基因染色体与基因组.ppt

第一节 “基因”概念* 第二节 蛋白质的结构和功能 第三节 染色体的结构特征* 第四节 基因组的结构与特点,1,第三章 基因、染色体与基因组,基因概念的产生 经典基因概念的建立与发展 现代基因概念的多元化* 现代基因概念剖析,第一节 “基因”概念,1857年，奥地利的一名神父孟德尔在他所在的修道院后院开始进行长达8年的豌豆杂交实验 1865年，孟德尔根据豌豆杂交实验的结果，发表了著名论文植物杂交试验，首次提出了遗传因子控制生物性状假说:一个遗传因子决定一个性状,阐述了他所发现的显性、隐性遗传现象和两个重要遗传学规律分离规律和自由组合规律 他所指的遗传因子, 即基因概念的萌芽,I.基因概念的产生,10/22/2020,3,1900年是遗传学史乃至生物科学史上划时代的一年，荷兰的德弗里斯（Hugo De Vries，18481935）、德国的柯灵斯(Carl Erich Correns，18641933）和澳大利亚的契马克（Erich von Tschermak-Seysenegg，18711962）三人分别在月见草、玉米和豌豆的杂交实验中证实了孟德尔定律，标志着遗传学的诞生，从此，遗传学进人了孟德尔时代,“重新发现”孟德尔,10/22/2020,4,1909年，丹麦遗传学家约翰逊（Johannsen）在精密遗传学原理一书中根据希腊语“给予生命”之义，创造“基因”（Gene）一词来代替孟德尔假定的“遗传因子” ，并提出“基因型”和“表现型”。从此基因便成为遗传因子的代名词一直沿用至今 不过此时的基因仍然是一个未经证实的、仅靠逻辑推理得出的概念，“基因”只是一个抽象的符号,10/22/2020,5,II.经典基因概念的建立与发展（基因与染色体）,10/22/2020,6,经典基因概念的建立 “一个基因一个酶”假说 顺反子、突变子和重组子 操纵子模型 跳跃基因,在孟德尔的成果获得承认后，生物界都知道是遗传因子（即基因）决定了生物的遗传。但是，基因究竟在细胞内的什么地方？摩尔根以果蝇为试验对象回答了这一问题，基因在染色体上,1.经典基因概念的建立,10/22/2020,7,基因论里，首次提出“三位一体”的基因概念: 基因首先是一个功能单位，能控制蛋白质的合成，从而控制生物性状发育 一个突变单位，在一定条件下，野生型基因能突变成相应的突变型基因，从而表现出各种变异类型 一个重组单位，两个不同基因可重组，产生与亲本不同的新类型,10/22/2020,8,2.“一个基因一个酶”假说,1941年，Beadle和Tatum等以红色链孢霉为材料，在研究基因的生理生化功能时，提出了“一个基因一个酶”假说，认为生物的性状可分为许多单位性状，每个单位性状均受一种酶影响，而酶决定于基因的表达,10/22/2020,9,生化遗传及早期分子遗传研究在两个重要方面发展了基因的概念： 基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段，并且在染色体上位置固定、序列连续；遗传信息就存在于核苷酸(碱基)序列中 “一个基因一个酶”，基因表达为蛋白质；基因的核苷酸序列决定蛋白质氨基酸序列,10/22/2020,10,3.顺反子、突变子和重组子,1955年，Benzer在研究E.coli T4噬菌体rII区基因的精细结构时，首次提出了顺反子、突变子和重组子的概念，对经典的基因概念的第一次重要修正与发展： 顺反子（cistron）是一个遗传功能单位，一个顺反子决定一条多肽链 突变子（muton）是能发生突变的最小单位，可以是一个或几个核苷酸，其中任一核苷酸的改变都可形成一个突变子 重组子（recon）是能够交换的最小单位，有起点和终点，各个重组子之间均有一定的距离，彼此间能发生交换,10/22/2020,11,从而提出“一个顺反子一条多肽链”假说,座位与位点,经典遗传学认为： 基因是染色体上的一个点，称位点（Site） 现代基因概念认为： 基因是DNA分子带有遗传信息的碱基序列区段 基因是由众多碱基对构成，此时将一个碱基对称为基因的一个位点（Site） 而将基因在染色体上的位置则称为座位（Locus）,10/22/2020,12,4.操纵子模型,1965年，法国科学家Jacob和Monod提出了著名的乳糖操纵子模型。他们将乳糖操纵子的基因分为结构基因、调节基因、操纵基因和启动子 结构基因直接控制蛋白质合成，是决定一条多肽链的功能单位 操纵基因居结构基因之前，能同阻遏物结合，可间接控制结构基因的表达 启动子又居操纵基因之前，为RNA聚合酶结合位点 调节基因编码的可扩散性阻遏蛋白，通过与操纵基因结合来调控操纵子,10/22/2020,13,5.