第二章染色体与课件

第二章 染色体与第二章第二章 染色体与染色体与1第一节第一节 染色体染色体第二节第二节 DNA DNA的结构的结构第三节第三节 DNA DNA的复制的复制第四节第四节 原核生物和真核生原核生物和真核生 物物DNADNA复制特点复制特点第五节第五节 DNA DNA的修复的修复第六节第六节 DNA DNA的转座的转座第七节第七节 SNPSNP的理论与应用的理论与应用第一第一节节 染色体染色体2第一第一节 染色体（染色体（Chromosome)1.1.染色体概述染色体概述染色体由染色体由DNADNA和蛋白和蛋白质两大部分两大部分组成成DNADNA在染色体上，染在染色体上，染色体是色体是DNADNA的的载体体染色体是染色体是细胞内具有胞内具有遗传性性质的物体，易被碱的物体，易被碱性染料染成深色，所以性染料染成深色，所以叫染色体（染色叫染色体（染色质）第一第一节节 染色体（染色体（Chromosome)1.染色体概述染染色体概述染3染色体与染色染色体与染色质是同一种物是同一种物质的两种形的两种形态。伸展的染色。伸展的染色质形形态有利于在它上面的有利于在它上面的DNADNA储存的信息的表达，而高度螺旋化了存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色体的棒状染色体则有利于有利于细胞分裂中胞分裂中遗传物物质的平分。的平分。染色体与染色染色体与染色质间期：间期：DNA合成前期合成前期(G1),合成期合成期(S),后期后期(G2)染色体与染色染色体与染色质质是同一种物是同一种物质质的两种形的两种形态态。伸展的染色。伸展的染色质质形形态态有利于有利于4人人类2222对常染色体及性染色体常染色体及性染色体性染色体性染色体扫描描电镜图同一物种内每条染色体所同一物种内每条染色体所带DNADNA的量是一定的，但不同染色体的量是一定的，但不同染色体和不同物种之和不同物种之间变化很大，从上百万到几化很大，从上百万到几亿个核苷酸不等。个核苷酸不等。1.28亿亿0.19亿亿人人类类22对对常染色体及性染色体性染色体常染色体及性染色体性染色体扫扫描描电镜图电镜图同一物种内每条同一物种内每条51.1.分子分子结构相构相对稳定定2.2.能能够自我复制，使自我复制，使亲、子代之、子代之间保持保持连续性性3.3.能能够指指导蛋白蛋白质的合成，从而控制整个生命的合成，从而控制整个生命过程程4.4.能能够产生可生可遗传的的变异异作作为遗传物物质染色体染色体应该具具备的特性：的特性：分子分子结结构相构相对稳对稳定作定作为遗传为遗传物物质质染色体染色体应该应该具具备备的特性：的特性：62.染色体的组成和结构2.12.1原核生物原核生物(prokaryote)(prokaryote)一般只有一条大染色体且大都一般只有一条大染色体且大都带有有单拷拷贝基因，少数基因（如基因，少数基因（如rRNArRNA基因）是以多拷基因）是以多拷贝形式存在。形式存在。整整个个染染色色体体DNADNA几几乎乎全全部部由由功功能能基基因因和和调控控序序列列所所组成。成。几几乎乎每每个个基基因因序序列列都都与与它它所所编码蛋蛋白白质序序列列呈呈线性性对应关系关系2.染色体的染色体的组组成和成和结结构构2.1 原核生物原核生物(prokaryot72.2.2 真核真核细细胞染色体的胞染色体的组组成成真核生物染色体中真核生物染色体中DNADNA相相对分子分子质量一般大大超量一般大大超过原核生物，并原核生物，并结合合有大量的蛋白有大量的蛋白质，结构非常复构非常复杂。其具体其具体组成成分成成分为：组蛋白、非蛋白、非组蛋白、蛋白、DNADNA。在真核在真核细胞染色体中，胞染色体中，DNADNA与蛋白与蛋白质完全融合在一起，其蛋完全融合在一起，其蛋白白质与相与相应DNADNA的的质量之比量之比约为2:12:1。这些蛋白些蛋白质在在维持染持染色体色体结构中起着重要作用。构中起着重要作用。组蛋白组蛋白：H1H2AH2BH3H4H1H2AH2BH3H4非组蛋白非组蛋白核小体核小体DNA蛋白质蛋白质染色体染色体2.2 真核真核细细胞染色体的胞染色体的组组成成组组蛋白：蛋白：H1 H2A H8组蛋白：蛋白：一一组进化上非常保守的碱性蛋白化上非常保守的碱性蛋白质，其中碱，其中碱性氨基酸性氨基酸(Arg(Arg，Lys)Lys)约占占25%25%，存在于真核生物染色，存在于真核生物染色质，分，分为5 5种种类型型(H1(H1，H2AH2A，H2BH2B，H3H3，H4)H4)，后，后4 4种各种各2 2个形成个形成组蛋白八聚体，构成核小体的核心，占核小蛋白八聚体，构成核小体的核心，占核小体体质量的一半。量的一半。2.2.2.1.11.1组蛋白蛋白2.2.2.11蛋白蛋白质H3H3和和H4H4富含精氨酸；富含精氨酸；H1H1富含富含赖氨酸；氨酸；H2AH2A和和H2BH2B介于两者介于两者之之间组组蛋白：一蛋白：一组进组进化上非常保守的碱性蛋白化上非常保守的碱性蛋白质质，其中碱性氨基酸，其中碱性氨基酸(Ar9组蛋白的一般特性：蛋白的一般特性：1.进化上的保守性化上的保守性不同种生物不同种生物组蛋白的氨基酸蛋白的氨基酸组成是十分相似的。成是十分相似的。对稳定真核定真核生物的染色体生物的染色体结构起着重要的作用。构起着重要的作用。2.2.2.1.11.1组蛋白蛋白2.2.2.11蛋白蛋白质牛、猪、大鼠的牛、猪、大鼠的H4H4氨基酸氨基酸序列完全相同序列完全相同;牛的牛的H4H4序列与豌豆序列相序列与豌豆序列相比只有两个氨基酸的差异比只有两个氨基酸的差异;H3H3的保守性也很大，的保守性也很大，鲤鱼与小牛胸腺的与小牛胸腺的H3H3只差一个只差一个氨基酸，小牛胸腺与豌豆氨基酸，小牛胸腺与豌豆H3H3只差只差4 4个氨基酸。个氨基酸。组组蛋白的一般特性：蛋白的一般特性：1.进进化上的保守性化上的保守性2.2.1.1 组组蛋白蛋白102.无无组织特异性特异性到目前到目前为止，止，仅发现鸟类、鱼类及两栖及两栖类红细胞胞染色体不含染色体不含H1H1而而带有有H5H5，精，精细胞染色体的胞染色体的组蛋白是蛋白是鱼精蛋白精蛋白3.