1、第三章 基因组的结构与功能 n第一节：引言 n第二节：病毒基因组的结构和功能n第三节：细菌基因组的结构和功能 n第四节：线粒体DNA的结构和功能 n第五节：真核细胞核染色体的结构n第六节：真核细胞核染色体的结构功能n第七节：限制性片段长度多态性 n第八节：人类基因组计划第一节 引言n基因组：是指细胞内遗传信息的携带者-DNA的总体。n基因组中不同的区域具有不同的功能,有些是编码蛋白质的结构基因,有些是复制及转录的调控信号,有些区域的功能尚不清楚。n基因组结构：是指不同功能区域在整个DNA分子中的分布情况。n不同的生物体，其基因组的大小和复杂程度各不相同。下表列出了从原核生物到真核生物较有代表性
2、的生物体中DNA分子的大小。不同生物体中DNA的大小千碱基对/染色体长度(cm）染色体数(单倍体）形 状原核生物病毒SV405.20.000171环状噬菌体X1745.40.000181线状单链噬菌体460.00151线状细菌大肠杆菌40000.131环状真核生物酵母10000.03317果蝇410001.44人1250004.123从表上可以看出，进化程度越高的生物体其基因组越复杂。第二节 病毒基因组的结构和功能 n病毒是最简单的原核生物，完整的病毒颗粒包括外壳蛋白和内部的基因组DNA或RNA（有些病毒的外壳蛋白外面有一层由宿主细胞构成的被膜（envelope），被膜内含有病毒基因编码的糖蛋
3、白。n病毒不能独立地复制，必需进入宿主细胞中借助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒得以复制。n外壳蛋白（或被膜）的功能是识别和侵袭特定的宿主细胞并保护病毒基因组不受核酸酶的破坏。2.1 病毒基因组的结构特点：病毒基因组的结构特点：n1.病毒基因组大小相差较大,与细菌或真核细胞相比，病毒的基因组很小，但是不同的病毒之间其基因组相差亦甚大。n如乙肝病毒DNA只有3kb大小，所含信息量也较小，只能编码4种蛋白质，而痘病毒的基因组有300kb之大，可以编码几百种蛋白质，不但为病毒复制所涉及的酶类编码，甚至为核苷酸代谢的酶类编码，因此，痘病毒对宿主的依赖性较乙肝病毒小得多。n2.病毒基因组可以由DNA组
4、成，也可以由RNA组成，每种病毒颗粒中只含有一种核酸，或为DNA或为RNA，两者一般不共存于同一病毒颗粒中。n组成病毒基因组的DNA和RNA可以是单链的，也可以是双链的，可以是闭环分子，也可以是线性分子。n如乳头瘤病毒是一种闭环的双链DNA病毒，而腺病毒的基因组则是线性的双链DNA,脊髓灰质炎病毒是一种单链的RNA病毒，而呼肠孤病毒的基因组是双链的RNA分子。n一般说来，大多数DNA病毒的基因组双链DNA分子，而大多数RNA病毒的基因组是单链RNA分子。n3.多数RNA病毒的基因组是由连续的核糖核酸链组成，但也有些病毒的基因组RNA由不连续的几条核酸链组成如流感病毒的基因组RNA分子是节段性的
5、，由八条RNA分子构成，每条RNA分子都含有编码蛋白质分子的信息；n而呼肠孤病毒的基因组由双链的节段性的RNA分子构成，共有10个双链RNA片段，同样每段RNA分子都编码一种蛋白质。n目前，还没有发现有节段性的DNA分子构成的病毒基因组。n4.基因重叠即同一段DNA片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子，这种现象在其它的生物细胞中仅见于线粒体和质粒DNA，所以也可以认为是病毒基因组的结构特点。n这种结构使较小的基因组能够携带较多的遗传信息。n重叠基因是1977年Sanger在研究X174时发现的。X174是一种单链DNA病毒，宿主为大肠杆菌，因此，又是噬菌体。n它感染大肠杆菌后共合成11个蛋白质分
6、子，总分子量为25万左右，相当于6078个核苷酸所容纳的信息量。而该病毒DNA本身只有5375个核苷酸，最多能编码总分子量为20万的蛋白质分子，Sanger在弄清X174的11个基因中有些是重叠的之前,这样一个矛盾长时间无法解决。n重叠基因有以下几种情况：（1）一个基因完全在另一个基因里面。如基因和是两个不同基因，而包含在基因内。同样，基因在基因内。（2）部分重叠。如基因和基因及的一部分基因重叠。n（3）两个基因只有一个碱基重叠。如基因基因的终止密码子的最后一个碱基最后一个碱基是基因基因起始密码子的第一个碱基第一个碱基(如TAATG)。n这些重叠基因重叠基因尽管它们的DNA大部分相同，但是由于
