真核细胞基因组结构与功能

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非组蛋白功能
1. 参与并调控基因表达
参与基因复制、转录及核酸修饰的酶类（如各种 DNA 和 RNA聚合酶等） 参与转录调控的蛋白质
2. 维持染色体的高级结构
非组蛋白中的核基质蛋白对于维持染色体的高级结构 是必不可少的
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从DNA到染色体的四级结构模型
一级结构：核小体串珠结构 二级结构：螺线管
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核小体串珠状模型
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染色体的包装 ——超螺旋结构

螺线管纤维（solenoidal fiber） ——染色体DNA二级包装 由6个核小体盘绕形成一种中空螺线管，其外 径为30 nm，因此，螺线管的形成使DNA一级 包装又压缩小6倍 若以充分伸展的DNA双螺旋论，每个螺线管包 含了408 nm（6×68 nm）长度的DNA链，而 每圈螺线管的长度几乎等于核小体直径，即 11nm，故染色体的二级包装相当于将DNA长 32 度压缩了近40倍
氨基酸 残基数
215 129
分子量 23,000 13,960
H1
H 2A
H 2B
H3 H4
16 10
11
6 13
14
13 13
10
1.7 1.8
2.5
125 135
102
13,774 15,342
11,282
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富 Arg
组蛋白

组蛋白的等电点（pI）在7.5-10.5之间，所含的强极性 氨基酸使组蛋白带上大量电荷，成为组蛋白与DNA结合 及蛋白质之间的相互作用的主要化学力之一
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染色体的包装——超螺旋结构

三级包装后，DNA链被压缩的程度仍远远不足 以形成能被细胞核容纳的染色体，因此，环状 螺线管纤维需进一步包装
经各级包装后染色体DNA总共被压缩了数千倍 （8100多倍）

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真核生物基因组特点
1.基因组远远大于原核生物的基因组，具有许多复制起始点， 而每个复制子的长度较小 2.真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于 细胞核内， 除配子细胞外， 体细胞内的基因的基因组是 双份的（即双倍体,diploid），即有两份同源的基因组 3.真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转 录生成一个mRNA分子，再翻译生成一条多肽链 4.大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的（断裂基 因，split gene） 5.基因组中不编码的区域多于编码的区域，存在大量重复序 列，重复次数可达百万次以上 37

核小体：染色体DNA的一级包装 由直径2nm的DNA双螺旋链绕组蛋白形成直 径11nm 的核小体 “串珠” 结构，若以每碱 基对沿螺旋中轴上升距离为 0.34 nm计， 200bp DNA（一个核小体的DNA片段）的 伸展长度为 68 nm，形成核小体后仅为11 nm（核小体直径），其长度压缩了6-7倍
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基因连锁和交换规律

Morgan：发现了伴性基因，总结出了遗传学上著名的 基因连锁（linkage）和交换（crossing-over）规律 通过测定连锁的回交试验，证实了基因在染色体上呈 线性排列的事实 产生了遗传学上最早的基因定位线性遗传图


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染色体的主要化学成分
DNA 蛋白质 RNA

二者均成对存在，且其中的每个成员分别来自父、母 亲代 产生配子时，配子只含“遗传因子”（等位基因）中 的一个或染色体对中的一条 非等位基因及非同源染色体均可自由组合到配子中 在上述基础上，Sutton和Boveri（1902-1903）提出 了染色体遗传学 认为：染色体是“遗传因子”的携带者



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核小体的研究（二）

用小球菌核酸酶处理提取的染色质，可得到单个 的核小体颗粒 对染色质进行酶解处理，通过凝胶电泳鉴定，发现：产 物是一系列不同长度的DNA片段，且这些片段之间有一 个200 bp左右的“阶差” 对核小体多聚体的研究，获得的结果是：相邻多聚体之 间的DNA“阶差”等于核小体单体中的DNA长度（200 bp 左右），且多聚体分子量总是单体分子量的整倍数 以密度梯度离心法制备核小体单体，对其中的蛋白质进 行化学分析得知，每一个单体中含有H2A、H2B、H3和H 254 各二分子（它们构成一个八聚体），H1一分子
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中度重复顺序
中度重复序列：在基因组中重复数十至数
万（<105）次的重复顺序中度重复顺序。

在基因组中所占比例在不同种属之间差异很大， 一般约占10-40％，在人约为12％ 大多不编码蛋白质。其功能可能类似于高度重复 顺序。但有些中度重复顺序则是编码蛋白质或 rRNA的结构基因，如HLA基因，rRNA基因， tRNA基因，组蛋白基因，免疫球蛋白基因 41

