第二节 染色体和DNA

第二节染色体和DNA教学目的：1.了解染色体的结构2.掌握染色体的组成3.理解原核生物和真核生物染色体的不同学习指导：本节主要内容有染色体的结构和组成，重点掌握染色体的组成，原核生物和真核生物染色体的不同基本概念：1.染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂是遗传物质存在的特定形式，是期间细胞染色质结构紧密包装的结果。

真核生物的染色质(chromatin)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。

2.染色质：建起细胞核中的DNA与蛋白质形成的复合物，其基本单位是以组蛋白八聚体为核心、DNA环绕其外两周所形成的核小体结构。

他在有丝分裂时浓缩成染色体。

3.着丝粒：是染色体上的一种重要关键结构，它连接两个染色单体，并将染色体分为两臂，而且与细胞分裂时染色体的分配有密切关系。

着丝粒是一种高度有序的整合结构，至少包括三种不同的结构域：着丝粒结构域、中央结构域和配对结构域。

4.核小体：构成真核染色质的一种重复珠状结构，是由大约200 bp的DNA区段和多个组蛋白组成的大分子复合体。

其中大约146 bp的DNA区段与八聚体(H2A、H2B、H3和H4各两分子)的组蛋白组成核小体的核心颗粒，核心颗粒间通过一个组蛋白H1的连接区DNA彼此相连。

5.基因组：是指细胞或生物体中全套遗传物质6.C值：是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。

主要内容：1.染色体结构任何一条染色体上都带有许多基因，一条高等生物的染色体上可能带有成千上万个基因，一个细胞中的全部基因序列及其间隔序列统称为genomes（基因组）。

如果设想将人体细胞中的DNA分子绕地球一周，那么，每个碱基大约只占1－5厘米，而一个2－3kb 的基因只相当于地球上一条数十米长，数厘米宽的线段2．染色体的组成（1）．染色质和核小体染色质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。

染色质的电子显微镜图显示出由核小体组成的念珠状结构，可以看到由一条细丝连接着的一连串直径为10nm的球状体。

核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。

八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。

每个核小体只有一个H1。

在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成1/7，200bpDNA的长度约为68nm，却被压缩在10nm的核小体中。

但是，人中期染色体中含3.3×109碱基对，其理论长度应是180cm，这么长的DNA被包含在46个51μm长的圆柱体（染色体）中，其压缩比约为104。

（2）．染色体中的核酸组成不重复序列在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占DNA总量的40%－80%。

不重复序列长约750－2000dp，相当于一个结构基因的长度。

单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质，如一个蚕丝心蛋白基因可作为模板合成104个丝心蛋白mRNA，每个mRNA可存活4d，共合成105个丝心蛋白，这样，在几天之内，一个单拷贝丝心蛋白基因就可以合成109个丝心蛋白分子。

（3）．染色体中的蛋白质染色体上的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。

组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体。

通常可以用2mol/L NaCl或0.25mol/L的HCl/H2SO4处理使组蛋白与DNA 分开。

组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3及H4。

这些组蛋白都含有大量的赖氨酸和精氨酸，其中H3、H4富含精氨酸，H1富含赖氨酸；H2A、H2B介于两者之间。

3. 原核生物：DNA形成一系列的环状附着在非组蛋白上形成类核。

真核生物染色体有蛋白质和DNA组成，蛋白质包括组蛋白（H1，H2A、H2B、H3、H4）和非组蛋白。

4.C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。

C值往往与种系的进化的复杂程度不一致，某些低等生物却有较大的C值，这就是著名的“C值反常现象”。

习题：一、名词解释异染色质Barr体着丝粒同源染色体二、判断1.常染色质指间期核内的具有转录活性的染色质。

2.核纤层蛋白纤维主要是由非组蛋白组成3.常染色质的基因如重组在异染色质区附近，则基因的转录活性被抑制。

4.染色体中核酸酶超敏感位点常位于两个核小体之间的连接DNA上。

5. 在灯刷染色体中，大多数染色质形成侧环，是活跃转录的；有少数染色质在染色粒处高度聚缩，处于转录非活性状态。

6. 要确保染色体在细胞世代中的稳定性必须具有ARS、CEN和TEL三种关键序列。

7. 四种核小体组蛋白，在进化上十分保守，没有种属及组织特异性。

8. 在转录上失活的染色体区域凝聚成相对抗核酸酶的形式，成为异染色质9. 已有证据证明，核仁FC中的染色质没有组蛋白，也不形成核小体。

三、简答1.什么是常染色质和异染色质？在DNA复制和基因表达的过程中，他们的作用是什么？2. 试述从DNA到染色体的包装过程。

3.简述活性染色质的主要特点4.试述染色质结构与基因转录的关系参考答案：一1在间期不解凝聚的DNA2在间期不解凝聚的X染色体3以螺旋-转角-螺旋域与DNA结合的和决定一个动物节片特征的DNA结合蛋白质4在细胞分裂过程中，正确分割所需的真核染色体上的位点二（X）(X)（V）（X）（X）（V）（V）（X）（V）三1.异染色质是高度浓缩的染色质，除了在DNA复制过程中他被去凝集，异染色质在整个细胞周期中保持凝缩的形式。

