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1、第二章 染色体与DNA第2章-遗传物质染色体与DNA-郜刚-山西师范大学生命科学学院Summary of Avery,Macleod,and McCartys experiment.which demonstrated that DNA is the transforming principle.Simplified view of information flow involving DNA,RNA,and proteins within cells.上一节回顾遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则复制复制 DNA RNA 蛋白质蛋白质 生理功能生理功能复制复制 DNA RNA 蛋白质
2、蛋白质 生理功能生理功能复制复制 DNA RNA 蛋白质蛋白质 生理功能生理功能?tRNA和和rRNAmicro RNAs小小RNA非编码非编码RNA转录转录转录转录反馈反馈翻译翻译翻译翻译反馈反馈转录转录1954年crick70-80年代now123人类基因组染色体2.1 染色体与减数分裂线粒体基因组（一）细胞周期简单回顾图 真核生物细胞周期示意图Centromere locations and designations chromosomes based on centromere location.减数分裂过程示意图 1 细线期细线期 2 偶线期偶线期 3 粗线期粗线期 4 双线期双线期
3、 5 终变期终变期 6 中期中期I 7 后期后期I 8 末期末期I 9 前期前期II 10 中期中期II 11 后期后期II 12 末期末期II水稻花粉母细胞减数分裂各个时相模式图一对染色体减数分裂的生物学意义减数分裂的生物学意义减数分裂是有性生殖生物产生性细胞所进减数分裂是有性生殖生物产生性细胞所进行的细胞分裂方式；而两性性细胞受精结行的细胞分裂方式；而两性性细胞受精结合合(细胞融合细胞融合)产生的合子是后代个体的起产生的合子是后代个体的起始点。始点。减数分裂不仅是生物有性繁殖必不可少的减数分裂不仅是生物有性繁殖必不可少的环节之一，也具有极为重要的遗传学意义环节之一，也具有极为重要的遗传学意
4、义。保证了亲代与子代之间染色体数目的恒定性。保证了亲代与子代之间染色体数目的恒定性。双亲性母细胞双亲性母细胞(2n)(2n)经过减数分裂产生性细经过减数分裂产生性细胞胞(n)(n)，实现了染色体数目的减半；，实现了染色体数目的减半；雌雄性细胞融合产生的合子雌雄性细胞融合产生的合子(及其所发育形及其所发育形成的后代个体成的后代个体)就具有该物种固有的染色体就具有该物种固有的染色体数目数目(2n)(2n)，保持了物种的相对稳定。子代，保持了物种的相对稳定。子代的性状遗传和发育得以正常进行。的性状遗传和发育得以正常进行。为生物的变异提供了重要的物质基础。为生物的变异提供了重要的物质基础。减数分裂中期
5、减数分裂中期 I I，二价体的两个成员的，二价体的两个成员的排列方向是随机的，所以后期排列方向是随机的，所以后期 I I 分别来分别来自双亲的两条同源染色体随机分向两极，自双亲的两条同源染色体随机分向两极，因而所产生的性细胞就可能会有因而所产生的性细胞就可能会有2 2n n种非种非同源染色体的组合形式同源染色体的组合形式(染色体重组，染色体重组，recombination of chromosome)recombination of chromosome)。为生物的变异提供了重要的物质基础。为生物的变异提供了重要的物质基础。另一方面，非姊妹染色单体间的交叉另一方面，非姊妹染色单体间的交叉导致同
6、源染色体间的片段交换导致同源染色体间的片段交换(exchange of segment)(exchange of segment)，使子细胞的，使子细胞的遗传组成更加多样化，为生物变异提供遗传组成更加多样化，为生物变异提供更为重要的物质基础更为重要的物质基础(染色体片断重组，染色体片断重组，recombination of segment)recombination of segment)。同时这。同时这也是连锁遗传规律及基因连锁分析的基也是连锁遗传规律及基因连锁分析的基础。础。为什么染色体如此重要？为什么染色体如此重要？是因为DNA，基因？问题讨论：染色体与基因与DNA之间的关系？表2-1？
7、染色体与染色质染色体与染色质染色质(chromatin)是存在于真核生物间期细胞核内的一种易被碱性染料着色的无定形物质，是伸展开的DNA蛋白质纤维，每一条染色体是由一个线性的、完整的、双螺旋的DNA分子，加上围绕其中的组蛋白和非组蛋白所组成的，是细胞分裂间期遗传物质的存在形式。它是由最基本的单位它是由最基本的单位核小体核小体(nucleosome)成串排列而成的成串排列而成的真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质(chromatin)的的形式存在的形式存在的染色体染色体(chromosome)则是染色质在细胞分则是染色质
