分子生物學(xué)染色體dg

第二章原核生物和真核生物的染色體DNAmoleculesarethelargestmacromoleculesinthecellandarecommonlypackagedintostructurescalled“chromosomes”,mostbacteria&viruseshaveasinglechromosomewhereasEukaryoticcellsusuallycontainmany.（一）概述

任何一條染色體上都帶有許多基因，例如：一條高等生物的染色體上可能帶有成千上萬(wàn)個(gè)基因。如果設(shè)想將人體細(xì)胞中的DNA分子繞地球一周，那么，每個(gè)堿基大約只占1－5厘米，而一個(gè)2－3kb的基因只相當(dāng)于地球上一條數(shù)十米長(zhǎng)，數(shù)厘米寬的線段?。ǘ└拍罱榻B染色質(zhì):是一種纖維狀結(jié)構(gòu)，叫做染色質(zhì)絲，它是由最基本的單位—核小體(nucleosome)成串排列而成的。染色體（chromosome）:是細(xì)胞在有絲分裂時(shí)遺傳物質(zhì)存在的特定形式，是間期細(xì)胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密包裝的結(jié)果。真核生物的染色體在細(xì)胞生活周期的大部分時(shí)間里都是以染色質(zhì)(chromatin)的形式存在的。（三）染色質(zhì)和核小體

現(xiàn)象：染色質(zhì)DNA的Tm值比自由DNA高；在染色質(zhì)狀態(tài)下，由DNA聚合酶和RNA聚合酶催化的DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄活性大大低于在自由DNA中的反應(yīng)；DNA酶I（DNaseI）對(duì)染色質(zhì)DNA的消化遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于對(duì)純DNA的作用。染色質(zhì)的電子顯微鏡圖顯示出由核小體組成的念珠狀結(jié)構(gòu)，可以看到由一條細(xì)絲連接著的一連串直徑為10nm的球狀體。推論：染色質(zhì)中DNA極可能與蛋白質(zhì)分子相互作用。p.27AhighlyorganizedcomplexofDNAandprotein

（>50%）(nucleoproteincomplex),whichmakesuptheeukaryoticchromatin.ThenucleoproteincomplexwasnamedNucleosome（核小體）.結(jié)論3.1核小體(nucleosome)概念區(qū)分：Nucleosome、chromosome、

Genome定義：用于包裝染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位，是由DNA鏈和組蛋白構(gòu)成的。

核小體是由組蛋白核心和DNA組成的。組蛋白是與DNA相互作用的一類堿性蛋白質(zhì)的總稱，包括H1

、H2A、H2B、H3和H4五種。核小體的結(jié)構(gòu)是由H2A、H2B、H3、H4各兩個(gè)分子生成的八聚體和由大約200bpDNA組成的——八聚體在中間，DNA分子盤繞1.75圈，而H1則在核小體的外面，每個(gè)核小體只有一個(gè)H1。3.2核小體和串珠模型概念區(qū)分：核小體與核小體核心顆粒

染色質(zhì)結(jié)構(gòu)模型----串珠模型核小體核心顆粒連接區(qū)核小體LinkerDNA10～100bp之間average55bp“Beadsonastring”structureNucleosomeHistoneH1NucleosomeDNA:CoreDNA+linkerDNA共約200bp

Solvingthepackingproblem:ThelengthofachromosomalDNAcanbeuptoseveralcentimeters(cm),butthethediameterofnucleusisabout1-10μm.(about104-fold)染色質(zhì)染色體折疊，螺旋

在核小體中DNA盤繞組蛋白八聚體核心，從而使分子收縮成1/7，200bpDNA的長(zhǎng)度約為68nm，卻被壓縮在10nm的核小體中。雙鏈DNA螺線管結(jié)構(gòu)超級(jí)螺線管結(jié)構(gòu)染色單體結(jié)構(gòu)染色質(zhì)壓縮形成染色體念珠狀結(jié)構(gòu)壓縮倍數(shù)1/71/61/301/5共計(jì)：6000-8000倍螺線管結(jié)構(gòu)的橫切面

如:人中期染色體中含3.3×109堿基對(duì)，其理論長(zhǎng)度應(yīng)是180cm，這么長(zhǎng)的DNA被包含在46個(gè)51μm長(zhǎng)的圓柱體（染色體）中，其壓縮比約為104

