第三章染色體和基因ppt課件

1、l1 染色體概述l2 原核生物的染色體及其基因l3 真核生物的染色體l4. 真核生物的基因 染色體的發(fā)現(xiàn)從19世紀(jì)中期到20世紀(jì)初，顯微技術(shù)的開展使人們關(guān)于細(xì)胞構(gòu)造尤其是細(xì)胞核的研討，有了長足的進展。lMicroscope made by Robert HookelMicroscope made by Charles Chevalier 18401842年，德國科學(xué)家C. von Ngeli初次留意到細(xì)胞核內(nèi)的著色物質(zhì)。18791885年間，W. Flemming描畫了細(xì)胞分裂過程中這些易被堿性染料著色的物質(zhì)在細(xì)胞周期內(nèi)的活動。直到1888年，細(xì)胞生物學(xué)家Wilhelm Waldeyer才把光

2、學(xué)顯微鏡下察看到的、真核細(xì)胞分裂時細(xì)胞核中呈棒狀可染色的構(gòu)造，正式命名為染色體chromosome。19世紀(jì)60年代，奧地利植物學(xué)家格里戈爾孟德爾曾經(jīng)經(jīng)過植物雜交實驗提出了“遺傳因子的概念，并發(fā)現(xiàn)了生物遺傳的分別定律和自在組合定律。然而遺憾的是，這一劃時代的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時并沒有引起人們的注重。l1900年，Hugo de Vries、Carl Correns和Erich Tschermak三位不同國籍的科學(xué)家各自獨立地重新發(fā)現(xiàn)了Mendel 1866年發(fā)表的研討成就現(xiàn)代遺傳學(xué)時代開場了。遺傳學(xué)研討有力地推進了細(xì)胞學(xué)的進展。1902年，T. Boveri和W. S. Sutton從細(xì)胞的成熟分裂與受

3、精過程中發(fā)現(xiàn)孟德爾所說的遺傳因子從親代到子代的傳送過程與細(xì)胞內(nèi)染色體從親代到子代的傳送過程存在著平行景象，所以他們以為遺傳因子基因能夠存在于染色體上，從而為遺傳學(xué)的染色體實際奠定了根底。 1909年， 丹麥植物學(xué)家和遺傳學(xué)家Wilhelm Ludwig Johannsen初次提出“基因這一名詞，用以表達(dá)Mendel的遺傳因子概念。母性的生殖核蛔蟲蚱蜢, 蝗蟲減數(shù)分裂的前期1910年，美國著名的遺傳學(xué)家Morgan和他的助手們從白眼突變的雄果蠅中發(fā)現(xiàn)性連鎖景象，第一次將代表某一特定性狀的基因同某一特定的染色體聯(lián)絡(luò)起來，證明了基因就是在染色體上，并提出了經(jīng)典遺傳學(xué)的連鎖與互換定律。 Morgan證

4、明基因是遺傳單元，在染色體上呈線狀陳列。Morgan的實際使科學(xué)界認(rèn)識了染色體的重要性，并接受了孟德爾的遺傳原理。細(xì)胞骨架染色體是遺傳物質(zhì)的主要載體染色體是遺傳物質(zhì)的主要載體親代可以將本人的遺傳物質(zhì)以染色體的親代可以將本人的遺傳物質(zhì)以染色體的方式傳給子代，堅持了物種的穩(wěn)定性方式傳給子代，堅持了物種的穩(wěn)定性和延續(xù)性。由于細(xì)胞內(nèi)的和延續(xù)性。由于細(xì)胞內(nèi)的DNA主要在主要在染色體上，所以說遺傳物質(zhì)的主要載染色體上，所以說遺傳物質(zhì)的主要載體是染色體。體是染色體。染色體的組成染色體主要由DNA和蛋白質(zhì)組成。同一物種內(nèi)每條染色體所攜帶DNA的量是一定的，但不同染色體或不同物種之間變化很大。同一物種體細(xì)胞內(nèi)染

5、色體的數(shù)目恒定。 組成染色體的蛋白質(zhì)組蛋白和非組蛋白種類和含量也是非常穩(wěn)定的。原核生物的遺傳物質(zhì)以裸露的核酸分子存在，雖與少量蛋白質(zhì)結(jié)合，但不構(gòu)成染色體構(gòu)造。原核生物普通只需一個染色體，即一個核酸分子DNA或RNA。大多數(shù)為雙螺旋構(gòu)造，少數(shù)以單鏈方式存在。這些核酸分子大多數(shù)為閉合環(huán)狀，少數(shù)為線狀。大腸桿菌大腸桿菌E. coli的染色體的染色體大腸桿菌沒有明顯的核構(gòu)造，但其大腸桿菌沒有明顯的核構(gòu)造，但其DNA有一個相對集中的區(qū)域，在這一個小有一個相對集中的區(qū)域，在這一個小區(qū)域中構(gòu)成類核區(qū)域中構(gòu)成類核nucleoid。類核的類核的DNA成分占成分占80，其他為，其他為RNA和蛋白質(zhì)。用和蛋白質(zhì)。用

