细胞生物学课件-课件1

教学内容：教学内容：一、细胞的结构与功能一、细胞的结构与功能 细胞的统一性和多样性；真核细胞的结构（主要细胞器、细胞骨细胞的统一性和多样性；真核细胞的结构（主要细胞器、细胞骨架）架）二、细胞的生活和调控二、细胞的生活和调控 细胞的增殖、分化、衰老和死亡；细胞信号转导细胞的增殖、分化、衰老和死亡；细胞信号转导三、基因组的维持三、基因组的维持 真核基因组的结构、染色质结构及其调控；真核基因组的结构、染色质结构及其调控；DNADNA的复制的复制 、修复和转、修复和转座座四、基因组的表达和调控四、基因组的表达和调控 转录、翻译的机制；原核和真核生物的基因调控；调控转录、翻译的机制；原核和真核生物的基因调控；调控RNA RNA 五、分子及细胞生物学研究技术五、分子及细胞生物学研究技术 基因组的维持基因组的维持 p 真核基因组的结构真核基因组的结构p 染色质结构及其调控染色质结构及其调控p DNA DNA的复制的复制 、修复和转座、修复和转座精品资料你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早”真核基因组的结构真核基因组的结构4135uDNA的结构与功能的结构与功能u核小体核小体u基因与基因组基因与基因组 核核酸酸（nucleic acid)是是以以核核苷苷酸酸为为基基本本组组成成单单位位的的生生物物大大分分子子。天天然然存存在在的的核核酸酸有有两两类类，一一类类为为脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸（deoxyribonucleic acid,DNA)，另另一一类为核糖核酸（类为核糖核酸（ribonuleic acid,RNA)。DNA存存在在细细胞胞核核和和线线粒粒体体内内，携携带带和和传传递递遗遗传传信息，决定细胞和个体的基因型（信息，决定细胞和个体的基因型（gene type)。RNA存存在在于于细细胞胞质质和和细细胞胞核核内内，参参入入细细胞胞内内DNA遗传信息的表达。遗传信息的表达。病毒中，病毒中，RNA也可作为遗传信息的载体。也可作为遗传信息的载体。Section 1 DNASection 1 DNA的结构与功能的结构与功能一、一、DNADNA的一级结构的一级结构 4种核苷酸的连接及排列顺序 四种脱氧核糖核苷酸分别表示为：dAMP、dGMP、dTMP、dCMPglycosidic bondphosphoester bondNucleoside DNA DNA是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都贮存在贮存在DNADNA分子中。分子中。这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在DNADNA分子分子上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同了。上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同了。DNADNA的一级结构的一级结构就是指核苷酸在就是指核苷酸在DNADNA分子中的排列顺分子中的排列顺序。因此测定序。因此测定DNADNA的碱基排列顺序是分子生物学的基本课的碱基排列顺序是分子生物学的基本课题之一。题之一。1.DNA1.DNA一级结构中贮存的生物遗传信息一级结构中贮存的生物遗传信息DNADNA分子的多样性分子的多样性 碱基的排列顺序，而构成了碱基的排列顺序，而构成了DNADNA分子的多样性分子的多样性 100bp DNA 100bp DNA分子可能排列方式就是分子可能排列方式就是4 4100100 DNA DNA中的碱基排列顺序是中的碱基排列顺序是DNADNA分子的重要属性分子的重要属性 4 4种种dNTPdNTP以以3 3、5 5磷酸二酯键相连构成一个磷酸二酯键相连构成一个没有分枝的没有分枝的线性大分子线性大分子。（与蛋白质比触觉不灵）。（与蛋白质比触觉不灵）。它们的两个末端分别称它们的两个末端分别称5 5末端（游离磷酸基）末端（游离磷酸基）和和3 3末端（游离羟基）末端（游离羟基）。2 2、DNADNA一级结构的基本特点一级结构的基本特点二、二、DNADNA的二级结构的二级结构1 1）主链）主链p脱氧核糖和磷酸基相互连接构成脱氧核糖和磷酸基相互连接构成DNADNA的主链。的主链。p从从化学键化学键的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸链的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸链是反向平行的。是反向平行的。p二条主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内部，二条主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内部，由于糖和磷酸根的化学性质，主链是亲水的。由于糖和磷酸根的化学性质，主链是亲水的。p两条链形成两条链形成右手螺旋右手螺旋，有共同的螺旋轴，螺旋的，有共同的螺旋轴，螺旋的直径是直径是20A20A。1.1.双螺旋的基本特征双螺旋的基本特征Schematic modelSpace-filling model 右手双螺旋构象是右手双螺旋构象是DNA最为常见的结构最为常见的结构-B型型DNA。DNA二级结构可分为两大类：一类是右手螺旋，如：二级结构可分为两大类：一类是右手螺旋，如：B-DNA、CDNA、D-DNA、E-DNA、A-DNA；另一；另一类是局部的左手螺旋，即类是局部的左手螺旋，即Z-DNA。