第二章 基因与基因组结构

microRNA
Ribozyme
Spliceosome Ribosome
第二节 DNA、核小体与染色体
• 真核生物的染色体在细胞周期的大部分时间里都以染色质 的形式存在,染色质是一种纤维状的结构,有核小体成串排 列而成。
• 常染色质（ euchromatin ） • 异染色质（heterochromatin）
第一节 DNA的结构特征与分子形式
一、 DNA的结构特征
• 多核苷酸链是核酸结构的基础， • 多个核苷酸通过3‘，5’－磷酸 • 二酯键连接而成的线型大分子， • 核苷酸是多核苷酸链的结构单位
• 核酸有三部分组成： • 核糖、磷酸和碱基
第一节 DNA的结构特征与分子形式
一、 DNA的结构特征
1 DNA结构的多样性
• 研究表明，两个H3分子、两个H4分子先形成四聚体，然后 再与两个由H2A、H2B构成的°异二聚体结合成为八聚体。八 聚体的组蛋白分子连接成匝道形状，直径7.0nm，螺距 2.7nm，提供1.75圈（146bp）的DNA缠绕，核小体颗粒高 6.0nm，直径11.0nm。核小体具有二分对称性。
第二节 DNA、核小体与染色体
第一节 DNA的结构特征与分子形式
2）负超螺旋的单链泡状结构
• 除了负超螺旋以外，还存在着单链泡状结构，其主要作用 是解除松缠作用造成的协变，特别是富含AT结构的单链 泡状结构。
• DNA的超螺旋是由于DNA的拓扑异构酶加工而成的，负 超螺旋是由于DNA的旋转酶形成的。
第一节 DNA的结构特征与分子形式
在双螺旋DNA中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次 数，以L表示。 2）扭转数（twisting number） 扭转数是指DNA分子中Watson-Crick的螺旋数，以T表示 3）缠绕数（超螺旋数writhing number）以W表示
所以：L=T+W
4）比连接差数（Specific Linking Difference）以λ表示，
第二章 基因结构与功能
第一节 第二节 第三节 第四节
DNA的结构特征与分子形式 DNA、核小体与染色体 基因的结构与特征
基因家族和基因簇
第一节 DNA的结构特征与分子形式
• 一、 DNA的结构特征
• 1 DNA结构的多样性 • 2 DNA的三级结构－超螺旋与拓扑异构现象
• 二、DNA的分子形式
• 1 常见的分子形式 • 2 非常见的分子形式
第一节 DNA的结构特征与分子形式
2 非常见DNA 的分子形式
• Holliday结构： • 两个DNA双螺旋分子进行交叉重组，则将形成一个“四螺
旋”作为中间物。这样的中间物的存在是R.Holliady在六 十年代首先提出来的，称为Holliday结构，或交叉结构。
• Holliday结构的另一个重要性质是能够发生立体异构现象。 这种异构转变在体内是经常发生的，它可以导致两条子链 发生双重交换，或所有四条链发生单交换。
压缩5倍
染色单体
三级 四级
第二节 DNA、核小体与染色体
• 核小体（Nucleosome） : 构成染色质的基本结构单位,由 200bp左右的DNA和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋 白H1构成,组蛋白八聚体的核心颗粒（Core Particle）是由 H2A、H2B、H3、H4各两个分子组成，并由组蛋白H1连接 一段连接DNA。
双螺旋的DNA是以共价闭合环（ covalently closed circle ） 的形式存在，被称为CCC分子，通常是与组蛋白结合构 成核小体，如果与组蛋白分离，DNA就形成了超螺旋结 构，CCC分子是所有原核以及真核生物DNA分子的共有 特征。
第一节 DNA的结构特征与分子形式
DNA形成的 超螺旋结构
第一节 DNA的结构特征与分子形式
2 DNA的三级结构－超螺旋与拓扑异构现象
1) 定义： DNA的三级结构指DNA分子（双螺旋）通过扭曲 和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构单元间、单 链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。 超螺旋是DNA三级结构的一种类型。超螺旋即DNA双螺 旋的螺旋。
• 核小体中的DNA与组蛋白与限制性内切酶EcoRI在DNA 识 别位点上形成复合体。
第一节 DNA的结构特征与分子形式
• C. DNA作为遗传信息的载体，一是编码氨基酸转录并翻 译为蛋白质；二是基因表达的调控，即，DNA的精细结构 －密码结构域，通过被结合蛋白识别，调节和控制基因的 表达。因此，非编码DNA区段的作用及其功能，将成为分 子生物学的一个重要的领域.
