第二章染色體與DNA

染色體

DNA的結構

DNA的復制

DNA的修復DNA的轉座一、染色體（Chromosome)

內容提要：細胞周期染色體與染色質染色體的結構和組成（原核生物、真核生物）核小體原核生物和真核生物基因組結構特點比較

（一）細胞周期（二）染色體與染色質染色體（chromosome）是細胞在有絲分裂時遺傳物質存在的特定形式。真核生物的染色體在細胞生活周期的大部分時間里都是以染色質(chromatin)的形式存在的。染色質是一種纖維狀結構，叫做染色質絲，它是由最基本的單位—核小體(nucleosome)成串排列而成的。（三）染色體的結構和組成原核生物(prokaryote)

⑴．染色體簡單：DNA和非組蛋白組成基因序列和蛋白質序列線性對應⑵．遺傳信息含量少：只有一條染色體單拷貝基因

{組蛋白：H1H2AH2BH3H4非組蛋白}核小體{DNA蛋白質染色體真核生物染色體的組成組蛋白的一般特性：1、進化上的極端保守性保守程度：H1H2A、H2BH3、H4對穩定真核生物染色體結構的重要性蛋白質上海生化所分子遺傳學1998年試題：在真核生物核內，五種組蛋白（H1H2AH2BH3和H4）在進化過程中，H4極為保守，H2A最不保守（）組蛋白的一般特性：2、無組織特異性紅細胞染色體不含H1,而是H5。精細胞的組蛋白是魚精蛋白。3、肽鏈氨基酸分布的不對稱性堿性氨基酸分布在N端，疏水氨基酸分布在C端。4、H5組蛋白的特殊性：富含賴氨酸（24%）5、組蛋白的可修飾性在細胞周期特定時間可發生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。所有這些修飾作用都有一個共同的特點，即降低組蛋白所攜帶的正電荷。這些組蛋白修飾的意義：一是改變染色體的結構，直接影響轉錄活性；二是核小體表面發生改變，使其他調控蛋白易于和染色質相互接觸，從而間接影響轉錄活性。組蛋白的可修飾性1)DNA的變性和復性變性（Denaturation)

DNA雙鏈的氫鍵斷裂，最后完全變成單鏈的過程稱為變性。增色效應(Hyperchromaticeffect)在變性過程中，260nm紫外線吸收值先緩慢上升，當達到某一溫度時驟然上升，稱為增色效應。融解溫度（Meltingtemperature,Tm)

變性過程紫外線吸收值增加的中點稱為融解溫度。生理條件下為85-95℃。影響因素：G+C含量，pH值，離子強度，尿素等真核生物的DNA■復性（Renaturation)熱變性的DNA緩慢冷卻，單鏈恢復成雙鏈。■減色效應（Hypochromaticeffect)

隨著DNA的復性，260nm紫外線吸收值降低的現象。2)C值反常現象（C-valueparadox)/C值矛盾

C值：一種生物的單倍體基因組DNA的總量。

C值反常：真核生物中，C值一般是隨著生物進化而增加的，高等生物的C值一般大于低等生物，但是某些較低等的生物C值卻很大，如一些兩棲動物的C值甚至比哺乳動物還大，并且在兩犧動物中C值的變化也很大，可相差100倍。這就是著名的“C值反常現象”。

■不重復序列/單一序列：在基因組中有一個或幾個拷貝。真核生物的結構基因在單倍體中都是單拷貝的。如：蛋清蛋白、血紅蛋白等。功能：主要是編碼蛋白質。■中度重復序列：在基因組中的拷貝數為101~104。如：rRNA、tRNA。一般是不編碼蛋白質的序列，在調控基因表達中起重要作用。■高度重復序列：拷貝數達到幾百個到幾百萬個。衛星DNA：AT含量很高的簡單高度重復序列。根據DNA復性動力學研究，DNA序列可以分成哪幾種類型？并加以舉例說明。(2001年上海生化所）（四）核小體(nucleosome)Nucleosome、chromosome、genome中科院2002年碩士學位研究生入學分子遺傳學試題1、定義：用于包裝染色質的結構單位，是由DNA鏈纏繞一個組蛋白核構成的。

2、實驗證據：1）染色質DNA的Tm值高于自由DNA。2)DNA酶對染色質的消化低于純DNA,消化后DNA片段的大小為200bp的整數倍。串珠狀核小體結構真核生物染色質的基本單位是核小體。組成串珠狀結構。核小體的組成DNA：約146bp組蛋白核心：H2A，H2BH3H4連接處：H1