7、将mRNA翻译成蛋白质时的读框不一样，产生的蛋白质分子往往并不相同。n有些重叠基因读框相同，只是起始部位不同，如SV40DNA基因组中，编码三个外壳蛋白VP1、VP2、VP3基因之间有122个碱基的重叠，但密码子的读框不一样。而小t抗原完全在大T抗原基因里面，它们有共同的起始密码子。n5.病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一份不被翻译，这与真核细胞DNA的冗余现象不同如在X174中不翻译的部份只占217/5375，G4DNA中占282/5577，都不到5。n不翻译的不翻译的DNA顺序通常是基因表达的控制序列。顺序通常是基因表达的控制序列。如
8、X174的H基因和A基因之间的序列（39063973），共67个碱基，包括RNA聚合酶结合位，转录的终止信号及核糖体结合位点等基因表达的控制区。n乳头瘤病毒是一类感染人和动物的病毒，基因组约8.0Kb,其中不翻译的部份约为1.0kb,该区同样也是其他基因表达的调控区。n6.病毒基因组DNA序列中功能上相关的蛋白质的基因或rRNA的基因往往丛集在基因组的一个或几个特定的部位,形成一个功能单位或转录单元。n它们可被一起转录成为含有多个mRNA的分子，称为多顺反子多顺反子mRNA（polycistroniemRNA），然后再加工成各种蛋白质的模板模板mRNA。n如腺病毒晚期基因编码病毒的12种外壳蛋
9、白，在晚期基因转录时是在一个启动子一个启动子的作用下生成多多顺反子顺反子mRNA，然后再加工成各种mRNA，编码病毒的各种外壳蛋白，它们在功能上都是相关功能上都是相关的；X174基因组中的D-E-J-F-G-H基因也转录在同一mRNA中，然后再翻译成各种蛋白质，其中、F、G及H都是编码外壳蛋白的，D蛋白与病毒的装配有关，E蛋白负责细菌的裂解，它们在功能上也是相关的。n7.除了反转录病毒以外，一切病毒基因组都是单倍体一切病毒基因组都是单倍体，每个基因在病毒颗粒中只出现一次只出现一次。反转录病毒基因组有两个拷贝。n8.噬菌体噬菌体（细胞病毒）的基因是连续的连续的；而真核细胞真核细胞病毒的基因是不连
10、续的不连续的，具有内含子，除了正链RNA病毒之外，真核细胞病毒的基因都是先转录成mRNA前体，再经加工才能切除内含子成为成熟的mRNA。更为有趣的是，有些真核病毒的内含子或其中的一部分，对某一个基因来说是内含子内含子，而对另一个基因却是外显子外显子。n如SV40和多瘤病毒（polyomavirus）的早期基因就是这样。SV40的早期基因即大T和小t抗原的基因都是从5146开始反时针方向进行，大T抗原基因到2676位终止，而小t抗原到4624位即终止了，但是，从4900到4555之间一段346bp的片段是大T抗原基因的内含子，而该内含子中从4900-4624之间的DNA序列则是小t抗原的编码基因
11、。同样，在多瘤病毒中，大T抗原基因中的内含子则是中T和t抗原的编码基因。2.2牛乳头瘤病毒基因组结构和功能：牛乳头瘤病毒基因组结构和功能：n乳头瘤病毒乳头瘤病毒（papillomavirus）是感染人和动物皮肤、粘膜并引起乳头状瘤病变的一种一种DNA病毒病毒，属于乳多空泡病毒（papovavirus）科。根据病毒感染的宿主不同可以分为分为牛乳头瘤病毒（BPV），人乳头瘤病毒（HPV）等。n目前已发现的乳头瘤病毒基因组乳头瘤病毒基因组都具有相似的结构相似的结构。n下面以BPV为例说明乳头瘤病毒的基因组结构及功能。BPVDNA全长全长7945bp，为闭环超螺旋闭环超螺旋结构，在宿主细胞中可以和组蛋
12、白结合形成核小体形成核小体。n以BPVDNA中单一的Hpa酶切位点第一碱基G为号位,按53的方向给碱基编号定位。DNA序列分析表明,所有的开放读框（ORF）都存在于一条DNA链上，基因之间有相互重基因之间有相互重叠叠。整个BPV基因组分为编码区和非编码区（NCR），编码区又按其编码蛋白质的功能不同，分为早期转录功能区（E区）和晚期转录功能区（L区）。n1.非编码区（NCR）非编码区又称上游调控区上游调控区（URR）或长控制区长控制区（LCR），位于晚期基因L1终止密码子与早期基因E6第一个起始密码子之间，长度在不同的乳头瘤病毒中不一样，在BPV中长约1.0kb。n在NCR转录的启动子序列，可以
