第五章真核生物基因组结构

染 色 质 小 体
(～ 166bp)
146bp
DNA 166bp
H1
20bp
DNA连 接 区
(常 为32～ 34bp)
核 心 颗 粒
图10-10 核 小 体 的 组 成
二、染色质的高级结构模型
DNA链（缩短7倍）→核小体（缩短6倍）→螺 线管（缩短40倍）→超级螺线管（缩短5倍） →染色体
从染色质到染色体
真核 生物
原核 生物
存在 组成 方式
细胞核 DNA
类核 DNA和
RNA
序列 特点
重复序 列多， 单一序 列少。 重复序 列少， 单一序 列多。
基因 遗传物 特点 质的组
成
基因家 核染色 族、假 体和细 基因 胞器基
因组
重叠基 主染色 因、操 体和质 纵子 粒
第一节真核基因组的组成
一、真核基因组结构特点
三、染色质的分类
常染色质(euchromatin)
（间期纤丝的包装密度度比分裂期染色体的要小很多）
异染色质(heterochromatin)
（间期纤丝染色质区的包装密度十分致密，可与有丝分 裂期染色体相比）
组成型异染色质 (constitutive heterochromatin) 兼性异染色质 (facultative heterochromatin)
真核生物基因组的包装
DNA 核小体 染色质 染色体
一、染色质的结构单位
染色体
基本组成单位：核小体（基本结构单位） 基本形态：条状、纺锤状、哑铃状等 主要结构：染色体臂、着丝粒、染色粒端粒 等 基本功能：携带遗传信息，控制遗传性状
真核生物染色体的组成
{ } 染色体
DNA
核小体
蛋白质 组蛋白： H1 H2A H2B H3H4
核小体的结构组成
每个核小体含有约200bp的DNA，核心 组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2份拷贝， 1份拷贝的H1组蛋白位于核小体外侧。
微球菌核酸酶(micrococcal nuclease) 处理染色体可得到单个核小体。
核 小 体 (～ 200bp)
八 聚 体
H32-H42
2× H2A-H2B
染色体的四级结构
螺线管
二级结构 超螺线管
串珠模型
三级结构
一级结构
染色体
四级结构
DNA 真核生物染色体DNA组 （2nm） 装不同层次的结构
核小体链（ 10nm，每个核小体200bp）
纤丝（ 30nm，每圈6个核小体）
突环（ 150nm，每个突环大约75000bp）
玫瑰花结（ 300nm ，6个突环） 螺旋圈（ 700nm，每圈30个玫瑰花结） 染色体（ 1400nm，2个染色单体， 每个染 色体单体含10个螺旋圈）
组成型异染色质的普遍特征
它是持久压缩的；
它常由不被转录的少数DNA序列的多份重复拷 贝组成；
与常染色质相比，这些区域的基因密度非常低， 易位进入或靠近该区的基因通常是失活的；
也许由于它的压缩状态造成了在S期的晚期才被 复制，并且具有相对较低的遗传重组频率。
四、核骨架与核骨架结合元件
核骨架 核骨架结合元件
① 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译 出一条多肽链，很少存在原核生物中常见的多 基因操纵子形式。
② 真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白相结 合，只有一小部分DNA是裸露的。
③ 高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部 分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。
④ 真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进 行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因 的拷贝数。
染色质和染色体的概念
染色质(chromatin)：是指细胞周期间期细胞核内由 DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合结构， 因其易被碱性染料染色而得名。
染色体(chromosome)：是指在细胞分裂期出现的 一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特 征的物体。 携带很多基因的分离单位。只有在细胞分 裂中才可见的形态单位。
基因家族
经过重复和变异所产生的一组基因。 如血红蛋白基因家族。
基因簇（gene cluster）：基因家族的各成员 紧密成簇排列成大段的串联重复单位，在同一 条染色体的特定区域，相对集中。基因簇内各 序列间的同源性大于基因簇间的序列同源性；
