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染色体与DNA分子生物学.ppt

染色体与DNA分子生物学

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2018-06-20 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《染色体与DNA分子生物学ppt》,可适用于医药卫生领域

第二章染色体与DNA主要内容:、染色体、DNA的结构、DNA的复制、原核和真核生物DNA的复制特点、DNA的修复、DNA的转座遗传物质的本质就是核酸••••DNA是细菌的遗传物质DNA是病毒的遗传物质DNA是动物细胞的遗传物质某些病毒的遗传物质是RNAOOHN(nitrogenousbase)OO(N=A、G、C、U、T)HH(O)H´OHH´´O核糖(pentosesugar)P磷酸(phosphate)无论DNA或RNA都是由许许多多个核苷酸连接而成的生物大分子而每个核苷酸又由磷酸、核糖和碱基部分组成。碱基糖苷键´OCH磷酸酯键´核苷酸共价连接在一起形成多聚核苷酸链组成DNA和RNA分子的五种含氮碱基的结构式染色体遗传物质的主要载体染色体在遗传上起着主要作用,因为亲代能够将自己的遗传物质以染色体(chromosome)的形式传给子代保持了物种的稳定性和连续性。当细胞分裂时,染色体可见原核与真核细胞染色质的比较原核细胞中:DNA存在于称为拟核(nucleoid)的结构区。每个原核细胞一般只有一个染色体每个染色体含一个双链环状DNA。真核细胞中:DNA主要集中在细胞核内线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。Genomesize:thelengthofDNAassociatedwithonehaploidcomplementofchromosomesGenenumber:thenumberofgenesincludedinagenomeGenedensity:theaveragenumberofgenesperMbofgenomicDNA基因组与生物体的复杂性基因组(Genome)是由生物体内所有的染色体组成的各类生物的最小基因数随其复杂度而增加染色体的特征作为遗传物质染色体具有如下特征:①分子结构相对稳定②能够自我复制使亲子代之间保持连续性③能够指导蛋白质的合成从而控制整个生命过程④能够产生可遗传的变异。染色体包括:DNA和蛋白质两大部分。同一物种内每条染色体所带DNA的量是一定的但不同染色体或不同物种之间变化很大。真核细胞染色体的组成由核酸和蛋白质组成:•DNA•蛋白质•RNA(尚未完成转录而仍与模板DNA相连接的其含量不到DNA的)蛋白质染色体蛋白主要分为组蛋白和非组蛋白两类。HistonesareconservedDNAbindingproteinsofeukaryotesthatformthenucleosome,thebasicsubunitofchromatinHHB组蛋白组蛋白是染色体的结构蛋白:有H、HA、HB、H及H五种与DNA共同组成核小体。HAH真核细胞染色体上的组蛋白成分分析种类HHAHBHH相对分子质量氨基酸数目分离难易度易较难较难最难最难保守性不保守较保守较保守最保守最保守染色质中比例染色质中位置接头核心核心核心核心组蛋白的特性•进化上的极端保守性•无组织特异性•肽链上氨基酸分布的不对称性碱性氨基酸分布在N端疏水基团在C端•存在较普遍的修饰作用甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等Thecorehistonesshareacommonstructuralfold组蛋白的修饰(Histonemodification)•核心组蛋白N端尾部在核小体结构、DNA蛋白质相互作用中的活跃作用•某些氨基酸残基可被修饰如乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化etcHistoneProteinsHistoneTailsarechemicallymodifiedbymanytypesofenzymes(core)HA,HB,HHNucleosomeDNADNAmethylationZhangY,ReinbergDGenesDev:SitesofmodificationsonthehistoneNtails(mainlyonKandR)•赖氨酸的乙酰化(形成种异构体)•丝氨酸(HHHB)的磷酸化•赖氨酸和精氨酸(H和H)的甲基化•其它修饰:如泛素化和ADP核糖基化。•四种核心组蛋白尾部携带巨大的表观遗传信息量。组蛋白的修饰改变染色质的功能组蛋白的甲基化修饰•组蛋白的甲基化是由组蛋白甲基化转移酶(histonemethyltransferaseHMT)完成的。•甲基化可发生在组蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上:赖氨酸残基能够发生单、双、三甲基化精氨酸残基能够单、双甲基化这些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调节基因表达的复杂性。•组蛋白的甲基化与基因激活和与基因沉默相关。•组蛋白的甲基化修饰方式是最稳定的。Activeandsilentmodificationatpromoter•HATHDAC催化H,H特定赖氨酸残基的乙酰化/去乙酰化修饰实现乙酰化水平的动态平衡•特定基因部位的组蛋白乙酰化和去乙酰化是以一种非随机的、位置特异的方式进行•乙酰化/去乙酰化修饰影响染色质结构和基因活化•高乙酰化:转录活化•低乙酰化:转录抑制。