第二章染色體與DNA

第二章染色體與DNA（一）染色體（二）DNA的結(jié)構(gòu)（三）DNA的復(fù)制（四）原核生物和真核生物DNA復(fù)制的特點（五）DNA的修復(fù)（一）染色體一.染色體概述二.真核細(xì)胞染色體的組成三.原核細(xì)胞生物基因組◆染色質(zhì)（chromatin）:指間期細(xì)胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復(fù)合結(jié)構(gòu),是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。◆染色體(chromosome):指細(xì)胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中,由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)?？稍诠鈱W(xué)顯微鏡下觀察到。

染色質(zhì)與染色體是在細(xì)胞周期不同的功能階段可以相互轉(zhuǎn)變的的形態(tài)結(jié)構(gòu)，二者具有基本相同的化學(xué)組成，但包裝程度不同,構(gòu)象不同。一.染色體概述真核的細(xì)胞染色體由DNA、蛋白質(zhì)（包括組蛋白和非組蛋白）、RNA組成，各組分的含量比例為1：1：0.6：0.1。其中DNA與組蛋白是染色質(zhì)的穩(wěn)定成分，非組蛋白和RNA的含量隨細(xì)胞生理狀態(tài)不同而發(fā)生變化。一.染色體概述真核的細(xì)胞染色體主要由DNA與蛋白質(zhì)組成，通過DNA與蛋白質(zhì)形成基本單位——核小體，再由核小體形成染色質(zhì)。1.蛋白質(zhì)

2.DNA

3.核小體和染色體二.真核細(xì)胞染色體的組成1.染色體蛋白質(zhì)

DNA中的蛋白質(zhì)主要包括組蛋白(histone)和非組蛋白(nonhistone)，負(fù)責(zé)DNA分子遺傳信息的組織、復(fù)制和閱讀組蛋白(histone)是染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，與DNA組成核小體。組蛋白分為五種H1，H2A，H2B，H3，H4，這些都含有大量的賴氨酸和精氨酸，可以和酸性的DNA緊密結(jié)合（非特異性結(jié)合）。組蛋白具有如下特性(1).進(jìn)化上的極端保守性(2).無組織特異性(3).肽鏈上氨基酸分布的不對稱性(4).組蛋白具有修飾作用(5).H5組蛋白富含賴氨酸1.染色體蛋白質(zhì)