跳跃基因（转座子）,10/22/2020,14,发现与概念 转座子类型 转座作用机制,美国女遗传学家麦克林托克于1951年提出了可移动的遗传基因（即“跳跃基因”或“转座子”） 学说基因可从染色体的一个位置跳跃到另一个位置、甚至从一条染色体跳跃到另一条染色体。为研究遗传信息的表达与调控、生物进化与癌变提供了线索。于1983年获诺贝尔奖,跳跃基因的发现使人们认识到基因不是稳定、静止不动的实体，而是一段在结构上有明确界限的DNA序列，可通过自身运动调节相关基因活性,10/22/2020,15,A.发现与概念,概念,DNA的转座：由可移位因子介导的遗传物质重排现象 转座子（transposon）：存在与染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位,10/22/2020,16,B.转座子类型,插入序列（Insertional Sequence,IS） IS是最简单的转座子，不含有任何宿主基因，它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分 复合转座子（Composite Transposon） 复合转座子是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列,10/22/2020,17,C.转座作用机制,10/22/2020,18,复制性转座子 非复制性转座子,10/22/2020,19,III.现代“基因”概念 的多元化,断裂基因* 重迭基因* 重复基因 假基因 印记基因 基因家族,10/22/2020,20,1.断裂基因,1977年，Roberts和Sharp在研究腺病毒的mRNA合成时，在其5端首先发现了断裂基因的存在，打破了每个结构基因是一段连续DNA片段的传统观念，使人们对基因结构的认识产生了一次新的飞跃，因而他们两人分享了1993年诺贝尔生理学与医学奖 目前已经证实，不仅高等真核生物绝大多数基因都是断裂基因，而且低等真核生物的线粒体和叶绿体内的基因组也存在断裂基因,10/22/2020,21,定义：指基因的编码序列在DNA分子上是不连续排列的，而是被不编码的序列所隔开 编码的序列称为外显子，对应于mRNA序列的区域，是一个基因表达为多肽链的部分 不编码的间隔序列称为内含子，内含子只转录，在前mRNA（premRNA）时被剪切掉 大多数真核生物的基因为不连续基因（Interrupted 或Discontinuous Gene）或断裂基因（Split Gene）,10/22/2020,22,发现：1973年，Weiner等在研究E.coli 的RNA病毒Q时，首次提出了重迭基因的概念 定义：它是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列为两个或两个以上基因的组成部分,2.重迭基因,10/22/2020,23,3.重复基因,它是指在真核生物基因组中具有一份以上拷贝的基因。这些拷贝或在一条染色体上串联排列，或分散在多条染色体上，包括寡拷贝和多拷贝基因，前者有人的珠蛋白基因、癌基因，后者包括组蛋白基因、rRNA基因等 重复基因：指在基因组中有多份拷贝的基因，往往是生命活动中最基本、最重要的基因,10/22/2020,24,发现：1977年，Jacq等在研究非洲爪蟾的5S RNA基因时，首次发现假基因的存在 定义：即与正常功能基因顺序基本相同却不具有控制蛋白质合成的功能的基因 包括已知功能基因的残存拷贝、散在分布的长细胞核因子和短细胞核因子 真核生物中普遍存在 形成原因：基因组中因突变而失活，如碱基对缺失或插入以致不能正常编码，或这些突变使启动子出现问题,4.假基因,10/22/2020,25,假基因的结构特点,不同部位有不同程度的缺失或插入 缺少正常基因的内含子和启动子 5端都有真核生物mRNA分子特有的AATAAA信号，造成转录启动区的缺陷 两侧有顺向重复序列,10/22/2020,26,定义：它是指功能受到双亲基因组的影响而被打上雌雄亲本特异性标记的基因。它为哺乳动物的基因组所特有，实质上是双亲相应基因的甲基化程度不同,5.印记基因,10/22/2020,27,印记基因遍布于整个基因组中 有些印记基因聚集成簇，形成染色体印记区 不同印记基因表现出不同的印记效应 印记基因的内含子一般较小，“内含子/外显子”长度之比也较小 表达具有组织特异性,印记基因的结构特点,10/22/2020,28,6.基因家族,真核生物的基因组中有很多来源相同、结构相似、功能相关的基因，将这些基因称为基因家族 如：编码组蛋白、免疫球蛋白和血红蛋白的基因都属于基因家族（Gene Family） 同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇（Gene Cluster）,10/22/2020,29,IV.