02 遗传的物质基础.ppt

第1页：第二章染色体与DNA章节目录

第二章 遗传的物质基础—染色体与DNA

• 一、基因（组）与遗传
• 二、遗传物质染色体与DNA的区别与联系
• 三、DNA的组成与结构
• 四、原核与真核染色体DNA比较

第2页：基因的概念与分子生物学定义

基因（gene）：一、基因（组）与遗传——基因的分子生物学概念与基因的遗传学概念。

第3页：基因概念的六个发展阶段

从遗传学史的角度看，基因概念大致分以下几个阶段：

• 泛基因（或者称前基因）阶段
• 孟德尔的遗传因子阶段
• 摩尔根的基因阶段
• 顺反子阶段
• 操纵子阶段
• 现代基因阶段

第4页：现代基因阶段的基因定义

现代基因阶段——重新认识基因的阶段

• 基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。
• 对于编码蛋白质的结构基因来说，基因是决定一条多肽链的DNA片段。

第5页：基因按转录翻译功能分三类

根据其是否具有转录和翻译功能可以把基因分为三类：

• 第一类是编码蛋白质的基因，具有转录和翻译功能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节基因。
• 第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因。
• 第三类是不转录的基因，对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因。

第6页：基因组的概念与功能分区

基因组（genome）

细胞内遗传信息的携带者DNA的总体。

基因组中不同的区域具有不同的功能：

• 有些区域编码蛋白质的结构基因
• 有些区域为复制及转录的调控信号
• 有些区域的功能尚不清楚

第7页：基因组结构的定义

基因组的结构：不同的功能区域（DNA fragment）在整个DNA分子中的分布情况。

第8页：基因组结构示意

基因组结构图示：展示编码区、调控区等不同功能片段在DNA分子上的分布与相对位置。

第9页：基因组结构示意（续）

基因组结构图示（续）：进一步展示不同功能区域在DNA分子上的排列与间隔关系。

第10页：不同生物体中DNA的大小

不同生物体中DNA的大小：不同生物基因组的DNA总量差异显著，总体上高等生物的DNA含量高于低等生物，但也存在例外。

第11页：染色体的化学组成

2.1 染色体（Chromosome）：染色体与染色质的化学组成如下表。

本节起进入二、遗传物质染色体与DNA的区别与联系。

第12页：染色体组成与组蛋白特性目录

• 2.1.1 染色体的特点
• 2.1.2 真核生物（eukaryote）染色体的组成
• 2.1.2.1 蛋白质——组蛋白和非组蛋白
• 1）组蛋白的一般特性

第13页：组蛋白进化上的保守性

进化上的保守性：不同生物的组蛋白氨基酸组成十分相似。牛、猪、大鼠的H4氨基酸完全相同；牛和豌豆的H4序列只有2个氨基酸差异；鲤鱼和小牛胸腺的H3只差1个氨基酸。保守程度依次为H1→H2A、H2B→H3、H4。组蛋白无组织特异性，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞不含H1而含H5，精细胞组蛋白为鱼精蛋白是例外。

第14页：组蛋白肽链分布与可修饰性

• 肽链氨基酸分布的不对称性：碱性氨基酸分布在N端的半条链上，如N端静电荷为16+，C端仅3+；碱性半条链与DNA负电荷区结合，另半条链与其他蛋白结合。
• 组蛋白的可修饰性：在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。
• H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%），与H1无明显亲缘关系。

第15页：非组蛋白的一般特性

2）非组蛋白的一般特性

• 多样性：有30~600种，常见15~20种；分子质量1.5×10⁴~1.8×10⁵；包括酶类、收缩大蛋白、骨架蛋白、核孔复合物蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。DNA结合蛋白为与DNA复制和转录有关的酶；HMG蛋白系与DNA超螺旋有关的蛋白；A24非组蛋白与组蛋白相似，功能不详。
• 组织特异性：同一个体不同组织基因表达的差异与非组蛋白的特异性有关。
• 种属特异性：不同物种组蛋白存在保守性，而非组蛋白差异很大，反映物种的多样性。

