分子生物學(xué)第三章

第三章染色體和基因染色體概述原核生物和真核生物的染色體原核生物和真核生物的基因一遺傳的染色體學(xué)說1879年發(fā)現(xiàn)有絲分裂。1883年發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂。1888年命名染色體。細(xì)胞分裂的重要過程是母細(xì)胞核的顆粒（指染色體）的分裂，所有其余階段，則是用以保證母顆粒分裂產(chǎn)生的每一個(gè)顆粒，轉(zhuǎn)移到兩個(gè)子細(xì)胞的中心。1902年Boveri，Sutton提出遺傳的染色體學(xué)說。

摩爾根：基因的染色體理論（連鎖和交換）染色體的單線性：每一條染色單體僅含有一條連續(xù)的DNA雙螺旋鏈，稱為染色體的單線性（mononeme）。二１.原核生物的染色體

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，但不形成染色體結(jié)構(gòu)。原核生物一般只有一個(gè)染色體，即一個(gè)核酸分子（DNA或RNA）。大多數(shù)為雙螺旋結(jié)構(gòu)，少數(shù)以單鏈形式存在。這些核酸分子大多數(shù)為閉合環(huán)狀，少數(shù)為線狀。大腸桿菌沒有明顯的核結(jié)構(gòu)，但其DNA有一個(gè)相對(duì)集中的區(qū)域，在這一個(gè)小區(qū)域中形成類核（nucleoid）。類核的DNA成分占80％，其余為RNA和蛋白質(zhì)。用RNA酶或蛋白酶處理類核，可使之由致密變得松散。表明RNA和某些蛋白質(zhì)分子起到穩(wěn)定類核的作用。大腸桿菌的類核結(jié)構(gòu)核中央由支架蛋白和RNA組成，環(huán)狀雙鏈DNA繞在支架蛋白的外圍，只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，DNA與細(xì)胞膜粘在一起，DNA上有結(jié)合蛋白。大腸桿菌染色體是由4.2106堿基對(duì)組成的雙鏈環(huán)狀DNA分子，在DNA結(jié)合蛋白質(zhì)的作用下壓縮成一個(gè)手腳架形（scaffold）結(jié)構(gòu)。大腸桿菌染色體形成100個(gè)左右的小區(qū)（domain），小區(qū)內(nèi)都是負(fù)超螺旋。用微量的DNAaseⅠ處理時(shí)，只能使一小部分的DNA由超螺旋狀態(tài)變成松弛狀態(tài)。λ噬菌體染色體λ噬菌體的雙鏈DNA有兩種形式，一種是帶有切刻的環(huán)狀分子，切刻部分通過粘性末端的互補(bǔ)堿基之間的氫鍵而連接。另一種形式是兩個(gè)粘性末端相互分離，形成線性分子。λ噬菌體共有48,502堿基對(duì)，包裝在由蛋白質(zhì)組成的頭部外殼之中。λ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，也可以通過整合酶的作用而整合到寄主染色體上成為原噬菌體狀態(tài)，并與寄主染色體一起復(fù)制。這種現(xiàn)象稱為溶原化。２.真核生物的染色質(zhì)與染色體染色質(zhì)：

真核細(xì)胞間期細(xì)胞核內(nèi)伸展開的DNA蛋白質(zhì)纖維。分為常染色質(zhì)和異染色質(zhì)。染色體：

真核細(xì)胞有絲分裂期高度螺旋化的DNA蛋白質(zhì)纖維，是間期染色質(zhì)進(jìn)一步緊密盤繞折疊的結(jié)果。染色質(zhì)和染色體是真核細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)DNA分子的存在形式；這種結(jié)構(gòu)形式對(duì)遺傳信息的穩(wěn)定、傳遞和表達(dá)都有極為重要的影響。染色質(zhì)的化學(xué)組成：DNA分子，占27%；RNA分子，占6%；組蛋白（堿性）和非組蛋白（多為酸性蛋白），共占66%。

組蛋白組蛋白類型堿性氨基酸氨基酸數(shù)分子量（Da）LysArgH129%1%21523,000H2A11%9%12913,960H2B16%6%12513,775H310%13%13515,340H411%14%10211,280小牛胸腺DNA的組蛋白的特點(diǎn)：組蛋白的特性