现代“基因”概念剖析,基因组时代的基因定义 蛋白质组时代的基因定义,10/22/2020,30,1.基因组时代的基因定义,1990年，“人类基因组计划”的实施标志着生命科学步入基因组时代 基因组：携带生物体全部遗传信息的核酸量 在这个时代，基因的定义主要基于“三种方法”和“五个标准”,10/22/2020,31,三 种 方 法,cDNA克隆和poly（A）mRNA的表达序列标签（EST）测序 比较基因组分析鉴定各种生物的保守编码区 计算机预测各种基因的结构,10/22/2020,32,五 个 标 准,开放阅读框：通过基因组中大的开放阅读框的鉴定来发现蛋白编码基因 序列特征：密码偏好和剪接位点等特异序列特征有助于锁定基因 序列保守性：通过不同生物的序列对比来鉴定基因，它是估计基因重要性的一个理想方法 转录实况：RNA或蛋白质的表达搜索，是一种非序列基础的基因鉴定，通过微阵列杂交、基因表达的序列分析、cDNA作图或EST作图来完成 活性丧失：突变基因使它的产物失去活性也是鉴定基因的一种方法，主要通过基因干扰或RNAi来实现,10/22/2020,33,基因的定义: DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列（除部分病毒RNA） 即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核苷酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列,10/22/2020,34,2.蛋白质组时代的基因定义,1994年，澳大利亚分子生物学家Wilkins和Williams等首次提出了蛋白质组的概念，并将其定义为“基因组编码的全部蛋白质” 蛋白质组概念的提出为在细胞和整体水平上阐明生命现象的本质和活动规律奠定了基础,10/22/2020,35,1994年，Davis等首次提出切除肽（Intein）和显现肽（Extein）的概念，他认为这些蛋白在翻译后自动删除切除肽，连接显现肽，才形成有功能的蛋白 显现肽的出现使得基因指导合成的蛋白与最终的功能蛋白不一致 显现肽的存在不仅促进蛋白质分子的自我剪接（Cis-splicing），而且还能把两个蛋白质分子连接成一个新的蛋白质分子（Trans-splicing），这就在蛋白质水平上大大增加了基因表达的多样性,10/22/2020,36,鉴于从基因到蛋白质要经过各种各样的修饰和加工，如断裂基因的RNA剪接、模糊基因RNA编辑等。即使稳定的基因类型，DNA模板与其相应RNA、蛋白质序列之间也往往不尽一致，因为她们都要经过一定程度的RNA剪接或翻译后修饰的,10/22/2020,37,由此说明，DNA模板仅仅是一份非常粗糙的初稿，它不是僵化的铸模，更象一个活字板 准确地说，中心法则不是精细、逐一地传递序列信息的通道，而是一个动态的分子遗传信息的加工流水线 基于此，现代基因可以定义为“进行遗传信息储存与加工的单元”,10/22/2020,38,“基因”的经典分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核甘酸序列,基因概念小结,从携带信息看基因种类 从基因(产物)功能来看基因类别,10/22/2020,39,DNA是遗传信息的载体，而遗传信息则是通过核苷酸的排列顺序体现出来的，DNA所携带的遗传信息，根据已有证据大致可以分为两类： 一种是编码蛋白质的信息它们通过核苷酸三联体与各个氨基酸间的对应关系使遗传信息由DNA流向蛋白质，但遗传信息的这种流动不是通过基因自身的功能，而是通过独立于该基因之外的蛋白质合成机构实现的。同时，蛋白质基因的表达并不总是构成型的，它是受调控的,1.信息类别,10/22/2020,40,DNA所携带的第二类信息即是有关基因表达调控的信息，它们贮存在DNA的精细结构中，直接表现为特定的空间结构，即密码结构域，然后为相应的蛋白质因子所识别和结合，从而控制蛋白质基因的表达，这一方面的研究近来已取得不少进展，并已触及“废弃DNA”是否具有一定的功能。毫无疑问，这将成为将来分子生物学研究的一个重要方向,10/22/2020,41,2.基因功能类别,蛋白质基因：其最终产物为蛋白质 结构基因（Structure Genes）：编码酶和结构蛋白的基因。结构基因的突变可导致特定蛋白质（或酶）一级结构的改变或影响蛋白质（或酶）量的改变 调节基因（Regulatory Genes）：指某些可调节控制结构基因表达的基因。