肽链氨基酸分布的不氨基酸分布的不对称性称性碱性氨基酸集中分布在碱性氨基酸集中分布在N N端的半条端的半条链上。例如，上。例如，N N端的半条端的半条链上上净电荷荷为+16+16，C C端只有端只有+3+3，大部分疏水基，大部分疏水基团都分布在都分布在C C端。端。4.H5H5组蛋白的特殊性蛋白的特殊性富含富含赖氨酸氨酸24%24%、丙氨酸、丙氨酸16%16%、丝氨酸氨酸13%13%、精氨酸、精氨酸11%11%。鸟类、两栖、两栖类、鱼类红细胞分离的胞分离的H5H5均有种的特异性。均有种的特异性。H5H5的磷酸化可能与染色的磷酸化可能与染色质失失活活过程有关！程有关！5.组蛋白的可修蛋白的可修饰性性包括甲基化、乙基化、磷酸化包括甲基化、乙基化、磷酸化2.无无组织组织特异性特异性112.2.2.1.21.2非非组蛋白蛋白非非组蛋白：指蛋白：指细胞核胞核中中组蛋白以外的酸性蛋白以外的酸性蛋白蛋白质 非非组蛋白不蛋白不仅包括以包括以DNADNA作作为底物的底物的酶，也包括作用于，也包括作用于组蛋白的一些蛋白的一些酶,如如组蛋白甲基化蛋白甲基化酶。此外。此外还包括包括DNADNA结合合蛋白、蛋白、组蛋白蛋白结合蛋白和合蛋白和调节蛋白。由于非蛋白。由于非组蛋白常常蛋白常常与与DNADNA或或组蛋白蛋白结合合,所以在染色所以在染色质或染色体中或染色体中均有非均有非组蛋白的存在蛋白的存在,如如染色体染色体骨架蛋白。骨架蛋白。非非组蛋白大蛋白大约占占组蛋白蛋白总量的量的60%-70%60%-70%，种种类很多，很多，约20-10020-100种，常种，常见的有的有15-2015-20种。种。2.2.1.2 非非组组蛋白非蛋白非组组蛋白：指蛋白：指细细胞核中胞核中组组蛋白以外的酸性蛋白以外的酸性12v真真核核细胞胞染染色色体体的的DNA如如图所所示示，经过四四级压缩，长度度压缩将近将近10000倍。倍。v四四级分分别为：n核小体核小体n螺螺线管管n超螺旋超螺旋圆筒筒n染色染色单体体3.3.真核真核细胞染色体的胞染色体的结构构真核真核细细胞染色体的胞染色体的DNA如如图图所示，所示，经过经过四四级压缩级压缩，长长度度压缩压缩将近将近113核小体核小体(nucleosomes)核小体核小体(nucleosomes)14核小体核小体(nucleosomes)核小体是由核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生各两个分子生成的成的八聚体八聚体和由大约和由大约200bpDNA组成的。八组成的。八聚体在中间，聚体在中间，DNA分子分子盘绕在外，而盘绕在外，而H1则在核则在核小体的外面。每个核小小体的外面。每个核小体只有一个体只有一个H1,压缩比压缩比为为7。146 bp核小体核小体(nucleosomes)核小体是由核小体是由H2A、H2B、151.75圈圈1.75圈圈16嘧啶C2内式，嘌呤C3内式H5组蛋白的特殊性DNA聚合酶II的活性很低，只有DNA聚合酶I的5%，所以也不是复制中主要的酶。Barbara McClintock间期：DNA合成前期(G1),合成期(S),后期(G2)总的趋势是嘌呤与嘌呤之间嘌呤与嘧啶之间嘧啶与嘧啶之间。解旋酶沿着复制叉向前延伸产生了一段单链，细胞内大量的单链结合蛋白能和单链结合，防止其重新配对形成双链正超螺旋 负超螺旋处引发的DNA复制过程非编码区较多 多于编码序列(9:1)（5）双螺旋的其它常数包括相邻碱基对距离为0.DNA二级结构的主要形式为James Watson和Francis Crick于1953年提出的B型双螺旋，其主要内容是：However,if only specific pairs of bases can be formed,it follows that if the sequence of bases on one chain is given,then the sequence on the other chain is automatically determined.氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异性，而对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。DNA聚合酶IV和V分别由dinB和umuD2C基因编码，嘌呤与嘧啶之间嘌呤与嘧啶之间嘧啶与嘧啶之嘧啶与嘧啶之间。另外碱基的甲基化能提高碱基的堆积力。间。另外碱基的甲基化能提高碱基的堆积力。（3）阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和。）阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和。双螺旋双螺旋稳稳定的因素（定的因素（1）氢键氢键38DNA双螺旋的双螺旋的ABZsA-DNAA-RNA大沟小沟DNA双螺旋的双螺旋的ABZsA-DNAA-RNA 大沟小沟大沟小沟39第二章染色体与第二章染色体与课课件件40Comparison of A,B,Z DNAJA:right-handed,short and broad,2.3,11 bp per turn JB:right-handed,longer,thinner,3.4,10 bp per turn JZ:left-handed,longest,thinnest,3.8,12 bp per turnComparison of A,B,Z DNAA:r41A型双螺旋型双螺旋B型双螺旋型双螺旋Z型双螺旋型双螺旋外形外形短而宽短而宽长而瘦长而瘦长而细长而细每每碱碱基基对对上上升升距距离离0.23nm0.3320.19nm0.38nm螺旋直经螺旋直经2.55nm2.37nm1.84nm螺旋方向螺旋方向右手右手右手右手左手左手螺螺旋旋内内每每重重复复单单位的位的bp数数112每圈每圈bp数数111012碱基夹角碱基夹角32.7 734.6 660 