核酸、染色体及基因.ppt

Chapter 2,核酸、染色体及基因 Nucleic acid，Chromosome and Gene,2.1 核酸(Nucleic Acids),DNA和RNA，是核苷酸的聚合体 核苷酸由含氮碱基、五碳糖和磷酸组成,碱基,嘌呤（purine）：双环结构 腺嘌呤（adenine） 鸟嘌呤（guanine） 嘧啶（pyrimidine）：单环结构 胞嘧啶（cytosine） 尿嘧啶（uracil）-RNA 胸腺嘧啶（thymine）,核苷及核苷酸,碱基共价结合于戊糖的1位构成核苷，RNA中的戊糖为核糖，而DNA中为2-脱氧核糖。 核糖与碱基的结合位置嘧啶为1位，嘌呤为9位。 核苷与一个或多个磷酸分子连接便成称为核苷酸。,碱基配对,氢键,链的延伸,DNA单链的延伸5端 3端,DNA双螺旋结构,带有负电的磷酸戊糖骨架在分子外侧 碱基平面堆积于螺旋内部 由于骨架双链在螺旋轴上的间距不相等，因而在分子表面形成宽窄不等的大沟和小沟 双链之间对应的碱基以氢键作用形成碱基对 DNA双螺旋结构中每一匝螺旋含有约10个碱基对 两条链反向排列,DNA的分子结构 （B-型）,A型、B型及Z型螺旋,生物体内DNA结构是基本一致的，即所谓的B型螺旋（最稳定） 在低温条件下，DNA分子可以变构形成A型螺旋，结构更加紧密、更宽，螺旋重复每匝为11个碱基对 左旋DNA为Z型DNA，属于异常螺旋形式，外观呈Z字型，每匝12碱基对，不是体内DNA的主要形式,A B Z,A B Z,Z-DNA的磷酸核糖骨架是扭曲的,核酸的理化性质,酸效应 在强酸和高温下,核酸可以完全水解为碱基、核糖（脱氧核糖）和磷酸 DNA化学测序法就是以此为基础的 碱效应 直接影响碱基之间作用力，导致DNA双链的解离变性,OH,5-OH,强碱,2,3 环磷酸二脂,RNA在强碱条件下会水解成2,3 环磷酸二脂等,化学变性 一些化学物质，比如尿素（ Urea ）、甲酰胺（ Formamide ）能破坏碱基堆积力，从而使DNA变性。 这些化学变性剂广泛地使用在变性-PAGE、Soutern-blot、Northern-bolt上。 黏性 DNA分子具有高轴比（axial ratio） 宽2nm,长达m、mm级，甚至某些真核长达几cm DNA是比较刚性（relatively stiff）的分子,核酸的光谱学,DNA 与 RNA 的最大吸收波长为 260 nm； 紫外线的吸收能力：ssRNA ssDNA dsDNA；这种双链的吸收值减少的现象称为“减色效应”。 核酸定量 吸光值（ Extinction coefficient ） 1 mg/ml dsDNA: A260 =20 1 mg/ml ssDNA & RNA: A260 =25 纯度 常用260nm与280nm处的吸光值来确定： 纯的dsDNA的A260A280为1.8 纯RNA的A260A280为2.0 若样品的A260A2801.8,则表明有RNA污染 若样品的A260A2801.8,则表明有蛋白质污染,超螺旋,所有天然的分子整体都呈负超螺旋（ negatively supercoiling ） 超螺旋分子一般比松弛的分子具有更高的能量，结构稳定，便于控制复制及转录的起始 细胞中存在拓扑异构酶（Topoisomerases ）控制分子的超螺旋状态,环状线性,正超螺旋：DNA扭曲方向与双螺旋方向相同； 负超螺旋： DNA扭曲方向与双螺旋方向相反,I-型拓扑异构酶 缠绕数以1变化,II-型拓扑异构酶 缠绕数以变化,负超螺旋电镜图,2.2 原核生物的染色体结构,大肠杆菌的染色体 闭环DNA，长度约4.6Mb，集中分布在成为“拟核”（nucleoid）的区域内，在正常生长情况下DNA保持连续复制。,Bacterial DNA is compacted in a structure called the nucleoid, which occupies a large fraction of the bacterial cells volume.,2.2.1 DNA结构域,将大肠杆菌DNA与大多数结合蛋白分离开来，在电子显微镜下可观察到由50100个环或结构域组成，这些环或结构域的末端与细胞膜上蛋白质连接而固定。,大肠杆菌DNA结构域电镜图,2.2.2 基因组超螺旋,电镜结构显示，就整体而言，大肠杆菌的基因组是由大量超螺旋的结构域构成的。,2.2.3 DNA结合蛋白,原核生物的染色体中环型的DNA由于大量的DNA结合蛋白相互作用而进一步受到束缚，进而包装形成类核。 