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第17页：核酸的理化特性与DNA变性

DNA是染色体的核心部分，DNA和RNA统称核酸。核酸的理化特性包括：稳定性、酸效应、碱效应、化学变性、热变性、紫外线吸收性、减色性、复性、黏性、浮力梯度等。

变性（Denaturation）

DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程。

增色效应（Hyperchromatic effect）

变性过程中260nm紫外线吸收值先缓慢上升，达到某一温度时骤然上升。

融解温度（Melting temperature，Tm）

变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度，生理条件下为85~95℃；影响因素有G+C含量、pH值、离子强度、尿素、甲酰胺等。

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第19页：DNA复性与Cot曲线

复性（Renaturation）

热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链；复性出现减色效应（Hypochromatic effect）。复性的速率与DNA的浓度和序列的复杂性有关。

Cot_1/2

变性和复性是可逆的。以Co代表完全变性的DNA单链的起始浓度，dC/dt = kCo²，积分后C/Co = 1/(1+kCot)，k为复性速度常数。以C/Co对Cot作图得Cot曲线；当C/Co = 0.5时，Cot值称为Cot_1/2，与k的关系为k = 1/Cot_1/2。

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第21页：C值反常现象

C值反常现象（C-value paradox）

C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。高等生物一般C值高于低等生物，但有例外（如两栖类比哺乳类高），即C值反常现象；真核生物含有大量重复DNA是其原因之一。

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第23页：重复序列与分子杂交讲授要点

• 3）单一序列和低度重复序列
• 4）中度重复序列
• 5）高度重复序列
• 6）反向重复序列
• 7）核酸的分子杂交

Some DNA does not encode protein. A gene is made of DNA（Avery）。

第24页：不重复序列与中度重复序列

• ⑴不重复序列：在单倍体基因组里一般只有一个或几个拷贝，占DNA总量的40%~80%，长约750~2000 bp，相当于一个结构基因的长度。单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量蛋白质，如一个蚕丝心蛋白基因可作为模板合成10⁴个丝心蛋白mRNA，每个mRNA可存活4 d，共合成10⁵个丝心蛋白，几天之内一个单拷贝基因即可合成10⁹个丝心蛋白分子。
• ⑵中度重复序列：重复次数在10~10000之间，占总DNA的10%~40%，各种rRNA、tRNA及组蛋白基因等都属这一类。

第25页：非洲爪蟾rRNA基因的串联重复

非洲爪蟾的18S、5.8S及28S rRNA基因是连在一起的，中间隔着不转录的间隔区，这些单位在DNA链上串联重复约5000次。在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次不同比例的复制，产生2×10⁶个拷贝，使rDNA占卵细胞DNA的75%，从而使该细胞能积累10¹²个核糖体。

第26页：高度重复序列与卫星DNA

⑶高度重复序列——卫星DNA：这类DNA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。由于碱基组成不同，在CsCl密度梯度离心中易与其他DNA分开，形成含量较大的主峰及高度重复序列小峰，后者又称卫星区带（峰）。

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第28页：小鼠基因组的序列组成

高等真核生物DNA无论从结构还是功能看都极为复杂，以小鼠为例：

第29页：着丝粒与端粒的结构

• 着丝粒（Centromere）：细胞有丝分裂期间纺锤体蛋白质与染色体的结合位点，这种结合对于染色体在子细胞中有序和平均分配至关重要。酵母中centromere的功能单位长约130 bp，富含AT碱基对；高等真核细胞中centromere由长约5~10 bp、方向相同的高度重复序列组成。
• 酵母端粒（Telomeres）一般以100 bp左右不精确重复序列所组成。

第30页：端粒序列与Alu家族

端粒序列通式为 5'(T_xG_y)_n3' / (A_xC_y)_n，其中X、Y一般为1~4；单细胞真核生物中n常为20~100，高等真核生物中n>1500。染色体末端的线性重复序列不能被DNA polymerase准确复制，一般在DNA复制完成以后由telomerase（端粒酶）合成后加到染色体末端，称为端粒。