13、启动早期基因的转录和表达，另外，在该区还有增强子序列，可以被早期基因产物E2蛋白激活，进一步促进早期基因AAC的表达，目前已搞清已搞清了BPVNCR区增强子的序列，该序列为TTGGCGGNNG和ATCGGTGCACCGAT回文结构回文结构。n从NCR的结构特点上可以看出其主要功能其主要功能是调节BPV基因的表达。n2.早期转录功能区（或称早期基因区，E区）BPV的E区含有八个开放读框（ORF），分别为E6、E7、E8、E1、E2、E3、E4、E5，其中E6、E7、E1基因有部份重叠，E8完全在E1中，E3、E4全部包含在E2中，E5与E2部份重叠。nE2ORF编码的蛋白产物可以与NCR的增强子
14、结合，而提高或降低提高或降低早期基因的表达水平。n另外，E2ORF与E1ORF协同可以维持乳头瘤病毒DNA的游离状态而不整合到宿主细胞染色体上去。nE6和E7ORFs编码的蛋白质可能是致癌蛋白致癌蛋白。E6和E7蛋白可以引起宿主向恶性转化成为肿瘤肿瘤细胞细胞。n关于E6、E7蛋白引起细胞转化的机制，目前尚不清楚，但有两种解释有两种解释。n1在E6、E7蛋白的氨基酸序列中发现有Cys-x-x-Cys重复序列，目前认为该结构是细胞内核酸结合蛋白所具备的特异性结构特异性结构，因而认为E6、E7蛋白是蛋白是DNA结合蛋白结合蛋白，可以调节基因的活性，进一步影响宿主细胞的增殖和分化，使该过程失去控制而形
15、成肿瘤；n2最近，在正常细胞中发现有两种蛋白质分子量分别为53KD和106KD分别称为p53和p106蛋白质。这两种蛋白质缺失或失活缺失或失活往往引起细胞的恶细胞的恶性化性化。n研究发现，乳头瘤病毒的E7和E6蛋白分别可以和p53和p106蛋白质结合而使其失活，这也可能是E6和E7蛋白质导致细胞恶性化的一种机制细胞恶性化的一种机制。n3.晚期转录功能区（晚期基因区、L区）：L区ORFs有两个，即L1和L2ORF，编码乳头瘤病毒的外壳蛋白，其中L1蛋白是主要外壳蛋白，L2蛋白是次要外壳蛋白。2.3 RNA噬菌体的基因组结构和功能：噬菌体的基因组结构和功能：n目前研究最清楚的大肠杆菌RNA噬菌体是
16、MS2，R17，f2和Q。n它们的基因组小，只有3600到4200个核苷酸，包含四个基因。MS2，R17和f2具有几乎一样的基因组结构。n在四个基因中有两个基因编码噬菌体的结构蛋白：一个是A蛋白的基因蛋白的基因，长1178个核苷酸。nA蛋白（称为成熟蛋白）的功能功能是使噬菌体能识别宿主，并使其RNA基因组能进入宿主菌，每个噬菌体一般只存在分子的A蛋白。n另一个结构蛋白基因长399个核苷酸，编码外壳蛋白以构成病毒颗粒，每个噬菌体有每个噬菌体有180个分子个分子。基因组的其他部分编码RNA复制酶和一个溶解蛋白，编码溶解蛋白的基因与外壳蛋白和复制酶的基因有部分重叠，但读框与外壳蛋白的读框不一样。n在
17、MS2、R17、f2基因组内有许多二级结构，RNA分子内碱基的自我配对自我配对，可能对防止防止RNase降解降解有一定作用。另外，在编码基因的5和3端各有一段非翻译序列，该序列对稳定稳定RNA分子也有一定作用作用。n另一种RNA噬菌体Q的基因组略大，与上述RNA噬菌体的基因组有以下不同；1没有独立的溶解蛋白基因，但结构蛋白A2（或称成熟蛋白，MaturaitonProtein）即具有溶解蛋白溶解蛋白的功能，2还编码另一种外壳蛋白A1。2.4 乙肝病毒基因组的结构特点和功能：乙肝病毒基因组的结构特点和功能：n乙肝病毒（HBV）的基因组DNA结构很奇特，是一环环状的部分双螺旋状的部分双螺旋结构,长
18、约3.2kb。其中的2/3为双螺旋结构，1/3为单链，这就是说，DNA中的两条链不等不等长。长。n长链的5端与3端无共价连接无共价连接，而是与一种蛋白质共蛋白质共价相连价相连。长链的5端以250-300对碱基互补结合。长链为负链，短链为正链。短链的长度视病毒而异，一般长约1.6-2.8kb,约为长链的2/3。短链之间的空隙可由病毒颗粒中的DNA聚合酶充填。n乙肝病毒是目前已知的感染人类最小的双链乙肝病毒是目前已知的感染人类最小的双链DNA病毒病毒。为了能在细胞内独立复制，病毒在很小的基因组中尽量容纳大量的遗传信息。因而HBV的基因组结构显得特别精密浓缩，充分利用其遗传物质。n重叠的基因序列比较
19、多，HBV基因组中已确定的开放读框有4个,分别编码病毒的核壳（C）和包膜（S）蛋白，病毒复制酶（聚合酶)及一种似乎与病毒基因表达有关的蛋白质X。n在S基因前面的两个小ORFs与S基因ORF属于同一个读框，可以将ORFS通读下去，编码两种S蛋白相关的抗原，这两种抗原也存在于病毒颗粒的表面，这两个抗原两个抗原分别称为前-S1(pre-S1)和前S2(pre-S2)。n同样，在ORFC前面也有一短的ORF，称为前C(pre-C)，编码一较大的C蛋白相关抗原。所有这些ORF都在负链DNA（长链）上，其中S基因完全重叠于聚合酶基因中，X基因与聚合酶基因、C基因重叠，C基因与聚合酶也有重叠。n最近，Mil
