第二章染色体与DNA2011.ppt
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1、第二章 染色体与DNA,染色体 DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转座,2.1 染色体(Chromosome),内容提要: 染色体概述 染色体与染色质 染色体的结构和组成(原核生物 、 真核生物) 核小体 原核生物和真核生物基因组结构特点比较,2.1.1染色体概述,襻平均含40kb DNA,襻在基部被固定,襻的双链DNA被未知的各种碱性蛋白质压缩,E.coli 2.4109 Da,42000 Kb(1300微米), 闭合环状,约编码2000个基因。 E.coli的类核由支架 (scafford)和向四周伸出的100个DNA环组成,支架的形状因染色体而异,长度为3-5m ,支架是
2、含RNA和蛋白质的复合结构,四周的每个环就是一个独立的功能区, 长40Kb,13m。,(1)原核生物(prokaryote),拟核(nucleoid)是原核细胞含基因组的区域。DNA同蛋白质结合并没有被膜包住。 染色体(chromosome)是基因组的一个分立单元并携带很多基因。每条染色体有极长的双链DNA和接近等质量的蛋白质所组成。只是有丝分裂期间可看到是形态学上的一个实体。 染色质是(chromatin)一种纤维状结构,叫做染色质丝,它是间期期间,细胞核DNA及与其连接的蛋白质的状态。,(2)染色体形态,(3)真核生物染色体的组成,保守程度:H1 H2A、H2B H3 、H4,(4)组蛋白
3、,上海生化所分子遗传学试题: 在真核生物核内。五种组蛋白(H1 H2A H2B H3 和H4)在进化过程中,H4极为保守,H2A最不保守 ( - ),组蛋白的一般特性:, 进化上的极端保守性,牛与豌豆相差2个氨基酸 无组织特异性:鸟/鱼例外,H5取代H1 肽链氨基酸分布的不对称性:氨基端多的碱性氨基酸易于DNA结合,羧基端与其他组蛋白、非组蛋白结合。 H5组蛋白的特殊性:富含赖氨酸(24%)可能与染色质失活有关。 组蛋白的可修饰性:甲基化、乙基化、磷酸化等,H3,H4修饰作用普遍,在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍,H2B有乙酰化作用、H
4、1有磷酸化作用。,所有这些修饰作用都有一个共同的特点,即降低组蛋白所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义:一是改变染色体的结构,直接影响转录活性;二是核小体表面发生改变,使其他调控蛋白易于和染色质相互接触,从而间接影响转录活性。,组蛋白的可修饰性,简述真核生物染色体上组蛋白的种类,组蛋白修饰的种类及其生物学意义 中国科学院2003年硕士研究生入学生物化学与分子生物学试题,(5)非组蛋白,非组蛋白约占组蛋白总量的60%-70% 包括酶类如RNA聚合酶、核孔复合蛋白及肌动蛋白等。可能是染色体的结构成分 高速泳动蛋白HMG:与DNA结合不牢固,可能与DNA的超螺旋结构有关。 DNA结合蛋白:与DNA结
5、合紧密,可能是一些与DNA复制或转录有关的酶或调解物 A24非组蛋白,呈酸性,含有较多的谷氨酸和天冬氨酸。,(6)核小体(nucleosome),Nucleosome、chromosome、genome 中科院硕士学位研究生入学分子遗传学试题,1、定义:用于包装染色质的结构单位,是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。,中国科学院上海生化与细胞所招收硕士研究生分子遗传学入学考试: 简述真核细胞内核小体与核小体核心颗粒的结构。,6.8:1,40:1,1000:1,8000:1,DNA double helix,Nucleosome (10 nm fiber),30 nm Fiber,Loops I,
6、Loops II,chromosome,(1) C值反常现象(C-value paradox)/ C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。 真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列,而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开,这就是著名的“C值反常现象”。,2.1.2、真核生物基因组DNA,C值矛盾,简述DNA的C值以及C值矛盾(C Value paradox). 中科院上海生化所;上海第二军医大: C值矛盾,两栖类, 不重复序列/单一序列:在基因组中有一个或几个拷贝。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如:蛋清蛋白、血红蛋白等。占40% -80% 功能:主要是编
