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1 第二讲染色体与 DNA

2 主要内容 : 1 染色体 2 DNA 的结构 3 DNA 的复制 4 原核和真核生物 DNA 的复制特点 5 DNA 的修复 6 DNA 的转座

3 遗传物质的本本质就是核酸 DNA 是细菌的遗传物质 DNA 是病毒的遗传物质 DNA 是动物细细胞的遗传物质 某些病毒的遗遗传物质是 RNA

4 O - 无论 DNA 或 RNA, 都是由许许多多个核苷酸连 接而成的生物大分子, 而每个核苷酸又由磷酸 核糖和碱基 3 部分组成 磷酸 O P O - (phosphate) O 磷酸酯键 4 5 CH 2 H 3 H (N = A G C U T) O O N H 1 2 H 碱基 (nitrogenous base) 糖苷键 O H (O)H

5 核苷酸共价连接在一起形成多聚核苷酸链

6 组成 DNA 和 RNA 分子的五种含氮碱基基的结构式

7 染色体 遗传物质的主要载体 染色体在遗传上起 着主要作用, 因为亲 代能够将自己的遗 传物质以染色体 (chromosome) 的 形式传给子代, 保 持了物种的稳定性 和连续性

8 染色体在细胞分裂时可见

9 原核与真核细胞 染色质的比较 原核细胞中 : DNA 存在于称为拟核 (nucleoid) 的结构区 每个原核细胞一般只有一个染色体, 每个染色体含一个个双链环状 DNA 真核细胞中 : DNA 主要集中在细胞核内, 线粒体和叶绿体中均有各自的 DNA

10 基因组与生物体的复杂性 基因组 (Genome) 是由生物体体内所有的染色体组成的 Genome size: the associated with one haploid complement of chromosomes Gene number: the included in a genom me Gene density: the length of DNA number of genes average number of genes per Mb of genomic DNA

11 各类生物的最小基因数随 其复杂度而增加

12

13 染色体的的特征 作为遗传物质, 染色色体具有如下特征 : 1 分子结构相对稳定 ; 2 能够自我复制, 使亲子代之间保持连 续性 ; 3 能够指导蛋白质的的合成, 从而控制整 个生命过程 ; 4 能够产生可遗传的的变异

14 染色体包括 : DNA 和蛋白质两大大部分 同一物种内每条染色色体所带 DNA 的量是 一定的, 但不同染色色体或不同物种之间 变化很大

15 真核细胞染染色体的组成 由核酸和蛋白质组成 : DNA 蛋白质 RNA( 尚未完成转转录而仍与模板 DNA 相连接的, 其含量不不到 DNA 的 10%)

16 蛋白质 染色体蛋白主要分为为组蛋白和非组蛋白两类 Histones are conserved DNA-binding proteins of eukaryotes that form the nucleosome, the basic subunit of chromatin.

17 组蛋蛋白 组蛋白是染色体的结构构蛋白 : 有 H 1 H 2 A H 2 B H 3 及 H 4 五种, 与 DNA 共同组成核小体 H2A H4 H2B H3

18 真核细胞染色体上的组蛋白成分分析 种类 相对分 氨基酸 分离离难 保守性 染色质 染色质 子质量 数目 易度 中比例 中位置 H 易 不保守 0.5 接头 H 2 A 较难较保守 1 核心 H 2 B 较难较保守 1 核心 H 最难最保守 1 核心 H 最难最保守 1 核心

19 组蛋白的特性 进化上的极端保守性 无组织特异性 肽链上氨基酸分布的的不对称性 碱性氨基酸分布在 N 端 ; 疏水基团在 C 端 存在较普遍的修饰作作用 甲基化 乙酰化 磷磷酸化 泛素化等

20 The core histones s share a common structu ral fold

21 组蛋白的修饰 (Histone m odification) 核心组蛋白 N- 端尾部在核小体结构 DNA- 蛋白质相互作用中的活跃作用 ; 某些氨基酸残基可被修饰, 如乙酰化 甲基化 磷酸化 泛素化,etc.