20、ler等人在HBV基因组中又发现两个ORF,即ORF-5和ORF-6，这两个ORFs与X基因重叠，其中ORF6不是由负链DNA编码的，而是由正链DNA编码。这两个ORF的功能目前尚不清楚。n调节序列位于基因内部，这也是HBV节约使用遗传物质的一种方式。与HBV基团组复制有关的序列有：短链顺向复制序列（DR1和DR2）和U5样序列（因与反转录病毒末端的U5序列类似面得名）。DR1和U5位于前CORF中，是合成DNA长链的起始部位，DR2位于聚合酶基因与X基因重叠处，是DNA短链合成的起始部位。n与HBV基因表达有关的信号序列信号序列有4种：1启动子，2增强子，3polyA附加信号，4糖皮质激素敏
21、感因子（GRE）。n由于HBV基因组中的基因分别转录于3种HBV mRNA转录本上，因此，相应地在病毒基因组中每一转录本近5端也至少应有3种RNA聚合酶启动子，虽然这些启动子的基因序列尚不知，但这些启动子启动子显然存在于编码蛋白质序列内编码蛋白质序列内。n增强子（ENH）位于聚合酶基因中；polyA附加信号位于CORF中；而GRE位于SORF和聚合酶基因中。GRE是与激素受体结构的DNA片段，结合后能使某一已知基因转录水平增加。nGRE有许多增强子的特征增强子的特征：1是起顺式作用的因子，2在转录的两个方向均有作用，3在距其调节的基因不同距离处均可起作用。n从以上可以看出HBV基因组结构严密，
22、组织高效，在已知的病毒中是罕见的。HBVDNA不但在结构上有其独特的地方，而且其DNA复制过程也非常特别。n当HBVDNA进入宿主细胞后，首先成为完整的闭环双螺完整的闭环双螺旋旋DNA，以负链为模板合成全长的“+”链RNA（称为前基因组RNA）。该“+”链RNA被包装在未成熟的核心样颗粒中，同时还有DNA聚合酶和一种蛋白质也被包装在颗粒中。在该颗粒中“+”链RNA作为模板由反转录酶催化合成“-”链DNA，具体机制尚不清楚，可能与可能与腺病毒DNA的复制相似，因为在“-链DNA的5端也有共价结合的蛋白质。“”链DNA的合成便以该负链DNA为模板和一段RNA为引物而聚合延伸，核心样病毒颗粒在这过程
23、中也成为成熟的病毒颗粒。这时，正链DNA仍没有合成完毕，因而造成病毒基因组两条DNA链长度不一样。第三节：细菌基因组的结构和功能 n3.1 细菌和病毒一样同属原核生物，因而细菌基因组的结构特点在许多方面与病毒的基因组特点相似，而在另一些方面又有其独特的结构和功能。本节首先介绍细菌染色体基因组的一般结构特点，然后再具体介绍大肠杆菌染色体基因组的结构和功能。n3.2 细菌染色体基因组结构的一般特点一般特点 n3.3 大肠杆菌染色体基因组的结构和功能结构和功能 n3.2 细菌染色体基因组结构的一般特点细菌染色体基因组结构的一般特点n（1）细菌的染色体基因组通常仅由一条环状双链一条环状双链DNA分子组
24、成细菌的染色体相对聚集在一起，形成一个较为致密的区域，称为类核（nucleoid）。n类核无核膜与胞浆分开分开，类核的中央部分由RNA和支架蛋白组成组成，外围外围是双链闭环的DNA超螺旋。n染色体DNA通常与细胞膜相连，连接点的数量随细菌生长状况和不同的生活周期而异。在DNA链上与DNA复制、转录有关的信号区域与细胞膜优先结合，如大肠杆菌染色体DNA的复制起点（OriC）、复制终点（TerC）等。n细胞膜在这里的作用作用可能是对染色体起固定作用，另外，在细胞分裂时将复制后的染色体均匀地分配到两个子代细菌中去。有关类核结构的详细情况目前尚不清楚。n（2）具有操纵子结构（有关操纵子结构详见基因表达
25、的调控一章）其中的结构基因为多顺反子，即数个功能数个功能相关的结构基因串联串联在一起，受同一个调节区的调节。数个操纵子还可以由一个共同的调节基因（regulatorygene）即调节子调节子（regulon）所调控。n（3）在大多数情况下，结构基因在细菌染色体基因组中都是单拷贝但是编码rRNA的基因rrn往往是多拷贝的,这样可能有利于核糖体的快速组装，便于在急需蛋白质合成时细胞可以在短时间内有大量核糖体生成。n（4）和病毒的基因组相似，不编码的DNA部份所占比例比真核细胞基因组少得多。n（5）具有编码同工具有编码同工酶的同基因酶的同基因（isogene）例如，在大肠杆菌基因组中有两个编码分支酸