调控基因的突变可以影响一个或多个结构基因的功能，或导致一个或多个蛋白质（或酶）量的改变 RNA基因：其最终产物是tRNA和rRNA,10/22/2020,42,调控基因：无任何产物，对基因表达起调节控制作用 启动基因（启动子，启动区）：转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位 操纵基因：位于结构基因（一个或多个）的前端，与阻遏蛋白或激活蛋白结合，控制结构基因活动的DNA区段。是操纵结构基因的基因 增强子： 衰减子：,10/22/2020,43,第二节 蛋白质的结构及功能,I 蛋白质概述 II 蛋白质的结构* III 蛋白质结构与功能的关系,10/22/2020,44,10/22/2020,45,蛋白质一词最早来自希腊语“proteios”，其含义为“第一重要的” 蛋白质：由20种-氨基酸通过肽键相连而成的，一类具有特定的空间构象和生物学功能的高分子有机化合物,蛋白质分子多样性,氨基酸种类不同,氨基酸数目不同,氨基酸序列不同,肽链空间结构不同,蛋白质的结构多样性,蛋白质的种类多样性,蛋白质功能的多样性,10/22/2020,46,蛋白质的主要功能,结构蛋白：是构成细胞和生物体的重要物质，如肌球蛋白、肌动蛋白等 催化蛋白：起生物催化作用，如绝大多数酶 运输蛋白：如血红蛋白、细胞膜上的载体 调节蛋白：如蛋白质类激素（胰岛素和生长激素等） 免疫蛋白：免疫过程中产生的抗体,蛋白质是一切生命活动的体现者！,10/22/2020,47,蛋白质广泛存在于生物界 生命的最基本特征是能够进行新陈代谢，它所包括的一切生物化学反应都是在生物催化剂-酶的作用下完成的 除极少数具催化功能的RNA外，几乎所有的酶都是蛋白质,蛋白质的分布,10/22/2020,48,生命活动所需的许多小分子物质和离子的运输离不开蛋白质，如血红蛋白负责运输氧，铁传递蛋白负责运输铁等 细胞与外界环境以及细胞间的信息传递，依赖于处在细胞表面的或跨膜的蛋白质来实现,蛋白质的功能举例,10/22/2020,49,10/22/2020,50,蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构 蛋白质的三级结构 蛋白质的四级结构,蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序，-蛋白质的最基本结构。它是由结构基因的遗传密码排列顺序（DNA序列）所决定的 各种氨基酸按遗传密码的顺序，通过肽键连接起来，成为多肽链，故肽键是蛋白质结构中的主键,1.蛋白质的一级结构,10/22/2020,51,蛋白质的一级结构决定了其二级、三级等高级结构 众多天然蛋白质各有其特殊的生物学活性，而决定每一种蛋白质的生物学活性的结构特点，首先在于其肽链的氨基酸序列 由于组成蛋白质的20种氨基酸各具特定的侧链，侧链基团的理化性质和空间排布各不相同，当它们按不同序列组合时，就形成多种多样的空间结构和不同生物学活性的蛋白质分子,10/22/2020,52,蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结构 蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整，因此仅仅测定蛋白质分子的氨基酸组成和它们的排列顺序并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质,蛋白质的空间结构,10/22/2020,53,多肽链中主链原子的局部空间排布即构象，不涉及侧链部分的构象 蛋白质主链构象的结构单元主要有 -螺旋 -折迭 -转角 无规则卷曲 四种,2.蛋白质的二级结构,10/22/2020,54,指在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的二级结构聚集体 目前发现的超二级结构有三种基本形式 螺旋组合() 折叠组合() 螺旋折叠组合()（下图，其中以组合最为常见,超二级结构,10/22/2020,55,由于螺旋组合()；折叠组合()和螺旋折叠组合()可直接作为三级结构的“建筑块”或结构域的组成单位，是蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次，故称这些结构为超二级结构,10/22/2020,56,结构域的含义,结构域（domain）:在蛋白质的三级结构内的独立折叠单元，通常都是几个超二级结构单元的组合 也是蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次 在较大的蛋白质分子中，由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，形成二个或多个在空间上可以明显区别它与蛋白质亚基结构的区别 每个结构域由100-200个氨基酸残基组成，各有独特的空间构象，并承担不同的生物学功能,10/22/2020,57,蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折迭形成具有一定规律的三维空间结构 蛋白质三级结构的稳定主要靠次级键，包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力等,3.