22 DNA methylation Histone Proteins (core) H2A,H2B, H3 & H4 Histone Tails are chemically modified by many types of enzymes Nucleosome DNA

23 Sites of modifications on the histone N tails Zhang Y., Reinberg D. Genes Dev. 2001;15:

24 组蛋白的修饰改 变染色质的功能 赖氨酸的乙酰化 ( 形成 50 种异构体 ); 丝氨酸 (H3,H4,H2B) 的磷酸化 ; 赖氨酸和精氨酸 (H3 和 H4) 的甲基化 ; 赖氨酸的泛素化 ; 其它修饰 : 如 ADP- 核糖基化 四种核心组蛋白尾部携带巨大的表观遗传信息量

25 组蛋白的甲甲基化修饰 组蛋白的甲基化是由组蛋蛋白甲基化转移酶 (histonemethyl transfer rase,hmt) 完成的 甲基化可发生在组蛋白的的赖氨酸和精氨酸残基上 : 赖氨酸残基能够发生单 双 三甲基化 ; 精氨酸残基能够单 双甲基化, 这些些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调节基基因表达的复杂性 组蛋白的甲基化与基因激激活和与基因沉默相关 组蛋白的甲基化修饰方式式是最稳定的

26 Active and silent modification at promoter

27 Histone acetyltransferase (HAT) / Histone deacetylase e complexes (HDAC) 组蛋白乙酰基转移酶 / 组蛋白去乙酰化酶 HAT/HDAC 催化 H3,H4 特定赖氨酸残基的乙乙酰化 / 去乙酰化修饰, 实现乙酰化水水平的动态平衡 ; 特定定基因部位的组蛋白乙酰化和去乙酰化化是以一种非随机的 位置特异的方式式进行 ; 乙酰化 / 去乙酰化修饰影响染色质结构构和基因活化 ; 高乙酰化 : 转录活化 ; 低乙酰化 : 转录抑制

28 Histone deacetylation induced by recruitment of HDA AC to gene promoters by different factors DNA methyl transferases (DNMT) Estrogen 雌激素 receptor (ER) methyl binding protein MeCP2 transcription factors (E2F, Rb). Santiago Ropero, Manel Esteller. Molecular Oncology (2007)

29 A model showing a possible effect of HDAC2 mutation in cancer development Cla ss IHD HDACs are involved din genee transcription-repression med diated d by retinoblastoma t (Rb, 眼癌 ) protein. The lost of HDAC2 function could induce the hyperacetylation and Re-expression of genes regulated by retinoblastoma protein Rb (tumor-suppressor), and with crucial functions in cell cycle regulation. Santiago Ropero, Manel Esteller. San ago op ro, Man Es r. Molecular Oncology (2007)

30 组蛋白乙酰化 / 去乙酰化参与的功能 转录激活 转录延转录延延伸 DNA 修复 拼接 复复制 染色体的组装 基因沉默 某些疾病的形成 细胞的信号转导 基因组的整体乙酰酰化

31 组蛋白的其其他修饰方式 组蛋白还有其他修饰方方式, 如磷酸化 泛素化 腺苷酸化 ADP 核糖基基化等 通过多种修饰方式的组组合, 更为灵活的影响染色质的结构与功能 所以有人称这些能被专识别的修饰信息为组蛋白密码 各种修饰间也存在着相互的关联

32 Cao and Yan, Front Oncol, 2012 Ubiquitin ligases and deubiquitinating enzymes responsible for monoubiquitination of histones H2A and H2B Histone ubiquitinationand deubiquitination in transcription, DNA damage response, and cancer.