Watson和和Crick于于1953年根据年根据DNA纤维纤维X射线晶体衍射射线晶体衍射图，提出了图，提出了DNA为右手双螺旋结构的科学假设为右手双螺旋结构的科学假设ABZ在在A-TA-T丰富的区段，丰富的区段，DNADNA常呈现常呈现B-DNAB-DNA。在转录状态，在转录状态，DNADNA与与RNARNA的杂合链呈现的杂合链呈现A-DNAA-DNA。虽然虽然B-DNAB-DNA是最常见的构象，但是是最常见的构象，但是A-DNAA-DNA和和Z-Z-DNADNA似乎具有不同的生物活性。似乎具有不同的生物活性。PropellerTwistBuckleTextbookReal Life2 2）碱基对）碱基对 这这两两种种碱碱基基对对（A/T,G/CA/T,G/C）有有一一个个重重要要的的特特征征，就就是是它它们们具具有有二二次次旋旋转转对对称称性性，即即一一对对碱碱基基对对旋旋转转180180O O,并并不不影影响响双双螺螺旋旋的的对对称称性性，因因此此双双螺螺旋旋结结构构只只限定了配对的方式，并不限定碱基的顺序。限定了配对的方式，并不限定碱基的顺序。碱碱基基环环是是一一个个共共轭轭环环，本本身身构构成成一一个个平平面面分分子子。在在双双螺螺旋旋中中这这个个平平面面垂垂直直于于螺螺旋旋轴轴，相相邻邻的的两两个个碱碱基基上上下下间间隔隔3.4A,3.4A,每每十十对对碱碱基基组组成成一一节节螺螺旋旋，因因此此双双螺螺旋旋的的螺螺距距是是34A34A。一一条条链链中中每每个个相相邻邻的的碱碱基基方方向向相相差差36360 0。碱碱基基之之间间的的疏疏水水作作用用可可导导致致碱碱基基堆堆集集，这这个个引力同碱基对之间氢键一起稳定了双螺旋结构。引力同碱基对之间氢键一起稳定了双螺旋结构。沿沿螺螺旋旋轴轴方方向向观观察察，配配对对的的碱碱基基并并不不充充满满双双螺螺旋旋的空间。的空间。由由于于碱碱基基对对的的方方向向性性，使使得得碱碱基基对对占占据据的的空空间间是是不不对对称称的的，因因此此在在双双螺螺旋旋的的表表面面形形成成二二个个凹凹下下去去的的槽槽，一个槽大些，一个槽小些分别称为一个槽大些，一个槽小些分别称为大沟大沟和和小沟小沟。双双螺螺旋旋表表面面的的沟沟对对DNADNA和和蛋蛋白白质质的的相相互互识识别别是是很很重重要要的的，因因为为在在沟沟内内才才能能觉觉察察到到碱碱基基的的顺顺序序，而而在在双双螺螺旋旋的的表表面面，是是脱脱氧氧核核糖糖和和磷磷酸酸重重复复结结构构，没没有有信信息息可可言。言。3 3）大沟和小沟）大沟和小沟 决定决定DNADNA双螺旋结构状态的因素主要有以下几点：双螺旋结构状态的因素主要有以下几点：氢键氢键碱基堆积力碱基堆积力带负电荷的磷酸基的静电斥力带负电荷的磷酸基的静电斥力碱基分子内能碱基分子内能 DNADNA三三股股螺螺旋旋构构型型称称为为H-DNAH-DNA，是是在在DNADNA双双螺螺旋旋结结构构基碱上形成的。基碱上形成的。它它是是双双螺螺旋旋DNADNA分分子子中中一一条条链链的的某某一一节节段段，通通过过链链的折叠与同一分子中的折叠与同一分子中DNADNA结合而形成。结合而形成。三条链均为三条链均为同型嘌呤同型嘌呤或或同型嘧啶同型嘧啶，即整段的碱基均，即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶，其中两条链为正常双螺旋，第三条为嘌呤或嘧啶，其中两条链为正常双螺旋，第三条链位于链位于双螺旋的大沟双螺旋的大沟中。中。H-DNA H-DNA可在转录水平上阻止基因的转录，这就是反可在转录水平上阻止基因的转录，这就是反基因策略，或称基因策略，或称反基因技术反基因技术。2.2.三股螺旋三股螺旋DNADNA（H-DNAH-DNA）当当DNADNA双双链链中中含含有有H H回回文文序序列列时时，即即某某区区段段DNADNA两两条条链链分分别别为为HPuHPu和和HPyHPy，并并且且各各自自为为回回文文结结构构时时，任任一一条条回回文文结结构构的的5 5和和3 3部部分分都都可可以以形形成成分分了了子子内内三三股股螺螺旋旋结结构构及及剩剩余余的的半半条条回回文文结结构构游游离离单单链链。真真核核生生物物基基因因组组中中存存在在大大量量可可形形成成H-DNAH-DNA的的多多聚聚嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸和多聚嘧啶核苷序列。和多聚嘧啶核苷序列。它们位于：它们位于：调调控控区区DNADNA复复制制起起点点或或终终点点染染色色体体重重组组位位点点，提提示示它它们们可可能能与与基基因因表表达达调调控控DNADNA复复制制及及染染色色体体的的重重组组有关有关。DNADNA的三级结构指双螺旋链的扭曲。的三级结构指双螺旋链的扭曲。超超螺螺旋旋是是DNADNA三三级级结结构构的的一一种种形形式式，DNADNA在在核核小小体中的扭曲方式也是一种超螺旋结构。体中的扭曲方式也是一种超螺旋结构。超螺旋的超螺旋的生物学意义生物学意义可能是：可能是：1.1.使使DNADNA分分子子体体积积变变小小，对对其其在在细细胞胞的的包包装装过过程程有利。有利。2.2.影影响响双双螺螺旋旋的的解解链链过过程程,从从而而影影响响DNADNA分分子子与与其其它它分分子子(如如酶酶、蛋蛋白白质质、核核酸酸)之之间间的的相相互互作作用。用。三、三、DNADNA的三级结构的三级结构线状DNA形成的超螺旋环状DNA形成的超螺旋拓扑异构酶拓扑异构酶or溴化乙锭溴化乙锭拓扑异构酶拓扑异构酶or溴化乙锭溴化乙锭DNA扭曲与双螺扭曲与双螺旋相同（拧紧）旋相同（拧紧）DNA扭曲与双螺扭曲与双螺旋相反（松开）旋相反（松开）负超螺旋负超螺旋松弛松弛DNA正超螺旋正超螺旋在不同类型的在不同类型的拓扑异构酶拓扑异构酶作用下，作用下，DNADNA的可的可以在超螺旋和松弛以在超螺旋和松弛DNADNA形式之间转变。