2、核小體的結構核小體的形成6.8:140:11600:18000:1DNAdoublehelixNucleosome(10nmfiber)30nmFiberLoopsILoopsIIchromosome3、染色體的包裝—超螺旋結構串珠狀核小體DNA雙螺旋片段染色質纖維—30nm纖維伸展形染色質片段—環密集形染色質片段—玫瑰花瓣整個染色體●基因組很小，大多只有一條染色體，DNA含量少；●

結構簡煉：只有非常少的一部分不轉錄，不同于真核DNA的冗余；1、原核生物基因組結構特點（五）原核生物和真核生物基因組結構特點比較存在轉錄單元、多順反子(polycistron)X174D-E-J-F-G-HmRNA蛋白J、F、GHDEE.coli色氨酸操縱子9個順反子9個酶。原核生物DNA序列中功能相關的RNA和蛋白質基因，往往叢集在基因組的一個或幾個特定部位，形成轉錄單元。它們可被一起轉錄為含有多個mRNA的分子，成為多順反子mRNA。

●有重疊基因（Sanger發現）基因內基因部分重疊基因一個堿基重疊2、真核生物基因組結構特點真核基因組結構龐大

3×109bp、染色質、核膜非編碼區較多多于編碼序列(9:1),和原核生物最重要的區別含有大量重復序列單順反子基因不連續性斷裂基因(interruptedgene)、內含子(intron)、外顯子(exon)存在大量的順式作用元件，包括啟動子、增強子。存在大量的DNA多態性，即DNA序列中發生變異而導致的個體間核苷酸序列的差異，包括單核苷酸多態性和串聯重復序列多態性兩類。具有端粒結構端粒是染色體末端的DNA重復序列。功能：穩定染色體末端結構，防止染色體間末端連接。組織培養的細胞證明，端粒在決定動植物細胞的壽命中起著重要作用，經過多代培養的老化細胞端粒變短，染色體也變得不穩定。

端粒第二章染色體與DNA染色體

DNA的結構

DNA的復制

DNA的修復DNA的轉座二、DNA的結構1）

概念指4種脫氧核苷酸的連接及其排列順序，DNA序列是這一概念的簡稱。堿基序列1、DNA的一級結構5′端3′端核苷酸之間以3,5-磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。核酸具有方向性：一端有游離的磷酸基，一端有游離羥基。CGA書寫方法2）特征：●雙鏈反向平行配對而成●脫氧核糖和磷酸交替連接，構成DNA骨架，堿基排在內側●內側堿基通過氫鍵互補形成堿基對（A：T，C：G）。2、DNA的二級結構1）定義：指兩條多核苷酸鏈反向平行盤繞所產生的雙螺旋結構。

2）DNA雙螺旋結構模型要點1.兩條鏈反向平行，圍繞同一中心軸構成右手雙螺旋(doublehelix)。表面有大溝和小溝。2.磷酸-脫氧核糖骨架位于螺旋外側—骨架，堿基垂直于螺旋軸而伸入內側。3.螺旋直徑2nm，每圈螺旋含10個堿基對

(bp)，螺距為3.4nm。堿基平面與縱軸垂直，糖環平面與縱軸平行3）分類：右手螺旋：A-DNA，B-DNA左手螺旋：Z-DNAABZ在相對濕度75%條件下制得的DNA鈉鹽纖維的X射線衍射分析表明，其分子結構與B-DNA不同：反向平行的雙鏈`DNA分子右手螺旋結構每螺周含11個核苷酸殘基，螺距2.46nm，直徑2.6nmDNA-RNA形成的雜交雙鏈為A型雙螺旋A-DNA人工合成的寡聚脫氧核苷酸(dCGCGCG):兩條反向平行的寡聚脫氧核苷酸鏈以左手螺旋盤繞；每螺周含12個脫氧核苷酸殘基；螺距3.8nm；分子主鏈走向呈鋸齒狀，稱Z-DNAZ-DNAABZ3、DNA的高級結構1）定義：指DNA雙螺旋進一步扭曲盤繞所形成的特定空間結構。是一種比雙螺旋更高層次的空間構象。2）主要形式：超螺旋結構（正超螺旋和負超螺旋）線狀DNA形成的超螺旋環狀DNA形成的超螺旋拓撲異構酶or溴化乙錠拓撲異構酶or溴化乙錠DNA扭曲與雙螺旋相同（擰緊）DNA扭曲與雙螺旋相反（松開）負超螺旋松弛DNA正超螺旋意義：DNA超螺旋結構整體或局部的拓撲學變化及其調控對于DNA復制和RNA轉錄過程具有關鍵作用。當DNA分子在溶液中以一定的構象存在時，雙螺旋處于能量最低的狀態，此為松弛態；如果這種正常的DNA分子額外地多轉幾圈或少轉幾圈，就會使雙螺旋中存在張力。當DNA分子的兩端是固定的，或是環狀分子，則這種額外的張力就不能釋放掉，DNA分子就會發生扭曲，用以抵消張力。這種扭曲稱為超螺旋，即雙螺旋的螺旋。在生物體內，絕大多數的DNA是以超螺旋的形成存在的。超螺旋★連環數(linkingnumber,L):是指共價閉合的DNA分子的兩條鏈相互纏繞的次數。只要DNA雙螺旋保持完整，其值不會變。對于閉合環狀DNA，其值也是整數。★纏繞數(twist,T):指螺旋的輪(圈)數。★超螺旋數(writhingnumber,W)：指DNA雙螺旋繞超螺旋軸的次數。DNA拓撲學上的關系可用下面的式子表示:L=T+WT和W可以不是整數。DNA的拓撲學性質一定環狀DNA分子因拓撲學性質的不同而產生的不同形式,稱為拓撲異構體(topoisomers)。第二章染色體與DNA染色體

