染色體與dna基礎(chǔ)知識

1、第二講 染色體與DNA,一、 DNA的組成與結(jié)構(gòu)二、 DNA聚合酶與DNA的合成三、 DNA的生理意義及成分分析 四.  C-Value和Cot1/2五、 染色體結(jié)構(gòu)六、 染色體的組成 七.  原核與真核染色體DNA比較,,一、 DNA的組成與結(jié)構(gòu),Avery在1944年的研究報(bào)告中寫道：“當(dāng)溶液中酒精的體積達(dá)到9/10時(shí)，有纖維狀物質(zhì)析出。如稍加攪拌，它就會象棉線在線軸上一樣繞在硬棒上，溶液中的其它成份

2、則呈顆粒狀沉淀。溶解纖維狀物質(zhì)并重復(fù)數(shù)次，可提高其純度。這一物質(zhì)具有很強(qiáng)的生物學(xué)活性，初步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，它很可能就是DNA（誰能想到！）”。對DNA分子的物理化學(xué)研究導(dǎo)致了現(xiàn)代生物學(xué)翻天覆地的革命，這更是Avery所沒有想到。,DNA的一級結(jié)構(gòu): 就是指4種核苷酸的連接及其排列順序，表示了該DNA分子的化學(xué)構(gòu)成。,核苷酸序列對DNA高級結(jié)構(gòu)的形成有很大影響。 例如： B-DNA中多聚（G-C）區(qū)易出現(xiàn)左手螺旋

3、 DNA（Z-DNA）； 反向重復(fù)的DNA片段易出現(xiàn)發(fā)卡式結(jié)構(gòu)等 。,DNA不僅具有嚴(yán)格的化學(xué)組成，還具有特殊的高級結(jié)構(gòu)，它主要以有規(guī)則的雙螺旋形式存在，其基本特點(diǎn)是：,1、DNA分子是由兩條互相平行的脫氧核苷酸長鏈盤繞而成的。2、DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)。,,3、兩條鏈上的堿基通過氫鍵相結(jié)合，形成堿基對，它的組成有一定的規(guī)律。

4、 這就是嘌呤與嘧啶配對，而且腺嘌呤（A）只能與胸腺嘧啶（T）配對，鳥嘌呤（G）只能與胞嘧啶（C）配對。如一條鏈上某一堿基是C，另一條鏈上與它配對的堿基必定是G。堿基之間的這種一一對應(yīng)的關(guān)系叫堿基互補(bǔ)配對原則。 組成DNA分子的堿基雖然只有4種，它們的配對方式也只有A與T，C與G兩種，但是，由于堿基可以任何順序排列，構(gòu)成了DNA分子的多樣性。 例如，某DNA分子的一條多核苷酸鏈有100個(gè)不同的堿基組成，它們的可

5、能排列方式就是4100 。,The accuracy of translation relies on the specificity of base pairing. The actual rate in bacteria seems to be --10-8-10-10. This corresponds to -1 error per genome per 1000 bacterial replication cycles,

6、or -10-6 per gene per generation.,DNA polymerase might improve the specificity of complementary base selection at either (or both) of two stages:,It could scrutinize the incoming base for the proper complementarity w

7、ith the template base; for example, by specifically recongnizing matching chemical features. This would be a presynthetic error control.   Or it could scrutinize the base pair after the new base has been adde

8、d to the chain, and, in those cases in which a mistake has been made, remove the most recently added base. This would be a proofreading control.,含氮堿基,焦磷酸,鍵形成,二、 DNA聚合酶與DNA的合成,,,三、DNA的生理意義及成分分析,早在1928年英國科學(xué)家Griffith等人就發(fā)現(xiàn)肺炎

9、鏈球菌使小鼠殘廢的原因是引起肺炎。細(xì)菌的毒性（致病力）是由細(xì)胞表面莢膜中的多糖所決定的。具有光滑外表的S型肺炎鏈球菌因?yàn)閹в星v膜多糖而都能使小鼠發(fā)病，而具有粗糙外表的R型因?yàn)闆]有莢膜多糖而失去致病力（莢膜多糖能保護(hù)細(xì)菌免受運(yùn)動(dòng)白細(xì)胞攻擊）。,首先用實(shí)驗(yàn)證明基因就是DNA分子的是美國著名的微生物學(xué)家Avery。Avery等人將光滑型致病菌（S型）燒煮殺首先用實(shí)驗(yàn)證明基因就是DNA分子的是美國著名的微生物學(xué)家Avery。Avery等人將光滑