形式之间转变。拓拓扑扑异异构构酶酶可可以以催催化化DNADNA产产生生瞬瞬时时单单链链或或双双链链的的断断裂裂，从从而而改改变变连连环环数数（使使环环状状DNADNA两两条条链链完完全全分分开开时时，一一条条链链必必须须穿穿过过另另一一条条链链的的次数次数 ），），使超螺旋使超螺旋DNADNA解旋。解旋。在在原原核核和和真真核核生生物物中中都都存存在在去去除除超超螺螺旋旋的的拓拓扑异构酶扑异构酶I I和和IIII。拓扑异构酶拓扑异构酶 （Topoisomerases）拓扑异构酶拓扑异构酶I I:通过一步改变通过一步改变DNADNA的连环数，不需要的连环数，不需要ATPATP。使使DNADNA暂时产生暂时产生单链缺口单链缺口，让未被切割的一条单链在切，让未被切割的一条单链在切口结合之前穿过这一切口。口结合之前穿过这一切口。拓拓扑扑异异构构酶酶IIII：通通过过两两步步改改变变DNADNA的的连连环环数数，需需要要ATPATP提供能量。提供能量。在在DNADNA上上产产生生瞬瞬时时的的双双链链缺缺口口，并并在在缺缺口口闭闭合合以以前前使一小段未被切割的双链使一小段未被切割的双链DNADNA穿越这一缺口。穿越这一缺口。DNA的拓扑异构体可以通过电泳分离的拓扑异构体可以通过电泳分离n长度相同而连环数不同的共价闭合环状长度相同而连环数不同的共价闭合环状DNA分子叫做分子叫做DNA的拓扑异构体的拓扑异构体。n通过琼脂糖凝胶电泳可以将它们彼此分开通过琼脂糖凝胶电泳可以将它们彼此分开。松弛或有缺口的环状松弛或有缺口的环状线状线状超螺旋超螺旋溴乙锭（溴乙锭（EBEB）可以嵌）可以嵌入核酸分子的碱基对入核酸分子的碱基对平面之间，在紫外光平面之间，在紫外光照射下发出橙黄色的照射下发出橙黄色的荧光，常作为染料检荧光，常作为染料检测核酸的存在。测核酸的存在。1.1.信息量大，可以缩微；信息量大，可以缩微；2.2.表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理；制机理；3.3.核糖的核糖的2 2脱氧，在水溶液中稳定性好；脱氧，在水溶液中稳定性好；4.4.可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群体是有利的）；化对群体是有利的）；5.5.有有T T无无U U，基因组得以增大，而无，基因组得以增大，而无C C脱氨基成脱氨基成U U带来带来的潜在危险。（尿嘧啶的潜在危险。（尿嘧啶DNADNA糖苷酶可以灵敏识别糖苷酶可以灵敏识别DNADNA中的中的U U而随时将其剔除）。而随时将其剔除）。四、四、DNADNA作为遗传物质的主要优点作为遗传物质的主要优点五、五、DNA的变性、复性和分子杂交的变性、复性和分子杂交1、DNA的变性（的变性（denaturation）uDNA 溶溶液液温温度度在在高高于于生生理理温温度度或或者者pH较较高高时时，互互补补的的两两条条链链就就可可以以分分开开，这这一一过过程程叫叫做做Denaturation(变性变性)。uDNA变性：紫外吸收增加；变性：紫外吸收增加；uDNA的的热热变变性性称称为为DNA的的“融融解解”，50%DNA分子解链的温度称为分子解链的温度称为融点融点Tm表示；表示；u不同种类不同种类DNA有不同的有不同的Tm值；值；uTm随（随（G+C）%含量呈线性增加。含量呈线性增加。2、DNA的复性的复性DNA回复成双链结构，称为回复成双链结构，称为复性复性（renaturation）热变性经冷却后即可复性，称为热变性经冷却后即可复性，称为退火退火(annealing)来源不同的两条DNA链经变性后，通过缓慢降温形成的人工杂交的DNA分子的过程。互补的DNA和RNA链也可以形成杂交分子。杂交是分子杂交技术的基础，包括Southern 杂交、Northern 杂交、DNA芯片等。3、DNA 分子杂交分子杂交 (Hybridization)Section 2 Section 2 核小体核小体核小体是染色质包装的基本结构单位核小体是染色质包装的基本结构单位一、主要实验证据一、主要实验证据Isolated from interphase nucleus:30nm thickChromatin unpacked,show the nuclesome（）铺展染色质的（）铺展染色质的电镜观察电镜观察(2)用非特异性用非特异性微球菌核酸酶微球菌核酸酶消化染色质消化染色质,部分酶部分酶解片段检测结果解片段检测结果由由X-射线晶体衍射射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构所揭示的核小体三维结构（引自K.Luger等，1997）（）应用（）应用X X射线衍射、中子散射和电镜三维重射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究染色质结晶颗粒建技术研究染色质结晶颗粒（）SV40微小染色体分析与电镜观察微小染色体分析与电镜观察 二、二、核小体结构要点核小体结构要点(1)每每个个核核小小体体单单位位包包括括200bp左左右右的的DNA超超螺螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1。(2)组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。(3)146bp的的DNA分分子子超超螺螺旋旋盘盘绕绕组组蛋蛋白白八八聚聚体体1.75圈圈,组组蛋蛋白白H1在在核核心心颗颗粒粒外外结结合合额额外外20bp DNA，锁锁住住核核小小体体DNA的的进进出出端端，起起稳稳定定核核小小体体的的作作用用。包包括括组组蛋蛋白白H1和和166bp DNA的核小体结构又称的核小体结构又称染色质小体染色质小体。