DNA超螺旋、基因組、染色體.ppt

1、2-1 DNA超螺旋與拓?fù)洚悩?gòu)現(xiàn)象,第二章 DNA、染色體與基因組,Superhelix of SV40 DNA (Vinograd, 1965),一、 DNA超螺旋（superhelix or supercoil）,DNA超螺旋結(jié)構(gòu),Linear DNA. L,Open Circle DNA OC relexed form,Supercoiled circle(高級結(jié)構(gòu)) Covalent Closed Circle CCC,指雙螺旋環(huán)狀分子再度螺旋化即成為超螺旋結(jié)構(gòu)。,超 螺 旋 形 成 示 意,末端固定的線型雙螺旋,額外的張力不能釋放 雙螺旋以扭曲方式緩 解應(yīng)力，形成超螺旋,二、 DNA

2、超螺旋的方向性,松弛（relaxed）狀態(tài)： DNA在水溶液中, 構(gòu)型偏B型狀態(tài)。DNA以10.5 bp/helix為最穩(wěn)定構(gòu)型。,正超螺旋：小于10.5bp/helix，則其二級結(jié)構(gòu)處于緊縮狀態(tài)，由此產(chǎn)生的超螺旋為正超螺旋。,負(fù)超螺旋：大于10.5bp/helix，則其二級結(jié)構(gòu)處于松纏狀態(tài)，由此產(chǎn)生的超螺旋為負(fù)超螺旋。,由此可見，超螺旋總是要向著抵消初級螺旋改變的方向發(fā)展；雙螺旋DNA的松開導(dǎo)致形成負(fù)超螺旋；而DNA的擰緊，則導(dǎo)致形成正超螺旋；所有的超螺旋都比松弛型含有更多的自由能。,拓?fù)鋵W(xué)(topology)是研究幾何圖形在平面位置關(guān)系不變情況下空間結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)分支。,三、DNA超螺

3、旋拓?fù)鋵W(xué)定義,實(shí)驗證明，細(xì)胞內(nèi)的DNA存在拓?fù)洚悩?gòu)現(xiàn)象(topoisome)，即在保持DNA一級和二級結(jié)構(gòu)不變的情況下，兩條單鏈可以相互纏繞，形成不同的空間構(gòu)型。,超螺旋發(fā)生的規(guī)律,Vinograd. J (1968),Vinograd equation,L Linking number ( 雙鏈DNA的交叉數(shù)),T Twisting number (雙鏈DNA的纏繞數(shù)，初級螺旋圈數(shù)，即DNA分子中的Watson-Crick螺旋周數(shù)，其數(shù)值可直接在處于最穩(wěn)定狀態(tài)下的雙鏈環(huán)形（或超螺旋形式）DNA中的實(shí)際螺旋周數(shù)計數(shù)得到，不一定是整數(shù)),W Writhing number (直觀上為雙螺旋數(shù),

4、可為小數(shù)),Non-breaking Non-unwinding Non-overwinding,L為定值，整數(shù),l B-DNA是力學(xué)上穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)（ 10 bp/ helix）,l 雖交叉數(shù)減少，但需轉(zhuǎn)換為一種應(yīng)力，以維持10bp/helix的螺旋數(shù)，,l 應(yīng)力的重新分配 或在B-DNA狀態(tài)中保留一單鏈區(qū),或螺旋力將維持B-DNA的右旋結(jié)構(gòu), 形成超螺旋,420bp,L=42 T=42 W=0,無應(yīng)力松弛狀態(tài),應(yīng)力的分配,L = 36 T = 36 W = 0,L = 36 T = 42 W = -6,松開6圈螺旋 L = 6,2比連系差（Specific linking difference

