第章染色体与DNA1ppt课件.ppt

第二章第二章 染色体与染色体与DNA 本章将引见DNA的构造和从一代细胞岛到下一代细胞的传送、遗传及变异等过程2024/9/81第二章第二章 染色体与染色体与DNAv第一节 染色体v第二节 DNA的构造v第三节 DNA的复制v第四节 DNA的损伤修复与重组v第五节 DNA的转座2024/9/82第一节第一节 染色体染色体2024/9/84由于亲代可以将本人的遗传物质DNA以染色体的方式传给子代，坚持物种的稳定性和延续性因此，人们普遍以为染色体在遗传上起着主要作用人类22对染色体及性染色体性染色体扫描电镜图第一节第一节 染色体染色体2024/9/851.染色体概述染色体概述19世世纪纪中叶，中叶，细细胞生物学家在光学胞生物学家在光学显显微微镜镜下，在下，在细细胞胞分裂分裂时时察看到存在于察看到存在于细细胞核中的棒状可染色构造并胞核中的棒状可染色构造并将其命名将其命名为为染色体染色体包括染色体包括DNA和蛋白和蛋白质质两部分同一物种内每条染两部分同一物种内每条染色体所色体所带带的的DNA的量是一定的，但不同的染色体或的量是一定的，但不同的染色体或不同物种之不同物种之间变间变化很大，从上百万到几化很大，从上百万到几亿亿个核苷酸个核苷酸对对不等。

此外，不等此外，组组成染色体的蛋白成染色体的蛋白质质〔 〔组组蛋白和非蛋白和非组组蛋白蛋白〕 〕的种的种类类和含量也是非常和含量也是非常稳稳定的第一节第一节 染色体染色体2024/9/861.染色体概述：染色体在细胞分裂间期表现为染色质染色体与染色质是同一种物质的两种形状伸展的染色质形状有利于在它上面的DNA储存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色体那么有利于细胞分裂中遗传物质的平分 左图为人类染色体，在光镜下即可察看其形状，右图为电镜图片，可见不规那么的染色质Key termsvA chromosome染色体染色体 is a discrete unit of the genome carrying many genes. Each chromosome consists of a very long molecule of duplex DNA and an approximately equal mass of proteins. It is visible as a morphological entity only during cell division. vChromatin 染色质染色质describes the state of nuclear DNA and its associated proteins during the interphase (between mitoses) of the eukaryotic cell cycle. 第一节第一节 染色体染色体2024/9/89 1.染色体概述：原核细胞染色体细菌染色体外裹着稀疏的蛋白质，其中的一部分与DNA的折叠有关，另一些那么参与DNA的复制、重组及转录过程。

原核生物没有真正的细胞核，DNA普通位于一个类似核的构造——类核体上vThe nucleoid〔类〔类核体〕核体〕 is the region in a prokaryotic cell that contains the genome. The DNA is bound to proteins and is not enclosed by a membrane. The structure of E.coli nucleoid(大大肠肠杆菌杆菌拟拟核的构造核的构造) Nucleoid: A single double-stranded and closed-circular DNA molecular, 4.6 X 106bp and all proteins associated with DNA (Pols, and repressors). high concentration of DNA (DNA concentration can be up to 30-50 mg/ml)Continuous replication (more than one copy of genome/cell)Attach to cell membranevA domain of a chromosome may refer either to a discrete structural entity defined as a region within which supercoiling is independent of other domains; or to an extensive region including an expressed gene that has heightened sensitivity to degradation by the enzyme DNAase I. DNA domains/loops1.50~100 domains or loops per E. coli chromosome, with 50 ~100 kb/loop2.The ends of loops are constrained (束缚) by protein-membrane scaffold (骨架)3.May spool on polymerases or other enzymes and proteins〔能够缠绕在聚合酶或其它酶和蛋白质上〕Prokaryotic ChromosomesvHaploidvDNA is compactedv – Eg. E. coli packs 1.5 mm chromosome into a cell that is only 1um in lengthvNo histones or nucleosomesv – Small basic proteins MAY serve a similar functionvGenes usually do not contain intronsvSingle origin of replication第一节第一节 染色体染色体2024/9/816 1.染色体概述：原核生物DNA的主要特征：普通只需一条大染色体且大都带有单拷贝基因，除少数基因外〔如rRNA基因〕。