26、（chorismicacid）变位酶的基因，两个编码乙酰乳酸（acetolactate）合成酶的基因。n（6）和病毒基因组不同的是，在细菌基因组中编码顺序一般不会重叠，即不会出不会出现基因重叠现象现基因重叠现象。n（7）在在DNA分子中具有各种功能的识别区域分子中具有各种功能的识别区域如复制起始区OriC，复制终止区TerC,转录启动区和终止区等。这些区域往往具有特殊的顺序，并且含有反向重复顺序。n（8）在基因或操纵子的终末往往具有特殊的终在基因或操纵子的终末往往具有特殊的终止顺序止顺序,它可使转录终止和RNA聚合酶从DNA链上脱落。例如大肠杆菌色氨酸操纵子后尾含有40bp的GC丰富区，其后紧
27、跟AT丰富区，这就是转录终止子的结构。终止子有强、弱之分，强终止子含有反向重复顺序，可形成茎环结构，其后面为polyT结构，这样的终止子无需终止蛋白参与即可以使转录终止。而弱终止子尽管也有反向重复序列，但无polyT结构，需要有终止蛋白参与才能使转录终止。3.3大肠杆菌染色体基因组的结构和功能大肠杆菌染色体基因组的结构和功能n大肠杆菌染色体基因组是研究最清楚的基因组。n估计大肠杆菌基因组含有3500个基因，已被定位的有900个左右。n在这900个基因中，有260个基因已查明具有操纵子结构，定位于75个操纵子中。n在已知的基因中8的序列具有调控作用调控作用。大肠杆菌染色体基因组中已知的基因多是编
28、码一些酶类的基因，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和维生素合成代谢的一些酶类的基因，以及大多数碳、氮化合物分解代谢的酶类的基因。n另外，核糖体大小亚基中50多种蛋白质的基因也已经鉴定了。n除了有些具有相关功能的基因在一个操纵子内由一个启动子转录外，大多数基因的相对位置可以说是随机说是随机分布的。分布的。n如控制小分子合成和分解代谢的基因，大分子合成和组装的基因分布在大肠杆菌基因组的许多部位，而不而不是集中在一起是集中在一起。再如，有关糖酵解的酶类的基因分布在染色体基因组的各个部位。n进一步发现，大肠杆菌和与其分类关系上相近的其他肠道菌如志贺氏杆菌属（Shigella）、沙门氏菌属（Salmonel
29、la）等具有相似的基因组结构。n伤寒沙门氏杆菌（Salmonellatyphimurium）几乎与大肠杆菌的基因组结构相同，虽然有10的基因组序列和大肠杆菌相比发生颠倒，但是其基因的功能仍正常。这更进一步说明染色体上的基因似乎没有固定的染色体上的基因似乎没有固定的格局，相对位置的改变不会影响其功能格局，相对位置的改变不会影响其功能。n在已知转录方向的50个操纵子中，27个操纵子按顺时针方向转录，23个操纵子按反时针方向转录，即DNA两条链作为模板指导mRNA合成的机率机率差不多相等相等。n在大肠杆菌染色体基因组中，差不多所有的基因都是在大肠杆菌染色体基因组中，差不多所有的基因都是单拷贝基因，单
30、拷贝基因，因为多拷贝基因在同一条染色体上很不稳定，极易通过同源重组的方式丢失重复的基因序列。n另外，由于大肠杆菌细胞分裂极快，可以在20分钟内完成一次分裂，因此，携带多拷贝基因的大肠杆菌并携带多拷贝基因的大肠杆菌并不比单拷贝基因的大肠杆菌更为有利不比单拷贝基因的大肠杆菌更为有利；相反，由于多拷贝基因的存在，使E.coli的整个基因组增大，复制时间延长，因而更为不利，除非在某种环境下，需要有多拷贝基因用来编码大量的基因产物，例如，在有极少量乳糖或乳糖衍生物的培养基上，乳糖操纵子的多拷贝化可以使大肠杆菌充分利用乳糖分子。n但是，一旦这种选择压力消失，如将大肠杆菌移到有丰富的乳糖培养基上，多拷贝的乳
31、糖操纵子便没有存在的必要，相反，由于需要较长的复制时间，这种重复的多拷贝基因会重新丢失。n大肠杆菌染色体基因组中，大多数rRNA基因集中于基因组的复制起点oriC的位置附近。这种位置有利于rRNA基因在早期复制后马上作为模板进行rRNA的合成以便进行核糖体组装和蛋白质的合成。从这一点上看，大肠杆菌基因组上的各大肠杆菌基因组上的各个基因的位置与其功能的重要性可能有一定的联个基因的位置与其功能的重要性可能有一定的联系。系。第四节：线粒体DNA的结构和功能 n线粒体是真核细胞内重要的细胞器，能量生成线粒体是真核细胞内重要的细胞器，能量生成的场所，还参与脂肪酸的合成及某些蛋白质的的场所，还参与脂肪酸的