DNA的結構

DNA的復制

DNA的修復DNA的轉座三、DNA的復制內容提要：●DNA的半保留復制●與DNA復制有關的物質●DNA的復制過程（大腸桿菌為例）●DNA復制的其它方式●真核生物中DNA的復制特點1、定義：由親代DNA生成子代DNA時，每個新形成的子代DNA中，一條鏈來自親代DNA，而另一條鏈則是新合成的，這種復制方式稱半保留復制。（一）DNA的半保留復制（semi-conservativereplication）中國科學院上海生化與細胞所2002年招收碩士研究生分子遺傳學入學考試：請設計一個實驗來證明DNA復制是以半保留方式進行的（8分）。2、實驗證據（1958Meselson和Stahl）：

MatthewMesselsonFranklinStahl“Heavy”DNA“Hybrid”

DNA“light”DNA“Hybrid”DNA3、DNA半保留復制的生物學意義：

DNA的半保留復制表明DNA在代謝上的穩定性，保證親代的遺傳信息穩定地傳遞給后代。

（二）與DNA復制有關的物質1、原料：四種脫氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)2、模板：以DNA的兩條鏈為模板鏈，合成子代DNA3、引物：DNA的合成需要一段RNA鏈作為引物4、引物合成酶（引發酶）：此酶以DNA為模板合成一段RNA,這段RNA作為合成DNA的引物（Primer)。實質是以DNA為模板的RNA聚合酶。5、DNA聚合酶:以DNA為模板的DNA合成酶●以四種脫氧核苷酸三磷酸為底物●反應需要有模板的指導●反應需要有3-OH存在●DNA鏈的合成方向為53性質聚合酶Ⅰ聚合酶Ⅱ聚合酶Ⅲ3'5'外切活性+++5'3'外切活性+--5

3'聚合活性+中+很低+很高新生鏈合成--+主要是對DNA損傷的修復；以及在DNA復制時切除RNA引物并填補其留下的空隙。修復紫外光引起的DNA損傷DNA復制的主要聚合酶，還具有3’-5’外切酶的校對功能，提高DNA復制的保真性原核生物中的DNA聚合酶(大腸桿菌）

α

β

γ

δ

ε定位細胞核細胞核線粒體細胞核細胞核3’-5’外切--+++5’-3’外切-----功能引物合成修復作用線粒體DNA的復制核DNA的復制？真核生物中的DNA聚合酶

6、DNA連接酶（1967年發現）：若雙鏈DNA中一條鏈有切口，一端是3’-OH，另一端是5‘-磷酸基，連接酶可催化這兩端形成磷酸二酯鍵，而使切口連接。但是它不能將兩條游離的DNA單鏈連接起來

DNA連接酶在DNA復制、損傷修復、重組等過程中起重要作用3‘5‘3‘5‘OHP7、DNA拓撲異構酶(DNATopisomerase)：拓撲異構酶?：使DNA一條鏈發生斷裂和再連接，作用是松解負超螺旋。主要集中在活性轉錄區，同轉錄有關。

例：大腸桿菌中的ε蛋白拓撲異構酶Π：該酶能暫時性地切斷和重新連接雙鏈DNA，作用是將負超螺旋引入DNA分子。同復制有關。例：大腸桿菌中的DNA旋轉酶8、DNA解螺旋酶/解鏈酶（DNAhelicase)