7、码蛋白质。 中度重复序列:在基因组中的拷贝数为101104。 如:rRNA、tRNA。占10% -40% 一般是不编码蛋白质的序列,在调控基因表达中起重要作用,根据 DNA复性动力学研究,DNA序列可以分成哪几种类型?并加以举例说明。(上海生化所), 高度重复序列:拷贝数达到几百个到几百万个。 卫星DNA:A T含量很高的简单高度重复序列。,DNA重复序列对DNA复性的影响,1) DNA的变性和复性 变性(Denaturation) DNA双链的氢键断裂,最后完全变成单链的过程称为变性。 增色效应(Hyperchromatic effect) 在变性过程中,260nm紫外线吸收值先缓慢上升,当
8、达到某一温度时骤然上升,称为增色效应。,融解温度(Melting temperature Tm ) 变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度。 生理条件下为85-95 影响因素:G+C含量,pH值,离子强度,尿素,甲酰胺等,复性(Renaturation) 热变性的DNA缓慢冷却,单链恢复成双链。 减色效应(Hypochromatic effect) 随着DNA的复性, 260nm紫外线吸收值降低的现象。,4、真核生物基因组结构特点, 基因组很小,大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元(trnascriptional operon) 多顺反子(polycistron),X174 D-E-
9、J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D E,E.coli 色氨酸操纵子 9个顺反子 9个酶 ( 第六章 ),3、原核生物基因组结构特点, 有重叠基因(Sanger 发现) 基因内基因 部分重叠基因 一个碱基重叠,上海第二军医大硕士研究生入学考试试题: 基因组的特点(真核、原核比较 ),二、DNA的结构,1) 概念 指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序, DNA序列是这一概念的简称。碱基序列,1、 DNA的一级结构,2)特征: 双链反向平行配对而成 脱氧核糖和磷酸交替连接,构成DNA骨架,碱基排在内侧 内侧碱基通过氢键互补形成碱基对(A:T,C:G)。,3)DNA结构的表示法,2、DNA
10、 的二级结构,1)定义:指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。,绕DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽(沟),宽的沟称为大沟,窄沟称为小沟。大沟,小沟都、是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。,A,B,Z,大沟宽,小沟窄,小沟窄,大沟变深,小沟宽深,大沟不存在,小沟窄而深,2)分类:,一般说来,A-T丰富的DNA片段呈B-DNA,它是普遍存在的结构。若DNA双链中一条链被相应的RNA链所替换,则变构呈A-DNA。A-DNA构象对基因表达有重要意义。,Z-DNA看起来比B螺旋更长更细。Z构象的区域可以散布在基本的B构象的DNA分子中。,2.2.3 DNA的高级结构,1)定义:指DNA双螺
11、旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。 2)主要形式:超螺旋结构(正超螺旋和负超螺旋),使每圈的核苷酸数不等于10,出现双螺旋空间结构的改变,产生额外的张力。如果额外的张力不能释放,则导致DNA分子内部原子空间位置的重排,造成扭曲,即出现超螺旋结构。 在电场作用下,相同分子质量的超螺旋DNA比线性DNA迁移率大,线性DNA又比开环的DNA迁移率大。,线状DNA形成的超螺旋,环状DNA形成的超螺旋,正或负超螺旋的一个主要的结构效应是,螺旋轴轻微弯曲来维持B螺旋的l0个碱基的周期,否则B螺旋将会被修改。弯曲的轴实际上可以在电镜中观察到。其他的效应是更加显著的:分子
