第二讲染色体与DNA.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,*,第二讲 染色体与,DNA,一、,DNA,的组成与结构,二、,DNA,聚合酶与,DNA,的合成,三、,DNA,的生理意义及成分分析,四,.C-Value,和,Cot1/2,五、染色体结构,六、染色体的组成,七,.,原核与真核染色体,DNA,比较,一、,DNA,的组成与结构,Avery,在,1944,年的研究报告中写道：“当溶液中酒精的体积达到,9/10,时，有纤维状物质析出。如稍加搅拌，它就会象棉线在线轴上一样绕在硬棒上，溶液中的其它成份则呈颗粒状沉淀。溶解纤维状物质并重复数次，可提高其纯度。这一物质具有很强的生物学活性，初步实验证实，它很可能就是,DNA,（谁能想到！）,”。对,DNA,分子的物理化学研究导致了现代生物学翻天覆地的革命，这更是,Avery,所没有想到。,DNA,的一级结构,:,就是指,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。,核苷酸序列对,DNA,高级结构的形成有很大影响。,例如：,B-DNA,中多聚（,G-C,）区易出现左手螺旋,DNA,（,Z-DNA,）；,反向重复的,DNA,片段易出现发卡式结构等。,DNA,不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的高级结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在，其基本特点是：,1,、,DNA,分子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，它的组成有一定的规律。,这就是嘌呤与嘧啶配对，而且腺嘌呤（,A,）只能与胸腺嘧啶（,T,）配对，鸟嘌呤（,G,）只能与胞嘧啶（,C,）配对。如一条链上某一碱基是,C,，另一条链上与它配对的碱基必定是,G,。碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则。,组成,DNA,分子的碱基虽然只有,4,种，它们的配对方式也只有,A,与,T,，,C,与,G,两种，但是，由于碱基可以任何顺序排列，构成了,DNA,分子的多样性。,例如，某,DNA,分子的一条多核苷酸链有,100,个不同的碱基组成，它们的可能排列方式就是,4,100,。,The accuracy of translation relies on the specificity of base pairing.,The actual rate in bacteria seems to be-10-8-10-10.This corresponds,to-1 error per genome per 1000 bacterial replication cycles,or-10-6 per,gene per generation.,DNA,polymerase,might improve the specificity of complementary base selection at either (or both)of two stages:,It could scrutinize the incoming base for the proper,complementarity,with the template base;for example,by specifically,recongnizing,matching chemical features.This would be a,presynthetic,error control.,Or it could scrutinize the base pair after the new base has been added to the chain,and,in those cases in which a mistake has been made,remove the most recently added base.This would be a proofreading control.,含氮碱基,焦磷酸,键形成,二、,DNA,聚合酶与,DNA,的合成,三、,DNA,的生理意义及成分分析,早在,1928,年英国科学家,Griffith,等人就发现肺炎链球菌使小鼠残废的原因是引起肺炎。细菌的毒性（致病力）是由细胞表面荚膜中的多糖所决定的。具有光滑外表的,S,型肺炎链球菌因为带有荚膜多糖而都能使小鼠发病，而具有粗糙外表的,R,型因为没有荚膜多糖而失去致病力（荚膜多糖能保护细菌免受运动白细胞攻击）。,首先用实验证明基因就是,DNA,分子的是美国著名的微生物学家,Avery,。,Avery,等人将光滑型致病菌（,S,型）烧煮杀首先用实验证明基因就是,DNA,分子的是美国著名的微生物学家,Avery,。,Avery,等人将光滑型致病菌（,S,型）烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细菌自然丧失了致病能力。再用活的粗糙型细菌（,R,型）来侵染小鼠，也不能使之发病，因为粗糙型细菌天然无致病力。当他们将经烧煮杀死的,S,型细菌和活的,R,型细菌混合再感染小鼠时，实验小鼠每次都死了。