蛋白质的三级结构,10/22/2020,58,这些次级键可存在于一级结构序号相隔很远的氨基酸残基的R基团之间，因此蛋白质的三级结构主要指氨基酸残基的侧链间的结合 次级键都是非共价键，易受环境中pH、温度、离子强度等的影响，有变动的可能性 二硫键不属于次级键，但在某些肽链中能使远隔的二个肽段联系在一起，这对于蛋白质三级结构的稳定上起着重要作用,10/22/2020,59,现也有认为蛋白质的三级结构是指蛋白质分子主链折叠盘曲形成构象的基础上，分子中的各个侧链所形成一定的构象 侧链构象主要是形成微区。对球状蛋白质来说，形成疏水区和亲水区 亲水区多在蛋白质分子表面，由很多亲水侧链组成 疏水区多在分子内部，由疏水侧链集中构成，疏水区常形成一些“洞穴”或“口袋”，某些辅基就镶嵌其中，成为活性部位,10/22/2020,60,有二条或二条以上独立三级结构的多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构 其中，每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基,4.蛋白质的四级结构,10/22/2020,61,四级结构实际上是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局 亚基之间不含共价键，亚基间次级键的结合比二、三级结构疏松 因此在一定的条件下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而亚基本身构象仍可不变,10/22/2020,62,某些蛋白质分子可进一步聚合成聚合体。聚合体中的重复单位称为单体，聚合体可按其中所含单体的数量不同而分为二聚体、三聚体寡聚体和多聚体而存在，如胰岛素在体内可形成二聚体及六聚体,10/22/2020,63,10/22/2020,64,蛋白质一级结构与功能的关系 蛋白质空间构象与功能活性的关系,III.蛋白质结构与功能的关系,蛋白质一级结构是空间结构的基础，特定的空间构象主要由蛋白质分子中肽链和侧链R基团形成的次级键来维持，在生物体内，蛋白质的多肽链一旦被合成后，即可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成一定的空间构象,1.蛋白质一级结构与功能的关系,10/22/2020,65,Anfinsen以一条肽链的蛋白质核糖核酸酶为对象，来研究二硫键的还原和氧化问题 在此基础上提出蛋白质的一级结构决定了它的二级、三级结构，即由一级结构可以自动地发展到二、三级结构,10/22/2020,66,一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似 例如，不同种属的生物体分离出来的同一功能的蛋白质，其一级结构只有极少的差别，而且在系统发生上进化位置相距愈近的差异愈小,10/22/2020,67,在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响 被称之为“分子病”的镰刀状红细胞性贫血仅仅是574个氨基酸残基中，一个氨基酸残基即亚基N端的第6号氨基酸残基发生了变异所造成的，这种变异来源于基因上遗传信息的突变,10/22/2020,68,蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关，蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变 蛋白质变性时，由于其空间构象被破坏，故引起功能活性丧失，变性蛋白质在复性后，构象复原，活性即能恢复,2.