醫(yī)學(xué)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

1、 遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)染色體與DNA 一、基因（組）與遺傳二、遺傳物質(zhì)染色體與DNA的區(qū)別與聯(lián)系三、DNA的組成與結(jié)構(gòu)四、原核與真核染色體DNA比較基因（gene）一、基因（組）與遺傳：基因的分子生物學(xué)概念基因的遺傳學(xué)概念從遺傳學(xué)史的角度看，基因概念大致分以下幾個(gè)階段泛基因（或者稱前基因）階段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現(xiàn)代基因階段現(xiàn)代基因階段 重新認(rèn)識(shí)基因的階段基因是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(duì)于編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)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

2、具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能，包括編碼酶和結(jié)構(gòu)蛋白的結(jié)構(gòu)基因以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基因第三類是不轉(zhuǎn)錄的基因，它對(duì)基因表達(dá)起調(diào)節(jié)控制作用，包括啟動(dòng)基因和操縱基因基因組（genome）基因組： 細(xì)胞內(nèi)遺傳信息的攜帶者DNA的總體基因組中不同的區(qū)域具有不同的功能： 有些區(qū)域編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因 有些區(qū)域復(fù)制及轉(zhuǎn)錄的調(diào)控信號(hào) 有些區(qū)域的功能尚不清楚基因組的結(jié)構(gòu)不同的功能區(qū)域（DNA fragment）在整個(gè)DNA分子中的分布情況基因組結(jié)構(gòu)基因組結(jié)構(gòu)不同生物體中DNA的大小2 .1 染色體（Chromosome) 染色體 染色質(zhì) DNA 1

3、RNA 0.1 蛋白質(zhì) 組蛋白 1 H1 H2A H2B H3 H4 非組蛋白 0.6二、遺傳物質(zhì)染色體與DNA的區(qū)別與聯(lián)系2.1.1 染色體的特點(diǎn)2.1.2 真核生物(eukaryote) 染色體的組成2.1.2.1 蛋白質(zhì)-組蛋白和非組蛋白1）組蛋白的一般特性 進(jìn)化上的保守性不同生物的組蛋白氨基酸組成十分相似。牛、豬、大鼠的H4氨基酸完全相同。牛和豌豆的H4序列只有2個(gè)氨基酸差異;鯉魚和小牛胸腺的H3只差1個(gè)氨基酸。保守程度：H1 H2A、H2B H3 、H4 無組織特異性僅發(fā)現(xiàn)鳥類、魚類及兩棲類紅細(xì)胞不含H1而含H5，精細(xì)胞組蛋白為魚精蛋白是例外。 肽鏈氨基酸分布的不對(duì)稱性堿性氨基酸分布

4、在N端的半條鏈上，如N端的靜電荷為16+，C 端僅3+；堿性半條鏈與DNA負(fù)電荷區(qū)結(jié)合，另半條鏈與其他蛋白結(jié)合。 組蛋白的可修飾性在細(xì)胞周期特定時(shí)間可發(fā)生甲基化、乙?；?、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙?；饔谩1有磷酸化作用。 H5組蛋白的特殊性富含賴氨酸（24%），與H1無明顯親緣關(guān)系。2）非組蛋白的一般特性 多樣性有30600種，常見1520種。分子質(zhì)量1.5 X1041.8x105。包括：酶類、收縮大蛋白、骨架蛋白、核孔復(fù)合物蛋白、肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。DNA結(jié)合蛋白為DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄有關(guān)的酶；HMG蛋白系DNA超螺旋有關(guān)的蛋白；A2

5、4非組蛋白與組蛋白相似，功能不詳 組織特異性同義個(gè)體不同的組織，基因表達(dá)的差異與非組蛋白的特異性有關(guān)。 種屬特異性不同物種，組蛋白存在保守性。而非組蛋白存在很大的差異，反映物種的多樣性。 DNA是染色體的核心部分。DNA和RNA統(tǒng)稱核酸。核酸的理化特性包括：穩(wěn)定性、酸效應(yīng)、堿效應(yīng)、化學(xué)變性、熱變性、紫外線吸收性、減色性復(fù)性、黏性、浮力梯度等。1) DNA的變性和復(fù)性 變性（Denaturation) DNA雙鏈的氫鍵斷裂，最后完全變成單鏈的過程稱為變性。 增色效應(yīng)(Hyperchromatic effect)在變性過程中，260nm紫外線吸收值先緩慢上升，當(dāng)達(dá)到某一溫度時(shí)驟然上升，稱為增色效應(yīng)