非組蛋白具有如下特點：(1)非組蛋白具多樣性和異質(zhì)性(2)在整個細(xì)胞周期都進(jìn)行合成，組蛋白只在S期與DNA復(fù)制同步進(jìn)行。(3)能識別特異的DNA序列，識別與結(jié)合籍氫鍵和離子鍵。(4)功能：幫助DNA折疊；協(xié)助DNA復(fù)制；調(diào)節(jié)基因表達(dá)。染色體還存在大量的非組蛋白(nonhistone)，非組蛋白含有較多天冬氨酸、谷氨酸，帶負(fù)電荷，屬酸性蛋白質(zhì)。種類很多，包括各種酶類.1.染色體蛋白質(zhì)2.染色體DNA真核細(xì)胞中的DNA序列可分為三種類型：(1)不重復(fù)序列（單一序列）(2)中度重復(fù)序列（101-5）(3)高度重復(fù)序列（大于105）真核基因組的最大特點是含有大量的重復(fù)序列，而且功能DNA序列常被不編碼蛋白質(zhì)的非功能DNA隔開，即C值反常現(xiàn)象。不重復(fù)序列：這種序列大小不等，每一段順序決定一個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，為一個蛋白質(zhì)基因，通常為結(jié)構(gòu)基因中度重復(fù)序列:基礎(chǔ)順序較長，可達(dá)100～300bp，重復(fù)次數(shù)幾百至幾萬，如組蛋白基因，rRNA基因。在物種進(jìn)化過程中是基因組中可移動的遺傳元件，并且影響基因表達(dá)高度重復(fù)序列：重復(fù)次數(shù)可達(dá)幾百萬次，順序較短，含5～100bp，GC含量高，這部分DNA又稱為衛(wèi)星DNA，這類DNA只在真核細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，通常不轉(zhuǎn)錄。2.染色體DNArRNA基因族微衛(wèi)星DNA重復(fù)單位序列最短，具多態(tài)性，在遺傳上高度保守，為重要的遺傳標(biāo)志。核小體（nucleosome）是染色體的基本結(jié)構(gòu)單位，由核心顆粒和連接區(qū)DNA組成。每圈6個核小體折疊形成螺旋管，再折疊為直徑為30nm的中空的螺線管纖維（solenoid），這種結(jié)構(gòu)稱為染色質(zhì)纖絲。染色質(zhì)纖絲再進(jìn)一步折疊形成許多超螺線管，并附著在一個由非組蛋白組成的中央骨架（scaffold）上而成為染色單體（chromatid），DNA總共壓縮8400倍3.染色質(zhì)和核小體核小體結(jié)構(gòu)要點◆每個核小體單位包括200bp左右的DNA超螺旋和一個組蛋白八聚體及一個分子H1組蛋白◆2分子組蛋白H2B、H2A、H3和H4構(gòu)成核小體的盤狀核心結(jié)構(gòu)八聚體◆146bp的DNA分子超螺旋盤繞組蛋白八聚體1.75圈,組蛋白H1在核心顆粒外結(jié)合額外20bpDNA，鎖住核小體DNA的進(jìn)出端，起穩(wěn)定核小體的作用?！魞蓚€相鄰核小體之間以連接DNA相連，典型長度60bp，不同物種變化值為0～80bp◆組蛋白與DNA之間的相互作用主要是結(jié)構(gòu)性的，實驗表明，核小體具有自組裝（self-assemble）的性質(zhì)HistoneH1bindstothelinkerDNAbetweennucleosome,inducingtighterDNAwrappingaroundthenucleosome原核細(xì)胞DNA具有如下特點：1.