0/2螺距螺距2.46nm3.32nm4.56nm碱基对倾角碱基对倾角191.24.19螺旋轴位置螺旋轴位置大沟大沟穿过碱基对穿过碱基对小沟小沟大沟大沟极度窄、很深极度窄、很深很宽，深度中等很宽，深度中等平坦平坦小沟小沟很宽、浅很宽、浅窄，深度中等窄，深度中等极度窄、很深极度窄、很深糖苷键构象糖苷键构象反式反式反式反式C为为反反式式，G为为顺顺式式糖环折叠糖环折叠C3内式内式C2内式内式嘧嘧啶啶C2内内式式，嘌嘌呤呤C3内式内式存在存在双双 链链 RNA，RNA/DNA杂杂 交交双双链链，低低湿湿度度 DNA（75）双双链链DNA（高高湿湿度度，92）嘧嘧啶啶和和嘌嘌呤呤交交替替存存在在 的的 双双 链链 DNA或或DNA链链上上嘧嘧啶啶和和嘌嘌呤交替存在的区域呤交替存在的区域A型双螺旋、型双螺旋、B型双螺旋和型双螺旋和Z型双螺旋的比较型双螺旋的比较A型双螺旋型双螺旋B型双螺旋型双螺旋Z型双螺旋外形短而型双螺旋外形短而宽长宽长而瘦而瘦长长而而细细每碱基每碱基对对42DNA的三级结构的三级结构超螺旋超螺旋如果通过某种手段使得如果通过某种手段使得DNA双螺旋每一圈的碱基对数目多于双螺旋每一圈的碱基对数目多于或少于或少于10对，将导致对，将导致DNA双螺旋缠绕过多或缠绕不足；如果双螺旋缠绕过多或缠绕不足；如果这时的这时的DNA两端被固定或者两端被固定或者DNA本来是共价闭环的，这张力本来是共价闭环的，这张力无法释放而自发地形成超螺旋结构。无法释放而自发地形成超螺旋结构。DNA超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为右手超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为右手超螺旋，由超螺旋，由DNA双螺旋过度缠绕引起，负超螺旋为左手超螺双螺旋过度缠绕引起，负超螺旋为左手超螺旋，由旋，由DNA双螺旋缠绕不足引起双螺旋缠绕不足引起。DNA的三的三级结级结构构超螺旋如果通超螺旋如果通过过某种手段使得某种手段使得DNA双螺旋每双螺旋每43 正超螺旋正超螺旋 负超螺旋负超螺旋 正超螺旋正超螺旋 44 DNA的三级结构DNA的三的三级结级结构构45 DNA的三级结构左手左手右手右手DNA的三的三级结级结构左手右手构左手右手46Barbara McClintockHarley(1989)人类的复制叉每秒约前进100bp；维持染色体的完整性，决定细胞的寿命。DNA二级结构的主要形式为James Watson和Francis Crick于1953年提出的B型双螺旋，其主要内容是：由大肠杆菌oriC复制起始点DNA聚合酶IV和V主要在SOS修复中起作用。接着由SSB蛋白(单链结合蛋白）来稳定解开的单链，以保证该局部结构不会恢复为双链。One of the pair must be a purine and the other a pyrimidine for bonding to occur.The structure itself suggested that each strand could separate and act as a template for a new strand,therefore doubling the amount of DNA,yet keeping the genetic information,in the form of the original sequence,intact.这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力。4,10 bp per turn1 原核生物(prokaryote)（3）复制子水平：包括转录活化、复制起始复合物的合成、引物体合成；已步入古稀之年的Watson（左）和探针设计运用了荧光共振能量转移；1、插入序列(insertional sequence,IS)小 大DNA聚合酶II的活性很低，只有DNA聚合酶I的5%，所以也不是复制中主要的酶。一般只有一条大染色体且大都带第三第三节 DNA的复制的复制Barbara McClintock第三第三节节 DNA的复制的复制471.DNA1.DNA1.DNA1.DNA的半保留复制的半保留复制的半保留复制的半保留复制 *（P P37)1.DNA的半保留复制的半保留复制*（P37)48遗传物质遗传物质DNADNA通过半保留复制的方式传递给子代通过半保留复制的方式传递给子代 *（P P38)遗传遗传物物质质DNA通通过过半保留复制的方式半保留复制的方式传递给传递给子代子代 亲亲子代性状相像子代性状相像49复复制制起起点点（originorigin，oriori，复复制制原原点点）复复制制开开始始处处DNA分子的特定位置分子的特定位置l原原核核生生物物（Prokaryote）：单单复复制制起起点点，整整个个染染色色体体只有一个复制单位只有一个复制单位 2.2.2.2.复制的起点、方向和速度复制的起点、方向和速度复制的起点、方向和速度复制的起点、方向和速度复制起点（复制起点（origin，ori，复制原点）复制开始，复制原点）复制开始处处DNA50many bacteriophage and viral DNA molecules are circles and comprise single replications（单复制子）（单复制子）many bacteriophage and viral D51真核生物（真核生物（EukaryoteEukaryote）:多复制起点多复制起点真核生物（真核生物（Eukaryote）:多复制起点多复制起点52真核生物的多复制子真核生物的多复制子 多个复制眼多个复制眼真核生物的多复制子真核生物的多复制子 多个复制眼多个复制眼53DNADNA复制的几种主要方式复制的几种主要方式（1）线性性DNA双双链的复制；的复制；复制叉的生复制叉的生长方式有方式有单一起点一起点单向（腺病毒）向（腺病毒）及双向及双向(T7噬菌体噬菌体)和多个起点的双向和多个起点的双向(真核生物真核生物)；（2）环状状DNA双双链的复制：的复制：型、型、滚环型、型、D环型型DNA复制的几种主要方式复制的几种主要方式 （1）线线性性DNA双双链链的复制；的复制；54第四节第四节 原核生物和真核生物原核生物和真核生物DNADNA复制的特点复制的特点 第四第四节节 原核生物和真核生物原核生物和真核生物DNA复制的特点复制的特点 55原核原核细胞是研究胞是研究DNADNA复制的复制的最佳的最佳的实验系系统。