染色体结构

第二节 真核生物的染色体结构 Eukaryotic Chromosome Structure
细胞结构比较复杂，有细胞核结构； 有细胞器（线粒体、叶绿体），代谢分区明确；
典型真核细胞示意图
一、真核生物基因组的结构特点
基因组大大超过原核生物；
DNA与蛋白质紧密结合形成复杂结构---染色质；
应而被去除的RNA序列或基因中与这种RNA序列相 对于的DNA序列。
外显子（extron）
：原初转录物中通过RNA剪接反
应而保留于成熟RNA中的序列或基因中与成熟RNA
相对于的DNA序列。
RNA剪接（RNA splitting）：从断裂基因原初转录
物中精确的切去内含子，并将外显子连接成完整成熟 mRNA的过程。
DNA到染色体的压缩过程：
2nm DNA+组蛋白
→ 10nm核小体链
（200bp/核小体） → 30nm纤维（染色质
染色质是由核小体串联形成的微丝，再进一
步折叠、压缩而成的。
在细胞生活周期的大部分时间，都是染色质
形式。只有在细胞进行有丝分裂或减数分裂，
染色质高度浓缩时，才出现染色体；
人细胞含3.3×109bp，其理论长度为180cm，这么 长的DNA被包含在46个5.1μm长的染色体中，其压 缩比约为104。
Splitting gene
Pre-mRNA
Introns Removed Extrons junctions
注意： Splitting gene 概念的相对性
a) Intron 并非绝对“含而不露”
Intron II of cyt.b gene（ Yeast） coding a maturase
最大C值（C value）：
The total amount of DNA in the haploid genome 单倍体基因组总DNA 的含量。
最小c值（c value）：编
码基因信息的总DNA含量。
C值矛盾的表现 生物体进化程度高低与大C值无明显相关（非线性）； 亲缘关系相近的生物大C值相差较大。（豌豆为14，蚕豆为2）
Mirror imaห้องสมุดไป่ตู้e
IR Inverted repeats（反转重复）:由反
方向互补的两个DNA片段组成
ATCGCGAT TAGCGCTA Hairpin palindrome ATCGNNNNNCGAT TAGCNNNNNGCTA Stem-loop palindrome
When S.S. DNA contains two sequences that are complementary, and form a hairpin or stem-loop structure
将形成不同的基因产物
亚铁血红素结合蛋白质 Heme-binding protein 珠蛋白
豆血红蛋白
亚铁血红素结合功能域（选择性剪接时as extron）
通过改变读码框架，利用 intron 编码基因
3、重复序列
（1）种类
DNA复性动力学研究
单拷贝序列（single copy sequence）
疏水Aa多分布在C端；
修饰作用的不均一性：H3和H4较普遍；
H5
富含Lys（24%）、Ala（16%）、Ser
（13%）、Arg（11%）；
具有种属特异性；
与H1并无明显的血缘关系；
功能：其磷酸化可能对染色质失活过程起着
重要作用
2、非组蛋白
（1）特性：多样性、组织专一性、种属专一性；
（2）常见的非组蛋白
HMG蛋白（high mobility group protein）
能与DNA结合，也能与H1作用，但结合得不
牢固。可能与超螺旋结构有关。
DNA结合蛋白
约占非组蛋白的20%，分子量较低，与DNA 紧密结合。可能与DNA的复制或转录相关。
（二）DNA
1、C值矛盾（C-value paradox）
300,000 copies 广泛分布于非重复序列间
DR IR Alu site A copy of Alu family
AGCT
IR
DR
ALU序列重复：人类和哺乳动物中散布于整个基因组 中的含有AluI 限制性内切酶切点的中度重复序列。
高度重复序列（High repetitive sequence）
Histone gene family
Yeast 中多数基因
不是splitting gene
Splitting gene 存在的生物学意义：
A）有利于遗传的相对稳定
mutation frequency
in intron
（剪除）
>
in extron
（密码）
B）利用内含子进行调节
C）增加变异机率， 有利于生物的进化
拟核：对数生长期2~4个，其余阶段1个； DNA占80%，其余为RNA和蛋白（稳定类核）； 4.2×106bp 约3000~4000个基因
基因组由50~100个长度约50~100kb的相对独 立的结构域组成，结构域与膜蛋白复合体结合而
被固定；
具有调控单位，如Trp操纵子和His操纵子等；
近出现卫星区带。
重复序列
反转重复
镜像重复
直接重复
DR direct repeats（直接重复）:由同
一方向完全相同的两个序列组成。
ATCGATCGATCG AT C G N N N AT C G N N N N N N AT C G
TAGCTAGCTAGC Tandem direct repeats
高等真核生物具有比用于遗传多的C值。
2、断裂基因 （splitting gene）
编码多肽链的DNA序列中有许多与编码无关
的DNA序列----间隔基因、断裂基因 断裂基因的发现与证实：
①R—环：腺病毒外壳蛋白的基因组DNA与其cDNA杂交 可以形成R—环结构。？
②DNA酶切片段与cDNA探针杂交：鸡卵清蛋白的基因组 DNA用EcoRI或HindIII酶切，可分别获得４或３个酶切 片段，每个片段都可与卵清蛋白的cDNA杂交。而卵清 蛋白的cDNA却不能被EcoRI和HindIII酶切。？
不对称交换形成 splitting gene
是生物体产生变异导致进化的重要途径之一
splitting gene（含有intron ） 增加了基因的长度