基因組通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成。原核生物的單一環(huán)狀染色體是區(qū)別于真核生物中的多條線狀染色體的最好的標(biāo)志2.結(jié)構(gòu)簡練：原核生物DNA分子的大部分是用來編碼蛋白質(zhì)的，只有很少一部分不轉(zhuǎn)錄3.存在轉(zhuǎn)錄單元：功能相關(guān)的基因，往往叢集在基因組的一個或幾個特定部位，形成轉(zhuǎn)錄單元，可被一起轉(zhuǎn)錄為含多個mRNA的分子，叫多順反子轉(zhuǎn)錄4.有重疊基因：在一些細(xì)菌和病毒中有同一段DN能攜帶兩種不同的蛋白質(zhì)信息，即重疊基因。三.原核和真核生物基因組5.基因組中只有1個復(fù)制起點。6.基因序列是連續(xù)的，無內(nèi)含子結(jié)構(gòu)。7.基因組中的重復(fù)序列很少。編碼蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因多為單拷貝，但編碼rRNA的基因往往是多拷貝的，8.細(xì)菌基因組中存在可移動的DNA序列，包括插入序列和轉(zhuǎn)座子。三.原核和真核生物基因組真核生物基因組具有如下特點：1.基因組龐大，遠(yuǎn)大于原核基因組2.真核基因組存在大量重復(fù)序列3.基因組大部分為非編碼序列，占90%以上4.轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子三.原核和真核生物基因組5.真核基因含有內(nèi)含子，是斷裂基因6.真核基因組存在大量順式作用元件，包括啟動子、增強子、沉默子7.真核基因組存在大量DNA多態(tài)性8.真核基因組具有端粒結(jié)構(gòu)三.原核和真核生物基因組（三）DNA的復(fù)制DNA是遺傳信息的載體，DNA中的遺傳信息通過RNA傳遞給蛋白質(zhì),從而使子代細(xì)胞含有相同的遺傳信息,并體現(xiàn)相應(yīng)的遺傳性狀。因此在細(xì)胞傳代時，其染色體DNA必須精確而忠實的傳遞給子代細(xì)胞，這稱為DNA復(fù)制（replication）。一.DNA的半保留復(fù)制機理三.復(fù)制的幾種方式二.復(fù)制的起點、方向和速度當(dāng)細(xì)胞分裂時，細(xì)胞核染色體中的DNA的雙螺旋鏈解開，然后以解開后的每一條鏈為模板，按照堿基配對的原則，分別合成與兩條模板鏈互補的新鏈新合成的子代DNA雙鏈中有一條鏈來自于母鏈，另一條是新合成的，兩條子鏈既彼此全同又和母鏈相同，子鏈中只保留一條母鏈，這種方式稱為半保留復(fù)制(semiconservationreplication)一.DNA半保留復(fù)制機理1958年Meselson和Stahl通過同位素標(biāo)記培養(yǎng)大腸桿菌的實驗首次支持了半保留復(fù)制方式。NewstrandOldstrand半保留復(fù)制二.復(fù)制的起點、方向和速度復(fù)制時，DNA雙鏈解開成兩股鏈分別進(jìn)行，復(fù)制起點呈現(xiàn)叉子形式，稱為復(fù)制叉（replicationfork）DNA復(fù)制從起點開始單向或雙向進(jìn)行直到終點為止。通常把含有一個復(fù)制原點并能在細(xì)胞中自主復(fù)制的DNA分子稱為復(fù)制子或復(fù)制單元(replicon)。