如组蛋白基因家族就成簇地集中在第7号染 色体长臂3区2带到3区6带区域内；
高度重复序列
卫星DNA (satellite DNA) ：有些高度重复DNA 序列的碱基组成和浮力密度同主体DNA有区别， 在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体DNA 的卫星带，称之为卫星DNA 。
卫星DNA：由长串联重复序列组成，一般对应于 染色体上的异染区域。
卫星DNA 小卫星DNA：由中等大小的串联重复序列组成， 位于靠近染色体末端的区域。
微卫星DNA：由更简单的重复单位组成的小序 列，分散于基因组中。
利用复性动力学鉴定基因组序列
零时复性序列 快速复性序列 中速复性序列 慢速复性序列
细胞器基因组
线粒体 叶绿体
第二节 断裂基因
在真核生物基因组中，一个基因的编 码序列在DNA分子上是不连续的，被
非编码序列所隔开，称为断裂基 因或不连续基因。
wk.baidu.com
⑤ 在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它 们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些 调节区一般通过改变整个所控制基因5’上游区DNA构 型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。
在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于启 动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接 促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。
轻度重复序列（light repetitive）：在一个基因组中有 2～10个拷贝，如组蛋白基因和酵母tRNA基因；
中度重复序列（moderately repetitive ）：有10至几 百个拷贝，一般是不编码的序列，可能参与基因调控；
高度重复序列（highly repetitive）：有几百个到几百 万个拷贝，如rRNA基因和某些tRNA基因。
外显子：具有编码意义
结
转录单位 内含子：无编码意义（ 5′GT、
构
3′AG；GT -AG法则）
TATA框
基
前导区 启动子 CAAT框
因
非编码区
尾部区 增强子
调控 区
GC框：调节转录活动。 mRNA裂解信号
终止子
回文结构
Interrupted gene
外显子(Exon) ：真核细胞基因DNA中的编码 序 列，这些序列被转录成RNA并进而翻译为
• 真核基因组结构庞大 3×109bp、染色质、核膜 • 单顺反子 • 基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、
内含子(intron)、 外显子(exon) • 非编码区较多 多于编码序列(9:1) • 含有大量重复序列
二、真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及 DNA的空间结构方面存在以下几个方面的差异
（二）重复顺序 (repetitive )：基因组中有多个拷贝，重 复程度不同，真核生物的一些基因中，常含有大量的 重复序列。
原核基因多数是单一顺序（unique-sequences），仅有少量 的重复顺序。
真核基因组含少量单一顺序和大量重复顺序
短片段的重复序列按重复方式不同可分为三 种类型：
高度重复序列
卫星DNA (satellite DNA) ：有些高度重复DNA 序列的碱基组成和浮力密度同主体DNA有区别， 在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主体DNA 的卫星带，称之为卫星DNA 。
卫星DNA：由长串联重复序列组成，一般对应于 染色体上的异染区域。
卫星DNA 小卫星DNA：由中等大小的串联重复序列组成， 位于靠近染色体末端的区域。
微卫星DNA：由更简单的重复单位组成的小序 列，分散于基因组中。
第四节 真核基因组的包装
包装比(packing ratio):
用以描述DNA的浓缩程度，即DNA的原始长 度除以包装后的长度。 如人类最小的染色体（Y）：DNA拉直约为1.4 cm ，在有丝分裂最致密状态下，这条染色体 长度约为2μm，因此包装比可以大到7000。
基因组是指遗传物质的总量，可以用C值表 示。