33 不同组合的组蛋白尾巴修修饰可以赋予染色质伸展不同的的意义

34 组蛋白修饰的作用机制 通过影响组蛋白与 DNA 双链的亲和性, 从而改变染色质的疏松或凝凝集状态, 或通过影响转录因子与与结构基因启动子的亲和性来发挥基因调控作作用

35 核心组蛋白尾尾部修饰的意义 核心组蛋白尾部的修饰, 不仅仅影响 DNA 包装和染色质结构, 更重要的是这些些修饰是表观遗传信息的携带者 这种信息既决定了基因是是怎样表达的, 也决定了它们的表达方式是怎样在一代代细胞和下一代细胞之间保持的 在肿瘤 免疫 心血管等等疾病的发生及其防治中具有十分深远的意义

36 组蛋白修饰是如何遗传给子染色体的 Epigenetic inheritanceit n 在细胞的每次分裂过程中,H2Bub1 能够促进着丝粒在细胞分裂前夕发生重要的结构改变, 是确保染色体正确分配配的关键

37 非组蛋蛋白 非组蛋白是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质 非组蛋白约为为组蛋白总量的 60%~70%, 可能有 20~100 种 ( 常见的有 15~20 种 ) 非组蛋白含天天门冬氨酸, 谷氨酸等酸性蛋白, 带负电, 特点是既有多样性又有专一性, 且含有组组蛋白没有的色氨酸, 是 DNA 复制 RNA 转录录活动的调控因子

38 非组蛋白白的功能 (1) 酶 : RNA 合成酶 蛋白质磷酸化化酶 组蛋白甲基化酶等 ; (2) 遗传信息的保持和表达调调节 DNA 结合蛋白 组蛋白结合合蛋白和调节蛋白,HMG14, HMG17 及许多酸性染色体蛋蛋白质 ; (3) 染色体的结构支持体 matrix protein,scaffold protein 等

39 非组蛋蛋白 HMG 蛋白 (High mobility group protein) 能与 DNA 结合但不牢固, 也能与 H 1 作用 ; 可能与 DNA 的超螺旋结构有关 DNA 结合蛋白 ( 螺旋失稳蛋白,DNA 解链蛋白, 单链 DNA 结合蛋白 ) (1) 它是解链酶 (unwinding enzyme) 类中的一种类型, 发现于原核生物的大肠杆菌细胞内, 由相相同亚基组成的四聚体, (2) 与单键 DNA 亲和力极大, 与双双链 DNA 结合力较差 (3) 相对分子量较低, 占非组蛋白白的 20%, 染色质的 8%; 与 DNA 的复制 转录 修复和重重组有关

40 DN NA 真核细胞基因组的最最大特点是它含有大量的重复序列, 而且且功能 DNA 序列大多被不编码蛋白质的非非功能 DNA 所隔开

41 C 值 ( C-value ): 是指一种生物单倍体基因组 DNA 的总量

42 各种生物细胞内 DNA 总量的比较 在真核生物中,C 值一般是随随生物进化而增加的, 高等

43 C 值反常现象 (C-value paradox) C 值往往与种系进化的的复杂程度不一致, 某些低等生物却具有较大大的 C 值

44 真核细胞 DNA 序列可被分为 3 类 碱基组成 重复次次数占 DNA 总量 (%) 基因类型 不重复 750~ 1~ 几个 10%~80% 结构基因 序列 2000 中度重复序列 10 1 ~ %~40% rrna, trna, 组蛋白基因 高度 6~100 数百万万次 10%~60% 卫星 DNA 重复序列

45 蛋白质编码区域域只占人类基因组非常小小的部分

46 Proportion of functional elements within genomes 2% 13% 85% 28% 2% E. coli Yeas st S. cerevisiae 82% 17% 0.5% Drosophila 05% 0.5% 1.5% 98% Human 70% Coding (protein) RNA Non-coding 71% Nematode C. elegans 0.5% 0.01% 99.5% Lunfish (dipnoi) 28% 0.5%

47 Transcriptional output/complexity upu/ Protein coding sequence HumanH genome ~2-3 % C. elegan genomee ~25 % The majority of transcripts are non-coding RNAs

48 The major differences among different organisms are ncrnas 人和黑猩猩的基因差别为 1, 来源于非编码 RNA 人和鼠的蛋白质编码基因 99% 是共共同的 人个体间单倍体基因组的碱基差异 300 万个, 其中 1 万个 (0.3%) 出现在