32、合成及某些蛋白质的合成。合成。多年来的研究发现线粒体有其自己的一套遗传控制系统，同时也受到细胞染色体DNA的控制。下面阐述线粒体DNA的结构特点和功能，以及线粒体DNA遗传学上的特点。n4.1 线粒体DNA（mtDNA）的性质 n4.2 线粒体基因组 n4.3 线粒体的密码系统 n4.4 线粒体DNA的双重遗传控制 4.1线粒体DNA（mtDNA）的性质nmtDNA与质粒质粒DNA一样，也是双链的超螺旋环状分子（原生动物中的草履虫及四膜虫的mtDNA是双链线性分子。n碱基的组成也是A.T.G和C。mtDNA的分子量多在106-200106之间，一般来说，动物mtDNA较小，约为10106，植物
33、的mtDNA较大，约为70-200106。nmtDNA的复制属于半保留复制的复制属于半保留复制，可以是型复制，或滚环复制。另一种比较突出的特点突出的特点是所谓mtDNA的D环复制，即二条DNA链不同时开始复制，而是一条在前，一条在后，因而在复制进行中生成D环。4.2 线粒体基因组线粒体基因组n线粒体是生物氧化的场所，呼吸链中的某些蛋白质或酶的编码基因就在mtDNA上。线粒体还能独立合成独立合成一些蛋白质，因为线粒体有自己的rRNA，tRNA，核糖体等可以用以表达自己的基因。n现在已知线粒体的基因组至少含有如下基因。ntRNA基因：在啤酒酵母mtDNA中有24个tRNA基因，粗链孢霉菌的mtDN
34、A中有40个tRNA基因，而人类mtDNA中有22个tRNA基因。nrRNA基因：在人类mtDNA中有一个拷贝的16S及12SrRNA基因。n细胞色素氧化酶基因：细胞色素氧化酶有七个亚基，其中三个亚基mtDNA编码，四个亚基由细胞核DNA编码。nATP酶基因：ATP酶分子量为340KD，含有十个亚基，其中四个由mtDNA编码。n细胞色素还原酶（b,c复制物）基因：此酶有七个亚基，基中一个由mtDNA编码。n另外，还有一些抗药性基因也在mtDNA上。n与酵母mtDNA相比较，哺乳动物mtDNA的利用率较高，除与DNA复制起始有关的区域D环（D-loop）外，整个mtDNA基因组上基因之间无间隔区
35、（spacer)，基因中亦无内含子，甚至有基因重叠现象。n另外，人mtDNA只有一个启动子位于不编码的D环上，转录从此开始，基本上沿顺时针合成一条多基因的RNA分子。在这多基因的前体RNA分子中，除有rRNA和各种蛋白质的编码顺序外，还有tRNA分散在rRNA和编码蛋白质的顺序之间。n据认为，这些tRNA序列可作为核酸酶切割RNA前体的识别信息，使其在tRNA两端把RNA前体切开。这样，附近的tRNA、rRNA和mRNA即自然分开，经进一步加工成为成熟的rRNA、tRNA和mRNA分子。mRNA上的polyA尾是在其前体与tRNA分开通过加polyA加上去的。4.3 线粒体的密码系统线粒体的密
36、码系统n在蛋白质合成时，mRNA上的密码和tRNA上的反密码是对应的是对应的。n已知道20种氨基酸有61种对应的密码子，按照摆动学说（wobble hypothesis），最少需要32种tRNA才能完全识别mRNA中的61个密码子。n但在线粒体中，tRNA的种类显然小于此数（如人的mtmRNA只有22种），而且，已有实验证明，无细胞质tRNA进入线粒体参与其蛋白质的过程。这些事实表明在线粒体基因表达过程中的密码系统与通用的密码系统不一样。n通过近几年的研究发现哺乳动物mtDNA的遗传密码与通用的遗传密码遗传密码有以下区别：n1.UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码。因此，线粒体tRNAtrp可
37、以识别UGG和UGA两个密码子。n2.多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码；而起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四个密码子编码。n3.AGA,AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，因而，在线粒体密码系统中的4个终止密码子（UAA,UAG,AGA,AGG）。在线粒体的tRNA的反密码子方面，也有其独特的地方。n1.由于密码子简并性（degeneracy），如果密码子前两位碱基一样，则最后一位（3位）的碱基无论是嘌呤（A,G）或嘧啶（C,T），这样组成的密码子都编码同一样氨基酸。n对于这样的密码子，mttRNA的反密码子5摆动位上的核苷酸如果为U，则可以与上述密码子3位的