10、型致病菌（S型）燒煮殺滅活性以后再侵染小鼠，發(fā)現(xiàn)這些死細(xì)菌自然喪失了致病能力。再用活的粗糙型細(xì)菌（R型）來侵染小鼠，也不能使之發(fā)病，因?yàn)榇植谛图?xì)菌天然無致病力。當(dāng)他們將經(jīng)燒煮殺死的S型細(xì)菌和活的R型細(xì)菌混合再感染小鼠時(shí)，實(shí)驗(yàn)小鼠每次都死了。解剖死鼠，發(fā)現(xiàn)有大量活的S型（而不是R型）細(xì)菌。他們推測，死細(xì)菌中的某一成分棗轉(zhuǎn)化源（transforming principle）將無致病力的細(xì)菌轉(zhuǎn)化成病原細(xì)菌。,美國冷泉港卡內(nèi)基遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家

11、Hershey和他的學(xué)生Chase在1952年從事噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。噬菌體專門寄生在細(xì)菌體內(nèi)。它的頭、尾外部都有由蛋白質(zhì)組成的外殼，頭內(nèi)主要是DNA。噬菌體侵染細(xì)菌的過程可以分為以下5個(gè)步驟：①噬菌體用尾部的末端（基片、尾絲）吸附在細(xì)菌表面；②噬菌體通過尾軸把DNA全部注入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，噬菌體的蛋白質(zhì)外殼則留在細(xì)胞外面；③噬菌體的DNA一旦進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，它就能利用細(xì)菌的生命過程合成噬菌體自身的DNA和蛋白質(zhì)；④新合成的DNA和蛋白質(zhì)外

12、殼，能組裝成許許多多與親代完全相同的子噬菌體；⑤子代噬菌體由于細(xì)菌的解體而被釋放出來，再去侵染其他細(xì)菌。他們發(fā)現(xiàn)被感染的細(xì)菌中帶有70%的噬菌體DNA，但只帶有20%的噬菌體蛋白質(zhì)。子代噬菌體中帶有50%標(biāo)記的DNA，卻只有1%的標(biāo)記蛋白質(zhì)。,,The total amount of DNA in the haploid genome is a characteristic of each living species known as

13、 C-value.,Cot1/2  is the product of concentration and time required for 50% reassociation given in nucleotide-moles × second/liter.,,五、 染色體結(jié)構(gòu),DNA molecules are the largest macromolecules in the cell and are co

14、mmonly packaged into structures called “chromosomes”, most bacteria & viruses have a single chromosome where as Eukaryotic cells usually contain many.,任何一條染色體上都帶有許多基因，一條高等生物的染色體上可能帶有成千上萬個(gè)基因，一個(gè)細(xì)胞中的全部基因序列及其間隔序列統(tǒng)稱為genom

15、es（基因組）。 Genotype (基因型)： The genetic constitution of a given organism (指某個(gè)特定生物體細(xì)胞內(nèi)的全部遺傳物質(zhì))。Phenotype (表現(xiàn)型)： Visible property of any given organism (某個(gè)特定生物體中可觀察到的物理或生理現(xiàn)象)。Mutations（突變）： 染色體DNA中可遺傳的核苷酸序列變化。,端粒,端粒,著絲粒

16、,,六、 染色體的組成,1．染色質(zhì)和核小體 染色質(zhì)DNA的Tm值比自由DNA高，說明在染色質(zhì)中DNA極可能與蛋白質(zhì)分子相互作用；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）對染色質(zhì)DNA的消化遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于對純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。,核小體是由H2A、H2B、

17、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分子盤繞在外，而H1則在核小體的外面。每個(gè)核小體只有一個(gè)H1。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的長度約為68nm，卻被壓縮在10nm的核小體中。但是，人中期染色體中含3.3×109堿基對，其理論長度應(yīng)是180cm，這么長的DNA被包含在46個(gè)51μm長的圓柱體（染色體）中，其壓縮比約為104。,,

18、不同式樣,精細(xì)結(jié)構(gòu),2．染色體中的核酸組成 ⑴不重復(fù)序列 在單倍體基因組里，這些序列一般只有一個(gè)或幾個(gè)拷貝，它占DNA總量的40%－80%。不重復(fù)序列長約750－2000dp，相當(dāng)于一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的長度。單拷貝基因通過基因擴(kuò)增仍可合成大量的蛋白質(zhì)，如一個(gè)蠶絲心蛋白基因可作為模板合成104個(gè)絲心蛋白mRNA，每個(gè)mRNA可存活4d，共合成105個(gè)絲心蛋白，這樣，在幾天之內(nèi)，一個(gè)單拷貝絲心蛋白基因就可以合成109個(gè)絲心蛋白分子 。⑵中度重

19、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%。各種rRNA、tRNA 及組蛋白基因等都屬這一類。,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。,⑶高度重復(fù)序列——衛(wèi)星DN