49 人类基因组草图带给给科学家们的困惑 含有 30 亿对碱基的人类基因组仅含有 2-3 万个个蛋白质基因, 是果蝇的两倍, 啤酒酵母的 4 倍 显而易见, 生物的复杂性不由编码码蛋白质的数目决定 人类基因组的蛋白质编码区占总基因组长度为 1-2%, 那么其他 98% 的基因组有什么么功能? 在这 98% 的非蛋白质编码基因组序列里, 约 24% % 为插入编码序列的内含子序列 ; 人类基因平均每个基因有 7 个内含子 这么冗长的内含子序列有什么生物学功能?

50 人类基因组绝大部分都被转转录成 RNA, 细胞内非编码 RNA 的数量是编码 RNA 的上上百倍 这促使许多科学家认为生物体复杂性被隐藏在在它们所输出的非编码 RNA 内, 而非编码序列内 University of Queensland, Australia University of Massachusetts Medical School, USA Washington University School of Medicine, USA

51 rrnas and trnas Functions of ncrnas RNA maturation: snrn NA in recognizing splicing sites RNA modification: snorna converting uridine to pseudo-uridineuridine Regulation of gene expression and translation: e.g., mirnas DNA replication: e.g., template for addition telomerase RNAs - of telomeric repeats

52 染色质和和核小体 由 DNA 和组蛋白组成成的染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构 电镜下看到的染色质结构

53 实验证据 : 1 染色质 DNA 的 Tm 值比自由 DNA 高, 说明在染色质中 DNA 极可可能与蛋白质分子相互作用 2 在染色质状态下, 由 DNA 聚合酶和 RNA 聚合酶催化的 DNA 复制制和转录活性大大低 于在自由 DNA 中的反应 应 3 DNA 酶 I(DNaseI) ) 对染色质 DNA 的消化远远慢于对纯 DNA 的作用

54 实验证证据 : 用小球球菌核酸酶处理染色质以后进进行电泳, 便可以得到一系列列片段, 这些被保留的 DNA 片段均为 200bp 基本单位的倍倍数 Molecular Biology of the Gene, Figure 7-1

55 Nucleosome ( 核小体 ) 是染色质的基本结构单位, 由 ~200 bp DNA 和组蛋白八聚体组成 146bp DNA + Histone octamer ( 组蛋白八聚体 ) Nucleosome N l core ( 核 小体核心 ) + H1 Chromatosome ( 染色小 体 166bp) + linker DNA Nucleosome ( 核小体 ) (~200 bp of DNA)

56 核小体核心颗粒结构

57 Histone octamer ( 组蛋白八聚体 ) Top view Side view

58 The assembly of a nucleosome Molecular Biology of the Gene, Figure 7-20

59 How does the higher-order chromatin structure form?

60 (1) Histone H1 binds to the linker DNA between nucleosome, inducing tighter DNA wrapping around the nucleosome

61 The addition of H1 leads to more compact nucleosomal DNA Nucleosomal DNA in the presence of histone H1 Nucleosomal DNA in the absence of histone H1.

62 (2) Nucleosome arrays can form more complex structures: th he 30-nm fiber ( zigzag model ) 30 nm fibers have 6 nucleosomes/turn, organized into a solenoid Histone H1 and dhistone N-term minal tails are required for formation of the 30 nm fiber. This fiber is the basic constitu uent of both interphase chromatin and mitotic chromosomes.

