生物学 染色质、染色体、基因和基因组.ppt

第二章 染色质、染色体、 基因和基因组授课教师 孙维洋第一节 染色质和染色体¨一、染色质和染色体形态 ¨1.染色质的形态 ¨染色质存在于真核细胞核中，是由DNA 、组蛋白和非组蛋白组成的复合物形成的高 度有序的核蛋白体 ¨染色质的形态可分为常染色质和异染色质 ¨常染色质位于核的中央，为松散解旋的细 纤维丝，可进行活跃的复制与转录 ¨异染色质位于核的周边部位，高度螺旋缠 绕，处于功能静止状态细胞核及染色质¨染色质是一种纤维状结构，也被称 为染色质丝，它是由若干重复单位－ －核小体（nucleosome）成串排列而成 的¨ 核小体是染色质的基本结构单位， 真核细胞的间期松解后呈串珠样结构 ¨用DNA酶消化染色质可以球状小体 一颗颗分开，说明小体之间的连接部 分是DNA链¨每个球状小体是由8个组蛋白分子组 成的聚合体，组蛋白包括H2A、H2B、 H3和H4，各2个¨每个球状小体与连接段的DNA组成 一个核小体，包括200bp的DNA和一个 组蛋白8聚体，及一个分子的组蛋白H1 ¨DNA在蛋白八聚体上的缠绕总是遵 循左手螺旋方向的¨组蛋白H1将核小体压缩到一起形成 直径30nm左右的规则的重复排列结构 ，称为螺线体。

Nucleosome core 146 bp, 1.8 superhelical turnChromatosome 166 bp, 2 superhelical turnHistone octamer 组蛋白八聚体Top viewSide viewNucleosome (核小体) core (核心)The 30 nm fiber•Higher ordered •Left-handed helix •Six nucloesomes per turn 30 nm fiber (30nm in diameter) Solenoid-likeNucleosome repeat Core + linker DNA ca 200 bpNuclear matrix (核基质), protein complex30 nm fiber300 nmHighest level of chromatin organization: looped domain structure100kb染色质的一级结构：核小体二级结构：螺线体三级结构：超螺线体四级结构：染色单体D2. Chromatin StructureSteps from DNA to chromosome2.染色体的形态¨细胞分裂中期，染色体达到凝缩的 极点，轮廓结构清晰，有利于观察研 究，因此多采用中期染色体作为研究 对象。

¨不同生物、不同细胞类型及不同发 育阶段，染色体的数目，大小和形状 各异¨概念：染色单体，着丝粒，次缢痕 ，随体，核仁组织区，端粒，复制子 与复制起始点¨次缢痕：有些染色体臂上狭窄和浅染的区 域¨随体：位于近端着丝粒染色体的短臂末端 有一球状或棒状结构，称为随体¨核仁组织区：在细胞周期的间期和前期， 近端着丝粒染色体长臂上的次缢痕形成核仁 ，这个区成为核仁组织区为核糖体基因所 在区，rRNA转录活跃¨端粒：染色体末端的特异结构端粒 DNA的末端受蛋白因子保护，不容易被酶切 ¨复制子与复制起始点：染色体上负责自主 复制的DNA序列称为复制子，或复制起始点 端粒(telomere)真核生物染色体线性DNA 分子末端的结构¨结构特点：1. 由末端单链DNA序列和蛋白质构成 2. 末端DNA序列是多次重复的富含G、 C碱基的短序列¨功能：1. 维持染色体的稳定性2. 维持DNA复制的完整性端粒酶(telomerase)¨特点：1. 由RNA和蛋白质构成的复合物2. 为特殊的逆转录酶，能以自身的RNA为模板逆转录合成端粒DNA¨功能：合成端粒DNA，维持端粒的长度爬行模型：端粒及端粒酶的意义：端粒的长短及端粒酶活性变化与细胞水平的老化(aging)及肿瘤的发生有一定关系。