DNA-结合蛋白: HU蛋白：小的二聚体非特异结合蛋白 H-NS 蛋白：单体中性蛋白 特异的DNA 结合蛋白 (polymerases，etc.）,2.3 染色质结构（Chromatin Structure）,真核生物的基因组比原核生物大数千倍 由一定数目的染色体组成 每条染色体中的DNA分子为单一线性分子 所有DNA分子必须包装在细胞核内 导致细胞核内的DNA浓度极高 高度有序的DNA蛋白质复合体染色质 蛋白质组分占染色质质量的50以上 在细胞周期的不同时段中，染色质具有不同的结构,2.3.1 组蛋白,分类 核心组蛋白（H2A、H2B、H3、H4） H1：分子量较大，含量仅为其他组蛋白的一半 组成 带有大量的正电荷可与带负电的DNA紧密结合 2030由赖氨酸和精氨酸（碱性氨基酸）组成,Core histones (H2A, H2B, H3 and H4): 10-20 kDa 定位在核小体中央 ： (H2A)2(H2B)2 (H3)2 (H4)2 序列高度保守 H1 histone: 23 kDa 定位在核小体外围, 与DNA的结合松散 序列不保守、易变异,2.3.2 核小体（nucleosome）,核小体包含于染色质中 约200 bp左右的DNA片段与4种组蛋白中的各2个分子构成的八聚体（核心组蛋白）紧密结合，并与H1松散结合； 这些组蛋白保护DNA免受核酸酶的作用； 组蛋白的另一个作用是约束DNA的负超螺旋； 如果丢失H1，核小体将变为与组蛋白八聚体结合的146 bp片段。,Top view,Side view,2.3.3 连接DNA（Linker DNA）,the linker DNA between the nucleosome cores varies between less than 10 and more than 100 bp, but is normally around 55 bp. The nucleosomal repeat unit is hence around 200 bp.,2.3.4 30nm纤丝,核小体将进一步组装成更高级别的空间结构, 称为 30 nm fiber 或螺线管； 左手螺旋 六个核小体每圈,2.3.5 高级结构,On the largest scale, chromosomal DNA is organized into loops of up to 100 kb in the form of the 30 nm fiber, constrained by a protein scaffold, the nuclear matrix. The overall structure somewhat resembles that of the organizational domains of prokaryotic DNA.,2.4 真核生物染色体的结构特征,有丝分裂染色体 着丝粒 端粒 异染色质 常染色质 CpG 甲基化 特殊的染色体,2.4.1 有丝分裂染色体,Replication occurs during S phase G1 and G2 are intervals to provide additional time for cell growth.,Cell division. A parental cell in G1 has two copies of each chromosome (2n), one maternal (red) and one paternal (blue). Chromosomes are replicated during the S phase, giving a 4n chromosomal complement. At the midpoint of mitosis (metaphase), the replicated chromosomes are aligned and held in position by the mitotic apparatus. The two identical chromatids composing each replicated chromosome then move to opposite ends of the cell, the nuclear membrane re-forms around each set of chromosomes, and finally cytokinesis splits the cell into two genetically identical daughter cells.,2.4.2 着丝粒、端粒,着丝粒 （Centromeres）,着丝粒是分裂中期两条姊妹染色单体相连的紧缩区域，是一种与纺锤体相连的部位。