第四章 原核與真核生物的染色體結(jié)構(gòu)

1復(fù)習(xí)2染色體3原核生物的染色體結(jié)構(gòu)4真核生物的染色體結(jié)構(gòu)5基因組復(fù)雜度6遺傳信息流第四章原核與真核生物的染色體結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)核苷酸含氮堿與戊糖形成核苷，核苷再與磷酸結(jié)合形成核苷酸核苷酸=堿基+核糖（脫氧核糖）+磷酸腺嘌呤核苷酸（AMP）胸腺嘧啶脫氧核苷酸（d-TMP）復(fù)習(xí)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)5′

pApCpTpGpCpT-OH

3′5′ACTGCT3′DNA的書寫方式PPPPPOH5′3′ACTGCTP復(fù)習(xí)DNA測(cè)序方法分成4組，每一組反應(yīng)體系中加入4種dNTP和一種相應(yīng)的ddNTP，反應(yīng)后可得到不同長(zhǎng)度的以雙脫氧結(jié)尾的DNA片段，各DNA片段均只相差一個(gè)核苷酸長(zhǎng)度，各組的片段經(jīng)凝膠電泳分離后，每一片段的電泳位置不同，從下而上可直接讀出DNA序列。復(fù)習(xí)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Watson—Crick雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)：

a.反平行雙鏈右手螺旋b.糖－Pi在螺旋線上c.堿基伸向內(nèi)部其平面垂直于軸d.A=T、G=Ce.直徑=2nm，一圈上升10對(duì)核苷酸，螺距為3.4nmf.大溝、小溝；拓?fù)洚悩?gòu)酶（topoisomerase）可以催化DNA產(chǎn)生瞬時(shí)單鏈或雙鏈斷裂而改變連環(huán)數(shù)(linkingnumber)。拓?fù)洚悩?gòu)酶有兩種基本類型，拓?fù)洚悩?gòu)酶I和拓?fù)洚悩?gòu)酶II。拓?fù)洚悩?gòu)酶II在DNA上產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的雙鏈缺口，并在缺口閉合以前使另一雙鏈DNA片段得以穿過(guò)，連環(huán)數(shù)每次改變±2。拓?fù)洚悩?gòu)酶II依靠ATP水解提供能量來(lái)催化這一反應(yīng)。I型拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用是使DNA暫時(shí)產(chǎn)生單鏈切口，讓另一未被切割的單鏈在切口接合之前穿過(guò)這一缺口，連環(huán)數(shù)每次改變±1。與拓?fù)洚悩?gòu)酶II相比，拓?fù)洚悩?gòu)酶I的作用不需要ATP。

