dna超螺旋基因組染色體

1、2-1 DNA超螺旋與拓?fù)洚悩?gòu)現(xiàn)象 第二章 DNA、染色體與基因組1Superhelix of SV40 DNA (Vinograd, 1965)一、 DNA超螺旋（superhelix or supercoil）2DNA超螺旋結(jié)構(gòu)Linear DNA. LOpen Circle DNA OC relexed formSupercoiled circle(高級(jí)結(jié)構(gòu))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(jié)構(gòu)。3超 螺 旋 形 成 示 意末端固定的線型雙螺旋額外的張力不能釋放雙螺旋以扭曲方式緩解應(yīng)力，形成超螺旋4二、 DNA超螺旋的方向性松弛（

2、relaxed）狀態(tài)： DNA在水溶液中, 構(gòu)型偏B型狀態(tài)。DNA以10.5 bp/helix為最穩(wěn)定構(gòu)型。正超螺旋：小于10.5bp/helix，則其二級(jí)結(jié)構(gòu)處于緊縮狀態(tài)，由此產(chǎn)生的超螺旋為正超螺旋。 負(fù)超螺旋：大于10.5bp/helix，則其二級(jí)結(jié)構(gòu)處于松纏狀態(tài)，由此產(chǎn)生的超螺旋為負(fù)超螺旋。 由此可見，超螺旋總是要向著抵消初級(jí)螺旋改變的方向發(fā)展；雙螺旋DNA的松開導(dǎo)致形成負(fù)超螺旋；而DNA的擰緊，則導(dǎo)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。 5拓?fù)鋵W(xué)(topology)是研究幾何圖形在平面位置關(guān)系不變情況下空間結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)分支。三、DNA超螺旋拓?fù)鋵W(xué)定義實(shí)驗(yàn)證明，細(xì)

3、胞內(nèi)的DNA存在拓?fù)洚悩?gòu)現(xiàn)象(topoisome)，即在保持DNA一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)不變的情況下，兩條單鏈可以相互纏繞，形成不同的空間構(gòu)型。6超螺旋發(fā)生的規(guī)律Vinograd. J (1968)Vinograd equationL = T + W ( = + )L Linking number ( 雙鏈DNA的交叉數(shù))T Twisting number (雙鏈DNA的纏繞數(shù)，初級(jí)螺旋圈數(shù)，即DNA分子中的Watson-Crick螺旋周數(shù)，其數(shù)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）DNA中的實(shí)際螺旋周數(shù)計(jì)數(shù)得到，不一定是整數(shù))W Writhing number (直觀上為雙螺旋數(shù), 可

4、為小數(shù))W= 負(fù)值（negative superhelix）W = 正值 ( positive superhelix） Non-breaking Non-unwinding Non-overwindingL為定值，整數(shù)7l B-DNA是力學(xué)上穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)（ 10 bp/ helix）l 雖交叉數(shù)減少，但需轉(zhuǎn)換為一種應(yīng)力，以維持10bp/helix的螺旋數(shù)，l 應(yīng)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B-DNA的右旋結(jié)構(gòu), 形成超螺旋 420bpL=42T=42W=0無應(yīng)力松弛狀態(tài)應(yīng)力的分配L = 36T = 36W = 0L = 36T = 42W = -6 鏈松弛后再結(jié)成

5、環(huán)鏈未松弛再結(jié)成環(huán)松開6圈螺旋L = 682比連系差（Specific linking difference） = Lk Lk0 = Lk- Lk0 Lk0 能夠根據(jù)DNA分子Lk的改變描述螺旋不足（超螺旋），也叫超螺旋密度（superhelix density）。 9DNA分子形成超螺旋的生物學(xué)意義：1 超螺旋DNA具有更緊密地形狀，因此在DNA組裝中具有重要作用；2 DNA的結(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)性，DNA超螺旋程度的改變介導(dǎo)了這種結(jié)構(gòu)的變化，這有利于其功能的發(fā)揮。3 DNA是一種熱力學(xué)上的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，超螺旋的引入提高了他的能量水平。10拓?fù)洚悩?gòu)體(topoisomer)：具有不同連接數(shù)的同一種DNA

6、分子稱為DNA拓?fù)洚悩?gòu)體。四、DNA拓?fù)洚悩?gòu)體與拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase) 作用方式：拓?fù)洚悩?gòu)酶與DNA共價(jià)結(jié)合形成中間體，使磷酸二酯鏈暫時(shí)斷裂形成切口，DNA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?fù)錉顟B(tài)，但一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)并無變化。即在保持DNA一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)不變的情況下，兩條單鏈可以相互纏繞，形成不同的空間構(gòu)型。拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase) 細(xì)胞內(nèi)存在著一類能催化DNA拓?fù)洚悩?gòu)體相互轉(zhuǎn)化的酶，稱為拓?fù)洚悩?gòu)酶?；蛘哒f，能改變DNA拓?fù)渎?lián)系數(shù)的酶就叫拓?fù)洚悩?gòu)酶。11型酶在兩條單鏈上都產(chǎn)生切口，每次作用使連接數(shù)改變2。在型酶的作用是增加負(fù)超螺旋數(shù)

