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第1页：第三章 染色体和基因 目录页

第三章 染色体和基因

• 1 染色体概述
• 2 原核生物的染色体及其基因
• 3 真核生物的染色体及基因

第2页：1染色体概述染色体的发现

1染色体概述染色体的发现

从19世纪中期到20世纪初，显微技术的发展使人们关于细胞结构尤其是细胞核的研究，有了长足的进展。

第3页：胡克显微镜

胡克显微镜

Robert Hooke

第4页：Chevalier 显微镜（1840）

Chevalier 显微镜（1840）

Charles Chevalier 1840

第5页：1842年

1842年

德国科学家C. von Nägeli首次注意到细胞核内的着色物质。

第6页：1879

1879

－1885年间，W. Flemming描述了细胞分裂过程中这些易被碱性染料着色的物质在细胞周期内的活动。

第7页：直到1888年

直到1888年

细胞生物学家Wilhelm Waldeyer才把光学显微镜下观察到的、真核细胞分裂时细胞核中呈棒状可染色的结构，正式命名为染色体（chromosome）。

第8页：19世纪60年代

19世纪60年代

奥地利植物学家格里戈尔·孟德尔已经通过植物杂交实验提出了“遗传因子”的概念，并发现了生物遗传的分离定律和自由组合定律。然而遗憾的是，这一划时代的发现，当时并没有引起人们的重视。

第9页：1900年

1900年

Hugo de Vries、Carl Correns和Erich Tschermak三位不同国籍的科学家各自独立地重新发现了Mendel 1866年发表的的研究成就—现代遗传学时代开始了。遗传学研究有力地推动了细胞学的进展。

第10页：1902年

1902年

T. Boveri和W. S. Sutton从细胞的成熟分裂与受精过程中发现孟德尔所说的遗传因子从亲代到子代的传递过程与细胞内染色体从亲代到子代的传递过程存在着平行现象，所以他们认为遗传因子（基因）可能存在于染色体上，从而为遗传学的染色体理论奠定了基础。

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第13页：1910年

1910年

美国著名的遗传学家Morgan和他的助手们从白眼突变的雄果蝇中发现性连锁现象，第一次将代表某一特定性状的基因同某一特定的染色体联系起来，证明了基因就是在染色体上，并提出了经典遗传学的连锁与互换定律。Morgan证实基因是遗传单元，在染色体上呈线状排列。Morgan的理论使科学界认识了染色体的重要性，并接受了孟德尔德遗传原理。

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第18页：染色体是遗传物质的主要载体

染色体是遗传物质的主要载体

亲代能够将自己的遗传物质以染色体的形式传给子代，保持了物种的稳定性和连续性。由于细胞内的DNA主要在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体。

第19页：染色体的组成

染色体的组成

染色体主要由DNA和蛋白质组成。同一物种内每条染色体所携带DNA的量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大。同一物种体细胞内染色体的数目恒定。组成染色体的蛋白质（组蛋白和非组蛋白）种类和含量也是十分稳定的。

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第22页：2原核生物的染色体及其基因

2原核生物的染色体及其基因

• 原核生物的遗传物质以裸露的核酸分子存在，虽与少量蛋白质结合，但不形成染色体结构。
• 原核生物一般只有一个染色体，即一个核酸分子（DNA或RNA）。大多数为双螺旋结构，少数以单链形式存在。这些核酸分子大多数为闭合环状，少数为线状。

第23页：大肠杆菌E. coli的染色体

大肠杆菌E. coli的染色体

• 大肠杆菌没有明显的核结构，但其DNA有一个相对集中的区域，在这一个小区域中形成类核（nucleoid）。
• 类核的DNA成分占80％，其余为RNA和蛋白质。用RNA酶或蛋白酶处理类核，可使之由致密变得松散。表明RNA和某些蛋白质分子起到稳定类核的作用。

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第27页：大肠杆菌染色体

大肠杆菌染色体

是由4.2×106碱基对组成的双链环状DNA分子，在DNA结合蛋白质的作用下压缩成一个手脚架形（scaffold）结构。

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第29页：大肠杆菌E. coli的基因

大肠杆菌E. coli的基因

大肠杆菌功能上相关的几个结构基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点即启动子（promotor）和操纵子（operator）在基因转录时协同作用。细菌基因表达调控的这样一个完整单元，称为操纵元（operon）。对基因表达过程实行原发调节控制，也是最有效的一种调节控制。

