1、第第2 2章章 染色体与染色体与DNADNAChromosome and DNA 染色质和染色体的概念染色质和染色体的概念 染色质染色质(chromatin)(chromatin)：是指细胞周期：是指细胞周期间期间期细胞核内由细胞核内由DNADNA、组蛋白、非组蛋白和少量组蛋白、非组蛋白和少量RNARNA组成的复合结构，因其易组成的复合结构，因其易被碱性染料染色而得名。被碱性染料染色而得名。染色体染色体(chromosome)(chromosome)：是指在细胞分裂期出现的一种能：是指在细胞分裂期出现的一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征的物被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结
2、构特征的物体。体。携带很多基因的分离单位。只有在细胞分裂中才携带很多基因的分离单位。只有在细胞分裂中才可见的形态单位。可见的形态单位。常染色质常染色质(euchromatin(euchromatin)（间期纤丝的包装密度比分裂期染色体的要小很多）（间期纤丝的包装密度比分裂期染色体的要小很多）异染色质异染色质(heterochromatin)(heterochromatin)（间期纤丝染色质区的包装密度十分致密，可与有（间期纤丝染色质区的包装密度十分致密，可与有丝分裂期染色体相比）丝分裂期染色体相比）组成型异染色质组成型异染色质 (constitutive heterochromatin)(co
3、nstitutive heterochromatin)兼性异染色质兼性异染色质 (facultative heterochromatin)(facultative heterochromatin)有丝分裂有丝分裂 细胞周期细胞周期（cell cycle）G1 期期 S 期期 间期间期（interphase）细胞周期细胞周期 G2期期 前期前期 (prophase)M 期 中期中期 (metaphase)后期后期 (anaphase)末期末期 (telophase)染色质出现于间期，呈丝状。它们在核内的螺旋程度不一，螺旋紧密的部分，染色较深，有的螺旋松疏染色较浅，染色质在光镜下呈现颗粒状，不均匀
4、地分布于细胞核中。细胞分裂时染色质细丝高度螺旋化形成较粗的柱状和杆状等不同的形状,叫做染色体,其数目、形态不同，具有种的特异性，而且比较恒定。2.12.1染色体染色体2.1.1 概述 定位：细胞核的核仁（真核）、类核（原核）组成：DNA、蛋白质、部分RNA 结构：染色质与核小体 功能：遗传物质的载体真核生物染色体 定位：核仁 组成：DNA、蛋白质、部分RNA 结构：染色质与核小体原核生物染色体 定位：类核 组成：DNA、蛋白质、部分RNA 结构：2.1.2 真核生物染色体的组成DNA线状，染色体多个，DNA与蛋白质结合形成核小体，线状染色体两端是开放的（具有端粒结构）染色体不可或缺的三要素：端
5、粒telomeres）、着丝粒、DNA复制原点 染色质 核小体 组蛋白 非组蛋白 染色体中的核酸组成 常染色质常染色质：碱性染料着色较浅的区域，和紧密压缩的异染色质相比，常染色质压缩得较松散，其上包含了许多非常活跃的基因。异染色质异染色质：碱性染料着色较深的区域，高度紧缩，非转录区域，后复制区域，分组成型和兼性两种类型的异染色质。染染色色质质染色质染色质2.1.2.1 染色质与核小体异染色质高度压缩，局部成簇 剖面图显示：染色后的核酸中压缩紧密区域的异染色质成簇的靠近核仁和核膜。在所有的基因组中，在所有的基因组中，DNADNA都是呈都是呈状态状态 在所有的基因组中DNA总是呈高度压缩状态病毒的
6、基因组包被在它们的蛋白病毒的基因组包被在它们的蛋白外壳之中外壳之中 TMV的单链RNA沿着外壳的蛋白质亚基盘旋。噬菌体的成熟要经过几个阶段，其中蛋白质外壳的头部要变形以装载DNA。电镜照片显示了在成熟的起始和结束阶段颗粒的变化。染色质的基本结构单位：染色质的基本结构单位：The nucleosome is the basic structural subunit of chromatin,consisting of 200 bp of DNA and an octamer of histone proteins.核小体由分子量几乎相等的DNA及组蛋白（包括H1）组成。核小体的分子量约 262