8、在细胞分裂过程中经过紧密缠绕、折叠、凝缩、精裂过程中经过紧密缠绕、折叠、凝缩、精巧包装而成的具有固定形态的遗传物质存巧包装而成的具有固定形态的遗传物质存在形式，是高度螺旋化的在形式，是高度螺旋化的DNA蛋白质纤维。蛋白质纤维。特定时期的特殊形式特定时期的特殊形式染色体这一概念除指真核生物细胞分染色体这一概念除指真核生物细胞分裂中期具有一定形态特征的染色质外，裂中期具有一定形态特征的染色质外，现在已扩大为包括现在已扩大为包括原核生物原核生物及及细胞器细胞器在内的基因载体的总称。大部分原核在内的基因载体的总称。大部分原核生物的染色体形态比较简单，它只是生物的染色体形态比较简单，它只是一条裸露的或与
9、少数蛋白质结合的一条裸露的或与少数蛋白质结合的DNADNA或或RNARNA双链或单链分子双链或单链分子染色体在复制之后含有纵向并列的染色体在复制之后含有纵向并列的两条染色单体两条染色单体(chromatidschromatids)，由着丝，由着丝粒粒(centromerecentromere)联在一起联在一起(图图)。每一。每一染色单体的骨架是一条连续的染色单体的骨架是一条连续的DNADNA分子，分子，一般认为细胞分裂中期时看到的染色一般认为细胞分裂中期时看到的染色单体就是由一条单体就是由一条DNADNA蛋白质纤丝重复折蛋白质纤丝重复折叠而成的。叠而成的。选择：一条染色体就是（）条DNA分子A
10、 1，B 2，C 3，D 4 2.1.2真核生物染色体的组成组蛋白的一般特性：1 进化上的保守性保守程度：H1 H2A、H2B H3、H41、组蛋白 上海生化所分子遗传学1998年试题：是非题 在真核生物核内。五种组蛋白（H1 H2A H2B H3 和H4）在进化过程中，H4极为保守，H2A最不保守（）2 无组织特异性3 肽链氨基酸分布的不对称性4 H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%）5 组蛋白的可修饰性简述真核生物染色体上组蛋白的种类，组蛋白修饰的种类及其生物学意义中国科学院2003年硕士研究生入学生物化学与分子生物学试题作业：1、上网查5种组蛋白的氨基酸序列，2、上网查5种组蛋白的基因
11、的碱基序列3、上网查5种组蛋白的三维结构4、20种氨基酸的分类、特征、缩写 在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。修饰作用共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。修饰作用共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。6 组蛋白的可修饰性组蛋白的可修饰性非组蛋白非组蛋白非组蛋白是染色体上与特异非组蛋白是染色体上与特异DNADNA序列结合的序列结合的蛋白质，又称序列特异性
12、蛋白质，又称序列特异性DNADNA结合蛋白（结合蛋白（凝凝胶迟滞电泳实验胶迟滞电泳实验）。）。包括多种参与核酸代谢与修饰的酶类、核包括多种参与核酸代谢与修饰的酶类、核质蛋白、骨架蛋白、基因表达和染色体结质蛋白、骨架蛋白、基因表达和染色体结构调节蛋白等。构调节蛋白等。非组蛋白的特性非组蛋白的特性含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质；电荷，属酸性蛋白质；整个细胞周期都进行合成，不象组蛋白整个细胞周期都进行合成，不象组蛋白只在只在S S期合成，并与期合成，并与DNADNA复制同步进行；复制同步进行；能识别特异的能识别特异的DNADNA序列，识别信息存
13、在于序列，识别信息存在于DNADNA本身，位点在大沟部分，识别与结合靠本身，位点在大沟部分，识别与结合靠氢键和离子键；氢键和离子键；记录下来A24非组蛋白DNA结合蛋白具有多样性和异质性；具有多样性和异质性；具有多种功能，如帮助具有多种功能，如帮助DNA分子折叠，分子折叠，以形成不同的结构域，从而有利于以形成不同的结构域，从而有利于DNA的的复制和基因的转录，协助启动复制和基因的转录，协助启动DNA复制，复制，控制基因转录，调节基因表达。控制基因转录，调节基因表达。分子量小，高泳动率分子量小，高泳动率原核生物(prokaryote)的染色体 类核体解开之后的结构：紧密的脚手架结构，而不是松散的
14、丝状结构原核生物原核生物DNADNA的主要特征的主要特征原核生物中一般只有一条染色体，且大都原核生物中一般只有一条染色体，且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因带有单拷贝基因，只有很少数基因(如如rRNArRNA基因基因)是以多拷贝形式存在的；是以多拷贝形式存在的；整个染色体整个染色体DNADNA几乎全部由功能基因与调控几乎全部由功能基因与调控序列所组成；序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质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。序列呈线性对应状态。不少原核生物具有质粒不少原核生物具有质粒DNADNA（教材未提），（教材未提），而且通常起到重要的生理功能而且通常起到重