5、）, =,=,能夠根據(jù)DNA分子Lk的改變描述螺旋不足（超螺旋），也叫超螺旋密度（superhelix density）。,DNA分子形成超螺旋的生物學(xué)意義： 1 超螺旋DNA具有更緊密地形狀，因此在DNA組裝中具有重要作用； 2 DNA的結(jié)構(gòu)具有動態(tài)性，DNA超螺旋程度的改變介導(dǎo)了這種結(jié)構(gòu)的變化，這有利于其功能的發(fā)揮。 3 DNA是一種熱力學(xué)上的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，超螺旋的引入提高了他的能量水平。,拓?fù)洚悩?gòu)體(topoisomer)：具有不同連接數(shù)的同一種DNA分子稱為DNA拓?fù)洚悩?gòu)體。,四、DNA拓?fù)洚悩?gòu)體與拓?fù)洚悩?gòu)酶,拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase) 作用方式： 拓?fù)洚悩?gòu)酶與DNA共價結(jié)合

6、形成中間體，使磷酸二酯鏈暫時斷裂形成切口，DNA分子的一條單鏈或雙螺旋穿越另一條單鏈或雙螺旋，改變其拓?fù)錉顟B(tài)，但一級和二級結(jié)構(gòu)并無變化。,即在保持DNA一級和二級結(jié)構(gòu)不變的情況下，兩條單鏈可以相互纏繞，形成不同的空間構(gòu)型。,拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase) 細(xì)胞內(nèi)存在著一類能催化DNA拓?fù)洚悩?gòu)體相互轉(zhuǎn)化的酶，稱為拓?fù)洚悩?gòu)酶?；蛘哒f，能改變DNA拓?fù)渎?lián)系數(shù)的酶就叫拓?fù)洚悩?gòu)酶。,型酶在兩條單鏈上都產(chǎn)生切口，每次作用使連接數(shù)改變2。在型酶的作用是增加負(fù)超螺旋數(shù)，或減少正超螺旋數(shù)，在真核生物中還有減少負(fù)超螺旋的作用。,拓?fù)洚悩?gòu)酶分為型和型兩類。,拓?fù)洚悩?gòu)酶的生物學(xué)功能 消除DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等過

7、程產(chǎn)生的正負(fù)超螺旋。在細(xì)胞中，型酶與型酶的活性保持一種平衡狀態(tài)，型酶使DNA超螺旋化的作用為型酶使DNA松馳化的作用所抗衡，從而使DNA保持適當(dāng)?shù)某菪芏取?型酶在DNA的一條單鏈上產(chǎn)生切口，使另一條單鏈得以穿越，每作用一次使DNA連接數(shù)改變1；原核生物中，型酶只作用于負(fù)超螺旋DNA，減少負(fù)超螺旋數(shù)，使其松弛；在真核生物中，型酶還可以作用于正超螺旋DNA，減少正超螺旋數(shù)。,Top I (swivelase, niking-closing enzyme),Breakage & rejoining of S.S. DNA at phospho-diester bonds,每次L of +1（在酶

8、的作用下，DNA單鏈斷裂）,松弛B-雙螺旋,消除負(fù)超螺旋,CCC OC only No ATP, NAD,圖3.30 型拓?fù)洚悩?gòu)酶作用機(jī)理,Function Mechanism of Topoisomerase I,Top II (gyrase) ATP needed,Cutting & ligation of D. S. DNA,tetramer,Function Mechanism of Topoisomerase II,2-2 基因和基因組,一、基因、基因組的概念 二、基因組的大小與C值矛盾 三、基因組的復(fù)性動力學(xué) 四、重復(fù)序列 五、真核與原核生物基因組比較,指DNA分子所攜帶遺傳信息總

9、和，即指一個細(xì)胞所有基因和基因間DNA的總和，稱基因組。遺傳學(xué)定義為：一個物種的單倍體的染色體的數(shù)目為該物種的基因組。,在真核生物中，每種生物的單倍體基因組的DNA總量是恒定的，稱之為C值。,一、基因、基因組的概念,產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列，在遺傳學(xué)上也稱順反子（cistron）。,(二)基因組,(三)C值,一個單倍體基因組中DNA的總量,(一)基因,C value paradox of nucleotide,A 生物體進(jìn)化程度高低與C值的相關(guān)性不強(qiáng),B 親緣關(guān)系相近的生物C值相差較大,低等生物單倍體基因組DNA的含量與生物復(fù)雜性呈正相關(guān)，但高等生物這種關(guān)系并不一致。,