原核生物中，每個DNA分子上只有一個復(fù)制子；

真核生物中，每個DNA分子有多個復(fù)制子，每個復(fù)制子長約50-200kb；其DNA復(fù)制是由多個復(fù)制子共同完成的。無論原核和真核，DNA的復(fù)制主要是從固定的起始點以雙向等速方式進(jìn)行的二.復(fù)制的起點、方向和速度DNA的復(fù)制有單向和雙向兩種方式三.復(fù)制的幾種方式1.線性DNA雙鏈的的復(fù)制2.環(huán)狀DNA雙鏈的的復(fù)制θ型復(fù)制：θ型復(fù)制存在于大腸桿菌的環(huán)狀染色體復(fù)制中,為雙向復(fù)制滾環(huán)型復(fù)制：單向復(fù)制，存在于噬菌體、細(xì)菌質(zhì)粒等的復(fù)制中。D環(huán)復(fù)制：線粒體的環(huán)狀DNA往往以D環(huán)形式復(fù)制。E.Coli染色體DNAθ復(fù)制:復(fù)制時有一個復(fù)制起點，雙向展開，形成θ狀中間物，直至兩個復(fù)制叉相遇，這種復(fù)制稱θ復(fù)制。

RollingcirclemodeforphageλDNAreplication（四）原核生物和真核生物DNA復(fù)制的特點一.原核生物的DNA復(fù)制的特點二.真核生物的DNA復(fù)制的特點一.原核生物的DNA復(fù)制的特點E.Coli染色體DNA復(fù)制時有一個復(fù)制起點，雙向展開，形成θ狀中間物，直至兩個復(fù)制叉在距起點180o處會合。1.DNA聚合酶(DNApolymerase):DNA聚合酶能將兩個脫氧核苷酸連接起來,是DNA復(fù)制的主要酶1956年Kornberg首先發(fā)現(xiàn)了大腸桿菌DNA聚合酶Ⅰ，又稱Kornberg酶?，F(xiàn)在已經(jīng)從大腸桿菌中分離得到了三種不同的DNA聚合酶，即DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，代表了其他DNA聚合酶的基本特點。2.DNA雙螺旋的解旋:天然DNA分子均處于緊縮的超螺旋狀態(tài)，復(fù)制時，雙螺旋的二級結(jié)構(gòu)和超螺旋三級結(jié)構(gòu)均必須解除有多種酶和蛋白因子參與解螺旋,比較重要的有以下三種酶:DNA解螺旋酶(helicase),拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase),單鏈結(jié)合蛋白(SSB)一.原核生物的DNA復(fù)制的特點而以5′→3′模板鏈合成的新鏈?zhǔn)遣贿B續(xù)合成的，先反向（方向為5′→3′）合成一些DNA片段，再把片段連接而成一條整鏈，這些片段稱為岡崎片段，這條鏈稱為后續(xù)鏈(laggingstrand)DNA復(fù)制時,是向一個方向齊頭并進(jìn)的，而DNA聚合酶只能催化5′→3′方向的因此以3′→5′模板鏈合成的新鏈?zhǔn)沁B續(xù)的（合成方向為5′→3′）。這條鏈稱為領(lǐng)頭鏈(leadingstrand)。3.岡崎片段與半不連續(xù)復(fù)制一.原核生物的DNA復(fù)制的特點回環(huán)假說：合成時，滯后鏈的模板繞聚合酶向后回折，這樣后續(xù)鏈的模板和先導(dǎo)鏈的模板都保持相同的方向，由聚合酶催化兩條鏈的合成。在復(fù)制進(jìn)行時，領(lǐng)頭鏈的合成是連續(xù)的，而后續(xù)鏈的合成是不連續(xù)的，先合成一些片段（岡崎片段），然后將岡崎片段連接起來成為一條鏈。這種復(fù)制過程稱為半不連續(xù)復(fù)制3.岡崎片段與半不連續(xù)復(fù)制一.原核生物的DNA復(fù)制的特點4.復(fù)制的引發(fā)和終止原核生物的DNA復(fù)制從特定的復(fù)制原點Oric開始，在多種蛋白因子（DnaA,DnaB,PriA,DnaG)的參與下，形成引發(fā)體（primosome）。然后與DNA聚合酶Ш結(jié)合，兩個復(fù)制叉沿環(huán)狀染色體以相反方向移動大腸桿菌的兩個復(fù)制叉在相距終點100kb時，復(fù)制速度減慢，從而協(xié)調(diào)2個復(fù)制叉到達(dá)的時間。在終止區(qū)域內(nèi)含有多個ter序列(terminationsite)，它們能與終止蛋白（Tus蛋白）結(jié)合，使復(fù)制叉停止移動，并釋放子鏈DNA。一.原核生物的DNA復(fù)制的特點(1)大腸桿菌DNApolymerase(polⅠ)polⅠ不是復(fù)制的主要聚合酶，具有3‘→5’外切酶活性和5‘→3’外切酶活性。

3‘→5’外切酶活性是從3‘→5’方向識別和切除不配對的DNA生長鏈末端的核苷酸。而在DNA損傷的修復(fù)和對岡崎片段5‘-末端RNA引物的去除依賴此5‘→3’外切酶活性。(2)大腸桿菌DNApolymerase(polⅡ)polⅡ催化DNA的聚合，它最適模板是雙鏈DNA而中間有小空隙的單鏈DNA部份。

polⅡ具有3‘→5’外切酶活性，但無5‘→3’外切酶活性。

polⅡ缺陷的大腸桿菌突變株的DNA復(fù)制正常。表明polⅡ不是DNA復(fù)制的主要酶，它可能在DNA損傷修復(fù)中起一定作用。(3)大腸桿菌DNApolymerase(polⅢ)polⅢ是細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制所必需的酶，polⅢ以脫氧核苷酸三磷酸(dNTP)為原料,催化DNA核苷酸的連接，合成的方向是5′→3′,以RNA為引物

polⅢ在細(xì)胞內(nèi)數(shù)量少，但催化速率是DNApolⅠ的15倍。

polⅢ具3‘→5’外切酶活性。(1).DNA解旋酶(helicase）能夠解除DNA的雙螺旋,使其成為單鏈,與解螺旋有關(guān)的蛋白稱為DnaA、DnaB、DnaC蛋白（又稱為rep蛋白）(2).拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase)又稱為旋轉(zhuǎn)酶，能夠解除超螺旋，從而消除解鏈過程中出現(xiàn)的扭曲力.(3).單鏈結(jié)合蛋白(SSB)能與解開的DNA單鏈結(jié)合，防止DNA再形成雙螺旋，以及防止核酸