染色体和DNA分子生物学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二章染色体与DNA第1页主要内容：1、染色体2、DNA结构3、DNA复制4、原核和真核生物DNA复制特点5、DNA修复6、DNA转座第2页遗传物质本质就是核酸DNA是细菌遗传物质DNA是病毒遗传物质DNA是动物细胞遗传物质一些病毒遗传物质是RNA第3页OOHN(nitrogenous base)OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H2OHH53-O核糖(pentose sugar)P-磷酸(phosphate)不论DNA或RNA，都是由许许多多个核苷酸连接而成生物大分子，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1O CH2磷酸酯键4第4页核苷酸共价连接在一起形成多聚核苷酸链第5页组成DNA和RNA分子五种含氮碱基结构式第6页染色体遗传物质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遗传物质以染色体（chromosome）形式传给子代，保持了物种稳定性和连续性。第7页当细胞分裂时,染色体可见第8页原核与真核细胞染色质比较原核细胞中:DNA存在于称为拟核(nucleoid)结构区。每个原核细胞普通只有一个染色体，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，线粒体和叶绿体中都有各自DNA。第9页 Genome size:the length of DNAassociated with one haploidcomplement of chromosomes Gene number:the number of genesincluded in a genome Gene density:the average number ofgenes per Mb of genomic DNA基因组与生物体复杂性基因组(Genome)是由生物体内全部染色体组成第10页各类生物最小基因数随其复杂度而增加第11页第12页染色体特征作为遗传物质，染色体含有以下特征：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；能够指导蛋白质合成，从而控制整个生命过程；能够产生可遗传变异。第13页染色体包含：DNA和蛋白质两大部分。同一物种内每条染色体所带DNA量是一定，但不一样染色体或不一样物种之间改变很大。第14页真核细胞染色体组成由核酸和蛋白质组成：DNA 蛋白质 RNA（还未完成转录而仍与模板DNA相连接，其含量不到DNA10%）第15页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 ofeukaryotes that form the nucleosome,the basicsubunit of chromatin.第16页H3H2B组蛋白组蛋白是染色体结构蛋白：有H1、H2A、H2B、H3及H4五种，与DNA共同组成核小体。H2AH4第17页真核细胞染色体上组蛋白成份分析种类H1H2AH2BH3H4相对分子质量21 00014 50013 80015 30011 300氨基酸数 目223129125135102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百分比0.51111染色质中位置接头关键关键关键关键第18页组蛋白特征 进化上极端保守性 无组织特异性 肽链上氨基酸分布不对称性碱性氨基酸分布在N端；疏水基团在C端 存在较普遍修饰作用甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等第19页The core histones share a commonstructural fold第20页组蛋白修饰（Histone modification）关键组蛋白N-端尾部在核小体结构、DNA-蛋白质相互作用中活跃作用；一些氨基酸残基可被修饰，如乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化，etc.第21页Histone ProteinsHistone Tails are chemicallymodified by many types ofenzymes(core)H2A,H2B,H3&H4NucleosomeDNADNA methylation第22页Zhang Y.,Reinberg D.Genes Dev.;15:2343-2360Sites of modifications on the histoneN tails mainly on K and R)第23页 赖氨酸乙酰化(形成50种异构体)；丝氨酸(H3，H4，H2B)磷酸化；赖氨酸和精氨酸(H3 和 H4)甲基化；其它修饰：如泛素化和ADP-核糖基化。四种关键组蛋白尾部携带巨大表观遗传信息量。组蛋白修饰改变染色质功效第24页组蛋白甲基化修饰 组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶(histonemethyl transferase，HMT)完成。甲基化可发生在组蛋白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，这些不一样程度甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调整基因表示复杂性。组蛋白甲基化与基因激活和与基因缄默相关。组蛋白甲基化修饰方式是最稳定。第25页Active and silent modification at promoter第26页 HAT/HDAC催化H3,H4特定赖氨酸残基乙酰化去乙酰化修饰，实现乙酰化水平动态平衡；特定基因部位组蛋白乙酰化和去乙酰化是以一个非随机、位置特异方式进行;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第27页Histone deacetylation induced byrecruitment of HDAC to gene promotersby different factorsSantiago Ropero,Manel Esteller.Molecular Oncology()19-25.DNA methyl transferases(DNMT)methyl binding protein MeCP2Estrogen雌激素 receptor(ER)transcription factors(E2F,Rb).