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,单击此处编辑母版标题样式,级,*,单击此处编辑母版标题样式,级,*,单击此处编辑母版标题样式,级,*,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,一、染色体（,Chromosome),内容提要：,细胞周期,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,（一）细胞周期,什么是细胞周期,由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，叫细胞周期。分为,4,个期：,G1,期,(gap1),，指从有丝分裂完成到期,DNA,复制之前的间隙时间。,S,期,(synthesis phase),，指,DNA,复制的时期。,G2,期,(gap2),，指,DNA,复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间。,M,期又称,D,期,(mitosis or division),，细胞分裂开始到结束。,从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：,连续分裂细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。,休眠细胞暂不分裂，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，称,G,0,期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。,不分裂细胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等,Stages of the cell cycle,（二）染色体与染色质,染色体（,chromosome）,是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。,真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质(,chromatin),的形式存在的。,染色质，间期细胞核中由,DNA,和组蛋白构成的染色物质。,是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位核小体(,nucleosome),成串排列而成的。,染色体中的关键结构,染色体和染色单体,每一个染色体由两条染色单体组成,.,每一条染色单体中有一条,DNA,分子；,着丝粒（主缢痕）：由特殊的重复,DNA,序列和蛋白质结构构成，是细胞有丝分裂时的重要结构；着丝粒把染色体分为长臂和短臂；,端粒：由特殊的重复,DNA,序列和相应的蛋白质构成，起着稳定染色质和染色体结构的作用。,常染色质和异染色质：,用碱性染料处理中期染色体，染色体上部分区域着色较深，称为异染色质。,染色体数目是生物物种的特征性标志之一,（三）染色体的结构和组成,原核生物,(prokaryote),类核的特点：,由,DNA,（单一闭环，,4.6 Mb,）与,DNA,结合蛋白,组成。,High concentration of DNA(,single closed-circular,4.6 10,6,bp)and the proteins associated with DNA.,DNA,浓度高,达,30-50mg/ml.,（,DNA concentration can be up to 30-50 mg/ml,）,持续复制,（,Continuous replication,，,more than one copy of genome/cell),。,附着在,细胞膜,上（,Attachment to cell membrane,）,。,组蛋白,：,H1 H2A H2B H3 H4,非组蛋白,核小体,DNA,蛋白质,染色体,真核生物染色体的组成,组蛋白的一般特性：,进化上的保守性,保守程度：,H1 H2A,、,H2B H3,、,H4,1,、组蛋白,无组织特异性,肽链氨基酸分布的不对称性,H5,组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（,24%,）,组蛋白的可修饰性,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、,H1,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,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，当达到某一温度时骤然上升，称为增色效应。,2,、,DNA,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，甲跣胺等,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。,2)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,”,。,C,值矛盾,（四）核小体,(,nucleosome),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。