10、真核生物 DNA 染色體數(shù) （2C） （2N） 兩棲鯢 168.0 pg 24 肺魚 100 38 蠑螈 85.3 24 警蛙 28.2 24 牛 6.4 60 人 6.4 46 綿羊 5.7 54 果蠅 0.2 8 貝母 196.7 24 豌豆 28 12 玉米 11 20,原核生物 DNA （C） Salmonella 0.0143 pg (沙門氏菌) E.coli 0.0040 T2 0.00022 0.0000055 174 0.000005,這種形態(tài)學(xué)的復(fù)雜程度與C值大小的不一致稱為C值矛盾。,三、基因組的復(fù)性動力學(xué),Hydroxyapatite column 羥基磷灰石柱,Low

11、C of P,High C of P,release D.S. DNA,absorb D.S. DNA,復(fù)性發(fā)生的過程的討論,dCt / dt = -KC2,反應(yīng)初始 t = 0,單鏈DNA的隨機(jī)碰撞 過程（ randomly collision ）（二級反應(yīng)動力學(xué)）,單鏈 DNA濃度 = C0,反應(yīng)達(dá) t 時,單鏈DNA濃度 = Ct,兩條部分同源(小于20dNt)的S.S. DNA, 在復(fù)性過程中形成的部分雙鏈區(qū)是不穩(wěn)定的,dCt / dt = -KCt2 積分,Ct / C0 = 1 / 1+KC0t,當(dāng) Ct / C0 = 1/2 時,Ct / C0 = 1/2 = 1 / 1+ KC

12、0t(1/2),K = 1 / Cot(1/2),Cot(1/2) = 1/K (mol. Sec / L),任一DNA分子達(dá)到 Ct / C0 = 的速率是定值,0,1,0,1,C0t(1/2) C0t(1/2),Fraction reassociated,在控制反應(yīng)條件相同的前提下, 兩種DNA分子的C0t(1/2)值,取決于dNt 的排列復(fù)雜性 。,AAAAAAAA K. C. = 1 C0t(1/2) = 210-6,ATCGATCGATCG K.C. = 4 K.C. = 5 105 C0t(1/2) = 1,( 復(fù)性動力學(xué)的復(fù)雜性，Kinetic complexity，K.C ),

13、Eukaryotic genomes have several sequence components,變性程度 部分變性的DNA可直接通過拉鏈作用迅速復(fù)性，而完全變性的DNA一般需要幾個小時才能復(fù)性。,除溫度、離子強(qiáng)度、pH等變性條件外，影響復(fù)性的因素有：,DNA的濃度 濃度越大有效碰撞的頻率越高。,DNA分子大小 越小的分子復(fù)性越快。,DNA復(fù)雜性(complexity) 指最長的沒有重復(fù)序列的核苷酸對數(shù)之和。,ATATATATATAT的復(fù)雜性為2； ATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGC的復(fù)雜性為4； ATGCATGCCTCAGTATGCATGCATGC的復(fù)雜性

14、為10； ATGCTGACGTAGCA的復(fù)雜性為14。,序列復(fù)雜的DNA更容易發(fā)生非對應(yīng)配對，所以復(fù)雜性越高的DNA復(fù)性越困難。,3.高度重復(fù)序列（Highly repetitive sequence）,四、重復(fù)序列,單一序列（Unique sequence）,主要是蛋白質(zhì)編碼基因。,2.中度重復(fù)序列（Moderately repetitive sequence）,包括rRNA、tRNA、組蛋白的編碼基因。研究較多的是Alu家族。,長度不到10bp，多是串聯(lián)集中分布，一般不轉(zhuǎn)錄。有些AT含量很高的高度重復(fù)序列，在離心時常會在主要的DNA帶的上面有一個次要的DNA帶相伴隨，這就是所謂的“衛(wèi)星DN

