《現(xiàn)代分子生物學》第三章染色體和基因

1、現(xiàn)代分子生物學第三章染色體和基因一遺傳的染色體學說 1879年發(fā)現(xiàn)有絲分裂。 1883年發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂。 1888年命名染色體。 細胞分裂的重要過程是母細胞核的顆粒（指染色體）的分裂，所有其余階段，則是用以保證母顆粒分裂產(chǎn)生的每一個顆粒，轉(zhuǎn)移到兩個子細胞的中心。 1902年Boveri，Sutton提出遺傳的染色體學說。 摩爾根：基因的染色體理論（連鎖和交換）染色體的單線性： 每一條染色單體僅含有一條連續(xù)的DNA雙螺旋鏈，稱為染色體的單線性（mononeme）。二. 原核生物的染色體原核生物的遺傳物質(zhì)以裸露的核酸分子存在，雖與少量蛋白質(zhì)結(jié)合，但不形成染色體結(jié)構。原核生物一般只有一個染色體，即一個

2、核酸分子（DNA或RNA）。大多數(shù)為雙螺旋結(jié)構，少數(shù)以單鏈形式存在。這些核酸分子大多數(shù)為閉合環(huán)狀，少數(shù)為線狀。大腸桿菌沒有明顯的核結(jié)構，但其DNA有一個相對集中的區(qū)域，在這一個小區(qū)域中形成類核（nucleoid）。類核的DNA成分占80，其余為RNA和蛋白質(zhì)。用RNA酶或蛋白酶處理類核，可使之由致密變得松散。表明RNA和某些蛋白質(zhì)分子起到穩(wěn)定類核的作用。大腸桿菌的類核結(jié)構核中央由支架蛋白和RNA組成，環(huán)狀雙鏈DNA繞在支架蛋白的外圍，只有一個復制起點，DNA與細胞膜粘在一起，DNA上有結(jié)合蛋白。大腸桿菌染色體是由4.2106堿基對組成的雙鏈環(huán)狀DNA分子，在DNA結(jié)合蛋白質(zhì)的作用下壓縮成一個手

3、腳架形（scaffold）結(jié)構。大腸桿菌染色體形成100個左右的小區(qū)（domain），小區(qū)內(nèi)都是負超螺旋。用微量的DNAase處理時，只能使一小部分的DNA由超螺旋狀態(tài)變成松弛狀態(tài)。噬菌體染色體噬菌體的雙鏈DNA有兩種形式，一種是帶有切刻的環(huán)狀分子，切刻部分通過粘性末端的互補堿基之間的氫鍵而連接。另一種形式是兩個粘性末端相互分離，形成線性分子。噬菌體共有48,502堿基對，包裝在由蛋白質(zhì)組成的頭部外殼之中。噬菌體在大腸桿菌體內(nèi)可以呈環(huán)形分子游離存在于細胞質(zhì)中，也可以通過整合酶的作用而整合到寄主染色體上成為原噬菌體狀態(tài)，并與寄主染色體一起復制。這種現(xiàn)象稱為溶原化。. 真核生物的染色質(zhì)與染色體染色

4、質(zhì)：真核細胞間期細胞核內(nèi)伸展開的DNA蛋白質(zhì)纖維。 分為常染色質(zhì)和異染色質(zhì)。染色體：真核細胞有絲分裂期高度螺旋化的DNA蛋白質(zhì)纖維，是間期染色質(zhì)進一步緊密盤繞折疊的結(jié)果。染色質(zhì)和染色體是真核細胞內(nèi)遺傳物質(zhì)DNA分子的存在形式；這種結(jié)構形式對遺傳信息的穩(wěn)定、傳遞和表達都有極為重要的影響。染色質(zhì)的化學組成：DNA分子，占27%；RNA分子，占6% ；組蛋白（堿性）和非組蛋白（多為酸性蛋白），共占66%。 組蛋白組蛋白類型堿性氨基酸氨基酸數(shù)分子量（Da）LysArgH129%1%21523,000H2A11%9%12913,960H2B16%6%12513,775H310%13%13515,340H