6、RNA酶或蛋白酶處置類酶或蛋白酶處置類核，可使之由致密變得松散。闡明核，可使之由致密變得松散。闡明RNA和某些蛋白質(zhì)分子起到穩(wěn)定類核和某些蛋白質(zhì)分子起到穩(wěn)定類核的作用。的作用。大腸桿菌染色體是由4.2106堿基對組成的雙鏈環(huán)狀DNA分子，在DNA結(jié)合蛋白質(zhì)的作用下緊縮成一個手腳架形scaffold構(gòu)造。大腸桿菌染色體構(gòu)成100個左右的小區(qū)domain，小區(qū)內(nèi)都是負(fù)超螺旋。用微量的DNAase處置時，只能使一小部分的DNA由超螺旋形狀變成松弛形狀。大腸桿菌大腸桿菌E. coli的基因的基因大腸桿菌功能上相關(guān)的幾個構(gòu)造基因大腸桿菌功能上相關(guān)的幾個構(gòu)造基因前后相連，再加上一個共同的調(diào)理前后相連，再加

7、上一個共同的調(diào)理基因和一組共同的控制位點即啟動基因和一組共同的控制位點即啟動子子promotor和支配子和支配子operator在基因轉(zhuǎn)錄時協(xié)同作用。細(xì)菌基因在基因轉(zhuǎn)錄時協(xié)同作用。細(xì)菌基因表達(dá)調(diào)控的這樣一個完好單元，稱表達(dá)調(diào)控的這樣一個完好單元，稱為支配元為支配元operon。 對基因表達(dá)對基因表達(dá)過程實行調(diào)理控制，也是最有效的過程實行調(diào)理控制，也是最有效的一種調(diào)理控制。一種調(diào)理控制。乳糖lacZ編碼-半乳糖苷酶，lacY編碼-半乳糖苷透性酶，lacA編碼-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；?。 大腸桿菌編碼蛋白質(zhì)的基因通常以單拷貝的方式存在。RNA基因通常是多拷貝的。16S rRNA， 23S rRNA和5S

8、 rRNA各有7個拷貝，以便在短時間內(nèi)裝配大量的核糖體。各種啟動子和支配子部分的DNA具有多樣性，以便與RNA聚合酶以及調(diào)理基因的產(chǎn)物阻遏蛋青絲生不同程度的結(jié)合，以便進展更精細(xì)的調(diào)理。大腸桿菌噬菌體大腸桿菌噬菌體174染色體染色體大腸桿菌噬菌體大腸桿菌噬菌體174染色體其染色體其DNA為單鏈環(huán)狀，共有為單鏈環(huán)狀，共有5386個核苷酸。個核苷酸。其其DNA序列于序列于1977年由年由Sanger分析分析確定。確定。174共有共有11個基因。個基因。大腸桿菌噬菌體大腸桿菌噬菌體174174基因基因174 174 的的1111個基因只轉(zhuǎn)錄成三個個基因只轉(zhuǎn)錄成三個mRNAmRNA。174 174 的的

9、DNADNA分子絕大部分用來編碼分子絕大部分用來編碼蛋白質(zhì)，不翻譯的部分只占蛋白質(zhì)，不翻譯的部分只占4 4217/5386217/5386。174174基因陳列上最顯著的特點是有基因陳列上最顯著的特點是有重疊基因和基因內(nèi)基因。重疊基因和基因內(nèi)基因。噬菌體染色體噬菌體染色體噬菌體的雙鏈?zhǔn)删w的雙鏈DNADNA有兩種方式，一種有兩種方式，一種是帶有切刻的環(huán)狀分子，切刻部分是帶有切刻的環(huán)狀分子，切刻部分經(jīng)過粘性末端的互補堿基之間的氫經(jīng)過粘性末端的互補堿基之間的氫鍵而銜接。另一種方式是兩個粘性鍵而銜接。另一種方式是兩個粘性末端相互分別，構(gòu)成線性分子。末端相互分別，構(gòu)成線性分子。噬菌體共有噬菌體共有48

