1、2-1 DNA2-1 DNA超螺旋与拓扑异构现象超螺旋与拓扑异构现象 第二章 DNA、染色体与基因组Superhelix of SV40 DNA(Vinograd,1965)一、一、DNA DNA超螺旋超螺旋（superhelix or supercoil）DNADNA超螺旋结构超螺旋结构Linear DNA.LOpen Circle DNA OC relexed formSupercoiled circle(高级结构高级结构)Covalent Closed Circle CCC指双螺旋环状分子再度螺旋化即成为超螺旋结构。超超 螺螺 旋旋 形形 成成 示示 意意末端固定的线型双螺旋末端固定的线
2、型双螺旋额外的张力不能释放额外的张力不能释放双螺旋以扭曲方式缓双螺旋以扭曲方式缓解应力，形成超螺旋解应力，形成超螺旋二、二、DNA DNA超螺旋的方向性超螺旋的方向性松弛（松弛（relaxedrelaxed）状态：）状态：DNADNA在水溶液中在水溶液中,构型偏构型偏B B型状型状态。态。DNADNA以以10.5 bp/helix10.5 bp/helix为最稳定构型。为最稳定构型。正超螺旋：正超螺旋：小于小于10.5bp/helix10.5bp/helix，则其二级结构处于紧缩，则其二级结构处于紧缩状态，由此产生的超螺旋为正超螺旋。状态，由此产生的超螺旋为正超螺旋。负超螺旋：负超螺旋：大于大
3、于10.5bp/helix10.5bp/helix，则其二级结构处于松缠，则其二级结构处于松缠状态，由此产生的超螺旋为负超螺旋。状态，由此产生的超螺旋为负超螺旋。由此可见，超螺旋总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展；双螺旋DNA的松开导致形成负超螺旋；而DNA的拧紧，则导致形成正超螺旋；所有的超螺旋都比松弛型含有更多的自由能。拓扑学拓扑学(topology)(topology)是研究几何图形在平面位置关系不是研究几何图形在平面位置关系不变情况下空间结构变化规律的数学分支。变情况下空间结构变化规律的数学分支。三、三、DNADNA超螺旋拓扑学定义超螺旋拓扑学定义实验证明，细胞内的实验证明，细胞内的
4、DNADNA存在拓扑异构现象存在拓扑异构现象(topoisome)(topoisome)，即在保持，即在保持DNADNA一级和二级结构不变的情一级和二级结构不变的情况下，两条单链可以相互缠绕，形成不同的空间构型。况下，两条单链可以相互缠绕，形成不同的空间构型。超螺旋发生的规律超螺旋发生的规律Vinograd.J(1968)Vinograd equationL=T+W (=+)L Linking number (双链双链DNA的交叉数的交叉数)T Twisting number (双链双链DNA的缠绕数，初级螺旋圈数，即的缠绕数，初级螺旋圈数，即DNA分子中的分子中的Watson-Crick螺螺
5、旋周数，其数值可直接在处于最稳定状态下的双链环形（或超螺旋形式）旋周数，其数值可直接在处于最稳定状态下的双链环形（或超螺旋形式）DNA中的实际螺旋周数计数得到，不一定是整数中的实际螺旋周数计数得到，不一定是整数)W Writhing number (直观上为双螺旋数直观上为双螺旋数,可为小数可为小数)W=负值（负值（negative superhelix）W=正值正值 (positive superhelix）Non-breaking Non-unwinding Non-overwindingL为定值，整数为定值，整数l B-DNAB-DNA是力学上稳定是力学上稳定的结构（的结构（10 bp/
6、helix 10 bp/helix）l l 虽交叉数减少，但需转虽交叉数减少，但需转换为一种应力，以维持换为一种应力，以维持10bp/helix10bp/helix的螺旋数，的螺旋数，l 应力的重新分配应力的重新分配 或在或在B-DNAB-DNA状态中保留一单状态中保留一单链区链区或螺旋力将维持或螺旋力将维持B-DNAB-DNA的的右旋结构右旋结构,形成超螺旋形成超螺旋 420bpL=42T=42W=0无应力无应力松弛状态松弛状态应力的分配应力的分配L=36T=36W=0L=36T=42W=-6 链松弛后链松弛后再结成环再结成环链未松弛链未松弛再结成环再结成环松开松开6圈螺旋圈螺旋L=62 2