15、A”,著絲點(diǎn)（centromere）功能必需的DNA序列約130bp長，并富含A=T堿基對；在著絲點(diǎn)附近，還有高度重復(fù)的衛(wèi)星DNA。 端粒（telomere）順序長約100bp，起到穩(wěn)定染色體的作用。是由： 5(Tx Gy)n x約為14 3(Ax Cy)n y約為18,反向重復(fù)序列（Inverted repetitive sequence）,又稱回文序列（Palindrome）,易形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，在DNA雙鏈中可能形成十字形結(jié)構(gòu)。 CATGAACGTCCTATTGTCGGACGTTCTGA GTACTTGCAGGATAACAGCCTGCAAGACT,基因家族：真核生物基因組中有許多來源相同、結(jié)

16、構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因，這樣一組基因稱為基因家族。,（4）有些可以編碼蛋白質(zhì)，在某些基因的轉(zhuǎn)錄中作為調(diào)控成分。,五. 斷裂基因（split gene）,也叫不連續(xù)基因，指在真核生物中，大多數(shù)編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)的，即基因的編碼序列之間插入了不編碼的序列，稱為斷裂基因。,內(nèi)含子的意義：,（1）可能是遺傳的殘留物。,（2）Walter Gilbert假說：是使蛋白質(zhì)進(jìn)化過程的殘跡。,（3）可以保護(hù)基因家族中基因的完整性。,五、真核與原核生物基因組比較（ P78 ）,作為總結(jié)性的問題，課后總結(jié)。同時掌握 斷裂基因、假基因、內(nèi)含子、外顯子的概念。,2-3染色體,2-3染色體,一、組成,1. 核小體

17、（nucleosome）：染色質(zhì)是由重復(fù)單位構(gòu)成的，每個重復(fù)單位由約200bp的DNA和H2A、H2B、H3、H4各兩分子組成，這個重復(fù)單位叫核小體。,2. 組蛋白（histone） 五種： H1、H2A、H2B、H3、H4。呈堿性。 除了H1以外，其余四種有相互作用形成聚合體的趨勢。它們通過C端的疏水氨基酸相互結(jié)合，而N端的堿性氨基酸則向四面伸出以便與DNA分子相互作用。,3.構(gòu)成： 每個核小體含8個組蛋白；200bp DNA中，146bp 緊緊纏繞著組蛋白，其余用于連接兩個核小體，稱為連接DNA（linker DNA）。H1通常和連接DNA相結(jié)合，把核小體“封鎖”起來。,4. 核小體包裝的

18、高級形式,（1）核小體（壓縮比為7，200bp長為68nm，壓縮后為10nm ） （2）30nm的核小體纖維（30nm fiber，壓縮比為40）。（3）染色體DNA的某一部分和“核骨架”（nuclear scaffold）相連，把染色體DNA隔成許多含20000至100000堿基對的DNA環(huán)。 （4）約6個環(huán)與核骨架形成一個梅花結(jié)，每30個梅花結(jié)形成一盤。一條染色單體大約有10盤。,4. 核小體包裝的高級形式,染色體模型基于的原理： 真核染色體DNA包裝好象是一次纏繞再接一次更高級的纏繞。即在螺旋上形成螺旋，再形成螺旋。,名詞解釋 DNA的拓?fù)洚悩?gòu)體，DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶，基因，基因組，C值，C值悖理，衛(wèi)星DNA，基因家族，斷裂基因，內(nèi)含子，外顯子，假基因，核小體 判斷： 1.DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶能夠切開DNA的1條鏈，而DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶能同時切開DNA的2條鏈，但都可以使DNA產(chǎn)生正向超螺旋。 2.人是最高等生物，其基因