Histoneacetyltransferase(HAT)Histonedeacetylasecomplexes(HDAC)组蛋白乙酰基转移酶/组蛋白去乙酰化酶HistonedeacetylationinducedbyrecruitmentofHDACtogenepromotersbydifferentfactorsSantiagoRopero,ManelEstellerMolecularOncology()DNAmethyltransferases(DNMT)methylbindingproteinMeCPEstrogen雌激素receptor(ER)transcriptionfactors(EF,Rb)AmodelshowingapossibleeffectofHDACmutationincancerdevelopment•ClassIHDACsareinvolvedingenetranscriptionrepressionmediatedbyretinoblastoma(Rb,眼癌)protein•ThelostofHDACfunctioncouldinducethehyperacetylationandReexpressionofgenesregulatedbyretinoblastomaproteinRb(tumorsuppressor),andwithcrucialfunctionsincellcycleregulationSantiagoRopero,ManelEstellerMolecularOncology()•转录激活、转录延伸•DNA修复、拼接、复制•染色体的组装•基因沉默•某些疾病的形成•细胞的信号转导•基因组的整体乙酰化……组蛋白乙酰化/去乙酰化参与的功能组蛋白的其他修饰方式•组蛋白还有其他不稳定的修饰方式如磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等。•通过多种修饰方式的组合,更为灵活的影响染色质的结构与功能。所以有人称这些能被专识别的修饰信息为组蛋白密码。•各种修饰间也存在着相互的关联。UbiquitinligasesanddeubiquitinatingenzymesresponsibleformonoubiquitinationofhistonesHAandHBwwwfrontiersinorg,March|Volume|Article|Histoneubiquitinationanddeubiquitinationintranscription,DNAdamageresponse,andcancer组蛋白修饰的作用机制•通过影响组蛋白与DNA双链的亲和性从而改变染色质的疏松或凝集状态•或通过影响转录因子与结构基因启动子的亲和性来发挥基因调控作用。•核心组蛋白尾部的修饰不仅仅影响DNA包装和染色质结构更重要的是这些修饰是表观遗传信息的携带者。•这种信息既决定了基因是怎样表达的也决定了它们的表达方式是怎样在一代细胞和下一代细胞之间保持的。•在肿瘤、免疫、心血管等疾病的发生及其防治中具有十分深远的意义。核心组蛋白尾部修饰的意义组蛋白修饰是如何遗传给子染色体的Epigeneticinheritance非组蛋白约为组蛋白总量的~可能有~种(常见的有~种)•主要包括酶类(RNA聚合酶)、与细胞分裂有关的蛋白。•也可能是染色质的结构部分。非组蛋白非组蛋白•HMG蛋白(Highmobilitygroupprotein)能与DNA结合但不牢固也能与H作用可能与DNA的超螺旋结构有关。•DNA结合蛋白相对分子量较低占非组蛋白的%染色质的%可能与DNA的复制、转录、修复和重组有关。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。DNA•C值(Cvalue):是指一种生物单倍体基因组DNA的总量各种生物细胞内DNA总量的比较在真核生物中C值一般是随生物进化而增加的高等生物的C值一般大于低等生物。C值反常现象(Cvalueparadox)C值往往与种系进化的复杂程度不一致某些低等生物却具有较大的C值。真核细胞DNA序列可被分为类碱基组成重复次数占DNA总量()基因类型不重复~~几个~结构基因序列中度重复序列~~rRNA,tRNA,组蛋白基因高度重复序列~数百万次~卫星DNA蛋白质编码区域只占人类基因组非常小的部分DrosophilaProportionoffunctionalelementswithingenomesEcoliYeastScerevisiaeHumanNematodeCelegansLunfish肺鱼(dipnoi)Coding(protein)RNANoncoding•Proteincodingsequence–Humangenome~–Celegangenome~•ThemajorityoftranscriptsarenoncodingRNAsTranscriptionaloutputcomplexityThemajordifferencesamongdifferentorganismsarencRNAs•人和黑猩猩的基因差别为‰来源于非编码RNA。•人和鼠的蛋白质编码基因是共同的。•人个体间单倍体基因组的碱基差异万个其中万个()出现在蛋白质编码基因中且绝大多数存在于非编码RNA。••含有亿对碱基的人类基因组仅含有-万个蛋白质基因是果蝇的两倍啤酒酵母的倍。显而易见生物的复杂性不由编码蛋白质的数目决定。人类基因组的蛋白质编码区占总基因组长度为-%那么其他%的基因组有什么功能?•在这%的非蛋白质编码基因组序列里约%为插入编码序列的内含子序列人类基因平均每个基因有个内含子。这么冗长的内含子序列有什么生物学功能?人类基因组草图带给科学家们的困惑人类基因组绝大部分都被转录成RNA细胞内非编码RNA的数量是编码RNA的上百倍。这促使许多科学家认为生物体复杂性被隐藏在它们所输出的非编码RNA内而非编码序列内。