特点：特点：细胞小，生活周期短，胞小，生活周期短，易在人工条件下培养，原核易在人工条件下培养，原核生物易生物易获得各种突得各种突变体。体。原核生物中的原核生物中的大大肠杆菌杆菌是在是在各方面研究最深入的一种。各方面研究最深入的一种。DNADNA复制研究复制研究选材材1.1.原核生物原核生物DNADNA复制的特点复制的特点原核原核细细胞是研究胞是研究DNA复制的最佳的复制的最佳的实验实验系系统统。DNA复制研究复制研究选选材材56牛、猪、大鼠的H4氨基酸序列完全相同;DNA 合成时需要一段RNA作为引物，它是由引物酶合成的。如果这时的DNA两端被固定或者DNA本来是共价闭环的，这张力无法释放而自发地形成超螺旋结构。再通过荧光或同位素检测系统对芯片进行扫描，由计算机系统对每一探针上的信号作出比较和检测，从而得出所需要的信息。第六节 DNA的转座真核生物也有多种DNA pol，通常细胞中有15种以上。原核生物中的大肠杆菌是在各方面研究最深入的一种。53DNA聚合酶真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子；在遗传学分析中,SNP 作为一类遗传标记得以广泛应用,主要源于这几个特点:已步入古稀之年的Watson（左）和后随链的引发过程是由引发体完成，这需要很多蛋白因子的参与。接着由SSB蛋白(单链结合蛋白）来稳定解开的单链，以保证该局部结构不会恢复为双链。coli)的 OriC 复制原点伸展的染色质形态有利于在它上面的DNA储存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分。真核生物的多复制子 多个复制眼（4）易实现分析的自动化SNP标记在人群中只有两种等位型(allele)。转换（2/3）：CT，A G非组蛋白：指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质DNA聚合酶II的活性很低，只有DNA聚合酶I的5%，所以也不是复制中主要的酶。DNADNA复制复制过程需要多种程需要多种酶和蛋白和蛋白质的参与的参与牛、猪、大鼠的牛、猪、大鼠的H4氨基酸序列完全相同氨基酸序列完全相同;DNA复制复制过过程需要多种程需要多种57大肠杆菌大肠杆菌(E.coli)的的 OriC 复制原点复制原点大肠杆菌基因组的复制原点位于天冬酰胺合大肠杆菌基因组的复制原点位于天冬酰胺合成酶和成酶和ATP合成酶操纵子之间，全长合成酶操纵子之间，全长245 bp,称为称为oriC。大大肠肠杆菌杆菌(E.coli)的的 OriC 复制原点大复制原点大肠肠杆菌基因杆菌基因583 3个个连续的的13bp13bp的串的串联重复序列，富含重复序列，富含A-TA-T4 4个个9bp9bp的保守序列，的保守序列，能与能与DnaADnaA结合合大肠杆菌大肠杆菌(E.coli)OriC结构特点结构特点3个个连续连续的的13bp的串的串联联重复序列，富含重复序列，富含A-T4个个9bp的保守的保守59E.coliE.coli的的orioriC C结构模式：构模式：a.a.OriOriC C内富含内富含A-TA-T序列和序列和4 4个个9 9碱基碱基对重复序列的分布；重复序列的分布；b.b.在在orioriC C处复制起始模式复制起始模式E.coli 的的oriC结结构模式：构模式：a.OriC内富含内富含A-T序序60由大肠杆菌由大肠杆菌oriC复制起始点复制起始点处引发的处引发的DNA复制过程复制过程大约大约20个个DnaA蛋白在蛋白在ATP的作用下的作用下与与oriC处的处的4个个9 bp保守序列相结合。保守序列相结合。在在Hu蛋白和蛋白和ATP的共同作用下，的共同作用下，DnaA复制起始复合物使复制起始复合物使3x13 bp直接直接重复序列变形，形成开链。重复序列变形，形成开链。DnaB（解链酶）六体分别与单链（解链酶）六体分别与单链DNA相结合（需要相结合（需要DnaC的帮助）进的帮助）进一步解开一步解开DNA双链。双链。与引物结合，起始与引物结合，起始DNA复制。复制。由大由大肠肠杆菌杆菌oriC复制起始点大复制起始点大约约20个个DnaA蛋白在蛋白在ATP的的611.1DNA1.1DNA双螺旋的解旋双螺旋的解旋首首先先在在拓拓扑扑异异构构酶的的作作用用下下解解开开负超超螺螺旋旋，并并由由DNADNA解解链酶(DNA(DNA helicase)helicase)DnaBDnaB解开双解开双链;接接着着由由SSBSSB蛋蛋白白(单链结合合蛋蛋白白）来来稳定定解解开开的的单链，以以保保证该局局部部结构构不不会会恢恢复复为双双链。在在RNARNA引引物物的的引引导下下起起始始子子链的合成的合成DNADNA解链酶解链酶RNARNA引物引物D DN NA A结结合合蛋蛋白白DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶 1.1 DNA双螺旋的解旋双螺旋的解旋DNA解解链链酶酶RNA引物引物DDNA621.1.1 DNA解解链酶(DNA helicase)l模模板板对复复制制的的指指导作作用用在在于于碱碱基基的的准准确确配配对，而而碱碱基基却却埋埋在在双螺旋的内部。只有把双螺旋的内部。只有把DNADNA解开成解开成单链，才能起模板作用。，才能起模板作用。l通通过水解水解ATPATP获得能量来解开双得能量来解开双链DNADNA；方向；方向为5 5 3 3。