10、,50248,502堿基對，包裝在堿基對，包裝在由蛋白質(zhì)組成的頭部外殼之中。由蛋白質(zhì)組成的頭部外殼之中。噬菌體在大腸桿菌體內(nèi)可以呈環(huán)形分子游離存在于細(xì)胞質(zhì)中，也可以經(jīng)過整合酶的作用而整合到寄主染色體上成為原噬菌體形狀，并與寄主染色體一同復(fù)制。這種景象成為溶原化。噬菌體編碼整合酶integrase。這個酶能指點噬菌體DNA插入E.coli染色體中。 attB由稱為BOB的序列組成，而attP由POP組成。O是中心序列，是attB和attP所共同的。而其兩側(cè)的序列是B，B和P，P，被稱為臂。噬菌體DNA是環(huán)狀的，重組時被整合入細(xì)菌染色體中，成為線性序列。前病毒的兩側(cè)是兩個新的雜種att位點，左側(cè)稱

11、為attL，由BOP組成，而右側(cè)為attR，由POB組成。整協(xié)作用宿主因子IHF，integration host factor；噬菌體和細(xì)菌DNA發(fā)生重組交叉的特異位點稱為attP和attB，att源自attachment染色質(zhì)和染色體染色質(zhì)和染色體染色質(zhì)染色質(zhì)chromatin是指真核生物細(xì)是指真核生物細(xì)胞核內(nèi)細(xì)胞分裂間期能被堿性染料胞核內(nèi)細(xì)胞分裂間期能被堿性染料著色的物質(zhì)，由著色的物質(zhì)，由DNA、組蛋白、非、組蛋白、非組蛋白和少量組蛋白和少量RNA所組成的復(fù)合物，所組成的復(fù)合物，是細(xì)胞分裂間期遺傳物質(zhì)的存在方是細(xì)胞分裂間期遺傳物質(zhì)的存在方式。式。核仁染色體染色體(chromosome)是

12、真核生物細(xì)胞分是真核生物細(xì)胞分裂中期具有一定形狀特征的高度濃縮的裂中期具有一定形狀特征的高度濃縮的染色質(zhì)，如今這一概念已擴展為包括原染色質(zhì)，如今這一概念已擴展為包括原核生物及細(xì)胞器在內(nèi)的基因載體的總稱。核生物及細(xì)胞器在內(nèi)的基因載體的總稱。染色質(zhì)和染色體是真核生物遺傳物質(zhì)存染色質(zhì)和染色體是真核生物遺傳物質(zhì)存在的兩種不同方式，反映了它們處于細(xì)在的兩種不同方式，反映了它們處于細(xì)胞分裂周期的不同功能階段，兩者不存胞分裂周期的不同功能階段，兩者不存在成分上的差別。在成分上的差別。真核生物染色體的組成真核生物染色體的組成在真核生物的染色體中，在真核生物的染色體中，DNA約占約占27，組蛋白和非組蛋白占，組

13、蛋白和非組蛋白占66，RNA占占6。一個染色體單體只含有一個一個染色體單體只含有一個DNA分子。分子。人類染色體平均有人類染色體平均有1.27 108堿基對堿基對,每個體細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)含有每個體細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)含有DNA 6.4 pg。真核生物染色體的普通形狀特征真核生物染色體的普通形狀特征1 主縊痕主縊痕primary constriction和著和著絲粒絲粒 centromere 細(xì)胞分裂中期的染色體上有一個相對不細(xì)胞分裂中期的染色體上有一個相對不著色的縊縮部位，稱為主縊痕。著色的縊縮部位，稱為主縊痕。著絲粒是染色體上主縊痕處的染色質(zhì)部著絲粒是染色體上主縊痕處的染色質(zhì)部分，是紡錘絲的附著部位

14、。著絲粒使染分，是紡錘絲的附著部位。著絲粒使染色體在細(xì)胞分裂時表現(xiàn)出形狀上的不延色體在細(xì)胞分裂時表現(xiàn)出形狀上的不延續(xù)性。續(xù)性。著絲粒是一段高度反復(fù)的著絲粒是一段高度反復(fù)的DNA序列，不序列，不能與組蛋白結(jié)合，卻與其他蛋白質(zhì)結(jié)合能與組蛋白結(jié)合，卻與其他蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成動粒構(gòu)成動粒kinetochore。著絲點, 著絲粒染色單體復(fù)制形狀根據(jù)著絲粒的位置，可以將染色體分為以下幾種類型： 中著絲粒染色體 近中著絲粒染色體 近端著絲粒染色體 端著絲粒染色體2 次縊痕secondary constriction和隨體satellite trabant在染色體組中，除每一條染色體都有主縊痕外，在個別染色體上還