蛋白质空间构象 与功能活性的关系,10/22/2020,69,在生物体内，当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结合，触发该蛋白质的构象发生一定变化，从而导致其功能活性的变化，这种现象称为蛋白质的别构效应（Allosteric Effect） 蛋白质(或酶)的别构效应，在生物体内普遍存在，这对物质代谢的调节和某些生理功能的变化都是十分重要的,10/22/2020,70,71,第三节 染色体的结构特征,组蛋白* 核小体* 30nm纤丝 辐射环,染色体（chromosome）是由染色质构成的，染色质（chromatin）是由DNA、RNA和蛋白质形成的复合体，是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位核小体（nucleosome）成串排列而成的。 染色体是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。染色体是动态的物体，其外观随细胞周期的不同阶段发生明显的改变。仅当细胞分裂时，每个染色体才呈现出凝聚型 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的形式存在的,10/22/2020,72,大肠杆菌基因组为双链环状DNA分子，长1300m，分子量为2.8109 D，在细胞中以紧密缠绕成较致密的不规则小体形式存在于细胞中，该小体称为类核（nucliod）,其上结合有类组蛋白蛋白质和少量RNA分子，是其压缩成一种脚手架形的（scaffold）致密结构（大肠杆菌DNA分子长度是其菌体长度的1000倍，所以必须以一定的形式压缩进细胞中） 环状DNA的总大约含有30004000个基因，目前已经确定了1400多个基因的结构、功能及在基因图上的位置 大肠杆菌及其他原核细胞就是以这种拟核形式在细胞中执行着诸如复制、重组、转录、翻译以及复杂的调节过程。通过研究大肠杆菌基因的结构、功能及表达调控可揭示其它生物的遗传现象和规律 基因组全序列测定于1997年由Wisconsin大学的Blattner等人完成,10/22/2020,73,和原核不同，真核染色体中的DNA不是裸露的，而是与蛋白质紧密地结合在一起。与真核DNA相结合的蛋白质主要是一类小的碱性蛋白质，称为组蛋白 组蛋白约占染色体总量的一半，其余一半为DNA。用盐或稀酸处理染色质，可使组蛋白与DNA解离开来，再用离子交换柱层析分级分离组蛋白，共得到5个组分，分别命名为H1、H2A、H2B、H3和H4。它们的分子量在11kD-21kD之间,1.组蛋白,10/22/2020,74,10/22/2020,75,组蛋白的一般特性： 进化上的保守性 保守程度：H1 H2A、H2B H3 、H4,上海生化所分子遗传学1998年试题： 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（ ）,氨基酸顺序分析表明: 豌豆秧苗的H4和小牛胸腺的H4的氨基酸顺序仅有两个差异（102个残基），而且这两个位点的改变颇小，即一个位点是由异亮氨酸（Ile）变为缬氨酸（Val）；另一个位点是由精氨酸（Arg）变为赖氨酸（Lys） 同样，在经过这样长的进化期间H3的改变也很小，豌豆秧苗H3的氨基酸顺序和小牛胸腺的仅有4处不同,10/22/2020,76,无组织特异性 肽链氨基酸分布的不对称性,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,10/22/2020,77,H1组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%以上）,10/22/2020,78,组蛋白的可修饰性,在细胞周期特定时间组蛋白可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等修饰，其中包括特异精、组、赖、丝和苏氨酸残基的甲基化、乙酰基化和磷酸化。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用 这些修饰中有许多是可逆的,10/22/2020,79,这些修饰作用的共同特点，即降低组蛋白所携带的正电荷，而改变组蛋白DNA之间的相互作用 这些组蛋白修饰的意义： 改变染色体的结构，直接影响转录活性 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 虽然组蛋白在进化中是高度保守的，但它们修饰的程度却随品种、组织以及细胞发育阶段的不同而差别很大,10/22/2020,80,1974年, Kornberg综合多方面的实验证据指出，染色质是由重复单位构成的，每个单位由约200bp的DNA和H2A，H2BH3及H4各2分子所组成。现在，人们把这些重复单位叫做核小体，它是染色质结构的第一层次,II.