7、比连系差（比连系差（Specific linking differenceSpecific linking difference）=Lk Lk0=Lk-Lk0 Lk0 能够根据能够根据DNADNA分子分子L Lk k的改变描述螺旋不足（超螺的改变描述螺旋不足（超螺旋），也叫超螺旋密度（旋），也叫超螺旋密度（superhelix densitysuperhelix density）。）。DNADNA分子形成超螺旋的生物学意义：分子形成超螺旋的生物学意义：1 1 超螺旋超螺旋DNADNA具有更紧密地形状，因此在具有更紧密地形状，因此在DNADNA组组装中具有重要作用；装中具有重要作用；2 2 DN
8、A DNA的结构具有动态性，的结构具有动态性，DNADNA超螺旋程度的改超螺旋程度的改变介导了这种结构的变化，这有利于其功能的发挥。变介导了这种结构的变化，这有利于其功能的发挥。3 3 DNA DNA是一种热力学上的稳定结构，超螺旋的引是一种热力学上的稳定结构，超螺旋的引入提高了他的能量水平。入提高了他的能量水平。拓扑异构体拓扑异构体(topoisomer)(topoisomer)：具有不同连接数的同一种DNA分子称为DNA拓扑异构体。四、DNA拓扑异构体与拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶(topoisomerase)(topoisomerase)作用方式：拓扑异构酶与DNA共价结合形成中间体，
9、使磷酸二酯链暂时断裂形成切口，DNA分子的一条单链或双螺旋穿越另一条单链或双螺旋，改变其拓扑状态，但一级和二级结构并无变化。即在保持DNA一级和二级结构不变的情况下，两条单链可以相互缠绕，形成不同的空间构型。拓扑异构酶拓扑异构酶(topoisomerase)(topoisomerase)细胞内存在着一类能催化DNA拓扑异构体相互转化的酶，称为拓扑异构酶。或者说，能改变DNA拓扑联系数的酶就叫拓扑异构酶。型酶在两条单链上都产生切口，每次作用使连接数改变2。在型酶的作用是增加负超螺旋数，或减少正超螺旋数，在真核生物中还有减少负超螺旋的作用。拓扑异构酶分为型和型两类。拓扑异构酶的生物学功能 消除DN
10、A复制和转录等过程产生的正负超螺旋。在细胞中，型酶与型酶的活性保持一种平衡状态，型酶使DNA超螺旋化的作用为型酶使DNA松驰化的作用所抗衡，从而使DNA保持适当的超螺旋密度。型酶在DNA的一条单链上产生切口，使另一条单链得以穿越，每作用一次使DNA连接数改变1；原核生物中，型酶只作用于负超螺旋DNA，减少负超螺旋数，使其松弛；在真核生物中，型酶还可以作用于正超螺旋DNA，减少正超螺旋数。Top I(swivelase,niking-closing enzyme)Breakage&rejoining of S.S.DNA at phospho-diester bondsBreakage&rejo
11、ining of S.S.DNA at phospho-diester bonds（在酶的作用下，在酶的作用下，DNA单链断裂单链断裂）松弛松弛B-双螺旋双螺旋消除负超螺旋消除负超螺旋CCC OC onlyNo ATP,NADattach Negative supercoilGet energy from Negative supercoil图3.30 型拓扑异构酶作用机理Function Mechanism of Topoisomerase ITop II(gyrase)(gyrase)ATP needed ATP neededCutting&ligation Cutting&ligatio
12、n of D.S.DNAof D.S.DNAtetramertetramer 紧缩紧缩B-双螺旋双螺旋引入负超双螺旋引入负超双螺旋Cut D.S.DNAATPLigateAABBFunction Mechanism of Topoisomerase II 2-2 基因和基因组一、基因、基因组的概念一、基因、基因组的概念二、基因组的大小与二、基因组的大小与C C值矛盾值矛盾三、基因组的复性动力学三、基因组的复性动力学四、重复序列四、重复序列五、真核与原核生物基因组比较五、真核与原核生物基因组比较指指DNADNA分子所携带遗传信息总和，即指一个细胞所有基分子所携带遗传信息总和，即指一个细胞所有基因