5、411%14%10211,280小牛胸腺DNA的組蛋白的特點：組蛋白的特性進化上的極端保守性 無組織特異性 肽鏈上氨基酸分布的不對稱性堿性氨基酸分布在N端；疏水基團在C端 存在較普遍的修飾作用甲基化、乙?；⒘姿峄萇lins夫婦（1974）和Pierre Chambon等（1975）在電鏡下觀察到染色質(zhì)的“繩珠”狀結(jié)構，小球的直徑為100埃。X衍射圖表明組蛋白的多聚體是緊密相聯(lián)，并無可容納像DNA分子那樣大小的孔洞，染色質(zhì)結(jié)構的基本單位核小體1974年Kornberg和Thomas 先用小球菌核酸酶稍稍消化一下染色質(zhì)，切斷一部分200核苷酸對單位之間的DNA，使其中含有單體、二聚體、三聚體和

6、四聚體等。然后經(jīng)離心將它們分開。每一組再通過凝膠電泳證明其分子大小及純度。然后分別用電鏡來觀察各組的材料；結(jié)果單體均為一個100埃的小體，二聚體則是兩個相聯(lián)的小體，同樣三聚體和四聚體分別由三個小體和四個小體組成，1984年Klug和Butler進行了修正核小體模型。核小體的梯度離心和電泳核小體的結(jié)構由核心顆粒和連接區(qū)構成；核心顆粒包括由8個組蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4各兩個）構成的組蛋白核心和包繞在核心表面的DNA分子；包繞在組蛋白核心表面的DNA長140bp，環(huán)繞1 圈；連接區(qū)由DNA分子和H1組蛋白分子構成，長度不定；MW Chromosomal Proteins200,0003

7、6,00097,00066,00055,00031,00021,00014,000116,000H4H2AH2B/H3Histones are Low MW Chromosomal Proteins7The Nucleosome146 bp DNA 2X H3, H4, H2A, H2BH4H2BH2AH3核小體的結(jié)構Helix III - Major groove bindingLoop(Secondary DNA binding site)Globular domain of Histone H5“winged helix-turn-helix domain”26更高層次的DNA折疊包裝組

8、織情況尚不清楚。但是有證據(jù)表明，染色體DNA的某一些部分和“核骨架”(nuclear scaffold)相連。這些與核骨架相聯(lián)系的部分，把染色體DNA隔成許多含20 00010 0000bp長的DNA環(huán)，每個“環(huán)” (loops)有相對的獨立性。當一個環(huán)被打斷或被核酸酶所松弛時，其他環(huán)仍可保持超螺旋狀態(tài)。每個環(huán)中含有一些相關的基因。染色質(zhì)和染色體的多級結(jié)構 由連接區(qū)將許多核心顆粒相連接構成了染色體的一級結(jié)構； 每六個核小體盤繞成直徑30nm的螺線管，成為染色體的二級結(jié)構（又稱微纖絲）； 微纖絲經(jīng)與非組蛋白結(jié)合（堿基與核基質(zhì)中的骨架蛋白結(jié)合），把染色體DNA隔成許多含20 00010 0000b

9、p長的DNA環(huán)，形成大環(huán)狀結(jié)構，每個“環(huán)” (loops)有相對的獨立性。 此結(jié)構再盤曲成染色單體,其長度壓縮近30萬倍。30nm螺旋管染色體包裝的支架環(huán)（scafold loop）模型Laemmli等發(fā)現(xiàn)每個染色單體均由染色質(zhì)纖維所構成的環(huán)所組成。每個環(huán)大約含有75 kb的DNA，環(huán)附著在中央酸性非組蛋白組成的支架上。支架環(huán)進一步包裝形成染色單體。特殊類型的染色體燈刷染色體和多線染色體中也可以看到上述的支架環(huán)結(jié)構。大腸桿菌的環(huán)結(jié)構域與支架環(huán)相似。染色體中的關鍵結(jié)構：染色單體每一個染色體由兩條染色單體組成，同一個染色體中的兩個染色單體是由一條DNA分子鏈復制后形成的兩條子代DNA鏈所構成，每一