1.1.1 DNA解解链链酶酶(DNA helicase)模模63DNADNA双螺旋的解旋双螺旋的解旋DNA双螺旋的解旋双螺旋的解旋64大大肠杆菌中杆菌中解旋解旋酶DnaB作作为引引发体成体成员，参与复制叉的形，参与复制叉的形成，利用成，利用ATP水解的能量解开双螺旋，推水解的能量解开双螺旋，推动复制叉向前延伸复制叉向前延伸 大大肠肠杆菌中解旋杆菌中解旋酶酶DnaB作作为为引引发发体成体成员员，参与复制叉的形成，利，参与复制叉的形成，利65解旋解旋酶沿着复制叉向前延伸沿着复制叉向前延伸产生了一段生了一段单链，细胞胞内大量的内大量的单链结合蛋白能和合蛋白能和单链结合，防止其重新合，防止其重新配配对形成双形成双链1.1.2 单链结合蛋白（合蛋白（SSB）解旋解旋酶酶沿着复制叉向前延伸沿着复制叉向前延伸产产生了一段生了一段单链单链，细细胞内大量的胞内大量的单链结单链结合合66SSBSSB的作用：的作用：1.1.使使DNADNA单链保持一种伸展构象，它保持一种伸展构象，它们与磷酸骨架与磷酸骨架结 合，合，离开暴露的碱基，所以那些碱基可以作离开暴露的碱基，所以那些碱基可以作为DNADNA合成的模板；合成的模板；2.2.使解开的使解开的单链不形成不形成发卡卡结构；构；3.3.保保护DNADNA单链不受不受DnaseDnase水解。水解。SSBSSB结合合DNADNA单链，有的具有，有的具有协同性同性(cooperativebinding)(cooperativebinding)：一个：一个SSBSSB四聚体四聚体结合于合于单链DNADNA上可以促上可以促进其他其他SSBSSB四聚体四聚体现相相邻的的单链DNADNA结合。合。SSB的作用：的作用：SSB结结合合DNA单链单链，有的具有，有的具有协协同性同性(coop67SSBSSB可以重复使用，当新生的可以重复使用，当新生的DNADNA链合成到某一位置合成到某一位置时，该处的的SSBSSB便会脱落，并被重复利用便会脱落，并被重复利用 SSB可以重复使用，当新生的可以重复使用，当新生的DNA链链合成到某一位置合成到某一位置时时，68拓扑异构体（拓扑异构体（topoisomer)topoisomer)：具：具有不同螺旋数的同一有不同螺旋数的同一DNADNA分子两分子两种异构体。种异构体。拓扑异构拓扑异构酶：可使：可使DNADNA的两种拓的两种拓扑异构体互扑异构体互变的的酶。DNADNA在在细胞内以超螺旋状胞内以超螺旋状态存在，存在，DNADNA拓扑拓扑酶催化同一催化同一DNADNA分子不同分子不同超螺旋状超螺旋状态之之间的的转变。拓扑异构拓扑异构酶的功能：与的功能：与DNADNA形成形成共价共价结合中合中间体，使体，使DNADNA磷酸二磷酸二酯键断裂，形成断裂，形成DNAnickDNAnick，DNADNA的一条的一条链进行解旋，旋行解旋，旋转而改而改变DNADNA分子的拓扑状分子的拓扑状态。1.1.3 DNA拓扑异构拓扑异构酶拓扑异构体（拓扑异构体（topoisomer)：具有不同螺旋数的同一：具有不同螺旋数的同一DN69第二章染色体与第二章染色体与课课件件70拓扑异构拓扑异构酶可使可使DNA发生：生：连环化（化（catenate)；脱；脱连环化化(decatenate)；打；打结（knot)；解；解结（unknot)拓扑异构拓扑异构酶酶可使可使DNA发发生：生：连环连环化（化（catenate)；脱；脱连环连环711.2DNA1.2DNA复制的引复制的引发DNADNA合成合成时需要一段需要一段RNARNA作作为引物，它是由引物引物，它是由引物酶合成的。合成的。引物引物酶以以单链DNADNA为模板，利用核糖核苷酸直接从模板，利用核糖核苷酸直接从头合成合成RNARNA（6-10nt)6-10nt)，作，作为DNADNA合成的引物。合成的引物。1.2 DNA复制的引复制的引发发DNA 合成合成时时需要一段需要一段RNA作作为为引物引物72无无论前前导链还是后随是后随链开始开始DNADNA合成合成时，都需要，都需要RNARNA引物引物引引发复制，复制，对于前于前导链来来说这一引一引发过程比程比较简单，只，只要有一段要有一段RNARNA引物，引物，DNADNA聚合聚合酶就能以此就能以此为起点一直合成起点一直合成下去。下去。但但对于后随于后随链来来说，引，引发过程就复程就复杂多了，需要多种蛋多了，需要多种蛋白白质和和酶的的协同作用，同作用，还牵涉涉冈崎片段的形成和崎片段的形成和链接。接。无无论论前前导链还导链还是后随是后随链链开始开始DNA合成合成时时，都需要，都需要RNA引物引引物引发发复复73引引发体的形成体的形成后随后随链的引的引发过程是由引程是由引发体完成，体完成，这需要很多蛋白因需要很多蛋白因子的参与。子的参与。DnaADnaA蛋白蛋白识别起始序列并起始序列并结合于合于oriCoriC的的9bp9bp重复序列，重复序列，形成形成oriCoriC负超螺旋包裹在外，超螺旋包裹在外，20-4020-40个个DnaADnaA蛋白在内的蛋白在内的复合物。复合物。HUHU蛋白参与并促蛋白参与并促进DnaADnaA蛋白蛋白识别3 3个个13bp13bp串串联重复序重复序列使列使DNADNA熔熔链形成开放复合物，解形成开放复合物，解链部分部分约为45bp45bp。引引发发体的形成后随体的形成后随链链的引的引发过发过程是由引程是由引发发体完成，体完成，这这需要很多蛋白因需要很多蛋白因74DnaBDnaB和和DnaCDnaC（引（引发体成体成员）蛋白蛋白进入熔入熔链区形成前引物复区形成前引物复合体，合体，DnaCDnaC可推可推动解旋解旋酶DnaBDnaB与与DNADNA的的结合。合。SSBSSB结合在被解开的合在被解开的单链上，上，由由n n、n n、n n”、DnaBDnaB、DnaCDnaC和和DnaIDnaI等等6 6种蛋白种蛋白质组成引成引发前体前体(preprimosome)(preprimosome)。DnaB和和DnaC（引（引发发体成体成员员）蛋白）蛋白进进入熔入熔链链区形成前引物复区形成前引物复75引引发前体前体进一步与引物一步与引物酶(DnaG(DnaG，primase)primase)组装成装成引引发体体(primosome)(primosome)。DNApolDNApol组装和复装和复制叉上二聚体形成。制叉上二聚体形成。引引发体在复制叉先合成体在复制叉先合成先先导链的的RNARNA引物，再合引物，再合成后滞成后滞链的引物。的引物。