整个染色体DNA几乎全部由功能基因和调控序列所组成几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对应关系第一节第一节 染色体染色体2024/9/8172.真核真核细细胞染色体的胞染色体的组组成成真核生物染色体中真核生物染色体中DNA相相对对分子分子质质量普通大大超越量普通大大超越原核生物，并原核生物，并结结合有大量的蛋白合有大量的蛋白质质，构造非常复，构造非常复杂杂其其详细组详细组成成分成成分为为：：组组蛋白、非蛋白、非组组蛋白、蛋白、DNA在真核在真核细细胞染色体中，胞染色体中，DNA与蛋白与蛋白质质完全交融在一完全交融在一同，其蛋白同，其蛋白质质与相与相应应DNA的的质质量之比量之比约为约为2:1这这些蛋白些蛋白质质在在维维持染色体构造中起着重要作用持染色体构造中起着重要作用第一节第一节 染色体染色体2024/9/8182.1. 组蛋白组蛋白是染色体的构造蛋白，其与DNA组成核小体根据其凝胶电泳性质可将其分为H1、H2A、H2B、H3及H4第一节第一节 染色体染色体2024/9/819 2.1. 组蛋白组蛋白的特性：进化上极端保守性其中H3、H4最保守，H1较不保守无组织特异性。

到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白 肽链上氨基酸分布的不对称性碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上例如，H4 N端的半条链上净电荷为+16，C端只需+3，大部分疏水基团都分布在C端 组蛋白的修饰作用包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等富含赖氨酸的组蛋白H5H5赖氨酸含量高达24% 第一节第一节 染色体染色体2024/9/820 2.2. 非组蛋白染色体上除了存在大约与DNA等量的组蛋白以外，还存在大量的非组蛋白非组蛋白的量大约是组蛋白的60%～70%，但它的种类却很多，约在20-100种之间，其中常见的有15-20种 非组蛋白的组织专注性和种属专注性非组蛋白包括酶类、骨架蛋白、核孔复合物蛋白以及肌动蛋白、肌球蛋白等它们也能够是染色质的组成成分第一节第一节 染色体染色体2024/9/821 2.2. 非组蛋白几类常见的非组蛋白：高速泳动蛋白〔HMG蛋白〕普通以为能够与DNA的超螺旋构造有关DNA结合蛋白能够是一些与DNA的复制与转录有关的酶或调解物质A24非组蛋白位于核小体内，功能不详第一节第一节 染色体染色体2024/9/822 2.3. DNA真核细胞基因组最大的特点是含有大量的反复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开。

C值：一种生物单倍体基因组DNA的总量 The C-value is the total amount of DNA in the genome (per haploid set of chromosomes). 第一节第一节 染色体染色体2024/9/823 2.3. DNA普通情况，真核生物C值是随着生物进化而添加，高等生物的C值普通大于低等生物进一步研讨发现，某些两栖类C值大于哺乳动物，而且在两栖类中C值变化也很大，可相差100倍vThe C-value paradox〔 〔 C值值 反反 常常 景景 象象 〕 〕 describes the observation that the amount of deoxyribonucleic acid in the haploid genome is not related to its evolutionary complexity. v许许多多DNA序列不序列不编码编码蛋白蛋白质质，是无生理功能的是无生理功能的v根根据据对对DNA的的动动力力学学研研讨讨，，真真核核生生物物DNA序序列列大致可分大致可分为为3类类：：v不反复序列、中度反复序列、高度反复序列。

不反复序列、中度反复序列、高度反复序列2024/9/824第一节第一节 染色体染色体2024/9/825 2.3. DNA不反复序列在单倍体基因组里，这些序列普通只需一个或几个拷贝，它占DNA总量的40%－80%不反复序列长约750－2000dp，相当于一个构造基因的长度单拷贝基因经过基因扩增仍可合成大量的蛋白质 如蚕丝心蛋白基因Nonrepetitive DNA consists of sequences that are unique: there is only one copy in a haploid genome. 第一节第一节 染色体染色体2024/9/826 2.3. DNA中度反复序列 这类反复序列的反复次数在10－104之间，占总DNA的10%－40%各种rRNA、tRNA 及组蛋白基因等都属这一类P26Moderately repetitive DNA consists of relatively short sequences that are repeated typically 10-10000× in the genome. 第一节第一节 染色体染色体2024/9/827 2.3. DNA高度反复序列 这类DNA只在真核生物中发现，占基因组的10%—60%，由6—100个碱基组成，在DNA链上串联反复几百万次。