解剖死鼠，发现有大量活的,S,型（而不是,R,型）细菌。他们推测，死细菌中的某一成分棗转化源（,transforming principle,）将无致病力的细菌转化成病原细菌,。,美国冷泉港卡内基遗传学实验室科学家,Hershey,和他的学生,Chase,在,1952,年从事噬菌体侵染细菌的实验。噬菌体专门寄生在细菌体内。它的头、尾外部都有由蛋白质组成的外壳，头内主要是,DNA,。噬菌体侵染细菌的过程可以分为以下,5,个步骤：,噬菌体用尾部的末端（基片、尾丝）吸附在细菌表面；,噬菌体通过尾轴把,DNA,全部注入细菌细胞内，噬菌体的蛋白质外壳则留在细胞外面；,噬菌体的,DNA,一旦进入细菌体内，它就能利用细菌的生命过程合成噬菌体自身的,DNA,和蛋白质；,新合成的,DNA,和蛋白质外壳，能组装成许许多多与亲代完全相同的子噬菌体；,子代噬菌体由于细菌的解体而被释放出来，再去侵染其他细菌。他们发现被感染的细菌中带有,70%,的噬菌体,DNA,，但只带有,20%,的噬菌体蛋白质。子代噬菌体中带有,50%,标记的,DNA,，却只有,1%,的标记蛋白质。,四,.C-Value,和,Cot1/2,The total amount of DNA in the haploid genome is a characteristic of each living species known as C-value.,Cot1/2 is the product of concentration and time required for 50%,reassociation,given in nucleotide-moles second/liter.,五、染色体结构,DNA molecules are the largest macromolecules in the cell and are commonly packaged into structures called“chromosomes”,most bacteria&viruses have a single chromosome where as,Eukaryotic,cells usually contain many.,任何一条染色体上都带有许多基因，一条高等生物的染色体上可能带有成千上万个基因，一个细胞中的全部基因序列及其间隔序列统称为,genomes,（基因组）。,Genotype(,基因型,),：,The genetic constitution of a given organism(,指某个特定生物体细胞内的全部遗传物质,),。,Phenotype(,表现型,),：,Visible property of any given organism(,某个特定生物体中可观察到的物理或生理现象,),。,Mutations（,突变）：染色体,DNA,中可遗传的核苷酸序列变化。,端粒,端粒,着丝粒,六、染色体的组成,1,染色质和核小体,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；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；,DNA,酶,I,（,DNaseI,）对染色质,DNA,的消化远远慢于对纯,DNA,的作用。染色质的电子显微镜图显示出由核小体组成的念珠状结构，可以看到由一条细丝连接着的一连串直径为,10nm,的球状体。,核小体是由,H2A,、,H2B,、,H3,、,H4,各两个分子生成的八聚体和由大约,200bpDNA,组成的。八聚体在中间，,DNA,分子盘绕在外，而,H1,则在核小体的外面。每个核小体只有一个,H1,。,在核小体中,DNA,盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成,1/7,，,200bpDNA,的长度约为,68nm,，却被压缩在,10nm,的核小体中。但是，人中期染色体中含,3.3109,碱基对，其理论长度应是,180cm,，这么长的,DNA,被包含在,46,个,51m,长的圆柱体（染色体）中，其压缩比约为,104,。,不同式样,精细结构,2,染色体中的核酸组成,不重复序列 在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占,DNA,总量的,40%,80%,。不重复序列长约,750,2000dp,，相当于一个结构基因的长度。单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质，如一个蚕丝心蛋白基因可作为模板合成,104,个丝心蛋白,mRNA,，每个,mRNA,可存活,4d,，共合成,105,个丝心蛋白，这样，在几天之内，一个单拷贝丝心蛋白基因就可以合成,109,个丝心蛋白分子。,中度重复序列 这类重复序列的重复次数在,10,104,之间，占总,DNA,的,10%,40%,。各种,rRNA,、,tRNA,及组蛋白基因等都属这一类。,非洲爪蟾的,18S,、,5.8S,及,28SrRNA,基因是连在一起的，中间隔着不转录的间隔区，这些单位在,DNA,链上串联重复约,5000,次。在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次不同比例的复制，产生,2106,个拷贝，使,rDNA,占卵细胞,DNA,的,75%,，从而使该细胞能积累,1012,个核糖体。