DNA超螺旋、基因組、染色體ppt課件

1、2-1 DNA2-1 DNA超螺旋與拓撲異構現象超螺旋與拓撲異構現象 第二章 DNA、染色體與基因組Superhelix of SV40 DNA (Vinograd, 1965)一、一、 DNADNA超螺旋超螺旋superhelix or supercoilsuperhelix or supercoil）DNADNA超螺旋結構超螺旋結構Linear DNA. LOpen Circle DNA OC relexed formSupercoiled circle(高級結構高級結構)Covalent Closed Circle CCC指雙螺旋環(huán)狀分子再度螺旋化即成為超螺旋結構。超超 螺螺 旋旋 形形

2、 成成 示示 意意末端固定的線型雙螺旋末端固定的線型雙螺旋額外的張力不能釋放額外的張力不能釋放雙螺旋以扭曲方式緩雙螺旋以扭曲方式緩解應力，形成超螺旋解應力，形成超螺旋二、二、 DNADNA超螺旋的方向性超螺旋的方向性松弛松弛relaxedrelaxed形狀：形狀： DNADNA在水溶液中在水溶液中, , 構型偏構型偏B B型狀型狀態(tài)。態(tài)。DNADNA以以10.5 bp/helix10.5 bp/helix為最穩(wěn)定構型。為最穩(wěn)定構型。正超螺旋：小于正超螺旋：小于10.5bp/helix10.5bp/helix，則其二級結構處于緊縮，則其二級結構處于緊縮狀態(tài)，由此產生的超螺旋為正超螺旋。狀態(tài)，由此

3、產生的超螺旋為正超螺旋。 負超螺旋：大于負超螺旋：大于10.5bp/helix10.5bp/helix，則其二級結構處于松纏，則其二級結構處于松纏狀態(tài)，由此產生的超螺旋為負超螺旋。狀態(tài)，由此產生的超螺旋為負超螺旋。 由此可見，超螺旋總是要向著抵消初級螺旋改變的方向發(fā)由此可見，超螺旋總是要向著抵消初級螺旋改變的方向發(fā)展；雙螺旋展；雙螺旋DNADNA的松開導致形成負超螺旋；而的松開導致形成負超螺旋；而DNADNA的擰緊，則導的擰緊，則導致形成正超螺旋；所有的超螺旋都比松弛型含有更多的自由能。致形成正超螺旋；所有的超螺旋都比松弛型含有更多的自由能。 拓撲學拓撲學(topology)(topology

4、)是研究幾何圖形在平面位置關系不是研究幾何圖形在平面位置關系不變情況下空間結構變化規(guī)律的數學分支。變情況下空間結構變化規(guī)律的數學分支。三、三、DNADNA超螺旋拓撲學定義超螺旋拓撲學定義實驗證明，細胞內的實驗證明，細胞內的DNADNA存在拓撲異構現象存在拓撲異構現象(topoisome)(topoisome)，即在保持，即在保持DNADNA一級和二級結構不變的情一級和二級結構不變的情況下，兩條單鏈可以相互纏繞，形成不同的空間構型。況下，兩條單鏈可以相互纏繞，形成不同的空間構型。超螺旋發(fā)生的規(guī)律超螺旋發(fā)生的規(guī)律Vinograd. J (1968)Vinograd equationL = T +

5、W ( = + )L Linking number ( 雙鏈雙鏈DNA的交叉的交叉數數)T Twisting number (雙鏈雙鏈DNA的纏繞數，初級螺旋圈數，即的纏繞數，初級螺旋圈數，即DNA分子中分子中的的Watson-Crick螺旋周數，其數值可直接在處于最穩(wěn)定狀態(tài)螺旋周數，其數值可直接在處于最穩(wěn)定狀態(tài)下的雙鏈環(huán)形或超螺旋形式下的雙鏈環(huán)形或超螺旋形式DNA中的實際螺旋周數計中的實際螺旋周數計數得到，不一定是整數數得到，不一定是整數)W Writhing number (直觀上為雙螺旋數直觀上為雙螺旋數, 可可為小數為小數)W= 負值負值negative superhelix）W =