7、kD，直径约1011nm。核小体=146bpDNA+组蛋白八聚体 核小体之间的DNA称为连接DNA（Linker DNA）核小体在染色质纤丝中的形态核小体在染色质纤丝中的形态 10nm10nm的纤丝实质上是念珠的纤丝实质上是念珠串一样的核小体。串一样的核小体。10nm的纤丝是连续成串的核小体结构。（电镜照片）核小体的发现 30nm的染色质纤丝具有线圈结构.每个螺旋线圈由6个核小体组成。核小体在染色质纤丝中的形态核小体在染色质纤丝中的形态DNADNA缠绕在核小体表面缠绕在核小体表面 微球菌的核酸酶将核内的染色质降解成多聚体的DNA片段，这些片段通过电泳表明：所酶解的片段大致是200bp的倍数。说
8、明每个核小体重复单位约占DNA200bp。实验验证 每个核小体的多聚体都包含了数个单位长度(-200bp)的DNA。核小体核心颗粒linkerDNA核心颗粒146bpDNA核心组蛋白（H2A，H2B，H3，H4）2染色质中的DNA双螺旋链,等距离缠绕组蛋白八聚体形成众多核心颗粒,各颗粒之间为带有H1组蛋白的连接区DNA。这种组成染色质的重复结构单位就是核小体。核核小小体体的的结结构构 核小体的结构 八聚体位于颗粒中央,外绕1.75圈左走向的DNA链,每圈约85bpDNA,螺旋间距为2.8nm.核心颗粒外观呈椭圆形,轴比为0.5,颗粒直径11nm,高5.5nm.绕颗粒的DNA长度为50nm(14
9、6bp),连接区DNA长度为20nm(约60bp).染色体的包装折叠染色体的包装折叠30nm chromatin fiber300nm looped domains700nm looped domains1400nm metaphase chromosomeDNA（2nm）核小体链（核小体链（10nm，每个核小体，每个核小体200bp）纤丝（纤丝（30nm，每圈，每圈6个核小体个核小体）突环（突环（150nm，每个突环大约，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（玫瑰花结（300nm，6个突环个突环）螺旋圈（螺旋圈（700nm，每圈，每圈30个玫瑰花结）个玫瑰花结）染色体（染色体（1400nm，
10、2个染色单体，个染色单体，每个染每个染色体单体含色体单体含10个螺旋圈个螺旋圈）真核生物染色体真核生物染色体DNADNA组装不同层次的结构组装不同层次的结构染色体折叠的几个层次染色体折叠的几个层次1400 nm chromosome（染色体）2 nm DNA double helix10 nm Nucleosome(核小体)30 nm 30 nm chromatin fiber（螺线管纤维）300 nm Loops I（超螺线管）700 nm Loops II组蛋白组蛋白 Histones are conserved DNA-binding proteins that form the bas
11、ic subunit of chromatin in eukaryotes.Histones H2A,H2B,H3,H4 form an octameric core around which DNA coils to form a nucleosome.Histone H1 is external to the nucleosome.2.1.2.1 染色质与核小体核心组蛋白核心组蛋白（core histone）A core histone is one of the four types(H2A,H2B,H3,H4)found in the core particle derived fro
12、m the nucleosome(this excludes histone H1).非组蛋白非组蛋白 染色体中组蛋白以外的其他蛋白质（any structural protein found in a chromosome except one of the histones.）种类繁多（more variable between tissues and species）功能各异（The functions of nonhistone proteins include control of gene expression and higher-order structure.So RNA p
13、olymerase may be considered to be a prominent nonhistone.），如参与复制、转录、核酸修饰的酶 高迁移率组(high-mobility group，HMG)蛋白质：在凝胶电泳上泳动速度快而的名，其中一些蛋白质（如HMG14、HMG17）在转录活性区含量丰富，可能是参与转录调控的蛋白。染色体中的核酸组成染色体中的核酸组成a)C值b)C值矛盾c)重复序列d)断裂基因e)重叠基因f)基因家族g)假基因h)自私DNA The C-value is the total amount of DNA in the genome(per haploid s
