染色体与DNA(ChromosomeandDNA).ppt

Chapter 1Chromosome and DNA,第一节 概述,一、染色体与DNA的关系 1、染色体的发现： 1848年，Hofmeister 在鸭跖草的小孢子 母细胞中发现染色体 2 、遗传的染色体学说： 1902 W. Sutton (美) & T. Boveri(德) 基因是染色体的一部分,3、染色体学说的直接证据 布里吉斯（Bridges, C） 发现X染色体的不分离现象 将基因定位在X染色体上 4、 生物的遗传物质是DNA 1944 Avery：肺炎双球菌转化实验 1952 Hershey和Chase：噬菌体侵染细菌实验 小结： 染色体是遗传物质DNA 的载体 ，基因是产生一条多肽链或功能性RNA的DNA序列,二、原核生物染色体与真核生物染色体 （一）原核细胞与真核细胞的区别（自学） 原核生物没有真正的细胞核。遗传物质虽然相对集中，但是没有核膜。,Prokaryotic cell,Eukaryotic cell,（二）原核生物的染色体Prokaryotic chromosome 特征： （1）只有一条 （2）没有典型的染色体结构,（三）真核生物的染色质与染色体 （Eukaryotic chromatin and chromosome）,人类染色体,1、染色质（chromatin） 指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白组成的线性复合结构, 是间期细胞遗传物质存在的形式。 2、染色体(chromosome): 指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中, 由染色质聚缩而成的棒状结构。,3、二者关系 （1）染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同, 构象不同。 （2） 染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构,三、染色体的化学组成 DNA / protein（蛋白质） （一）原核生物染色体的蛋白质 DNA结合蛋白 (DNA-binding proteins)- histone-like protein：压缩DNA 稳定和限制超螺旋结构 Protein HU ：含量最丰富 碱性二聚体（dimeric） 带正电荷（positive) Protein H-NS (H1) ：单聚体monomeric 中性neutral,（二）真核生物染色体的蛋白质 Non-histone（非组蛋白） Histone （组蛋白） 1、组蛋白的种类： H2A / H2B / H3 / H4：1020 kDa H1：23 kDa （H5-鸟类、鱼类、两栖类红细胞染色体）,protein,2、组蛋白的主要特点： （1）碱性蛋白（20-30% Lys / Arg ） （2）肽链上氨基酸分布的不对称性 （3）无组织特异性 （4）进化上极端保守（Highly conserved） （5）组蛋白的修饰作用,第二节 DNA,一、DNA的结构（P32） （一）一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方 式及排列顺序 DNA一级结构的不均一性 1、重复序列 （1）正向重复 - GCGGC- GCGGC - - CGCCG-CGCCG -,（2）反向重复（回文序列）,较长的回文结构(单链），可形成茎环结构(发夹结构),较长的回文结构，可形成十字形结构,2、富含AT的序列 很多有重要调节功能的DNA区段都富含AT碱基对 如复制起点和转录启动的Pribnow区,（二）二级结构：DNA双螺旋（DNA double helix） 1、 Watson-Crick双螺旋结构模型（自学） 2、DNA二级结构的多态性,B-DNA是最常见的DNA构象（Watson-Crick双螺旋DNA）； A-DNA构象对基因转录有重要意义； Z-DNA可能与基因转录调控有关（左手螺旋）,（三）高级结构：超螺旋结构(superhelix 或supercoil),1、超螺旋： DNA双螺旋链再盘绕即形成的空间结构 （1）正超螺旋(positive supercoil)： 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 （2）负超螺旋(negative supercoil)： 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反,正超螺旋 负超螺旋,天然DNA分子一般为负超螺旋 负超螺旋DNA更易于局部解链，易于 参加DNA的复制、转录等,2、超螺旋的变化 （1）环状DNA的三种典型构象 A、 松弛环形DNA 线形DNA直接环化 B、 解链环形DNA 线形DNA拧松后再环化 C、 正超螺旋与负超螺旋DNA,（2）表示超螺旋变化的公式 L=T+W 连结数（linking number , L） DNA闭环前一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数 扭转数（twisting number , T） DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示 超螺旋数（缠绕数 , writhing number , W）,3、拓扑异构体（Topological isomer）： 具有不同连接数的相同DNA分子 4、拓扑异构酶（Topoisomerase）： 能够改变DNA连接数从而改变DNA分子超 螺旋水平的酶,（1）拓扑异构酶I （topoisomerase- I ） 作用机制：切开环状一条链，连接数改变1， 不需ATP （2）拓扑异构酶 作用机制： 切开环状两条链，连接数改变2， 需要ATP 细菌中的拓扑异构酶（促旋酶）：引入负超螺旋,二、核酸的性质 （一）酸碱性质： DNA等电点44.5，RNA 等电点 22.5 带负电荷（琼脂糖凝胶电泳）,（二）浮力密度 (buoyant density) 应用 ： （1）密度梯度离心-DNA的纯化 8M CsCl（RNA DNA protein) （2）确定DNA平均GC含量 =1.66+0.09% (G+C),CsCl+EB,RNA,（三）紫外吸收： DNA/RNA：max=260nm protein：max=280nm A260：nucleotides ssDNA /RNA dsDNA 应用： （1） DNA 纯度鉴定 A260 / A280 =1.8，pure dsDNA A260 / A280 =2.0，pure RNA A260 / A280 1.0，pure protein,（2）核酸定量 1mg/ml：A260 =20（dsDNA） 1mg/ml：A260 =25（ssDNA/RNA） （3）判断DNA是否变性 DNA的变性，紫外吸收增大（增色效应） DNA的复性，紫外吸收减小（减色效应）,（四）核酸的变性和复性 1、变性(Denaturation) ： 核酸双螺旋区的氢键断裂，变成单链， 不涉及共价键断裂。