6、正值正值 ( positive superhelix） Non-breaking Non-unwinding Non-overwindingL為定值，整數為定值，整數l B-DNA是力學上穩(wěn)定的結構（ 10 bp/ helix）l l 雖交叉數減少，但需轉雖交叉數減少，但需轉換為一種應力，以維持換為一種應力，以維持10bp/helix10bp/helix的螺旋數，的螺旋數，l 應力的重新分配 或在B-DNA狀態(tài)中保留一單鏈區(qū)或螺旋力將維持或螺旋力將維持B-DNAB-DNA的的右旋結構右旋結構, , 形成超螺旋形成超螺旋 420bpL=42T=42W=0無應力松弛狀態(tài)無應力松弛狀態(tài)應力的分配應力

7、的分配L = 36T = 36W = 0L = 36T = 42W = -6 鏈松弛后鏈松弛后再結成環(huán)再結成環(huán)鏈未松弛鏈未松弛再結成環(huán)再結成環(huán)松開松開6圈螺旋圈螺旋L = 62 2比連系差比連系差Specific linking differenceSpecific linking difference = = Lk Lk Lk0 = Lk- Lk0 Lk0 能夠根據能夠根據DNADNA分子分子LkLk的改變描述螺旋不足超螺的改變描述螺旋不足超螺旋），也叫超螺旋密度旋），也叫超螺旋密度superhelix densitysuperhelix density）。）。 DNADNA分子形成超螺旋的

8、生物學意義：分子形成超螺旋的生物學意義：1 1 超螺旋超螺旋DNADNA具有更緊密地形狀，因此在具有更緊密地形狀，因此在DNADNA組組裝中具有重要作用；裝中具有重要作用；2 2 DNA DNA的結構具有動態(tài)性，的結構具有動態(tài)性，DNADNA超螺旋程度的改超螺旋程度的改變介導了這種結構的變化，這有利于其功能的發(fā)揮。變介導了這種結構的變化，這有利于其功能的發(fā)揮。3 3 DNA DNA是一種熱力學上的穩(wěn)定結構，超螺旋的引是一種熱力學上的穩(wěn)定結構，超螺旋的引入提高了他的能量水平。入提高了他的能量水平。拓撲異構體拓撲異構體(topoisomer)(topoisomer)：具有不同連接數的同一種：具有不

9、同連接數的同一種DNADNA分子稱為分子稱為DNADNA拓撲異構體。拓撲異構體。四、DNA拓撲異構體與拓撲異構酶拓撲異構酶拓撲異構酶(topoisomerase) (topoisomerase) 作用方式：作用方式：拓撲異構酶與拓撲異構酶與DNADNA共價結合形成中間體，使磷酸二酯鏈暫共價結合形成中間體，使磷酸二酯鏈暫時斷裂形成切口，時斷裂形成切口，DNADNA分子的一條單鏈或雙螺旋穿越另一分子的一條單鏈或雙螺旋穿越另一條單鏈或雙螺旋，改變其拓撲狀態(tài)，但一級和二級結構條單鏈或雙螺旋，改變其拓撲狀態(tài)，但一級和二級結構并無變化。并無變化。即在保持DNA一級和二級結構不變的情況下，兩條單鏈可以相互纏

10、繞，形成不同的空間構型。拓撲異構酶拓撲異構酶(topoisomerase) (topoisomerase) 細胞內存在著一類能催化細胞內存在著一類能催化DNADNA拓撲異構體相互轉化的酶，稱為拓撲異構酶?；蛘哒f，拓撲異構體相互轉化的酶，稱為拓撲異構酶?；蛘哒f，能改變能改變DNADNA拓撲聯系數的酶就叫拓撲異構酶。拓撲聯系數的酶就叫拓撲異構酶。型酶在兩條單鏈上都產生切口，每次作用使連接數改變2。在型酶的作用是增加負超螺旋數，或減少正超螺旋數，在真核生物中還有減少負超螺旋的作用。 拓撲異構酶分為型和型兩類。拓撲異構酶的生物學功能 消除DNA復制和轉錄等過程產生的正負超螺旋。在細胞中，型酶與型酶的活

11、性保持一種平衡狀態(tài)，型酶使DNA超螺旋化的作用為型酶使DNA松馳化的作用所抗衡，從而使DNA保持適當的超螺旋密度。型酶在DNA的一條單鏈上產生切口，使另一條單鏈得以穿越，每作用一次使DNA連接數改變1；原核生物中，型酶只作用于負超螺旋DNA，減少負超螺旋數，使其松弛；在真核生物中，型酶還可以作用于正超螺旋DNA，減少正超螺旋數。Top I (swivelase, niking-closing enzyme) Breakage & rejoining of S.S. DNA at phospho-diester bonds Breakage & rejoining of S.S.