(4)两两个个相相邻邻核核小小体体之之间间以以连连接接DNA 相相连连，典型长度典型长度60bp，不同物种变化值为，不同物种变化值为080bp。(5)组组蛋蛋白白与与DNA之之间间的的相相互互作作用用主主要要是是结结构构性性的的，基基本本不不依依赖赖于于核核苷苷酸酸的的特特异异序序列列，实实 验验 表表 明明，核核 小小 体体 具具 有有 自自 组组 装装（self-assemble）的性质。）的性质。(6)核核小小体体沿沿DNA的的定定位位受受不不同同因因素素的的影影响响，进而通过核小体相位改变影响基因表达进而通过核小体相位改变影响基因表达。核小体的性质及结构要点示意图核小体的性质及结构要点示意图（引自B.Alberts等）在用微球菌核酸酶降解染色质时，反应早期可得到166bp的片段，但不稳定；进一步降解则得到146bp片段，比较稳定。推测可能原因是失去H1后，DNA两端各有10bp的DNA，易被核酸酶作用而降解。Chromatin PackingChromatin PackingSection 3 Section 3 基因与基因组基因与基因组 基因基因：表达一种蛋白质或功能：表达一种蛋白质或功能RNA的的基本单位。基本单位。基因组基因组：是指某种生物所包含的全套：是指某种生物所包含的全套基因。基因。人类基因组的人类基因组的C值在值在3109 bp；病毒病毒含含103105bp；细菌含；细菌含105107bp；基因与蛋白质基因与蛋白质1000bp(1kb)编码一个蛋白质；编码一个蛋白质；病毒含病毒含45个基因；个基因；大肠杆菌含大肠杆菌含30004000个基因；个基因；人人类类应应有有200300万万个个基基因因（3109 bp)，实际只有，实际只有10万个左右；万个左右；病病毒毒的的基基因因数数要要比比计计算算所所得得的的大大，因因为为有基因重叠现象。有基因重叠现象。结构简练，结构简练，DNADNA分子的绝大部分用来编码蛋分子的绝大部分用来编码蛋白质，不转录部分所占比例较小。白质，不转录部分所占比例较小。存在转录单元，功能相关的存在转录单元，功能相关的RNARNA和蛋白质基和蛋白质基因往往形成功能单位或转录单元，一起转录因往往形成功能单位或转录单元，一起转录成多顺反子的成多顺反子的mRNAmRNA。在一些细菌和病毒中有重叠基因，同一段的在一些细菌和病毒中有重叠基因，同一段的DNADNA能携带两种不同蛋白质的编码信息。能携带两种不同蛋白质的编码信息。原核生物基因组最大的特点是含有大量的重复序列，而且功能最大的特点是含有大量的重复序列，而且功能DNADNA序列大多被不编码蛋白质的非功能序列大多被不编码蛋白质的非功能DNADNA隔开。隔开。真核生物基因组基因组庞大基因组庞大存在大量重复序列存在大量重复序列基因组序列基因组序列90%90%以上的部分是非编码序列以上的部分是非编码序列转录产物是单顺反子转录产物是单顺反子真核基因一般都含有内含子真核基因一般都含有内含子存在大量的顺式元件存在大量的顺式元件存在大量的存在大量的DNADNA多态性多态性具有端粒结构具有端粒结构真核生物基因组的结构特点：染色质结构及其调控染色质结构及其调控染色质DNA与蛋白质染色质组装的模型常染色质和异染色质染色质结构与基因活化染色体染染色色质质（chromatin）:在在核核内内可可以以被被碱碱性性染料染料强烈着色的物质。强烈着色的物质。指指间间期期细细胞胞核核内内由由DNA、组组蛋蛋白白、非非组组蛋蛋白白及及少少量量RNA组组成成的的线线性性复复合合结结构构,是间期细胞遗传物质存在的形式。是间期细胞遗传物质存在的形式。DNA、组蛋白是染色质的稳定成分。、组蛋白是染色质的稳定成分。染色体染色体(chromosome):指指细细胞胞在在有有丝丝分分裂裂或或减减数数分分裂裂过过程程中中,由染色质聚缩而成的棒状结构。由染色质聚缩而成的棒状结构。染染色色质质与与染染色色体体是是在在细细胞胞周周期期不不同同的的功功能阶段能阶段可以相互转变可以相互转变的的形态结构的的形态结构染染色色质质与与染染色色体体具具有有基基本本相相同同的的化化学学组组成，但成，但包装程度不同包装程度不同,构象不同构象不同。Section 1 Section 1 染色质染色质DNADNA与蛋白质与蛋白质一、染色质、染色质DNADNA 在在真真核核细细胞胞中中，每每条条未未复复制制的的染染色色体体包包含含一一条条DNADNA分分子子，一一个个生生物物贮贮存存在在单单倍倍染染色色体体组组中中的的总总遗遗传传信信息息，称称为为该该生生物物的的基基因因组组（genomegenome）。基因组大小基因组大小通常随物种的复杂性而增加。通常随物种的复杂性而增加。Species Genome size SV40 5 103bpE.coli 4.6106bpYeast 2107bp Fruit fly 2108bpHuman 3109bp Some amphibian and plants have larger genome size than human.C C值与值与C C值矛盾值矛盾 染色质染色质DNA的类型：的类型：按序列在基因组中的拷贝数划分：按序列在基因组中的拷贝数划分：非重复序列（单拷贝序列）：拷贝数非重复序列（单拷贝序列）：拷贝数15 中度重复序列：拷贝数中度重复序列：拷贝数102105 高度重复序列：拷贝数高度重复序列：拷贝数105以上以上 按照序列的功能分：按照序列的功能分：蛋白质编码序列蛋白质编码序列 可编码的中度重复序列可编码的中度重复序列 重复序列重复序列DNADNA：不编码的中度重复序列：不编码的中度重复序列 高度重复序列高度重复序列 间隔间隔DNADNA（1）蛋白质编码序列：）蛋白质编码序列：所占比例随生物复杂程度的不同而异。