復(fù)習(xí)DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)：超螺旋復(fù)習(xí)RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)細(xì)胞內(nèi)的RNA行使多種生物學(xué)功能:mRNA是蛋白質(zhì)生物合成的模板。在真核細(xì)胞中，由于蛋白質(zhì)是在胞漿中而不是在核內(nèi)合成，因此顯然要求有一個(gè)中間物將DNA上的遺傳信息傳遞至胞漿中，這種中間物即信使RNA。不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)：在真核生物中，最初轉(zhuǎn)錄生成的RNA稱為不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)，然而在細(xì)胞漿中起作用，作為蛋白質(zhì)的氨基酸序列合成模板的是mRNA(messengerRNA)。hnRNA是mRNA的未成熟前體。復(fù)習(xí)核酸性質(zhì)紫外吸收：堿基、核苷、核苷酸和核酸240~290nm的紫外波段有強(qiáng)烈的光吸收，λmax=260nm純DNA的A260/A280應(yīng)為1.8（1.65-1.85）純RNA的A260/A280應(yīng)為2.0含量計(jì)算：1ABS值相當(dāng)于：50ug/mL雙螺旋DNA或：40ug/mL單鏈DNA（或RNA）或：20ug/mL寡核苷酸變性：概念：在物理、化學(xué)因素的影響下，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解為單鏈的現(xiàn)象稱為變性。變性因素：強(qiáng)酸堿、有機(jī)溶劑、高溫等等。DNA的熱變性稱為DNA的“融解”，50%DNA分子解鏈的溫度稱為融點(diǎn)Tm表示。復(fù)習(xí)核酸性質(zhì)復(fù)習(xí)核酸性質(zhì)分子雜交：(hybridization)不同來(lái)源的核酸變性后，合并在一處進(jìn)行復(fù)性，這時(shí)，只要這些核酸分子的核苷酸序列含有可以形成堿基互補(bǔ)配對(duì)的片段，復(fù)性也會(huì)發(fā)生于不同來(lái)源的核酸鏈之間，即形成所謂的雜化雙鏈，這個(gè)過(guò)程稱為雜交(hybridization)。染色體1848年，Hofmeister從鴨跖草的小孢子母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)染色體。1888年，Waldeyer正式定名為Chromosome。1879年，W.Flemming提出了染色質(zhì)（chromatin）這一術(shù)語(yǔ)，用以描述染色后細(xì)胞核中強(qiáng)烈著色的細(xì)絲狀物質(zhì)。后來(lái)的研究證明染色質(zhì)和染色體是同一物質(zhì)在不同細(xì)胞周期中的形態(tài)表現(xiàn)。染色體具有3個(gè)基本元素：①自主復(fù)制序列(autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS)，是DNA復(fù)制的起點(diǎn)，酵母基因組含200-400個(gè)ARS，大多數(shù)具有一個(gè)11bp富含AT的一致序列（ARSconsensussequence,ACS）；②著絲粒序列(centromereDNAsequence,CEN)，由大量串聯(lián)的重復(fù)序列組成，如α衛(wèi)星DNA，其功能是參與形成著絲粒，使細(xì)胞分裂中染色體能夠準(zhǔn)確地分離；③端粒序列(telomereDNAsequence,TEL)，不同生物的端粒序列都很相似，由長(zhǎng)5-10bp的重復(fù)單位串聯(lián)而成，人的重復(fù)序列為GGGTTA。染色體染色質(zhì)的化學(xué)組成染色質(zhì)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成，比例為1：1：（1-1.5）：0.05?？梢?jiàn)DNA與組蛋白的含量比較恒定，非組蛋白的含量變化較大，RNA含量最少。染色體DNA是遺傳信息的攜帶者，DNA的序列可分為3種類型，即：?jiǎn)我恍蛄?、中度重?fù)序列（101-5）和高度重復(fù)序列（>105）

組蛋白帶正電荷，含精氨酸，賴氨酸，屬堿性蛋白，其含量恒定。染色體與組蛋白不同，非組蛋白是染色體上與特異DNA序列結(jié)合的蛋白質(zhì)，所以又稱序列特異性DNA結(jié)合蛋白，非組蛋白的特性是：①含有較多的天門冬氨酸、谷氨酸，帶負(fù)電荷，屬酸性蛋白質(zhì)；②整個(gè)細(xì)胞周期都進(jìn)行合成，不象組蛋白只在S期合成，并與DNA復(fù)制同步進(jìn)行；③能識(shí)別特異的DNA序列，識(shí)別信息存在于DNA本身，位點(diǎn)在大溝部分，識(shí)別與結(jié)合力為氫鍵和離子鍵。非組蛋白的功能是：①幫助DNA分子折疊，以形成不同的結(jié)構(gòu)域，從而有利于DNA的復(fù)制和基因的轉(zhuǎn)錄；②協(xié)助啟動(dòng)DNA復(fù)制；③控制基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。染色體從DNA到染色體

人體的一個(gè)細(xì)胞核中有23對(duì)染色體，每條染色體的DNA雙螺旋若伸展開(kāi)，平均長(zhǎng)為5cm，核內(nèi)全部DNA連結(jié)起來(lái)約1.7-2.0m，而細(xì)胞核直徑不足10um。因此，不難想象DNA是以螺旋和折疊的方式壓縮起來(lái)的，壓縮比例高達(dá)上萬(wàn)倍，這種壓縮的最初級(jí)結(jié)構(gòu)就是核小體。

