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1、第二章 染色体与DNA,染色体 DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转座,一、染色体（Chromosome),内容提要：细胞周期 cell cycle染色体与染色质 chromatin染色体的结构和组成（原核生物、真核生物）核小体原核生物和真核生物基因组结构特点比较,prokaryote,Eukaryote,nucleosome,（一）细胞周期,（二）染色体与染色质,染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂（mitosis）时遗传物质存在的特定形式，是间期(interphase)细胞染色质结构紧密包装的结果。真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质(chro
2、matin)的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位核小体(nucleosome)成串排列而成的。,（三）染色体的结构和组成,原核生物(prokaryote),DNA与非组蛋白结合,真核生物染色体的组成,呈酸性，因此也称酸性蛋白质或残余蛋白质,有核的红细胞或个别生物体中，还存在特别的组蛋白成分，红细胞中为H5，鲑鱼组织中为H6,组蛋白的一般特性：进化上的保守性保守程度：H1 H2A、H2B H3、H4,1、组蛋白,上海生化所分子遗传学1998年试题：在真核生物核内。五种组蛋白（H1 H2A H2B H3 和H4）在进化过程中，H4极为保守，H2A最不保守（）,X,
3、无组织特异性肽链氨基酸分布的不对称性H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%）组蛋白的可修饰性,含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸特别多，二者加起来约为所有氨基酸残基的1/4,不同生物的H1序列变化较大,在某些组织中,H1被特殊的组蛋白所代替。如成熟的两栖类、鱼类和鸟类的红细胞中H1则被H5所替代或补充,简述真核生物染色体上组蛋白的种类，组蛋白修饰的种类及其生物学意义中国科学院2003年硕士研究生入学生物化学与分子生物学试题,在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。,所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋
4、白所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。,组蛋白的可修饰性,1)DNA的变性和复性 变性（Denaturation)DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程称为变性。增色效应(Hyperchromatic effect)在变性过程中，260nm紫外线吸收值先缓慢上升，当达到某一温度时骤然（指数式）上升，称为增色效应。,2、DNA,Renaturation,Hypo-低,融解温度（Melting temperature Tm)变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度。生
5、理条件下为85-95影响因素：G+C含量，pH值，离子强度，尿素，甲酰胺等,复性（Renaturation)热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。减色效应（Hypochromatic effect)随着DNA的复性，260nm紫外线吸收值降低的现象。,2)C值反常现象（C-value paradox/enigma)C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开，这就是著名的“C值反常现象”。,C值矛盾,1,2,简述DNA的C值以及C值矛盾（C Value paradox）.中科院上海生化所 9
6、8 年上海第二军医大：C值矛盾,（四）核小体(nucleosome),Nucleosome、chromosome、genome 中科院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题,1、定义：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。,2、核小体的结构,核心颗粒、连接区DNA,用核酸酶消解,高浓度盐解聚,中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试：简述真核细胞内核小体与核小体核心颗粒的结构。,3、染色体的包装超螺旋结构,6.8:1,40:1,1000:1,8000:1,DNA double helix,Nucleosome(10 nm fiber),3
7、0 nm Fiber,Loops I,Loops II,chromosome,人细胞核的直径为6-7m,人染色体的DNA分子平均长度为4cm,上海第二军医大硕士研究生入学考试试题：基因组的特点（真核、原核比较）,（五）原核生物和真核生物基因组结构特点比较,基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元(trnascriptional operon)多顺反子(polycistron),X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D E,E.coli 色氨酸操纵子 9个顺反子 9个酶(第六章),1、原核生物基因组结构特点,操纵子,受控制区调控的一组基因,有重叠基因（Sa