根据着丝粒位置进行的染色体分类 图示 端粒、着丝点和DNA复制原点是构成染色体不可缺少的三要素 二、染色质和染色体的化学成 分及组成¨1.DNA¨2.组蛋白 按照精氨酸/赖氨酸比例，将组蛋白 分为5种：H1、H2A、H2B、H3、H4 H1含有大量赖氨酸，H2A、H2B含有稍 多赖氨酸，H3、H4含有大量精氨酸 又分为两大类： H2A、H2B、H3、H4 为核小体组蛋白及H1组蛋白¨3.非组蛋白一类酸性蛋白质，富含天门冬氨酸、 谷氨酸等酸性氨基酸 作用：（1）参与染色体的构建（2）启动基因的复制（3）调控基因的转录¨4.核糖核酸（RNA）占染色质的1％～3％，可能与基因调控 有关¨5.酶DNA聚合酶，RNA聚合酶，核苷酰转 移酶，DNA甲基化酶，磷蛋白激酶，磷酸酶 ，组蛋白乙酰转移酶，蛋白酶等三、染色质和染色体的功能1.有丝分裂Mitosis细胞周期Cell cycle分为G1期、S 期、G2期和M期M期又分为五个时期：前期、前 中期、中期、后期、末期Cell cycle Interphase 间期: G1 + S + G2 (G0)M phase (mitosis 有丝分裂): Prophase 前期 metaphase 中期 anaphase 后期 telophase 末期D3 Eukaryotic Chromosomal Structure Cell cycle2.减数分裂¨由第一次减数分裂和第二次减数分 裂组成¨最复杂的是前期I，又可以分为：细线期：染色体细长线状 偶线期：同源染色体配对 粗线期：染色体联会，缩短变粗 双线期：联会染色体开始分离，非 同源染色体发生交换 终变期：染色体向核的四周移动Mitotic chromosomeCentromere 中心粒TelomereD3 Eukaryotic Chromosomal Structure Mitotic chromosome at metaphaseNuclear matrix 核基质Loops of 30nm fiberSister chromatid 姊妹染色单体Chromatid 染色单体Kinetochore 动粒Mitotic chromosomeD3 Eukaryotic Chromosomal Structure Mitotic spindleMitotic chromosome at metaphaseCentromere 中心粒Mitotic spindleKinetochore 动粒The polytene chromosomes (多线染色体 ) of D. melanogaster form an alternating series of bands and interbands Amphibian lampbrush chromosome 灯刷染色体 loop surrounded by a matrix of ribonucleo-protein Special forms of chromosomesSupplementary3.染色体的畸变¨即染色体突变，原因有自发的和物 理化学因素诱变两大类。

¨染色体数目改变有两类：整倍体和 非整倍体¨染色体结构改变有四类：缺失、重 复、倒位和易位¨倒位是指某一单个染色体中DNA片 段翻转的重排过程¨易位是指染色体片段在同一条或不 同染色体间转移交换的过程第二节 基 因¨基因的生物学定义：一个基因决定 一个性状¨基因的分子生物学定义基因是指DNA分子中能编码一条 多肽链，并具有一定长度的片段 基因的功能：基因的遗传信息通过 转录、翻译和翻译后加工成为具有生 物学功能的多肽和蛋白质Genome (基因组): all DNA sequences in a cell Gene (基因): a stretch of continuous DNA sequence encoding a protein or RNA原核生物的基因特征¨功能相关的基因高度集中¨编码蛋白质基因多为单拷贝¨RNA基因为多拷贝，如rRNA¨基因连续，没有间隔序列¨单个环状染色体，其中无蛋白结合真核生物基因特征¨基因的不连续性¨基因家族：真核细胞的基因组中有 许多来源相同、结构相似、功能相关 的基因¨重复基因结构:中度重复和高度重复 序列细胞器基因¨线粒体基因¨叶绿体基因第三节 基因组基因组是细胞中一套完整单体的遗 传物质的总和。

对细菌和噬菌体而言，是单个染色 体上所含的全部基因 而对于二倍体真核生物而言是指维 持配子或配子体正常功能最基本的染 色体及其所携带的全部基因基因组的结构特点原核生物基因组结构 1.较小 2.几乎无蛋白质同核酸结合 3.有操纵子结构 4.有单拷贝和多拷贝两种形式 5.有重叠基因 6.多顺反子真核生物基因组结构1.较大 2.与蛋白质结合，形成多条染色体 3.有重复序列 4.以单拷贝和多拷贝2种形式存在 5.基因不连续 6.单顺反子遗传图谱、物理图谱、基因图谱1.遗传图谱以具有遗传多样性的遗传 标记为“路标”，以遗传学距离为 图距的基因组图 2.物理图谱指以一段已知核苷酸序列 的DNA片段为“路标”，以Mb或 Kb为图距的基因组图3.基因图谱根据生物体中全部基因的 种类数量及其在染色体上的定位 绘制的基因组图，是最为详尽的 物理图谱人类基因组1.人类基因组定义人类细胞所包含的一整套完整的基因序列 2.人类基因组计划研究的意义全面透彻地认识人类基因组的正常 结构、功能及基因的异常结构及其与人类疾 病的关系 3.人类基因组计划研究的内容绘制遗传图谱、物理图谱和序列图，最核 心的就是序列图的绘制。

4.人类基因组的多肽性与基因组药学通过鉴定疾病相关靶点，促进新药 物的发现 (1)共性研究：某一疾病在所有人群 的稳定遗传的作用靶点 (2)个性研究：根据不同人群、不同 个体的特异的作用靶点后基因组时代的研究计划每个基因对应的蛋白质有10～1000 个蛋白质，源于转录和翻译水平，以 及翻译后的加工修饰，如蛋白质的磷 酸化、糖基化等 蛋白质组学的分析手段主要有：双 向电泳、高效柱层析、质谱技术以及 生物信息学另外后基因组研究还包括人体代谢 组学研究等人类基因组的生物信息在药物 研究中的应用¨包括生物实验数据的获取、加工、 存储、检索与分析，从而达到揭示数 据所蕴含的生物学意义的目的。