12、构象的变化可以对高度负超螺旋DNA进行调节。最终的调节是转变为ZDNA的结构,因此,一个左手螺旋抵消2个负超螺旋。,拓扑异构酶 or溴化乙锭,拓扑异构酶 or溴化乙锭,DNA扭曲与双螺 旋相同(拧紧),DNA扭曲与双螺旋相反(松开),负超螺旋,松弛DNA,正超螺旋,DNA结构的上述变化可以用数 学式来表述。 LT+W L称为DNA的连接数,它是DNA分子两条链间交叉的次数。它代表环型双螺旋DNA分子的拓扑特性。在不发生链的断裂时是一常数。 T称为盘绕数,他代表DNA的一股链绕双螺旋轴所做的完整的旋转数。对于B-DNA,它等于DNA的碱基数除以10. W为超盘绕数,代表双螺旋轴在空间的转动数。,
13、超螺旋的量度可以用超螺旋密度来表示: =(L-T)/T 在天然DNA中, 约为-0.05 每200bp就有一个负超螺旋(=0.05),即基因组中含5%的负超螺旋。 超螺旋以两种状态存在: (1)自由状态的超螺旋,可在环内传递张力。 (2)超螺旋受到束缚,不能传递张力。1负超螺旋, 其结果就赋予DNA分子以约37681Jmol能量。DNA的超螺旋水平在活体中是重要的,DNA特定区域中超螺旋的增加有助子DNA的结构转化。利于局部解旋。,能与DNA形成共价结合的蛋白质-DNA中间体,从而在其骨架的磷酸二酯键处造成暂时性的裂口,使DNA的多核苷酸链得以穿越,结果改变了分子的拓扑状态。 在这一过程中,D
14、NA的连接数虽然改变了,但其核苷酸序列并天任何变化。拓扑异构酶还能使DNA发生连环化(catenate)或脱连环化(decatenate),打结(knot)或解结(unknot)。,3)拓扑异构酶(topoiomerase),改变超螺旋的方式,结合到一条链上形成复合物,切断一条链形成酶和蛋白的复合体,一条链穿越,重新连接,L=2,L=3,1、拓扑异构酶 (topoisomerase I),结果:连接数增加一个增加一个负超,2、拓扑异构酶 Top II 旋转酶(gyrase) Top亚类之一 引入负超螺旋,作用于双链 涉及双链的 断裂和连接 每次使DNA的连接数改变2,3、拓扑异构酶的生物学功能
15、,b、防止细胞DNA的过度超螺旋 多种拓扑异构酶的作用严格控制体内负超螺旋 维持在5%水平 所以 一种拓扑异构酶的单向突变对细胞来说是致命的 因而一般两种拓扑异构酶的突变水平相当,a、恢复由一些细胞过程产生的超螺旋 如:复制叉前面正超的消除 转录酶前正超的消除,后面负超的产生,DNA序列的不寻常结构,当DNA中出现嘌呤的重复延伸,与嘌呤的延伸互补的嘧啶也延伸,二者的延伸交替进行的区域会形成三链螺旋。在这种条件下,一条链的重复单位折回去进入前一个重复单位的大沟。,可能的功能,A、 稳定真核生物染色体结构,B、 保证DNA末端准确复制,C、 与DNA分子的组装有关,D、 与染色体的 meiosis
16、 & mitosis 有关,由严格负超螺旋形成的不成对的、单链DNA的短泡状结构,可以进一步被十字形结构所稳定。DNA高度对称的区域可采用十字形构象。由于链的5,-末端到3-末端的极性以及碱基的互补性,DNA回文 (反向重复)序列可以形成十字形结构。这种十字形结构可作为与DNA功能有关的蛋白质的“停泊位点”。在一个细胞的生命过程中,DNA的结构是动态的,许多区域连续不断地进行着由B螺旋到其他螺旋的构象变化。,2.3 DNA的复制,内容提要: DNA的半保留复制 与DNA复制有关的物质 DNA的复制过程(大肠杆菌为例) DNA复制的其它方式 真核生物中DNA的复制特点,1、定义:由亲代DNA生成
17、子代DNA时,每个新形成的子代DNA中,一条链来自亲代DNA,而另一条链则是新合成的,这种复制方式称半保留复制。,(一)DNA的半保留复制(semi-conservative replication),半保留 保守型 分散型,中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试: 请设计一个实验来证明DNA复制是以半保留方式进行的(8分)。,2、实验证据(1958 Meselson 和Stahl ):,Matthew Messelson Franklin Stahl,3、DNA半保留复制的生物学意义:,DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性,保证亲代的遗传信息稳定地传递给