10、條染色單體中有一條DNA分子；著絲粒（主縊痕）：由特殊的重復DNA序列和蛋白質(zhì)結(jié)構構成，是細胞有絲分裂時的重要結(jié)構；著絲粒把染色體分為長臂和短臂；著絲粒區(qū)域的功能是使復制的染色體在有絲分裂和減數(shù)分裂中可平衡分配到子細胞中。端粒：由特殊的重復DNA序列和相應的蛋白質(zhì)構成，起著穩(wěn)定染色質(zhì)和染色體結(jié)構的作用。常染色質(zhì)和異染色質(zhì)： 用堿性染料處理中期染色體，染色體上部分區(qū)域著色較深，稱為異染色質(zhì)，高度凝縮且沒有轉(zhuǎn)錄能力。端粒共同特點：每一個端粒都含有一系列短的正向重復順序。 Cn(A/T)m ，其中n1，而m=14。在端粒區(qū)域中有一種特殊的不連續(xù)排列，產(chǎn)生單鏈斷裂的形式，這種結(jié)構并不能被連接酶將缺口（

11、nick）封閉起來。提純的天然的端粒區(qū)可直接用E.coli DNA多聚酶I進行缺口平移(nick translation) 。在端粒區(qū)的最末端可能帶有3-OH的單鏈末端，回折成了發(fā)夾(hairpin)結(jié)構。端粒的功能保持染色體的穩(wěn)定使線形DNA順利復制影響染色體的行為可能控制細胞的壽命和核骨架的組成有關科學重大發(fā)現(xiàn)：端?？勺鳛镽NA合成模板端粒是染色體末端的重復片斷，經(jīng)常被比做鞋帶兩端防止磨損的塑料套。研究人員一直認為，這些小顆粒中并不含有基因，它們只是具有保護染色體免受傷害的功能。但是，瑞士研究人員最新的一項研究則發(fā)現(xiàn)，端粒的作用不僅如此，它還能作為合成RNA的模板。這項研究的論文發(fā)表在20

12、07年10月4日的科學雜志網(wǎng)絡版上。 法國原子能委員會的分子生物學家Laure Sabatier說，這是一項重大的突破，從來沒有人會想過，端粒能夠作為合成RNA的DNA模板。Lingner表示，目前尚不清楚該發(fā)現(xiàn)是否能夠為癌癥治療提供新途徑，端粒附近RNA的作用也還不清楚。他們的實驗還顯示，當端粒附近RNA水平升高，端粒的丟失速度會加快。但這二者之間是否直接相關還有待研究。 端粒 (telomere)端粒是真核細胞內(nèi)染色體末端的蛋白質(zhì)-DNA結(jié)構,其功能是完成染色體末端的復制,防止染色體免遭融合,重組和降解.從單細胞的有機體到高等的動植物,端粒的結(jié)構和功能都很保守.端粒DNA大多數(shù)有機體的端粒

13、DNA由非常短而且數(shù)目精確的串聯(lián)重復DNA排列而成,富含鳥嘌呤.個別種類的端粒DNA重復單元很長.端粒的DNA序列多種多樣,其功能不需要獨特的序列來維持.盡管在許多物種中端粒DNA有相當大的變化,但仍可在進化關系非常遠的生物中發(fā)現(xiàn)相同的端粒序列,端粒DNA的平均長度因物種而異.在人大約15 kb,在人體中,隨著細胞的持續(xù)分裂,端粒會緩慢縮短.端粒結(jié)合蛋白目前對端粒結(jié)合蛋白還了解甚少.在酵母中,端粒的主要結(jié)合蛋白是Rap1p,在體外以很高的親和性與端粒上的許多識別位點相結(jié)合,Rap1p與端粒長度的調(diào)節(jié)有關,Rap1p能夠阻止端粒酶接近端粒從而負調(diào)節(jié)端粒的長度.相反,Rap1p可以在端粒周圍通過聚