進(jìn)化上的極端保守性?無組織特異性?肽鏈上氨基酸分布的不對(duì)稱性堿性氨基酸分布在N端；疏水基團(tuán)在C端?存在較普遍的修飾作用甲基化、乙?；?、磷酸化等Olins夫婦（1974）和PierreChambon等（1975）在電鏡下觀察到染色質(zhì)的“繩珠”狀結(jié)構(gòu)，小球的直徑為100埃。X衍射圖表明組蛋白的多聚體是緊密相聯(lián)，并無可容納像DNA分子那樣大小的孔洞，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單位—核小體1974年Kornberg和Thomas先用小球菌核酸酶稍稍消化一下染色質(zhì)，切斷一部分200核苷酸對(duì)單位之間的DNA，使其中含有單體、二聚體、三聚體和四聚體等。然后經(jīng)離心將它們分開。每一組再通過凝膠電泳證明其分子大小及純度。然后分別用電鏡來觀察各組的材料；結(jié)果單體均為一個(gè)100埃的小體，二聚體則是兩個(gè)相聯(lián)的小體，同樣三聚體和四聚體分別由三個(gè)小體和四個(gè)小體組成，1984年Klug和Butler進(jìn)行了修正核小體模型。核小體的

梯度離心

和電泳核小體的結(jié)構(gòu)由核心顆粒和連接區(qū)構(gòu)成；核心顆粒包括由8個(gè)組蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4各兩個(gè)）構(gòu)成的組蛋白核心和包繞在核心表面的DNA分子；包繞在組蛋白核心表面的DNA長140bp，環(huán)繞1?圈；連接區(qū)由DNA分子和H1組蛋白分子構(gòu)成，長度不定；MWChromosomalProteins200,00036,00097,00066,00055,00031,00021,00014,000116,000H4H2AH2B/H3HistonesareLowMWChromosomalProteins7TheNucleosome146bpDNA 2XH3,H4,H2A,H2BH4H2BH2AH3核小體的結(jié)構(gòu)HelixIII-MajorgroovebindingLoop(SecondaryDNAbindingsite)GlobulardomainofHistoneH5“wingedhelix-turn-helixdomain”26更高層次的DNA折疊包裝組織情況尚不清楚。但是有證據(jù)表明，染色體DNA的某一些部分和“核骨架”(nuclearscaffold)相連。這些與核骨架相聯(lián)系的部分，把染色體DNA隔成許多含20000～100000bp長的DNA環(huán)，每個(gè)“環(huán)”(loops)有相對(duì)的獨(dú)立性。當(dāng)一個(gè)環(huán)被打斷或被核酸酶所松弛時(shí)，其他環(huán)仍可保持超螺旋狀態(tài)。每個(gè)環(huán)中含有一些相關(guān)的基因。染色質(zhì)和染色體的多級(jí)結(jié)構(gòu)由連接區(qū)將許多核心顆粒相連接構(gòu)成了染色體的一級(jí)結(jié)構(gòu)；每六個(gè)核小體盤繞成直徑30nm的螺線管，成為染色體的二級(jí)結(jié)構(gòu)（又稱微纖絲）；微纖絲經(jīng)與非組蛋白結(jié)合（堿基與核基質(zhì)中的骨架蛋白結(jié)合），把染色體DNA隔成許多含20000～100000bp長的DNA環(huán)，形成大環(huán)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)“環(huán)”(loops)有相對(duì)的獨(dú)立性。

此結(jié)構(gòu)再盤曲成染色單體,其長度壓縮近30萬倍。30nm螺旋管染色體包裝的支架環(huán)（scafoldloop）模型Laemmli等發(fā)現(xiàn)每個(gè)染色單體均由染色質(zhì)纖維所構(gòu)成的環(huán)所組成。每個(gè)環(huán)大約含有75kb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(jìn)一步包裝形成染色單體。特殊類型的染色體—燈刷染色體和多線染色體中也可以看到上述的支架環(huán)結(jié)構(gòu)。大腸桿菌的環(huán)結(jié)構(gòu)域與支架環(huán)相似。染色體中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：染色單體

每一個(gè)染色體由兩條染色單體組成，同一個(gè)染色體中的兩個(gè)染色單體是由一條DNA分子鏈復(fù)制后形成的兩條子代DNA鏈所構(gòu)成，每一條染色單體中有一條DNA分子；著絲粒（主縊痕）：

由特殊的重復(fù)DNA序列和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，是細(xì)胞有絲分裂時(shí)的重要結(jié)構(gòu)；著絲粒把染色體分為長臂和短臂；著絲粒區(qū)域的功能是使復(fù)制的染色體在有絲分裂和減數(shù)分裂中可平衡分配到子細(xì)胞中。端粒：

由特殊的重復(fù)DNA序列和相應(yīng)的蛋白質(zhì)構(gòu)成，起著穩(wěn)定染色質(zhì)和染色體結(jié)構(gòu)的作用。常染色質(zhì)和異染色質(zhì)：