C值（C value）：一个单倍体基因组的全 部DNA含量。
对于 特定物种，C值是恒定的。
C值矛盾(C-value paradox)
具体表现： 与预期的编码蛋白质的基因数量相比，基因组ＤＮ
Ａ的含量过多，为什么？ 一些物种之间的复杂性变化范围并不大，但Ｃ值却
（1）正向重复(direct repeats) ：同一阅读方向上的 重复；
（2）反向重复(inverted repeats) ：反方向上的重 复；
（3）回文顺序 (Palindromic sequence) ：倒转重 复，反转对称。
5‘ GTGAGCTCAC 3’ 3’ CACTCGAGTG 5’
按重复程度不同可分为三种类型：
{非组蛋白
染色体的化学组成
DNA（28%）
染色体
RNA （6%） 非组蛋白
Pr （66%） 组蛋白
核小体的概念
核小体(nucleosome)：染色
质的基本结构亚基，由约200 bp的DNA和约等量的组蛋白所 组成。
染色质是一串核小体
当分裂间期的细胞核悬浮于低离子强度的溶液中时， 它们膨胀破裂，释放出染色质纤维（电镜图）
内含子(Intron)
特点
1.不具有序列特异性 2.保守性 3.决定基因的长度 4.相对性
内含子(Intron)
选择性剪接：同一基因的转录产物
由于不同的剪接方式形成不同mRNA 。
PS
DNA
初始转录本： 在唾腺中转录
外显子 S
PL 外显子 L
外显子 2 外显子 3
50b 2800bp
161bp 4500bp 205bp 327bp
五、染色体
染色体结构与类型：
染色单体
随体
着丝点
短臂
长臂
中着丝粒 染色体
亚中着丝粒 染色体
近端着丝粒 染色体
端着丝粒 染色体
着丝粒（又叫主缢痕）是染色体最显著的 特征，碱性染料着色浅，且表现缢缩，它 将染色体分成两个臂（长臂－q和短臂－ p）。 功能：
①把两个姐妹染色单体结合在一起。
②是纺锤丝附着于染色体的位点
初始转录本： 在肝中转录
成熟 mRNA： 成熟 mRNA：
1663nt 1773nt
图 18-57 小鼠淀粉酶(amy) 基因利用不同启动子产生两个不同的 mRNA
内含子(Intron)
起源 存在的意义与进化的关系
第三节基因家族和基因簇
假基因
是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产 物。一般是启动子出现问题。
⑥ 真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核 膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质，原核生物 中不存在这样严格的空间间隔。
⑦ 许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过 程，才能顺利地翻译成蛋白质。
三 基因组与C值
基因组( genome )：一个物种单倍体的染色体 所携带的一整套基因称为该物种的基因组。
有很大的变化范围。对于不同物种，C值差异较大。 C值的大小与物种的结构组成和功能的复杂性没有严 格的对应关系，这种现象称为C值矛盾。
四 基因的数量
差别很大
真核生物序列特征
（一）单一顺序 (nonrepetitive )：又称非重复序列，在 一个基因组中只有一个拷贝，原核生物基因多数是单 拷贝基因。
蛋白质。 内含子(Intron) ：真核细胞基因DNA中的间 插序列，这些序列被转录成RNA，但随即被
剪除而不翻译。
外显子(Exon)
具有保守序列 对应基因的功能性单位 不同基因存在相关的外显子
内含子(Intron)
相位 类型
GT-AC
内含子(Intron)
外显子与内含子的连接区序列很短，高度保守， 是RNA剪接的信号序列 5'GT——AG 3'
基因家族和基因簇
基因家族（gene family）：是真核生物基因 组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基 因。
其中大部分有功能的家族成员之间相似程度高，个别成员间 的差异程度大；
基因家族各成员在染色体上的分布是不同的，一些成簇分布 （clustered gene family）；一些广泛分布，分散在不同的染 色体上
第五章 真核生物的基因组结构
原核生物基因组
小, 环状 裸露DNA 质粒 plasmid 操纵子 operon，多顺反子 基因是连续的 有重叠基因 大部分序列都为编码序列 重复序列不多 （单拷贝）
真核生物基因组
大，线状 与组蛋白结合 线粒体 / 叶绿体 单顺反子 断裂基因 split gene 无重叠基因 含大量非编码 DNA 大量重复序列