通過水解ATP獲得能量來解開雙鏈DNA。E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，還有解螺旋酶I、II、III。rep蛋白沿3’5’移動，而解螺旋酶I、II、III沿5’3’移動。9、單鏈結合蛋白(SSBP-single-strandbindingprotein)：穩定已被解開的DNA單鏈，阻止復性和保護單鏈不被核酸酶降解。（三）DNA的復制過程（大腸桿菌為例）雙鏈的解開

RNA引物的合成

DNA鏈的延伸切除RNA引物，填補缺口，連接相鄰的DNA片段1、雙鏈的解開DNA的復制有特定的起始位點，叫做復制原點。ori、富含A、T的區段。基本概念：

從復制原點到終點，組成一個復制單位，叫復制子。復制時，解鏈酶等先將DNA的一段雙鏈解開，形成復制點，這個復制點的形狀象一個叉子，故稱為復制叉。復制方向和速度：

單起點、雙向等速多起點、雙向等速雙鏈解開、復制起始大約20個DnaA蛋白在ATP的作用下與oriC處的4個9bp保守序列相結合在DNA結合蛋白HU蛋白和ATP的共同作用下，DNA復制起始復合物使3個13bp直接重復序列變性，形成開鏈。解鏈酶六體分別與單鏈DNA相結合(需DnaC幫助)，進一步解開DNA雙鏈起始復合體由DnaA、DnaB(解螺旋酶)、DnaC、引物酶、拓撲異構酶Ⅱ、HU（類組蛋白）、單鏈結合蛋白（SSB）和RNA聚合酶組成。2、RNA引物的合成DnaB蛋白活化引物合成酶，引發RNA引物的合成。引物長度約為幾個至10個核苷酸，基因組DNA復制時，先導鏈的引物是DNA，后隨鏈的引物是RNA2002年上海生化與細胞所DNA的半不連續復制（semi-discontinuousreplication)DNA復制時其中一條子鏈的合成是連續的，而另一條子鏈的合成是不連續的，故稱半不連續復制。在DNA復制時，合成方向與復制叉移動的方向一致并連續合成的鏈為前導鏈；合成方向與復制叉移動的方向相反，形成許多不連續的片段，最后再連成一條完整的DNA鏈為滯后鏈。3、DNA鏈的延伸在DNA復制過程中，前導鏈能連續合成，而滯后鏈只能是斷續的合成53的多個短片段，這些不連續的小片段稱為岡崎片段。LeadingstrandLaggingstrandReplicationfork華中科技大學2004年生物化學與分子生物學碩士研究生入學試題名詞解釋：岡崎片段（3分）選擇：原核DNA合成酶中（）的主要功能是合成前導鏈和岡崎片段A、DNA聚合酶ⅠB、DNA聚合酶ⅡC、DNA聚合酶ⅢD、引物酶武漢大學2003年碩士研究生入學分子生物學試題：Replicon、

semi-conservativereplication

4、切除RNA引物，填補缺口，連接相鄰的DNA片段（復制終止）在DNA聚合酶Ⅰ催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填補上；在DNA連接酶作用下，連接相鄰的DNA鏈雙鏈環狀、θ型復制、雙向等速（四）DNA復制的其它方式滾環型：單向復制的特殊方式，如：ΦΧ174的雙鏈環狀DNA復制型（RF）（1）模板鏈和新合成的鏈分開；（2）不需RNA引物，在正鏈3‘-OH上延伸；（3）只有一個復制叉（五）真核生物中DNA的復制特點1、真核生物每條染色體上有多個復制起點，多復制子2、真核生物染色體在全部復制完之前,各個起始點不再重新開始DNA復制；而在快速生長的原核生物中，復制起點可以連續開始新的復制(多復制叉)。真核生物快速生長時，往往采用更多的復制起點。3、真核生物有多種DNA聚合酶。第二章染色體與DNA染色體

DNA的結構

DNA的復制

DNA的修復DNA的轉座四、DNA的修復DNA修復系統功能錯配修復恢復錯配堿基切除修復切除突變的堿基核甘酸切除修復修復被破壞的DNADNA直接修復修復嘧啶二體或甲基化DNA1、錯配修復●Dam甲基化酶使母鏈位于5’GATC序列中腺甘酸甲基化●甲基化緊隨在DNA復制之前進行●根據復制叉上DNA甲基化程度，切除尚未甲基化的子鏈上的錯配堿基