63 (3) Further compactio on of DNA involves large loops of nucleosomal DNA Additional i l fold compaction is required, but the mechanism is un nclear The nuclear scaffold model is proposed

64 From DNA to chromosome m Short region of DNA double helix Beads on a string form of Chr romatin 30-nm chrom matin fb fiber of packed nucleosomes Section of chromosome in an extende ed form Condensed section of Metaphase chromosome Entire metaphase chromosome

65 染色体形成过程中中长度与宽度的变化 宽度增加长度压缩 第一级 DNA+ 组蛋白 核小体 5 倍 7 倍 第二级核小体 螺线管 3 倍 6 倍 第三级螺线管 第四级超螺旋 超螺旋 13 倍 40 倍 染色体 倍 5 倍 倍 8400 倍 ( )

66 The importance of fp packing of fdna into chromosomes Chromosome is a compact form of the DNA that readily fit ts inside the cell To protect DNA from damage DNA in a chromosome can be transmitted efficiently to both daughter cells during cell division Chromosome confersanoverall organization to each molecule of DNA, which facilitates gen ne expression as well as recombination

67 真核生物基因组的结构特点 真核基因组庞大 存在大量的重复序列 大部分为非编码序列 (>90%) 转录产物为单顺反子 真核基因是断裂基因, 有内含子结构 存在大量的顺式作用元件 ( 启动子 增强子 沉默子 ) 存在大量的 DNA 多态性 : 单核苷酸多态性和串连重复序列多态性 具有端粒 (telomere) 结构 保保护线性 DNA 的完整复制 保护染色体末端和决定细胞的寿命等功能

68 原核生物物基因组 原核生物的基因组很小, 大含量少. 多只有一条染色体, 且 DNA 如大肠杆菌 DNA 的相对分子子质量仅为 bp, 其完全伸展总长约为 1.3mm, 含 4000 多个基因

69 原核生物基因主要是是单拷贝基因, 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都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态态

70 大肠杆菌细胞中基基因组 DNA 箭头为环状质粒 DNA 细菌 DNA 是一条相对分子子量在 10 9 左右的共价 闭合双链分子, 通常也称为染色体

71 原核细胞 DNA 特点 : 1 结构简炼 原核 DNA 分子的绝大部分是用来编码 蛋白质的, 只有很小小一部分控制基因表达 的序列不转录 这些不转录 DNA 序列列通常是控制基因表达的序列

72 2 存在转录单元 原核生物 DNA 序列列中功能相关的 RNA 和蛋白质基因, 往往丛集在基因组的一个或几个特定部位, 形成转转录单元, 并转录产生含多个 mrna 的分子, 称为多顺反子 mrna

73 3 有重叠基因 一些细菌和动物病毒毒存在重叠基因 : 同一段 DNA 能携带两种不同蛋白质的信息

74 1977 年,Sanger 正式式发现了重叠基因 : ΦX174 感染寄主后共合成 9 个蛋白质 -- 分子量约 ,078 个核苷酸, 而病毒 DNA 本身只有 个核苷酸 Sanger 发现 9 个基因中有些些是重叠的 : 1 一个基因完全在另一个个基因里面 ; 2 部分重叠; 3 两个基因只有一个碱基基对的重叠

75 DNA 的结构 一级级结构 二级级结构 三级级结构

76 DNA 的一级结构 5 端 C 指 4 种核苷酸的连接 3-5 磷酸二酯键 A 及其排列顺序, 表示 了该 DNA 分子的化学 构成 3 端 G 许多个脱氧核苷酸 经 3-5 磷酸二酯键聚 合而成为 DNA 链

77 DNA 一级级结构的表示法 A C T G p p p p OH 3 5 线条式 3 5 ACTGCATAGCTCGA 3 字母式 结构式

78 碱基 核苷和和核苷酸 碱基 核苷 核苷酸 RNA DNA 腺嘌呤 (adenine) 腺苷 (adenosine) 腺苷酸 (adenylic acid) AMP damp 鸟嘌呤 (guanine) 鸟苷 (guanosine) 鸟苷酸 (guanylic acid) GMP dgmp 胞嘧啶 (cytosine) 胞苷 (cytidine) 胞苷酸 (cytidylic acid) CMP dcmp 胸腺嘧啶 (thymine) 尿嘧啶 (uracil) 胸苷 (thymidine) 尿苷 (uridine) 胸苷酸 (thymidylic acid) 尿苷酸 (uridylic acid) UMP dtmp

79 腺苷酸及其多多磷酸化合物 5 -NMP 5 -NDP 5 -NTP N=A G C U AMP Adenosine monophosphate ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphate p 5 -dnmp 5 -dndp 5 -dntp N=A G C T

