Transcript 第八章细胞核(2)
第二节 染色质 1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母 细胞中发现染色体。 1879年，W. Flemming提出了染色质 （chromatin）这一术语，用以描述染色后 细胞核中强烈着色的细丝状物质。 1888年，Waldeyer正式定名为 Chromosome。 后来的研究证明染色质和染色体是同一物 质在不同细胞周期中的形态表现。 • • • • • • P259 问题 1什么是基因组 2人类基因组有多少染色体 多少碱基对 3人类有多少个基因 4 人类编码DNA序列占整个基因组的比 例 • 5什么是单一序列DNA • 6 什么是中度重复序列DNA • 7中度重复序列DNA 有几种功能是什么 • 8 高度重复序列DNA有几种功能是什么 • 9人类是如何应用卫星DNA的 一、染色质的概念及化学组成 （ 染色质DNA染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白 及少量RNA组成，比例为1：1：（1-1.5）： 0.05。可见DNA与组蛋白的含量比较恒定，非 组蛋白的含量变化较大，RNA含量最少。 （一）DNA DNA是遗传信息的携带者，DNA的序列可分为3 种类型，即：单一序列、中度重复序列（101-5） 和高度重复序列（>105）。 DNA分子的存在形式 人：46条染色体，2套染色体，各含23条染色体。每套染 色 体 的 DNA 构 成 一 个 基 因 组 。 每 个 基 因 组 的 DNA 含 3.2×109个硷基。 人基因组：细胞核染色体基因组和细胞质线粒体基因组。 根据DNA硷基排列序列重复出现程度不同，分单一序列 和重复序列。 人细胞核基因组90%DNA重复序列和10%单一序列。 染色体DNA的单一序列、重复序列和卫星DNA 单一序列 1、占DNA序列10%，在一个基因组中只出 现一次或很少几次。 2、主要构成结构基因：编码蛋白或酶基因 在基因组中只有一个拷贝，大多数结构 基因在单倍体中都是如此。 3、一个人类基因组约含3万或4万个结构基 因。 中度重复序列 • 重复频率在10-10的5次方之间。重复单 位是300个碱基对。 共数千种，每种重复数百次。 • • • • • • • a: 重复单位：大于300硷基； 300-500硷基-------短分散元件 5000-7000硷基----长分散元件 b: 重复频率105 c:作用：可能与基因转录的调节有关。 多基因家族 由一个祖先基因经过重复和变异所产生 的一组基因。 • 分二类 • （1）一个基因：多个拷贝，具有几乎相 同的序列-----成簇地排列于同一染色体上 -----基因簇----同时发挥作用，合成蛋白。 • （2）成簇地分布于几条不同的染色体编 码一组关系密切的蛋白。 • 组蛋白基因家族、珠蛋白基因家族。 ATGCAAACGGGCATTT………. 300pb 300pb 300pb 300pb 300pb 300pb 有数千种这样的300pb重复序列 300pbb 300pbb 300pbb 在基因组中每种平 均重复数百次 人类基因组的Alu 序列家族有300000个成员. 家族成员之间有很高的同源性。在每个成员 的第170位碱基附近都有一个AGCT序列，可 被限制性内切酶Alu1切割。 编码核糖体RNA，转移RNA 和某些组 蛋白的基因都是中度重复序列DNA 高度重复序列 重复频率在10的5次方以上。一般存在的位置是染色体的着 丝粒、副缢痕和端粒处。 • a: 重复单位很短，几个至几百个； • b:重复频率很高，大于106 • c:散在于基因组中，占染色体组的10%30%。 • d: 不能转录、不编码蛋白质 • e: 作用：参与维持染色体的结构（构成 着丝粒、端粒） • 间隔结构基因； • 减数分裂时染色体的配对； Introduction Bacteria Viruses Organelles Genomes Eukaryotes types of sequences Amounts of DNA number of chromosomes Genome size Ploidy haploid (germ cells) diploid (somatic cells) Genome size always relate to the haploid genome size of the haploid genome = C-value 3.5 103 bp (MS2) ~ 1011 bp (amphibians) 常用实验动物的基因组 Phylum Algae Mycoplasma Bacterium Yeast Slime mold Nematode Insect Bird Amphibian Mammal Species Pyenomas salina M. pneumoriae E. coli S. cerevisiae D. discoideum C. elegans D. melanogaster G. domesticus