因其凝缩状态与有丝分裂染色体相似，所以，在间期可用光学显微镜观察到异染色质。

处于异染色质转台的大多数基因不表达，与之相反，常染色质是去凝聚染色质，它以螺旋管形式或伸展的核小体形式存在。

常染色质是“真”染色质，在光学显微镜下他显现分散的颗粒状。

伸展的核小体形式中的常染色质可以复制和表达，而在螺旋管形式中的却不能。

在哺乳动物中，雌性动物的细胞有两个X染色体，而雄性动物中的细胞中有一个X染色体和一个Y染色体，雌性细胞中的其中一条X染色体，一般以异染色质形式存在。

高浓缩的X染色体常被称为Barr体，由于像大多数染色体那样高度浓缩，Barr体上的基因几乎不被表达。

对于细胞具有一个高浓缩X染色体，一个可能的解释是，这是为了保持雌性细胞中基因产物与雄性细胞同样的平衡状态。

2. 在真核细胞内，DNA与蛋白质等构成染色体的包装过程如下：由直径为2nm的DNA 与组蛋白八聚体结合构成核小体，在组蛋白H1的介导下核小体彼此连接形成直径约为10nm的核小体串珠结构，这是染色质包装的一级结构。

不过在生活细胞中，染色质很少以这种伸展的串珠状形式存在，而以30nm的染色质纤维形式存在，称为螺旋管，螺线管是由直径10nm的核小体串珠结构螺旋盘绕，形成的每圈6个核小体，外径30nm，内径10nm，螺距11nm的结构。

螺线管是染色体的二级结构。

对这两级结构目前已取得一致的看法。

但对30nm的螺线管如何进一步包装成染色体尚有不同意见。

多极螺线模型认为：螺线管进一步螺旋化形成直径为0.4微米的圆筒状的超螺旋管，然后再进一步螺旋折叠，形成染色单体。

而染色体骨架-放射环结构模型认为，螺线管进一步包装成染色体时不时形成超螺线管，而是形成DNA复制环，每18个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带。

微带是染色体高级结构的单位，大约106个微带沿纵轴购建成子染色体。

应该指出，上述两种关于染色体高级结构的组织模型虽然都有一些是言语观察的证据，但仍处于假说阶段，还需进一步的研究。

3.根据对活性染色质蛋白组分的生化分析发现：（1）活性染色质很少有组蛋白H1与其结合；（2）活性染色质的4种核心组蛋白虽然以常量存在。

但是与非活性染色质相比较，活性染色质上组蛋白乙酰化程度高；；（3）与非活性染色质相比，活性染色质的核小体组蛋白H2B 和少被磷酸化；（4）核小体组蛋白H2A在许多物中包括果蝇和人的活性染色质中很少有变异的形式存在；（5）HMG14和HMG17只存在于活性染色质中，与DNA结合。

平均每10个核小体中有一个核小体是与HMG14和HMG17结合的，其氨基酸序列在进化中高度保守，表明他们有重要功能。

另外，活性染色质还具有DnaseI的超敏感位点，既存在有100~700bp 的DNA序列特异暴露的染色质区域，它在启动子附近，并与启动子功能有关。

4. 染色质具高度有序、折叠盘曲、包装致密的结构。

因而转录作用的进行需要染色质包装的“松弛”，使一套转录装置与基因的起始能够接触，而发生转录作用。

因此一般来说，处于高度折叠或凝聚状态的异染色质中，基因表达是不活跃的。

真核生物可以通过异染色质化关闭某些基因的表达。

在间期核中，伸展和疏松的常染色质部分是转录的的部位。

DNaseI 超敏位点的存在是活性染色质的特点之一。

现已知道，超敏位点实际上是一段100~200bp的DNA序列特异暴露的染色质区域，是重要的转录调控和转录因子最可能结合的部位。

或染色质的另一个特点是其DNA分子上具有低水平的甲基化，基因的非活化状态可能是由于染色质上基因的起始位点被甲基化所造成。

染色质中组蛋白八聚体的N-端都暴露在核小体之外，某些特殊的氨基酸残基会发生乙酰化、甲基化、磷酸化和ADP和糖基化等修饰。

这些集团修饰的意义，一是改变染色质的结构，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，间接影响转录活性。

一般认为，组蛋白的乙酰化作用，特别是H3和H4的乙酰化，与基因活化密切相关；三种组蛋白，即H2A、H1和H3的磷酸化与细胞增殖有关。