第28页A model showing a possible effect ofHDAC2 mutation in cancer developmentClass I HDACs are involved ingene transcription-repressionmediated by retinoblastoma(Rb,眼癌)protein.The lost of HDAC2 function couldinduce the hyperacetylation andRe-expression of genes regulatedby retinoblastoma protein Rb(tumor-suppressor),and withcrucial functions in cell cycleregulation.Santiago Ropero,Manel Esteller.Molecular Oncology()19-25.第29页 转录激活、转录延伸 DNA修复、拼接、复制 染色体组装 基因缄默 一些疾病形成 细胞信号转导 基因组整体乙酰化组蛋白乙酰化去乙酰化参加功效第30页组蛋白其它修饰方式 组蛋白还有其它不稳定修饰方式，如磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等。经过各种修饰方式组合,更为灵活影响染色质结构与功效。所以有些人称这些能被专识别修饰信息为组蛋白密码。各种修饰间也存在着相互关联。第31页Ubiquitin ligases and deubiquitinating enzymes responsiblefor monoubiquitination of histones H2A and H2Bwww.frontiersin.org,March|Volume2|Article26|Histone ubiquitinationand deubiquitination in transcription,DNA damage response,and cancer.第32页组蛋白修饰作用机制 经过影响组蛋白与DNA双链亲和性，从而改变染色质疏松或凝集状态，或经过影响转录因子与结构基因开启子亲和性来发挥基因调控作用。第33页关键组蛋白尾部修饰，不但仅影响DNA包装和染色质结构，更主要是这些修饰是表观遗传信息携带者。这种信息既决定了基因是怎样表示，也决定了它们表示方式是怎样在一代细胞和下一代细胞之间保持。在肿瘤、免疫、心血管等疾病发生及其防治中具有十分深远意义。关键组蛋白尾部修饰意义第34页组蛋白修饰是怎样遗传给子染色体Epigenetic inheritance第35页非组蛋白约为组蛋白总量60%70%，可能有20100种(常见有1520种)主要包含酶类(RNA聚合酶)、与细胞分裂有关蛋白。也可能是染色质结构部分。非组蛋白第36页非组蛋白 HMG蛋白(High mobility group protein)能与DNA结合但不牢靠，也能与H1作用；可能与DNA超螺旋结构相关。DNA结合蛋白相对分子量较低，占非组蛋白20，染色质8；可能与DNA复制、转录、修复和重组相关。第37页真核细胞基因组最大特点是它含有大量重复序列，而且功效DNA序列大多被不编码蛋白质非功效DNA所隔开。DNA第38页 C值（C-value）：是指一个生物单倍体基因组DNA总量第39页各种生物细胞内DNA总量比较在真核生物中，C值普通是随生物进化而增加，高等生物C值普通大于低等生物。第40页C值反常现象（C-value paradox）C值往往与种系进化复杂程度不一致，一些低等生物却含有较大C值。第41页真核细胞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7501几个10%80%结构基因序列中度重复序列101104 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第42页蛋白质编码区域只占人类基因组非常小部分第43页17%0.5%Drosophila85%2%Proportion of functional elementswithin genomes13%E.coli70%28%2%YeastS.cerevisiae0.5%1.5%98%Human28%0.5%71%NematodeC.elegans0.5%0.01%Lunfish肺肺鱼鱼(dipnoi)Coding(protein)RNANon-coding82%99.5%第44页Protein coding sequenceHuman genome 2-3%C.elegan genome 25%The majority of transcripts are non-coding RNAsTranscriptional output/complexity第45页The major differences among different organismsare ncRNAs人和黑猩猩基因差异为1，起源于非编码RNA 。人和鼠蛋白质编码基因99%是共同。人个体间单倍体基因组碱基差异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。第46页含有30亿对碱基人类基因组仅含有23万个蛋白质基因，是果蝇两倍，啤酒酵母4倍。显而易见，生 物 复 杂 性不由编码蛋白质数目决定。人类基因组蛋白质编码区占总基因组长度为12，那么其它98基因组有什么功效？在这98非蛋白质编码基因组序列里，约24为插入编码序列内含子序列；人类基因平均每个基因有7个内含子。这么冗长内含子序列有什么生物学功效？人类基因组草图带给科学家们迷惑第47页人类基因组绝大部分都被转录成RNA，细胞内非编码RNA数量是编码RNA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非编码RNA内，而非编码序列内。