• I0形DNA：没有正超螺旋或者负超螺旋的双链闭合环状分 子；沉降系数1. 14;
• II形DNA：在一条链或者两条链上有切刻的双链环状分子； 沉降系数1. 14;
• III形DNA：线性的双螺旋DNA分子,沉降系数1. 10;
第一节 DNA的结构特征与分子形式
• 坍缩DNA： I形或者I0形DNA在碱变性条件下,氢键断裂,形 成的两条紧密缠绕的分子；沉降系数3.00;
第二节 DNA、核小体与染色体
• 核小体的组装顺序： • H3和H4 先形成（H3）2（H4）2四聚体，然后H2A
和H2B形成的二聚体结合于四聚体的两个侧面，每个 异二聚体与中心节段DNA两侧各30-40bp的序列结合， 组蛋白H1与特定的DNA构象结合，并通过连接DNA， 将核小体串联在一起。H3处在中心对称位置，对称 轴穿过它 的中心位置。
通常是指每一百圈的双螺旋会形成多少负超螺旋，例如：
λ ＝（L－L0）／L0＝－0.08。其含义就是：每一百个右
手螺旋结构就能够产生8个负超螺旋。DNA双螺旋中存在 的负超螺旋是一种相对稳定的结构状态。
四、RNA及其结构
• hnRNA（heteronuclear RNA ) • snRNA (small nuclear RNA)，snRNP • snoRNA (small nucleolar RNA) • tRNA、rRNA、 • mRNA（monocistron、polycistron）
• DNA的实际长度是染色质长度的1000-2000倍,表明DNA 是被压缩在组蛋白的包装之内。
第二节 DΒιβλιοθήκη BaiduA、核小体与染色体
第二节 DNA、核小体与染色体 染色质组装－－染色质的四级结构
DNA+ 组蛋白 核小体（11压nm缩）10倍
压缩6倍
螺线管（30nm）
一级 二级
压缩40倍
超螺线管（300nm）
DNA的双螺线结构并不是规整的，而是处在动态的变化之中， 它的构象参数是在一定的条件下随着核苷酸序列的不同而变化 的，DNA的多样性结构还会相互转变，DNA结构的多样性决定 生命的复杂性。
DNA通常也具有三级结构： 一级结构是指它的核苷酸序列； 二级结构是指核苷序列的双螺旋构型和构象； 三级结构是指双螺旋结构的折叠，以及空间的构象。
第一节 DNA的结构特征与分子形式
2 非常见DNA 的分子形式
1）三链DNA（H-DNA）：
含有（TC)n和（AG)n的同型嘧啶或者是同型嘌呤易形成镜 像重复序列，该序列在低pH的条件下能够形成分子内的三 链DNA，它是由双链DNA拆开后产生的多聚嘧啶链回折并 嵌入剩下的双链DNA 的大沟之中形成的。 在三链的DNA中，原来的两股链的走向是反向平行的，其 碱基通过Watson-Crick方式配对，位于大沟中的多聚嘧啶 链则与双链DNA中的多聚嘌呤链平行走向，碱基按照 Hoogsteen方式配对并且形成TAT，CGC三联体，这种配 对方式中的胞嘧啶残基必须先于H+结合进行质子化才能与 鸟嘌呤配对。
3） DNA的拓扑异构酶
• A DNA拓扑异构酶I • 催化单链DNA的断裂和连接，不需要ATP和NAD；消除负
超螺旋不会引起DNA结构的改变；磷酸二酯键能够与蛋白 －DNA中间体结合。是一个100KDa的单一多肽。
• B DNA拓扑异构酶II • 催化双链DNA的断裂和连接，形成负超螺旋，其亚基结构
• 单链环状DNA：沉降系数1. 14; • 单链线性DNA：沉降系数1. 30; • 环链DNA：由DNA旋转酶催化形成的, I形DNA环连而成.