。3.3染色體中的蛋白質(zhì)—組蛋白和非組蛋白

組蛋白是染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，它與DNA組成核小體。通?？梢杂?mol/LNaCl或0.25mol/L的HCl/H2SO4處理使組蛋白與DNA分開。p.22Fourfamiliesofcorehistone:H2A,H2B,H3andH4,andanadditionalhistoneH1SmallMolecularweight,10kDaforcorehistonesand23kDaforH1.這些組蛋白都含有大量的賴氨酸和精氨酸，其中H3、H4富含精氨酸，H1富含賴氨酸；H2A、H2B介于兩者之間，能夠與DNA緊密結(jié)合。3.3.1組蛋白(Histones)的結(jié)構(gòu)3.3.2組蛋白的特點(diǎn)進(jìn)化上的極端保守性無(wú)組織特異性肽鏈氨基酸分布的不對(duì)稱性組蛋白H5的特殊性組蛋白的可修飾性組蛋白在進(jìn)化上的極端保守性：例如：牛、豬、大鼠的H4氨基酸序列完全相同。保守程度：低——高

H1H2A、H2BH3、H4重要性？組蛋白無(wú)組織特異性：到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)鳥類、魚類及兩棲類紅細(xì)胞染色體不含H1而帶有H5，魚類精細(xì)胞染色體的組蛋白是魚精蛋白。肽鏈上氨基酸分布的不對(duì)稱性：堿性氨基酸集中分布在N端的半條鏈上。例如，N端的半條鏈上凈電荷為+16，C端只有+3，大部分疏水基團(tuán)都分布在C端。

組蛋白H5的特殊性：富含賴氨酸（24%）外還有Ala（16%），Ser（13%）及Arg（11%）3.3.3組蛋白的變體和修飾Short-termchangesinchromosomepackingmodulatedbychemicalmodificationofhistoneproteins建議閱讀資料：表觀遺傳學(xué)

修飾作用在細(xì)胞周期特定時(shí)間可發(fā)生，包括甲基化、乙?；?、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙?；饔?、H1有磷酸化作用。

所有這些修飾作用都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即降低組蛋白所攜帶的正電荷。組蛋白修飾的意義：

一、改變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)，直接影響轉(zhuǎn)錄活性；二、核小體表面發(fā)生改變，使其他調(diào)控蛋白易于和染色質(zhì)相互接觸，從而間接影響轉(zhuǎn)錄活性。Forexample：Activelytranscribedchromatin:viaacetylation(乙?；?oflysineresiduesintheN-terminalregionsofthecorehistones.Condensation（濃縮）ofchromosomesatmitosis:bythephosphorylation(磷酸化)ofhistoneH1.3.3.4H1的特性與作用：23kDa,Locatedoutsideofnucleosomecore,bindstoDNAmorelooselyLessconservedinitssequence.StabilizethepointatwhichDNAentersandleavesthenucleosomecore.C-tailofH1

：stabilizetheDNAbetweenthenucleosomecores.非組蛋白是指細(xì)胞核中組蛋白以外的酸性蛋白質(zhì)。3.2非組蛋白的定義及特點(diǎn)非組蛋白具有多樣性。非組蛋白的量大約是組蛋白的60%～70%，但它的種類卻很多，約在20-100種之間，其中常見的有15-20種。非組蛋白不僅包括以DNA作為底物的酶,也包括作用于組蛋白的一些酶,如組蛋白甲基化酶、DNA聚合酶。此外還包括DNA結(jié)合蛋白、組蛋白結(jié)合蛋白和調(diào)節(jié)蛋白。3.2.1常見的非組蛋白舉例：高速泳動(dòng)蛋白（highmobilitygroupprotein，HMG蛋白）：HMG蛋白的C端含酸性氨基酸，可與核小體核心組蛋白的堿性區(qū)域相結(jié)合。既能夠與DNA結(jié)合，也能夠與H1作用，作用不牢固。主要功能有:可能與超螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)。DNA結(jié)合蛋白：與DNA復(fù)制或轉(zhuǎn)錄有關(guān)的酶或調(diào)節(jié)物質(zhì)A24非組蛋白

一種與H2A結(jié)構(gòu)部分類似的非組蛋白，功能不詳。小結(jié)非組蛋白核小體DNA蛋白質(zhì)染色質(zhì)組蛋白：H1H2AH2BH3H4（四）StructureandfunctionofgenomeGenomes（基因組）：一個(gè)細(xì)胞中的全部基因序列及其間隔序列統(tǒng)稱為基因組。不同區(qū)域功能不同：編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因、復(fù)制及轉(zhuǎn)錄的調(diào)控信號(hào)。4.1原核生物基因組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)煉：非常小的一部分不轉(zhuǎn)錄，且不轉(zhuǎn)錄DNA序列通常是控制基因表達(dá)序列4.1.1原核染色體(Prokaryoticchromosome)的結(jié)構(gòu)SupercoileddomainNon-supercoileddomainProtein-membranecoreorscaffoldDomain/LoopBasicproteinSupercoiledDNAMemberbindingproteins?DNAdomains/loops電子顯微鏡下可以看到；每個(gè)E.coli的染色體含有

