分子生物学第三章

Histones are Low MW Chromosomal Proteins
200,000 116,000 97,000 66,000 55,000
MW Chromosomal Proteins
36,000
31,000
21,000
14,000
H2B/H3 H2A H4
7
The Nucleosome

端粒DNA的平均长度因物种而异.在人大约15 kb,在人体中,随着细胞的持续分裂,端粒会缓慢 缩短. 端粒结合蛋白 目前对端粒结合蛋白还了解甚少.在酵母中,端 粒的主要结合蛋白是Rap1p,在体外以很高的亲 和性与端粒上的许多识别位点相结合,Rap1p与 端粒长度的调节有关,Rap1p能够阻止端粒酶接 近端粒从而负调节端粒的长度.相反,Rap1p可以 在端粒周围通过聚集端粒酶或提高端粒酶活性 而延长端粒. 因此末端限制性结合蛋白可能是 端粒染色质的一个普通特性.
30nm螺 旋管
染色体包装的支架环（scafold loop）模型
Laemmli等发现每个染色单体均由染色质纤维 所构成的环所组成。每个环大约含有75 kb的 DNA，环附着在中央酸性非组蛋白组成的支 架上。支架环进一步包装形成染色单体。 特殊类型的染色体—灯刷染色体和多线染色 体中也可以看到上述的支架环结构。大肠杆 菌的环结构域与支架环相似。
２. 真核生物的染色质与染色体

染色质： 真核细胞间期细胞核内伸展开的DNA蛋白质纤维。 分为常染色质和异染色质。 染色体： 真核细胞有丝分裂期高度螺旋化的DNA蛋白质纤 维，是间期染色质进一步紧密盘绕折叠的结果。 染色质和染色体是真核细胞内遗传物质DNA分子 的存在形式；这种结构形式对遗传信息的稳定、 传递和表达都有极为重要的影响。
染色体功能实现的三要素
着丝粒在染色体有丝分裂和减数分裂过 程中发挥重要的作用。 端粒封闭了染色体的末端并且维持了染 色体的稳定性。 复制起点是DNA复制起始和染色体数目 的维持所必需的。

酵母人工染 色体（YAC） 的构建
染色体的核型、组型和显带 核型（karyotype）： 一个体细胞全部中期染色体的图像；根据染色体 的结构特征，可以把染色体分为若干组。 组型： 核型的模式图。 显带： 用不同的染料处理染色体显示的带型，每一个染 色体都有特定的带型。

端粒的功能
保持染色体的稳定 使线形DNA顺利复制 影响染色体的行为 可能控制细胞的寿命 和核骨架的组成有关

《科学》重ห้องสมุดไป่ตู้发现：端粒可作为 RNA合成模板

端粒是染色体末端的ＤＮＡ重复片断， 经常被比做鞋带两端防止磨损的塑料套。 研究人员一直认为，这些小颗粒中并不 含有基因，它们只是具有保护染色体免 受伤害的功能。但是，瑞士研究人员最 新的一项研究则发现，端粒的作用不仅 如此，它还能作为合成RNA的模板。这 项研究的论文发表在2007年10月4日的 《科学》杂志网络版上。
大肠杆菌的类核结构

大肠杆菌染色体是由4.2106碱基对组成的双 链环状DNA分子，在DNA结合蛋白质的作用 下压缩成一个手脚架形（scaffold）结构。 大肠杆菌染色体形成100个左右的小区 （domain），小区内都是负超螺旋。用微量 的DNAaseⅠ处理时，只能使一小部分的DNA 由超螺旋状态变成松弛状态。

染色质结构的基本单位—核小体

Olins 夫 妇 （ 1974 ） 和 Pierre Chambon 等 （ 1975 ）在电镜下观察到染色质的“绳珠” 状结构，小球的直径为100埃。
X衍射图表明组蛋白的多聚体是紧密相联， 并无可容纳像DNA分子那样大小的孔洞，