15、要的生理功能真核生物基因组真核生物基因组DNA C值反常现象（C-value paradox)C值矛盾值矛盾 C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。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，这就是著名的“C值反常现象”。产生C值矛盾的本质原因是什么？C值矛盾表现在哪两个方面？同类生物不同种属之间DNA含量变化很大：比如同样是两栖动物，能够相差100倍从生物由地等到高等的进化地位来看，其所需要的最少的编码DNA的含量，反应在C值上是逐步升高的。但真实的C值并非如此，某些低等生物的C值比高等生物还要高低等生物-高等生物（逐渐进化）
16、生物所需要的编码DNA的最低含量（逐渐升高）简述DNA的C值以及C值矛盾（C Value paradox）.中科院上海生化所 08 年上海第二军医大：C值矛盾的序列可分为的序列可分为3 3种类型种类型 page25page25 单一序列单一序列（主要为基因编码序列，一个或（主要为基因编码序列，一个或几个拷贝，比例少于几个拷贝，比例少于5 5）中度重复序列中度重复序列（10101-51-5），分为短散的重复序），分为短散的重复序列（一般少于列（一般少于500 500 bpbp）和长散的重复序列）和长散的重复序列（一般多于（一般多于1000 1000 bpbp），与基因选择性表达），与基因选择性表
17、达的调控有关；的调控有关；高度重复序列高度重复序列（10105 5），分为卫星），分为卫星DNA(satelliteDNA(satellite，重复单位长，重复单位长5-100 5-100 bpbp)主主要分布在着丝粒区域，小卫星要分布在着丝粒区域，小卫星DNA(minisatellteDNA(minisatellte DNA,DNA,单位长单位长12-100 12-100 bpbp，拷贝数可变，常用于，拷贝数可变，常用于DNADNA指纹指纹(DNA(DNA finger-printing)finger-printing)技术技术)，微卫星，微卫星DNA(microsatellteDNA(mi
18、crosatellte DNA DNA，单位，单位1-5 1-5 bpbp，常，常串联达串联达50-100 50-100 bpbp，具有高度多态性，遗传，具有高度多态性，遗传上保守，但个体差异较大上保守，但个体差异较大)，用于构建遗传，用于构建遗传图谱。图谱。1)DNA的变性和复性 变性（Denaturation)DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程称为变性。增色效应(Hyperchromatic effect)在变性过程中，260nm紫外线吸收值先缓慢上升，当达到某一温度时骤然上升，称为增色效应。2、DNA特性融解温度（Melting temperature Tm)变性过程紫外线吸收
19、值增加的中点称为融解温度。生理条件下为85-95影响因素：G+C含量，pH值，离子强度，尿素，甲跣胺等PCR引物设计 退火温度DNA溶解温度与DNA中的GC含量极其相关复性（Renaturation)热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。减色效应（Hypochromatic effect)随着DNA的复性，260nm紫外线吸收值降低的现象。染色质和核小体(nucleosomenucleosome)Nucleosome、chromosome、genome 中科院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题 1、定义：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。核小体的结构电镜下
20、的染色质显示了核小体的形态2、核小体的结构核心颗粒、连接区DNA核心颗粒、连接区DNA核小体是染色质的基本结构单位。由200个(160-240)左右碱基对的DNA和五种组蛋白结合而成。其中四种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各2 分子组成八聚体的小圆盘，146个碱基对的DNA在小圆盘外面绕1 3/4圈。每一分子的H1与DNA结合,锁住核小体DNA的进出口,起稳定核小体结构的作用。两相邻核小体之间以连接DNA(linker DNA)相连(图11-24),连接DNA的长度变化不等,因不同的种属和组织而异,但通常是60个碱基对核小体究竟含有几个组蛋白分子？1、核小体是由H2A、H2B、H3、H4