用堿性染料處理中期染色體，染色體上部分區(qū)域著色較深，稱為異染色質(zhì)，高度凝縮且沒有轉(zhuǎn)錄能力。端粒共同特點(diǎn)：每一個(gè)端粒都含有一系列短的正向重復(fù)順序。

Cn(A/T)m

，其中n>1，而m=1~4。在端粒區(qū)域中有一種特殊的不連續(xù)排列，產(chǎn)生單鏈斷裂的形式，這種結(jié)構(gòu)并不能被連接酶將缺口（nick）封閉起來。提純的天然的端粒區(qū)可直接用E.coliDNA多聚酶I進(jìn)行缺口平移(nicktranslation)。在端粒區(qū)的最末端可能帶有3’

-OH的單鏈末端，回折成了發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)。端粒的功能保持染色體的穩(wěn)定使線形DNA順利復(fù)制影響染色體的行為可能控制細(xì)胞的壽命和核骨架的組成有關(guān)《科學(xué)》重大發(fā)現(xiàn)：端粒可作為RNA合成模板端粒是染色體末端的ＤＮＡ重復(fù)片斷，經(jīng)常被比做鞋帶兩端防止磨損的塑料套。研究人員一直認(rèn)為，這些小顆粒中并不含有基因，它們只是具有保護(hù)染色體免受傷害的功能。但是，瑞士研究人員最新的一項(xiàng)研究則發(fā)現(xiàn)，端粒的作用不僅如此，它還能作為合成RNA的模板。這項(xiàng)研究的論文發(fā)表在2007年10月4日的《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上。法國原子能委員會(huì)的分子生物學(xué)家LaureSabatier說，這是一項(xiàng)重大的突破，從來沒有人會(huì)想過，端粒能夠作為合成RNA的DNA模板。Lingner表示，目前尚不清楚該發(fā)現(xiàn)是否能夠?yàn)榘┌Y治療提供新途徑，端粒附近RNA的作用也還不清楚。他們的實(shí)驗(yàn)還顯示，當(dāng)端粒附近RNA水平升高，端粒的丟失速度會(huì)加快。但這二者之間是否直接相關(guān)還有待研究。端粒(telomere)

端粒是真核細(xì)胞內(nèi)染色體末端的蛋白質(zhì)-DNA結(jié)構(gòu),其功能是完成染色體末端的復(fù)制,防止染色體免遭融合,重組和降解.從單細(xì)胞的有機(jī)體到高等的動(dòng)植物,端粒的結(jié)構(gòu)和功能都很保守.

端粒DNA

大多數(shù)有機(jī)體的端粒DNA由非常短而且數(shù)目精確的串聯(lián)重復(fù)DNA排列而成,富含鳥嘌呤.個(gè)別種類的端粒DNA重復(fù)單元很長.端粒的DNA序列多種多樣,其功能不需要獨(dú)特的序列來維持.盡管在許多物種中端粒DNA有相當(dāng)大的變化,但仍可在進(jìn)化關(guān)系非常遠(yuǎn)的生物中發(fā)現(xiàn)相同的端粒序列,

端粒DNA的平均長度因物種而異.在人大約15kb,在人體中,隨著細(xì)胞的持續(xù)分裂,端粒會(huì)緩慢縮短.

端粒結(jié)合蛋白

目前對(duì)端粒結(jié)合蛋白還了解甚少.在酵母中,端粒的主要結(jié)合蛋白是Rap1p,在體外以很高的親和性與端粒上的許多識(shí)別位點(diǎn)相結(jié)合,Rap1p與端粒長度的調(diào)節(jié)有關(guān),Rap1p能夠阻止端粒酶接近端粒從而負(fù)調(diào)節(jié)端粒的長度.相反,Rap1p可以在端粒周圍通過聚集端粒酶或提高端粒酶活性而延長端粒.因此末端限制性結(jié)合蛋白可能是端粒染色質(zhì)的一個(gè)普通特性.