UniversityofQueensland,AustraliaWashingtonUniversitySchoolofMedicine,USAUniversityofMassachusettsMedicalSchool,USAFunctionsofncRNAs•rRNAsandtRNAs•RNAmaturation:snRNAinrecognizingsplicingsites•RNAmodification:snoRNAconvertinguridinetopseudouridine•Regulationofgeneexpressionandtranslation:eg,miRNAs•DNAreplication:eg,telomeraseRNAstemplateforadditionoftelomericrepeats•Etc由DNA和组蛋白组成的染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构。电镜下看到的染色质结构染色质和核小体实验证据:、染色质DNA的Tm值比自由DNA高说明在染色质中DNA极可能与蛋白质分子相互作用。、在染色质状态下由DNA聚合酶和RNA聚合酶催化的DNA复制和转录活性大大低于在自由DNA中的反应。、DNA酶I(DNaseI)对染色质DNA的消化远远慢于对纯DNA的作用。实验证据:用小球菌核酸酶处理染色质以后进行电泳便可以得到一系列片段这些被保留的DNA片段均为bp基本单位的倍数。MolecularBiologyoftheGene,FigurebpDNAHistoneoctamer(组蛋白八聚体)→Nucleosomecore(核小体核心)H→Chromatosome(染色小体bp)linkerDNA→Nucleosome(核小体)(~bpofDNA)Nucleosome(核小体)是染色质的基本结构单位由~bpDNA和组蛋白八聚体组成核小体核心颗粒结构Histoneoctamer(组蛋白八聚体)TopviewSideviewTheassemblyofanucleosomeMolecularBiologyoftheGene,FigureHowdoesthehigherorderchromatinstructureform()HistoneHbindstothelinkerDNAbetweennucleosome,inducingtighterDNAwrappingaroundthenucleosomenmfibersTheadditionofHleadstomorecompactnucleosomalDNANucleosomalDNAinthepresenceofhistoneHNucleosomalDNAintheabsenceofhistoneH()Nucleosomearrayscanformmorecomplexstructures:thenmfiber(“zigzagmodel”)nmfibershavenucleosomesturn,organizedintoasolenoid•HistoneHandhistoneNterminaltailsarerequiredforformationofthenmfiber•Thisfiberisthebasicconstituentofbothinterphasechromatinandmitoticchromosomes(foldcompaction)()FurthercompactionofDNAinvolveslargeloopsofnucleosomalDNAAdditionalfoldcompactionisrequired,butthemechanismisunclearThenuclearscaffoldmodelisproposedFromDNAtochromosomeShortregionofDNAdoublehelix“Beadsonastring”formofChromatinnmchromatinfiberofpackednucleosomesSectionofchromosomeinanextendedformCondensedsectionofMetaphasechromosomeEntiremetaphasechromosome染色体形成过程中长度与宽度的变化宽度增加长度压缩第一级第二级第三级第四级DNA组蛋白核小体螺线管超螺旋核小体螺线管超螺旋染色体倍倍倍倍倍倍倍倍倍倍()TheimportanceofpackingofDNAintochromosomesChromosomeisacompactformoftheDNAthatreadilyfitsinsidethecellToprotectDNAfromdamageDNAinachromosomecanbetransmittedefficientlytobothdaughtercellsduringcelldivisionChromosomeconfersanoverallorganizationtoeachmoleculeofDNA,whichfacilitatesgeneexpressionaswellasrecombination真核生物基因组的结构特点•真核基因组庞大一般都远大于原核生物的基因组。•真核基因组存在大量的重复序列。•真核基因组的大部分为非编码序列(>%)是真核生物与细菌和病毒之间最主要的区别。•真核基因组的转录产物为单顺反子。•真核基因是断裂基因有内含子结构。•真核基因组存在大量的顺式作用元件(启动子、增强子、沉默子)。•真核基因组中存在大量的DNA多态性:单核苷酸多态性和串连重复序列多态性。•真核基因组具有端粒(telomere)结构。保护线性DNA的完整复制、保护染色体末端和决定细胞的寿命等功能。原核生物的基因组很小大多只有一条染色体且DNA含量少如大肠杆菌DNA的相对分子质量仅为×bp其完全伸展总长约为mm含多个基因。