Alu家族DNA（长约300 bp）是人类高度重复序列，因该序列中带有Alu的识别序列而得名；数十万个Alu重复序列散布于整个人类基因组中，达到总序列的1%~3%，Alu与其他高度重复序列共占人类DNA的10%以上。

第31页：染色质与核小体

染色质（chromatin）和核小体（nucleosome）：人类基因组约含30亿核苷酸对，组成23对染色体；若完全伸展，每条染色体的DNA长1.7~8.5 cm，难以容纳于细胞中。染色质即DNA与组蛋白形成的复合物，其基本包装单位是核小体：每个核小体直径约11 nm，DNA双螺旋缠绕在由8个组蛋白分子构成的八聚体核心上，另一个组蛋白（H1）将DNA固定在核小体核心上，复合物总质量约100 000道尔顿。核小体在H1协助下进一步包装成30 nm纤维。

第32页：染色质包装的串珠模型

串珠模型：DNA与组蛋白逐级包装，人类总DNA长度约180 cm。

第33页：非组蛋白在高级结构中的作用

串珠模型中，非组蛋白在稳定高级结构方面起作用，可能是骨架蛋白，构成30 nm纤维的基质。

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第37页：Avery的DNA鉴定实验

三、DNA的组成与结构。Avery在1944年的研究报告中写道：“当溶液中酒精的体积达到9/10时，有纤维状物质析出。如稍加搅拌，它就会象棉线在线轴上一样绕在硬棒上，溶液中的其它成份则呈颗粒状沉淀。溶解纤维状物质并重复数次，可提高其纯度。这一物质具有很强的生物学活性，初步实验证实，它很可能就是DNA（谁能想到！）”。对DNA分子的物理化学研究导致了现代生物学翻天覆地的革命。

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第41页：DNA的一级结构

DNA的一级结构

指4种核苷酸的连接及其排列顺序，表示该DNA分子的化学构成。

核苷酸序列对DNA高级结构的形成有很大影响。例如：B-DNA中多聚（G-C）区易出现左手螺旋DNA（Z-DNA）；反向重复的DNA片段易出现发卡式结构等。

第42页：DNA双螺旋的基本特点

DNA不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的高级结构，主要以有规则的双螺旋形式存在，其基本特点是：

• 1、DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。
• 2、DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。

第43页：碱基互补配对原则

• 3、两条链上的碱基通过氢键相结合形成碱基对，其组成有一定规律：嘌呤与嘧啶配对，腺嘌呤（A）只能与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）只能与胞嘧啶（C）配对，这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则。

组成DNA分子的碱基虽然只有4种，配对方式只有A-T、C-G两种，但由于碱基可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。例如某DNA分子的一条多核苷酸链有100个不同的碱基组成，其可能排列方式就是4¹⁰⁰。

第44页：含氮碱基与焦磷酸键形成

含氮碱基与焦磷酸键形成：核苷酸聚合时，脱氧核苷三磷酸脱去焦磷酸形成磷酸二酯键，从而连接成多核苷酸链。

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第48页：原核生物染色体DNA的特点

四、原核与真核染色体DNA比较

• 原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因（如rRNA基因）以多拷贝形式存在。
• 整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成。
• 几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。

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第50页：真核细胞DNA的含量与基因密度

真核细胞（Eukaryotic cells）：果蝇带有25倍于E. coli的DNA，人类带有600倍于E. coli的DNA。真核DNA中基因密度明显低于原核和病毒，如人DNA中平均每毫米只带有50个基因，而E. coli中每毫米DNA带有2400个基因。一个人细胞中所带有的DNA约有2 m（细菌为1.7 mm）；成人带有1×10¹⁴个细胞，成人体内全部DNA的总长度（Contour Length）＝2×10¹¹ km。