染色體功能實(shí)現(xiàn)的三要素著絲粒在染色體有絲分裂和減數(shù)分裂過程中發(fā)揮重要的作用。端粒封閉了染色體的末端并且維持了染色體的穩(wěn)定性。復(fù)制起點(diǎn)是DNA復(fù)制起始和染色體數(shù)目的維持所必需的。酵母人工染色體（YAC）的構(gòu)建染色體的核型、組型和顯帶核型（karyotype）：

一個(gè)體細(xì)胞全部中期染色體的圖像；根據(jù)染色體的結(jié)構(gòu)特征，可以把染色體分為若干組。組型：

核型的模式圖。顯帶：

用不同的染料處理染色體顯示的帶型，每一個(gè)染色體都有特定的帶型。人類染色體的C帶基因的概念基因概念大致分以下幾個(gè)階段：泛基因（或者稱前基因）階段，孟德爾的遺傳因子階段，摩爾根的基因階段，順反子階段，操縱子階段和現(xiàn)代基因階段。摩爾根的基因階段基因位于染色體上，每一個(gè)基因控制一個(gè)性狀?；蚴且粋€(gè)遺傳/交換/突變的單位。順反子階段1955年，Benzer提出順反子學(xué)說，認(rèn)為基因是一個(gè)不可分割的功能單位，一個(gè)順反子包含了許多突變子和重組子，是具有特定功能的一段核苷酸序列,作為功能單位的基因應(yīng)該是順反子。

Acistronisaunitofgeneticfunctiondefinedbyacomplementationtest.Thebacterialgeneisthesameasacistron--aunitofgeneticfunctionwhichcorrespondstoanopenreadingframe.

1985年，Gilbert提出基因是一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，外顯子處于沉默的內(nèi)含子中。

基因：是遺傳信息的物理和功能單位，具有被表達(dá)的潛勢(shì)，即可被用作模板產(chǎn)生RNA或蛋白質(zhì)的基因產(chǎn)物。包括了結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控區(qū)基因（阻遏蛋白或轉(zhuǎn)錄因子等）。是一段制造功能產(chǎn)物的染色體功能片段。Ageneisaphysicalandfunctionalunitofgeneticinformationwiththepotentialtobeexpressed,i.e.tobeusedasatemplatetogenerateoneormoregeneproductsofRNAorprotein.現(xiàn)代基因階段實(shí)際上是重新認(rèn)識(shí)基因的階段，對(duì)基因的定義是基因是DNA分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。對(duì)于編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因來說，基因是決定一條多肽鏈的DNA片段。根據(jù)其是否具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能可以把基因分為三類。第一類是編碼蛋白質(zhì)的基因，它具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能，包括編碼酶和結(jié)構(gòu)蛋白的結(jié)構(gòu)基因及編碼阻遏蛋白的調(diào)節(jié)基因；第二類是只有轉(zhuǎn)錄功能而沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因；第三類是不轉(zhuǎn)錄的基因，它對(duì)基因表達(dá)起調(diào)節(jié)控制作用，包括啟動(dòng)子和操縱序列（Operator）。啟動(dòng)子和操縱序列有時(shí)被統(tǒng)稱為控制基因。

基因組

狹義：?jiǎn)伪扼w細(xì)胞中的全套染色體（人：22條常染色體+X，Y+線粒體DNA）

廣義：一物種的全部遺傳物質(zhì)及其攜帶的遺傳信息。包括構(gòu)成基因和基因之間區(qū)域的所有DNA。C－值矛盾C值矛盾(C-valueparadox)指DNA含量的反常現(xiàn)象。表現(xiàn)為：C值的增加與生物的復(fù)雜性及進(jìn)化程度不一致；同一物種的C值相差很大等。三１原核生物基因組

細(xì)菌基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

1.擬核（類核）結(jié)構(gòu)；2.存在多順反子結(jié)構(gòu)；3.除RNA基因外，基本是單拷貝的；多拷貝RNA基因的利于核糖體的快速組裝，短時(shí)間內(nèi)合成大量核糖體。4.非編碼序列相對(duì)較少；5.存在不同的功能識(shí)別區(qū)、復(fù)制起始區(qū)、復(fù)制終止區(qū)等。原核基因的典型結(jié)構(gòu)