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第33页：大肠杆菌

大肠杆菌

编码蛋白质的基因通常以单拷贝的形式存在。RNA基因通常是多拷贝的。16S rRNA，23S rRNA和5S rRNA各有7个拷贝，以便在短时间内装配大量的核糖体。

第34页：大肠杆菌噬菌体φ×174染色体

大肠杆菌噬菌体φ×174染色体

• 大肠杆菌噬菌体φ×174染色体其DNA为单链环状，共有5386个核苷酸。其DNA序列于1977年由Sanger分析确定。
• φ×174共有11个基因。

第35页：大肠杆菌噬菌体φ×174基因

大肠杆菌噬菌体φ×174基因

• φ×174 的11个基因只转录成三个mRNA。
• φ×174 的DNA分子绝大部分用来编码蛋白质，不翻译的部分只占4％（217/5386）。
• φ×174基因排列上最显著的特点是有重叠基因和基因内基因。

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第37页：λ噬菌体染色体

λ噬菌体染色体

• λ噬菌体的双链DNA有两种形式，一种是带有切刻的环状分子，切刻部分通过粘性末端的互补碱基之间的氢键而连接。另一种形式是两个粘性末端相互分离，形成线性分子。
• λ噬菌体共有48,502碱基对，包装在由蛋白质组成的头部外壳之中。

第38页：λ噬菌体在大肠杆菌体内可

λ噬菌体在大肠杆菌体内可

以呈环形分子游离存在于细胞质中，也可以通过整合酶的作用而整合到寄主染色体上成为原噬菌体状态，并与寄主染色体一起复制。这种现象成为溶原化。

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第40页：3真核生物的染色体染色质和染色体

3真核生物的染色体染色质和染色体

染色质（chromatin）是指真核生物细胞核内细胞分裂间期能被碱性染料着色的物质，由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA所组成的复合物，是细胞分裂间期遗传物质的存在形式。

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第43页：染色体(chromosome)

染色体(chromosome)

是真核生物细胞分裂中期具有一定形态特征的高度浓缩的染色质，现在这一概念已扩大为包括原核生物及细胞器在内的基因载体的总称。

第44页：真核生物染色体的组成

真核生物染色体的组成

• 在真核生物的染色体中，DNA约占27％，组蛋白和非组蛋白占66％，RNA占6％。
• 一个染色体（单体）只含有一个DNA分子。
• 人类染色体平均有1.27 ×108碱基对,每个体细胞的细胞核内含有DNA 6.4 pg。

第45页：真核生物染色体的一般形态特征1 主缢痕

真核生物染色体的一般形态特征1 主缢痕

（primary constriction）和着丝粒（centromere ）细胞分裂中期的染色体上有一个相对不着色的缢缩部位，称为主缢痕。着丝粒是染色体上主缢痕处的染色质部分，是纺锤丝的附着部位。着丝粒使染色体在细胞分裂时表现出形态上的不连续性。着丝粒是一段高度重复的DNA序列，不能与组蛋白结合，却与其他蛋白质结合形成动粒（kinetochore）。

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第50页：根据着丝粒的位置，可以将染色体分

根据着丝粒的位置，可以将染色体分

为以下几种类型：中着丝粒染色体近中着丝粒染色体近端着丝粒染色体端着丝粒染色体

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第53页：2 次缢痕

2 次缢痕

（secondary constriction）和随体（satellite trabant）

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第56页：随体与次缢痕相连的圆形或椭圆形小体

随体与次缢痕相连的圆形或椭圆形小体

称为随体。随体通过随体柄连接到染色体短臂上。目前认为随体几乎全部是异染色质，不具有常染色质所具有的遗传活性。随体是识别染色体的重要特征之一。

第57页：3 染色粒（chromomere）

3 染色粒（chromomere）

• 在减数分裂的粗线期，沿染色体全长分布的具有恒定大小和一定位置的念珠状突起，称为染色粒。
• 目前对染色粒形成的解释是连续的DNA链的局部螺旋化所致。它可能相当于DNA的复制单位，RNA的合成和加工单位。

