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第二章 染色体与DNA,一、染色体,细胞核中棒状可染色物质 遗传物质传递的载体 包括DNA 和蛋白质 染色体和染色质的区别 真核细胞与原核细胞中染色体的差异,A. 染色体概述,染色体只存在于细胞有丝分裂过程中， 光学显微镜下可见 其他时期，是细而松散的染色质 电子显微镜下可见,蛋白质组装方式不同 原核生物类核体 原核生物DNA 主要特征：,仅一条染色体；单拷贝基因 由功能基因与调控序列组成 基因序列与编码的蛋白质序列线性对称,B. 真核细胞基因组 染色体共性特征： a. 结构稳定 b. 自我复制 c. 指导蛋白质合成 d. 可遗传变异,真核细胞染色体组成包括： a. 蛋白质 b. 基因组DNA c. 染色质和核小体（结构成分）,包括组蛋白和非组蛋白 真核生物染色质主要组蛋白通常含有5种： H1，H2A，H2B，H3和H4. 组蛋白富含碱性Arg或Lys 组蛋白基因不是单拷贝，而是重复了许多 拷贝。,组蛋白（结构蛋白） a. 进化上极端保守 b. 无组织特异性 c. 肽链上氨基酸分布不对称 d. 组蛋白的修饰 e. 富含赖氨酸的组蛋白H5 非组蛋白 a. 高速泳动蛋白 b. DNA结合蛋白 c. A24非组蛋白,C值,C值反常现象/C值谬误,一种生物单倍体基因组DNA 的总量,C值与其种系进化的复杂程度不一致， 某些低等生物却具有较大的C值,真核细胞DNA分为三类： a. 不重复序列； b. 中度重复序列； c.高度重复序列/卫星DNA,DNA,组蛋白八聚体,核小体,螺线管,超螺旋,染色体单体,核小体是构成真核生物染色质的基本结构单位 。 将由200bp的DNA与一组组蛋白构成致密结构称为核小体。 由H2A,H2B,H3和H4等4种组蛋白构成八聚体是核小体核心颗粒 。,真核生物基因组结构特点：,基因组庞大 存在大量重复序列 非编码序列 转录产物为单顺反子 内含子 顺式作用元件 DNA多态性 端粒结构,C. 原核生物基因组 染色体外遗传因子： 细菌的质粒 真核生物的线粒体 高等植物的叶绿体,原核细胞DNA特点： 结构简单 存在转录单元 多顺反子mRNA 有重叠基因,重叠基因的重叠方式： 包含 部分重叠 单碱基对重叠,二、DNA的结构,DNA分子是一种高分子化合物，它的基本单位是脱氧核苷酸 每种脱氧核苷酸都是由三部分组成:即一分子含氮碱基、一分子脱氧核糖和一分子磷酸。 四种碱基：腺嘌呤 （adenine，缩写为A） 胸腺嘧啶（thymine，缩写为T） 胞嘧啶（cytosine，缩写为C） 鸟嘌呤（guanine，缩写为G） DNA分子是由两条脱氧核苷酸长链组成的。,A. DNA一级结构,DNA分子的结构特点是: DNA分子是由两条链组成的，这两链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。 DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。 DNA分子两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对。,B. DNA的二级结构,DNA的二级结构是指两条脱氧多核苷酸链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。 DNA的二级结构分为两大类： 一类是右手螺旋，如A-DNA、B-DNA等； 一类是左手螺旋，如Z-DNA,詹姆斯沃森与佛朗西斯克里克所发现的双螺旋，是称为B型的水结合型DNA，在细胞中最 为常见. 双螺旋的平均直径为2nm（实测为2.37nm），相邻碱基对的距离为0.34nm（实测为0.33nm），相邻核苷酸的夹角为36（实测为34.6）。沿螺旋的长轴每一转含有10个（实测测量为10.4）碱基对，其螺距为3.4nm。,C. DNA的高级结构,DNA的拓扑结构是指在DNA双螺旋的基础上，进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。 超螺旋结构是拓扑结构的主要形式，它可以分为正超螺旋和负超螺旋两类，在相应条件下，它们可以相互转变。,播放Flash 9-18,三、DNA的复制,DNA是遗传信息的载体，故亲代DNA必须以自身分子为模板准确的复制成两个拷贝，并分配到两个子细胞中去，完成其遗传信息载体的使命。而DNA的双链结构对于维持这类遗传物质的稳定性和复制的准确性都是极为重要的。,A. DNA的半保留式复制,semiconservative replication DNA在复制过程中碱基间的氢键首先断裂（通过解旋酶），双螺旋结构解旋分开，每条链分别作模板合成新链。由于每个子代DNA的一条链来自亲代，另一条则是新合成的，故称之为半保留式复制。,B. 