6、。 融解溫度（Melting temperature，Tm ) 變性過程紫外線吸收值增加的中點(diǎn)稱為融解溫度。生理?xiàng)l件下為8595OC影響因素：G+C含量，pH值，離子強(qiáng)度，尿素，甲酰胺等. DNA 復(fù)性（Renaturation)熱變性的DNA緩慢冷卻，單鏈恢復(fù)成雙鏈。復(fù)性出現(xiàn)減色效應(yīng)（Hypochromatic effect)。復(fù)性的速率與DNA的濃度和序列的復(fù)雜性有關(guān)。 Cot1/2變性和復(fù)性是可逆的。以Co代表完全變性的DNA單鏈的起始濃度，在時(shí)間 t時(shí)的濃度變化是： dC/dt = kCo2 積分后 C/Co = 1/(1+kCot)k為復(fù)性的速度常數(shù)。以C/Co 對(duì)Cot作圖，得Co

7、t曲線。當(dāng)C/Co = 0.5， Cot值稱為Cot1/2 。Cot1/2與k 的關(guān)系為 k = 1/ Cot1/2 多種 如果肺炎的診斷成立，評(píng)價(jià)病情的嚴(yán)重程度、肺部炎癥的播散和全身炎癥反應(yīng)程度。除此之外患者如有下列危險(xiǎn)因素會(huì)增加肺炎的嚴(yán)重程度和死亡危險(xiǎn)： （一）病史 年齡65歲；存在基礎(chǔ)疾病或相關(guān)因素，如慢性阻塞性肺疾病（COPD）、糖尿病、慢性心、腎功能不全、慢性肝病、一年內(nèi)住過院、疑有誤吸、神志異常、脾切除術(shù)后狀態(tài)、長期嗜酒或營養(yǎng)不良。 （二）體佂 呼吸頻率30次/分；脈搏120次/分；血壓20X109/L；呼吸空氣時(shí)動(dòng)脈血氧分壓（PaCO2）50mmHg; 血肌酐106umol/L或

8、血尿素氮7.1mmol/L；血紅蛋白90g/L或血紅細(xì)胞比容1500。 染色體末端的線性重復(fù)序列不能被DNA polymerase 所準(zhǔn)確復(fù)制，它們一般在DNA復(fù)制完成以后由telomarase合成后加到染色體末端,稱為端粒。 Alu（家族DNA）（長約300bp）是人類高度重復(fù)序列,因?yàn)樵撔蛄兄袔в蠥lu的識(shí)別序列而得名。 數(shù)十萬個(gè)Alu重復(fù)序列散布于整個(gè)人類基因組中， 達(dá)到總序列的13。 Alu與其它高度重復(fù)序列共占人類DNA的10以上。 Nucleosome : Subunit of chromatin composed of a short length of DNA wrapped

9、around a core of histone proteins. The human genome contains about 3 billion nucleotide pairs organized as 23 chromosomes pairs . If uncoiled, the DNA contained by each of those chromosomes would measure between 1.7 and 8.5 cm long. This is too long to fit into a cell. Moreover, if chromosomes were

10、composed of extended DNA, it is difficult to imagine how the DNA could be replicated and segregated into two daughter cells without breaking down. Chromatin: Chromosomal DNA is packaged into a compact structure with the help of specialized proteins called histones . The complex DNA plus histones in

11、eucaryotic cells is called chromatin . The fundamental packing unit is known as a nucleosome. Each nucleosome is about 11nm in diameter. The DNA double helix wraps around a central core of eight histone protein molecules (an octamer) to form a single nucleosome. A second histone (H1 in the illustrat

12、ion) fastens the DNA to the nucleosome core. The total mass of this complex is about 100,000 daltons. Nucleosomes are usually packed together, with the aid of a histone (H1,) to form a 30nm large fiber. As a 30nm fiber, the typical human chromosome would be about 0.1cm in length and would span the n

13、ucleus 100 times. This suggests higher orders of packaging, to give a chromosome the compact structure seen in a typical karyotype (metaphase) cell. 染色質(zhì)(chromatin) 和核小體(nucleosome)串珠模型DNA+組蛋白核小體螺旋體（30nm fiber)超螺旋體(300nm loop)染色體(人類總DNA長度=180cm)140bp, 八聚體, 1.75,縮短7倍螺旋化,縮短6倍進(jìn)一步螺旋化,縮短40倍盤繞.縮短4倍串珠模型非組蛋白