,端粒 （Telomere）,端粒是形成真核生物染色体的线型DNA分子末端的特化了的序列，由许多短重复序列构成（人类是5TTAGGG3）； 这些序列是由端粒酶以独立于正常DNA复制的机制合成的，其功能是保护染色体末端免受降解。,端粒的结构,端粒起到细胞分裂计时器的作用，端粒的核苷酸每复制一次减少50-100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶（telomerase）来完成，正常体细胞缺乏此酶，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。,荧光原位杂交显示的端粒,端粒可能限制了人类寿命!,盐湖城犹他大学的遗传学家及其同事检查了名老年男女的端粒长度-这些人曾经在至少年前提供过血样。研究小组在柳叶刀杂志上报告说，那些端粒短于平均长度的实验参与者比那些端粒较长的参与者早死到年，而且死于心脏病的几率比后者高倍多。端粒最短的参与者（即最短的那）死于传染病的几率比那些端粒较长的人高倍多。,四膜虫的端粒复制机制,2.4.3 异染色质(heterochromatin),异染色质是细胞间期及早前期时仍处于凝集状态的染色质。具有强嗜碱性，染色深，染色质丝包装折叠紧密，与常染色质相比，异染色质是转录不活跃部分，多在晚S期复制。异染色质分为结构异染色质和兼性异染色质两种类型。结构异染色质是指各类细胞在整个细胞周期内处于凝集状态的染色质，多定位于着丝粒区、端粒区，含有大量高度重复顺序的脱氧核糖核酸（DNA），称为卫星DNA（satel-lite DNA）。兼性异染色质只在一定细胞类型或在生物一定发育阶段凝集，如雌性哺乳动物含一对X染色体，其中一条始终是常染色质，但另一条在胚胎发育的第1618天变为凝集状态的异染色质，该条凝集的X染色体在间期形成染色深的颗粒，称为巴氏小体（Barr body）。,碱性染料对分裂间期细胞的染色,染色体常染色质异染色质,性别鉴定,女性有两条X染色体，通常只有一个发挥作用，另一个即使在分裂间期也常呈凝聚状态（异染色体），染色后可在光学显微镜下看见一个斑点（巴氏小体)。男性只有一条X染色体，分裂间期不凝聚，无斑点结构。,2.4.4 常染色质 (Euchromatin),异染色质的对应词。指在间期（interphase）或核分裂前期和末期时不能被浓染的染色体的主体部分。在间期核中遗传信息的表达主要在这部分进行。常染色质中的与DNA结合的组蛋白在质上和量上都与异染色质中的不同。,2.4.5 CpG甲基化,DNA甲基化是一种表观遗传修饰，它是由DNA甲基转移酶（DNA methyl-transferase, Dnmt）催化S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，将胞嘧啶转变为5-甲基胞嘧啶（mC）的一种反应，在真核生物DNA中，5-甲基胞嘧啶是唯一存在的化学性修饰碱基。CG二核苷酸是最主要的甲基化位点，它在基因组中呈不均匀分布，存在高甲基化、低甲基化和非甲基化的区域，在哺乳动物中mC约占C总量的27。,CH3,C 5m-C T,:,:,:,G G A,CpG甲基化引起的突变,CpG的甲基化主要出现在染色质中的非转录区； CpG的非甲基化形式（ CpG 岛）出现在持家基因区域，尤其是启动子区域。这些CpG岛通常的长度约为2000bp。 人类基因组序列草图分析结果表明，人类基因组CpG岛约为28890个，大部分染色体每1 Mb就有515个CpG岛。,2.4.6 特殊的染色体,1881年意大利的Balbiani发现于双翅目摇蚊幼虫的唾腺细胞。其特点是体积巨大，比其它体细胞染色体长100-200倍，体积大1000-2000倍，这是由于核内有丝分裂的结果，即染色体多次复制而不分离。,多线染色体,2.5 基因组的复杂度,非编码DNA 单一序列DNA 串联基因簇 分散重复DNA 卫星DNA,2.5.1 非编码DNA,人类基因组的众多基因中，人们发现只有不到10的DNA序列参与了编码蛋白质或者酶，而剩下90没有显示出那些功能，而植物中编码基因仅占不到3%。于是就有人认为它们是没有用的“垃圾DNA”,垃圾DNA真的是垃圾吗? 基因内：内含子 基因间：一些串联重复DNA，如微卫星DNA；多拷贝的分散的片段，如Alu元件。,卵清蛋白,球蛋白,胰岛素,2.5.2 单一序列DNA,对于原核生物而言，大多数的片段都是单一序列； 真核生物单一序列DNA占6065%，为单拷贝/单一序列，在基因组中只出现一次或很少几次，一般由8001000bp组成，构成编码蛋白和酶的基因。