增加了基因内的重组交换率
有利于变异和生物多样性形成
D）扩大生物体的遗传信息储量
对 intron 的选择性剪接（alternative splicing），
Histone gene family
H1 H4 H2B H3 H2A
基因簇（gene cluster）：基因家族中各成 员紧密排列成大断的串联重复单位，定位 于染色体上相对集中的区域。
真核生物的 Alu family
300bp 300bp 300bp
6000bp
6000bp
6000bp
6000bp
b) Extron 并非绝对“表里如一”
几乎全部蛋白质基因的首尾两个外显子都只有部份序列编码 氨基酸，也有完全不编码的情况，如人类尿激酶原基因 Extron I 不编码 氨基酸序列，在rRNA和tRNA 中的外显子 显然是不编码氨基酸的
c) 并非真核生物所有的结构基因均为splitting gene
A’
H G A B
因里面；
② 部分重叠（最常见）； ③ 两个基因只有1bp的重叠。
C
P J D E
K
φX174 mRNA内基因的部分重叠序列
5’GAAGGAGUGAUGUAAUGUCUAAAGGU3’ 5’GAAGGAGUGAUGUAA3’ Glu Gly Val Met Stop mRNA的一段
TA G C N N N TA G C N N N N N N TA G C Dispressed direct repeats
镜像重复序列(mirror repeat) ：由反方向完全
相同的两个序列组成。
ATCGGCTA TAGCCGAT Bilateral symmetry ATCGNNNNNGCTA TAGCNNNNNCGAT Bilateral symmetry
A、多为结构基因，< 5 copies； B、是复性最慢的组分， 40%－80%； C、大小：750~2000bp
中度重复序列（middle repetitive
sequence）
A、大小：0.1~1kb B、重复次数： 10－104 C、占总DNA的10%－40% D、串联基因簇（tandem gene cluster）如： rDNA、tDNA、Histone gene cluster 、 分散重复序列（dispersed repetative DNA） 如：Alu family
发现：1977年，Sanger在Nature上发表了φX174 DNA 的全部核苷酸序列，正式发现了重叠基因。 实验材料：φX174 是单链DNA病毒，寄主为E.coli。感染 寄主后将合成子代DNA分子及11个蛋白质（~6078个核苷 酸）。但病毒DNA本身只有5375个核苷酸。
结论：基因重叠
① 一个基因完全在另一个基
In D.S. DNA such structure consist of two copies of an identical sequence present in the inverted orientation
三、染色体chromosome与染色质chromatin
1、染色体与染色质
是真核基因组在细胞不同阶段的存在形式；
存在大量不编码蛋白质的序列；
存在很多重复序列；
蛋白质编码基因往往以单拷贝存在。
二、真核细胞染色体的组成
（一）蛋白质
1、组蛋白
（1）种类：H1、H2A、H2B、H3、H4 （2）特性：
极端保守性：特别是H3和H4； 无组织特异性； Aa分布的不对称性：碱性Aa集中分布在N端，
基因组很小，DNA含量低；
DNA不和蛋白质固定地结合，一般不具有
核小体结构；
结构简单，重复序列少；
存在转录单元----操纵子（启动子 + 操纵
基因 + 结构基因）；
存在重叠基因
操纵子（operon）：是原核生物调控基因表达
的功能单位，功能上相关的基因集中于基因组
的一个区段，一般包括启动子 、操纵基因 、 结构基因。 重叠基因（overlapping gene）：指同一段 DNA的编码序列，由于阅读框架的不同或终止 早晚的不同，同时编码两个以上基因的现象。
A、非编码基因，只在真核生物中发现，占基因组的
10%～60% ；
B、2~100bp，几千~几百万拷贝串联； C、一般出现在着丝粒附近的异染色质； D、不转录，可能与染色体的稳定性有关； E、卫星DNA（microsatellite DNA）：在CsCl密度 梯度离心中，某些高度重复序列由于碱基组成与染 色体DNA不同而带来的浮力密度的差异，在主带附
染色体结构
Chromosome structure
第一节 原核生物的染色体结
构 Prokaryotic Chromsome
Stucture
细胞结构简单：无核膜----拟核(nuleoid) 染色体外遗传因子：质粒(plasmid)
（鞭毛）
（拟核）
典型原核细胞示意图
一、原核生物基因组的结构特点
基因D mRNA的3’序列
5’AUGUCUAAA3’ 基因J mRNA的5’序列 Met Ser Lys 5’GAAGGAGUGA3’ Lys Gly Stop 基因E mRNA的3’序列
重叠基因的生物学意义
• 原核生物进化的经济原则；
• 丰富和发展了基因的概念。
二、大肠杆菌（E.coli）的染色体结构
rDNA gene family
T 18s T 5.8s T
45s 41s 20s 18s 32s 28s
28s NT 18s T 5.8s T
Sea urchin 450 copies
Drosophila 100 copies Tobacco 750 copies
5.8s
基因家族（gene family）：真核生物基因组中 来源相同，结构相似，功能相关的一组基因
对同一基因的基因组DNA和cDNA的限制性内切酶 图谱进行分析，可以确定该基因是否为断裂基因？ 若基因组DNA的酶切图谱与cDNA相同，说明酶切位 点一致，两种DNA是相同的。若基因组DNA的长度大 于cDNA片段的长度，很可能具有内含子，是断裂基 因。
内含子（intron）：原初转录物中通过RNA剪接反