分子生物学_ 基因组结构、染色质和核小体(一)_

脊椎动物
河豚 人
植物
拟南芥 水稻
nd，未定
基因中平均的 内含子数目
重复序列比例
基因大小的增加（3）
随着生物体复杂程度增加 指导和调控转录的DNA 序列增加 - 调控序列增加
基因间序列的增加
在更复杂的生物中 基因间序列数目的大量增加 是导致基因密度降低的另一原因
基因间序列是基因组上 与蛋白质和结构RNA 的表达无关的那部分DNA
间期（G1, S, G2） 松散状态，压缩程度大大降低
染色体的结构仍然有变化
复制时：结合蛋白的解离和重组装 复制刚完成时：姐妹染色单体相互连接
细胞周期中部分基因的转录调控：染色体相关位置的结构改变
人基因组 3200Mb
其他基因间隔区域 600Mb
基因间隔区DNA 2000Mb
基因组范围 的重复 1400Mb
单一序列 （调控区、miRNA）
微卫星 90Mb
基因和 基因相关序列
1200Mb
相关序列 1152Mb
基因 48Mb
内含子 非编码区 基因片段 假基因
人类基因组的组织结构及其组分
3. 染色体的复制和分离 （2）
当原核细胞迅速分裂时 正在复制的那部分染色体有 2 个甚至 4 个拷贝
经常携带一个或多个小的独立的环状DNA ，称为质粒 质粒通常不是细菌生长所必需的
质粒携带赋予细菌良好特性的基因，如抗生素抗性基因 每个细胞中可以有多个完整质粒拷贝存在
每个细胞都维持特定的染色体数目 （真核细胞）
大多数真核细胞是二倍体 每条染色体有两个拷贝
人的基因组中有超过50% 的部分由基因间序列组成 其中绝大多数的功能未知
人基因组 3200Mb
其他基因间隔区域 600Mb
基因间隔区DNA 2000Mb
基因组范围 的重复 1400Mb
单一序列 （调控区、miRNA）
微卫星 90Mb
基因和 基因相关序列
1200Mb
相关序列 1152Mb
基因 48Mb
黑腹果蝇
（Βιβλιοθήκη Baidu蝇）
四膜虫
大核
（原生动物）
小核
红鳍东方鲀（鱼类）
小鼠（啮齿类）
人
环状和线性染色体面临的问题
环状染色体 复制后需要拓扑异构酶将其分离到子代细胞中
线性真核染色体 末端稳定性问题
末端复制问题
每个细胞都维持特定的染色体数目
每个细胞都维持特定的染色体数目 （原核细胞）
典型的原核细胞的染色体仅有一个完整拷贝 包装在一个称为类核的结构中
黏附消失/姐妹染色单体分离
黏粒 vs. 动粒与纺锤体两极附着- 牵制- 姐妹染色单体分离正确发生 很好地协调 - 妙 ！！！
真核细胞分裂时染色体的结构发生变化
分裂期（M） 最压缩状态，染色体相互之间完全独立
间期（G1, S, G2） 松散状态，压缩程度大大降低
间期
M期
DNA复制
染色质结构的变化
真核染色体的复制和分离 发生在细胞周期的不同时期
在细菌细胞中 染色体的复制和分离过程是同时发生的
真核细胞染色体的复制和分离 发生在细胞分裂过程的不同时期
细胞周期 细胞完成一轮分裂所需要的过程
有丝分裂 细胞分裂过程中 子代细胞染色体数目维持与亲本细胞的一致 （G1, S, G2, M）
染色体分离准备
两种重复DNA
微卫星DNA 非常短（小于13 bp ）的串联重复序列 最常见的微卫星序列是二核苷酸重复序列
例如：CACACACACACACACA 这种重复序列几乎占了人类基因组的3%
基因组范围的重复 比微卫星大得多
每个重复单元的长度都大于100 bp,许多大于1 kb 单一拷贝散布在基因组中，或紧密相连成簇存在 共同的特点：都是转座子，大约占人基因组的45%
染色体分离 有丝分裂
DNA复制 细胞分裂准备
真核有丝分裂细胞周期
DNA复制起始
(黏粒) DNA复制继续
建立附着
(姐妹染色单体)
合成期（S期）事件 每条染色体完整地进行 DNA 复制 / 姐妹染色单体附着
黏粒 动粒
微管
黏粒降解
动粒附着
微管组织中心
姐妹染色单体分离
分裂期（M期）事件 姐妹染色单体附着纺锤体（动粒介导）
传统的观点认为 原核细胞有一条环状的染色体
真核细胞有多条线性染色体
事实上 有些原核生物含有多条染色体
或线性染色体 或二者皆有
所有的真核生物都含有多条线性染色体
原核生物
生殖道支原体 大肠杆菌K-12
根瘤农杆菌
苜蓿中华根瘤菌
真核生物
酿酒酵母
（芽殖酵母）
粟酒裂殖酵母
（裂殖酵母）
秀丽线虫
（线虫）
拟南芥（草本植物）
人的基因平均转录长度：27 kb 平均编码蛋白质的长度：1.3 kb
编码蛋白质的基因中 平均仅有5% 的序列直接参与编码白质
95% 由内含子构成
简单真核生物的内含子较少 与其较高的基因密度一致
基因密度 (个/Mb)
物种
原核生物（细菌）
大肠杆菌 K-12
真核生物（动物）
真菌
酿酒酵母 无脊椎动物
秀丽线虫 果蝇
分子生物学
刘青珍 武汉大学生命科学学院
第7章 基因组结构、 染色体、染色质和核小体
!!!!!!!
本章内容
1. 本章前言 2. 基因组序列和染色体多样性
3. 染色体的复制和分离 4. 核小体
5. 染色质的高级结构 6. 染色质结构的调控 7. 核小体的组装
2. 基因组序列和染色体多样性 （1）
染色体可以是环状或线性的
某些细胞是单倍体 每条染色体只有一个拷贝（精子、卵子）
某些细胞是多倍体 每条染色体都超过两个拷贝（巨核细胞 – 约28 个拷贝）
巨核细胞为什么不分裂？
2. 基因组序列和染色体多样性 （3）
为什么真核基因密度降低？ 为什么真核基因更长？
基因仅占 真核染色体DNA 的一小部分
两种因素导致真核基因密度降低
基因大小的增加 基因间序列（基因之间DNA序列）的增加
基因大小的增加（1）
蛋白质编码区域通常不是连续的 分散的非蛋白编码区段 - 内含子 内含子在转录后通过RNA 剪接从RNA 中去除
内含子1
外显子1 初级 RNA 转录本
剪接后的mRNA
RNA 剪接
基因大小的增加（2）
内含子极大地增加了编码一个基因所需的DNA 长度
内含子 非编码区 基因片段 假基因
人类基因组的组织结构及其组分
为什么是假基因？ 与功能基因有什么区别？
可以翻译吗？
无内含子 无启动子序列
逆转录mRNA的整合 导致假基因的产生
人的基因间序列主要由重复DNA 构成
几乎一半的人类基因组由 在基因组中重复多次的DNA 序列组成
重复DNA 一般由两种： 微卫星DNA、基因组范围的重复