14、集端粒酶或提高端粒酶活性而延長端粒. 因此末端限制性結(jié)合蛋白可能是端粒染色質(zhì)的一個普通特性.染色體功能實現(xiàn)的三要素著絲粒在染色體有絲分裂和減數(shù)分裂過程中發(fā)揮重要的作用。端粒封閉了染色體的末端并且維持了染色體的穩(wěn)定性。復制起點是DNA復制起始和染色體數(shù)目的維持所必需的。 酵母人工染色體（YAC）的構建染色體的核型、組型和顯帶核型（karyotype）：一個體細胞全部中期染色體的圖像；根據(jù)染色體的結(jié)構特征，可以把染色體分為若干組。組型：核型的模式圖。顯帶：用不同的染料處理染色體顯示的帶型，每一個染色體都有特定的帶型。人類染色體的C帶基因的概念基因概念大致分以下幾個階段： 泛基因（或者稱前基因）階段

15、，孟德爾的遺傳因子階段，摩爾根的基因階段，順反子階段，操縱子階段和現(xiàn)代基因階段。摩爾根的基因階段 基因位于染色體上，每一個基因控制一個性狀。 基因是一個遺傳/交換/突變的單位。順反子階段 1955年，Benzer提出順反子學說，認為基因是一個不可分割的功能單位，一個順反子包含了許多突變子和重組子，是具有特定功能的一段核苷酸序列,作為功能單位的基因應該是順反子。 A cistron is a unit of genetic function defined by a complementation test. The bacterial gene is the same as a cistron

16、-a unit of genetic function which corresponds to an open reading frame . 1985年，Gilbert提出基因是一個轉(zhuǎn)錄單位，外顯子處于沉默的內(nèi)含子中。 基因：是遺傳信息的物理和功能單位，具有被表達的潛勢，即可被用作模板產(chǎn)生RNA或蛋白質(zhì)的基因產(chǎn)物。包括了結(jié)構基因和調(diào)控區(qū)基因（阻遏蛋白或轉(zhuǎn)錄因子等）。 是一段制造功能產(chǎn)物的染色體功能片段。 A gene is a physical and functional unit of genetic information with the potential to be expre

17、ssed,i.e.to be used as a template to generate one or more gene products of RNAor protein.現(xiàn)代基因階段實際上是重新認識基因的階段，對基因的定義是基因是DNA分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。對于編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構基因來說，基因是決定一條多肽鏈的DNA片段。 根據(jù)其是否具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能可以把基因分為三類。第一類是編碼蛋白質(zhì)的基因，它具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能，包括編碼酶和結(jié)構蛋白的結(jié)構基因及編碼阻遏蛋白的調(diào)節(jié)基因；第二類是只有轉(zhuǎn)錄功能而沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因

18、；第三類是不轉(zhuǎn)錄的基因，它對基因表達起調(diào)節(jié)控制作用，包括啟動子和操縱序列（Operator）。啟動子和操縱序列 有時被統(tǒng)稱為控制基因?；蚪M狹義：單倍體細胞中的全套染色體（人：22條常染色體+X，Y+線粒體DNA）廣義：一物種的全部遺傳物質(zhì)及其攜帶的遺傳信息。包括構成基因和基因之間區(qū)域的所有DNA。C值矛盾C值矛盾(C-value paradox) 指DNA含量的反常現(xiàn)象。表現(xiàn)為：C值的增加與生物的復雜性及進化程度不一致；同一物種的C值相差很大等。 三原核生物基因組 細菌基因組的結(jié)構特點： 1. 擬核（類核）結(jié)構； 2. 存在多順反子結(jié)構； 3. 除RNA基因外，基本是單拷貝的；多拷貝RNA基

