分子生物学基础,第二章 DNA的结构、复制和修复,第一节 染色体,一、染色体概述 染色体在不同的细胞周期有不同的形态表现。在细胞大部分时间的分裂间期表现为染色质 (chromatin)。染色质是细胞核内可以被碱性染料着色的一类非定形物质。它以双链DNA为骨架，与组蛋白(hilston)、非组蛋白(non-histon)以及少量的各种RNA等共同组成丝状结构。在染色质中，DNA和组蛋白的组成非常稳定，非组蛋白和RNA随细胞生理状态不同而有变化。在细胞分裂期，染色质纤丝经多级螺旋化形成一种有固定形态的复杂的立体结构的染色体。 染色体只在细胞分裂期，人们才能在光学显微镜下观察到这些结构。它们存在于细胞核，呈棒状的可染色结构，故称为染色体。细胞分裂时，每条染色体都复制生成一条与母链完全一样的链，形成同源染色体对。 作为遗传物质，染色体具有以下特征：分子结构相对稳定；能够自我复制，使亲代、子代之间保持连续性；能够指导蛋白质的合成； 能够产生可遗传的变异。,第一节 染色体,二、原核生物的染色体 1细菌染色体形态结构 大肠杆菌染色体长为1 333m，而要装入长约2m宽1m的细胞中，为此DNA必定以折叠或螺旋状态存在。有实验证明：在DNA分子进行折叠或螺旋过程中还依赖于RNA分子的作用。如300m的环状DNA（图2-1A），通过RNA分子的连接作用将DNA片段结合起来形成环（loop），从而导致DNA长度缩小成为25m（图2-1B），在活体大肠杆菌染色体上约有50多个这样的环。接着每个环内DNA进一步螺旋，使DNA长度进一步缩短为1.5m，而形成更高级结构的染色体（图2-1C）。因此，细菌的染色体不是一条裸露的DNA链，而是以高度的组装形式存在，同时这种组装不仅为了适应细菌细胞的狭小空间，而且还要有利于染色体功能的实现，便于染色体复制和基因表达。,第一节 染色体,图2-1 大肠杆菌（E. coli）染色体的基本结构,第一节 染色体,2原核生物DNA基因组的组织结构特点 （1）结构简练 原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录，这与真核DNA的冗余现象不同。 （2）基因种类和数量较少 原核细胞中染色体一般只有一条双链DNA分子，且大都带有单拷贝基因，且多以重叠基因的形式存在，只有很少数基因（如rRNA基因）是以多拷贝形式存在的；整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。 （3）以操纵子为转录单元 原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成功能单位或转录单元，它们可被一起转录为含多个mRNA的分子，叫多顺反子mRNA。X174及G4基因组中就含有数个多顺反子。功能相关的基因串联在一起转录产生一条多顺反子mRNA链，然后再翻译成各种蛋白质。,第一节 染色体,三、真核生物染色体的组成 1染色体蛋白质 （1）组蛋白 组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，等电点一般在pH l0.0以上，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA非特异性紧密结合，而且一般不要求特殊的核苷酸序列，通常用0.25mol/L HCL或H2SO4从染色质中分离得到。真核生物染色体的组蛋白有5种，即H1、H3、H2A 、H2B和 H4。 组蛋白中，H3，H4，H2A，H2B，其N端氨基酸都是碱性氨基酸，碱性N端借静电引力与DNA起作用，组蛋白之间借此相互聚合，C端是疏水端；而H1则相反，C端是碱性氨基酸，N端是疏水端，而且H1具有45种分子类型，所以在遗传上H1保守性最少。 组蛋白可进行各种修饰。由于组蛋白N端赖氨酸的乙酰化，改变了赖氨酸所负载的电荷，从而影响了与DNA的结合，有利于转录的进行，而组蛋白的磷酸化主要在组蛋白N端丝氨酸残基上进行。现一般认为组蛋白磷酸化可减弱组蛋白与核酸的结合，从而降低组蛋白对DNA模板活力的抑制，从而利于转录进行。而甲基化组蛋白。