14、在穩(wěn)定高級(jí)結(jié)構(gòu)起作用，可能是骨架蛋白，30nm的基質(zhì)三、 DNA的組成與結(jié)構(gòu) Avery在1944年的研究報(bào)告中寫道：“當(dāng)溶液中酒精的體積達(dá)到9/10時(shí)，有纖維狀物質(zhì)析出。如稍加攪拌，它就會(huì)象棉線在線軸上一樣繞在硬棒上，溶液中的其它成份則呈顆粒狀沉淀。溶解纖維狀物質(zhì)并重復(fù)數(shù)次，可提高其純度。這一物質(zhì)具有很強(qiáng)的生物學(xué)活性，初步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，它很可能就是DNA（誰能想到?。?。對(duì)DNA分子的物理化學(xué)研究導(dǎo)致了現(xiàn)代生物學(xué)翻天覆地的革命，這更是Avery所沒有想到。 DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu): 就是指4種核苷酸的連接及其排列順序，表示了該DNA分子的化學(xué)構(gòu)成。 核苷酸序列對(duì)DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成有很大影響。 例如：

15、 B-DNA中多聚（G-C）區(qū)易出現(xiàn)左手螺旋 DNA（Z-DNA）； 反向重復(fù)的DNA片段易出現(xiàn)發(fā)卡式結(jié)構(gòu)等 。 DNA不僅具有嚴(yán)格的化學(xué)組成，還具有特殊的高級(jí)結(jié)構(gòu)，它主要以有規(guī)則的雙螺旋形式存在，其基本特點(diǎn)是： 1、DNA分子是由兩條互相平行的脫氧核苷酸長鏈盤繞而成的。2、DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)。3、兩條鏈上的堿基通過氫鍵相結(jié)合，形成堿基對(duì)，它的組成有一定的規(guī)律。 這就是嘌呤與嘧啶配對(duì)，而且腺嘌呤（A）只能與胸腺嘧啶（T）配對(duì)，鳥嘌呤（G）只能與胞嘧啶（C）配對(duì)。如一條鏈上某一堿基是C，另一條鏈上與它配對(duì)的堿基必定是G。堿基之間的這種一一

16、對(duì)應(yīng)的關(guān)系叫堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。 組成DNA分子的堿基雖然只有4種，它們的配對(duì)方式也只有A與T，C與G兩種，但是，由于堿基可以任何順序排列，構(gòu)成了DNA分子的多樣性。 例如，某DNA分子的一條多核苷酸鏈有100個(gè)不同的堿基組成，它們的可能排列方式就是4100 。 含氮堿基焦磷酸鍵形成四、原核與真核染色體DNA比較 原核生物中一般只有一條染色體且大都帶有單拷貝基因，只有很少數(shù)基因如rRNA基因是以多拷貝形式存在； 整個(gè)染色體DNA幾乎全部由功能基因與調(diào)控序列所組成； 幾乎每個(gè)基因序列都與它所編碼的蛋白質(zhì)序列呈線性對(duì)應(yīng)狀態(tài)。 真核細(xì)胞（Eukaryotic cells）果蠅帶有25倍于E. Coli

17、 的DNA,人類帶有600倍于E. Coli 的DNA. Eukaryotic DNA 中基因密度明顯低于原核和病毒。如人DNA中平均每毫米只帶有50個(gè)基因,而E. Coli中基因密度每毫米DNA帶有2400個(gè)基因！一個(gè)人細(xì)胞中所帶有的DNA約有2m/1.7mm細(xì)菌。成人帶有1X1014個(gè)細(xì)胞，成人體內(nèi)全部DNA的總長度（Contour Length） 2X1011 Km DNA物理圖譜是指DNA鏈的限制性酶切片段的排列順序,即酶切片段在DNA鏈上的定位。 限制性內(nèi)切酶在DNA鏈上的切口是以特異序列為基礎(chǔ)的, 核苷酸序列不同的DNA，經(jīng)酶切后就會(huì)產(chǎn)生不同長度的DNA片段，由此而構(gòu)成獨(dú)特的酶切圖