21、各两个分子生成的八聚体和由大约200bp DNA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，用核酸酶水解核小体后产生只含146bp核心颗粒，包括组蛋白八聚体及与其结合的146bpDNA，该序列绕在核心外面形成1.75圈。每圈约80bp核小体是染色质的基本结构单位。由200个(160-240)左右碱基对的DNA和五种组蛋白结合而成。其中四种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各2 分子组成八聚体的小圆盘，146个碱基对的DNA在小圆盘外面绕1 3/4圈。每一分子的H1与DNA结合,锁住核小体DNA的进出口,起稳定核小体结构的作用。两相邻核小体之间以连
22、接DNA(linker DNA)相连(图11-24),连接DNA的长度变化不等,因不同的种属和组织而异,但通常是60个碱基对。乙酰基团重复一下Structure of nucleosome The nucleosome core particle derived from X-ray crystal analysis电镜图显示一个染色质片段中球形颗粒的长度为200bP问题：简述染色体DNA是怎样包装的？1400nm粗染色体700nm染色单体300nm染色质丝30nm粗的莲座结构11nm粗的核小体2nm粗的双螺旋DNA10nm双链DNA通过组蛋白构成8聚体核小体，串联成11nm念珠状结构核小体念
23、珠结构进一步螺旋成30nm粗的莲座结构，每一莲座结构由6个核小体结构组成，莲座结构形成螺线管进一步超螺旋为300nm粗的染色质丝状结构染色质丝高度超螺旋为700nm粗的染色单体两条染色单体粗度为1400nm染色体一步步包装的压缩比例6.8:140:11000:18000:1DNA double helixNucleosome(10 nm fiber)30 nm FiberLoops ILoops IIchromosome核小体和螺线管的结构核小体和螺线管的结构核小体的形成是染色体中DNA压缩的第一个阶段！一个问题的答案：简述真核生物一个问题的答案：简述真核生物DNA的复杂的复杂性？性？单一序列
24、（主要为基因编码序列，一个或几个拷贝，比例少单一序列（主要为基因编码序列，一个或几个拷贝，比例少于于5 5）；中度重复序列（）；中度重复序列（10101-51-5），分为短散的重复序列），分为短散的重复序列（一般少于（一般少于500 500 bpbp）和长散的重复序列（一般多于和长散的重复序列（一般多于1000 1000 bpbp），），与基因选择性表达的调控有关；高度重复序列（与基因选择性表达的调控有关；高度重复序列（10105 5），分为卫星），分为卫星DNA(satelliteDNA(satellite，重复单位长重复单位长5-100 5-100 bpbp)主要分主要分布在着丝粒区域，小
25、卫星布在着丝粒区域，小卫星DNA(minisatellteDNA(minisatellte DNA,DNA,单位长单位长12-100 12-100 bpbp，拷贝数可变，常用于拷贝数可变，常用于DNADNA指纹指纹(DNA finger-(DNA finger-printing)printing)技术技术)，微卫星，微卫星DNA(microsatellteDNA(microsatellte DNA DNA，单位单位1-5 1-5 bpbp，常串联达常串联达50-100 50-100 bpbp，具有高度多态性，遗传上保守，具有高度多态性，遗传上保守，但个体差异较大但个体差异较大)，用于构建遗传图
26、谱。，用于构建遗传图谱。问题：真核生物基因组的结构特点？1、真核基因组庞大2、存在大量的重复序列。3、基因组的大部分为非编码序列，90以上，即冗余DNA4、转录产物为单顺反子，即转录单元是转录子5、核基因是断裂基因，有内含子结构，即不连续性6、存在大量顺式作用元件，如启动子、增强子、沉默子7、存在复杂的DNA多态性：单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)和串联重复序列多态性(tandem repeats polymorphism)8、DNA末端具有端粒结构二咳基因组具有端粒结构真核生物的重复序列断裂基因示意根据 DNA复性动力学研究，DNA序列可
27、以分成哪几种类型？并加以举例说明。(2001年上海生化所）问题：原核生物基因组结构特点？原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少结构简练：原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录，这与真核DNA的冗余现象不同存在顺反子的转录单元：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，形成功能单位或转录单元，它们可被一起转录为含多个mRNA的分子，叫多顺反子mRNA存在有重叠基因原核生物的多顺反子X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D EE.coli 色氨酸操纵子 9个顺反子 9个酶(第六章