所占比例随生物复杂程度的不同而异。主要是非重复的单一主要是非重复的单一DNA序列；也有多序列；也有多个拷贝的情况。个拷贝的情况。（2）串联重复序列）串联重复序列 （可编码的中度重复序列）（可编码的中度重复序列）一般的拷贝数是一般的拷贝数是20300个。个。编码产物包括编码产物包括tRNA，rRNA，snRNA和组和组蛋白。蛋白。Tandemly repeated genes encode identical or nearly identical proteins or functional RNAs.These genes are needed to meet the great cellular demand for their transcripts.（3）不编码的中度重复序列不编码的中度重复序列DNA：散在重复序列散在重复序列(interspersed repeats)DNA转座子转座子 假基因假基因 LTR反转座子反转座子 非非LTR反转座子反转座子 短散在元件短散在元件 长散在元件长散在元件（4）高度重复序列）高度重复序列DNA 简单序列简单序列DNA（simple sequence DNA）卫星卫星DNA（satellite DNA）：重复单位重复单位5100bp,主要分布在着丝粒部位主要分布在着丝粒部位 小卫星小卫星DNA（minisatellite DNA）：）：重复单位重复单位12100bp,常用于常用于DNA指纹分析指纹分析 微卫星微卫星DNA（microsatellite DNA）：）：重复单位重复单位15bp,用于遗传图谱构建和个体鉴定用于遗传图谱构建和个体鉴定二、染色质蛋白二、染色质蛋白负责负责DNA分子分子遗传信息的组织、复制和阅读遗传信息的组织、复制和阅读 分类：分类：组蛋白组蛋白(histone)：与与DNA非特异性结合非特异性结合 非组蛋白非组蛋白(nonhistone)：与特定的与特定的DNA序列或组蛋白结合序列或组蛋白结合 （一）组蛋白（一）组蛋白(histone)真真核核生生物物染染色色体体的的基基本本结结构构蛋蛋白白，富富含含带带正正电电荷荷的的Arg和和Lys等等碱碱性性氨氨基基酸酸，属属碱碱性性蛋蛋白白质质，可可以以和和酸酸性性的的DNA紧紧密密结结合合（非非特特异异性性结结合合）。聚聚丙丙烯烯酰酰胺胺凝凝胶胶电电泳泳（PAGE）可可以以区区分分出出5种不同的组蛋白：种不同的组蛋白：H1，H2A，H2B，H3，H4。（1）核核小小体体组组蛋蛋白白(nucleosomal histone)：H2B、H2A、H3和和H4,帮帮助助DNA卷卷曲曲形形成成核小体的稳定结构。核小体的稳定结构。没没有有种种属属及及组组织织特特异异性性，在在进进化化上上十十分分保守保守；组蛋白在功能上分成两组组蛋白在功能上分成两组（2）H1组组蛋蛋白白：在在构构成成核核小小体体时时，起起连连接接作用作用,它赋予染色质以极性。它赋予染色质以极性。有一定的种属及组织特异性，保守有一定的种属及组织特异性，保守性低于性低于核小体组蛋白。核小体组蛋白。（二）非组蛋白（二）非组蛋白 主主要要指指和和特特异异DNA序序列列结结合合的的蛋蛋白白，又又称称序序列列特特异异性性DNA结结合合蛋蛋白白(sequence specific DNA binding proteins)，可可以以通通过过凝胶阻滞实验检测。凝胶阻滞实验检测。A A 非组蛋白的非组蛋白的特性特性v非非组组蛋蛋白白具具有有多多样样性性，不不同同组组织织细细胞胞中中其其种种类类和和数数量量都都不不同同，代代谢谢周周转转快快。包包括括核核酸酸代代谢谢和和修修饰饰的的酶酶类类，骨骨架架蛋蛋白白，基基因因表表达达的的调调控控蛋蛋白白等。等。v识别识别DNADNA具有特异性具有特异性识识别别信信息息来来自自于于DNADNA序序列列自自身身，识识别别位位点点在在DNADNA双螺旋的大沟部分。双螺旋的大沟部分。v具具有有多多种种功功能能，包包括括基基因因表表达达的的调调控控和和染染色色质质高级结构的形成。高级结构的形成。B B 非组蛋白的非组蛋白的结构模式结构模式螺螺 旋旋-转转 角角-螺螺 旋旋 模模 式式(helix-turn-helix motif)锌指模式锌指模式(Zinc finger motif)亮氨酸拉链模式亮氨酸拉链模式(Leucine zipper motif，ZIP)螺螺旋旋-环环-螺螺旋旋结结构构模模式式(helix-loop-helix motif，HLH)HMG-盒结构模式（盒结构模式（HMG-box motif）Section 2Section 2、染色质组装的模、染色质组装的模型型1 染色质组装的前期过程染色质组装的前期过程组装过程（图组装过程（图519）解决高度压缩结构与转录要求的矛盾：解决高度压缩结构与转录要求的矛盾：通过染色质修饰酶的作用，使染色质通过染色质修饰酶的作用，使染色质更接近转录机器。包括对组蛋白尾部共价更接近转录机器。包括对组蛋白尾部共价修饰，以及破坏组蛋白修饰，以及破坏组蛋白DNA接触。接触。2.2.染色质包装的多级螺旋模型染色质包装的多级螺旋模型 (multiple coiling model)(multiple coiling model)一级结构：核小体一级结构：核小体(nucleosome)(nucleosome)二级结构：螺线管二级结构：螺线管(solenoid)(solenoid)三级结构：超螺线管三级结构：超螺线管(supersolenoid)(supersolenoid)四级结构：染色单体（四级结构：染色单体（chromatidchromatid）压缩压缩7 7倍倍 压缩压缩6 6倍倍 压缩压缩4040倍倍 压缩压缩5 5倍倍 DNA DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 超螺线管超螺线管 染色单体染色单体 非非组组蛋蛋白白构构成成的的染染色色体体骨骨架架(chromsomal scaffold)和由骨架伸出的无数的和由骨架伸出的无数的DNA侧环侧环30nm的的染染色色线线折折叠叠成成环环,沿沿染染色色体体纵纵轴轴,由由中央向四周伸出中央向四周伸出,构成构成放射环放射环。