13、和基因间因和基因间DNADNA的总和，称基因组。遗传学定义为：一的总和，称基因组。遗传学定义为：一个物种的单倍体的染色体的数目为该物种的基因组。个物种的单倍体的染色体的数目为该物种的基因组。在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的DNADNA总量是总量是恒定的，称之为恒定的，称之为C C值。值。一、基因、基因组的概念一、基因、基因组的概念产生一条多肽链或功能产生一条多肽链或功能RNARNA所必需的全部核苷酸序列，所必需的全部核苷酸序列，在遗传学上也称顺反子（在遗传学上也称顺反子（cistroncistron）。）。(二二)基因组基因组(三三)C)C值值一个单
14、倍体基因组中一个单倍体基因组中DNADNA的总量的总量(一一)基因基因霉菌藻类藻类G+细菌细菌G-细菌细菌显花植物显花植物鸟类鸟类哺乳类哺乳类爬行类爬行类两栖类两栖类硬骨鱼类硬骨鱼类软骨鱼类软骨鱼类赖皮类赖皮类甲壳类甲壳类昆虫类昆虫类软体动物软体动物蠕虫类蠕虫类真菌真菌枝原体枝原体C value paradoxC value paradoxof nucleotideof nucleotide A A 生物体进化程生物体进化程度高低与度高低与C C值的值的相相关性不强关性不强 B B 亲缘关系相亲缘关系相近近的生物的生物C C值相差值相差较大较大 低等生物单倍体基因组低等生物单倍体基因组DNAD
15、NA的含量与生物复杂性呈正的含量与生物复杂性呈正相关，但高等生物这种关系并不一致。相关，但高等生物这种关系并不一致。真核生物真核生物 DNA 染色体数染色体数 （2C）（2N）两栖鲵两栖鲵 168.0 pg 24肺鱼肺鱼 100 38蝾螈蝾螈 85.3 24警蛙警蛙 28.2 24牛牛 6.4 60人人 6.4 46绵羊绵羊 5.7 54果蝇果蝇 0.2 8贝母贝母 196.7 24豌豆豌豆 28 12玉米玉米 11 20原核生物原核生物 DNA （C）Salmonella Salmonella 0.0143 pg(沙门氏菌沙门氏菌)E.coliE.coli 0.0040T2 T2 0.000
16、22 0.0000055174174 0.000005这种形态学的复杂程度与这种形态学的复杂程度与C C值值大小的不一致称为大小的不一致称为C C值矛盾。值矛盾。三、基因组的复性动力学三、基因组的复性动力学 Hydroxyapatite column 羟基磷灰石柱Low C of PHigh C of Prelease D.S.DNA absorb D.S.DNA复性发生的过程的讨论复性发生的过程的讨论dCt/dt=-KC2 反应初始反应初始 t=0 单链单链DNADNA的随机碰撞的随机碰撞 过程（过程（randomly collision randomly collision）（二级反应动力
17、学）（二级反应动力学）单链单链 DNA DNA浓度浓度=C0反应达反应达 t t 时时单链单链DNADNA浓度浓度=Ct 两条部分同源两条部分同源(小于小于20dNt)20dNt)的的S.S.DNA,S.S.DNA,在复性过程中在复性过程中形成的部分双链区是不稳定的形成的部分双链区是不稳定的 dCt/dt=-KCt2 积分积分 Ct/C0=1/1+KC0t 当当 Ct/C0=1/2 时时Ct/C0=1/2=1/1+KC0t(1/2)K=1/Cot(1/2)Cot(1/2)=1/K(mol.Sec/L)任一DNA分子达到Ct/C0=的速率是定值0101C0t(1/2)C0t(1/2)Fracti
18、on reassociated在控制反应条件相同的前提下在控制反应条件相同的前提下,两种两种DNADNA分子的分子的C C0 0t t(1/2)(1/2)值值,取决于取决于dNt dNt 的排列复杂性的排列复杂性。AAAAAAAA K.C.=1 C0t(1/2)=210-6ATCGATCGATCG K.C.=4 K.C.=5 105 C0t(1/2)=1(复性动力学的复杂性，复性动力学的复杂性，Kinetic complexityKinetic complexity，K.C)K.C)Eukaryotic genomes have several sequence components变性程度变
19、性程度 部分变性的部分变性的DNADNA可直接通过拉链作用迅速复性，而完可直接通过拉链作用迅速复性，而完全变性的全变性的DNADNA一般需要几个小时才能复性。一般需要几个小时才能复性。除温度、离子强度、除温度、离子强度、pHpH等变性条件外，影响复性的因素有：等变性条件外，影响复性的因素有：DNADNA的浓度的浓度 浓度越大有效碰撞的频率越高。浓度越大有效碰撞的频率越高。DNADNA分子大小分子大小 越小的分子复性越快。越小的分子复性越快。DNADNA复杂性复杂性(complexity)(complexity)指最长的没有重复序列的核指最长的没有重复序列的核苷酸对数之和。苷酸对数之和。ATAT
