of,histones,then generates,supercoils,in the free DNA.,1,、超螺旋结构的方向性,B-DNA,紧缠,overwinding,(,右旋,),正超螺旋（,positive,supercoiled,）,导致左手超螺旋,以一根绳子做实验：,原来的绳子的两股以右旋方向缠绕；在绳子的一端向紧缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个左旋的超螺旋以解除外加捻转的协变,B-DNA,松缠,unwinding,(,左旋,),负超螺旋（,Negative,Supercoiled,）,导致右手超螺旋,在绳子的一端向松缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个右旋的超螺旋以解除外加捻转的协变,超螺旋的形成总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展,所有生物的,DNA,几乎 有,5%,为,Negative,Superhelix,2,、超螺旋状态的描述,1,、可用数学公式描述,Vinograd,方程式,L=T+W (=+),L,连接数（,Linking number,）,双链,DNA,的交叉数，,不发生链断裂时，,L,为定值,T,盘绕数（,Twisting number,）,双链,DNA,的缠绕数，初级螺旋圈数,W,超盘绕数,（,Writhing number,）,直观上为双螺旋在空间的转动数,W=,负值（,negative,superhelix,）,W=,正值,(positive,superhelix,）,第二节 染色体,染色体是遗传信息的主要携带者，存在于细胞核内。,1848,年从鸭趾草种提取出来，,1879,年由,Flemming,提出染色质这一术语。,1883,年美国学者提出了遗传基因在染色体上的学说,1928,年摩尔根证实了染色体是遗传基因的载体，从而获得了生理医学诺贝尔奖。,亲代将自己的遗传物质,DNA,以染色体的形式传给后代,同一物种内每条染色体所带,DNA,量是一定的，但不同染色体或不同物种变化很大,人,X,染色体带有,1.28,亿个核苷酸对，而,Y,染色体只带有,0.19,亿个核苷酸对。,物种 基因组大小,/Mb,单倍体染色体数目,人,3300 23,豌豆,4800 7,线虫,155 11,鼠,2600 21,玉米,2500 10,水稻,430 24,果蝇,278 4,部分动植物及细菌染色体数,人类,22,对常染色体,1.,真核生物与原核生物染色体的异同,真核生物染色体,位于细胞核内，一般在细胞有丝分裂过程中在光学显微镜下可见，而在细胞间期则为染色质，间期细胞经低渗处理溶胀破裂放出纤维串珠状的染色质,。,原核生物,的染色体位于拟核区，染色体环状,位置和形态：,原核生物染色体,外裹着稀疏的蛋白质，这些蛋白质与,DNA,的折叠、复制、重组及转录有关。,真核生物,DNA,和蛋白质完全融合在一起，蛋白质与,DNA,的质量比为,2,：,1,，蛋白质包括组蛋白和非组蛋白,染色体的倍数：,原核生物染色体,一般为单倍体，大多只带有单拷贝基因,每个基因序列几乎都与它所编码的蛋白质呈线性对应关系,真核生物,除性细胞外染色体都是二倍体，有两份同源的基因组。,DNA,与蛋白质的关系,指,DNA,分子所携带遗传信息总和，即指一个细胞所有基因和基因间,DNA,的总和，称基因组。遗传学定义为：一个物种的单倍体的染色体的数目为该物种的基因组。,在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的,DNA,总量是恒定的，称之为,C,值。,基,因、基因组的概念,产生一条多肽链或功能,RNA,所必需的全部核苷酸序列，在遗传学上也称顺反子（,cistron,）。,(,二,),基因组,(,三,)C,值,一个单倍体基因组中,DNA,的总量,(,一,),基因,霉菌,藻类,G+,细菌,G-,细菌,显花植物,鸟类,哺乳类,爬行类,两栖类,硬骨鱼类,软骨鱼类,赖皮类,甲壳类,昆虫类,软体动物,蠕虫类,真菌,枝原体,C value paradox,of nucleotide,A,生物体进化程度高低与,C,值的,相关性不强,B,亲缘关系相近,的生物,C,值相差较大,低等生物单倍体基因组,DNA,的含量与生物复杂性呈正相关，但高等生物这种关系并不一致。