3.染色体、染色质和核小体

两种因素导致真核细胞种基因密度降低：基因长度 增加和基因间隔区序列增加 基因长度增加有2种原因：调控序列的长度显著；真 核生物中基因是不连续的（基因内有非编码的区段 称为内含子）。 基因间隔区是基因组上蛋白质和RNA无关的DNA.基 因间隔区可分为两类：唯一的（无功能的突变基 因、基因片断和假基因）和重复的。
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在细胞中DNA与蛋白质结合以螺旋管形态存 在。这种形式对DNA的压缩作用更大。
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Half of the molecular mass of a eukaryotic chromosome is protein. • In eukaryotic cells, a given region of DNA with its associated proteins is called chromatin染色质 and the majority of the associated proteins are small, basic proteins called histones组蛋白. • Other proteins, not as abundant as histones, frequently referred to as the non-histone proteins非组蛋白, are associated with the chromosome. These proteins include the numerous DNA-binding proteins that regulate the transcription, replication, repair, and recombination of cellular DNA.
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组蛋白的一般特性
a 进化上的极端保守性。牛、猪、大鼠的H4 氨基酸序列完全相同。牛的H4序列与豌豆序 列相比只有两个氨基酸的差异。H3的保守性 也很大，鲤鱼与小牛胸腺的H3只差一个氨基 酸，小牛胸腺与豌豆H3只差4个氨基酸。 这种生物进化上的高度保守性预示着其功能的 重要性。
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• Consistent with their close association with the negatively –charged DNA molecule, the histones have a high content of positively-charged amino acids • The core histones are also relatively small proteins ranging in size from 11 to 15 kilo doltons (kd), whereas histone H1 is about 20 kd.
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Micrococcal nuclease微球菌核酸酶 experiment Cleave protein-free DNA rapidly
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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200bp降至 146bp，至此很难再进 一步降解。这种稳定 结构为核心颗粒，它 是由147bp的DNA片 段和H2A、H2B、H3 和H4各2分子组成。
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3.3 核小体(nucleosome)
3.3.1 核小体是染色体的基本结构单位核小体 真核细胞的DNA大多数被组装进核小体。
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核小体是由直径2nm的DNA双螺旋链绕 组蛋白形成直径11nm的核小体“串珠”结 构
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核小体的组成和结构
• 核小体由核心颗粒(core particle)和连接区 DNA(linker DNA)组成。 • 核心颗粒是DNA缠绕在组蛋白八聚体上组成的. （ Histone H1 is not part of the nucleosome core particle ） • The DNA most tightly associated with the histone octamer, called the core DNA。核心DNA, is wound approximately 1.8 times around the outside of the histone octamer like thread around a spool。 • 核小体之间的linker DNA称连接DNA。
3
Chromosomes, Chromatin, and the Nucleosome 自然界DNA存在的形式(包括一些 基本概念) 染色体序列的多样性 核小体的组成 核小体组装成染色质和染色体
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3.1 自然界DNA存在的形式
• Within the cell, DNA is associated with proteins and each DNA and its associated protein is called a chromosome. This organization holds true for prokaryotic and eukaryotic cells and even for viruses.
b 无组织特异性。到目前为止，仅发现鸟类、 鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有 H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。 c 肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基酸 集中分布在N-端的半条链上。例如，N-端的 半条链上净电荷为+16，C端只有+3，大部分 疏水基团都分布在C-端。
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• Most compaction in all eukaryotic cells) is the result of the regular association of DNA with histones to form structures它与called nucleosomes核小体 (组蛋白是染色体的结 构蛋白， DNA与组蛋白组成核小体)。 • The formation of nucleosomes is the first step in a process that allows the DNA to be folded into much more compact structures
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核小体再绕成一个中空的螺旋管成为染色 质丝，染色质丝再与许多非组蛋白结合 成有组织的高度压缩的染色体结构。
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染色体结构的矛盾及协调
• DNA 与组蛋白及其他包装蛋白的结合降低了其 可亲近能力. • 这种可接近能力的降低会影响介导DNA复制、修 复、转录和重组的蛋白与 DNA间的相互作用. • 解决压缩DNA 和接近DNA的矛盾就是如何调控 染色质的结构。. • 已知道，单个核小体的结构变化可允许染色体该 区域的DNA与其它蛋白相互作用。 allow specific regions of the chromosomal DNA to interact with other proteins.核小体的结构变化可优修饰 和重建核小体的酶所介导。 因此，了解核小体的结构及其变化调控是解释真核 细胞DNA复制、重组、转录等过程的关键。
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重复DNA一般有两种 • 微卫星DNA:有非常短的串联重复序列构成. 常见的是二 核苷酸重复序列，占人基因组的 3%序列。 • 基因组范围的重复序列：每个重复单元的长 度大于100bp,单拷贝分散在基因组中或相连 成簇存在；这些重复有多种，都为转座元件 （能从基因组的一个位置转移到另一个位置 的序列），占人基因组的45%序列。
The E.coli chromosome
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不同的生物中，基因组的大小在有相当大的 变化；生物的复杂性越高，基因组就越大 （原核细胞不足10-200Mb，真核细胞＞ 106Mb）； 生物体的复杂性与基因的密度（基因的平均 数/1Mb ）呈负相关。
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• 基因仅占真核基因染色体一小部分
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• 每个细胞都有特定的染色体数目 原核细胞仅有1个完整的染色体拷贝，此 外，还有独立的环状质粒DNA。 多数真核细胞是二倍体，即每条染色体都 有2个拷贝，但某些细胞是单倍体或多倍 体。
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• E.coli的基因组几乎全部由基因构成 E.coli的单条染色体上大多数DNA都编码蛋白 质或RNA，非编码序列都参与调控基因转 录。
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组蛋白 (Histones )
(Small, Positive-Charged proteins)
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组蛋白组成
• 迄今,绝大多数组蛋白都于真核细胞的DNA结合.真 核细胞中有5类丰富的组蛋白 : H1, H2A, H2B, H3, and H4. • Histones H2A, H2B, H3, and H4 are the core H3 histones and form the protein core around which nucleosomal DNA is wrapped. • Histone H1 is not part of the nucleosome core particle. Instead, it binds to the linker DNA and is referred to as a linker histone.
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Packaging of the DNA into chromosomes serves several important functions
• First, the chromosome is a compact form of the DNA that readily fits inside the cell. • Second, packaging the DNA into chromosomes serves to protect the DNA from damage. Completely naked DNA molecules are relatively unstable in cells. In contrast,Baidu Nhomakorabeachromosomal DNA is extremely stable, allowing the information encoded by the DNA to be reliably passed on. • Third, only DNA packaged into a chromosome can be transmitted efficiently to both daughter cells each time when a cell divides. • Finally, the chromosome confers an overall organization to each molecule of DNA. This is helpful for genes recombination and expression,resulting variation.
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原核细胞和真核细胞的基因组DNA都是高 度压缩的。 原核生物是如何压缩的？ 了解真核细胞的染色体和染色质、核小 体。
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3.2
染色体序列的多样性
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• 原核生物的基因组都较小，DNA与少量蛋白 结合构成染色体（染色质中无组蛋白） • 原核细胞有一条环状的染色体（现已发现 了大量的原核细胞含多条染色体，或线性 染色体，或二者皆有）；质粒（plasmid） plasmid DNA • 真核细胞含有多条线性染色体。