38、4种核苷酸配对，因而，一个tRNA可以识别4种密码子。n但是，如果密码子3位于嘌呤碱基组成的密码子与由嘧啶碱基组成的密码子编码不同的氨基酸，这时，mttRNA反密码子上5位的U经过修饰识别3位由嘌呤碱基组成的密码子，而不再识别3位由嘧啶碱基组成的密码子，这样，便可以防止错误翻译的发生。n2.mttRNA在结构上与细胞质tRNA也有区别。如GTCRA（R代表嘌呤）序列在大多数mttRNA中不存在。D环和TC环中一些保守的核苷酸也发生了变化。n最突出的是tRNASer的结构，该tRNA缺乏D臂。这些结构上的差异表明mttRNA三维结构以及与mt核糖体的作用方式与细胞质tRNA不一样。4.线粒体线粒
39、体DNA的双重遗传控制的双重遗传控制n线粒体除具有DNA外，还有自己的蛋白质合成系统，如tRNA，tRNA,核糖体等。这些成份与细胞质的相应组份不同，而与细菌比较相似。此外，mtDNA的复制和转录都是自己的聚合酶来完成的。nmtRNA聚合酶只是一条简单的多肽链，这也与真核细胞的酶不同，而且此细菌酶对原核细胞转录酶抑制剂利福平敏感。蛋白质合成时，线粒体核糖体上的蛋白质合成也受细菌蛋白质合成抑制剂如氯霉素，链霉素的抑制。这些情况说明线粒体的许多组份是自主的，不受细胞核的控制，而且在许多方面与原核生物的相似。n另一特点是参与呼吸链的一些酶成份是受双重遗传控制的，即部份亚基为细胞核基因所编码，另一些亚
40、基则是mtDNA编码的。根据线粒体的这些特点Margulis提出了线粒形成的内共生学说（endosymbio-nttheory）。在进化过程中原始的厌气细菌吞噬了原核生物（如细菌，蓝绿澡等）形成共生关系。寄生为共生者提供营养和保护，共生者为寄主提供能量生成系统。最终，共生者演化成细胞的组成成份线粒体。第五节：真核细胞核染色体的结构 n5.1 染色体研究的历史背景 n5.2 染色体的化学组成 n5.3 核小体的结构 5.1.染色体研究的历史背景 n一个多世纪前,Mendel在他历时八年完成的植株(豌豆)杂交试验基础上总结出的二个著名遗传学定律分离定律和独立分配定律中，就已经提出了基因的概念。nM
41、endel规律的基本设想基本设想是：每一植株的各种相对性状都来源两个相同的“遗传因子”(geneticfactor),它们有显性和隐性之分。n这里的“遗传因子遗传因子”就是基因的最早用语最早用语，其含义是指决定遗传性状的基本遗传单位。可惜,遗传学上这一伟大的发现,由于当时没有任何支持它的物质证据,于1865年发表后，几乎没引起注意。n直到35年后的1900年，另外三位植物学家(Correns,de Vries和Tschermak)再次独立证明Mendel规律的正确性后,这一著名规律才被重新发现被重新发现。n在19世纪的最后二十多年里,生物学家在细胞遗传学领域取得了重要进展,染色体的发现就是成果
42、之一。n染色体染色体存在于细胞核中,经适当染色后可见的由细丝状颗粒细丝状颗粒物质所组成,一般在细胞分裂时才能看到。n在不同物种的细胞中,它们的数目不一样,但总是以二条成对的同源(homologous)染色体的形式存在,且数目恒定。n如人体细胞染色体总数染色体总数为46条,分为23对(其中22对为常染色体,1对为性染色体)。n在分裂期间,染色体对的每一成员可自身复制成含二个拷贝的姐妹染色体姐妹染色体(sister chromatid)。n通过显微镜观察染色体在细胞分裂中的行为变化全过程发现全过程发现:体细胞增殖时,以有丝分裂(mitosis)的方式,使姐妹染色体一分为二一分为二进入子代细胞,从而
43、保证了染色体数目的恒定；而生殖细胞则通过减数分裂(meiosis)使同源染色体分别进入新的子代细胞而产生。n生殖细胞生殖细胞配子(精子或卵子)只含有体细胞一半的染色体数,配子结合成合子后又恢复到体细胞的染色体数,这样,合子及其后代细胞的染色体数对中的成员,一个来自父本,一个来自母本。n这些观察结果使染色体是遗传的物质基础的观点在19世纪末被广泛接受。n比较染色体在细胞分裂中的行为与Mendel规律可以发现，染色体与“遗传因子”极其相似:首先,二者均成对存在,且其中的每个成员分别来自父、母亲代;其次,产生配子时,配子只含“遗传因子”(等位基因)中的一个,或染色体对中的一条;另外,非等位基因及非同
44、源染色体均可自由组合到配子中。n在上述基础上，Sutton和Boveri于1902-1903年提出了染色体遗传学(theory of chromosomal inheritance)，即认为染色体是染色体是“遗传因子遗传因子”的携的携带者带者。n1905年,Johannsen首先使用基因一词代替遗传因子并提出了基因型(gentoype)和表型(phenotype)的概念。n1909年起,Morgan和他的学生以果蝇果蝇为材料研究生物遗传规律,他们观察到一种白眼突变体与性染色体的联系,在此基础上于1910年首先提出基因定位于染色体上的论点。n此后二年中,他们又发现了多个伴性基因,并以此为据总结出