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第59页：4 端粒（telomere）

4 端粒（telomere）

• 端粒是染色体上增大的末端染色粒，是染色体的组成部分。
• 端粒能封闭正常染色体末端，具有端粒的染色体末端不能与其他断裂的染色体末端连接，维持了染色体结构的完整性。

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第61页：保证了染色体末端的完整复制

保证了染色体末端的完整复制

• 端粒使染色体具有极性（polarity），保证了染色体在细胞周期中的正常行为。
• 在维持细胞核的三维结构及染色体配对中起一定的作用。

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第67页：5 染色单体

5 染色单体

• 中期染色体由两条染色单体所组成，两者在着丝粒的部位相互结合。从遗传组成来说，两者的DNA和蛋白质是相同的，它是经过细胞分裂间期DNA和蛋白质复制而形成的。
• 在有丝分裂中期，两条染色单体通过着丝粒排列在赤道的两侧，有丝分裂后期两条染色单体分开，并向两极移动，并最终分布于两个子细胞中。

第68页：染色体功能实现的三要素

染色体功能实现的三要素

• 着丝粒在染色体有丝分裂和减数分裂过程中发挥重要的作用。
• 端粒封闭了染色体的末端并且维持了染色体的稳定性。
• 复制起点是DNA复制起始和染色体数目的维持所必需的。酵母的自主复制序列（autonomously replicating sequence，ARS）被认为是真正的复制起点。

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第70页：真核生物染色体的超微结构

真核生物染色体的超微结构

染色体包装的结构模型1 染色质结构的念珠模型核小体（nucleosome）是染色体包装的基本单位。Kornberg（1974）主张染色质是由一系列核小体相互连接而成的念珠状结构。核小体是由200 bp DNA双螺旋与一个组蛋白八聚体和一个分子的组蛋白H1所组成。

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第74页：一般真核生物染色体上共有5种组蛋白

一般真核生物染色体上共有5种组蛋白

H1、H2A、H2B、H3和H4。后4种组蛋白分子根据配对的亲和力差异，组成了扁圆柱形八聚体核心，直径2 nm的DNA分子在八聚体的外面缠绕1.75圈。组蛋白H1与特定的DNA构象的结合，封住了核小体的出口和入口。念珠模型是染色质的一级结构，不仅得到了电镜工作的支持，还得到了生化工作的支持。

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第77页：2 染色体包装

2 染色体包装

的螺线体模型（solenoid model）J. T. Finch（1976）等提出螺线体由核小体链呈螺旋形旋绕而成，其直径为30 nm，呈中空的管状结构。螺线体的每一周螺旋包括6个核小体。螺线体是染色质的二级结构。

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第79页：3 染色体包装的支架环

3 染色体包装的支架环

（scafold loop）模型

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第85页：常染色质和异染色质

常染色质和异染色质

• 常染色质是指细胞分裂间期染色质丝折叠盘曲程度较小，进行细胞染色时染色较淡，随着细胞分裂的进行，这些染色质区段由于逐步的螺旋化，从而染色逐渐加深，这样的染色质区称为常染色质。
• 在遗传功能上，常染色质含有结构基因，而且具有较强的转录活性，其结构基因按孟德尔方式遗传。

第86页：异染色质在细胞分裂

异染色质在细胞分裂

的间期就折叠盘曲的非常紧密，因而染色较深，也称作染色中心（chromocenter）。随着细胞分裂的进行，其折叠盘曲程度没有太大的变化，这部分染色质区段称为异染色质。如着丝粒、染色体末端部分以及核仁组织区等部位的染色质。

第87页：真核生物染色体上DNA序列

真核生物染色体上DNA序列

的类型根据DNA复性动力学的研究，真核生物染色体上的DNA序列可以分为四种类型：1 单一序列（非重复序列）在一个基因组中只有一个拷贝。原核生物的基因大都是不重复序列，而真核生物的大多数的结构基因在单倍体中都是单拷贝的。单拷贝基因通过基因扩增等放大作用仍可以获得大量的蛋白质。

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第89页：2 轻度重复序列

2 轻度重复序列

在一个基因组内有2－10个拷贝。在某些情况下，这些序列并非一点不差地重复，这些基因的产物在氨基酸组成上略有差异。例如胚胎、胎儿和成人的血红蛋白β链的一系列基因就是如此。