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第54页：DNA物理图谱

DNA物理图谱是指DNA链的限制性酶切片段的排列顺序，即酶切片段在DNA链上的定位。限制性内切酶在DNA链上的切口以特异序列为基础，核苷酸序列不同的DNA经酶切后会产生不同长度的DNA片段，由此构成独特的酶切图谱。因此DNA物理图谱是DNA分子结构的特征之一，也是顺序测定的基础、指导DNA测序的蓝图。Vent发明的测序方法使物理图谱的重要性有所改变。常用限制酶包括：EcoRI、XhoI、SacI、BglII、HindIII、PstI、SmaI。

第55页：DNA的超螺旋结构

2.2.4 DNA的高级结构指DNA本身进一步盘绕成超螺旋的结构，形成特定的空间结构。

• DNA双螺旋额外多转或少转几圈，空间结构改变，产生额外张力得不到释放，导致原子空间重排，造成扭曲——超螺旋。
• 负超螺旋：DNA扭曲与双螺旋解旋方向相反；正超螺旋：扭曲方向与双螺旋相同。
• 拓扑异构酶或溴化乙锭可诱导构象改变，DNA促旋酶引入负超螺旋。

第56页：超螺旋DNA的琼脂糖电泳迁移率

在电场的作用下，相同分子量的超螺旋环状DNA比线性DNA迁移率大，线性DNA迁移率大于开链DNA（琼脂糖电泳）。

第57页：

第58页：闭环DNA的连接数与拓扑异构体

连接数（Linking number，Lk）

自然条件下DNA常以闭环形式存在，两条单链均为环状且相互缠绕的数目为双螺旋的螺旋数，称为连接数。以Lk°表示松弛闭环DNA的连接数，Lk°的改变将导致超螺旋；大部分天然DNA呈负超螺旋。

拓扑异构体（topoisomer）

具有特定连接数的环状dsDNA分子，除非其中一条链或两条链遭到破坏，其连接数不会发生改变；拓扑异构体的差异在于连接数不同。

缠绕与扭曲

超螺旋在几何上分为缠绕（twist）和扭曲（writhe），根据等式 Lk = Tw + Wr，两者可以相互转化；超螺旋的水平可用连接数的变化来衡量。

第59页：Lk=Tw+Wr计算示例

Lk = Tw + Wr 的计算：某B-DNA长1350 bp，每螺旋10 bp。

若DNA一端固定、另一端解螺旋5圈并在两端封闭，则L = 135-5 = 130；由于分子内张力，或在分子内保持一个单链区（T = 130，W = 0），或张力趋于保持B-DNA原状（T = 135，L = 130，W = -5），后者即DNA分子超盘绕5次的负超螺旋。

第60页：DNA解旋引发的拓扑学问题

DNA Unwinding Causes Topological Problems（Transcription）：转录过程中DNA局部解旋（Unwound），在解旋区一侧形成超缠绕区（Over-Wound region），亲代双链（Parental Duplex）的拓扑状态随之改变。

第61页：嵌入剂与拓扑异构酶

嵌入剂（intercalator）

如溴化乙锭（ethidium bromide，EB），通过嵌入到配对碱基之间的方式与DNA结合，导致DNA双螺旋局部解旋（untwisting）；若为闭环DNA则会使缠绕增加。负超螺旋的DNA具有很强扭力，这一能量促使DNA双螺旋解旋，并驱动需解旋的过程。

拓扑异构酶（topoisomerase）

催化DNA拓扑异构体相互转化的酶，能改变DNA的连接数：通过暂时破坏DNA骨架的单链或双链改变超螺旋水平。第I类酶使Lk改变±1，第II类酶使Lk改变±2。DNA促旋酶（gyrase）利用ATP水解提供的能量为DNA引进负超螺旋；拓扑异构酶IV使子染色体解离。

第62页：拓扑异构酶II作用模型

Model for Topo II Mechanism：II型拓扑异构酶通过暂时切断DNA双链、使另一段双链穿过缺口后再连接，从而一次性改变连接数±2，用于解除DNA的超螺旋与连锁。