,真核生物,DNA,染色体数,（,2C,）（,2N,）,两栖鲵,168.0 pg 24,肺鱼,100 38,蝾螈,85.3 24,警蛙,28.2 24,牛,6.4 60,人,6.4 46,绵羊,5.7 54,果蝇,0.2 8,贝母,196.7 24,豌豆,28 12,玉米,11 20,原核生物,DNA,（,C,）,Salmonella,0.0143 pg,(,沙门氏菌,),E.coli,0.0040,T2,0.00022,0.0000055,174,0.000005,这种形态学的复杂程度与,C,值大小的不一致称为,C,值矛盾。,2.,原核生物基因组,原核生物基因组特点：,基因连续，没有内含子,结构简练：,DNA,分子绝大部分用来编码蛋白质，小部分不转录,DNA,序列控制基因表达,存在转录单元：原核生物,DNA,序列中功能相关的,RNA,和蛋白质基因丛集在基因组的一个或几个特定的部位，形成功能转录单元。并被一起转录为含多个,mRNA,的分子，叫多顺反子,mRNA.,重叠基因：原核生物中的一些细菌和动物病毒中有重叠基因，即同一段,DNA,能携带两种不同的蛋白质信息。,如：,X 174,是一种单链,DNA,病毒，含有,9,个重叠基因，有几种情况：,一个基因完全在另一个基因里，部分重叠，两个基因只有一个碱基重叠。,原核生物基因组具有单个复制起点,3.,真核生物基因组,DNA,真核生物基因组比较大，包括核基因组和细胞器基因组,含有大量的重复序列,基因组的大部分为非编码序列,功能,DNA,序列大多数被不编码非功能,DNA,隔开使基因组不连续,存在大量的顺式作用元件,真核生物的基因为单顺反子,存在大量的,DNA,多态性，具有端粒结构,具有多个复制起始点,染色体,DNA,蛋白质,组蛋白,非组蛋白,4.,真核生物染色体中的蛋白质,蛋白质,组蛋白,H1,、,H2A,、,H2B,、,H3,、,H4,非组蛋白,组蛋白的特征：,进化上极端保守，尤其是,H3,、,H4,，,没有组织特异性，仅发现鸟类两栖类红细胞染色体不含,H1,而带有,H5,精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。,肽链上氨基酸分布不对称，碱性氨基酸分布在,N,端，疏水基团在,C,段。,组蛋白的修饰作用，包括甲基化，乙酰化、磷酸化、及糖基化,修饰作用发生在细胞周期的特定时期和组蛋白的特定位点上。,M,G,1,G,2,S,组蛋白修饰的生物学意义：,乙酰化、甲基化修饰能为相关调控蛋白提供附着位点，一般的乙酰化能选择性使某些染色质区域的结构从紧密变得松散，开放某些基因转录，甲基化和可逆磷酸化的调节在信号转导过程中有重要的作用，是细胞生命活动的调控中心,5.,核小体的结构：,核小体由,H2A,、,H2B,、,H3,、,H4,各两分子组成的八聚体和大约,200bp DNA,组成，八聚体在中间，,DNA,分子盘绕在外，,H1,在核小体的外面。一个核小体中组蛋白和,DNA,比例是,200bp DNA,H2A,、,H2B,、,H3,、,H4,各两个，,H1,一个。,DNA-,核小体,-,螺线管,-,超螺旋,-,染色体,11nm 30nm 300nm 1400nm,7,倍,6,倍,40,倍,5,倍,200bp,约为,68nm,染色质和核小体,DNA,和组蛋白有怎样的关系？,几个有趣的发现：,染色质,DNA,的,Tm,值比纯,DNA,高，说明染色质中的,DNA,可能与蛋白质分子相互作用,染色质状态下,DNA,聚合酶和,RNA,聚合酶催化,DNA,的复制和转录低于自由,DNA,的反应,DNA,酶,1,对染色质,DNA,的消化慢于对纯,DNA,的消化染色质在电子显微镜下为核小体组成的念珠状结构,核酸酶处理染色质得到片段的长度均为,200bp,的倍数,染色体上的非组蛋白：,非组蛋白约占组蛋白的,60%-70%,，种类约有,20-100,种之间，非组蛋白包括酶类,RNA,聚合酶及与细胞分裂有关的酶，核孔复合体蛋白、肌动蛋白等。,特性：,具有多样性和异质性，不同组织的细胞其种类和数量都不相同,对,DNA,具有识别特异性，能识别特异,DNA,序列，识别信息来源于,DNA,序列本身，识别信息促在于双螺旋的大沟内,具有多种动能，参与表达调控，染色质高级结构的形成,几类常见的非组蛋白,HMG,蛋白,（,high mobility group protein,）。,这是一类能用低盐（,0.35mol/L,NaCl,）,溶液抽提、能溶于,2%,的三氯乙酸、相对分子质量较低的非组蛋白，相对分子质量都在,3.010,4,以下。超螺旋,DNA,结合蛋白,。,用,2mol/L,NaCl,除去全部组蛋白和,70%,非组蛋白后，还有一部分蛋白必须用,2mol/L,NaCl,和,5mol/L,尿素才能与,DNA,解离。这些蛋白分子量较低，约占非组蛋白的,20%,，染色质的,8%,。复制、转录,A24,非组蛋白,。,