第90页：3 中度重复序列

3 中度重复序列

在基因组中一般有10～几百个拷贝。中度重复序列一般是不编码的序列。一般认为在基因的调控中起重要的作用，包括开启或关闭基因的活性，DNA复制的起始、促进或终止转录以及转录产物的处理等。最典型的例子就是Alu序列家族。Alu家族序列成员众多，约有300,000个，广泛散布于非重复序列之间。

第91页：4 高度重复序列（卫星DNA序列）这类DNA

4 高度重复序列（卫星DNA序列）这类DNA序列只在真核生物中发现

占基因组的10％～60％。由6～100个碱基组成，在DNA链上串联重复几百万次。卫星DNA大多位于染色体的着丝粒部分，是异染色质的组成部分。卫星DNA是不转录的，可能与染色体的稳定性有关。

第92页：4真核生物的基因断裂基因或不连续基因

4真核生物的基因断裂基因或不连续基因

（interrupted/discontinuous genes）1977年，Broker和Sharp等人发现了断裂基因。现在已经知道绝大多数真核生物的基因都是断裂基因。断裂基因是通过mRNA与DNA杂交试验而发现的。所谓断裂基因就是基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，为不编码的序列所隔开。编码的序列称为外显子（exon），不编码的序列称为内含子（intron）。

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第94页：Kaine（1983）

Kaine（1983）

和Chu（1984）相继在原核生物中发现了内含子，特别是Chu对于大肠杆菌噬菌体T4胸腺嘧啶核苷酸合成酶基因中1018核苷酸内含子的研究，颠覆了内含子是真核生物“真质标记”之说。断裂基因广泛存在于各种不同的生物中。

第95页：真核生物中有些基因

真核生物中有些基因

也是没有内含子的。如组蛋白的基因、干扰素的基因等。它们大多以基因簇的形式出现。

第96页：含有内含子的基因首先转录成原初转录物

含有内含子的基因首先转录成原初转录物

（primary transcript）。这样的前体mRNA不能翻译蛋白质，前体rRNA或tRNA也不能执行其功能。将原初转录物中相应于DNA内含子的介入序列去除以后，将外显子序列连接起来，才能产生有功能的mRNA、rRNA、tRNA，这个过程称为RNA的拼接（RNA splicing）。

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第99页：基因家族与基因簇

基因家族与基因簇

真核生物的基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样的一组基因称为基因家族（gene family）。例如在动物早期胚胎发育过程中起重要作用的Hox基因家族、决定脊椎动物肌肉发生作用的MyoD基因家族。

第100页：基因家族各成员之间相似程度

基因家族各成员之间相似程度

以及组织方式不同。大部分有功能的基因家族成员之间相似程度很高。但也有些家族成员间的差异很大，甚至还有无功能的假基因（pseudogene），如珠蛋白基因家族。

第101页：基因家族的各成员紧密成簇排列成大段

基因家族的各成员紧密成簇排列成大段

的串联重复单位，定位于染色体的特殊区域，称为基因簇（gene cluster）。它们是同一个祖先基因扩增的结果。也有一些基因簇在染色体上的排列并不是十分紧密，中间也会包含一些无关的序列。

第102页：总体来说，基因簇各成员分布在染色体上相

总体来说，基因簇各成员分布在染色体上相

对集中的区域。基因簇内部也包含没有生物功能的假基因。基因簇内各序列间的同源性大于基因簇间的序列同源性。

第103页：细胞器基因

细胞器基因

真核生物细胞器中有两类细胞器能携带遗传物质，即线粒体和叶绿体。线粒体和叶绿体DNA可编码自身所需的部分蛋白质及tRNA和rRNA。细胞器基因组只编码其中的一部分蛋白质，其余所需的蛋白质和酶均由核基因编码。但线粒体和叶绿体基因表达所需要的RNA均由自身提供。

第104页：线粒体有自己的蛋白质合成体系

线粒体有自己的蛋白质合成体系

其中rRNA和tRNA均由线粒体自身编码合成。但其RNA聚合酶、氨酰－tRNA合成酶和核糖体蛋白均由核基因编码。线粒体其他蛋白质的合成也常常由核基因组合线粒体基因组共同参与。

第105页：大多数细胞器DNA

大多数细胞器DNA

是闭合环状的。通常在一个细胞中有许多细胞器，每一个细胞器中有其基因组的许多拷贝。

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