28、)原核生物的重叠基因（Sanger发现？）基因内基因 部分重叠基因 一个碱基重叠Bronze sculpture of double-helical DNA 铜雕双螺旋2.2 DNA的结构 page 311 1）概念概念 指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序，DNA序列是这一概念的简称。碱基序列2.2.1 DNA的一级结构DNA红宝书bible核酸的化学组成和分子结构核苷酸Structures and names of the nucleosides and nucleotides of RNA and DNA.脱氧核糖脱氧核糖 脱的是那个氧？脱的是那个氧？脱氧核糖和磷酸的连接脱氧核糖和磷酸的连
29、接方向方向 (5-3)3）DNA结构的表示法字母式结构式线条式5pApTpGpCOH3单核苷酸5磷酸基团向核酸链的3-OH发动亲核攻击，形成磷酸二脂键DNA一级结构的特征2）特征：双链反向平行配对而成脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在内侧内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A:T，C:G）。DNA的二级结构定义：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构特征：Watson和Crick由X射线衍射结构分析提出了DNA分子双螺旋结构模型，此模型所描述的是BDNA钠盐在一定湿度下的结构。BDNA钠盐结构既规则又很稳定，是由两条反向平行的多核苷酸链围绕伺一中心轴构成的右手螺旋结构The
30、DNA double helix as proposed by Watson and Crick.思考题：思考题：“沟的沟的”生物学意生物学意义何在义何在模型要点：page 34Page 34多核苷酸的方向由核苷酸间的磷酸二酯键的走向决定，一条从5,另一条从3-5。链间有螺旋型的凹槽，其中一条较浅，叫小沟；一条较深，叫大沟。两条链上的碱基以氢键相连，G与C配对，A与T配对。嘌吟和嘧啶碱基对层叠于双螺旋的内侧。顺着螺旋轴心从上向下看，可见碱基平面与纵轴垂直，且螺旋的轴心穿过氢键的中点。相邻碱基对平面之间的距离为034 nm，即顺中心轴方向，每隔034 nm有一个核苷酸，以34nm为一个结构重复周
31、期。核苷酸的磷酸基团与脱氧核糖在外侧，通过磷酸二酯键相连接而构成DNA分子的骨架。脱氧核糖环平面与纵轴大致平行。双螺旋的直径为20nm大沟的意义沿螺旋轴方向观察，双螺旋的表面形成两条沿螺旋轴方向观察，双螺旋的表面形成两条凹槽，一条宽而深的叫作大沟，一条狭而凹槽，一条宽而深的叫作大沟，一条狭而浅的叫作小沟，大沟对于遗传上重要功能浅的叫作小沟，大沟对于遗传上重要功能的蛋白质识别的蛋白质识别DNA双螺旋结构上的特定信双螺旋结构上的特定信息非常重要也即是说，大沟为这些蛋白质息非常重要也即是说，大沟为这些蛋白质提供了识别（识别靠的是在沟里暴露出来提供了识别（识别靠的是在沟里暴露出来的氢键和离子键）的场所
32、。而这些蛋白质的氢键和离子键）的场所。而这些蛋白质往往就是参与往往就是参与DNA复制、转录、基因表达复制、转录、基因表达调控等的重要蛋白质，而且往往是参与这调控等的重要蛋白质，而且往往是参与这些过程的其实反应。属于反式作用因子。些过程的其实反应。属于反式作用因子。X-ray diffraction photograph of the B form of purified DNA fibers.The top half of the figure shows computer-generated space-filling models of B-DNA,A-DNA,and Z-DNA.特殊的左
33、手螺旋1979发现DNA的高级结构DNA双螺旋进一步扭曲盘绕形成的特定空间结构，主要形式是超螺旋。DNA双螺旋结构中，一般每转一圈有每转一圈有1010个核苷酸对，双螺旋个核苷酸对，双螺旋总处于能量最低状态总处于能量最低状态。若正常DNA双螺旋额外地多转或少转几圈，使每转一圈的核苷酸数目大于或小于10，就会出现双螺旋空间结构的改变，在DNA分子中产生额外的张力线状DNA形成的超螺旋环状DNA形成的超螺旋拓扑异构酶or溴化乙锭拓扑异构酶or溴化乙锭DNA扭曲与双螺旋相同（拧紧）DNA扭曲与双螺旋相反（松开）负超螺旋松弛DNA正超螺旋In situ hybridzation of chromosomes using a fluorescent technique(FISH)shows what?