20、ATATATATATATATATATAT的复杂性为的复杂性为2 2；ATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGC的复杂性为的复杂性为4 4；ATGCATGCATGCCTCAGTATGCCTCAGTATGCATGCATGCATGCATGCATGC的复杂性为的复杂性为1010；ATGCTGACGTAGCAATGCTGACGTAGCA的复杂性为的复杂性为1414。序列复杂的序列复杂的DNADNA更容易发生非对应配对，所以复杂性越高的更容易发生非对应配对，所以复杂性越高的DNADNA复性越复性越困难。困难。3.高度重复
21、序列高度重复序列（Highly repetitive sequence）四、重复序列四、重复序列1.单一序列单一序列（Unique sequence）主要是蛋白质编码基因。主要是蛋白质编码基因。2.2.中度重复序列中度重复序列（Moderately repetitive sequence）包括包括rRNA、tRNA、组蛋白的编码基因。研究较多的是、组蛋白的编码基因。研究较多的是Alu家族。家族。长度不到长度不到10bp10bp，多是串联集中分布，一般不转录。有些，多是串联集中分布，一般不转录。有些ATAT含量很高的高度重复序列，在离心时常会在主要的含量很高的高度重复序列，在离心时常会在主要的D
22、NADNA带的上面有一个次要的带的上面有一个次要的DNADNA带相伴随，这就是所谓的带相伴随，这就是所谓的“卫星卫星DNADNA”着丝点（centromere）功能必需的DNA序列约130bp长，并富含A=T碱基对；在着丝点附近，还有高度重复的卫星DNA。端粒（telomere）顺序长约100bp，起到稳定染色体的作用。是由：5(Tx Gy)n x约为14 3(Ax Cy)n y约为184.4.反向重复序列反向重复序列（Inverted repetitive sequence）又称回文序列（又称回文序列（PalindromePalindrome）,易形成发夹结构，在易形成发夹结构，在DNADN
23、A双链中可能形成十字形结构。双链中可能形成十字形结构。CAT CATGAACGTCCGAACGTCCTATTGTCTATTGTCGGACGTTCGGACGTTCTGATGA GTA GTACTTGCAGGCTTGCAGGATAACAGATAACAGCCTGCAAGCCTGCAAGACTACT基因家族：真核生物基因组中有许多来源相同、结构相似、基因家族：真核生物基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样一组基因称为基因家族。功能相关的基因，这样一组基因称为基因家族。（4 4）有些可以编码蛋白质，在某些基因的转录中作为调）有些可以编码蛋白质，在某些基因的转录中作为调控成分。控成分。五五
24、.断裂基因断裂基因（split gene）也叫不连续基因，指在真核生物中，大多数编码蛋白质的也叫不连续基因，指在真核生物中，大多数编码蛋白质的基因是不连续的，即基因的编码序列之间插入了不编码的基因是不连续的，即基因的编码序列之间插入了不编码的序列，称为断裂基因。序列，称为断裂基因。内含子的意义：内含子的意义：（1 1）可能是遗传的残留物。）可能是遗传的残留物。（2 2）Walter GilbertWalter Gilbert假说：是使蛋白质进化过程的残迹。假说：是使蛋白质进化过程的残迹。（3 3）可以保护基因家族中基因的完整性。）可以保护基因家族中基因的完整性。五、真核与原核生物基因组比较五、
25、真核与原核生物基因组比较（P78 ）作为总结性的问题，课后总结。同时掌握作为总结性的问题，课后总结。同时掌握断裂基因断裂基因、假基因假基因、内含子内含子、外显子外显子的概念。的概念。2-3染色体2-3染色体一、组成一、组成1.1.核小体（核小体（nucleosomenucleosome）：）：染色质是由重复单位构染色质是由重复单位构成的，每个重复单位由约成的，每个重复单位由约200bp200bp的的DNADNA和和H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4各两分子组成，这个重复单位叫核小体。各两分子组成，这个重复单位叫核小体。2.2.组蛋白（组蛋白（histonehistone）五种：五种