,（1） 碱处理 （alkali） DNA：酮 （keto） 烯醇式 （enolate） 变性 RNA：水解 （hydrolysis） 附： （2） 化学试剂 尿素（Urea）， 甲酰胺（formamide）,高PH,酸处理 acid ( 不是变性） 水解 （hydrolysis）-高温高酸 HClO4 脱嘌呤 apurinic （ 无机酸）,（3）热变性（Thermal denaturation） 熔解温度（Tm）： DNA的双螺旋结构失去一半时对应的温度。,Melting curve,测定Tm，可推知G-C含量 G-C%=（Tm-69.3)2.44,Tm与（G+C）含量的关系,G-C含量与Tm值成正相关,2、复性（Renaturation） 变性DNA在适当（一般低于Tm2025）条件下，两条链重新缔合成双螺旋结构。,复性的特点： （1）热变性DNA在缓慢冷却时可以复性，快速 冷却不能复性。 （2）DNA片段越大，复性越慢； （3）DNA浓度越大，复性越快。 应用： 根据复性动力学可以测定基因组的大小和重复序列的拷贝数,第三节 染色体的结构,一、原核生物染色体的组成（E.coli） 1. 拟核（nucleiod） DNA: 闭合环状 （closed circular） 浓缩 （30-50 mg/ml） 2. DNA domains/loop 50-100 DNA 结构域/loop 每个 loop都保持相对独立性 Why？ 有两点被结合蛋白固定在 膜蛋白复合体上,Domain/ Loop,Basic protein,Supercoiled DNA,Prokaryotic chromosome structure,3、 基因组超螺旋 (supercoiling of the genome) 负超螺旋-negative supercoiling (whole) 每个 loop的超螺旋性是独立的,非超螺旋结构域,二、真核生物染色体和染色质的组成 （一） 化学组成： DNA / protein（蛋白质） Non-histone Histone 组蛋白 H2A / H2B / H3 / H4/ H1,protein,染色体DNA的长度可达数厘米，但是核的直径只有1-10um （浓缩了104倍），DNA在核中的浓度约 100 mg/ml。 染色体的包装问题是如何解决的？,（二） 包装 核小体-Nucleosome (basic unit) 核小体核心-Nucleosome core 组蛋白八聚体核心-octameric core histone (H2A /H2B / H3 / H42) 146bp DNA (1.8 turn, left-handed),Top view,Side view,Nucleosome core 146 bp, 1.8 turn,染色体小体Chromatosome 166 bp, 2 turn,DNA,Histone octamer,Histone H1,H1 + 20bp DNA (stabilize) 连接DNA-Linker DNA (0100bp, 55bp),Linker DNA,核小体-Nucleosome,Step 1: 核小体的形成,DNA（146bp） + Histone octamer (组蛋白八聚体),Nucleosome core (核小体核心) + H1 + 20bp DNA,Chromatosome (染色小体 166bp) + linker DNA,Nucleosome (核小体) (200 bp of DNA),Linker DNA 100 bp average 55 bp,Step 2: “Beads on a string” structure,Nucleosome,Histone H1,Nucleosome repeat: Core + linker DNA 200 bp,核丝,Step 3: 形成螺线管（30nm 纤丝）,螺线管（Solenoid),直径30nm left-handed 6 个核小体/turn,微带（miniband）是染色质的最高水平组构,Step 4:螺线管结合到核骨架/染色体骨架上形 成微带（miniband）,微带盘绕形成染色体,（三）染色体的结构（chromosome structure） 1、有丝分裂期的染色体,2、Centromere（着丝粒） 指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位, 纺锤体附着位点 （1）功能：保证有丝分裂和减数分裂中复制 的染色体平均分配到两个子细胞,（2）着丝粒DNA： 特点：含大量串联的重复序列-卫星DNA 如酵母着丝粒DNA： 88bp富含AT序列+两侧保守区 哺乳动物着丝粒DNA： 长序列+大量的重复序列,3、Telosome（端粒） 是真核生物染色体末端的起保护作用的一种特殊结构 （1）功能：保持染色体的稳定性,（2）端粒DNA： 特点： A、短重复序列 B、富含GC C、形成特殊的二级结构,（四）真核生物的染色质 1、Euchromatin（常染色质） 间期细胞核中，螺旋化程度小、分散度大、浅染的染色质 特点：转录活跃 2、 Heterochromatin(异染色质） 间期高度压缩，螺旋化程度高、深染的染色质 特点： A、高度浓缩 B、 转录不活跃 C、在细胞周期中表现为晚复制(晚S期)、早凝缩,（1）组成性异染色质（结构性异染色质） 在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色质 （主要为卫星DNA，构成染色体特殊区域， 如着丝粒） （2）功能性异染色质（兼性异染色质） 指在某些特定的细胞中，或在一定的发育时期和生理 条件下凝聚，由常染色质转变而来的异染色质 如X 染色体，巴氏小体 是真核生物基因表达调控的一种途径,Question,作业题： 名词解释： 染色体、染色质、常染色质、异染色质、组成性异染色质、功能性异染色质、超螺旋、正超螺旋、负超螺旋、拓扑异构酶、拓扑异构体、核小体、端粒、Z-DNA,思考题： 1、利用核酸的电负性、浮力密度、紫外吸收、变性和复性的性质，可以做哪些分子生物学实验？,