14、et of chromosomes).The total amount of DNA in the haploid genome is a characteristic of each living species known as C-value.一个基因组中的全部DNA 量总是相对恒定的，这个含量就称为该物种的C 值。每个物种都具有特征C值。不同的生物体，其基因组的大小和复杂程度各不相同。一般地，随着一般地，随着生物的进化，生物体的结构和功能就越复杂，其生物的进化，生物体的结构和功能就越复杂，其C值就越大。值就越大。（基因组由小到大，才能够保证遗传信息量的增加）a)a)C C值（值（C-v
15、alue）不同的物种，其染色体数目不同，基因组大小各异。常见实验动物的基因组大小藻类藻类支原体支原体细菌细菌酵母酵母粘菌粘菌线虫线虫昆虫昆虫鸟类鸟类两栖类两栖类哺乳动物哺乳动物 The C-value paradox describes the lack of relationship between the DNA content(C-value)of an organism and its coding potential.从大的尺度来看，C值与遗传信息量是成正比的关系，如原核生物。但真核生物就不同了。真核生物基因组的大小（真核生物基因组的大小（C值）同其在进化上所值）同其在进化上所处地位
16、的高低无关处地位的高低无关,这种现象称为这种现象称为C值矛盾(C-value Paradox)。C值矛盾针对的是真核生物真核生物中DNA含量的反常现象。b)b)C C值矛盾值矛盾(C-value Paradox)C-值矛盾DNA含量与形态复杂性有关。爬行类两栖类硬骨鱼软骨鱼棘皮类甲壳类昆虫类软体动物C值与低等真核生物的形态复杂性有很大的相关性C值在高等真核生物中变化很大C-值矛盾的表现1.在真核生物中，C值并不随生物进化程度和复杂性而增加（进化程度低的C值有可能更高）2.亲缘关系相近的物种间C值相差很大3.C值远远超过了遗传信息量的需要爬行类两栖类硬骨鱼软骨鱼棘皮类甲壳类昆虫类软体动物一般地，
17、随着生物体复杂性的增加，每个物种所需的也必然增加。C-值与最小基因数目每个门的最小基因数目从500到30000不等。寄生性细菌单细胞真核生物细菌多细胞真核生物高等植物哺乳动物 在同一类生物中，不同种的基因组大小也有很大差别。把每一类生物中的最小基因组作比较，由其结果可以看出：1.每类生物的最小基因组的大小基本上对应于生物在进化上所处地位的高低。2.进化地位高、形态结构复杂进化地位高、形态结构复杂程度高的一类生物，其最小程度高的一类生物，其最小基因组也较大基因组也较大。3.从原核生物到哺乳动物，每一个门的最小基因组的大小还是递增的。最小基因组大小随着门的升级而增加。c)重复序列重复序列单拷贝序列
18、：复性速度很慢轻度重复序列：2-10个拷贝，如组蛋白基因和酵母tRNA基因 中度重复序列：重复数十至数万（105）次的重复序列。复性速度 快于单拷贝序列，但慢于高度重复序列。几种典型 的中度重复序列，如Alu家族、Kpn家族、rRNA基 因、组蛋白基因 高度重复序列：重复频率高，可达百万(106)以上，因此复性速度很 快。如：rRNA基因和某些tRNA基因。真核生物基因组包括重复序列和非重复序列不同序列的比例在真核生物基因组中变化很大，非重复序列的绝对含量随基因组大小的提高而提高，但大致上升到一个约2 109 bp的平台为止。非重复序列仅仅是基因组中的一部分基因之外的DNA重复序列卫星DNA
19、分散重复的DNA序列短分散元件：100300bp；散布；如Alu家族长分散元件：5-7kb；灵长类、啮齿类中出现卫星DNA：着丝粒区域，表现为异染色质小卫星DNA：靠近端粒区域微卫星DNA：分散于基因组中重复序列串联重复序列：散布重复序列卫星卫星DNA、微卫星DNA、小卫星DNA 等卫星卫星DNADNA（Satellite DNA Satellite DNA）包括小卫星和微卫星DNA两类：小卫星DNA：由于这类序列的碱基组成不同于其他部份，可用密度梯度离心法将其与主体DNA分开，因而称为卫星DNA。小卫星DNA Microsatellite DNAs consist of repetition