University of Queensland,AustraliaWashington University School of Medicine,USAUniversity of MassachusettsMedical School,USA第48页Functions of ncRNAs rRNAs and tRNAs RNA maturation:snRNA in recognizing splicingsites RNA modification:snoRNA converting uridineto pseudo-uridine Regulation of gene expression and translation:e.g.,miRNAs DNA replication:e.g.,telomerase RNAs-template for addition of telomeric repeats Etc.第49页由DNA和组蛋白组成染色质纤维细丝是许多核小体连成念珠状结构。电镜下看到染色质结构染色质和核小体第50页试验证据：1、染色质DNATm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DNA复制和转录活性大大低于在自由DNA中反应。3、DNA酶I（DNaseI）对染色质DNA消化远远慢于对纯DNA作用。第51页试验证据：用小球菌核酸酶处理染色质以后进行电泳，便能够得到一系列片段，这些被保留DNA片段均为200bp基本单位倍数。Molecular Biology of the Gene,Figure 7-1第52页146bp DNA+Histoneoctamer(组蛋白八聚体)Nucleosome core(核小体关键)+H1Chromatosome(染色小体 166bp)+linker DNA Nucleosome(核小体)(200 bp of DNA)Nucleosome(核小体)是染色质基本结构单位，由200 bp DNA和组蛋白八聚体组成第53页核小体关键颗粒结构第54页Histone octamer(组蛋白八聚体)Top viewSide view第55页The assembly of anucleosomeMolecular Biology of the Gene,Figure 7-20第56页How does the higher-orderchromatin structure form?第57页(1)Histone H1 binds to the linker DNAbetween nucleosome,inducing tighter DNAwrapping around the nucleosome10 nm fibers第58页The addition of H1 leads to morecompact nucleosomal DNANucleosomal DNA in the presence of histone H1.Nucleosomal DNA in the absence of histone H1.第59页(2)Nucleosome arrays can form morecomplex structures:the 30-nm fiber (“zigzagmodel”)30 nm fibers have 6 nucleosomes/turn,organized into a solenoid.Histone H1 and histone N-terminal tails are required forformation of the 30 nm fiber.This fiber is the basic constituent of both interphasechromatin and mitotic chromosomes.(40-fold compaction)第60页(3)Further compaction of DNA involveslarge loops of nucleosomal DNAAdditional 103-104-fold compaction is required,but the mechanism is unclearThe nuclear scaffold model is proposed第61页From DNA tochromosomeShort region of DNAdouble helix“Beads on a string”form of Chromatin30-nm chromatin fiberof packed nucleosomesSection of chromosomein an extended formCondensed section ofMetaphase chromosomeEntire metaphasechromosome第62页染色体形成过程中长度与宽度改变宽度增加 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)第63页The importance of packing of DNAinto chromosomesChromosome is a compact form of theDNA that readily fits inside the cellTo protect DNA from damageDNA in a chromosome can be transmittedefficiently to both daughter cells duringcell divisionChromosome confers an overallorganization to each molecule of DNA,which facilitates gene expression as wellas recombination第64页真核生物基因组结构特点 真核基因组庞大，普通都远大于原核生物基因组。真核基因组存在大量重复序列。真核基因组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区分。真核基因组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顺式作用元件(开启子、增强子、沉默子)。真核基因组中存在大量DNA多态性：单核苷酸多态性和串连重复序列多态性。真核基因组含有端粒(telomere)结构。保护线性DNA完整复制、保护染色体末端和决定细胞寿命等功效。