1974年Kornberg和Thomas 先用小球菌核酸酶 稍稍消化一下染色质，切断一部分200核苷酸 对单位之间的 DNA，使其中含有单体、二聚 体、三聚体和四聚体等。然后经离心将它们 分开。每一组再通过凝胶电泳证明其分子大 小及纯度。然后分别用电镜来观察各组的材 料；结果单体均为一个100埃的小体，二聚体 则是两个相联的小体，同样三聚体和四聚体 分别由三个小体和四个小体组成， 1984年Klug和Butler进行了修正核小体模型。

λ 噬菌体染色体
λ噬菌体的双链DNA有两种形式，一种是带有 切刻的环状分子，切刻部分通过粘性末端的互 补碱基之间的氢键而连接。另一种形式是两个 粘性末端相互分离，形成线性分子。 λ噬菌体共有48,502碱基对，包装在由蛋白质组 成的头部外壳之中。


λ噬菌体在大肠杆菌体内可以呈环形 分子游离存在于细胞质中，也可以 通过整合酶的作用而整合到寄主染 色体上成为原噬菌体状态，并与寄 主染色体一起复制。这种现象称为 溶原化。

核小体的 梯度离心 和电泳
核小体的结构

由核心颗粒和连接区构成； 核心颗粒包括由8个组蛋白分子（H2A，H2B，H3， H4各两个）构成的组蛋白核心和包绕在核心表面 的DNA分子； 包绕在组蛋白核心表面的DNA长140bp，环绕1 ¾ 圈； 连接区由DNA分子和H1组蛋白分子构成，长度不 定；
26

更高层次的DNA折叠包装组织情况尚不清楚。 但是有证据表明，染色体DNA的某一些部分 和“核骨架”(nuclear scaffold)相连。这些与 核骨架相联系的部分，把染色体DNA隔成许 多含20 000～10 0000bp长的DNA环，每个 “环” (loops)有相对的独立性。当一个环被 打断或被核酸酶所松弛时，其他环仍可保持 超螺旋状态。每个环中含有一些相关的基因。
人类染色体的C带
基因的概念

基因概念大致分以下几个阶段： 泛基因（或者称前基因）阶段，孟德尔的遗传因 子阶段，摩尔根的基因阶段，顺反子阶段，操纵 子阶段和现代基因阶段。 摩尔根的基因阶段 基因位于染色体上，每一个基因控制一个性状。 基因是一个遗传/交换/突变的单位。


顺反子阶段 1955年，Benzer提出顺反子学说，认为基因是一 个不可分割的功能单位，一个顺反子包含了许多 突变子和重组子，是具有特定功能的一段核苷酸 序列,作为功能单位的基因应该是顺反子。
第三章 染色体和基因
染色体概述 原核生物和真核生物的染色体 原核生物和真核生物的基因

一 遗传的染色体学说
• 1879年发现有丝分裂。 • 1883年发现减数分裂。 • 1888年命名染色体。 • 细胞分裂的重要过程是母细胞核的颗粒（指染 色体）的分裂，所有其余阶段，则是用以保证母 颗粒分裂产生的每一个颗粒，转移到两个子细胞 的中心。 • 1902年Boveri，Sutton提出遗传的染色体学说。

法国原子能委员会的分子生物学家Laure Sabatier说，这是一项重大的突破，从来没 有人会想过，端粒能够作为合成RNA的 DNA模板。Lingner表示，目前尚不清楚该 发现是否能够为癌症治疗提供新途径，端 粒附近RNA的作用也还不清楚。他们的实 验还显示，当端粒附近RNA水平升高，端 粒的丢失速度会加快。但这二者之间是否 直接相关还有待研究。
摩尔根：基因的染色体理论（连锁和交换）

染色体的单线性： 每一条染色单体仅含有一条连续的DNA 双螺旋链，称为染色体的单线性 （mononeme）。
二 １. 原核生物的染色体
原核生物的遗传物质以裸露的核酸分子 存在，虽与少量蛋白质结合，但不形成 染色体结构。 原核生物一般只有一个染色体，即一个 核酸分子（DNA或RNA）。大多数为双 螺旋结构，少数以单链形式存在。这些 核酸分子大多数为闭合环状，少数为线 状。
染色质的化学组成： DNA分子，占27%； RNA分子，占6% ； 组蛋白（碱性）和非组蛋白（多为酸性蛋白）， 共占66%。
组蛋白
小牛胸腺DNA的组蛋白的特点：
组蛋白 类型 H1 碱性氨基酸 Lys 29% Arg 1% 氨基酸 数 215 分子量 （Da） 23,000
H2A
H2B H3