20、s of extremely short(typically 10 bp)units.微卫星微卫星DNA Minisatellite DNAs consist of 10 copies of a short repeating sequence.the length of the repeating unit is measured in 10s of base pairs.The number of repeats varies between individual genomes.又叫简单重复序列，指的是基因组中由10个核苷酸组成的基本单位重复多次构成的一段DNA，广泛分布于基因组的不同位
21、置，长度一般在200bp以下。The name microsatellite is usually used when the length of the repeating unit is 10 bp,and the name minisatellite is used when the length of the repeating unit is 10-100 bp,but the terminology is not precisely defined.These types of sequences are also called VNTR(variable number tande
22、m repeat)regions.d)断裂基因（断裂基因（interrupted gene）真核生物的基因的结构是断裂的。即一个基因的编码序列在DNA上是不连续的，被一些插入序列所间断，这些插入序列能转录但不能翻译成蛋白质，称之为(intron)，而编码序列则称为（extron）。即：外显子是出现在mRNA中的基因序列，而内含子被转录成RNA，但是接着就被剪切掉，因此内含子不编码蛋白质。内含子的发现1977年：cDNA与单链DNA杂交，发现单链DNA会形成一些环（即有些DNA序列不参加杂交，说明这一段是非编码序列）。内含子的成因两种假说：故成说：认为生命起源后，内含子在所有生物中都是存在的，原
23、核生物基因组小，快速复制内含子成为一种包袱，被丢弃；后成说：认为原来无内含子，是在进化中外显子重组，位置不太准确，就形成了内含子。e)真核生物基因组中的基因重叠基因重叠 有些基因当中，内含子和外显子的区分是相对的。一个特定的外显子可选择性地与不同的外显子连接形成mRNA，再翻译成蛋白质（基因的选择性表达）。在一段区域内以一种途径表达时，是外显子，但以另一种途径表达时，却是内含子。这也是基因重叠的一种形式。RNA的选择性剪接可产生不同的蛋白质产物。f)基因家族（gene family）A gene family consists of a set of genes whose exons are
24、 related;the members were derived by duplication and variation from some ancestral gene.一个祖先基因经过重复和变异而产生的一组基因，组成了一个基因家族。这个基因家族中的成员基因来源相同，结构相似，功能相关，如：rRNA基因家族、珠蛋白基因家族成簇排列成簇排列的基因家族（基因簇基因簇，gene cluster）：功能相关或相同的基因聚集成簇（物理排列上类似原核生物的操纵子），就形成一个基因簇。可以是由于基因重复而产生的两个相邻的相关基因，也可以使由许多个甚至上百个相同的基因首位衔接的串联排列，如和。其转录后的
25、RNA非多顺反子，而是独立的。散布散布的基因家族：在DNA上，甚至分布在不同的染色体上；如：珠蛋白基因家族每个-和-珠蛋白基因家族都散布排列，包括功能性基因及其假基因。散布的珠蛋白基因家族散布的珠蛋白基因家族-珠蛋白基因及假基因家族存在于脊椎动物中。小鼠中的包括2个早期胚胎（8周）的基因，1个后期胚胎（39个月）的基因，2个成年基因，以及2个假基因。而兔子和鸡则各有4个基因。g)假基因（pseudogene）Pseudogenes are inactive but stable components of the genome derived by mutation of an ancestr
26、al active gene.Usually they are inactive because of mutations that block transcription or translation or both.曾是基因家族的一个成员，但由于基因突变，使曾是基因家族的一个成员，但由于基因突变，使之失去了功能，变成结构上碱基序列与功能基因之失去了功能，变成结构上碱基序列与功能基因相似，但没有实际功能活性的基因。用相似，但没有实际功能活性的基因。用 表示。表示。1977年在爪蟾的5S基因系统中发现，后来在珠蛋白基因簇、免疫球蛋白基因簇等均有发现。来源：一般认为是由mRNA反转录成cRNA然