第一节 DNA的结构特征与分子形式 1 常见DNA 的分子形式
第一节 DNA的结构特征与分子形式
2 非常见DNA 的分子形式
• DNA的非常见序列是以特定的DNA序列为基础，例如，交替 的嘧啶、嘌呤重复序列能够形成Z-DNA；反向重复序列能够 形成十字形结构或者单泡状结构；反向重复序列的的同型嘧 啶－嘌呤可以形成三链结构；转录过程可以形成R-DNA；线 粒体复制的时候形成D－环型DNA。
第一节 DNA的结构特征与分子形式
• 1） DNA的双螺旋结构
• 脱氧核糖以磷酸二酯键构成螺旋的骨架 • 两条主链方向平行 • 螺旋主链的外侧为核酸＋磷酸，内侧 • 为碱基AGCT按照Chargaff当量配对 • 螺距，大沟，小沟
第一节 DNA的结构特征与分子形式
2）三种类型的DNA
第一节 DNA的结构特征与分子形式
第一节 DNA的结构特征与分子形式 三链DNA（H-DNA）：
第一节 DNA的结构特征与分子形式 三链DNA（H-DNA）：
第一节 DNA的结构特征与分子形式
2） 四链DNA－端粒DNA的结构
• 端粒的生物学功能是保持染色体的稳定，子代DNA的复制 使得DNA的5’端逐步缩短。端粒DNA 主要有一段结构简单 和串联重复的序列构成，脊椎动物通常为AGGGTT，原生 生物通常为GGGGTT（TT），面包酵母G1-3T和G1-8A,特 点是富含G，长度可以达到几百或几千。
B) DNA单链切断以后，拓扑异构酶I连接与切口的5‘端，并贮存 水解磷酸二酯键的能量；
C) 促进两条单链的复性，解除复性时的链环数负值； D) 产生三叶结构分子和环链体分子。
第一节 DNA的结构特征与分子形式
4） DNA拓扑异构酶的作用机制
• 拓扑异构酶II具有引入负超螺旋、形成和拆开双链DNA的作用； • α亚基具有磷酸二酯酶的活性，β亚基具有ATP酶的活性；
• 端粒DNA 的 3‘末端12－16个碱基对能够形成回折结构，长 的富含G的序列能够形成G的四链DNA
三、DNA精细结构特点
• 1） X射线衍射证明 双螺旋的结构及其参数是不固定的， 而且在一定的范围内进行调整和改变，形成具有DNA 局 部构象的双螺旋：
• 2） DNA 的局部构象：包括，螺旋扭转，碱基平 面扭转，平面弯曲，平面滑动等形式
为A2B2，分别为105和95KDa，需要ATP。
• DNA旋转酶：引入负超螺旋 • DNA解旋酶：转变正负超螺旋
第一节 DNA的结构特征与分子形式
4） DNA拓扑异构酶的作用机制
生物体的DNA 通过拓扑异构酶I和II的相互作用，使得超螺旋达 到一个平衡稳定的状态。
A) 拓扑异构酶I作用的碱基序列特异性并不高，但是切点一定 在C的下游方向的4个碱基；
• 两个GA碱基对中， A采用顺式，而G采用反式。
第一节 DNA的结构特征与分子形式
• B. DNA的局部构象是DNA结合蛋白的结合标志，二者构成 了核酸－蛋白的交互作用。
• DNA的局部构象及其改变都为结合蛋白或者调节蛋白的作用 提供了可识别的结构条件，例如，大肠杆菌的调节蛋白CAP 对乳糖操纵子的启动子的结合，导致该区段的DNA产生更多 的折叠。
• 两个α亚基各自结合于切口的5’端，并贮藏水解磷酸二酯键 所获得的能量；
• β亚基的功能是水解ATP，是酶分子恢复原来的构象。
第一节 DNA的结构特征与分子形式
4） DNA拓扑异构酶的作用机制
第一节 DNA的结构特征与分子形式
二、 DNA 的分子形式
1 常见DNA 的分子形式
• I形DNA：具有正超螺旋或者负超螺旋的双链闭合环状分 子；沉降系数1.41;
3） DNA的精细结构
• A. 在B-DNA双螺旋的结构中，错配是被允许和包容的，其构 象参数处于一定的范围内，错配碱基形成的氢键其宽度不超 过理论上的配对宽度，例如，
•
CGCGAATTAGCG
•
GCGCTTAAGCGC
• 一个GA碱基对时， 采用两种配对方式：G采用顺式，而A一 个采用正式，另一个采用反式。
• 双螺旋的结构是通过碱基的 堆积及其氢键的相互作用而 形成稳定的结构
• 双环结构的嘌呤会因为增大 碱基的堆积作用而使得碱基 的功能基团之间发生挤压， 这种挤压随序列不同而变化。
3、DNA超螺旋的相关参数
1）链环数（linking number） 双螺旋DNA中两条链相互交叉的次数。或者说，是指