引引发发前体前体进进一步与引物一步与引物酶酶(DnaG，primase)组组装成引装成引76鸟类、两栖类、鱼类红细胞分离的H5均有种的特异性。Harley(1989)真核细胞DNA复制的3个水平的调控引物酶以单链DNA为模板，利用核糖核苷酸直接从头合成RNA（6-10nt)，作为DNA合成的引物。模板对复制的指导作用在于碱基的准确配对，而碱基却埋在双螺旋的内部。人类22对常染色体及性染色体氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异性，而对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。生理功能主要是起修复DNA的作用。3 冈崎片段与半不连续复制两个IS序列不能单独移动.第三节 DNA的复制接着由SSB蛋白(单链结合蛋白）来稳定解开的单链，以保证该局部结构不会恢复为双链。OriC内富含A-T序列和4个9碱基对重复序列的分布；two halves of sliding clamp间期：DNA合成前期(G1),合成期(S),后期(G2)它的5 3核酸外切酶活性也可用来除去冈崎片段5端RNA引物，使冈崎片段间缺口消失，保证连接酶将片段连接起来。转换（2/3）：CT，A G这些蛋白质在维持染色体结构中起着重要作用。小 大例如，N端的半条链上净电荷为+16，C端只有+3，大部分疏水基团都分布在C端。引引发体在滞后体在滞后链上沿上沿5 533方向相方向相对移移动，并在模板，并在模板链上断断上断断续续地引地引发生成滞后生成滞后链的引物的引物RNARNA，供，供DNADNA聚合聚合酶合合成成冈崎片段使用。在崎片段使用。在RNARNA引物引物3 3端端DNADNA开始聚合。开始聚合。鸟类鸟类、两栖、两栖类类、鱼类红细鱼类红细胞分离的胞分离的H5均有种的特异性。均有种的特异性。引引发发体在体在77335535OK!How?5353合成方向的问题：合成方向的问题：DNADNA聚合聚合酶只能以只能以5353方向合成方向合成DNA;DNA;事事实上没有上没有发现DNADNA能按能按3535合成的合成的证据据1.31.3冈崎片段与半不崎片段与半不连续复制复制3535OK!How?5353合成方向的合成方向的78为为了了解解释释DNA的的等等速速复复制制现现象象,日日本本学学者者冈冈崎崎(Okazaki)等等 提提 出出 了了DNA的的半半不不连连续续复复制制模模型型(semi-discontinuous replication).为为了解了解释释DNA的等速复制的等速复制现现象象,日本学者日本学者冈冈崎崎(Okazaki)79DNA 的半不连续复制：的半不连续复制：semi-discontinuousOkazakis(1968)；Reiji Okazaki was born near Hiroshima,Japan,in 1930.He was a teenager there at the time of the explosion of the first of two nuclear bombs that the US dropped at the end of World War II.His scientific career was cut short by his untimely death from cancer in 1975 at the age of 44,perhaps related to his exposure to the fallout of that blast.DNA 的半不的半不连续连续复制：复制：semi-discontinuous80*46*4681在在DNA上存在着复制上存在着复制终止位点，复制叉在此位点相遇止位点，复制叉在此位点相遇E.coli的的DNA复制复制终点序列（点序列（23bp）：）：AATTAGTATGTTGTAACTAAAGTTTAATCATACAACATTGATTTCA终止序列可被止序列可被Tus蛋白（蛋白（tus基因基因编码）识别，并，并结合于其上，合于其上，阻止阻止DnaB的解的解链作用，使作用，使DNA复制在复制在终止位点止位点终止。止。1.4 复制终止复制终止在在DNA上存在着复制上存在着复制终终止位点，复制叉在此位点相遇止位点，复制叉在此位点相遇E.coli82大肠杆菌大肠杆菌DNA复复制终止区的结构制终止区的结构 E.coliE.coli的两个复制叉在相距的两个复制叉在相距终点点100kb100kb时，复制速度减慢，复制速度减慢，从而从而协调2 2个复制叉到达的个复制叉到达的时间。大大肠肠杆菌杆菌DNA复制复制终终止区的止区的结结构构 E.coli的两个复制叉在相的两个复制叉在相83子代子代DNA的分离的分离 解链解链复制体解体复制体解体解开缠绕解开缠绕连锁体分离连锁体分离子代子代DNA的分离的分离 解解链链复制体解体解开复制体解体解开缠绕连锁缠绕连锁体分离体分离84已知大肠杆菌存在已知大肠杆菌存在DNA聚合酶聚合酶I、II、III、IV和和V。DNA聚聚合合酶酶I 非非主主要要聚聚合合酶酶，可可确确保保DNA合合成成的的准准确确性性，去去除除冈崎崎片片段段5端端RNA引引物物，使使冈崎崎片片段段缺缺口消失。口消失。DNA聚合酶聚合酶II 主要生理功能主要生理功能为修复修复DNA。DNA聚合酶聚合酶III 为主主导聚合聚合酶酶。DNA聚合酶聚合酶IV和和V主要在主要在SOS修复中起作用。修复中起作用。原核生物原核生物DNA聚合酶聚合酶1.5 DNA聚合酶聚合酶已知大已知大肠肠杆菌存在杆菌存在DNA聚合聚合酶酶I、II、III、IV和和V。原核。原核85DNA Polymerase I科恩伯格等（科恩伯格等（19561956）在大）在大肠杆菌提取液中杆菌提取液中发现的的DNADNA聚合聚合酶，因此也被称，因此也被称为科恩伯格科恩伯格酶DNA Polymerase I科恩伯格等（科恩伯格等（1956）在大）在大肠肠86不可思议不可思议!l53外切核酸酶外切核酸酶l 35外切核酸酶外切核酸酶l 53DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶 I一条单一肽链至少具有三种不同的酶活性！