复制起点、方向和速度,复制子：(origin，ori 或 O，复制原点)复 制开始处DNA分子的特定位置 复制叉:复制时DNA分子中的“Y”形区 域，是由解开的两条链和尚未松 解开的双螺旋形成的。 单向复制和双向复制,无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的。 复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。,C. DNA复制方式,线性DNA双链的复制： 二联体+多联体 末端发卡结构 链取代法,环状DNA双链的复制： 型 滚环型 D-环型,四、原核生物和真核生物DNA复制的特点,A. 原核生物DNA复制,DNA解链 DnaA蛋白辨认起始点oriC的重复序列，并与DNA形成起始复合物；DnaB蛋白在DnaC蛋白协助解开双螺旋；SSB维持单链模板稳定。,解螺旋酶(helicase) 属于拓扑异构酶一类，具有ATPase酶活性，催化DNA解链，松开负超螺旋。其中一类结合在双链DNA后滞链模板上，以53方向移动，另一类为Rep蛋白结合在前导链上以35方向移动，在两条链上协同作用解螺旋。,单链DNA结合蛋白(SSB) 结合稳定DNA单链，起保护作用，E.coli SSB为四聚体结合32bp区段，结合SSB后模板构象改变为伸展状态，利于聚合的进行。 防止重新形成双链，维持模板处于单链状态； 免受核酸酶降解。,DNA拓扑异构酶 (topoisomerase) 拓扑：是指物体或图像作弹性移位而 又保持物体不变的性质。 拓扑异构酶：是一类可改变DNA拓扑 性质的酶。对DNA分子的作 用是既能水解、又能连接磷 酸二酯键。可松弛DNA超螺 旋，有利于DNA解链。,引发体的形成并合成引物 DnaB蛋白和DnaA、DnaC蛋白，还有其他复制因子，一起形成复合体，结合引物酶，形成较大的聚合体，再结合到模板DNA上，这种复合物称为引发体。 引发体的蛋白质部分在DNA链上可以移动，并需由ATP供给能量。引发体到达适当位置就可按照模板的配对序列，催化NTP（不是dNTP）的聚合，生成引物。,复制起始时，母链即已解开，两股单链都是模板，其作用是按碱基配对规律指引核苷酸加入到新链。 每次加入的单个核苷酸，都是以dNTP为原料，复制时子链从5向3延长。 复制延长速度相当快。E.coli每秒钟能加入的核苷酸数达2500个。,复制的半不连续性和冈崎片段 在形成双螺旋结构时，DNA双链的走向是相反的。复制经解链后，两股单链在复制叉上也是走向相反。复制，包括引物合成，只能从5向3延伸。而在同一复制叉上，解链的方向只可能有一个。复制方向与解链方向不一致，可以理解不连续复制的成因。,领头链连续复制 顺着解链方向而生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链（leading strand）。,随从链不连续复制 复制的方向与解链方向相反生成的子链称为随从链（ lagging strand） 。 随从链的复制必须等待模板链解开至足够长度，才能从53方向生成引物然后复制。随从链在延长时，又要等到下一段暴露出足够长而度的模板，再次生成引物而延长。这就是不连续复制。,冈崎片段 随从链不连续复制的片段称为冈崎片段，其大小在10002000个核苷酸。 每一个不连续复制的片段5-端都带有一个RNA引物。 片段的复制完成后，RNA引物会被除去而代之以DNA片段，因此复制至最后，两股子链都是DNA链。,复制的终止 原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter)处汇合。复制的起始点和终止点刚好把环状DNA分为两个半圆，两个方向各进行180，同时在终止点汇合。,原核DNA聚合酶的种类: 有三种DNA聚合酶（I，II，III），可进行53方向聚合和35外切酶活性逐个切下核苷酸，聚合酶I和III还可从53切下核苷酸。聚合酶III是主要的DNA复制酶，酶I填补引物去除后的缺口，而酶II与酶I协作或作为其补充。,用枯草杆菌蛋白酶水解E.coli DNA聚合酶I得到N端小片段和C端大片段(Klenow fragment)，具有53聚合和35外切活性。X-ray衍射晶体结构分析其C端组成一条深沟可容纳一条双螺旋DNA分子。 Pol I的53外切活性可切除前方5端核苷酸即平移反应(用于标记探针)。前导可进行链替代合成反应，后滞链不能进行。,DNA pol ：5 3聚合酶活性及3 5外切核酸酶活性。 DNA Pol III是主要的DNA聚合酶，由7个亚基组成的全酶已具有最高活性。 亚基为主要聚合酶，亚基具有35外切活性,亚基识别模板启动区结构诱导酶与模板DNA结合。Pol III需要ATP水解(ATPase活性可能在酶的亚基上)提供能量。,DNApol-主要功能是切除引物，填补冈 崎片段产生的空隙及DNA损 伤的修复。 DNApol -是主要的修复酶 DNApol -是主要的复制酶,B.