3.染色体的骨架放射环结构模型染色体的骨架放射环结构模型 (scaffold radial loop structure model)Evidence for Scaffold Radial Loop Model由螺线管形成由螺线管形成DNA复制环复制环,每每18个复制环呈个复制环呈放射状平面排列放射状平面排列,结合在核基质上形成结合在核基质上形成微带微带(miniband)。微带是染色体高级结构的单位。微带是染色体高级结构的单位,大约大约106个微带沿纵轴构建成个微带沿纵轴构建成子染色体子染色体。Section 3、常染色质和异染色质、常染色质和异染色质常染色质常染色质(euchromatin)异染色质异染色质(heterochromatin)常染色质常染色质(euchromatin)概概念念：指指间间期期核核内内染染色色质质纤纤维维折折叠叠压压缩缩程程度度低低,处处于于伸伸展展状状态态（典典型型包包装装率率750倍倍）,用用碱碱性性染染料料染色时着色浅的那些染色质。染色时着色浅的那些染色质。主主要要是是单单一一序序列列DNA和和中中度度重重复复序序列列DNA(如如组蛋白基因和组蛋白基因和tRNA基因基因)常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件。分条件。异染色质异染色质(heterochromatin)概概念念：指指间间期期细细胞胞核核中中,折折叠叠压压缩缩程程度度高高,处于聚缩状态的染色质组分。处于聚缩状态的染色质组分。类型类型结构异染色质（或组成型异染色质）结构异染色质（或组成型异染色质）(constitutive heterochromatin)兼性异染色质兼性异染色质 (facultative heterochromatin)结构异染色质的特点结构异染色质的特点 除除复复制制期期以以外外，在在整整个个细细胞胞周周期期均均处处于于聚聚缩缩状状态，形成多个染色中心态，形成多个染色中心。多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕等处；多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕等处；由相对简单、高度重复的由相对简单、高度重复的DNA序列构成；序列构成；具有显著的具有显著的遗传惰性遗传惰性,不转录也不编码蛋白质；不转录也不编码蛋白质；与与常常染染色色质质相相比比，复复制制上上表表现现为为晚晚复复制早聚缩；制早聚缩；在功能上参与染色质高级结构的形成，在功能上参与染色质高级结构的形成，导致染色质区间性，作为核导致染色质区间性，作为核DNA的转的转座元件，引起遗传变异。座元件，引起遗传变异。兼性异染色质兼性异染色质 在在某某些些细细胞胞类类型型或或一一定定的的发发育育阶阶段段,原原来来的的常常染染色色质质聚聚缩缩,并并丧丧失失基基因因转转录录活活性性,变变为异染色质，如为异染色质，如X染色体随机失活染色体随机失活.异异染染色色质质化化可可能能是是关关闭闭基基因因活活性性的的一一种种途径途径。常染色质与异染色质之间的转变常染色质与异染色质之间的转变常染色质与异染色质之间的转变常常伴随常染色质与异染色质之间的转变常常伴随着一些组蛋白和着一些组蛋白和DNADNA的修饰。的修饰。对不同对不同Lys位点甲基化位点甲基化产生不同的染色质状态产生不同的染色质状态A:代表转录激活代表转录激活R:代表转录抑制代表转录抑制四种核心组蛋白的修饰发生在四种核心组蛋白的修饰发生在N N端。端。组蛋白修饰的位点组蛋白修饰的位点:甲基化甲基化:Lys:Lys和和ArgArg 乙酰化乙酰化:Lys:Lys 磷酸化磷酸化:Ser:Ser不同组蛋白或同一个组蛋白在不同氨基酸不同组蛋白或同一个组蛋白在不同氨基酸残基上的修饰决定了染色质所处的状态。残基上的修饰决定了染色质所处的状态。例如：例如：H3K4、H3K36:该位点甲基化激活基因该位点甲基化激活基因转录转录,是活性染色质的标志。是活性染色质的标志。H3K9、H3K27、H4K20:该位点甲基化该位点甲基化调节染色质结构，是异染色质的标志。调节染色质结构，是异染色质的标志。Section 4 染色质结构与基因活化根据功能状态的不同，染色质可以分为：根据功能状态的不同，染色质可以分为：活性染色质（活性染色质（active chromatinactive chromatin）非活性染色质（非活性染色质（inactive chromatininactive chromatin）活性染色质是具有活性染色质是具有转录活性转录活性的染色质，这的染色质，这是由于是由于核小体的构型发生构象的变化核小体的构型发生构象的变化，往，往往具有疏松的染色质结构，从而便于转录往具有疏松的染色质结构，从而便于转录因子与顺式作用元件的结合、因子与顺式作用元件的结合、RNA聚合酶聚合酶在转录模板上的滑动。在转录模板上的滑动。大多数情况下，转录中染色质的大多数情况下，转录中染色质的DNA基本基本保持着同组蛋白的结合，只是随着转录的保持着同组蛋白的结合，只是随着转录的进行相应的核小体结构出现一系列的变化。进行相应的核小体结构出现一系列的变化。（1 1）活性染色质的结构特点）活性染色质的结构特点活性染色质具有活性染色质具有DNase I超敏感位点超敏感位点（DNasehypersensitive site）活化染色质对活化染色质对DNase 的优先敏感性是可的优先敏感性是可转录染色质的一个基本特征。