15、有另外一個染色較淡的縊縮部位，稱為次縊痕。次縊痕通常出如今染色體末端的近旁，普通位于染色體的短臂上。這一區(qū)域與末期核仁構(gòu)成有關(guān)，并在間期和前期與核仁聯(lián)絡(luò)在一同，因此被稱為核仁組織區(qū)。 隨體 與次縊痕相連的圓形或橢圓形小體，稱為隨體。隨體經(jīng)過隨體柄銜接到染色體短臂上。 目前以為隨體幾乎全部是異染色質(zhì)，不具有常染色質(zhì)所具有的遺傳活性。隨體是識別染色體的重要特征之一。3 染色粒chromomere在減數(shù)分裂的粗線期，沿染色體全長分布的具有恒定大小和一定位置的念珠狀突起，稱為染色粒。目前對染色粒構(gòu)成的解釋是延續(xù)的DNA鏈的部分螺旋化所致。它能夠相當(dāng)于DNA的復(fù)制單位，RNA的合成和加工單位。里程碑,

16、劃時代的事4 端粒telomere端粒是染色體上增大的末端染色粒，是染色體的組成部分。端粒能封鎖正常染色體末端，具有端粒的染色體末端不能與其他斷裂的染色體末端銜接，維持了染色體構(gòu)造的完好性。保證了染色體末端的完好復(fù)制端粒使染色體具有極性polarity，保證了染色體在細(xì)胞周期中的正常行為。在維持細(xì)胞核的三維構(gòu)造及染色體配對中起一定的作用。原生動物代理母親乳腺細(xì)胞5 染色單體中期染色體由兩條染色單體所組成，兩者在著絲粒的部位相互結(jié)合。從遺傳組成來說，兩者的DNA和蛋白質(zhì)是一樣的，它是經(jīng)過細(xì)胞分裂間期DNA和蛋白質(zhì)復(fù)制而構(gòu)成的。在有絲分裂中期，兩條染色單體經(jīng)過著絲粒陳列在赤道的兩側(cè)，有絲分裂后期兩

17、條染色單體分開，并向兩極挪動，并最終分布于兩個子細(xì)胞中。染色體功能實現(xiàn)的三要素染色體功能實現(xiàn)的三要素著絲粒在染色體有絲分裂和減數(shù)著絲粒在染色體有絲分裂和減數(shù)分裂過程中發(fā)揚重要的作用。分裂過程中發(fā)揚重要的作用。端粒封鎖了染色體的末端并且維端粒封鎖了染色體的末端并且維持了染色體的穩(wěn)定性。持了染色體的穩(wěn)定性。復(fù)制起點是復(fù)制起點是DNA復(fù)制起始和染色復(fù)制起始和染色體數(shù)目的維持所必需的。體數(shù)目的維持所必需的。 酵母的自主復(fù)制序列酵母的自主復(fù)制序列autonomously replicating sequence， ARS被以為是真正被以為是真正的復(fù)制起點。的復(fù)制起點。真核生物染色體的超微構(gòu)造真核生物染色

18、體的超微構(gòu)造染色體包裝的構(gòu)造模型染色體包裝的構(gòu)造模型 1 染色質(zhì)構(gòu)造的念珠模型染色質(zhì)構(gòu)造的念珠模型 核小體核小體nucleosome是染色體包裝是染色體包裝的根本單位。的根本單位。 Kornberg1974主張染色質(zhì)是由一主張染色質(zhì)是由一系列核小體相互銜接而成的念珠狀構(gòu)系列核小體相互銜接而成的念珠狀構(gòu)造。核小體是由造。核小體是由200 bp DNA雙螺旋與雙螺旋與一個組蛋白八聚體和一個分子的組蛋一個組蛋白八聚體和一個分子的組蛋白白H1所組成。所組成。普通真核生物染色體上共有5種組蛋白，H1、H2A、H2B、H3和H4。后4種組蛋白分子根據(jù)配對的親和力差別，組成了扁圓柱形八聚體中心，直徑2 nm

19、的DNA分子在八聚體的外面纏繞1.75圈。 組蛋白H1與特定的DNA構(gòu)象的結(jié)合，封住了核小體的出口和入口。 念珠模型是染色質(zhì)的一級構(gòu)造，不僅得到了電鏡任務(wù)的支持，還得到了生化任務(wù)的支持。2染色體包裝的螺線體模型solenoid modelJ. T. Finch1976等提出螺線體由核小體鏈呈螺旋形旋繞而成，其直徑為30 nm，呈中空的管狀構(gòu)造。螺線體的每一周螺旋包括6個核小體。螺線體是染色質(zhì)的二級構(gòu)造。3染色體包裝的支架環(huán)scafold loop模型Laemmli等發(fā)現(xiàn)每個染色單體均由染色質(zhì)纖維所構(gòu)成的環(huán)所組成。每個環(huán)大約含有75 kb的DNA，環(huán)附著在中央酸性非組蛋白組成的支架上。支架環(huán)進一步包裝構(gòu)成染色單體。特殊類型的染色體燈刷染色體和多線染色體中也可