用非特異性核酸酶（如微球菌核酸酶）處理染色質(zhì)，大多數(shù)情況下可得到大約200bp的片段，但處理裸露的DNA分子會(huì)得到隨機(jī)降解的片段。以這個(gè)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，R.Kornberg建立了核小體模型。核小體與染色體核小體是一種串珠狀結(jié)構(gòu)，由核心顆粒和連結(jié)線DNA兩部分組成，可描述如下：①每個(gè)核小體單位包括約200bp的DNA、一個(gè)組蛋白核心和一個(gè)H1；②由H2A、H2B、H3、H4各兩分子形成八聚體，構(gòu)成核心顆粒；③DNA分子以左手螺旋纏繞在核心顆粒表面，每圈80bp，共1.75圈，約146bp，兩端被H1鎖合；④相鄰核心顆粒之間為一段60bp的連接線DNA。核小體：DNA雙螺旋鏈,等距離纏繞組蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各二分子組成八聚體形成眾多核心顆粒,外繞1.75圈左走向的DNA鏈,每圈約80bpDNA,各顆粒之間為帶有H1組蛋白的連接區(qū)DNA。核小體與染色體核小體與染色體核小體結(jié)構(gòu)通過(guò)核小體，DNA長(zhǎng)度壓縮了7倍，形成直徑為11nm的纖維(圖12-12)。但是染色質(zhì)不以這種狀態(tài)存在，在電鏡下觀察用溫和方法分離的染色質(zhì)是直徑30nm的纖維，這種纖維的形成有兩種解釋：①由核小體螺旋化形成，每6個(gè)核小體繞一圈，構(gòu)成外徑30nm的中空管長(zhǎng)度壓縮6倍；②由核小體纖維Z字形折疊而成，長(zhǎng)度壓縮40倍。

30nm纖維的形成與核小體之間蛋白質(zhì)的相互作用有關(guān)，連接組蛋白H1和核心組蛋白尾部均參與這種相互作用，去除組蛋白H1的染色質(zhì)中，30nm纖維解體為更細(xì)的纖維。

核小體與染色體核小體與染色體30nm和11nm染色質(zhì)纖維

核小體與染色體一個(gè)長(zhǎng)約105μm的真核染色體DNA被高致密度包裝在直徑約5～10μm的細(xì)胞核中，這種包裝是由幾個(gè)層次高度有序地折疊組成的。人們將DNA(或RNA)與包裝它的細(xì)胞器長(zhǎng)度之比稱為包裝比。形成核小體后DNA的包裝為l：7。但是在真核染色體中，DNA的包裝比超過(guò)10000倍，這個(gè)事實(shí)說(shuō)明，染色體本身是個(gè)高度有序的結(jié)構(gòu)。

核小體與染色體對(duì)于更高級(jí)染色體包裝方式，至今尚不明確。目前多認(rèn)為30nm的纖維折疊為一系列的環(huán)（loop）結(jié)合在核骨架上（或稱染色體骨架），結(jié)合點(diǎn)是富含AT的區(qū)域（圖12-13），這種環(huán)狀的結(jié)構(gòu)散布于細(xì)胞核中。

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(zhǎng)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。