原核生物基因组•原核生物基因主要是单拷贝基因只有很少数基因〔如rRNA基因〕以多拷贝形式存在•整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成•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。大肠杆菌细胞中基因组DNA的电镜显微照片箭头为环状质粒DNA细菌DNA是一条相对分子量在左右的共价、闭合双链分子通常也称为染色体。原核细胞DNA特点:、结构简炼原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的只有很小一部分控制基因表达的序列不转录。这些不转录DNA序列通常是控制基因表达的序列。、存在转录单元原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因往往丛集在基因组的一个或几个特定部位形成转录单元,并转录产生含多个mRNA的分子称为多顺反子mRNA。、有重叠基因一些细菌和动物病毒存在重叠基因:同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。年Sanger正式发现了重叠基因:•ΦX感染寄主后共合成个蛋白质分子量约×,个核苷酸•而病毒DNA本身只有个核苷酸。•Sanger发现个基因中有些是重叠的:、一个基因完全在另一个基因里面、部分重叠、两个基因只有一个碱基对的重叠。DNA的结构•一级结构•二级结构•三级结构DNA的一级结构•指种核苷酸的连接及其排列顺序表示了该DNA分子的化学构成。•许多个脱氧核苷酸经’’磷酸二酯键聚合而成为DNA链。′端′端CGA′′磷酸二酯键DNA一级结构的表示法´´´ppppOH´ACTG´´线条式´ACTGCATAGCTCGA´字母式结构式碱基、核苷和核苷酸碱基腺嘌呤(adenine)鸟嘌呤(guanine)胞嘧啶(cytosine)胸腺嘧啶(thymine)核苷腺苷(adenosine)鸟苷(guanosine)胞苷(cytidine)胸苷(thymidine)核苷酸腺苷酸(adenylicacid)鸟苷酸(guanylicacid)胞苷酸(cytidylicacid)胸苷酸(thymidylicacid)RNADNAAMPdAMPGMPdGMPCMPdCMPdTMP尿嘧啶(uracil)尿苷(uridine)尿苷酸(uridylicacid)UMP碱基与糖的结合物称为核苷如果再与一个磷酸脂基相连则形成核苷酸´dNMP´dNDP´dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物´NMP´NDP´NTPN=A、G、C、UAMPAdenosinemonophosphateADPAdenosinediphosphateATPAdenosinetriphosphate多聚核苷酸链中新生磷酸糖苷键的产生过程单核苷酸’磷酸基团向核酸链的’OH发起进攻’NTP是核酸合成的前体DNA的二级结构•指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。DNA双链的组成碱基互补配对原则:在DNA分子中嘌呤永远与嘧啶配对腺嘌呤(A)=胸腺嘧啶(T)鸟嘌呤(G)=胞嘧啶(C)X光衍射实验数据表明DNA是一种规则螺旋结构。DNAdoublehelix(DNA双螺旋结构)Watson和Crick基于三个方面的发现,提出了DNA双螺旋模型:DNA密度测量说明这种螺旋结构应有两条链。不论碱基数目多少G的含量总是与C一样而A与T也是一样的。RosalindEFranklin对DNA晶体结构的研究为Wilkins的获奖奠定了基础。WilkinsNobelPrizeDNA链的基本特点、DNA是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。、DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接排在外侧构成基本骨架碱基排列在内侧。、两条链上的碱基通过氢键相结合形成碱基对。WidthÅMinorGroove(nm)MajorGroove(nm)ÅPitchÅbpturnDNA的反向平行双螺旋结构RiseABZ外型螺旋方向螺旋直径碱基直升每圈碱基数碱基倾角大沟小沟粗短右手nmnm很窄很深很宽、浅适中右手nmnm很宽较深窄、深细长左手nmnm平坦较窄很深ABZ型DNA三种结构比较右手螺旋DNA:BDNA:AT丰富的DNA片段ADNA(对基因表达有重要意义)aDNARNA(处于转录状态的DNA)bRNARNA(dsRNA)左手螺旋DNAZDNA的研究年Rich提出左手螺旋ZDNA结构。它是右手螺旋结构模型的一个补充和发展。BDNA是最常见的DNA构象ADNA和ZDNA可能具有不同的生物活性。DNA的高级结构DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式可分为正超螺旋与负超螺旋两大类它们在特殊情况下可以相互转变如:拓扑异构酶拓扑异构酶溴乙锭负超螺旋溴乙锭松驰DNA正超螺旋双螺旋DNA的松开导致负超螺旋而拧紧则导致正超螺旋。研究细菌质粒DNA时发现天然状态下该DNA以负超螺旋为主稍被破坏即出现开环结构两条链均断开则呈线性结构。在电场作用下相同分子质量的超螺旋DNA迁移率>线性DNA迁移率>开环的DNA迁移率以此可判断质粒结构是否被破坏。Summary•染色体的主要成分:DNA和蛋白质(组蛋白、非组蛋白),组蛋白上存在很多修饰。•Nucleosome(核小体)是染色质的基本结构单位。•DNA的结构一级结构:种核苷酸的连接及其排列顺序。二级结构:反向平行双螺旋。三级结构:超螺旋。•遗传物质的主要载体是染色体。Thankyou!

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