1、染色体1染色体和DNA结构（一）细胞周期简单回顾 图 真核生物细胞周期示意图 Centromere locations and designations chromosomes based on centromere location.减数分裂过程示意图 1 细线期细线期 2 偶线期偶线期 3 粗线期粗线期 4 双线期双线期 5 终变期终变期 6 中期中期I 7 后期后期I 8 末期末期I 9 前期前期II 10 中期中期II 11 后期后期II 12 末期末期II水稻花粉母细胞减数分裂各个时相模式图 一对染色体 减数分裂的生物学意义减数分裂的生物学意义 减数分裂是有性生殖生物产生性细胞所进减
2、数分裂是有性生殖生物产生性细胞所进行的细胞分裂方式；而两性性细胞受精结行的细胞分裂方式；而两性性细胞受精结合合(细胞融合细胞融合)产生的合子是后代个体的起产生的合子是后代个体的起始点。始点。减数分裂不仅是生物有性繁殖必不可少的减数分裂不仅是生物有性繁殖必不可少的环节之一，也具有极为重要的遗传学意义环节之一，也具有极为重要的遗传学意义。保证了亲代与子代之间染色体数目的恒定性。保证了亲代与子代之间染色体数目的恒定性。双亲性母细胞双亲性母细胞(2n)(2n)经过减数分裂产生性细经过减数分裂产生性细胞胞(n)(n)，实现了染色体数目的减半；，实现了染色体数目的减半；雌雄性细胞融合产生的合子雌雄性细胞融
3、合产生的合子(及其所发育形及其所发育形成的后代个体成的后代个体)就具有该物种固有的染色体就具有该物种固有的染色体数目数目(2n)(2n)，保持了物种的相对稳定。子代，保持了物种的相对稳定。子代的性状遗传和发育得以正常进行。的性状遗传和发育得以正常进行。为生物的变异提供了重要的物质基础。为生物的变异提供了重要的物质基础。减数分裂中期减数分裂中期 I I，二价体的两个成员的，二价体的两个成员的排列方向是随机的，所以后期排列方向是随机的，所以后期 I I 分别来分别来自双亲的两条同源染色体随机分向两极，自双亲的两条同源染色体随机分向两极，因而所产生的性细胞就可能会有因而所产生的性细胞就可能会有2 2
4、n n种非种非同源染色体的组合形式同源染色体的组合形式(染色体重组，染色体重组，recombination of chromosome)recombination of chromosome)。为生物的变异提供了重要的物质基础。为生物的变异提供了重要的物质基础。另一方面，非姊妹染色单体间的交叉另一方面，非姊妹染色单体间的交叉导致同源染色体间的片段交换导致同源染色体间的片段交换(exchange of segment)(exchange of segment)，使子细胞的，使子细胞的遗传组成更加多样化，为生物变异提供遗传组成更加多样化，为生物变异提供更为重要的物质基础更为重要的物质基础(染色体片
5、断重组，染色体片断重组，recombination of segment)recombination of segment)。同时这。同时这也是连锁遗传规律及基因连锁分析的基也是连锁遗传规律及基因连锁分析的基础。础。为什么染色体如此重要？为什么染色体如此重要？是因为DNA问题讨论：染色体与基因与DNA之间的关系 表2-1？Simplified view of information flow involving DNA,RNA,and proteins within cells.遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则复制复制 DNA RNA 蛋白质蛋白质 生理功能生理功能复制复制 DNA
6、 RNA 蛋白质蛋白质 生理功能生理功能复制复制 DNA RNA 蛋白质蛋白质 生理功能生理功能?tRNA和和rRNAmicro RNAs小小RNA非编码非编码RNA转录转录转录转录反馈反馈翻译翻译翻译翻译反馈反馈转录转录1954年crick70-80年代now123染色体与染色质染色体与染色质 染色质(chromatin)是存在于真核生物间期细胞核内的一种易被碱性染料着色的无定形物质，是伸展开的DNA蛋白质纤维，每一条染色体是由一个线性的、完整的、双螺旋的DNA分子，加上围绕其中的组蛋白和非组蛋白所组成的，是细胞分裂间期遗传物质的存在形式。它是由最基本的单位它是由最基本的单位核小体核小体(n