核小体*（nucleosome）,10/22/2020,81,Nucleosome、chromosome、genome 中科院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题,核小体定义：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的,10/22/2020,82,在核小体中，大部分DNA缠绕在组蛋白构成的核心的外面。DNA的其余部分将相邻的核小体联结起来，此部分DNA称为联结体，它使染色质纤维具有柔性。可见，一条染色质纤维是条由联结起来的核小体构成的易弯曲的链，很像一条串珠,中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试： 简述真核细胞内核小体与核小体核心颗粒的结构。,10/22/2020,83,DNA与组蛋白结合成核小体的一个重要因素是DNA的一定序列。组蛋白核心并不是随机地结合于DNA的各部分，而是专一地结合于特定位点。DNA上核小体形成部位现在还不清楚，但有证据表明，核小体形成于DNA中富含AT碱基对处，在该处DNA的小构与组蛋白核心相接触,10/22/2020,84,在低离子浓度下形成10nm核小体纤丝仅代表染色体DNA堆积的第一层次。只有在生理的离子强度下，染色体结构的下一层次才被明显看出来 随着盐浓度的提高，含有H1的核小体纤丝开始折叠成曲曲折折的构象。此外，观察提示，核小体通过它们的H1分子间的接触而相互作用。然后当盐浓度接近生理范围时，染色质形成一条30nm厚的纤丝,是染色质结构的第二层次,III.30nm纤丝,10/22/2020,85,Klug认为，30nm纤丝是由10nm核小体纤丝卷绕成为圆筒形线圈而形成的。此线圈的每一圈约为6个核小体，螺距为11nm（核小体直径）。此圆筒形线圈是由H1分子稳定的 每个H1分子由两部分组成： 一部分是保守的球形核心，它是联结核小体的 另一部分是比较可变的延伸出去的N端和C端臂。此模型与30nm纤丝的 X射线衍射图谱相符合,10/22/2020,86,组蛋白被剥离的（细胞分裂）中期的染色体表现出一个中心纤维状的蛋白质“脚手架”，其周围环绕着广泛的DNA晕圈。在电镜下可以看到DNA的股线是成环的， 它几乎是由同一位点进出脚手架,IV.辐射环,10/22/2020,87,这些环的长度大多数在1530m范围内，因而当它们堆积成30nm纤丝时，其长度应为约0.6m。电镜观察染色体的横断面，如下图所示，结果表明中期染色体的染色质纤维是辐射状安置的。如果看到的环相当于这些辐射纤维，它们的每一个将使染色质的直径加大0.3m，加上脚手架的宽度为0.4m，此模型指明中期染色体的直径为1.0m，这与观察到的是一致的,10/22/2020,88,一条典型的人类染色体含有约14 107 bp，因而它应有2000个左右这种约70kb的辐射环。这样一条直径为0.4m，长6.0m的染色体脚手架，其面积足以联结2000个左右的辐射环，因此。辐射环模型是符合观察到的中期染色体的堆积比的,10/22/2020,89,DNA的形状与大小 C值与C值悖理 DNA的碱基组成 DNA的序列类型 真核基因组的特点,90,第四节 基因组的结构与特点,DNA一般为长而无分支的双链线性分子，但有些为环型，也有少数为单股环型 不同的DNA大小相差悬殊。例如，SV40含 5.1kb，而南美肺鱼的基因组含102万kb。虽然一般而言，复杂的有机体需要更多的DNA，但不存在严格的对应关系,I.DNA的形状与大小,10/22/2020,91,在讨论真核生物基因组的结构时，我们首先看看真核基因组的人小、人们早已知道真核细胞DNA的含量比原核的大很多，例如，哺乳动物细胞的DNA含量约为大肠杆菌的800倍 在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的DNA总量是恒定的，称之为C值，它是每种生物的一个特性，不同物种的 C值差别很大。下图列举出不同门生物C值的范围,II.C值与C值悖理,10/22/2020,92,一般人认为，一个生物的形态学复杂性应该与其C值的大小大致相关，因为归根结底， 一个生物的形态学复杂性必然是它的基因复杂性的反映 低等生物的情况大致符合这种设想，例如，啤酒酵母的基因组约为1.3 107 bp，比细菌（大肠杆菌为 4.2 106 bp）大约3倍，它是单细胞真核生物。而粘菌的基因组比酵母的更大，从而使它既能以单细胞形式生长又能以多细胞形式生长,10/22/2020,93,但是，C值和进化之间的复杂性并没有严格的相应关系。譬如，肺鱼的C值达1011 bp，而人类C值才只有109 bp。