27、后整合到基因组中。因此，假基因是没有内含子的。h)自私DNA(selfish DNA)在哺乳动物包括人体基因组中，存在着大量的非编码序列，如前述的高度重复序列，内含子，间隔DNA等。这些序列中，只有很小一部份具有重要的调节功能，绝大部部分都没有什么特殊功用。在这些DNA序列中虽然积累了大量缺失，重复或其他突变，但对生物并没有什么影响，它们的功能似乎只是自身复制，所以人们称这类DNA为自私DNA或寄生DNA(parasite DNA)。自私DNA也许有重要的功能，但目前我们还不了解。真核生物染色体基因组的特点1.真核生物基因组DNA是线性结构线性结构的，DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核
28、内，除配子细胞外，体细胞内的基因的基因组是双份的（即双倍体,diploid），即有两份同源的基因组。2.真核细胞基因转录产物为单顺反子转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。3.存在存在重复序列重复序列，重复次数可达百万次以上。4.基因组中不编码的区域多于编码区域不编码的区域多于编码区域。5.大部分基因含有内含子含有内含子，因此，基因是不连续的。6.基因组远远大于原核生物的基因组大于原核生物的基因组，多复制起点多复制起点，而每个复制子的长度较小。2.1.3 细胞器基因组 线粒体基因组 叶绿体基因组通常为环状DNA分子编码某些但并非所有的细胞器蛋白质 线粒
29、体 参与呼吸链的某些酶类是受双重遗传控制的，即部分亚基由细胞核基因组编码，另一部分则由mtDNA编码。起源：（内共生学说内共生学说）是外来的，不是固有的，是紫色光合细菌侵入真核细胞，逐渐被接纳而成为其一员。寄主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分线粒体。大部分原生动物和真菌不具有线粒体，因为在紫色光合细菌侵入真核生物之前，他们已经偏离了进化主流。线粒体DNA（mtDNA）的性质 双链的超螺旋环状分子（极个别为线状）D环复制 有独立于核基因组的DNA聚合酶，其自身的复制和转录都是由自己的聚合酶来完成的，能独立合成一些蛋白质。遗传密码与通用的遗传密
30、码有区别 既能编码部分蛋白质，又能编码部分RNA已知线粒体的基因组至少含有如下基因 tRNA基因 rRNA基因 细胞色素氧化酶基因 ATP酶基因 细胞色素还原酶基因：此酶有七个亚基，基中一个由mtDNA编码。另外，还有一些抗药性基因也在mtDNA上 叶绿体 起源：是外来的，远古时蓝细菌侵入真核细胞最终发展成现在叶绿体；结构：双链超螺旋环状分子，不与组蛋白结合；遗传：使用通用密码子，含有内含子；复制：叶绿体的复制还不清楚。叶绿体基因组 陆地植物的叶绿体编码4 rRNAs,30 tRNAs,以及 60蛋白质。2.1.4 细菌基因组 细菌的染色体基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成细菌的染色体相
31、对聚集在一起，形成一个较为致密的区域，称为类核（nucleoid）。类核无核膜与胞浆分开，类核的中央部分由RNA和支架蛋白组成，外围是双链闭环的DNA超螺旋。具有操纵子结构 与病毒基因组不同，通常无重叠基因现象 不编码的DNA部份所占比例比真核细胞基因组少得多 在基因或操纵子的末尾往往具有特殊的终止序列,它可使转录终止和RNA聚合酶从DNA链上脱落 2.1.5 病毒基因组基因组大小相差很大 都只含有一种核酸，或DNA或RNA；或单链，或双链；或闭环，或线性。少数RNA病毒基因组RNA由不连续的几条核酸链组成，如流感病毒，有八条RNA分子；呼肠孤病毒，有10个双链的节段性的RNA分子。目前，尚未发现有节段性的DNA分子构成的病毒基因组。基因重叠；多顺反子；除了反转录病毒以外，一切病毒基因组都是单倍体。反转录病毒基因组有两个拷贝噬菌体（细胞病毒）的基因是连续的；而真核细胞病毒的基因是不连续的，具有内含子 重叠基因 噬菌体X174、猿猴空泡病毒SV40基因组、部分高等生物 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。（2）部分重叠。（3）两个基因只有一个碱基重叠。重叠的三联体密码在不同的阅读机制下可产生不同的蛋白质产物。作业1 将真核生物基因组与细菌基因组的结构特点进行比较，找出不同点。