7、ucleosome)成串排列而成的成串排列而成的真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质(chromatin)的的形式存在的形式存在的 染色体染色体(chromosome)则是染色质在细胞则是染色质在细胞分裂过程中经过紧密缠绕、折叠、凝缩、分裂过程中经过紧密缠绕、折叠、凝缩、精巧包装而成的具有固定形态的遗传物质精巧包装而成的具有固定形态的遗传物质存在形式，是高度螺旋化的存在形式，是高度螺旋化的DNA蛋白质纤蛋白质纤维。维。特定时期的特殊形式特定时期的特殊形式 染色体这一概念除指真核生物细胞分染色体这一概念除指真核生物细胞分
8、裂中期具有一定形态特征的染色质外，裂中期具有一定形态特征的染色质外，现在已扩大为包括现在已扩大为包括原核生物原核生物及及细胞器细胞器在内的基因载体的总称。大部分原核在内的基因载体的总称。大部分原核生物的染色体形态比较简单，它只是生物的染色体形态比较简单，它只是一条裸露的或与少数蛋白质结合的一条裸露的或与少数蛋白质结合的DNADNA或或RNARNA双链或单链分子双链或单链分子 染色体在复制之后含有纵向并列的染色体在复制之后含有纵向并列的两条染色单体两条染色单体(chromatids)(chromatids)，由着丝，由着丝粒粒(centromere)(centromere)联在一起联在一起(图图
9、)。每一。每一染色单体的骨架是一条连续的染色单体的骨架是一条连续的DNADNA分子，分子，一般认为细胞分裂中期时看到的染色一般认为细胞分裂中期时看到的染色单体就是由一条单体就是由一条DNADNA蛋白质纤丝重复折蛋白质纤丝重复折叠而成的。叠而成的。选择：一条染色体就是（）条DNA分子A 1，B 2，C 3，D 4 原核生物(prokaryote)的染色体 类核体解开之后的结构：紧密的脚手架结构，而不是松散的丝状结构原核生物原核生物DNA的主要特征的主要特征 原核生物中一般只有一条染色体，且大都原核生物中一般只有一条染色体，且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因带有单拷贝基因，只有很少数基因(如如r
10、RNArRNA基因基因)是以多拷贝形式存在的；是以多拷贝形式存在的；整个染色体整个染色体DNADNA几乎全部由功能基因与调控几乎全部由功能基因与调控序列所组成；序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。序列呈线性对应状态。不少原核生物具有质粒不少原核生物具有质粒DNADNA（教材未提），（教材未提），而且通常起到重要的生理功能而且通常起到重要的生理功能 少量的RNA：是指那些尚未完成转录仍与模板DNA结合在一起的RNA，含量不到DNA的10%组蛋白：H1、H2A、H2B、H3、H4非组蛋白非组蛋白核小体DNA蛋白质染色体真核生物染色
11、体的组成组蛋白的一般特性：1 进化上的保守性保守程度：H1 H2A、H2B H3、H41、组蛋白 上海生化所分子遗传学1998年试题：是非题 在真核生物核内。五种组蛋白（H1 H2A H2B H3 和H4）在进化过程中，H4极为保守，H2A最不保守（）2 无组织特异性3 肽链氨基酸分布的不对称性4 H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%）5 组蛋白的可修饰性简述真核生物染色体上组蛋白的种类，组蛋白修饰的种类及其生物学意义中国科学院2003年硕士研究生入学生物化学与分子生物学试题 在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1
12、有磷酸化作用。所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。6 组蛋白的可修饰性组蛋白的可修饰性非组蛋白非组蛋白 非组蛋白是染色体上与特异非组蛋白是染色体上与特异DNADNA序列结合的序列结合的蛋白质，又称序列特异性蛋白质，又称序列特异性DNADNA结合蛋白（结合蛋白（凝凝胶迟滞电泳实验胶迟滞电泳实验）。包括多种参与核酸代）。包括多种参与核酸代谢与修饰的酶类、核质蛋白、骨