大腸桿菌基因組結(jié)構(gòu)：1.基因組DNA在4000kb，估計(jì)有3500個(gè)基因，已確定的基因有900個(gè)，已確定有260個(gè)基因具有操縱子結(jié)構(gòu)（75個(gè)操縱子中），每個(gè)基因平均長度1000bp；2.已確定的基因中，多數(shù)是與代謝有關(guān)的酶、核糖體蛋白；3.大多數(shù)基因是隨機(jī)分布的，兩條單鏈作為模板的概率基本相等；4.多數(shù)基因都是單拷貝。大腸桿菌E.coli的基因大腸桿菌功能上相關(guān)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因前后相連，再加上一個(gè)共同的調(diào)節(jié)基因和一組共同的控制位點(diǎn)即啟動(dòng)子（promotor）和操縱子（operator）在基因轉(zhuǎn)錄時(shí)協(xié)同作用。細(xì)菌基因表達(dá)調(diào)控的這樣一個(gè)完整單元，稱為操縱元（operon）。對(duì)基因表達(dá)過程實(shí)行原發(fā)調(diào)節(jié)控制，也是最有效的一種調(diào)節(jié)控制。大腸桿菌編碼蛋白質(zhì)的基因通常以單拷貝的形式存在。RNA基因通常是多拷貝的。16SrRNA，23SrRNA和5SrRNA各有7個(gè)拷貝，以便在短時(shí)間內(nèi)裝配大量的核糖體。各種啟動(dòng)子和操縱子部分的DNA具有多樣性，以便與RNA聚合酶以及調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物－阻遏蛋白發(fā)生不同程度的結(jié)合，以便進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)節(jié)。質(zhì)?！旧w外遺傳物質(zhì)雙鏈DNA分子，幾kb～幾百kb；位置相對(duì)游離；獨(dú)立復(fù)制（松弛與嚴(yán)謹(jǐn)）；攜帶致育基因和耐藥基因；F因子（接合性質(zhì)粒）具有多克隆位點(diǎn)質(zhì)粒的不相容性：在沒有選擇壓力的情況下兩種質(zhì)粒不能共存于同一個(gè)宿主細(xì)胞內(nèi)的現(xiàn)象重疊基因1977年Sanger首先發(fā)現(xiàn)重疊基因他對(duì)單鏈環(huán)狀的噬菌體

X174進(jìn)行了測(cè)序。5386Nt11基因，3個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，由3個(gè)啟動(dòng)子（pA,pB,pD）啟動(dòng)。

X174含有的5386Nt最多能編碼1795個(gè)氨基酸，若每個(gè)氨基酸的平均分子量為110，則總的蛋白質(zhì)分子量為197,000Da，但實(shí)際蛋白質(zhì)總分子量卻為262,000D。將全部DNA順序和蛋白質(zhì)的氨基酸順序進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)了重疊基因。重疊基因OverlappingGenes三２真核生物核基因組真核生物核基因組的特點(diǎn)

1.基因組較大，低等真核生物：107-108bp,較原核生物大10倍；高等真核生物：5X108-1010bp，某些植物和兩棲生物可達(dá)1011bp；哺乳類生物大于2X109它們可編碼100萬個(gè)基因。2.真核生物核DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成核小體，再纏繞成染色質(zhì)（染色體）；

3.基因組一般為雙倍體（diploid）;4.基因?yàn)閱雾樂醋?。一個(gè)基因單獨(dú)轉(zhuǎn)錄，一個(gè)基因轉(zhuǎn)錄一條mRNA鏈,翻譯成一條多肽鏈；5.存在大量重復(fù)序列，重復(fù)次數(shù)可高達(dá)百萬倍；6.基因組中非編碼序列多于編碼序列，有大量的冗余DNA；7.大部分基因有內(nèi)含子，因此基因不連續(xù)；8.具有多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，而每個(gè)復(fù)制子的長度較小。真核生物核基因組的特點(diǎn)：重復(fù)性、基因家族、不連續(xù)性。真核基因的典型結(jié)構(gòu)

真核生物核基因組的序列類型

單一順序和重復(fù)順序一.單一順序(Uniquesequence)絕大多數(shù)是編碼蛋白質(zhì)的基因。二.重復(fù)順序短片段的重復(fù)順序可分為：正向重復(fù)(directrepeats)又叫順向重復(fù)；反向重復(fù)(invertedrepeats)；回文順序(Palindromicsequence)5‘GTGAGCTCAC3’3’CACTCGAGTG5’

輕度重復(fù)順序和中度重復(fù)順序輕度重復(fù)順序在基因組中含有2-10拷貝，常常是編碼蛋白質(zhì)的基因。如：酵母tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。中度重復(fù)順序長約105bp，基因組中約有10-幾千個(gè)拷貝的順序。如rRNA和tRNA基因：tRNA基因一般都分布于基因組中，而rRNA常集中分布于核仁形成區(qū)。人類基因組中的散布重復(fù)序列類型家族單位長度拷貝數(shù)總長度比例SINEAlu0.13kb1百萬288Mb9.9MIR40萬66Mb2.3LINELINE10.8kb35萬466Mb16.1LINE20.25kb27萬LTRHERV1.3kb5萬155Mb5.3RTLV，LTR0.5kb20萬DNATnMER,THE等0.25kb20萬50Mb1.7總記1025Mb35.3SINE：shortinterspersednuclearelements.Alu:含AGCT.MIR：mammalian-wideinterspersedrepeats.LINE：longinterspersednuclearelements.LTR：longterminalrepeat.HERV：humanendogenousretroviruses.RTLV：retrovirus-lik