核小體與染色體原核生物的染色體結(jié)構(gòu)大腸桿菌的染色體特點(diǎn)：閉環(huán)DNA，長(zhǎng)度約4.6Mb，集中分布在成為“擬核”（nucleoid）的區(qū)域內(nèi)，在正常生長(zhǎng)情況下DNA保持連續(xù)復(fù)制原核生物的染色體結(jié)構(gòu)大腸桿菌染色體：大腸桿菌染色體為閉環(huán)DNA，集中分布在稱為擬核(nucleoid)的區(qū)域內(nèi)。在正常生長(zhǎng)情況時(shí)，DNA保持持續(xù)復(fù)制。DNA結(jié)構(gòu)域：基因組由50-100個(gè)大環(huán)，或長(zhǎng)度為50-100kb的結(jié)構(gòu)域組成，與膜蛋白復(fù)合體(membrane-proteincomplex)結(jié)合而被固定?；蚪M超螺旋：基因組為負(fù)超螺旋，每個(gè)結(jié)構(gòu)域在拓?fù)鋵W(xué)上是獨(dú)立的，結(jié)果是各結(jié)構(gòu)域可保持不同水平的超螺旋。原核生物的染色體結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合蛋白：DNA結(jié)構(gòu)域被非特異性的DNA結(jié)合蛋白如HU和H-NS（類組蛋白，histone-likeprotein)纏繞，這些蛋白質(zhì)束縛著約半數(shù)的DNA超螺旋。一些其他的分子如宿主整合因子(integrationhostfactor)、RNA聚合酶及mRNA等均有助于類核的組構(gòu)。1.原核生物中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；2.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)。

3.原核生物的擬核部位是環(huán)狀的DNA分子，沒(méi)有蛋白質(zhì)，不能組成染色體（概念有爭(zhēng)議），而真核生物的細(xì)胞核中有DNA核蛋白質(zhì)組成的染色質(zhì)，在進(jìn)行分裂，可高度螺旋形成染色體。原核與真核染色體DNA比較

真核生物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)1.真核生物的基因組比原核生物大數(shù)千倍；2.有一定數(shù)目的染色體組成，每條染色體中的DNA分子為單一線性分子；3.所有DNA分子必須包裝在細(xì)胞核內(nèi)，導(dǎo)致細(xì)胞核內(nèi)的DNA濃度極高；4.高度有序的DNA－蛋白質(zhì)復(fù)合體——染色質(zhì)的形成完成了這一緊密組裝的目的；5.在染色質(zhì)中蛋白質(zhì)組分占染色質(zhì)質(zhì)量的50％以上，在細(xì)胞周期的不同時(shí)段中，染色質(zhì)具有不同的組構(gòu)水平。真核生物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)染色質(zhì)：真核生物染色體都包含一個(gè)很長(zhǎng)的線性DNA分子，并被組裝在細(xì)胞核(nucleus)內(nèi)。染色質(zhì)用來(lái)描述構(gòu)成真核生物染色體的高度有序的DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)被用來(lái)包裝和組構(gòu)染色體DNA，并能在細(xì)胞周期的不同階段調(diào)整壓縮DNA的水平。組蛋白：染色質(zhì)中的主要蛋白質(zhì)成分是組蛋白：一類分子質(zhì)量較小的、堿性（帶正電）二聚體蛋白，與DNA緊密結(jié)合。組蛋白有四個(gè)家族：H2A、H2B、H3和H4，以及另一類具有不同特性、特定功能的H1。不同物種具有不同的組蛋白變異體。真核生物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)組蛋白的氨基酸組成十分特殊，富含帶正電的氨基酸，賴氨酸（lysine）和精氨酸（arginine）。各種組蛋白中有超過(guò)20％的氨基酸殘基是賴氨酸和精氨酸。H2A，H2B，H3和H4是相對(duì)較小的蛋白質(zhì)，分子量一般為11～15KDa，組蛋白H1的分子量約為20KDa。組蛋白帶正電，它們能夠與DNA分子上帶負(fù)電的磷酸基團(tuán)通過(guò)靜電引力(electrostaticattraction)結(jié)合在一起。這種靜電引力顯然是穩(wěn)定染色質(zhì)最主要的因素。把不同來(lái)源的組蛋白混合在一起通常能夠?qū)崿F(xiàn)染色質(zhì)的重建。因?yàn)?，除了H1，來(lái)自不同有機(jī)體的組蛋白都十分相似。

真核生物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)核小體：核小體核心