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1、第二讲第二讲染色体与染色体与DNA一、一、DNA的组成与结构的组成与结构二、二、DNA聚合酶与聚合酶与DNA的合成的合成三、三、DNA的生理意义及成分分析的生理意义及成分分析四四.C-Value和和Cot1/2五、五、染色体结构染色体结构六、六、染色体的组成染色体的组成七七.原核与真核染色体原核与真核染色体DNA比较比较一、一、DNA的组成与结构的组成与结构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
2、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，
3、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4100。Theaccuracyoftranslationreliesonthespecific
4、ityofbasepairing.Theactualrateinbacteriaseemstobe-10-8-10-10.Thiscorrespondsto-1errorpergenomeper1000bacterialreplicationcycles,or-10-6pergenepergeneration.DNApolymerasemightimprovethespecificityofcomplementarybaseselectionateither(orboth)oftwostages:Itcouldscrutinizetheincomingbaseforthepropercompl
5、ementaritywiththetemplatebase;forexample,byspecificallyrecongnizingmatchingchemicalfeatures.Thiswouldbeapresyntheticerrorcontrol.Oritcouldscrutinizethebasepairafterthenewbasehasbeenaddedtothechain,and,inthosecasesinwhichamistakehasbeenmade,removethemostrecentlyaddedbase.Thiswouldbeaproofreadingcontr
6、ol.含氮碱基焦磷酸键形成二、二、DNA聚合酶与聚合酶与DNA的合成的合成三、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
7、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（transformingprinciple）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
8、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。四四.C-Value和和Cot1/2ThetotalamountofDNAinthehaploi
9、dgenomeisacharacteristicofeachlivingspeciesknownasC-value.Cot1/2istheproductofconcentrationandtimerequiredfor50%reassociationgiveninnucleotide-molessecond/liter.五、五、染色体结构染色体结构DNAmoleculesarethelargestmacromoleculesinthecellandarecommonlypackagedintostructurescalled“chromosomes”,mostbacteria&virusesh
10、aveasinglechromosomewhereasEukaryoticcellsusuallycontainmany.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)：Thegeneticconstitutionofagivenorganism(指某个特定生物体细胞内的全部遗传物质)。Phenotype(表现型)：Visiblepropertyofanygivenorganism(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
11、遗传的核苷酸序列变化。端粒端粒着丝粒六、六、染色体的组成染色体的组成1染色质和核小体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
12、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7502000dp，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
13、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10104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%
14、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（attachmentpoint），这种结合对于染
15、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130bp，富含AT碱基对。在高等真核细胞中，centromere都是由长约510bp、方向相同的高度重复序列所组成。酵母端粒（Telomeres）一般以100bp左右不精确重复序列所组成。5(TxGy)n3(AxCy)n其中X、Y一般为14，单细胞真核生物中n常为20100，高等真核生物中1500。染色体末端的线性重复序列不能被DNApolymarase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
16、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13。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/LNaCl或0.25mol/L的HCl/H2SO4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
17、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%
18、。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（highmobilitygroupprotein）。这是一类能用低盐（0.35mol/LNaCl）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/LNaCl除去全部组蛋白和70%非组蛋白
19、后，还有一部分蛋白必须用2mol/LNaCl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%。七七.原核与真核染色体原核与真核染色体DNA比较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（真核细胞（Eukaryoticcells）果蝇带有25倍于E.Coli的DNA,人类带有600倍于E.Coli的DNA.EukaryoticDNA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1X1014个细胞，成人体内全部DNA的总长度（ContourLength）2X1011Km