7、，或減少正超螺旋數(shù)，在真核生物中還有減少負(fù)超螺旋的作用。 拓?fù)洚悩?gòu)酶分為型和型兩類。拓?fù)洚悩?gòu)酶的生物學(xué)功能 消除DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等過程產(chǎn)生的正負(fù)超螺旋。在細(xì)胞中，型酶與型酶的活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(dāng)?shù)某菪芏取Ｐ兔冈贒NA的一條單鏈上產(chǎn)生切口，使另一條單鏈得以穿越，每作用一次使DNA連接數(shù)改變1；原核生物中，型酶只作用于負(fù)超螺旋DNA，減少負(fù)超螺旋數(shù)，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(shù)。12Top I (swivelase, niking-closing enzyme) Brea

8、kage & rejoining of S.S. DNA at phospho-diester bonds每次L of +1（在酶的作用下，DNA單鏈斷裂）松弛B-雙螺旋消除負(fù)超螺旋CCC OC onlyNo ATP, NADattach Negative supercoilGet energy from Negative supercoil13圖3.30 型拓?fù)洚悩?gòu)酶作用機(jī)理Function Mechanism of Topoisomerase I14Top II (gyrase) ATP neededCutting & ligation of D. S. DNAtetramer 每次L o

9、f 2緊縮B-雙螺旋引入負(fù)超雙螺旋Cut D.S. DNAATPLigateAABB15Function Mechanism of Topoisomerase II 162-2 基因和基因組一、基因、基因組的概念二、基因組的大小與C值矛盾三、基因組的復(fù)性動(dòng)力學(xué)四、重復(fù)序列五、真核與原核生物基因組比較17指DNA分子所攜帶遺傳信息總和，即指一個(gè)細(xì)胞所有基因和基因間DNA的總和，稱基因組。遺傳學(xué)定義為：一個(gè)物種的單倍體的染色體的數(shù)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DNA總量是恒定的，稱之為C值。一、基因、基因組的概念產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列，在遺傳學(xué)

10、上也稱順反子（cistron）。 (二)基因組(三)C值一個(gè)單倍體基因組中DNA的總量(一)基因18霉菌藻類G+細(xì)菌G-細(xì)菌顯花植物鳥類哺乳類爬行類兩棲類硬骨魚類軟骨魚類賴皮類甲殼類昆蟲類軟體動(dòng)物蠕蟲類真菌枝原體C value paradoxof nucleotide A 生物體進(jìn)化程度高低與C值的相關(guān)性不強(qiáng) B 親緣關(guān)系相近的生物C值相差較大 低等生物單倍體基因組DNA的含量與生物復(fù)雜性呈正相關(guān)，但高等生物這種關(guān)系并不一致。19真核生物 DNA 染色體數(shù) （2C） （2N）兩棲鯢 168.0 pg 24肺魚 100 38蠑螈 85.3 24警蛙 28.2 24牛 6.4 60人 6.4 46

11、綿羊 5.7 54果蠅 0.2 8貝母 196.7 24豌豆 28 12玉米 11 20原核生物 DNA （C）Salmonella 0.0143 pg(沙門氏菌)E.coli 0.0040T2 0.00022 0.0000055174 0.000005這種形態(tài)學(xué)的復(fù)雜程度與C值大小的不一致稱為C值矛盾。20三、基因組的復(fù)性動(dòng)力學(xué) Hydroxyapatite column 羥基磷灰石柱Low C of PHigh C of Prelease D.S. DNA absorb D.S. DNA21復(fù)性發(fā)生的過程的討論dCt / dt = -KC2 反應(yīng)初始 t = 0 單鏈DNA的隨機(jī)碰撞 過程

12、（ randomly collision ）（二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)）單鏈 DNA濃度 = C0反應(yīng)達(dá) t 時(shí)單鏈DNA濃度 = Ct 兩條部分同源(小于20dNt)的S.S. DNA, 在復(fù)性過程中形成的部分雙鏈區(qū)是不穩(wěn)定的22 dCt / dt = -KCt2 積分 Ct / C0 = 1 / 1+KC0t 當(dāng) Ct / C0 = 1/2 時(shí)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(dá)到Ct / C0 = 的速率是定值230101C0t(1/2) C0t(1/2) Fra

13、ction reassociated在控制反應(yīng)條件相同的前提下, 兩種DNA分子的C0t(1/2)值,取決于dNt 的排列復(fù)雜性 。 AAAAAAAA K. C. = 1 C0t(1/2) = 210-6ATCGATCGATCG K.C. = 4 K.C. = 5 105 C0t(1/2) = 1( 復(fù)性動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性，Kinetic complexity，K.C )24Eukaryotic genomes have several sequence components25變性程度 部分變性的DNA可直接通過拉鏈作用迅速?gòu)?fù)性，而完全變性的DNA一般需要幾個(gè)小時(shí)才能復(fù)性。 除溫度、離子強(qiáng)度、p