,2,、核小体的结构,核心颗粒、连接区,DNA,3,、染色体的包装,超螺旋结构,6.8:1,40:1,1000:1,8000:1,DNA double helix,Nucleosome(10 nm fiber),30 nm Fiber,Loops I,Loops II,chromosome,（五）,原核生物和真核生物基因组结构特点比较,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-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,),1,、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,2,、真核生物基因组结构特点,真核基因组结构庞大,310,9,bp,、染色质、核膜,单顺反子,基因不连续性,断裂基因（,interrupted gene,）、内含子,(intron),、外显子,(exon),非编码区较多,多于编码序列,(9:1),含有大量重复序列,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,功能：主要是编码蛋白质。,中度重复序列：在基因组中的拷贝数为,10,1,10,4,。,如：,rRNA,、,tRNA,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,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。,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,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。,2,）分类：,右手螺旋：,A-DNA,，,B-DNA,左手螺旋：,Z-DNA,A,B,Z,A,B,Z,3,、,DNA,的高级结构,1,）定义：指,DNA,双螺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）,线状,DNA,形成的超螺旋,环状,DNA,形成的超螺旋,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,三、,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,）,Semi-conservative Conservative Dispersive,2,、实验证据,（,1958 Meselson,和,Stahl,）：,Matthew Messelson Franklin Stahl,“,Heavy,”,DNA,“,Hybrid,”,DNA,“,light,”,DNA,“,Hybrid,”,DNA,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,性质,聚合酶,聚合酶,聚合酶,3,5,外切活性,+,+,+,5 3,外切活性,+,-,-,5,3,聚合活性,+中,+很低,+很高,新生链合成,-,-,+,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）,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,DNA,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,3,5,3,5,OH,P,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,。还具有形成或拆开双链,DNA,环连体和成结分子的能力，同复制有关。,例：大肠杆菌中的,DNA,（,Gyrase,）旋转酶,8,、,DNA,解螺旋酶,/,解链酶（,DNA helicase),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。,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：,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,复制叉,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,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,13bp,直接重复序列变性,形成开链,解链酶六体分别与单链,DNA,相结合,(,需,DnaC,帮助,),进一步解开,DNA,双链,2,、,RNA,引物的合成,DnaB,蛋白活化引物合成酶，引发,RNA,引物的合成。,引物长度约为几个至10个核苷酸，,DNA,的半不连续复制（,semi-discontinuous replication),DNA,复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的，故称,半不连续复制,。,在,DNA,复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为,前导链,；合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的,DNA,链为,滞后链,。,3,、,DNA,链的延伸,在,DNA,复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成5,3,的多个短片段，这些不连续的小片段称为,冈崎片段,。,4,、切除,RNA,引物，填补缺口，连接相邻的,DNA,片段,（复制终止）,在,DNA,聚合酶,催化下切除,RNA,引物；留下的空隙由,DNA,聚合酶,催化合成一段,DNA,填补上；在,DNA,连接酶,作用下，连接相邻的,DNA,链,双链环状、,型复制、双向等速,（四）,DNA,复制的其它方式,滚环型：,单向复制的特殊方式,如：,174,的双链环状,DNA,复制型（,RF,）,（,1,）模板链和新合成的链分开,;,（,2,）不需,RNA,引物，在正链,3,OH,上延伸,（,3,）只有一个复制叉,;,D,环复制,单向复制的特殊方式,如：动物线粒体,DNA,（五）真核生物中,DNA,的复制特点,1、真核生物每条染色体上有多个复制起点，多复制子,2、真核生物染色体在全部复制完之前,各个起始点不再重新开始,DNA,复制；而在快速生长的原核生物中，复制起点可以连续开始新的复制,(,多复制叉,),。