大肠杆菌没有明显的核结构，但其DNA有一 个相对集中的区域，在这一个小区域中形成 类核（nucleoid）。 类核的DNA成分占80％，其余为RNA和蛋白 质。用RNA酶或蛋白酶处理类核，可使之由 致密变得松散。表明RNA和某些蛋白质分子 起到稳定类核的作用。

核中央由支架蛋 白和RNA组成，环 状双链DNA绕在支 架蛋白的外围， 只有一个复制起 点，DNA与细胞膜 粘在一起，DNA上 有结合蛋白。

染色体中的关键结构： 染色单体 每一个染色体由两条染色单体组成，同一个染色 体中的两个染色单体是由一条DNA分子链复制后形 成的两条子代DNA链所构成，每一条染色单体中有 一条DNA分子； 着丝粒（主缢痕）： 由特殊的重复DNA序列和蛋白质结构构成，是细胞 有丝分裂时的重要结构；着丝粒把染色体分为长 臂和短臂；着丝粒区域的功能是使复制的染色体 在有丝分裂和减数分裂中可平衡分配到子细胞中。

端粒： 由特殊的重复DNA序列和相应的蛋白质构成， 起着稳定染色质和染色体结构的作用。
常染色质和异染色质： 用碱性染料处理中期染色体，染色体上部分 区域着色较深，称为异染色质，高度凝缩且没 有转录能力。

端粒共同特点：
每一个端粒都含有一系列短的正向重复顺序。 Cn(A/T)m ，其中n>1，而m=1~4。 在端粒区域中有一种特殊的不连续排列，产生单 链断裂的形式，这种结构并不能被连接酶将缺口 （nick）封闭起来。 提纯的天然的端粒区可直接用E.coli DNA多聚酶I 进行缺口平移(nick translation) 。在端粒区的最末 端可能带有 3’-OH 的单链末端，回折成了发夹 (hairpin)结构。

端粒 (telomere) 端粒是真核细胞内染色体末端的蛋白质-DNA结 构,其功能是完成染色体末端的复制,防止染色体 免遭融合,重组和降解.从单细胞的有机体到高等 的动植物,端粒的结构和功能都很保守. 端粒DNA 大多数有机体的端粒DNA由非常短而且数目精确 的串联重复DNA排列而成,富含鸟嘌呤.个别种类 的端粒DNA重复单元很长.端粒的DNA序列多种 多样,其功能不需要独特的序列来维持.尽管在许 多物种中端粒DNA有相当大的变化,但仍可在进 化关系非常远的生物中发现相同的端粒序列,
H3 H4 H2A H2B
146 bp DNA 2X H3, H4, H2A, H2B
核小体 的结构
Helix III Major groove binding
Globular domain of Histone H5 “winged helix-turnhelix domain”
Loop (Secondary DNA binding site)
11%
16% 10%
9%
6% 13%
129
125 135
13,960
13,775 15,340
H4
11%
14%
102
11,280
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、磷酸化等
染色质和染色体的多级结构
• 由连接区将许多核心颗粒相连接构成了染色体 的一级结构； • 每六个核小体盘绕成直径30nm的螺线管，成为 染色体的二级结构（又称微纤丝）； • 微纤丝经与非组蛋白结合（碱基与核基质中的 骨架蛋白结合），把染色体DNA隔成许多含20 000～10 0000bp长的DNA环，形成大环状结构， 每个“环” (loops)有相对的独立性。 • 此结构再盘曲成染色单体,其长度压缩近30万倍。
A cistron is a unit of genetic function defined by a complementation test. The bacterial gene is the same as a cistron--a unit of genetic function which corresponds to an open reading frame .