50-100個(gè)域或環(huán),每個(gè)環(huán)含50-100kb；環(huán)的末端與染色體中心的高密度區(qū)（scaffold）——骨架區(qū)相連。環(huán)結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)的呢?why?●基因組很小，大多只有一條染色體，通常是密閉環(huán)狀的；●含有類核，即骨架區(qū)●DNA與膜相連●沒有明顯的細(xì)胞周期●存在多順反子轉(zhuǎn)錄單元(polycistrontrnascriptionaloperon)●存在重疊基因4.1.2原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)●原核生物往往含有重疊基因（Sanger發(fā)現(xiàn)）基因內(nèi)基因部分重疊基因一個(gè)堿基重疊TAATG真核生物基因組往往由多條染色體組成，p.234.2真核生物基因組

人類染色體核型Eukaryoticchromosome(真核染色體)不重復(fù)序列（單一序列DNA/單一序列

，UniquesequenceDNA）：

不重復(fù)序列在基因組中有一個(gè)或幾個(gè)拷貝。真核生物的大多數(shù)基因在單倍體中都是單拷貝的。它占DNA總量的40%－80%。單拷貝順序中儲(chǔ)存了巨大的遺傳信息，編碼各種不同功能的蛋白質(zhì)。如：蛋清蛋白、血紅蛋白、絲心蛋白等功能：主要是編碼蛋白質(zhì)。4.2.1染色體中的DNA分類

中度重復(fù)序列這類重復(fù)序列的重復(fù)次數(shù)在10－104之間，占總DNA的10%－40%。例如：rRNA、tRNA

及組蛋白等。RepetitiveDNA(重復(fù)序列DNA)非洲爪蟾的18S、5.8S及28SrRNA基因是連在一起的，中間隔著不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)，這些單位在DNA鏈上串聯(lián)重復(fù)約5000次。在卵細(xì)胞形成過(guò)程中這些基因可進(jìn)行幾千次不同比例的復(fù)制，產(chǎn)生2×106個(gè)拷貝，使rDNA占卵細(xì)胞DNA的75%，從而使該細(xì)胞能積累1012個(gè)核糖體。

高度重復(fù)序列高度重復(fù)序列在基因組中重復(fù)頻率高，拷貝數(shù)達(dá)到幾百個(gè)到幾百萬(wàn)個(gè)。例如：衛(wèi)星DNA——A?T含量很高的簡(jiǎn)單高度重復(fù)序列。在基因組中所占比例隨種屬而異，約占10-60％，在人基因組中約占20％。5’–ATAAACTATAAACTATAAACT–3’3’–TATTTGATATTTGATATTTGA–5’DrosophilasatelliteDNArepeat(severalmillioncopies)nACAAACT,1.1x107bp,25%genomeATAAACT,3.6x106bp,8%genomeACAAATT,3.6x106bp,8%genomeAATATAG,crypticSatellitescomprisemorethan40%ofthegenome小鼠基因組DNA組成：1.小鼠總DNA的10％是小于10bp的高度重復(fù)序列，重復(fù)數(shù)十萬(wàn)到上百萬(wàn)次/genome。2.總DNA的20％是重復(fù)數(shù)千次、長(zhǎng)約數(shù)百bp的中等重復(fù)序列。3.總DNA的70％是不重復(fù)或低重復(fù)序列,絕大部分功能基因都位于這類序列中?？梢姡叩日婧松顳NA的結(jié)構(gòu)是極為復(fù)雜的。4.2.2真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)真核基因組結(jié)構(gòu)龐大

3×109bp、染色質(zhì)、核膜單順反子基因不連續(xù)性斷裂基因（interruptedgene）、內(nèi)含子(intron)、外顯子(exon)非編碼區(qū)較多多于編碼序列(9:1)含有大量重復(fù)序列4.3原核生物與真核生物基因組比較

原核生物的基因組比較小，一般只有一條染色體且大都帶有單拷貝基因，只有很少數(shù)基因〔如rRNA基因〕是以多拷貝形式存在；整個(gè)染色體DNA幾乎全部由功能基因與調(diào)控序列所組成；幾乎每個(gè)基因序列都與它所編碼的蛋白質(zhì)序列呈線性對(duì)應(yīng)狀態(tài)。ViralDNAmoleculesarerelativelysmallHIV=9000ntRNAQβ=4200ntBactariaDNAis100timeslengththanviral.E.colidouble-strandedis4639221bp.

真核基因組基因組大，往往具有多條染色體，其中基因密度明顯低于原核生物和病毒。如：果蠅帶有25倍于E.Coli的DNA,人類帶有600倍于E.Coli的DNA.

人DNA中平均每毫米只帶有50個(gè)基因,而E.Coli中基因密度每毫米DNA帶有2400個(gè)基因！