,高度重复序列,卫星,DNA,这类,DNA,只在真核生物中发现，占基因组的,10%60%,，由,6100,个碱基组成，在,DNA,链上串联重复几百万次。由于碱基的组成不同，在,CsCl,密度梯度离心中易与其他,DNA,分开，形成含量较大的主峰及高度重复序列小峰，后者又称卫星区带（峰）。,高等真核生物,DNA,无论从结构还是功能看都极为复杂，以小鼠为例：,1.,小鼠总,DNA,的,10,是小于,10bp,的高度重复序列，重复数十万到上百万次,/genome,。,2.,总,DNA,的,20,是重复数千次、长约数百,bp,的中等重复序列。,3.,总,DNA,的,70,是不重复或低重复序列,绝大部分功能基因都位于这类序列中。,着丝粒（,Centromere,）,：是细胞有丝分裂期间纺锤体蛋白质与染色体的结合位点（,attachment point,），这种结合对于染色体对在子细胞中的有序和平均分配至关重要。在酵母中，,centromere,的功能单位长约,130,bp,，富含,AT,碱基对。在高等真核细胞中，centromere,都是由长约,5,10,bp,、方向相同的高度重复序列所组成。,酵母端粒（,Telomeres,）,一般以,100,bp,左右不精确重复序列所组成。,5(,TxGy,)n,3(,AxCy,)n,其中,X,、,Y,一般为,1,4,，单细胞真核生物中,n,常为,20,100,，高等真核生物中,1500,。,染色体末端的线性重复序列不能被,DNA,polymarase,所准确复制，它们一般在,DNA,复制完成以后由,telomarase,合成后加到染色体末端。,Alu,（,家族,DNA）（,长约,300bp,）是人类高度重复序列,因为该序列中带有,Alu,的识别序列而得名。数十万个,Alu,重复序列散布于整个人类基因组中，达到总序列的,1,3,。,Alu,与其它高度重复序列共占人类,DNA,的,10,以上。,3,染色体中的蛋白质,染色体上的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与,DNA,组成核小体。通常可以用,2mol/L,NaCl,或,0.25mol/L,的,HCl,/H,2,SO,4,处理使组蛋白与,DNA,分开。组蛋白分为,H1,、,H2A,、,H2B,、,H3,及,H4,。这些组蛋白都含有大量的赖氨酸和精氨酸，其中,H3,、,H4,富含精氨酸，,H1,富含赖氨酸；,H2A,、,H2B,介于两者之间。,组蛋白的一般特性,1.,进化上的极端保守性。牛、猪、大鼠的,H4,氨基 酸序列完全相同。牛的,H4,序列与豌豆序列相比只有两个氨基酸的差异（豌豆,H4,中的异亮氨基酸,60,缬氨酸,60,，精氨酸,77,赖氨酸,77,）。,H3,的保守性也很大，鲤鱼与小牛胸腺的,H3,只差一个氨基酸，小牛胸腺与豌豆,H3,只差,4,个氨基酸。,2.,无组织特异性。到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及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。,3.,肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基酸 集中分布在,N,端的半条链上。例如，,N,端的半条链上净电荷为,+16,，,C,端只有,+3,，大部分疏水基团都分布在,C,端。,4组蛋白的修饰作用。包括甲基化、乙基化、磷酸化及,ADP,核糖基化等。,5.富含赖氨酸的组蛋白,H5。,赖氨酸24%、丙氨酸 16%丝氨酸13%、精氨酸11%。鸟类、两栖类、鱼类红细胞分离的,H5,均有种的特异性。,非组蛋白的一般特性,染色体上除了存在大约与,DNA,等量的组蛋白以外，还存在大量的非组蛋白。,非组蛋白的多样性。非组蛋白的量大约是组蛋白的,60%,70%,，但它的种类却很多，约在,20-100,种之间，其中常见的有,15-20,种。,非组蛋白的组织专一性和种属专一性。,(3),几类常见的非组蛋,a.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,3.0104,以下。,b.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%,。,七,.,原核与真核染色体,DNA,比较,原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因,如,rRNA,基因,是以多拷贝形式存在；,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。,真核细胞（,Eukaryotic,cells）,果蝇带有,25,倍于,E.,Coli,的,DNA,人类带有,600,倍于,E.,Coli,的,DNA.,Eukaryotic,DNA,中基因密度明显低于原核和病毒。如人,DNA,中平均每毫米只带有,50,个基因,而,E.,Coli,中基因密度每毫米,DNA,带有,2400,个基因！一个人细胞中所带有的,DNA,约有,2m/1.7mm,细菌。成人带有,1X10,14,个细胞，成人体内全部,DNA,的总长度（,Contour Length,）,2X,10,11,Km,