45、了遗传学上著名的基因连锁基因连锁(linkage)和交换交换(crossing-over)规律规律。n他们还通过测定连锁的回交试验,证实了基因在染色体上呈线性排列呈线性排列的事实。n所谓连锁连锁是指控制不同性状的基因位于同一条染色体上,相互紧密排列在一起。如果连锁是不完全的（即基因间排列不够紧密），连锁基因仍有可能自由分配，但它们在减数分裂阶段的同源染色体交换片段时，被分离的机会明显减少。nMorgan的基因连锁和交换的测定方法测定方法还用来确定不同基因在染色体上的位置,由此而产生了遗传学上最早的基因定位线性遗传图。n在20世纪上叶,虽然已明确了基因与染色体的关系,并且由于1944年Avery
46、的重要发现问世,明确了DNA是遗传物质的观点,但人们对基因的认识也仅知道它是遗传的基本单位。n对于基因是怎样通过控制表型来实现其功能的尚不清楚。最早阐明基因作用原理基因作用原理的是1945年Beedle和Ephrussi提出的“一个基因一种酶”的假说。n这一假说建立在所发现的代谢途径中某种酶的缺失是由于某种基因突变所致的事实上，突变在染色体上的改变即基因结构的改变。n换言之，一种代谢酶的生成由其相应的一个基因所控制，酶所催化的生化反应就是基因功能的表现形式。后来，这一假说在许多蛋白质中得到了验证，并被修正为“一个基因一条多肽一个基因一条多肽链链”的学说。n标志着遗传学进入分子水平的DNA双螺旋
47、结构诞生以后,基因结构及功能的研究进入了一个新的阶段。现代分子生物学技术不仅使染色体的基因定位及物理图谱基因定位及物理图谱制作变得轻而易举，而且能详尽的知道定位于染色体DNA上的基因核苷基因核苷酸顺序酸顺序。据认为，人类基因组多达10万个基因,迄今已检测出的基因近5千个,仅占5%,其中1/3被定位于各个染色体上。n一条染色体包含一条DNA双链分子,人单倍体细胞基因组含有3109bp,若将所有染色体(双倍体细胞)相连并充分伸展的话,其长度可达2米左右米左右。n如此巨大的DNA链要全部贮存在小小的细胞核染色体中,必然存在着适宜的包装形式适宜的包装形式。n此外，染色体中还含有大量的蛋白质和有限的RN
48、A,它们与DNA共同构成十分紧密的十分紧密的复杂结构复杂结构。这种结构不仅能满足贮存DNA的数量要求,而且还应该有利于其功能的实现。n那么，染色体DNA是如何包装的？它是否也存在着有规律的基本结构？它在基因功能表达中起何作用？人类对染色体结构这些基本问题的认识要远落后于对DNA基本结构的了解。n直到1974年Kornberg发现核小体核小体(nucleosomes)是所有真核生物染色体的基本结构单位后,这一领域的研究才进入一个新的水平。5.2 染色体的化学组成nDNA是染色体的主要化学成分,也是遗传信息的载体。此外，在认识DNA重要性之前，已经知道染色体还含有大量的蛋白质，后来又发现了RNA。
49、生化研究表明：上述三类组成染色体的化学成分中，蛋白质含量约为DNA的二倍,根据组成蛋白质的氨基酸特点分为组蛋白和非组蛋白两类。RNA含量很少,还不到DNA量的10%。n组蛋白（histones)是指染色体中的碱性蛋白质，其特点是富含二种碱性氨基酸（赖氨酸和精氨酸），根据这两种氨基酸在蛋白质分子中的相对比例（赖精）又将组蛋白分为五种小类型。染色体中的五种蛋白组蛋白类别碱性氧基酸LysArg酸性氨基酸碱/酸氨基酸残基数分子量(dallton)H1极富Lys29155.421523,000H2A119151.412913,960H2B稍富Lys166131.712513,774H31013131.8
50、13515,342H4富Arg1114102.510211,282n所有真核生物染色体中均含有这五种组蛋白。组蛋白的含量与DNA含量之比约为1:1。n组蛋白中也含有较多的酸性氨基酸，但在这五种组蛋白中，其含量均低于碱性氨基酸，碱/酸比在1.4-2.5之间。组蛋白的等电点(pI)在7.5-10.5之间,这些强极性氨基酸使蛋白质带上大量电荷,成为组蛋白与DNA结合及蛋白质之间的相互作用的主要化学力之一。n富精氨酸组蛋白（H3和H4），稍富赖氨酸组蛋白（H2A和H2B）及极富赖氨酸组蛋白（H1）三种类型，是根据所含碱性氨基酸的相对比例划分的。n这五种组蛋白的氨基酸全顺序均已确定。在各种物种，H3和H