,第一节 染色体,（2）非组蛋白 与染色体组蛋白不同与染色体组蛋白不同，非组蛋白是指染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白(sequencespecificDNAbinding proteins)。一般来说，非组蛋白所含酸性氨基酸的量超过碱性氨基酸的量，所以带负电荷。 非组蛋白和组蛋白不同，它具有种属和组织特异性，而且在活动的染色质中比不活动的染色质中含量要高。非组蛋白在整个细胞周期中都进行合成，而不像组蛋白仅在S期和DNA复制同步进行。 非组蛋白的功能：能帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域，从而有利于DNA的复制和基因的转录；协助启动DNA复制；特异性地控制基因转录，调节基因表达。非组蛋白和组蛋白一样可以被磷酸化，这被认为是基因表达和调控的重要环节。,第一节 染色体,2染色质和核小体 （1）核小体结构的主要实验证据 用温和的方法破坏细胞核，将染色质铺展在电镜铜网上，通过电镜观察，未经处理的染色质自然结构为30nm的纤丝，经盐溶液处理后解聚的染色质呈现一系列核小体相互连接的串珠状结构，念珠的直径为10nm；用微球菌核酸酶(micrococcal nuclease)消化染色质，经过蔗糖梯度离心及琼脂糖凝胶电泳分析发现，如果完全酶解，切下的片段都是200bp的单体；如果部分酶解，则得到的片段是以200bp为单位的单体、二体(400bp)、三体(600bp)等等。蔗糖梯度离心得到的不同组分，在波长260nm的吸收峰的大小和电镜下所见到的单体、二体、三体的核小体完全一致；应用X射线衍射、中子散射及电镜三维重建技术，研究染色质结晶颗粒，发现颗粒是直径为11nm、高6.0nm的扁圆柱体，具有二分对称性(dyad symmetry)，核心组蛋白的构成是两个H3分子和两个H4分子先形成四聚体，然后再与两个由H2A和H2B构成的异二聚体(heterodimer)结合成八聚体。,第一节 染色体,（2）核小体结构要点 每个核小体单位包括200bp左右的DNA、一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白H1；组蛋白八聚体构成核小体的核心结构，分子量100kD，由H2A、H2B、H3和H4各两个分子所组成；DNA分子以左手方向盘绕八聚体两圈，每圈83bp，共166bp。用微球菌核酸酶水解，可得到不含组蛋白H1的146bp的DNA片段(1.75圈)。一个分子的组蛋白H1与DNA结合，锁住核小体DNA的进出口，从而稳定了核小体的结构；两个相邻核小体之间以连接DNA(1inkerDNA)相连，长度为080bp不等（图2-2）。,第一节 染色体,A,B,图2-2 核小体单体的存在及核心颗粒的形成A：为核小体结构示意图；B：为核小体单元的产生,第二节 DNA的组成和结构,一、DNA的组成 1碱基 核酸中的碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶碱有三类：胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶。其中胞嘧啶为DNA和RNA两类核酸所共有。胸腺嘧啶只存在于DNA中，但是tRNA中也有少量存在；尿嘧啶只存在于RNA中。植物DNA中含有一定量的5甲基胞嘧啶。在一些大肠杆菌噬菌体DNA中，5羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。嘌呤碱有两类：腺嘌呤及鸟嘌呤。嘌呤碱是由母体化合物嘌呤衍生而来的。除了5种基本的碱基外，核酸中还有一些含量甚少的稀有碱基。稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化的碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基，可高达10。目前已知稀有碱基和核苷达近百种。图2-3A是存在于DNA和RNA分子中的5种含氮碱基的结构式。