8、nger 发现）基因内基因 部分重叠基因 一个碱基重叠,2、真核生物基因组结构特点,真核基因组结构庞大 3109bp、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,不重复序列/单一序列：在基因组中有一个或几个拷贝。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如：蛋清蛋白、血红蛋白等 功能：主要是编码蛋白质。中度重复序列：在基因组中的拷贝数为101104。如：rRNA、tRNA 一般是不编码蛋白质的序列，在调控基因表达中起重要作用,根据 DNA复性动力学研究，DNA序
9、列可以分成哪几种类型？并加以举例说明。(2001年上海生化所）,高度重复序列：拷贝数达到几百个到几百万个。卫星DNA：A T含量很高的简单高度重复序列。,第二章 染色体与DNA,染色体 DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转座,二、DNA的结构,1）概念 指4种脱氧核苷酸（A/T/G/C）的连接及其排列顺序，DNA序列是这一概念的简称。也称碱基序列。,1、DNA的一级结构,2）特征：双链反向平行配对而成脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在内侧内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A：T，C：G）。,Nucleotide 核苷酸Nucleoside 核苷Nucleobase
10、碱基ribose 核糖,嘌呤,嘧啶,3）DNA结构的表示法,2、DNA 的二级结构,1）定义：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。,DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟，groove），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。大、小沟都是由于碱基对堆积和核糖-磷酸骨架扭转造成的。,DNA双螺旋模型是哪年由谁提出的?简述其基本内容.为什么说该模型的提出是分子生物学发展史上的里程碑,具有划时代的贡献?浙江大学医学院2003生物化学（硕士）,2）分类：右手螺旋：A-DNA(脱水的DNA样本或DNA与RNA混合配对时出现)B-DNA（最普遍）左手螺旋：Z-DNA（局部）,A,B,Z,A,B,Z,3、D
11、NA的高级结构,1）定义：指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。2）主要形式：超螺旋结构（正超螺旋和负超螺旋）,线状DNA形成的超螺旋,环状DNA形成的超螺旋,拓扑异构酶or溴化乙锭,拓扑异构酶or溴化乙锭,DNA扭曲与双螺旋相同（拧紧）,DNA扭曲与双螺旋相反（松开）,负超螺旋,松弛DNA,正超螺旋,向左,向右,第二章 染色体与DNA,染色体 DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转座,三、DNA的复制,内容提要：DNA的半保留复制与DNA复制有关的物质 DNA的复制过程（大肠杆菌为例）DNA复制的其它方式真核生物中DNA的复制特点,
12、1、定义：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。,（一）DNA的半保留复制（semi-conservative replication）,Semi-conservative Conservative Dispersive,中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试：请设计一个实验来证明DNA复制是以半保留方式进行的（8分）。,将大肠杆菌放在含有15N标记的NH4Cl培养基中繁殖了15代，使所有的大肠杆菌DNA被15N所标记，可以得到15N-DNA。然后将细菌转移到含有14N标记的
13、NH4Cl培养基中进行培养，在培养不同代数时，收集细菌，裂解细胞，用氯化铯(CsCl)密度梯度离心法观察DNA所处的位置。由于15N-DNA的密度比普通DNA(14NDNA)的密度大，在氯化铯密度梯度离心(density gradient centrifugation)时，两种密度不同的DNA分布在不同的区带。,2、实验证据（1958 Meselson 和Stahl）：,Matthew Messelson Franklin Stahl,3、DNA半保留复制的生物学意义：,DNA的半保留复制表明DNA在遗传上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。,（二）与DNA复制有关的物质,1、原料：
14、四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)2、模板(template)：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA3、引物(primer)：DNA的合成需要一段RNA链作为引物4、引物合成酶（引发酶primerase）：此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物（Primer)。实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。,自组装,5、DNA聚合酶(polymerase):以DNA为模板的DNA合成酶以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物反应需要有模板的指导反应需要有3-OH存在DNA链的合成方向为5 3,主要是对DNA损伤的修复；以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留
15、下的空隙。,修复紫外光引起的DNA损伤,DNA 复制的主要聚合酶，还具有3-5 外切酶的校对功能，提高DNA复制的保真性,原核生物中的DNA聚合酶(大肠杆菌）,定位 细胞核 细胞核 线粒体 细胞核 细胞核3-5外切-+酶活性功能,引物 合成,修复作用,线粒体DNA的复制,核DNA的复制,？,真核生物中的DNA聚合酶,6、DNA连接酶（1967年发现）：若双链DNA中一条链有切口，一端是3-OH，另一端是5-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。但是它不能将两条游离的DNA单链连接起来 DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用(和DNA聚合酶、内切酶一起构成基