13、架蛋白、谢与修饰的酶类、核质蛋白、骨架蛋白、基因表达和染色体结构调节蛋白等。基因表达和染色体结构调节蛋白等。非组蛋白的特性非组蛋白的特性 含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质；电荷，属酸性蛋白质；整个细胞周期都进行合成，不象组蛋白整个细胞周期都进行合成，不象组蛋白只在只在S S期合成，并与期合成，并与DNADNA复制同步进行；复制同步进行；能识别特异的能识别特异的DNADNA序列，识别信息存在于序列，识别信息存在于DNADNA本身，位点在大沟部分，识别与结合靠本身，位点在大沟部分，识别与结合靠氢键和离子键；氢键和离子键；具有多样性和异质性；具有
14、多样性和异质性；具有多种功能，如帮助具有多种功能，如帮助DNA分子折叠，分子折叠，以形成不同的结构域，从而有利于以形成不同的结构域，从而有利于DNA的的复制和基因的转录，协助启动复制和基因的转录，协助启动DNA复制，复制，控制基因转录，调节基因表达。控制基因转录，调节基因表达。DNA红宝书bibleDNA的序列可分为的序列可分为3种类型种类型 单一序列单一序列（主要为基因编码序列，一个或（主要为基因编码序列，一个或几个拷贝，比例少于几个拷贝，比例少于5 5）中度重复序列中度重复序列（10101-51-5），分为短散的重复序），分为短散的重复序列（一般少于列（一般少于500 bp500 bp）和
15、长散的重复序列）和长散的重复序列（一般多于（一般多于1000 bp1000 bp），与基因选择性表达），与基因选择性表达的调控有关；的调控有关；高度重复序列高度重复序列（10105 5），分为卫星），分为卫星DNA(satelliteDNA(satellite，重复单位长，重复单位长5-100 bp)5-100 bp)主主要分布在着丝粒区域，小卫星要分布在着丝粒区域，小卫星DNA(minisatellte DNA,DNA(minisatellte DNA,单位长单位长12-100 bp12-100 bp，拷贝数可变，常用于拷贝数可变，常用于DNADNA指纹指纹(DNA finger-(DNA
16、finger-printing)printing)技术技术)，微卫星，微卫星DNA(microsatellte DNADNA(microsatellte DNA，单位，单位1-5 bp1-5 bp，常，常串联达串联达50-100 bp50-100 bp，具有高度多态性，遗传，具有高度多态性，遗传上保守，但个体差异较大上保守，但个体差异较大)，用于构建遗传，用于构建遗传图谱。图谱。1)DNA的变性和复性 变性（Denaturation)DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程称为变性。增色效应(Hyperchromatic effect)在变性过程中，260nm紫外线吸收值先缓慢上升，当达到
17、某一温度时骤然上升，称为增色效应。2、DNA特性融解温度（Melting temperature Tm)变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度。生理条件下为85-95影响因素：G+C含量，pH值，离子强度，尿素，甲跣胺等PCR引物设计 退火温度DNA溶解温度与DNA中的GC含量极其相关复性（Renaturation)热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。减色效应（Hypochromatic effect)随着DNA的复性，260nm紫外线吸收值降低的现象。C值矛盾值矛盾2)C值反常现象（C-value paradox)C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。真核细胞基因组的最大特点是它
18、含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开，这就是著名的“C值反常现象”。产生C值矛盾的本质原因是什么？C值矛盾表现在哪两个方面？同类生物不同种属之间DNA含量变化很大：比如同样是两栖动物，能够相差100倍 从生物由地等到高等的进化地位来看，其所需要的最少的编码DNA的含量，反应在C值上是逐步升高的。但真实的C值并非如此，某些低等生物的C值比高等生物还要高低等生物-高等生物（逐渐进化）生物所需要的编码DNA的最低含量（逐渐升高）简述DNA的C值以及C值矛盾（C Value paradox）.中科院上海生化所 98 年上海第二军医大：C值矛盾2.2 DNA的结构