根據母鏈甲基化原則找出錯配堿基的示意圖發現錯配堿基在水解ATP的作用下，MutS、MutL與堿基錯配點的DNA雙鏈結合MutS-MutL在DNA雙鏈上移動，發現甲基化DNA后由MutH切開非甲基化的子鏈甲基化指導的錯配修復示意圖錯配堿基位于切口3’下游端錯配堿基位于切口5’上游端5’3’2、堿基切除修復一些堿基在自發或悠變下會發生脫酰胺，然后改變配對性質，造成氨基轉換突變腺嘌呤變為次黃嘌呤與胞嘧啶配對鳥嘌呤變為黃嘌呤與胞嘧啶配對胞嘧啶變為尿嘧啶與腺嘌呤配對胞嘧啶去氨基生成尿嘧啶如果復制發生就會產生一個突變糖苷水解酶識別改變了的堿基，把堿基從N-β-糖苷鍵處切下來，在DNA鏈上形成去嘌呤或去嘧啶位點，統稱為AP位點。由AP磷酸內切酶將受損核苷酸的糖苷-磷酸鍵切開OHDNA連接酶連接利用DNA聚合酶I切除損傷部位，補上核苷酸3、核苷酸切除修復1）核苷酸發生損傷，導致雙鏈間無法形成氫鍵2）通過特異的核酸內切酶識別損傷部位3）由酶的復合物在損傷的兩邊切除幾個核苷酸4）DNA聚合酶以母鏈為模板復制合成新子鏈5）DNA連接酶將切口補平識別損傷部位損傷的兩邊切除幾個核苷酸DNA聚合酶以母鏈為模板復制合成新子鏈DNA連接酶將切口補平4、DNA的直接修復在DNA光解酶的作用下將環丁烷胸腺嘧啶二體和6-4光化物還原成為單體甲基轉移酶使O6-甲基鳥嘌呤脫甲基生成鳥嘌呤，防止G-T配對第二章染色體與DNA染色體

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DNA的復制

DNA的修復

DNA的轉座五、DNA的轉座（一）基本概念：DNA的轉座：由可移位因子介導的遺傳物質重排現象。在轉座的過程中，可移位因子的一個拷貝常留在原來的位子，在新位子出現的僅僅是它的拷貝。轉座子（transposon）：存在于染色體DNA上可自主復制和位移的基本單位。（二）轉座子的類型和結構特征原核生物轉座子的類型：1、插入序列(insertionalsequence,IS)2、復合轉座子(compositetransposon)3、TnA家族1、插入序列(IS)IS是最簡單的轉座子，不含有任何宿主基因，它們是細菌染色體或質粒DNA的正常組成部分。轉座子常常被定位到特定的基因中，造成該基因突變。用標準命名法對這些突變進行編號：如λ:IS1表示一個IS1序列插入到λ噬菌體基因組。IS序列是可以獨立存在的單元，帶有介導自身移動的蛋白，也可作為其它轉座子的組成部分。FigureTransposonshaveinvertedterminalrepeatsandgeneratedirectrepeatsofflankingDNAatthetargetsite.Inthisexample,thetargetisa5bpsequence.Theendsofthetransposonconsistofinvertedrepeatsof9bp,wherethenumbers1through9indicateasequenceofbasepairs.

復合轉座子是一類帶有某些抗藥性基因（或其他宿主基因）的轉座子，其兩翼往往是兩個相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某個功能基因兩端時就可能產生復合轉座子。復合轉座子中的IS序列不能單獨移動只作為復合體移動。2、復合轉座子(compositetransposon)Acompositetransposonhasacentralregioncarryingmarkers(suchasdrugresistance)flankedbyISmodules.Themoduleshaveshortinvertedterminalrepeats.Ifthemodulesthemselvesareininvertedorientation

(asdrawn),theshortinvertedterminalrepeatsattheendsofthetransposonareidentical.復合轉座子具有IS組件(三）轉座作用的機制復制性轉座子非復制性轉座子上海生化所1998年分子遺傳學試題：轉座過程通常是指DNA中的一段特殊序列（轉座元）在轉座酶以及其它蛋白因子的作用下，從DNA分子中的一個位置被搬移到另一位置或另一DNA分子中（）Tn10轉座到一個新的DNA靶點時，在靶點兩側形成倒轉重復序列。()

中國科學院遺傳與發育生物學研究所1996年碩士研究生分子遺傳學入學試題轉座子（transposon）反轉錄轉座子（retrotransposon）反轉錄轉座子（retrotransposon）：指通過RNA為中介，反轉錄成DNA后進行轉座的可動元件。反轉錄病