由于碱基的组成不同，在CsCl密度梯度离心中易与其他DNA分开，构成含量较大的主峰及高度反复序列小峰，后者又称卫星区带〔峰〕Highly repetitive DNA consists of very short sequences (typically <100 bp) that are present many thousands of times in the genome, often organized as long tandem repeats. vSatellite DNA DNA that contains many tandem (not inverted) repeats of a short basic repeating unit. 第一节第一节 染色体染色体2024/9/8302.4. 真核细胞染色体的构造真核细胞染色体的DNA如下图，经过四级紧缩，长度紧缩将近10000倍四级分别为：核小体螺线管超螺旋圆筒染色单体第一节第一节 染色体染色体2.4. 真核真核细细胞染色体的构造胞染色体的构造核小体核小体核小体是由核小体是由H2A、、H2B、、H3、、H4各两个分子生成的各两个分子生成的八聚体和由大八聚体和由大约约200bpDNA组组成的。

八聚体在中成的八聚体在中间间，，DNA分子分子环绕环绕在外，而在外，而H1那么在核小体的外那么在核小体的外面每个核小体只需一个面每个核小体只需一个H1在核小体中在核小体中DNA环绕组环绕组蛋白八聚体中心，从而使分蛋白八聚体中心，从而使分子收子收缩缩成成1/7，，200bpDNA的的长长度度约为约为68nm，却，却被被紧缩紧缩在在10nm的核小体中的核小体中核小体串核小体串联联起来构成起来构成10nm纤维纤维2024/9/831vThe nucleosome is the basic structural subunit of chromatin, consisting of ~200 bp of DNA , an H1 histone protein and an octamer of histone proteins. vHistones are conserved DNA-binding proteins that form the basic subunit of chromatin in eukaryotes. Histones H2A, H2B, H3, H4 form an octameric core around which DNA coils to form a nucleosome. Histone H1 is external to the nucleosome. vA nonhistone is any structural protein found in a chromosome except one of the histones. vThe 10 nm fiber is a linear array of nucleosomes, generated by unfolding from the natural condition of chromatin. Assembly of a histone octamer(八聚体八聚体) H1的作用的作用H1 seals the two superhelical turns of DNA on the nucleosome surface Histone H1- helps ‘clamp’ the DNA onto the nucleosomeparticipates in higher-order chromatin foldingA single molecule of H1 stabilizes the DNA at the point at which it enters and leaves the nucleosome core, and organizes the DNA between nucleosomes.Histone H1 plays an important role in organizing the chromatin fiberLinker DNA〔衔接〔衔接DNA〕〕The linker DNA between the nucleosome cores varies between less than 10 and more than 100 bp, but is normally around 55 bp. The nucleosomal repeat unit is hence around 200 bp.“Beads on a string念珠〞念珠〞 structureBeads on a String View of ChromatinLinker DNALinker DNA<10 to > 100 bp<10 to > 100 bpaverage 55 bpaverage 55 bp“Beads on a string〞〞 structureNucleosomeHistone H1Nucleosome repeat:Core + linker DNA200 bp第一节第一节 染色体染色体2.4. 真核细胞染色体的构造螺线管螺线管是由10nm染色质细丝环绕构成的螺旋管状细丝，表现为30nm纤维。

螺线管每一螺旋包含6个核小体，紧缩比为6这种螺线管是分裂间期和分裂前期染色体的根本组分2024/9/842vThe 30 nm fiber is a coiled coil of nucleosomes. It is the basic level of organization of nucleosomes in chromatin. Levels of chromatin organization (left).  A highly condensed mitoticChromosome (above).  It has beenCondensed ~ 10,000 foldThe 30 nm fiberThe 30 nm fiber•Higher ordered•Left-handed helix•Six nucloesomes per turn 30 nm fiber(30nm in diameter)Solenoid (螺线管〕螺线管〕30 nm fiberNuclear matrix, a protein complex30 nm fiber300 nmHighest level of chromatin organization: looped domain structureHighest level of chromatin organization第一节第一节 染色体染色体2.4. 真核细胞染色体的构造超螺旋圆筒有迹象阐明：中期染色质是一细长、中空的圆筒，直径4000nm，由30nm的螺线管缠绕而成，紧缩比为40。