是非组蛋白中一群较丰富而不均一的蛋白，富含Asp、 Glu等酸性氨基酸，为酸性蛋白质 分子量一般≤3.0×104,在聚丙烯酰胺凝胶电泳中迁移 率很高


在高等真核生物中，HMG可以分为3大类，即HMG1/2、HMG-I(Y)和HMG-14/17
已经明确其中的一些蛋白质（如HMG14/17）在转录 活性区含量丰富，可以认为是参与转录调控的蛋白质
大肠杆菌约 每 30 分 钟 分 裂 一次，其中大 约 29 分 钟 花 在 复 制 DNA 果蝇的胚胎 细 胞 周 期 只 有8 分钟 大部分成长 中的动植物细 胞 要 花 10 - 20 个小时才分裂 完毕
6
染色体是遗传的物质基础
体细胞增殖
有丝分裂（mitosis）方式
染色体对自身复制 姐妹染色体（sister chromatid） 姐妹染色体一分为二进入子细胞
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中度重复顺序——Alu家族

是哺乳动物基因组中含量最丰富的一种中度重复顺序 家族，平均每5kb就有这样的结构 每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点 （AG↓CT）

中度重复序列 middle repeated sequence
Alu家族 KpnⅠ家族 Hinf家族 rRNA基因 多聚dＴ－dＧ家族 组蛋白基因
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中度重复顺序
短分散片段（short
interspersed repeated segments, SINES）
• 重复顺序的平均长度：约为300bp • 在基因组中排列方式：与平均长度约为1000 bp 的单拷贝顺序间隔排列 • 拷贝数：10万左右 – Alu家族 – Hinf家族，等

组蛋白对染色体中DNA的包装有十分重要的作用
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非组蛋白 (non-histone protein，NHP)
染色体中组蛋白以外的其它蛋白质 是一大类种类繁杂的各种蛋白质的总称 估计总数在
300-600 之间
分子量范围为7-80kD 等电点为3.9-9.2
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高迁移率蛋白群 (high mobility group, HMG)


核小体的组成
八聚体
核心颗粒
(组蛋白H2A、H2B、H3、H4各2分子)
140bp DNA，缠绕1.75圈
连接区
60bp左右DNA片段+H1组蛋白
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染色体的形成——超螺旋结构
染色体的形成实际上是细胞核DNA在核
小体的基础上经多层次的进一步结构变 化, 形成更高层次的超螺旋结构
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染色体的包装——超螺旋结构
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细胞分裂
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染色体是遗传的物质基础
生殖细胞增殖

减数分裂（meiosis）方式 同源染色体分别进入新的子代细胞而产生生殖细胞─配 子（精子或卵子），配子只含有体细胞一半的染色体数 配子结合成合子后又恢复到体细胞的染色体数，一个来 自父本，一个来自母本


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减数分裂
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染色体与“遗传因子”极其相 似

根据所含碱性氨基酸的相对比例划分为三种类型：富精 氨酸组蛋白（H3和H4），稍富赖氨酸组蛋白（H2A和H2B） 及极富赖氨酸组蛋白（H1）
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组蛋白

五种组蛋白的氨基酸全顺序均已确定。 H3 和 H4 的 序列在各种属之间极少有差异，这种生物进化上的高 度保守性预示着其功能的重要性。其它三种组蛋白在 不同种属之间存在着较大的差异



核小体结构
核酸酶酶解实验结果：
核小体由核心颗粒（core particle）和连接 区DNA（linker DNA）二部分组成

核小体单体被小球菌核酸酶处理后，随着时间延长， 其降解产物（DNA片段）会逐渐缩短，从 200 bp降 至 146 bp至此变为很难进一步降解的稳定状态
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核小体结构


染色体的包装——超螺旋结构
环状螺线管：染色体DNA的三级的包装 电镜显示，由螺线管纤维缠绕在一个由某
些非组蛋白构成的中心轴（central axis） 骨架上形成的。这显然使螺线管纤维得到 了较大程度的压缩
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Chromosome
solenoidal loops
Central axis
真核细胞基因组 结构与功能
染色体的结构
染色体研究的历史背景 染色体的化学组成 核小体的结构
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染色体研究的历史背景：

1865年，Mendel（奥地利）历时八年，完成 了植株（豌豆）杂交试验，在此基础上总结出 二个著名遗传学定律： 分离定律 独立分配定律 “遗传因子”（genetic factor）是 Mendel 定律的基本思路，每一植株的各种相对性状都 来源两个相同的“遗传因子”，它们有显性和 隐性之分， “遗传因子”含义是指决定遗传 性状的基本遗传单位
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组蛋白（histones） ——染色体中的碱性蛋白质