19、因的利于核糖體的快速組裝，短時間內(nèi)合成大量核糖體。 4. 非編碼序列相對較少； 5. 存在不同的功能識別區(qū)、復制起始區(qū)、復制終止區(qū)等。原核基因的典型結(jié)構 大腸桿菌基因組結(jié)構： 1. 基因組DNA在4000kb，估計有3500個基因，已確定的基因有900個，已確定有260個基因具有操縱子結(jié)構（75個操縱子中），每個基因平均長度1000bp； 2. 已確定的基因中，多數(shù)是與代謝有關的酶、核糖體蛋白； 3. 大多數(shù)基因是隨機分布的，兩條單鏈作為模板的概率基本相等； 4. 多數(shù)基因都是單拷貝。大腸桿菌E. coli的基因大腸桿菌功能上相關的幾個結(jié)構基因前后相連，再加上一個共同的調(diào)節(jié)基因和一組共同的控制

20、位點即啟動子（promotor）和操縱子（operator）在基因轉(zhuǎn)錄時協(xié)同作用。細菌基因表達調(diào)控的這樣一個完整單元，稱為操縱元（operon）。對基因表達過程實行原發(fā)調(diào)節(jié)控制，也是最有效的一種調(diào)節(jié)控制。大腸桿菌編碼蛋白質(zhì)的基因通常以單拷貝的形式存在。RNA基因通常是多拷貝的。16S rRNA， 23S rRNA和5S rRNA各有7個拷貝，以便在短時間內(nèi)裝配大量的核糖體。各種啟動子和操縱子部分的DNA具有多樣性，以便與RNA聚合酶以及調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物阻遏蛋白發(fā)生不同程度的結(jié)合，以便進行更精細的調(diào)節(jié)。質(zhì)粒染色體外遺傳物質(zhì)雙鏈DNA分子，幾kb幾百kb；位置相對游離；獨立復制（松弛與嚴謹）；攜帶致

21、育基因和耐藥基因；F因子（接合性質(zhì)粒）具有多克隆位點質(zhì)粒的不相容性：在沒有選擇壓力的情況下兩種質(zhì)粒不能共存于同一個宿主細胞內(nèi)的現(xiàn)象 重疊基因1977年Sanger首先發(fā)現(xiàn)重疊基因 他對單鏈環(huán)狀的噬菌體X174進行了測序。 5386Nt 11 基因， 3個轉(zhuǎn)錄單位，由3個啟動子（pA,pB,pD）啟動。X174含有的5386Nt最多能編碼1795個氨基酸，若每個氨基酸的平均分子量為110，則總的蛋白質(zhì)分子量為197,000Da，但實際蛋白質(zhì)總分子量卻為262,000D。將全部DNA順序和蛋白質(zhì)的氨基酸順序進行比較，發(fā)現(xiàn)了重疊基因。重疊基因 Overlapping Genes三 真核生物核基因組真

22、核生物核基因組的特點 1.基因組較大， 低等真核生物：107-108 bp,較原核生物大10倍； 高等真核生物：5X108-1010 bp，某些植物和兩棲生物可達1011 bp； 哺乳類生物大于2X109它們可編碼100萬個基因。 2.真核生物核DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成核小體，再纏繞成染色質(zhì)（染色體）； 3. 基因組一般為雙倍體（diploid）; 4. 基因為單順反子。一個基因單獨轉(zhuǎn)錄，一個基因轉(zhuǎn)錄一條mRNA鏈, 翻譯成一條多肽鏈； 5. 存在大量重復序列，重復次數(shù)可高達百萬倍； 6. 基因組中非編碼序列多于編碼序列，有大量的冗余DNA； 7. 大部分基因有內(nèi)含子，因此基因不連續(xù)； 8.