染色单体染色单体由超螺旋圆筒再紧缩5倍而成2024/9/849端粒异染色质着丝粒常染色质姐妹染色单体短臂长臂Centromere着丝粒粒着丝粒粒TelomereNuclear matrix核基质核基质Loops of 30nm fiberSister chromatid姊妹染色单体姊妹染色单体Chromatid  染色单体染色单体What structures are necessary to a functional eukaryotic chromosome?vCentromeresvTelomeresvOrigins of replicationThe centromere (着丝粒着丝粒)•Centromeres are the largest constriction region where two chromatids (姊妹染色体〕are joined •The site of attachment of spindle fibers(纺锤体) via kinetochore (动粒)•100,000s of 171 base pair repeat, called alpha satellite sequences•Centromere associated proteins are boundKinetochore动粒动粒CentromereDNA裂殖酵母裂殖酵母酿酒酵母酿酒酵母果蝇果蝇 Three conserved regions can be identified by the sequence homologies between yeast CEN elements.Yeast centromere1.Centromere〔 〔着着丝丝粒粒〕 〕: a region of chromosome where two sister chromatids are joined at metaphase.(is a constricted region of a chromosome that includes the site of attachment (the kinetochore) to the mitotic or meiotic spindle. )2.Kinetochore〔 〔动动粒粒〕 〕: is the structural feature of the chromosome to which microtubules of the mitotic spindle attach. Its location determines the centromeric region. (protein complex attaching microtubules of mitotic spindle )3.A microtubule organizing center (MTOC) is a region from which microtubules emanate产产生生. The major MTOCs in a mitotic cell are the centrosomes(中心体中心体). Centromere: the chromosomal location where thekinetochore is formed.The centromere appears as the primary constrictionin the miotic chromosome.Kinetochore: Proteinaceous structures thatassemble onto centromeres during mitosis.The centromere/kinetochore complex is the site of attachment of the spindle microtubules and is responsible for proper segregation of replicated sister chromatids to daughter cells.The Telomere (端粒端粒)1.Specialized DNA sequences which form the ends of the linear DNA of the eukaryotic chromosome2.Contains up to hundreds copies of a short repeated sequence (5’-TTAGGG-3’ in human)3.Synthesized by the enzyme telomerase (a ribonucleoprotein) 4.The telomeric DNA forms a special secondary structure to protect the chromosomal ends from degradationMammalian telomere DNA consists of tandem 串串联联repeats of TTAGGG plus a variety of attached proteins. The telomeres have a single-stranded 3’ overhang5’-TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’3’-AATCCCAATCCCAATCCCAATAAAAATCCC-5〞〞The average length of the double-stranded TTAGGG repeat varies among species:Mice -------------- 50,000 bpMan -------------- 10,000 bpCattle ------------13,000 bp to 20,000 bpGroup Organism Telomeric repeat (5' to 3' toward the end)VertebratesHuman, mouse, XenopusTTAGGGFilamentousfungiNeurospora〔脉孢菌〕〔脉孢菌〕TTAGGGSlime moldsPhysarum, DidymiumTTAGGG 〔粘液菌类〕〔粘液菌类〕DictyosteliumAG(1-8)CiliatedprotozoaTetrahymena, GlaucomaTTGGGG〔纤毛〔纤毛ParameciumTTGGG(T/G)原生动物〕原生动物〕 Oxytricha, Stylonychia,TTTTGGGGEuplotesFission yeastsSchizosaccharomyces pombeTTAC(A)(C)G(1-8)Budding yeasts Saccharomyces cerevisiaeTGTGGGTGTGGTGTelomeres contain arrays of DNA repeatsThe telomeric DNA forms a special secondary structurevTelomere is the natural end of a chromosomevThe DNA sequence consists of a simple repeating unit with a protruding single-stranded end〔突出的单链尾巴〕 that may fold into a hairpin〔发夹〕.The long stretches of the double-stranded telomere DNA (TTAGGG) are looped around and the single-stranded terminus is tucked隐藏back inside the double-stranded DNA molecule—thus protecting the chromosome terminus t loopsFrom L. J. Kleinsmith, Principles of Cancer Biology. Copyright (c) 2019 Pearson Benjamin Cummings.Telomere Structure in Human DNA3’-overhangTelomerase: a ribonucleoprotein with reversetranscriptase activity that catalyzes theextension or lengthening of telomers.Telomerase caries its own RNA template.The telomere is synthesized by the enzyme telomeraseTelomere & TelomeraseTelomere lengths decrease with time or passage number in cultured cell lines that lack telomerase activity.Telomerase activity is high in most immortalized cell lines〔永生化的细胞系〕 and neoplasitc tissue(肿瘤组织).Telomere lengths decrease with age in some tissues and telomere shortening may contribute to the aging process.Telomerase activity in germline cells〔胚系细胞〕 is thought to restore telomere lengths for the next generation.Dolly (the cloned sheep) was reported to have shorter than normal telomeres.Cattle (and mice) cloned from fibroblasts〔成纤维细胞〕〔成纤维细胞〕with short chromosomes have normal telomere lengths.  Telomere lengths are restored to normal by telomerase activity in the early embryo.  Telomerase Maintains TelomeresNo senescenceSenescence衰老Cells with telomeraseCells without telomeraseCell divisions      Telomere repeat      Telomere repeat Telomeres serve at least four functions1. Telomeres protect the chromosome ends from degradation and fusion.〔维护染色体〕〔维护染色体〕2. Telomeres mask chromosome ends from DNA-damage response mechanisms that might trigger apoptosis〔引发凋亡〕〔引发凋亡〕.3. Telomeres help position the chromosomes in the nucleus.〔定位染色体〕〔定位染色体〕4. Telomeres provide a means of maintaining chromosome length through many generations of replication.〔维持染色体〔维持染色体长度〕长度〕间期染色体间期染色体Interphase chromosomes: In interphase, the chromosomes adopt a much more diffuse structure, although the chromosomal loops remain attached to the nuclear matrix.Chromatin 染色质 = Euchromatin 常染色质+ Heterochromatin 异染色质Chromatin: the nucleic acid-protein complexes that comprisechromosomes. Euchromatin: diffusely or lightlystaining chromatin fromchromosomes in anextended state.Heterochromatin: dark-stainingchromatin from relativelycondensed chromosomesInterphase Nucleus间期染色体间期染色体第一节第一节 染色体染色体2024/9/8793. 真核生物基因组的构造特点：真核生物基因组的构造特点：真核生物基因组庞大，普通远大于原核生物的基因组。