转录染色质的一个基本特征。DNase I超敏感位点是超敏感位点是染色质上无核小体的染色质上无核小体的DNA区段，通常位于区段，通常位于5-启动子区，长度几启动子区，长度几百百bp。超敏感位点与启动子功能有关，可能为超敏感位点与启动子功能有关，可能为RNARNA聚合酶、转录因子、蛋白调控因子提供聚合酶、转录因子、蛋白调控因子提供结合位点。结合位点。活性染色质在生化上具有特殊性活性染色质在生化上具有特殊性活性染色质活性染色质很少有组蛋白很少有组蛋白H1与其结合；与其结合；活性染色质的组蛋白活性染色质的组蛋白乙酰化程度高乙酰化程度高；活性染色质的核小体组蛋白活性染色质的核小体组蛋白H2B很少被磷酸化很少被磷酸化；活活性性染染色色质质中中核核小小体体组组蛋蛋白白H2A在在许许多多物物种种很很少少有有变变异异形式形式；组蛋白组蛋白H3的变种的变种H3.3只在活跃转录的染色质中出现；只在活跃转录的染色质中出现；HMG14和和HMG17只存在于活性染色质中。只存在于活性染色质中。活性染色质在组蛋白修饰上的特异性活性染色质在组蛋白修饰上的特异性组蛋白的修饰，包括甲基化、乙酰化和磷组蛋白的修饰，包括甲基化、乙酰化和磷酸化直接影响染色质的活性。酸化直接影响染色质的活性。乙酰化一般是活性染色质的标志，而甲基乙酰化一般是活性染色质的标志，而甲基化和磷酸化则在两类染色质中都存在。化和磷酸化则在两类染色质中都存在。（2 2）染色质活化与基因激活）染色质活化与基因激活疏松染色质结构的形成是基因活化的前提。疏松染色质结构的形成是基因活化的前提。核小体相位的影响核小体相位的影响当当调调控控蛋蛋白白与与染染色色质质DNA的的特特定定位位点点结结合合时时，染染色色质质易易被被引引发发二二级级结结构构的的改改变变，进进而而影影响响其其它它的的一一些些结结合合位位点点与与调调控控蛋蛋白白的结合。的结合。拓扑异构酶可以调整拓扑异构酶可以调整DNA双螺旋的局部双螺旋的局部构象和高级结构的变化，使其超螺旋化或构象和高级结构的变化，使其超螺旋化或松弛。松弛。核小体通常定位在核小体通常定位在DNA特殊位点而利于转录特殊位点而利于转录u基因的关键调控元件（增强子和启动子）位于核基因的关键调控元件（增强子和启动子）位于核小体颗粒之外，便于和转录因子的结合。小体颗粒之外，便于和转录因子的结合。u基因调控元件位于盘绕核心组蛋白的基因调控元件位于盘绕核心组蛋白的DNA上，通上，通过转录因子将增强子和启动子联系起来。过转录因子将增强子和启动子联系起来。组蛋白的修饰组蛋白的修饰意义意义：v组组蛋蛋白白的的修修饰饰可可以以改改变变染染色色质质的的结结构构，影响转录活性。影响转录活性。v组组蛋蛋白白修修饰饰使使核核小小体体的的表表面面发发生生改改变变，使使其其他他的的调调控控蛋蛋白白易易于于和和染染色色质质相相互互接触，间接影响转录活性。接触，间接影响转录活性。染色质的乙酰基化状态是一动态过程，存在乙酰染色质的乙酰基化状态是一动态过程，存在乙酰基转移酶（如：转录辅激活子）和去乙酰化酶基转移酶（如：转录辅激活子）和去乙酰化酶（如：转录辅阻抑物），分别促进和抑制转录的（如：转录辅阻抑物），分别促进和抑制转录的进行。进行。许多许多辅激活子（辅激活子（coactivatorcoactivator）具有组蛋白乙酰转具有组蛋白乙酰转移酶功能，自身作为接头蛋白，在基因的上游位移酶功能，自身作为接头蛋白，在基因的上游位点将转录因子和基础转录装置连接起来。点将转录因子和基础转录装置连接起来。辅激活子通过辅激活子通过乙酰化调节基乙酰化调节基因转录的模型因转录的模型糖皮质激素受体糖皮质激素受体转录抑制的模型转录抑制的模型 HMG结构域蛋白的影响结构域蛋白的影响 v 可识别某些异型的可识别某些异型的DNA结构，与结构，与DNA弯折和弯折和DNA-蛋白质复合体高级结构的形成有关蛋白质复合体高级结构的形成有关。（染色质变构因子染色质变构因子）Section 5 Section 5 染色体染色体一一 染色体的主要结构染色体的主要结构l着着丝丝粒粒（centromerecentromere）与与着着丝丝点点（动动粒粒，kinetochorekinetochore）l次缢痕次缢痕(secondary constriction)(secondary constriction)l核仁组织区核仁组织区 (nucleolar organizing(nucleolar organizing region,NOR)region,NOR)l随体随体(satellite)(satellite)l端粒端粒(telomere)(telomere)着丝粒与着丝点着丝粒与着丝点(动粒动粒)着丝粒区也叫主缢痕，是一个着丝粒区也叫主缢痕，是一个高度有序的整合结构高度有序的整合结构，在结构和组成上非均一，至少包括三个结构域。它在结构和组成上非均一，至少包括三个结构域。它们的整合功能，们的整合功能，确保分裂中染色体和纺锤体整合，确保分裂中染色体和纺锤体整合，发生有序的染色体分离。发生有序的染色体分离。（）（）动粒结构域动粒结构域(kinetochore domain)(kinetochore domain)在着丝粒的外表面在着丝粒的外表面内板内板(inner plate)(inner plate)中间间隙中间间隙(middle space)(middle space)外板外板(outer plate)(outer plate)纤维冠纤维冠(fibrouscorona)(fibrouscorona)：微管蛋白构成微管蛋白构成（）中央结构域（）中央结构域(central domain)(central domain)着着丝丝粒粒区区的的主主体体，由由串串联联重重复复的的卫星卫星DNADNA组成。组成。