,2.5.3 串联基因簇,这种多重复序列组成的基因簇，通常是其产物需求量很高的基因。 编码核糖体的基因是最有代表性的串联基因簇。 rRNA 18S-5.8S-28S rRNA的编码基因45S rDNA有10-10000个拷贝，因物种而异。人类有个拷贝，分布在条染色体上。 组蛋白的编码基因 个组蛋白编码基因（ H2A, H2B, H3 , H4, H1 ）重复可达数百次。,2.5.4 分散重复DNA,长散布元件(Long interspersing element ,LINE) 1000-5000个碱基对，重复102104次。 短散布元件(short interspersing element, SINE) 数百个碱基对，重复次数可达10万次以上，例如Alu元件。,Alu序列: 300bp，序列中含有一个Alu酶切位点，能将其切为两个片段，故称 Alu序列。是人类基因组特有的含量丰富的中度重复序列，3050万拷贝。 Alu序列与L1元件占到人类基因组的。,2.5.5 卫星,卫星DNA(satellite DNA)是一类高度重复序列 DNA在介质氯化铯中作密度梯度离心，离心速度可以高达每分钟几万转；此时DNA分子将按其大小分布在离心管内不同密度的氯化铯介质中，小的分子处于上层，大的分子处于下层；从离心管外看，不同层面的DNA形成了不同的条带。根据荧光强度的分析，可以看到在一条主带以外还有一个或多个小的卫星带。这些在卫星带中的DNA即被称为卫星DNA，这种DNA的GC含量一般少于主带中的DNA，浮力密度也低。,小卫星(minisatellite DNA ) 又称可变数串联重复(Variable number tamdem repeat， VNTR ) 由短重复单位(6-40bp)串联重复(6-100次以上)而成，多位于基因的非编码区，广泛分布。 VNTR多态性分子标记DNA指纹图（fingerprint）. 微卫星（microstallite DNA） 又称短串联重复 （short tandem repeat, STR） 1-10个核苷酸组成的重复单位串联重复(10-60次),两侧为特异的单拷贝序列，人基因组中每l0kb DNA序列至少一个STR序列。 两侧为特异的单拷贝序列。,2.6 基因的结构,2.6.1 重叠基因,F. Sanger 1977 X174 dnt sequencing C = 5387 bp c = 11 2000 bp Overlapping genes!,基因重叠方式,Mis-reading for stop codon,400Nt 800Nt AUG-UGA-UAA,UGA, UAG 易被漏读， 错读 UAA 能严格终止,Alternate different reading frame,最为常见,重叠基因还可以分布在同一DNA区域的不同单链上,重叠区域越大，对基因表达水平的影响也越大，一般不超过100bp。,2.6.2 splitting gene,真核生物基因又称为 Splitting gene or Interrupted gene；断裂基因、间隔基因 真核生物基因的转录物又称为 Precursor mRNA (pre-mRNA) or Heterogeneous nuclear RNA (HnRNA)；前体mRNA, 核内不均一 RNA,DNA X cDNA,7 introns 8 exons,Splitting gene 概念的相对性 Intron 并非“含而不露” Yeast Intron II of cyt.b gene coding a maturase Exon 并非“表里如一” 人类尿激酶原基因 Exon I 不编码 氨基酸序列 并非真核生物所有的结构基因均为splitting gene Histone gene family, Interferon gene, Yeast 中多数基因（ADH） 均没有Intron,2.6.3跳跃基因 （Jumping gene / Transposable element/ Transposon）,指一段特定的DNA序列。它可以在染色体组内移动，从一个位点切除，插入到一个新的位点。这种切除和移动，能够引起基因的突变或染色体重组。 它是McClintock (1956)在玉米上首先发现的。这是遗传学发展史上重要的里程碑之一。,转座机制研究最清楚的是细菌的转座子。转座子的转座一方面依赖于必要的结构两端的IR序列，另一方面依赖于基因的作用。和转座有关的蛋白质一般都由转座子本身的基因所编码。转座过程是一个非同源重组过程。细菌的转座类型可以分为两种： 复制型 例如Tn3 剪切粘贴型 例如Tn5、Tn10等,