18、后代。,(二)与DNA复制有关的物质,1、原料:四种脱氧核苷三磷酸(dATP、dGTP、 dCTP、dTTP) 2、模板:以DNA的两条链为模板链,合成子代DNA 3、引物:DNA的合成需要一段RNA链作为引物 4、引物合成酶(引发酶):此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物(Primer)。实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。,5、 DNA聚合酶:以DNA为模板的DNA合成酶 以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物 反应需要有模板的指导 反应需要有3-OH存在 DNA链的合成方向为5 3 ,主要是对DNA损伤的修复;以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙。,修复紫
19、外光引起的DNA损伤,DNA 复制的主要 聚合酶,还具有3-5 外切酶的校对功能,提高DNA复制的保真性,原核生物中的DNA聚合酶(大肠杆菌),Klenow片段(Klenow fragment):E.coli DNA聚合酶I经部分水解生成的C末端605个氨基酸残基片段。该片段保留了DNA聚合酶I的5-3聚合酶和3-5外切酶活性,但缺少完整酶的5-3外切酶活性。, 定位 细胞核 细胞核 线粒体 细胞核 细胞核 3-5 外切 - - + + + 酶活性 功能,引物 合成,修复 作用,线粒体DNA 的复制,核DNA 的复制,?,真核生物中的DNA聚合酶,6、DNA连接酶(1967年发现):若双链DN
20、A中一条链有切口,一端是3-OH,另一端是5-磷酸基,连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键,而使切口连接。 但是它不能将两条游离的DNA单链连接起来 DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用,7、DNA 拓扑异构酶(DNA Topisomerase): 拓扑异构酶:使DNA一条链发生断裂和再连接,作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区,同转录有关。 例:大肠杆菌中的蛋白 拓扑异构酶:该酶能暂时性地切断和重新连接双链DNA,作用是将负超螺旋引入DNA分子。同复制有关。 例:大肠杆菌中的DNA旋转酶,上海生化所分子遗传学试题:拓扑异构酶,8、DNA 解螺旋酶 /解链酶(DNA he
21、licase) 通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。 E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶,还有解螺旋酶I、II、III。,rep蛋白沿3 5移动,而解螺旋酶I、II、III沿5 3移动。,rep蛋白:原核生物DNA复制中的一种解旋酶,与前导链结合,延3-5方向移动。解开即将复制的一段双链DNA。,9、单链结合蛋白(SSBP-single-strand binding protein):稳定已被解开的DNA单链,阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。,(三)DNA的复制过程(大肠杆菌为例),双链的解开 RNA引物的合成 DNA链的延伸 切除RNA引物,填补缺口,连接相邻的DNA片段,1、双链
22、的解开,DNA的复制有特定的起始位点,叫做复制原点。 ori(或o)、富含A、T的区段。,基本概念:,上海生化所1998年分子遗传学试题: 真核生物复制起始点的特征包括( ) A富含GC区 B富含AT区 C Z DNA D无明显特征,从复制原点到终点,组成一个复制单位,叫复制子,复制时,解链酶等先将DNA的一段双链解开,形成复制点,这个复制点的形状象一个叉子,故称为复制叉,复制方向和速度:,单起点、双向等速,多起点、双向等速,双链解开、复制起始,识别,解旋,大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合,在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个1
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