20、A 這類DNA只在真核生物中發(fā)現(xiàn)，占基因組的10%—60%，由6—100個(gè)堿基組成，在DNA鏈上串聯(lián)重復(fù)幾百萬次。由于堿基的組成不同，在CsCl密度梯度離心中易與其他DNA分開，形成含量較大的主峰及高度重復(fù)序列小峰，后者又稱衛(wèi)星區(qū)帶（峰）。,高等真核生物DNA無論從結(jié)構(gòu)還是功能看都極為復(fù)雜，以小鼠為例： 1.小鼠總DNA的10％是小于10bp的高度重復(fù)序列，重復(fù)數(shù)十萬到上百萬次/genome。  2.總DNA的2

21、0％是重復(fù)數(shù)千次、長約數(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。,著絲粒（Centromere）：是細(xì)胞有絲分裂期間紡錘體蛋白質(zhì)與染色體的結(jié)合位點(diǎn)（attachment point），這種結(jié)合對于染色體對在子細(xì)胞中的有序和平均分配至關(guān)重要。在酵母中，centromere的功能單位長約130 bp，富含AT 堿基對。在高等真核細(xì)胞中，centromere都是由長約5

22、－10 bp、方向相同的高度重復(fù)序列所組成。 酵母端粒（Telomeres）一般以100 bp左右不精確重復(fù)序列所組成。,5’(TxGy)n3’(AxCy)n,其中X、Y一般為1－4，單細(xì)胞真核生物中n常為20－100，高等真核生物中>1500。,染色體末端的線性重復(fù)序列不能被DNA polymarase 所準(zhǔn)確復(fù)制，它們一般在DNA復(fù)制完成以后由telomarase合成后加到染色體末端。,Alu（家族DNA）（長約300bp

23、）是人類高度重復(fù)序列,因?yàn)樵撔蛄兄袔в蠥lu的識別序列而得名。 數(shù)十萬個(gè)Alu重復(fù)序列散布于整個(gè)人類基因組中， 達(dá)到總序列的1－3％。 Alu與其它高度重復(fù)序列共占人類DNA的10％以上。,3．染色體中的蛋白質(zhì),染色體上的蛋白質(zhì)包括組蛋白和非組蛋白。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/L NaCl或0.25mol/L的HCl/H2SO4處理使組蛋白與DNA分開。組蛋白分為H1、H2A、H2B、H3及

24、H4。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。,⑴組蛋白的一般特性1.進(jìn)化上的極端保守性。牛、豬、大鼠的H4氨基 酸序列完全相同。牛的H4序列與豌豆序列相比只有兩個(gè)氨基酸的差異（豌豆H4中的異亮氨基酸60→纈氨酸60，精氨酸77→賴氨酸77）。H3的保守性也很大，鯉魚與小牛胸腺的H3只差一個(gè)氨基酸，小牛胸腺與豌豆H3只差4個(gè)氨基酸。 2.無組織特異性。到目前為

25、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，精細(xì)胞染色體的組蛋白是魚精蛋白。,3.肽鏈上氨基酸分布的不對稱性。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。 4.組蛋白的修飾作用。包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。 5.富含賴氨酸的組蛋白H5。賴氨酸24%、丙氨酸 16%絲氨酸13%、精氨酸1

26、1%。 鳥類、兩棲類、魚類紅細(xì)胞分離的H5均有種的特異性。,⑵非組蛋白的一般特性 染色體上除了存在大約與DNA等量的組蛋白以外，還存在大量的非組蛋白。非組蛋白的多樣性。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。 非組蛋白的組織專一性和種屬專一性。,(3)幾類常見的非組蛋a.HMG蛋白（high mobility group protein）。這是一類能用低鹽

27、（0.35mol/L NaCl）溶液抽提、能溶于2%的三氯乙酸、相對分子質(zhì)量較低的非組蛋白，相對分子質(zhì)量都在3.0×104以下。b. DNA結(jié)合蛋白。用2mol/L NaCl除去全部組蛋白和70%非組蛋白后，還有一部分蛋白必須用2mol/L NaCl和5mol/L尿素才能與DNA解離。這些蛋白分子量較低，約占非組蛋白的20%，染色質(zhì)的8%。,,七. 原核與真核染色體DNA比較,原核生物中一般只有一條染色體且大都帶有單拷貝基因

28、，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)序列呈線性對應(yīng)狀態(tài)。,真核細(xì)胞（Eukaryotic cells）       果蠅帶有25倍于E. Coli 的DNA,人類帶有600倍于E. Coli 的DNA. Eukaryotic DNA 中基因密度明顯低于原核和病毒。