16、因操作的基础),7、DNA 拓扑异构酶(DNA Topisomerase)：拓扑异构酶：使DNA一条链发生断裂和再连接，作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区，同转录有关。例：大肠杆菌中的蛋白 拓扑异构酶（DNA促旋酶）：该酶能暂时性地切断和重新连接双链DNA，作用是将负超螺旋引入DNA分子。同复制有关。例：大肠杆菌中的DNA旋转酶,拓扑异构酶(与转录有关),拓扑异构酶II（与复制有关）,上海生化所1998年分子遗传学试题：拓扑异构酶,8、DNA 解螺旋酶/解链酶（DNA helicase)通过水解ATP获得能量来解开双链DNA（水解氢键）。E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋
17、酶I、II、III。,rep蛋白沿3 5移动，而解螺旋酶I、II、III沿5 3移动。,9、单链结合蛋白(SSBP-single-strand binding protein)：稳定已被解开的DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。,（三）DNA的复制过程（大肠杆菌为例）,双链的解开 RNA引物的合成 DNA链的延伸 切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段,1、双链的解开,DNA的复制有特定的起始位点，叫做复制原点。ori(或o）、富含A、T的区段。,基本概念：,上海生化所1998年分子遗传学试题：真核生物复制起始点的特征包括（）A富含GC区 B富含AT区 C Z DNA D无明
18、显特征,从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子,复制时，解链酶等先将DNA的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉,复制方向和速度：,单起点、双向等速,多起点、双向等速,双链解开、复制起始,2,1,3,1,2,3,4,大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合,在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性,形成开链,解链酶六体分别与单链DNA相结合(需DnaC帮助),进一步解开DNA双链,2、RNA引物的合成,DnaB蛋白活化引物合成酶，引发RNA引物的合成。引物长度约为几个至10个核苷酸
19、，,基因组DNA复制时，先导链的引物是DNA，后随链的引物是RNA()2002年上海生化与细胞所,X,DNA的半不连续复制（semi-discontinuous replication),DNA复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的，故称半不连续复制。,在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为前导链(leading strand)；合成方向(5-3)与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链为滞后链(lagging strand)。,3、DNA链的延伸,在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成5
20、3 的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。,Okazaki fragments,DNA聚合酶的辅助蛋白,华中科技大学2004年生物化学与分子生物学硕士研究生入学试题名词解释：冈崎片段（3分）,武汉大学2003年硕士研究生入学分子生物学试题：Replicon、semi-conservative replication,华中科技大学2004年生物化学与分子生物学硕士研究生入学试题 原核DNA合成酶中（）的主要功能是合成前导链和冈崎片段A、DNA聚合酶 B、DNA聚合酶 C、DNA聚合酶 D、引物酶,c,4、切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段（复制终止）,在DNA聚合酶催化下切除
21、RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链,双链环状、型复制、双向等速,（四）DNA复制的其它方式,滚环型：单向复制的特殊方式如：174的双链环状DNA复制型（RF）,（1）模板链和新合成的链分开;（2）不需RNA引物，在正链3OH上延伸（3）只有一个复制叉;,D环复制,单向复制的特殊方式如：动物线粒体DNA,（五）真核生物中DNA的复制特点,1、真核生物每条染色体上有多个复制起点，多复制子2、真核生物染色体在全部复制完之前,各个起始点不再重新开始DNA复制；而在快速生长的原核生物中，复制起点可以连续开始新的复制(多复制叉)。真核生物
22、快速生长时，往往采用更多的复制起点。3、真核生物有多种DNA聚合酶。,第二章 染色体与DNA,染色体 DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转座,四、DNA的修复,扼要说明细胞中DNA修复系统有哪几种（8分）中国科学院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题,DNA链上相邻嘧啶以共价键连成的二聚体，由紫外线照射产生。最常见的是胸腺嘧啶二聚体,引物二聚体是病因之一,1、错配修复,Dam甲基化酶使母链位于5GATC序列中腺甘酸甲基化（保护母链）甲基化紧随在DNA复制之后进行根据复制叉上DNA甲基化程度，切除尚未甲基化的子链上的错配碱基,根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图,发现错配