12、 DNA at phospho-diester bonds松弛松弛B-雙螺旋雙螺旋消除負超螺旋消除負超螺旋CCC OC onlyNo ATP, NADattach Negative supercoilGet energy from Negative supercoil圖3.30 型拓撲異構酶作用機理Function Mechanism of Topoisomerase ITop II (gyrase) ATP neededCutting & ligation Cutting & ligation of D. S. DNAof D. S. DNAtetramertetramer

13、每次每次L of 2緊縮緊縮B-雙螺旋雙螺旋引入負超雙螺旋引入負超雙螺旋Cut D.S. DNAATPLigateAABBFunction Mechanism of Topoisomerase II 2-2 基因和基因組一、基因、基因組的概念一、基因、基因組的概念二、基因組的大小與二、基因組的大小與C C值矛盾值矛盾三、基因組的復性動力學三、基因組的復性動力學四、重復序列四、重復序列五、真核與原核生物基因組比較五、真核與原核生物基因組比較指指DNADNA分子所攜帶遺傳信息總和，即指一個細胞所有基分子所攜帶遺傳信息總和，即指一個細胞所有基因和基因間因和基因間DNADNA的總和，稱基因組。遺傳學定

14、義為：一的總和，稱基因組。遺傳學定義為：一個物種的單倍體的染色體的數目為該物種的基因組。個物種的單倍體的染色體的數目為該物種的基因組。在真核生物中，每種生物的單倍體基因組的在真核生物中，每種生物的單倍體基因組的DNADNA總量是總量是恒定的，稱之為恒定的，稱之為C C值。值。一、基因、基因組的概念一、基因、基因組的概念產生一條多肽鏈或功能產生一條多肽鏈或功能RNARNA所必需的全部核苷酸序列，所必需的全部核苷酸序列，在遺傳學上也稱順反子在遺傳學上也稱順反子cistroncistron）。）。 ( (二二) )基因組基因組( (三三)C)C值值一個單倍體基因組中一個單倍體基因組中DNADNA的總

15、量的總量( (一一) )基因基因霉菌藻類藻類G+細菌細菌G-細菌細菌顯花植物顯花植物鳥類鳥類哺乳類哺乳類爬行類爬行類兩棲類兩棲類硬骨魚類硬骨魚類軟骨魚類軟骨魚類賴皮類賴皮類甲殼類甲殼類昆蟲類昆蟲類軟體動物軟體動物蠕蟲類蠕蟲類真菌真菌枝原體枝原體C value paradoxC value paradoxof nucleotide of nucleotide A A 生物體進化程生物體進化程度高低與度高低與C C值的相值的相關性不強關性不強 B B 親緣關系相親緣關系相近的生物近的生物C C值相差值相差較大較大 低等生物單倍體基因組低等生物單倍體基因組DNADNA的含量與生物復雜性呈正的含量與生

16、物復雜性呈正相關，但高等生物這種關系并不一致。相關，但高等生物這種關系并不一致。真核生物真核生物 DNA 染色體數染色體數 （2C） （2N）兩棲鯢兩棲鯢 168.0 pg 24肺魚肺魚 100 38蠑螈蠑螈 85.3 24警蛙警蛙 28.2 24牛牛 6.4 60人人 6.4 46綿羊綿羊 5.7 54果蠅果蠅 0.2 8貝母貝母 196.7 24豌豆豌豆 28 12玉米玉米 11 20原核生物原核生物 DNA （C）Salmonella 0.0143 pg(沙門氏菌沙門氏菌)E.coli 0.0040T2 0.00022 0.0000055174 0.000005這種形態(tài)學的復雜程度與這種