真核生物的DNA复制,真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。 在复制叉及RNA引物生成后，DNA-pol通过PCNA的协同作用，逐步取代DNA-pol，在引物的3OH基础上分别合成领头链和随从链。复制子复制完成后，除去引物。,真核DNA聚合酶至少有5种，即,和，均可进行53方向聚合。 酶是主要的DNA聚合酶与酶协同进行DNA聚合反应，酶没有35外切酶活性但可作为引物酶，酶至少含4种不同多肽最大的亚基组成核心负责聚合反应，两个小亚基具有引物酶活性。 酶可能与和协同参与DNA修复。 酶只在线粒体和叶绿体中发现 酶含35外切酶活性进行校读并作为解旋酶。酶至少含2个亚基及PCNA（proliferating cell nuclear antigen）和复制因子C(RFC)、单链结合蛋白RFA。酶参与引导链的聚合而酶参与滞后链的聚合。 酶的结构和特征与酶相似，可能参与修复机制或与和协同作用。,C. DNA复制的调控,大肠杆菌染色体DNA的复制调控 染色体的复制与细胞分裂同步但不直接偶联。 复制子由复制起始物位点和复制起点组成。 复制起始物位点编码复制调节蛋白质，复制起点与调节蛋白作用启动复制。 基因编码的调节蛋白通过与复制复合物的相互作用确定复制起始频率和复制方式。,质粒DNA的复制调控 ColE1质粒DNA复制不依赖于本身编码的蛋白质，而完全依赖宿主DNA聚合酶。 ColE1复制起始由转录启动，RNaseH水解转录产物形成复制的引物。与引物互补的一条链的转录物RNA I的转录影响RNaseH水解产生引物所需的3-OH末端，起负调控作用。OriC下游的Rop蛋白增强RNA I与引物前体的配对亦抑制引物的形成。,真核细胞DNA的复制调控 细胞生活周期水平调控：限制点调控，真核细胞DNA的复制发生在S期，促使细胞由G1期进入S期的多种因子调控； 染色体水平的调控：决定复制子起始顺序 复制子水平的调控：复制子参与的多种因子均可参与调节，主要是复制起始调控，如酵母复制起始受时序调控。,参与DNA复制的酶及蛋白质,原核生物与真核生物DNA复制的不同点,Flash 11-01 11-07,五、DNA的修复,DNA损伤,生物因素,化学试剂,紫外线,电离辐射,形成嘧啶二聚体，使转录终止，复制受阻,通过电离作用造成DNA断裂、碱基脱落、 杂环破裂、氧化等损伤,烷化剂、碱基或核苷类似物、亚硝酸盐及亚硝胺、代谢活化化合物,RNA肿瘤病毒可插入基因组、复制时的碱基错配 、碱基脱氨、碱基丢失,错配修复 该修复系统只校正新合成的DNA，因为新合成DNA链的GATC序列中的A（腺苷酸残基）开始未被甲基化。GATC中A甲基化与否常用来区别新合成的链（未甲基化）和模板链（甲基化）。 错配碱基是从3还是从5方向切除取决于不正确碱基的相对位置。 保存母链，修正子链,碱基切除修复 AP位点 糖基化酶/糖苷水解酶（DNA glycosylases）能识别DNA中的不正确碱基，如尿嘧啶、次黄嘌呤和黄嘌呤，这些碱基是由胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤脱氨形成的。DNA糖基化酶可以切断这种碱基N-糖苷键，将其除去，形成的脱嘌呤或脱嘧啶部位即是AP位点,核苷酸切除修复 形成胸腺嘧啶二聚体会引起DNA双螺旋结构的变形，这样的损伤可以通过核苷酸切除系统修复。 原核生物：1213个核苷酸片段 真核生物：2729个核苷酸片段,DNA直接修复 （最早发现的DNA修复方式） 修复是由DNA光解酶（photolyase）完成的，此酶能特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合的二聚体，并与其结合，这步反应不需要光；结合后如受300-600nm波长的光照射，则此酶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，然后酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构。,重组修复 此过程也叫复制后修复,SOS反应 DNA严重损伤能引起一系列复杂的诱导效应，包括修复效应、诱变效应、分裂抑制及溶原菌释放噬菌体等。 细胞癌变也可能与SOS反应有关。 SOS反应诱导切除和重组修复酶系，还诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶，加快修复，避免死亡，但提高了变异率。,六、DNA的转座,DNA的转座，或称移（transposition） 是由可移位因子（transposable element）介导的遗传物质重排现象。 在转座过程中，可移位因子的一个拷贝常常留在原来位置上，在新位点上出现的仅仅是拷贝。因此，转座有别于同源重组，它依赖于DNA的复制。