23、碱基,在水解ATP的作用下，MutS，MutL与碱基错配点的DNA双链结合,MutS-MutL在DNA双链上移动，发现甲基化DNA后由MutH切开非甲基化的子链,甲基化指导的错配修复示意图,错配碱基位于切口3下游端，,错配碱基位于切口5上游端，,2、碱基切除修复,一些碱基在自发或诱变下会发生脱酰胺，然后改变配对性质，造成氨基转换突变腺嘌呤变为次黄嘌呤与胞嘧啶配对鸟嘌呤变为黄嘌呤与胞嘧啶配对胞嘧啶变为尿嘧啶与腺嘌呤配对,胞嘧啶去氨基生成尿嘧啶,如果复制发生就会产生一个突变,.糖甘水解酶识别改变了的碱基，把碱基从N-糖苷键处切下来，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。,由AP磷酸内
24、切酶将受损核甘酸的糖甘-磷酸键切开,DNA连接酶连接,利用DNA聚合酶I:(1)切除损伤部位;(2)补上核苷酸,3、核苷酸切除修复,1）通过特异的核酸内切酶识别损伤部位2）由酶的复合物在损伤的两边切除几个核苷酸3）DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链4）DNA连接酶将切口补平,识别损伤部位,损伤的两边切除几个核苷酸,DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链,DNA连接酶将切口补平,4、DNA的直接修复,在DNA光解酶的作用下将环丁烷胸腺嘧啶二体和6-4光化物还原成为单体,甲基转移酶使O6-甲基鸟嘌呤脱甲基生成鸟嘌呤，防止G-T配对,上海生化所1998年分子遗传学试题：DNA修复系统的作用是
25、保证DNA序列不发生任何变化（）,第二章 染色体与DNA,染色体 DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转座,五、DNA的转座,（一）基本概念：,DNA的转座：由可移位因子介导的遗传物质重排现象。,转座子（transposon）：存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。,（二）转座子的类型和结构特征,原核生物转座子的类型：,1、插入序列(insertional sequence,IS),2、复合转座子(composite transposon),3、TnA家族,1、插入序列(IS),IS是最简单的转座子，不含有任何宿主基因，它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。,：I
26、S1,复合转座子是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼（flanking sequence）往往是两个相同或高度同源的IS序列,2、复合转座子(composite transposon),(三）转座作用的机制,复制性转座子,非复制性转座子,上海生化所1998年分子遗传学试题：转座过程通常是指DNA中的一段特殊序列（转座元）在转座酶以及其它蛋白因子的作用下，从DNA分子中的一个位置被搬移到另一位置或另一DNA分子中（）,Tn10转座到一个新的DNA靶点时，在靶点两 侧形成倒转重复序列。(-)2002年上海生化与细胞所,华中科技大学2004年生物化学与分子生物学硕士研究生入学试
27、题利用自己的位点专一重组酶把自己从寄主基因组中的一个地方移到另一个地方的遗传元件叫（）A、启动子 B、转座子 C、T-DNA D、顺反子,中国科学院遗传与发育生物学研究所1996年硕士研究生分子遗传学入学试题转座子（transposon）反转录转座子（retrotransposon）,反转录转座子（retrotransposon）：指通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件。,反转录病毒整合入宿主DNA中的分子机制，其本质是转座,复习题,1、证明DNA是遗传物质的两个关键性实验是：肺炎链球菌在老鼠体内的毒性和T2噬菌体感染大肠杆菌。这两个实验中主要的论点证据是：（）(a)从被感染的
28、生物体内重新分离得到DNA，作为疾病的致病剂(b)DNA突变导致毒性丧失(c)生物体吸收的外源DNA（而并非蛋白质）改变了其遗传潜能(d)DNA是不能在生物体间转移的，因此它一定是一种非常保守的分子,2、1953年Watson和Crick提出：（）（a）多核苷酸DNA链通过氢键连接成一个双螺旋（b）DNA的复制是半保留的，常常形成亲本子代双螺旋杂合链（c）三个连续的核苷酸代表一个遗传密码（d）遗传物质通常是DNA 而非RNA,3、下列哪一种蛋白不是组蛋白的成分（）(a)H1(b)H2A、H2B(c)H3、H4(d)H5 4、DNA的变性：（）（a）包括双螺旋的解旋（b）可以由低温产生（c）是可
29、逆的（d）是磷酸二酯键的断裂（e）包括氢键的断裂,5、DNA的二级结构指：（）；（a）是指4种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该DNA分子的化学构成；（b）是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构；（c）是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。,6、在原核生物复制子中以下哪种酶除去RNA引发体并加入脱氧核糖核甘酸：(A)DNA聚合酶（B）DNA聚合酶（C）DNA聚合酶(D)外切核酸酶MFl,7、DNA复制时不需要以下哪种酶？（）。（A）DNA指导的DNA聚合酶（B）RNA指导的DNA聚合酶（C）拓扑异构酶（D）连接酶,8、DNA复制的特点（）。A.半不连续复制 B.半保留复制C.都是等点开始、两条链均连续复制 D.有DNA指导的DNA聚合酶参加,9、DNA复制时在前导链上DNA沿5-3方向合成，在滞后链上则沿3-5方向合成。（）10、DNA的复制需要DNA聚合酶和RNA聚合酶（）11、核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的（）和由大约200bp DNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而（）则在核小体的外面。,X,v,8聚体,H1,