17、形態(tài)學的復雜程度與C C值值大小的不一致稱為大小的不一致稱為C C值矛盾。值矛盾。三、基因組的復性動力學三、基因組的復性動力學 Hydroxyapatite column 羥基磷灰石柱Low C of PHigh C of Prelease D.S. DNA absorb D.S. DNA復性發(fā)生的過程的討論復性發(fā)生的過程的討論dCt / dt = -KC2 反應初始反應初始 t = 0 單鏈單鏈DNA的隨機碰撞的隨機碰撞 過程（過程（ randomly collision ）（二）（二級反應動力學）級反應動力學）單鏈單鏈 DNADNA濃度濃度 = C0= C0反應達反應達 t t 時時單鏈單

18、鏈DNADNA濃度濃度 = Ct= Ct 兩條部分同源兩條部分同源(小于小于20dNt)的的S.S. DNA, 在復性過程中在復性過程中形成的部分雙鏈區(qū)是不穩(wěn)定的形成的部分雙鏈區(qū)是不穩(wěn)定的 dCt / dt = -KCt2 積分 Ct / C0 = 1 / 1+KC0t 當當 Ct / C0 = 1/2 時時Ct / C0 = 1/2 = 1 / 1+ KC0t(1/2)K = 1 / Cot(1/2)Cot(1/2) = 1/K (mol. Sec / L) 任一DNA分子達到Ct / C0 = 的速率是定值0101C0t(1/2) C0t(1/2) Fraction reassociate

19、d在控制反應條件相同的前提下在控制反應條件相同的前提下, , 兩種兩種DNADNA分子的分子的C0t(1/2)C0t(1/2)值值, ,取決于取決于dNt dNt 的排列復雜性的排列復雜性 。 AAAAAAAA K. C. = 1 C0t(1/2) = 210-6ATCGATCGATCG K.C. = 4 K.C. = 5 105 C0t(1/2) = 1( ( 復性動力學的復雜性，復性動力學的復雜性，Kinetic complexityKinetic complexity，K.C )K.C )Eukaryotic genomes have several sequence component

20、s變性程度變性程度 部分變性的部分變性的DNADNA可直接通過拉鏈作用迅速復可直接通過拉鏈作用迅速復性，而完全變性的性，而完全變性的DNADNA一般需要幾個小時才能復性。一般需要幾個小時才能復性。 除溫度、離子強度、除溫度、離子強度、pHpH等變性條件外，影響復性的因素有：等變性條件外，影響復性的因素有：DNADNA的濃度的濃度 濃度越大有效碰撞的頻率越高。濃度越大有效碰撞的頻率越高。DNADNA分子大小分子大小 越小的分子復性越快。越小的分子復性越快。DNADNA復雜性復雜性(complexity) (complexity) 指最長的沒有重復序列的核指最長的沒有重復序列的核苷酸對數之和。苷酸

21、對數之和。ATATATATATATATATATATATAT的復雜性為的復雜性為2 2；ATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGC的復雜性為的復雜性為4 4；ATGCATGCCTCAGTATGCATGCATGCATGCATGCCTCAGTATGCATGCATGC的復雜性為的復雜性為1010；ATGCTGACGTAGCAATGCTGACGTAGCA的復雜性為的復雜性為1414。序列復雜的序列復雜的DNADNA更容易發(fā)生非對應配對，所以復雜性越高的更容易發(fā)生非對應配對，所以復雜性越高的DNADNA復性越復性越困難。

22、困難。3.高度重復序列高度重復序列Highly repetitive sequence）四、重復序列四、重復序列單一序列單一序列Unique sequence） 主要是蛋白質編碼基因。2.2.中度重復序列中度重復序列Moderately repetitive Moderately repetitive sequencesequence）包括包括rRNA、tRNA、組蛋白的編碼基因。研究較多的是、組蛋白的編碼基因。研究較多的是Alu家族。家族。長度不到長度不到10bp10bp，多是串聯集中分布，一般不轉錄。有些，多是串聯集中分布，一般不轉錄。有些ATAT含量很高的高度重復序列，在離心時常會在主要

23、的含量很高的高度重復序列，在離心時常會在主要的DNADNA帶的上面有一個次要的帶的上面有一個次要的DNADNA帶相伴隨，這就是所謂的帶相伴隨，這就是所謂的“衛(wèi)星衛(wèi)星DNA”DNA” 著絲點centromere功能必需的DNA序列約130bp長，并富含A=T堿基對；在著絲點附近，還有高度重復的衛(wèi)星DNA。 端粒telomere順序長約100bp，起到穩(wěn)定染色體的作用。是由： 5(Tx Gy)n x約為14 3(Ax Cy)n y約為18 反向重復序列反向重復序列Inverted repetitive Inverted repetitive sequencesequence） 又稱回文序列又稱回文