如：有如：有CENP-BCENP-B盒可与动粒蛋白结合盒可与动粒蛋白结合（）（）配对结构域配对结构域(pairing domain)：代表中期姐妹染色单体相互作用的代表中期姐妹染色单体相互作用的位点位点 如如：内内部部着着丝丝粒粒蛋蛋白白INCENP(inner centromere protein)和和染染色色单单体体连连接接蛋蛋白白clips(chromatid linking proteins)和和染色体配对有关。染色体配对有关。染色体的复制和稳定遗传，至少应具备以下关染色体的复制和稳定遗传，至少应具备以下关键序列（键序列（功能元件功能元件）:（）确保自我复制的（）确保自我复制的DNADNA复制起点复制起点（）使复制后的染色体能够平均分配到子细胞（）使复制后的染色体能够平均分配到子细胞中去的中去的着丝粒着丝粒（）保持染色体独立性和稳定性的（）保持染色体独立性和稳定性的端粒端粒二二 染色体染色体DNADNA的的3 3种功能元件种功能元件（）（）自主复制自主复制DNADNA序列序列(autonomously(autonomously replicating replicating DNA DNA sequence,sequence,ARS)ARS)：具具有有一一段段11-14bp11-14bp的的同同源源性性很很高高的的富富含含ATAT的的共共有有序序列列，该该共共有有序序列列上上下下游游各各200bp200bp左左右右的的区区域域也也是是维维持持ARSARS功功能能所所必必需需的。的。(2)着丝粒着丝粒DNA序列序列(centromere DNA sequence,CEN)：两两个个相相邻邻的的核核心心区区组组成成，包包括括80-90bp的的AT区和区和11bp的保守区。的保守区。（）端粒（）端粒DNA序列序列 (telomere DNA sequence,TEL)：线性染色体末端复制问题的解决。线性染色体末端复制问题的解决。端端粒粒序序列列的的复复制制：由由端端粒粒酶酶合合成成后后添添加加到到染色体上的染色体上的,有细胞分裂计数器的作用。有细胞分裂计数器的作用。三三 巨大染色体巨大染色体在某些生物的细胞中，特别是在发育的某些阶段，在某些生物的细胞中，特别是在发育的某些阶段，可以观察到一些特殊的、体积很大的染色体，叫做可以观察到一些特殊的、体积很大的染色体，叫做巨大染色体（巨大染色体（giant giant chromosomechromosome）。）。多线染色体（多线染色体（polytene chromosomepolytene chromosome）灯刷染色体（灯刷染色体（lampbrush chromosomelampbrush chromosome）多线染色体多线染色体 存存在在于于双双翅翅目目昆昆虫虫的的幼幼虫虫组组织织细细胞胞(如如：唾唾液液腺腺、气管、肠和马氏管气管、肠和马氏管)、某些植物细胞（如：胚珠细胞）、某些植物细胞（如：胚珠细胞）来来源源于于核核内内有有丝丝分分裂裂(endomitosis)(endomitosis)，即即核核内内DNADNA多多次次复复制制而而细细胞胞不不分分裂裂，产产生生的的子子染染色色体体并并行行排排列列，且且体体细细胞胞内内同同源源染染色色体体配配对对，紧紧密密的的结结合合在在一一起起，从从而而阻阻止止染染色色质质纤纤维维进进一一步步的的聚聚缩缩，从从而而形形成成了了体体积积巨巨大的多线染色体。大的多线染色体。多线染色体的多线染色体的带及间带带及间带：带带和和间间带带都都含含有有基基因因，可可能能“管管家家”基基因因(housekeeping(housekeeping gene)gene)位位于于间间带带,“奢侈奢侈”基因基因(luxury gene)(luxury gene)位于带上。位于带上。在特定的发育阶段，多线染色体上的某在特定的发育阶段，多线染色体上的某些带区变得疏松膨大而形成胀泡（些带区变得疏松膨大而形成胀泡（puffpuff），），是基因活跃转录的形态学标志。是基因活跃转录的形态学标志。多线染色体上的带和间带的形成多线染色体上的带和间带的形成 多线染色体胀泡形成示意图多线染色体胀泡形成示意图 灯刷染色体灯刷染色体灯灯刷刷染染色色体体普普遍遍存存在在于于动动物物界界的的卵卵母母细细胞胞，以以两两栖栖类类卵卵母母细细胞胞最最为为典典型型；在在植植物物中中也也有有灯灯刷刷染色体的报道。染色体的报道。灯刷染色体是卵母细胞进行灯刷染色体是卵母细胞进行减数分裂的第一次减数分裂的第一次分裂分裂时，停留在时，停留在双线期双线期的染色体，包含条染的染色体，包含条染色单体。该状态在卵母细胞中可以维持数月或色单体。该状态在卵母细胞中可以维持数月或数年。数年。两栖类卵母细胞中的一个灯刷染色体两栖类卵母细胞中的一个灯刷染色体灯刷染色体的转录功能灯刷染色体的转录功能 灯灯刷刷染染色色体体的的形形态态和和卵卵子子发发生生过过程程中中的的营营养物质储备密切相关。养物质储备密切相关。大大部部分分的的DNADNA是是以以染染色色粒粒的的形形式式存存在在的的，没没有转录活性；有转录活性；侧侧环环是是RNARNA活活跃跃转转录录的的区区域域，一一个个侧侧环环往往往往是一个大的转录单位或几个转录单位组合而成。是一个大的转录单位或几个转录单位组合而成。v转转录录的的RNARNA端端借借助助RNARNA聚聚合合酶酶固固定定在在侧侧环环的的染染色色质质轴轴丝丝上上，游游离离的的端端捕捕获获大大量量的的蛋白质形成蛋白质形成RNPRNP，组成了环周围的基质。，组成了环周围的基质。v灯刷染色体合成的灯刷染色体合成的RNARNA主要是主要是hnRNAhnRNA，一些类，一些类型的型的mRNAmRNA可以翻译成蛋白，有些可以翻译成蛋白，有些mRNAmRNA和蛋白和蛋白结合，存储在卵母细胞中，暂时不翻译。结合，存储在卵母细胞中，暂时不翻译。