26、：H1 H1、H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4。呈碱性。呈碱性。除了除了H1H1以外，其余四种有相互作用形成聚合体的趋势。以外，其余四种有相互作用形成聚合体的趋势。它们通过它们通过C C端的疏水氨基酸相互结合，而端的疏水氨基酸相互结合，而N N端的碱性氨基端的碱性氨基酸则向四面伸出以便与酸则向四面伸出以便与DNADNA分子相互作用。分子相互作用。3.3.构成：构成：每个核小体含每个核小体含8 8个组蛋白；个组蛋白；200bp DNA200bp DNA中，中，146bp 146bp 紧紧缠绕紧紧缠绕着组蛋白，其余用于连接两个核小体，称为连接着组蛋白，其余用于连接两个核小体，称为连接
27、DNADNA（linker DNAlinker DNA）。）。H1H1通常和连接通常和连接DNADNA相结合，把核小体相结合，把核小体“封锁封锁”起来。起来。4.4.核小体包装的高级形式核小体包装的高级形式（1 1）核小体（压缩比为）核小体（压缩比为7 7，200bp200bp长为长为68nm68nm，压缩后为，压缩后为10nm 10nm）（2 2）30nm30nm的核小体纤维（的核小体纤维（30nm fiber30nm fiber，压缩比为，压缩比为4040）。）。（3 3）染色体）染色体DNADNA的某一部分和的某一部分和“核骨架核骨架”（nuclear nuclear scaffolds
28、caffold）相连，把染色体）相连，把染色体DNADNA隔成许多含隔成许多含2000020000至至100000100000碱基对的碱基对的DNADNA环。环。（4 4）约）约6 6个环与核骨架形成一个梅花结，每个环与核骨架形成一个梅花结，每3030个梅花结形个梅花结形成一盘。一条染色单体大约有成一盘。一条染色单体大约有1010盘。盘。4.4.核小体包装的高级形式核小体包装的高级形式染色体模型基于的原理：染色体模型基于的原理：真核染色体真核染色体DNADNA包装好象是一次缠绕再包装好象是一次缠绕再接一次更高级的缠绕。即在螺旋上形接一次更高级的缠绕。即在螺旋上形成螺旋，再形成螺旋。成螺旋，再形
29、成螺旋。名词解释名词解释DNADNA的拓扑异构体，的拓扑异构体，DNADNA拓扑异构酶，基因，基因组，拓扑异构酶，基因，基因组，C C值，值，C C值悖理，卫星值悖理，卫星DNADNA，基因家族，断裂基因，内含子，外显子，假基因，核小体基因家族，断裂基因，内含子，外显子，假基因，核小体判断：判断：1.DNA1.DNA拓扑异构酶拓扑异构酶能够切开能够切开DNADNA的的1 1条链，而条链，而DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶能同时切开能同时切开DNADNA的的2 2条链，但都可以使条链，但都可以使DNADNA产生正向超螺旋。产生正向超螺旋。2.2.人是最高等生物，其基因组的碱基对数目是生物界中最大
30、的。人是最高等生物，其基因组的碱基对数目是生物界中最大的。3.3.端粒酶是一种逆转录酶（反转录酶），它含有富端粒酶是一种逆转录酶（反转录酶），它含有富G G的的RNARNA模板。模板。4.Cot4.Cot1/21/2是与基因组的大小成反比的。是与基因组的大小成反比的。5.5.从中看出在不存在重复序列情况下，从中看出在不存在重复序列情况下，C C0 0t t1/21/2值与基因组大小成正比，值与基因组大小成正比，C C0 0t t1/21/2值值是可以作为衡量一个基因组大小的尺度。是可以作为衡量一个基因组大小的尺度。6.6.多倍体只是导致基因组大小的增加，但没有引起有机体复杂度的增加。多倍体只是导致基因组大小的增加，但没有引起有机体复杂度的增加。7.7.一个一个DNADNA分子的分子的C C0 0t t1/21/2值越大，表明它的复杂度越高。值越大，表明它的复杂度越高。简答：简答：DNADNA分子形成超螺旋的生物学意义。分子形成超螺旋的生物学意义。比较真核与原核基因组结构特点。说明着丝粒与端粒属于哪种序列？比较真核与原核基因组结构特点。说明着丝粒与端粒属于哪种序列？如果一段如果一段DNADNA序列的两端为反向重复序列，若发生同源重组将会产生什么结果？序列的两端为反向重复序列，若发生同源重组将会产生什么结果？