X. laevis H. sapiens Genome（bp） 6.6 105 1.0 106 4.2 106 1.3 107 5.4 107 8.0 107 1.4 108 1.2 109 3.1 109 3.3 109 (2-3% for exons) 0 10 65% 70% 09 41% 33% 25% 10% 7% 5% 83% 08 07 54% 58% 14% 17% 12% 100% 3% 06 E. coli C. elegans D. melanogaster M. musculus X. laevis N. tabacum Insect Amphibian 单一序列 中度重复序列 高度重复序列 RNA示踪分子杂交: mRNA主要来自于单一序列 (%) 高度 重复序列 中度重复序列 单一序列 100 75 DNA reassociation 50 RNA tracer hybridization 25 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 (C0t) mRNA与单一序列DNA分子杂交: (%) 1.35% 1.0 0 200 400 600 800 1000 1200 (Rot) Introns and exons Discovery of introns chicken ovalbumin gene (1977, Breatnach et al.) mouse beta-globin gene (1977, Jeffreys and Flavell) Split genes protein-coding genes tRNA genes, rRNA genes rare in prokaryotes not very common in lower eukaryotes Exon Intron Stop Stop Exon Stop TTGTGCCGTGTCATAGAAAGTAATAATTGCTTCAAGTCATAATATGGCCTAGAATCGTGG mRNA TTGTGCCGTAAATCGTGG Leu Ser Arg Asn Ser Trp Intron statistics for genes from different species Species Exon Intron Length mRNA number number (kb) length (kb) %Exon per gene Yeast 1 0 1.6 1.6 100 Nematode 4 3 4.0 3.0 75 Fruit fly 4 3 11.3 2.7 24 Chicken 9 8 13.9 2.4 17 Mammals 7 6 16.6 2.2 13 (In average values) The organization of nuclear DNA in eukaryotes Repeated sequences Tandemly repeated sequences satellite DNA minisatellite DNA microsatellite DNA Dispersed repeated sequences Moderately repetitive DNA retroposons LINEs (1-2% transposible) SINEs (derived from RNA genes) Alu family 20-30% Human genome 3000000kb 70-80% Genes and gene-related sequences <10% ExtragenicDNA 70-80% >90% Coding DNA Non-Coding DNA Unique or low copy number 20-30% Moderately and Highly repetitive 40% Pseudogenes Gene fragments Introns, leaders, tailers, etc. 60% Dispersed repeats SINES Clustered repeats LINES Microsatellite Classical Satellite DNA Minisatellite DNA 真核生物基因和基因组 • 基因组 核基因 nuclear gene 线粒体 mitochondrial / 叶绿体 chloroplast genome • 组织结构 间断基因 interrupted gene/split gene 无内含子基因 intronless gene 非编码 DNA Noncoding DNA 内含子 intron 调控序列 regulatory sequence 重复序列 repetitive sequence 单一 / 中度重复 / 高度重复序列 • 单一序列 unique sequence DNA 基因编码区 / 单一插入序列 intervening sequences • 中度重复（ 106） moderately repetitive DNA 串联基因簇 tandem gene clusters rDNA（45s 前体）—— array 组蛋白基因（H1-H5）—— cluster 散在重复 dispersed repetitive DNA short / long interspersed nuclear elements SINE：Alu element（~300 bp） LINE：L1 element （6500 bp） 功能？ parasitic or selfish / 转座 果蝇着丝粒区的几种高重复序列 ACAAACT有1.1 X 10000000个拷贝 ATAAACT ACAAATT 各有3.6 X 1000000个拷贝 一般高等真核生物的DNA都有20%的高度重复序列。 高度重复序列DNA的特点， 1、DNA双链不对称，一条为重链，一条是轻链 2、形成卫星DNA 在高度重复序列DNA中，常有一些AT含量很高的简单高度 重复序列。AT的浮力密度较GC的小，所以在DAN片段进行 密度梯度离心时就会发生下面的情况。 TTTTAAAATTTTAATTAATTAAGGCC AAAATTTTAAAATTAATTAATTCCGG 浮力密度要小于 GGGGGGGAAATTTCCCCCCCCAGC CCCCCCCCTTTAAAGGGGGGGTCG 并非所有高度重复DNA序列都能形成卫星带，有的高度重 复序列DNA的组成和总DNA的组成差别不大。所以有人称 这种高度重复DNA为隐蔽卫星DNA（见图}。 3、形成DNA指纹 卫星DNA是多等级的，一个大的重复单位往往是由更小的 重复单位构成。在人或动物的基因组内散在分布的短小 DAN 重复序列被称为小卫星DNA。 DNA氯化铯密度梯 度离心 隐蔽卫星DNA形成带 高度重复序列 DNA形成带 被称作卫星DNA 总 DNA序列形成带 • 高度重复（106） highly repetitive DNA 卫星DNA satellite DNA 小卫星 minisatellite DNA（数十个bp） 微卫星 microsatellite DNA （数个bp） 功能？ 着丝粒结合部位（AT rich） Optical absorbance Main satellite band Mouse DNA / CsCl Buoyant density 1.60 1.65 Satellite bands Main band 1.70 1.75 1.80 g cm-3 DNA fingerprinting GGGCAGGAXG CCCGTCCTXC Parents Progeny 9 8 7 6 5 副缢痕 着丝粒 端粒 三种构型的DNA DNA二级结构具有多形性 B型 右手双螺旋 它还有两种变构形式A型和型 A型 右手双螺旋 Z型 左手双螺旋 （183表） • 1953年，Watson和Crick提出了著名的 DNA分子的双螺旋结构模型，揭示了遗 传信息是如何储存在DNA分子中，以及 遗传性状何以在世代间得以保持。这是 • 在DNA双螺旋结构模型建立之前，早在 1868年，Miescher已经从脓细胞提取到核 酸与蛋白质的复合物，当时称为核素 (nuclein)。但核酸在生命活动中的重要地 位，却迟至本世纪50 • 本世纪20年代，Levene研究了核酸的化 学结构并提出四核苷酸假说；40年代末， Avery,Hershey和Chase的实验严密地证实 了DNA就是遗传物质；50年代初， Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析 等简单技术，对多种生物DNA作碱基定 量分析，发现DNA碱基组成的规律。 • Ｗatson和Crick所推导出来的DNA结构在 生物学研究中有深远意义。他们是以在 生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92％相 对温度下进行X－射线衍射图谱为依据进 行推设的。在这一条件下得出的DNA称 B构象。实际上在溶液中的DNA的确呈 这一构象，这也是最常见的DNA构象。 X-射线衍射(X-ray diffraction) 大沟(major groove)和小沟(minor groove) • 但是，研究表明DNA的结构是动态的。 在以钠、钾或铯作反离子，相对温度为 75％时，DNA分子的X－射线衍射图给 出的是A构象。这一构象不仅出现于脱水 DNA中，还出现在RNA分子中的双螺旋 区域的DNA－RNA杂交分子中。 • 如果以锂作反离子，相对温度进一步降 为66％，则DNA是C构象。但是这一构 象仅在实验室中观察到，还未在生物体 中发现。些DNA分子中G-C碱基对较少， 这些分子将取D和E构象。这些研究表明 DNA的分子结构不是一成不变的，在不 同的条件下可以有所不同。 • 但是，这些不同构象的DNA都有共同的 一点，即它们都是右手双螺旋；两条反 向平行的核苷酸链通过Ｗatson-Crick碱基 配对结合在一起；链的重复单位是单核 苷酸；这些螺旋中都有两个螺旋沟，分 为大沟与小沟，只是它们的宽窄和深浅 程度有所不同。 