19、1 1）概念概念 指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序，DNA序列是这一概念的简称。碱基序列1、DNA的一级结构核酸的化学组成和分子结构 核苷酸Structures and names of the nucleosides and nucleotides of RNA and DNA.脱氧核糖脱氧核糖 脱的是那个氧？脱的是那个氧？脱氧核糖和磷酸的连接脱氧核糖和磷酸的连接方向方向 (5-3)3）DNA结构的表示法 字母式结构式线条式5pApTpGpCOH3DNA一级结构的特征2）特征：双链反向平行配对而成脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在内侧内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A：T，C
20、：G）。The DNA double helix as proposed by Watson and Crick.思考题：思考题：“沟的沟的”生物学生物学意义何意义何在在模型要点：page 9沿螺旋轴方向观察，双螺旋的表面形沿螺旋轴方向观察，双螺旋的表面形成两条凹槽，一条宽而深的叫作大沟，成两条凹槽，一条宽而深的叫作大沟，一条狭而浅的叫作小沟，大沟对于遗一条狭而浅的叫作小沟，大沟对于遗传上重要功能的蛋白质识别传上重要功能的蛋白质识别DNADNA双螺双螺旋结构上的特定信息非常重要也即是旋结构上的特定信息非常重要也即是说，大沟为这些蛋白质提供了识别说，大沟为这些蛋白质提供了识别（识别靠的是在沟里暴
21、露出来的氢键（识别靠的是在沟里暴露出来的氢键和离子键）的场所。而这些蛋白质往和离子键）的场所。而这些蛋白质往往就是参与往就是参与DNADNA复制、转录、基因表复制、转录、基因表达调控等的重要蛋白质，而且往往是达调控等的重要蛋白质，而且往往是参与这些过程的其实反应。属于反式参与这些过程的其实反应。属于反式作用因子。作用因子。DNA的二级结构 定义：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构 特征：Watson和Crick由X射线衍射结构分析提出了DNA分子双螺旋结构模型，此模型所描述的是BDNA钠盐在一定湿度下的结构。BDNA钠盐结构既规则又很稳定，是由两条反向平行的多核苷酸链围绕伺一中心轴
22、构成的右手螺旋结构Page 34 多核苷酸的方向由核苷酸间的磷酸二酯键的走向决定，一条从5,另一条从3-5。链间有螺旋型的凹槽，其中一条较浅，叫小沟；一条较深，叫大沟。两条链上的碱基以氢键相连，G与C配对，A与T配对。嘌吟和嘧啶碱基对层叠于双螺旋的内侧。顺着螺旋轴心从上向下看，可见碱基平面与纵轴垂直，且螺旋的轴心穿过氢键的中点。相邻碱基对平面之间的距离为034 nm，即顺中心轴方向，每隔034 nm有一个核苷酸，以34nm为一个结构重复周期。核苷酸的磷酸基团与脱氧核糖在外侧，通过磷酸二酯键相连接而构成DNA分子的骨架。脱氧核糖环平面与纵轴大致平行。双螺旋的直径为20nmX-ray diffra
23、ction photograph of the B form of purified DNA fibers.The top half of the figure shows computer-generated space-filling models of B-DNA,A-DNA,and Z-DNA.特殊的左手螺旋1979发现DNA的高级结构DNA双螺旋结构中，一般每转一圈有每转一圈有1010个核苷酸对，双螺旋个核苷酸对，双螺旋总处于能量最低状态总处于能量最低状态。若正常DNA双螺旋额外地多转或少转几圈，使每转一圈的核苷酸数目大于或小于10，就会出现双螺旋空间结构的改变，在DNA分子中产生额外的张力线状DNA形成的超螺旋环状DNA形成的超螺旋拓扑异构酶or溴化乙锭拓扑异构酶or溴化乙锭DNA扭曲与双螺旋相同（拧紧）DNA扭曲与双螺旋相反（松开）负超螺旋松弛DNA正超螺旋In situ hybridzation of chromosomes using a fluorescent technique(FISH)shows what?