,转座子(元)或转座元件 (transposon or transposable element) 即能够反复插入到基因中许多位点的特殊DNA片段，它们可从一个位点转移到另一个位点，从一个复制子到另一个复制子。（在转移时原来位置上的这些结构依然存在或不存在）。,转座子特点 不必借助同源序列就可移动的DNA片段，即转座作用与供体和受体之间的序列无关。 原核生物和真核生物均有转座子。 转座序列可沿染色体移动，甚至在不同染色体间跳 跃。,种类与特点,两种类型： A 简单转座子（simple transposon） 或（插入序列 insertion sequence IS ） B 复合转座子（composite transposon）,特征： a）两端有2040bp的反向重复序列(IR) b）具有编码转座酶（transposase）的基因 c）复合转座子除转座酶基因外还有1数个基因。 d）转座酶催化转座子插入新位点。,最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被称为插入序列（insertion sequence，IS），它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。转座子常常被定位到特定的基因中，造成该基因突变。IS序列都是可以独立存在的单元，带有介导自身移动的蛋白。,A. 插入序列, 最简单，是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分，是一个自主的单位，每种IS均编码自身转座所需的蛋白质。, 命名： IS编号（鉴定类型） 长度 7002000bp,插入序列IS1的结构,每种IS元件具有不同序列， 但有共同的组织形式,B 复合转座子,复合式转座子（composite transposon）是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某个功能基因两端时就可能产生复合转座子。一旦形成复合转座子，IS序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。, 表示法：通常以Tn和后面加上数码表示，如Tn903。 结构: a. 除有转座酶基因外还有其它表型基因，如：抗药基因，使宿主具表型效应。 b. 两侧有重复序列。 c. 有的转座子的重复顺序就是IS。 功能：和 IS 一样可以从一个位点转座到另 一个位点。,复合转座子结构示意图,C. 真核生物中的转座成分,玉米的Ac-Ds元件 Spm-dSpm系统,Ac和Ds这两个因子都位于玉米的第九号染色体短臂，在色素基因C的附近。 Ac因子全长4.5kb，有5个外显子，其产物是转座酶。Ac因子两端是长11bp的反向重复序列(IR)； Ds因子长0.4-4kb，它的中间(在转座酶基因中)有许多种长度不等的缺失, 如Ds9只缺失194bp，而Ds6则缺失2.5kb，Ds的两端也都有11bp的反向重复序列。 Ac和Ds的末端反向重复几乎是一样的，只有一个不同之处：Ac两端最外边的核苷酸是彼此不互补的T:G，而Ds是互补的T:A。,由于缺失转座酶，Ds因子不能自主移动，因此Ds因子是非自主移动的受体因子(dissociator)，而Ac则为自主移动的调节因子(activator )，Ds的转座依赖于Ac元件的存在。 Ac、Ds的转座属于非复制机制，即不是复制一份拷贝后将拷贝转移，而是直接从原来位置消失。,玉米转座因子对胚乳颜色的影响,果蝇中的转座子 Copia转座子 P转座子,Copia因子是果蝇的一种反转录转座子(retrotransposon或retroposon)，所谓反转录转座子是指通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件。 Copia因子由于存在大量密切相关的编码高丰度mRNAs的序列而得名。 家族数量巨大，分布广泛。,Copia因子全长5000bp左右，两端各有-个相同的276bP的正向重复序列(DR)，每个正向重复序列本身的两端还各有一个反向重复序列(IR)。当Copia因子转座插入染色体时，在插入位点上产生5bp的正向重复序列。,Copia因子的转录产物是po1y(A)+mRNA，它有两种形式，一种是完整全长的转录本，另一种是部分长度即截短的转录本，二者都有相同的5末端。翻译产生的蛋白质可能参与RNA的剪接和多肽的切割。关于Copia因子转座的具体过程和细节目前还不十分清楚。,果蝇的P因子有两种类型，一类是全长P因子，长2907bp，两端有33bp的反向重复序列(IR)，有4个外显子(4个ORF)，编码转座酶(图)；另一类为缺失型P因子，它不能编码转座酶，它的转座依赖于全长P因子。缺失型P因子都是由活性P因子的中段缺失衍生而来的，长度从500bp到1400bp不等。 不带有P因子的