一条单一肽链至少具有三种不同的酶活性！不可思不可思议议!DNA 聚合聚合酶酶 I87DNA聚聚合合酶酶I 不不是是复复制制大大肠肠杆杆菌菌染染色色体体的的主主要要聚聚合合酶酶，它它有有 35核核酸酸外外切切酶酶活活性性,保保证证了了DNA复复制的准确性制的准确性。它的它的5 3核酸外切酶活性也可用来除去冈崎片段核酸外切酶活性也可用来除去冈崎片段5端端RNA引物，使冈崎片段间缺口消失，引物，使冈崎片段间缺口消失，保证连接保证连接酶将片段连接起来酶将片段连接起来。DNA聚合聚合酶酶I 不是复制大不是复制大肠肠杆菌染色体的主要聚合杆菌染色体的主要聚合酶酶，它有，它有 388DNADNA聚聚合合酶IIII的的活活性性很很低低，只只有有DNADNA聚聚合合酶I I的的5%5%，所所以以也也不不是是复复制制中中主主要要的的酶。具具有有5 533方方向聚合向聚合酶活性和活性和3 355核酸外切核酸外切酶活性。活性。生理功能主要是生理功能主要是起修复起修复DNADNA的作用的作用。DNA Polymerase IIDNA聚合聚合酶酶II的活性很低，只有的活性很低，只有DNA聚合聚合酶酶I的的5%，所以也，所以也89DNA Polymerase III 它的它的聚合活性聚合活性较强，为DNADNA聚合聚合酶I I的的1515倍，聚倍，聚 合合酶酶IIII的的300300倍。倍。它能在引物的它能在引物的3 3OHOH上以每分上以每分钟约5 5万个核苷酸的万个核苷酸的速率延速率延长新生的新生的DNADNA链，是大，是大肠杆菌杆菌DNADNA复制中复制中链延延长反反应的的主主导聚合聚合酶。DNA Polymerase III 它的聚合活性它的聚合活性较较强强，为为D90第二章染色体与第二章染色体与课课件件91DNA Polymerase IIIDNA Polymerase III92 亚基形成一个围绕亚基形成一个围绕DNADNA的环状钳的环状钳two halves of sliding clampclamped polymerase tethered on DNA亚亚基形成一个基形成一个围绕围绕DNA的的环环状状钳钳two halves of 93DNA聚合聚合酶I(去除去除冈崎片段崎片段5端端RNA引物引物）DNA聚合聚合酶I、II、III(校正活性校正活性)DNA聚合聚合酶III(主要的合成主要的合成酶)DNA聚合聚合酶酶IDNA聚合聚合酶酶I、II、IIIDNA聚合聚合酶酶III94 DNADNA聚合聚合酶IVIV和和V V分分别由由dinBdinB和和umuDumuD2 2C C基因基因编码，主要在主要在SOSSOS修复修复过程程中中发挥功能。功能。DNA Polymerase IV&V DNA聚合聚合酶酶IV和和V分分别别由由dinB和和umuD2C基因基因编码编码951 1、都以、都以dNTP为底物为底物。2、都需要、都需要Mg2+激活激活。3、聚合时必须有、聚合时必须有模板链模板链和具有和具有 3-OH末端的末端的引物链引物链。4、链的延伸都方向为、链的延伸都方向为53。DNA聚合酶的共同点：聚合酶的共同点：1、都以、都以dNTP为为底物。底物。2、都需要、都需要Mg2+激活。激活。3、聚合、聚合时时必必96三种三种DNADNA聚合酶在决定聚合酶在决定DNADNA合成合成方面的共同特性方面的共同特性三三种种酶酶都都只只有有聚聚合合酶酶的的功功能能，而而没没有有聚聚合合酶酶功功能能，说说明明DNADNA链链的的延延伸伸只只能能从从5 5向向3 3端进行端进行。它它们们都都没没有有直直接接起起始始合合成成DNADNA的的能能力力，只只能能在在引引物物存存在在下下进进行行链链的的延延伸伸，因因此此，DNADNA的的合合成成必必须须有有引引物引导物引导才能进行。才能进行。三三种种酶酶都都有有核核酸酸外外切切酶酶的的功功能能，可可对对合合成成过过程程中中的错误进行校正，而保证的错误进行校正，而保证DNADNA复制的高度准确性。复制的高度准确性。三种三种DNA聚合聚合酶酶在决定在决定DNA合成合成方面的共同特性方面的共同特性三种三种酶酶都只都只971.6 DNA1.6 DNA连接酶（连接酶（DNA LigaseDNA Ligase）催化单链DNA切口上5-P和3-OH形成磷酸二酯键1.6 DNA连连接接酶酶（DNA Ligase）催化）催化单链单链DNA切切98l所需条件：所需条件：a a、切刻的、切刻的 3 3OH OH 和和 5 5P P 相邻相邻 b b、切刻各自碱基处于配对状态、切刻各自碱基处于配对状态 c c、需要能量需要能量 原核（原核（ATPATP、NADNAD）真核（真核（ATPATP）l用途：用途：复制过程中，复制过程中，5 5 端端RNARNA引物被置换引物被置换后切刻的连接，后切刻的连接，修复、重组修复、重组所需条件：所需条件：992.2.真核生物中真核生物中DNADNA的复制特点的复制特点(1)特点：特点：2 2)、冈崎片段崎片段长约200bp.200bp.3 3)、真核生物、真核生物DNADNA复制速度比原核慢。复制速度比原核慢。4 4)、真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复、真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制；而在快速生制；而在快速生长的原核中，起点可以的原核中，起点可以连续发动复制。复制。真核生物快速生真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。，往往采用更多的复制起点。5 5)、真核生物有多种（、真核生物有多种（1515种以上）种以上）DNADNA聚合聚合酶。6 6)、真核生物、真核生物线性染色体两端有端粒性染色体两端有端粒结构，防止染色体构，防止染色体间的的末端末端连接。由端粒接。由端粒酶负责新合成新合成链5 5 RNARNA引物切除后的填引物切除后的填补，亦保持，亦保持端粒的一定端粒的一定长度度。