18、譜。因此，DNA物理圖譜是DNA分子結(jié)構(gòu)的特征之一。 DNA是很大的分子，由限制酶產(chǎn)生的用于測序反應(yīng)的DNA片段只是其中的極小部分，這些片段在DNA鏈中所處的位置關(guān)系是應(yīng)該首先解決的問題，故DNA物理圖譜是順序測定的基礎(chǔ),也可理解為指導(dǎo)DNA測序的藍(lán)圖。 曾經(jīng)認(rèn)為, DNA測序從物理圖譜制作開始,它是測序工作的第一步。Vent 發(fā)明的測序方法使物理圖譜的重要性有所改變。2. DNA物理圖譜：EcoR1XhoISacIBglIIHindIIIPstISmaI2.2.4 DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)指DNA本身的進(jìn)一步盤繞成超螺旋的結(jié)構(gòu)，形成特定的空間結(jié)構(gòu)1. DNA的超螺旋負(fù)超螺旋 松弛DNA 正超螺旋 空

19、間結(jié)構(gòu)改變 10bp/螺旋 空間結(jié)構(gòu)改變拓?fù)洚悩?gòu)酶or溴化乙錠拓?fù)洚悩?gòu)酶or溴化乙錠軸心在中心DNA扭曲與雙螺旋相同DNA扭曲與雙螺旋相反DNA雙螺旋額外多或少轉(zhuǎn)幾圈，空間機(jī)構(gòu)改變，產(chǎn)生額外張力得不到釋放，導(dǎo)致原子空間重排，造成扭曲超螺旋。 在電場的作用下，相同分子量的超螺旋環(huán)狀DNA比線性DNA遷移率大，線性DNA遷移率大于開鏈DNA。瓊脂糖電泳閉環(huán)DNA自然條件下，DNA常以閉環(huán)形式存在，即兩條單鏈均為環(huán)狀且相互連在纏繞的數(shù)目為雙螺旋的螺旋數(shù)，稱為連接數(shù)（Linking number，Lk）。超螺旋超螺旋是DNA軸線的再次螺旋，若以Lk表示松弛閉環(huán)DNA的連接數(shù)， Lk 的改變將導(dǎo)致超螺旋

20、。大部分天然DNA呈負(fù)的超螺旋，即DNA變形的方向與雙螺旋解旋的方向相反。拓?fù)洚悩?gòu)體具有特定連接數(shù)的環(huán)狀dsDNA分子稱為拓?fù)洚悩?gòu)體（topoisomer），除非其中的一條鏈或兩條鏈均遭到破壞，其連接數(shù)不會(huì)發(fā)生改變。拓?fù)洚悩?gòu)體的差異是連接數(shù)的不同。纏繞和扭曲超螺旋在幾何上分為纏繞（twist）和扭曲（writhe），前者指雙螺旋是緊繞或松繞的，后者沿雙螺旋軸本身的纏繞變化。根據(jù)等式:Lk =TwWr，纏繞和扭曲是可以相互轉(zhuǎn)化的。超螺旋的水平可用連接數(shù)的變化Lk來衡量。某B-DNA 1350bp，每螺旋10bp，在松弛情況下L = T = 1350/10 = 135, W= 0，無超螺旋若DNA

21、 一端固定，另一端解螺旋5圈，在兩端封閉：L = 1355 = 130由于分子內(nèi)張力，出現(xiàn)兩中可能情況： 在分子內(nèi)保持一個(gè)單鏈區(qū)，T = 130，W = 0 DNA張力趨于保持B-DNA原狀， T = 135，L = 130，W = 5 DNA分子超盤繞5次的負(fù)超螺旋。Lk =TwWr 的計(jì)算DNA Unwinding Causes Topological Problems(Transcription)UnwoundParentalDuplexOver-Woundregion20嵌入劑嵌入劑（intercalator），如澳化乙錠（ethidium bromide， EB），通過嵌入到配對(duì)堿基之間的方式與DNA結(jié)合，導(dǎo)致DNA雙螺旋的局部解旋（untwisting）；如果是閉環(huán)DNA，則會(huì)使纏繞增加。超螺旋能負(fù)超螺旋的DNA具有很強(qiáng)的扭力，這一能量促使DNA雙螺旋的解旋，并驅(qū)動(dòng)需解旋的DNA的解旋過程。2.拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase)催化拓?fù)渥儤?gòu)體（topois