14、H等變性條件外，影響復(fù)性的因素有：DNA的濃度 濃度越大有效碰撞的頻率越高。DNA分子大小 越小的分子復(fù)性越快。DNA復(fù)雜性(complexity) 指最長(zhǎng)的沒有重復(fù)序列的核苷酸對(duì)數(shù)之和。ATATATATATAT的復(fù)雜性為2；ATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGC的復(fù)雜性為4；ATGCATGCCTCAGTATGCATGCATGC的復(fù)雜性為10；ATGCTGACGTAGCA的復(fù)雜性為14。序列復(fù)雜的DNA更容易發(fā)生非對(duì)應(yīng)配對(duì)，所以復(fù)雜性越高的DNA復(fù)性越困難。263.高度重復(fù)序列（Highly repetitive sequence）四、重復(fù)序列單一序列（Unique

15、sequence） 主要是蛋白質(zhì)編碼基因。2.中度重復(fù)序列（Moderately repetitive sequence）包括rRNA、tRNA、組蛋白的編碼基因。研究較多的是Alu家族。長(zhǎng)度不到10bp，多是串聯(lián)集中分布，一般不轉(zhuǎn)錄。有些AT含量很高的高度重復(fù)序列，在離心時(shí)常會(huì)在主要的DNA帶的上面有一個(gè)次要的DNA帶相伴隨，這就是所謂的“衛(wèi)星DNA”27 著絲點(diǎn)（centromere）功能必需的DNA序列約130bp長(zhǎng)，并富含A=T堿基對(duì)；在著絲點(diǎn)附近，還有高度重復(fù)的衛(wèi)星DNA。 端粒（telomere）順序長(zhǎng)約100bp，起到穩(wěn)定染色體的作用。是由： 5(Tx Gy)n x約為14 3(

16、Ax Cy)n y約為18反向重復(fù)序列（Inverted repetitive sequence） 又稱回文序列（Palindrome）,易形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，在DNA雙鏈中可能形成十字形結(jié)構(gòu)。 CATGAACGTCCTATTGTCGGACGTTCTGA GTACTTGCAGGATAACAGCCTGCAAGACT28基因家族：真核生物基因組中有許多來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因，這樣一組基因稱為基因家族。（4）有些可以編碼蛋白質(zhì)，在某些基因的轉(zhuǎn)錄中作為調(diào)控成分。五. 斷裂基因（split gene）也叫不連續(xù)基因，指在真核生物中，大多數(shù)編碼蛋白質(zhì)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

17、的序列，稱為斷裂基因。內(nèi)含子的意義：（1）可能是遺傳的殘留物。（2）Walter Gilbert假說：是使蛋白質(zhì)進(jìn)化過程的殘跡。（3）可以保護(hù)基因家族中基因的完整性。29五、真核與原核生物基因組比較（ P78 ） 作為總結(jié)性的問題，課后總結(jié)。同時(shí)掌握斷裂基因、假基因、內(nèi)含子、外顯子的概念。302-3染色體312-3染色體一、組成1. 核小體（nucleosome）：染色質(zhì)是由重復(fù)單位構(gòu)成的，每個(gè)重復(fù)單位由約200bp的DNA和H2A、H2B、H3、H4各兩分子組成，這個(gè)重復(fù)單位叫核小體。2. 組蛋白（histone）五種： H1、H2A、H2B、H3、H4。呈堿性。除了H1以外，其余四種有相互

18、作用形成聚合體的趨勢(shì)。它們通過C端的疏水氨基酸相互結(jié)合，而N端的堿性氨基酸則向四面伸出以便與DNA分子相互作用。323.構(gòu)成：每個(gè)核小體含8個(gè)組蛋白；200bp DNA中，146bp 緊緊纏繞著組蛋白，其余用于連接兩個(gè)核小體，稱為連接DNA（linker DNA）。H1通常和連接DNA相結(jié)合，把核小體“封鎖”起來。334. 核小體包裝的高級(jí)形式343536（1）核小體（壓縮比為7，200bp長(zhǎng)為68nm，壓縮后為10nm ） （2）30nm的核小體纖維（30nm fiber，壓縮比為40）。（3）染色體DNA的某一部分和“核骨架”（nuclear scaffold）相連，把染色體DNA隔成許多含20000至100000堿基對(duì)的DNA環(huán)。（4）約6個(gè)環(huán)與核骨架形成一個(gè)梅花結(jié)，每30個(gè)梅花結(jié)形成一盤。一條染色單體大約有10盤。4. 核小體包裝的高級(jí)形式37染色體模型基于的原理：真核染色體DNA包裝好象是一次纏繞再接一次更高級(jí)的纏繞。即在螺旋上形成螺旋，再形成螺旋。38名詞解釋DNA的拓?fù)洚悩?gòu)體，DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶，基因，基因組，C值，C值悖理，衛(wèi)星DNA，基因家族，斷裂基因，內(nèi)含子，外顯子，假基因，核小體判斷：1.DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶能夠切開DNA的1條鏈，而DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶能同時(shí)切開DNA的2條鏈，但都可以使DNA產(chǎn)生正向超