24、序列PalindromePalindrome）, ,易形成發(fā)夾結構，在易形成發(fā)夾結構，在DNADNA雙鏈中可能形成十字形結構。雙鏈中可能形成十字形結構。 CATGAACGTCCTATTGTCGGACGTTCTGACATGAACGTCCTATTGTCGGACGTTCTGA GTACTTGCAGGATAACAGCCTGCAAGACT GTACTTGCAGGATAACAGCCTGCAAGACT基因家族：真核生物基因組中有許多來源相同、結構相似、基因家族：真核生物基因組中有許多來源相同、結構相似、功能相關的基因，這樣一組基因稱為基因家族。功能相關的基因，這樣一組基因稱為基因家族。（4 4有些可以編碼蛋

25、白質，在某些基因的轉錄中作為調有些可以編碼蛋白質，在某些基因的轉錄中作為調控成分?？爻煞?。五五. . 斷裂基因斷裂基因split genesplit gene）也叫不連續(xù)基因，指在真核生物中，大多數編碼蛋白質的也叫不連續(xù)基因，指在真核生物中，大多數編碼蛋白質的基因是不連續(xù)的，即基因的編碼序列之間插入了不編碼的基因是不連續(xù)的，即基因的編碼序列之間插入了不編碼的序列，稱為斷裂基因。序列，稱為斷裂基因。內含子的意義：內含子的意義：（1可能是遺傳的殘留物。（2 2Walter GilbertWalter Gilbert假說：是使蛋白質進化過程的殘跡。假說：是使蛋白質進化過程的殘跡。（3 3可以保護基因

26、家族中基因的完整性?？梢员Ｗo基因家族中基因的完整性。五、真核與原核生物基因組比較（五、真核與原核生物基因組比較（ P78 P78 ） 作為總結性的問題，課后總結。同時掌握斷裂基因、假基因、內含子、外顯子的概念。2-3染色體2-3染色體一、組成一、組成1. 1. 核小體核小體nucleosomenucleosome）：染色質是由重復單位構成的，）：染色質是由重復單位構成的，每個重復單位由約每個重復單位由約200bp200bp的的DNADNA和和H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4各兩分各兩分子組成，這個重復單位叫核小體。子組成，這個重復單位叫核小體。2. 2. 組蛋白組蛋白histon

27、ehistone）五種：五種： H1H1、H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4。呈堿性。呈堿性。除了除了H1H1以外，其余四種有相互作用形成聚合體以外，其余四種有相互作用形成聚合體的趨勢。它們通過的趨勢。它們通過C C端的疏水氨基酸相互結合，端的疏水氨基酸相互結合，而而N N端的堿性氨基酸則向四面伸出以便與端的堿性氨基酸則向四面伸出以便與DNADNA分分子相互作用。子相互作用。3.3.構成：構成：每個核小體含每個核小體含8 8個組蛋白；個組蛋白；200bp DNA200bp DNA中，中，146bp 146bp 緊緊纏繞著組蛋白，其余用于連接兩個核小體，緊緊纏繞著組蛋白，其余用于連接

28、兩個核小體，稱為連接稱為連接DNADNAlinker DNAlinker DNA）。）。H1H1通常和連接通常和連接DNADNA相結合，把核小體相結合，把核小體“封鎖起來。封鎖起來。4. 4. 核小體包裝的高級形式核小體包裝的高級形式（1 1核小體壓縮比為核小體壓縮比為7 7，200bp200bp長為長為68nm68nm，壓縮后為，壓縮后為10nm 10nm ） （2 230nm30nm的核小體纖維的核小體纖維30nm fiber30nm fiber，壓縮比為，壓縮比為4040）。）。（3 3染色體染色體DNADNA的某一部分和的某一部分和“核骨架核骨架”（nuclear nuclear scaffoldscaffold相連，把染色體相連，把染色體DNADNA隔成許多含隔成許多含2000020000至至100000100000堿基對的堿基對的DNADNA環(huán)。環(huán)。（4 4約約6 6個環(huán)與核骨架形成一個梅花結，每個環(huán)與核骨架形成一個梅花結，每303