真核生物基因组庞大，普通远大于原核生物的基因组真核生物基因组存在大量的反复序列真核生物基因组存在大量的反复序列真核基因组的大部分为非编码序列，占整个基因组序真核基因组的大部分为非编码序列，占整个基因组序列的列的90%以上真核基因组的转录产物为单顺反子真核基因组的转录产物为单顺反子真核基因是断裂基因，有内含子构造真核基因是断裂基因，有内含子构造真核基因存在大量的顺式作用元件真核基因存在大量的顺式作用元件真核基因组存在大量的真核基因组存在大量的DNA多态性真核基因组具有端粒构造真核基因组具有端粒构造第一节第一节 染色体染色体2024/9/8834. 原核生物基因组：原核生物基因组很小，大多只需一条染色体，且DNA含量少如大肠杆菌DNA仅4.6Mb，完全伸展总长约为1.3mm，含4000多个基因从基因组的构造来看，原核细胞DNA有如下特点：构造简练非编码序列极少，这与真核细胞DNA冗余景象完全不同存在转录单元多顺反子mRNA有重叠基因同一段DNA含有两种不同蛋白质的信息构造简练构造简练存在转录单元存在转录单元v多顺反子多顺反子 polycistron ：受同一个控制区调控的：受同一个控制区调控的一组基因。

它们前后陈列，并一同被转录和翻译一组基因它们前后陈列，并一同被转录和翻译而得到一组功能相关的蛋白质或酶而得到一组功能相关的蛋白质或酶。