23、具有多個復制起點，而每個復制子的長度較小。 真核生物核基因組的特點：重復性、基因家族、不連續(xù)性。 真核基因的典型結(jié)構 真核生物核基因組的序列類型單一順序和重復順序一. 單一順序 (Unique sequence )絕大多數(shù)是編碼蛋白質(zhì)的基因。二. 重復順序 短片段的重復順序可分為： 正向重復(direct repeats)又叫順向重復；反向重復(inverted repeats) ；回文順序 (Palindromic sequence) 5 GTGAGCTCAC 3 3 CACTCGAGTG 5 輕度重復順序和中度重復順序輕度重復順序 在基因組中含有2-10拷貝 ，常常是編碼蛋白質(zhì)的基因。如：

24、 酵母tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。中度重復順序 長約105bp， 基因組中約有10-幾千個拷貝的順序。 如rRNA和tRNA基因： tRNA基因一般都分布于基因組中，而rRNA常集中分布于核仁形成區(qū)。 人類基因組中的散布重復序列類型家族單位長度拷貝數(shù)總長度比例SINEAlu0.13 kb1百萬288 Mb9.9MIR40萬66 Mb2.3LINELINE10.8 kb35萬466 Mb16.1LINE20.25 kb27萬LTRHERV1.3 kb5萬155 Mb5.3RTLV，LTR0.5 kb20萬DNA TnMER,THE等0.25 kb20萬50 Mb1.7總記1025 Mb

25、35.3SINE：short interspersed nuclear elements.Alu: 含AGCT.MIR：mammalian-wide interspersed repeats.LINE：long interspersed nuclear elements.LTR：long terminal repeat.HERV：human endogenous retroviruses.RTLV：retrovirus-like elements.MER：medium reiteration frequency sequence.THE：transposable human element.高

26、度重復順序 重復頻率達106以上。衛(wèi)星DNA (satellite DNA) 隱蔽衛(wèi)星DNA(cryptic satellite) 自私 DNA（selfish DNA）、伊甸園 DNA (Garden of Eden DNA） 小衛(wèi)星DNA (minisatellite DNA) 重復序列可變數(shù)（variable numbertandem repeat VNTRs） DNA指紋（DNA fingerprints） 分 類長 度重復單位分 布衛(wèi)星DNA100kb-MbI2548異染色質(zhì)II、III類5染色體全長a 171著絲粒 （Sau3A）68部分著絲粒小衛(wèi)星DNA0.1-20kb端粒DNA

27、6端粒高變924染色體全長微衛(wèi)星DNA150bp14染色體全長人類基因組中的串聯(lián)重復序列 斷裂基因 基因的編碼序列在DNA分子上被不編碼的序列所隔開，稱斷裂基因。 間隔順序 (spacer) 間插順序(intervening sequence) 內(nèi)含子(intron)等 斷裂基因，內(nèi)含子1977 美Sharp & Roberts 同時發(fā)現(xiàn)了斷裂基因(split gene)。DNA和mRNA之間形成特殊的RNA-DNA異源雙鏈分子結(jié)構 內(nèi)含子的結(jié)構特點內(nèi)含子和外顯子的分布、內(nèi)含子的相對性經(jīng)過刪除和連接，除去無關的DNA間序（即內(nèi)含子），便形成了成熟的mRNA分子 內(nèi)含子的生物學意義1 有的內(nèi)含子

28、可編碼內(nèi)切酶。成熟酶 (maturase)。2 調(diào)控 3 提高進化速率 有些基因的初級轉(zhuǎn)錄本，可以按照不同的途徑剪輯形成不同的RNA分子，編碼不同的蛋白質(zhì) 真核基因基本都含有內(nèi)含子。而相反，原核基因基本不含內(nèi)含子。 基因家族與基因簇真核生物的基因組中有許多來源相同、結(jié)構相似、功能相關的基因，這樣的一組基因稱為基因家族（gene family）。例如在動物早期胚胎發(fā)育過程中起重要作用的Hox基因家族、決定脊椎動物肌肉發(fā)生作用的MyoD基因家族。基因家族各成員之間相似程度以及組織方式不同。 大部分有功能的基因家族成員之間相似程度很高。但也有些家族成員間的差異很大，甚至還有無功能的假基因（pseudogene），如珠蛋白基因家族。基因家族的成員在染色體上的分布形式也不同，有成簇存在的，也有散布的。 基因家族的各成員緊密成