第65页原核生物基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少.如大肠杆菌DNA相对分子质量仅为4.6106bp，其完全伸展总长约为1.3mm，含4000多个基因。原核生物基因组第66页原核生物基因主要是单拷贝基因，只有极少数基因如rRNA基因以多拷贝形式存在；整个染色体DNA几乎全部由功效基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对应状态。第67页大肠杆菌细胞中基因组DNA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109左右共价、闭合双链分子，通常也称为染色体。第68页原核细胞DNA特点：1、结构简炼原核DNA分子绝大部分是用来编码蛋白质，只有很小一部分控制基因表示序列不转录。这些不转录DNA序列通常是控制基因表示序列。第69页2、存在转录单元原核生物DNA序列中功效相关RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组一个或几个特定部位，形成转录单元,并转录产生含多个mRNA分子，称为多顺反子mRNA。第70页3、有重合基因一些细菌和动物病毒存在重合基因：同一段DNA能携带两种不一样蛋白质信息。第71页1977年，Sanger正式发觉了重合基因：X174感染寄主后共合成9个蛋白质-分子量约2.5105-6,078个核苷酸，而病毒DNA本身只有5 375个核苷酸。Sanger发觉9个基因中有些是重合：1、一个基因完全在另一个基因里面；2、部分重合；3、两个基因只有一个碱基对重叠。第72页DNA结构 一级结构 二级结构 三级结构第73页DNA一级结构 指4种核苷酸连接及其排列次序，表示了该DNA分子化学组成。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CGA3 -5 磷酸二酯键第74页DNA一级结构表示法535ppppOH 3ACTG13线条式5ACTGCATAGCTCGA3字母式结构式第75页碱基、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(thymidylicacid)RNA DNAAMP dAMPGMP dGMPCMP dCMPdTMP尿嘧啶(uracil)尿苷(uridine)尿苷酸(uridylic acid)UMP碱基与糖结合物称为核苷，假如再与一个磷酸脂基相连则形成核苷酸第76页5-dNMP5dNDP5-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物5-NMP5-NDP5-NTPN=A、G、C、UAMPAdenosine monophosphateADPAdenosine diphosphateATPAdenosine triphosphate第77页多聚核苷酸链中新生磷酸糖苷键产生过程单核苷酸5-磷酸基团向核酸链3-OH发起进攻5-NTP是核酸合成前体第78页DNA二级结构 指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成双螺旋结构。第79页DNA双链组成第80页碱基互补配对标准: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）第81页1.X-光衍射试验数据表明DNA是一个规则螺旋结构。是一个规则螺旋结构。DNAdouble helix(DNA双螺旋结构)1953，Watson 和 Crick 基于三个方面发觉,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含量总是与C一样，而A与T也是一样。第82页Rosalind E.Franklin对DNA晶体结构研究为Wilkins获奖奠定了基础。Wilkins1962 Nobel Prize第83页DNA链基本特点1、DNA是由两条相互平行脱氧核苷酸长链盘绕而成。2、DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，组成基本骨架，碱基排列在内侧。3、两条链上碱基经过氢键相结合，形成碱基对。第84页Width 20 MinorGroove(12nm)MajorGroove(22nm)3.4 Pitch34 10.4 bp/turnDNA反向平行双螺旋结构Rise第85页ABZ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2.55nm0.23nm11200很窄很深很宽、浅适中右手2.37nm0.34nm1000很宽较深窄、深细长左手1.84nm0.38nm1270平坦较窄很深A-，B-，Z-型DNA三种结构比较第86页右手螺旋DNA:1.B-DNA:A-T丰富DNA片段2.A-DNA(对基因表示有主要意义）a.DNA-RNA(处于转录状态DNA)b.RNA-RNA(dsRNA)第87页左手螺旋DNAZ-DNA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一个补充和发展。B-DNA是最常见DNA构象，A-DNA和Z-DNA可能含有不一样生物活性。第88页DNA高级结构DNA高级结构是指DNA双螺旋深入扭曲盘绕所形成特定空间结构。超螺旋结构是DNA高级结构主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类，它们在特殊情况下能够相互转变，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松开造成负超螺旋，而拧紧则造成正超螺旋。第89页研究细菌质粒DNA时发觉，天然状态下该DNA以负超螺旋为主，稍被破坏即出现开环结构，两条链均断开则呈线性结构。在电场作用下，相同分子质量超螺旋DNA迁移率线性DNA迁移率开环DNA迁移率，以此可判断质粒结构是否被破坏。第90页Summary 染色体主要成份：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)是染色质基本结构单位。DNA结构一级结构：4种核苷酸连接及其排列次序。二级结构：反向平行双螺旋。三级结构：超螺旋。遗传物质主要载体是染色体。第91页Thank you！第92页