这种C值与生物进化复杂性不相对应的现象称为C值悖理，或者C值反常现象（C-value paradox) 真核细胞基因组的最大特点是它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。随着功能基因组研究的不断深入，不久将会阐明这些非结构基因的DNA序列的功能以及基因组DNA的C值巨大差异在生物进化中的意义,10/22/2020,94,III.DNA的碱基组成,在所有生物种的双股DNA中，A和T的量相等，G和C的量相等。故根据A，T，G，C中任一种的含量就可确定双股DNA的其它3种碱基的含量。DNA的碱基组成一般可用其GC含量来表示 同一物种所有细胞DNA的含量都相同，而种间的差异则很显著，尤其在细菌间，可从0.30.7。高等生物的GC含量一般小于0.5,10/22/2020,95,在DNA中，除了A，T，G，C外还含有修饰碱基，常见的为甲基化碱基，它们是在DNA合成后形成的。在大多数动物和植物中，胞嘧啶，尤其是CpG中C的5位常具有甲基，它们与发育过程中基团的钝化有关,10/22/2020,96,在细菌中也已发现碱基的修饰作用，它可保护自身DNA免受细胞内的限制酶所降解。如在大肠杆菌和相关的细菌中，转座酶的启动子含GATC序列，其中A为甲基化酶所甲基化、当双链中GATC序列中的A都被甲基化时，启动子相对钝化，复制后形成的半甲基化DNA中，启动子是较为话跃的，这是细胞在复制过程中控制转座的方式之一,10/22/2020,97,原核生物DNA的碱基组成是均匀的，即使DNA被破碎为较小的，例如，10kb片段后，氯化铯密度梯度仍只能使其形成单一的峰。可是真核生物DNA的碱基组成与此相反，显示出很大的不均匀性。这反映为DNA复性曲线的复杂性和其剪切片段在浮力密度梯度中的不对称分布（见下图）。这两方面的实验证据都表明DNA中存在着一些独特的序列,10/22/2020,98,真核生物DNA碱基组成上的异质性主要由于存在着以下3类DNA序列： 高度重复序列 中度重复序列 单一序列,IV.DNA的序列类型,10/22/2020,99,1.高度重复序列,高度重复序列的长度为2-10bp，在基因组中可串联重复至105-107次，约占基因组的1-50，平均为15。一些蟹的重复序列为交替A，T，G和C，仅占3%并散布其间。大鼠和果蝇的重复序列分别由6个和7个碱基组成。这些重复序列常称为卫星DNA,10/22/2020,100,20世纪90年代以来，人们发现有些重复序列的重复单位仅为2-3bp，如（CA）n、（GT）n、（GAA）n等。由于重复单位比卫星DNA更短，因此称之为微卫星DNA。它均匀分布于真核生物基因组中，一般呈共显性方式遗传。 微卫星DNA的拷贝数在个体间呈现出高度变异，因而具有高度多态性，已成为真核生物基因组绘制遗传图谱的重要分子标记之一,10/22/2020,101,高度重复序列的功能和确切位置目前还不确定 现在已经知道，有些卫星DNA位于染色体的中心粒，它们可能在减数分裂中承担一定的功能 也有一些重复序列位于染色体的端粒，它们是由一些富含GC的序列组成，重复20-100次,10/22/2020,102,高度重复序列也散布于整个基因组中，它们可分为长（6-7kb）和短（79-300bp）散布重复序列两类，它们是由细胞中的RNA通过逆转录形成并插入染色体个别部位的。研究得最透彻的短散布序列是灵长类DNA中的Alu家族。它是根据所含的限制性内切核酸酶AluI的识别位点而命名的,10/22/2020,103,Alu家族含一种281bp序列的各种变体，人类基因组含有500000拷贝，构成总DNA的5-6。Alu家族原来是由7SLRNA（一种信号识别颗粒SRP的组成RNA）逆转录而来 在其它生物体中也已发现相关的序列，如小鼠的BI家族，它的序列与Alu家族相似而长度仅为其一半。中国仓鼠也含类似的序列，大多数的短散布重复序列不是由7SLRNA而是由tRNA逆转录来的,10/22/2020,104,包括rRNA和组蛋白基因，每一基因组约含1000拷贝，其目的在于满足蛋白质合成对核糖体的需求 南非爪蟾的rRNA基因存在于卫星带中，18S和28S RNA基因成串联重复，并为高GC含量的间隔区所分开。其它的中度重复序列不是串联而是分布在整个基因组中的 一般是不编码蛋白质的序列 ，在调控基因表达中起重要作用,2.中度重复序列,10/22/2020,105,？,单一序列包括酶在内的各种蛋白质基因。数目在一个到几个 真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如：蛋清蛋白、血红蛋白等 功能：主要是编码蛋白质,3.单一序列,根据DNA复性动力学研究，DNA序列可以分成哪几种类型？并加以举例说明。(2001年上海生化所）,10/22/2020,106,真