,第二节 DNA的组成和结构,2核苷 核苷是一种糖苷，由戊糖和碱基缩合而成。糖与碱基之间以糖苷键相连接。糖的第一位碳原于（C1）与嘧啶碱的第一位氮原子(N1)或与嘌呤碱的第九位氮原子（N9）相连接。所以，糖与碱基间的连键是NC键，一般称之为N糖苷键；核苷中的D核糖及D2脱氧核糖均为呋喃型环状结构。糖环中的C1是不对称碳原子，所以有及两种构型。但核酸分子中的糖苷键均为糖苷键。应用X射线衍射法已证明，核苷中的碱基与糖环平面互相垂直。 根据核苷中所含戊糖（图2-3B）的不同，将核苷分成两大类：核糖核苷和脱氧核糖核苷。对核苷进行命名时，必须先冠以碱基的名称，例如腺嘌呤核苷、腺嘌呤脱氧核苷等。 RNA中含有某些修饰和异构化的核苷。核糖也能被修饰，主要是甲基化修饰。tRNA和rRNA中还含少量假尿嘧啶核苷，在它的结构中，核糖不是与尿嘧啶的第一位氮（N1），而是与第五位碳（C5）相连接。细胞内有特异的异构化酶催化尿嘧啶核苷转变为假尿嘧啶核苷。,第二节 DNA的组成和结构,3核苷酸 核苷的磷酸酯叫做核苷酸，分为(核糖)核苷酸(ribo)nucleotide和脱氧(核糖)核苷酸deoxy(ribo)nucleotide两大类，分别构成DNA和RNA的基本结构单位。所有的核苷酸都可在其5位置连接一个以上的磷酸基团；从戊糖开始的第一、二、三个磷酸残基依次称为、。和及和之间的键是高能键，为许多细胞活动提供能量来源。核苷三磷酸缩写为NTP，核苷二磷酸缩写为NDP。5核苷三磷酸是核酸合成的前体。 细胞内还有各种游离的核苷酸和核苷酸衍生物，它们都具有重要的生理功能。因此，对于核酸和蛋白质系统，核苷酸相当于氨基酸，碱基相当于氨基酸的功能基。下面列举几种核苷酸的结构式（图2-3C）。 核糖核苷的糖环上有3个自由羟基，能形成3种不同的核苷酸。(图2-3C)脱氧核苷的糖环上只有2个自由羟基，所以只能形成两种核苷酸。生物体内游离存在核苷酸多是5-核苷酸。用碱水解RNA时，可得到2-与3-核糖核苷酸的混合物。,第二节 DNA的组成和结构,图2-3 碱基、戊糖和核苷酸的结构 A：碱基；B：戊糖；C：核苷酸,第二节 DNA的组成和结构,二、DNA的一级结构 DNA由数量庞大的4种脱氧核苷酸通过3，5磷酸二酯键连接而成，DNA的一级结构就是这些脱氧核苷酸在分子中的排列顺序（序列）。就是DNA分子内碱基的排列顺序。它以密码子的方式蕴藏着遗传信息，以碱基序列的方式蕴藏着对遗传信息的调控。DNA分子中碱基序列似乎是不规则的，实际上是高度有序的。任何一段DNA序列都可以反映出功能特异性和它的个体的、种族的特征。一级结构决定了DNA的二级结构、折叠成的空间结构。这些高级结构又决定和影响着一级结构的信息功能，即基因的启动和关闭。因此，研究DNA的一级结构对阐明遗传物质结构、功能以及它的表达、调控都是极其重要的。 DNA几乎是所有生物遗传信息的携带者。它是信息分子，携带以下两类不同的遗传信息。一类是负责编码蛋白质氨基酸序列的信息。在这一类信息中，DNA的一级结构与蛋白质一级结构之间基本上存在共线性关系。,第二节 DNA的组成和结构,另一类一级结构信息与基因的表达有关，负责基因活性的选择性表达和调控。这一部分DNA的一级结构参与调控基因的转录、翻译、DNA的复制、细胞的分化等功能，决定细胞周期的不同时期和个体发育的不同阶段、不同器官、不同组织以及不同外界环境下，基因是开启还是关闭，开启量是多少等等。这一类DNA一级结构有两种情况：它本身负责编码某些调控蛋白，这些蛋白质负责调控相应的基因；一些DNA一级结构区段负责基因表达的调控位点，即决定基因开启或关闭的元件。一般由调控蛋白与调控元件相互作用来有效地控制基因。后者成为调控蛋白作用的靶位点。DNA分子中有各种特异性元件，如与复制有关的各种位点都有它们特异性的一级结构。DNA分子总的A+T与G+C含量相等，但在某些区域A+T的含量大大增高。由于AT碱基对有2个氢键，而GC之间有3个氢键，在很多有重要调节功能的DNA区域都富含有AT，如启动子区域等，有利于双链的解开，某些蛋白质与解链部位的相互结合。,第二节 DNA的组成和结构,三、DNA的二级结构 DNA的二级结构指两条