1 1)、真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，、真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子；多复制子；2.真核生物中真核生物中DNA的复制特点的复制特点(1)特点：特点：2)、冈冈崎片段崎片段100真核生物的真核生物的DNADNA复制只在复制只在S S期期进行行真核生物的真核生物的DNA复制只在复制只在S期期进进行行101原核生物染色体原核生物染色体DNADNA复制复制真核生物染色体真核生物染色体DNADNA复制复制真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子；复制子；原核生物染色体原核生物染色体DNA复制真核生物染色体复制真核生物染色体DNA复制真核生物染色复制真核生物染色102真核生物的每一个染色体真核生物的每一个染色体皆含有皆含有许多个复制子。复多个复制子。复制叉前制叉前进的速度大的速度大约只有只有大大肠杆菌的杆菌的1/201/20。可能原。可能原因是真核生物的因是真核生物的DNADNA与与组蛋白构成核小体，蛋白构成核小体，对复制复制叉的前叉的前进造成阻碍。人造成阻碍。人类的复制叉每秒的复制叉每秒约前前进100bp100bp；复制整个基因体；复制整个基因体需需8h8h。果。果蝇的复制整个基的复制整个基因因组仅需需3-4min3-4min。真核生物的每一个染色体皆含有真核生物的每一个染色体皆含有许许多个复制子。复制叉前多个复制子。复制叉前进进的速度大的速度大103复制原点的特征：复制原点的特征：啤酒酵母的啤酒酵母的ARSARS分布在分布在100100200bp200bp的的DNADNA序列中，序列中，ARSARS包括一个包括一个共有序列共有序列(A)(A)和附加元件和附加元件(B1-B3)(B1-B3)。A A元件在芽殖酵母中高度保元件在芽殖酵母中高度保守，是复制起始所必需的，富含守，是复制起始所必需的，富含ATAT、11bp11bp序列，是序列，是复制起始复制起始识别复合物复合物（originrecognitioncomplex,ORCoriginrecognitioncomplex,ORC）结合合复制起复制起始位点始位点所必需的，所必需的，对起始因子在复制起始位点的起始因子在复制起始位点的组装起基本作装起基本作用。用。ORC复制原点的特征：复制原点的特征：ORC104真核生物真核生物DNADNA聚合聚合酶真核生物也有多种真核生物也有多种DNApolDNApol，通常，通常细胞中有胞中有1515种以上。在哺乳种以上。在哺乳动物物细胞中主胞中主要有要有5 5种种DNADNA聚合聚合酶，分，分别为DNADNA聚合聚合酶、。真核生物中的真核生物中的DNADNA聚合聚合酶聚合反聚合反应机制与原核生物的相似。机制与原核生物的相似。真核生物真核生物DNA聚合聚合酶酶真核生物也有多种真核生物也有多种DNA pol，通常，通常细细胞胞105（2）.端粒结构与功能端粒结构与功能端粒：真核染色体两臂末端由特定的端粒：真核染色体两臂末端由特定的DNA重复序列构成的结构。重复序列构成的结构。使正常染色体端部间不发生融合，保证每条染色体的完整性。使正常染色体端部间不发生融合，保证每条染色体的完整性。（2）.端粒端粒结结构与功能端粒：真核染色体两臂末端由特定的构与功能端粒：真核染色体两臂末端由特定的DN106端粒的功能：端粒的功能：维持染色体的完整性，决定持染色体的完整性，决定细胞的寿命。若无端粒，两胞的寿命。若无端粒，两个染色体末端很可能融合一起。个染色体末端很可能融合一起。解决末端复制解决末端复制问题。端粒。端粒酶能与端粒作用，延伸其能与端粒作用，延伸其长度。度。产生端粒问题的原产生端粒问题的原因是因是DAN复制需要复制需要RNA引物，而引物，而RNA引物最终被降解，引物最终被降解，可能导致线状可能导致线状DNA端部不断变短，信端部不断变短，信息丢失。息丢失。端粒的功能：端粒的功能：产产生端粒生端粒问题问题的原因是的原因是DAN复制需要复制需要RNA引物，而引物，而107端聚酶端聚酶也称为端粒酶或端粒末端转移酶，由蛋白质和也称为端粒酶或端粒末端转移酶，由蛋白质和RNA两种成分组成，其中蛋白质具有逆转录酶的活性，两种成分组成，其中蛋白质具有逆转录酶的活性，其三维结构与其它逆转录酶有明显的相似性，而其三维结构与其它逆转录酶有明显的相似性，而RNA含含有有1.5拷贝的端粒拷贝的端粒DNA重复序列，这一部分序列作为逆转重复序列，这一部分序列作为逆转录酶的模板。不同来源的端聚酶在录酶的模板。不同来源的端聚酶在RNA长度上变化很大，长度上变化很大，但它们都形成特定的二级结构，作为模板的那一部分序列但它们都形成特定的二级结构，作为模板的那一部分序列处于单链状态，以方便它与端粒区的重复序列结合，并有处于单链状态，以方便它与端粒区的重复序列结合，并有效地充当逆转录的模板。效地充当逆转录的模板。端聚酶的结构与功能端聚酶的结构与功能端聚端聚酶酶也称也称为为端粒端粒酶酶或端粒末端或端粒末端转转移移酶酶，由蛋白，由蛋白质质和和RNA两种成分两种成分108端聚酶的结构模型端聚酶的结构模型 端聚端聚酶酶的的结结构模型构模型 109初步研究表明，人体中生殖细胞的端粒长度保持不变，初步研究表明，人体中生殖细胞的端粒长度保持不变，而体细胞的端粒长度则随个体的老化而逐步缩短。对此而体细胞的端粒长度则随个体的老化而逐步缩短。对此的一个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活力，体细胞的一个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活力，体细胞则否。这一问题的解决无疑会有助于对生命衰老的认识则否。这一问题的解决无疑会有助于对生命衰老的认识53AAAACCCCAAAACCCCCCA端粒酶端粒酶初步研究表明，人体中生殖初步研究表明，人体中生殖细细胞的端粒胞的端粒长长度保持不度保持不变变，而体，而