Wang和Rich等人在研究人工 合成的CGCGCG单晶的X－射 线衍射图谱时分别发现这种六 聚体的构象与上面讲到的完全 不同。它是左手双螺旋，在主 链中各个磷酸根呈锯齿状排列， 有如“之”字形一样，因此叫 它Z构象（英文字Zigzag的第 一个字母）。 还有，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核 苷酸；而且Z－DNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象 中的小沟，它狭而深，大沟则不复存在。 • 研究表明，Z－DNA的形成是DNA单链 上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的。比 如CGCGCGCG或者CACACACA。 • 人们相信，并用实验证明细胞DNA分子 中确实存在有Z－DNA区。而且，细胞内 有一些因素可以促使B－DNA转变为Z－ DNA。DNA真是一个构象可变动态分子。 • Z－DNA有会么生物学意义呢？应当指出 Z－DNA的形成通常在热力学上是不利的。 因为Z－DNA中带负电荷的磷酸根距离太 近了，这会产物静电排斥。但是，DNA 链的局部不稳定区的存在就成为潜在的 解链位点。DNA解螺旋却是DNA复制和 转录等过程中必要的环节，因此认为这 一结构位点与基因调节有关。 • 比如ＳＶ40增强子区中就有这种结构， 又如鼠类微小病毒ＤＮＳ复制区起始点 附近有GC交替排列序列。此外，DNA螺 旋上沟的特征在其信息表达过程中起关 键作用。 • 调控蛋白都是通过其分子上特定的氨基 酸侧链与DNA双螺旋沟中的碱基对一侧 的氢原子供体或受体相互作用，形成氢 键从而识别DNA上的遗传信息的。大沟 所带的遗传信息比小沟多。沟的宽窄和 深浅也直接影响到调控蛋白质对DNA信 息的识别。 • Z－DNA中大沟消失，小沟狭而深，使调 探蛋白识别方式也发生变化。这些都暗 示Z－DNA的存在不仅仅是由于DNA中 出现嘌呤－啶嘧交替排列之结果，也一 定是在漫漫的进化长河中对DNA序列与 结构不断调整与筛选的结果，有其内在 而深刻的含意，只是人们还未充分认识 而已。 • DNA构象的可变性，或者说DNA二级结 构的多态性的发现拓宽了人们的视野。 原来，生物体中最为稳定的遗传物质也 可以采用不同的姿态来实现其丰富多采 的生物的奥妙，也让人们在这一领域中 探索和攀越时减少疲劳和厌倦，乐而忘 返，从而有更多更新的发现。 （二）染色质蛋白质 1、组蛋白 5种组蛋白 分别是H1 、H2A、H2B、H3、H4。 在功能上它们可分为两类 （1） 核小体组蛋白 它们包括 H2A、H2B、H3、H4这四种组蛋白，这些组蛋白无种属和组织的特 异性，进化上十分保守，特别是H3、H4是所有已知蛋白中最保守 的。 如，牛和豌豆在进化上的分歧已有3亿年的历史了，而它们的H4组 蛋白的102个氨基酸残基中仅有两个不同。 （2）H1组蛋白 起连接作用 有一定的组织特异性。 2、非组蛋白 指染色体上与特异性DNA序列相结合的蛋白质。所以又叫序列特异 性DNA结合蛋白。 （1）非组蛋白的特性（262） （2）非组蛋白的功能 3序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式 （1）锌指模式等（263） • • • • • 染色质蛋白 组蛋白 非组蛋白 DNA结合非组蛋白结构模型 锌指结构模式 • HMG结构模式 • SRY蛋白（264）—转录激活因子 • Testis Determining Factor • The testis is another term for the male gonad. (A gonad is a sex gland in which gametes -- mature sexual reproductive cells -- are produced.) The testis is also called a "testicle." The testis can be either of a pair of egg-shaped glands normally situated in the scrotum. • On the Y chromosome, TDF or "testisdetermining factor" binds to DNA and regulates genes controlling the development of the testis. Testis-determining factor (also known as SRY) binds to DNA and regulates genes controlling the development of the testis The TDF gene maps to chromosome Y 基因在遗传中的作用 5.性别畸形 •基因与性别畸形 •男性阴阳人 具有正常男性 的染色体组成 （46，XY).外观 多呈女性，不育