80 多聚核苷酸链中新生磷磷酸糖苷键的产生过程 单核苷酸 5 - 磷酸基团向核酸链的 3 -OH发起进攻 5 -NTP 是核酸合成的前体

81 DNA 的二二级结构 指两条多核苷酸链反向向平行盘绕所生成的双螺旋结构

82 DNA 双链的组成

83 碱基互补配配对原则 : 在 DNA 分子中, 嘌呤永永远与嘧啶配对, 腺嘌呤 (A)= 胸腺嘧嘧啶 (T) 鸟嘌呤 (G)= 胞嘧啶 (C)

84 DNA double helix (DNA 双螺旋结构 ) 1953,Watson 和 Crick 出了 DNA 双螺旋模型 : 基于三个方面的发现, 提 1.X- X 光衍射实验数据表明 DNA 是一种规则螺旋结构 2. DNA 密度测量说明这种螺旋结构应有两条链 3. 不论碱基数目多少,G 的含量总是与 C 一样, 而 A 与 T 也是一样的

85 DNA 链的基本特点 1 DNA 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 3 两条链上的碱基通过氢键 3 两条链上的碱基通过氢键相结合, 形成碱基对

86 DNA 的反向平行行双螺旋结构 Rise 3.4 Å Minor Groove (12nm) 10.4 Major Pitch Groove 34 Å (22nm) bp/turn

87 A-,B-,Z- 型 DNA 三种结构比较 外型 螺旋方向 螺旋直径 碱基直升 A B Z 粗短适中细长 右手右手左手 2.55nm 2.37nm 1.84nm 0.23nm 0.34nm 0.38nm 每圈碱基数 碱基倾角 大沟 小沟 很窄很深很宽较深平坦 很宽 浅窄 深较窄很深

88 右手螺旋 DNA: 1. B-DNA: A-T 丰富的 DNA 片段 2. A-DNA( 对基因表达有重重要意义 ) a. DNA-RNA( 处于转录状状态的 DNA) b. RNA-RNA (dsrna)

89 左手螺旋 DNA Z-DNA 1979 年,Rich 提出左手螺螺旋 Z-DNA 结构 它是右手螺旋结构模型的一个补充充和发展 B-DNA 是最常见的 DNA 构象, A-DNA 和 Z-DNA 可能具有有不同的生物活性

90 DNA 的高级结构 DNA 的高级结构是指 DNA 双螺旋进一步扭曲 盘绕所形成的特定空间结构 超螺旋结构是 DNA 高级结构的主要形式, 可 分为正超螺旋与负超螺旋两大类, 它们在特殊情 况下可以相互转变, 如 : 负超螺旋 拓扑异构酶溴乙锭 松驰 DN NA 拓扑异构酶溴乙锭 正超螺旋 双螺旋 DNA 的松开导致负超螺旋, 而拧紧则导致正超螺旋

91 研究细菌质粒 DNA 时发现, 天然状态下该 DNA 以负超螺旋为主, 稍被破坏即出现开环结构, 两条链均断开则则呈线性结构 在电场作用下, 相同同分子质量的超螺旋 DNA 迁移率 > 线性 DNA 迁移率 > 开环的 DNA 迁移率, 以此可判判断质粒结构是否被破坏

92 DNA 双链的变变性是可逆的 Tm 值 :DNA 在 260 nm 吸光度增加到最大大值一半时的温度成为 DNA 的解链温度或熔点 (1)G+C 的含量 (2) 溶液中的离子强度

93 Summ mary 遗传物质的主要载体是是染色体 染色体的主要成分 :D DNA 和蛋白质 ( 组蛋白 非组蛋白 ), 组蛋白上存在很多修饰 Nucleosome ( 核小体 ) 是染色质的基本结构 单位 DNA 的结构 一级结构 :4 种核苷酸的连接及其排列顺序 二级结构 : 反向平行双双螺旋 三级结构 : 超螺旋

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