真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。,3、,真核生物有多种,DNA,聚合酶。,四、,DNA,的修复,DNA,修复系统,功能,错配修复,恢复错配,碱基切除修复,切除突变的碱基,核甘酸切除修复,修复被破坏的,DNA,DNA,直接修复,修复嘧啶二体或甲基化,DNA,1,、错配修复,Dam,甲基化酶使母链位于,5,GATC,序列中腺甘酸甲基化,甲基化,紧随在,DNA,复制之后进行,根据复制叉上,DNA,甲基化程度，切除尚未甲基化的子链上的错配碱基,根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图,发现错配碱基,在水解,ATP,的作用下，,MutS,，,MutL,与碱基错配点的,DNA,双链结合,MutS-MutL,在,DNA,双链上移动，发现甲基化,DNA,后由,MutH,切开非甲基化的子链,甲基化指导的错配修复示意图,错配碱基位于切口,3,下游端,，,错配碱基位于切口,5,上游端，,2,、碱基切除修复,一些碱基在自发或悠变下会发生脱酰胺，然后改变配对性质，造成氨基转换突变,腺嘌呤变为次黄嘌呤与胞嘧啶配对,鸟嘌呤变为黄嘌呤与胞嘧啶配对,胞嘧啶变为尿嘧啶与腺嘌呤配对,胞嘧啶去氨基生成尿嘧啶,如果复制发生就会产生一个突变,.,糖甘水解酶识别改变了的碱基，把碱基从,N-,-,糖苷键处切下来，在,DNA,链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为,AP,位点。,由,AP,磷酸内切酶将受损核甘酸的糖甘,-,磷酸键切开,。,DNA,连接酶连接,利用,DNA,聚合酶,I,切除损伤部位，补上核苷酸,3,、核苷酸切除修复,1,）通过特异的核酸内切酶识别损伤部位,2,）由酶的复合物在损伤的两边切除几个核苷酸,3,）,DNA,聚合酶以母链为模板复制合成新子链,4,）,DNA,连接酶将切口补平,识别损伤部位,损伤的两边切除几个核苷酸,DNA,聚合酶以母链为模板复制合成新子链,DNA,连接酶将切口补平,4,、,DNA,的直接修复,在,DNA,光解酶,的作用下将环丁烷胸腺嘧啶二体和,6-4,光化物还原成为单体,甲基转移酶,使,O,6,-,甲基鸟嘌呤脱甲基生成鸟嘌呤，防止,G-T,配对,五、,DNA,的转座,（一）基本概念：,DNA,的转座：由可移位因子介导的遗传物质重排现象。,转座子（,transposon,）：存在与染色体,DNA,上可自主复制和位移的基本单位。,（二）转座子的类型和结构特征,原核生物转座子的类型：,1,、插入序列,(insertional sequence,IS),2,、复合转座子,(composite transposon),3,、,TnA,家族,1,、插入序列,(IS),IS,是最简单的转座子，不含有任何宿主基因，它们是细菌染色体或质粒,DNA,的正常组成部分。,：,IS,1,复合转座子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,2,、复合转座子,(composite transposon),(,三）转座作用的机制,复制性转座子,非复制性转座子,反转录病毒整合入宿主,DNA,中的分子机制，其本质是转座,复习题,1,、证明,DNA,是遗传物质的两个关键性实验是：肺炎链球菌在老鼠体内的毒性和,T2,噬菌体感染大肠杆菌。这两个实验中主要的论点证据是：（）,(a),从被感染的生物体内重新分离得到,DNA,，作为疾病的致病剂,(b)DNA,突变导致毒性丧失,(c),生物体吸收的外源,DNA,（而并非蛋白质）改变了其遗传潜能,(d)DNA,是不能在生物体间转移的，因此它一定是一种非常保守的分子,2,、,1953,年,Watson,和,Crick,提出：（）,（,a,）多核苷酸,DNA,链通过氢键连接成一个双螺旋,（,b,）,DNA,的复制是半保留的，常常形成亲本,子代双螺旋杂合链,（,c,）三个连续的核苷酸代表一个遗传密码,（,d,）遗传物质通常是,DNA,而非,RNA,3,、下列哪一种蛋白不是组蛋白的成分（）,(a),H1,(b),H2A,、,H2B,(c),H3,、,H4,(d),H5,4,、,DNA,的变性：（）,（,a,）包括双螺旋的解旋,（,b,）可以由低温产生,（,c,）是可逆的,（,d,）是磷酸二酯键的断裂,（,e,）包括氢键的断裂,5,、,DNA,的二级结构指：（）；,（,a,）是指,4,种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该,DNA,分子的化学构成；,（,b,）是指,DNA,双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构；,（,c,）是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。,6,、在原核生物复制子中以下哪种酶除去,RNA,引发体并加入脱氧核糖核甘酸：,(A)DNA,聚合酶,（,B,）,DNA,聚合酶,（,C,）,DNA,聚合酶,(D),外切核酸酶,MFl,7,、,DNA,复制时不需要以下哪种酶？（）。,（,A,）,DNA,指导的,DNA,聚合酶,（,B,）,RNA,指导的,DNA,聚合酶,（,C,）拓扑异构酶,（,D,）连接酶,8,、,DNA,复制的特点（）。,A.,半不连续复制,B.,半保留复制,C.,都是等点开始、两条链均连续复制,D.,有,DNA,指导的,DNA,聚合酶参加,9,、,DNA,复制时在前导链上,DNA,沿,5-3,方向合成，在滞后链上则沿,3-5,方向合成。（）,10,、,DNA,的复制需要,DNA,聚合酶和,RNA,聚合酶（）,11,、核小体是由,H2A,、,H2B,、,H3,、,H4,各两个分子生成的（）和由大约,200bp DNA,组成的。八聚体在中间，,DNA,分子盘绕在外，而（）则在核小体的外面。,