章 第节 原核和真核染色体结构

第三节原核和真核染色体结构ProkaryoticandEukaryoticChromosomeStructure4.1 Prokaryoticchromosome(原核染色体)4.2 Chromatin(染色质)Structure4.3 Eukaryotic(真核)chromosome4.4 Genomecomplexity(基因组复杂性)Nucleus:细胞核Nucleolus:核仁Nucleoid:类核Mitosis:有丝分裂Histone:组蛋白Nucleosome:核小体Chromatin:染色质Chromotasome:染色小体Chromomere:染色粒Chromosome:染色体VocabularyNucleoid(类核,拟核)–Bacterialchromosome细菌染色体一、原核生物染色体结构（一）、类核的特点：由DNA（单一闭环，4.6Mb）与DNA结合蛋白组成。HighconcentrationofDNA(singleclosed-circular,4.6×106bp)andtheproteinsassociatedwithDNA.DNA浓度高达30-50mg/ml.（DNAconcentrationcanbeupto30-50mg/ml）持续复制（Continuousreplication，morethanonecopyofgenome/cell)。附着在细胞膜上（Attachmenttocellmembrane）。（二）、大肠杆菌染色体结构（StructureofE.colichromosome）:1.负超螺旋(Negativelysupercoiledasawhole)3.DNA结合蛋白：DNA结构域被非特异性的DNA结合蛋白如HU和H-NS(类组蛋白，histone-likeprotein)缠绕，这些蛋白质束缚着约一半的DNA超螺旋，其它超螺旋与宿主整合因子(integrationhostfactor)、RNA聚合酶及mRNA结合。2.DNA分子由大小为50-100kb的环或结构域组成: Theendsconstrainedbyprotein-membranescaffold(骨架) MayspoolonpolymerasesorotherenzymesandproteinsLoopBasicproteinSupercoiledDNAOrganellegenomes:circular,multiplecopies ctDNA:chloroplast(叶绿体)DNA,140kbinplants,and<200kbinlowereukaryotes.Similartocyanobacteria(兰细菌) mtDNA:mitochondrial(线粒体)DNA,ca.16.5kbinmammals,ca.80kbinyeast,>100kbinplant(similarto-purplebacteria,Rickettsia)mtDNASupplementary:二、染色质结构ChromatinStructure(eukaryoticcells（一）、染色质染色质：纤维状，高度有序的DNA-蛋白质复合物，由核小体（nucleosome）组成。包括常染色质（大部分；压缩程度较小，着色浅，euchromatin），DNA的包装比为1000～2000，典型的染色体的包装比为10000。异染色质（着丝点等，折叠紧密，与染色体类似）。异染色质组成型异染色质：DNA序列从来不转录，如卫星DNA机动型异染色质：常染色质异染色质哺乳动物两个X染色体随机失活一个，不转录，叫异染色质化Chromatin染色质CellcycleInterphase间期:G1+S+G2(G0)Mphase(mi`tosis有丝分裂):Prophase前期metaphase中期anaphase后期telophase末期CellcycleEasytoseechromosome染色体（二）、组蛋白(Histones):碱性蛋白质，等电点＞pH11，有5种H1，H2A，H2B，H3，H4 核心组蛋白(H2A,H2B,H3，H4): 10-20kDa locatedinthenucleosome(核小体)core[octamer八聚体core(H2A)2(H2B)2(H3)2(H4)2 highlyconservedintheirsequences H1在不同物种或同种不同小种之间有较多的差异（三）、核小体构成染色质的基本单位，组成：200bp的DNA、一个组蛋白八聚体（即核心组蛋白）、一份组蛋白H1。核心组蛋白面缠绕的DNA称核心DNA两个核心组蛋白之间的DNA称为连接DNAHistoneoctamer组蛋白八聚体TopviewSideviewNucleosome(核小体)core(核心)Nucleosomecore146bp,1.8superhelicalturnChromatosome166bp,2superhelicalturnDNAHistoneoctamerHistoneH1Nucleosomesandmicrococcalnucleasetreatment（四）、组蛋白H1 23kDa Locatedoutsideofnucleosomecore,bindtoDNAmoreloosely LessconservedinitssequenceH1的功能: 连接进出核小体的DNA的两端. H1的C末端有稳定核小体的功能（五）、连接DNA几bp到lOObp以上不等，平均55bp。核小体是染色质的结构单位，由约200bp和组蛋白形成的八聚体组成。Nucleosomeisthebasicstructuralsubunitofchromatin,consistingof~200bpofDNAandanoctamerofhistoneproteins.DNA+Histoneoctamer(组蛋白八聚体)Nucleosomecore(核小体核心146bp)+H1>Chromatosome(染色小体166bp)+linkerDNA（55bp)=Nucleosome(核小体)(~200bpofDNA)StepstomakeaNucleosome(核小体)LinkerDNA<10to>100bpaverage55bp“Beadsonastring”structureNucleosomeHistoneH1Nucleosomerepeat:Core+linkerDNACa.200bp（六）、30微米纤丝（The30nmfiber） Higherordered Left-handedhelix Sixnucloesomesperturn30nmfiber(30nmindiameter)Solenoid-likeNucleosomerepeatCore+linkerDNAca200bp核小体聚合成有序的螺线管结构，直径30nm.Nuclearmatrix(核基质),proteincomplex30nmfiber300nm（七）、高级结构：环状结构域（loopeddomainstructure）100kbStepsfromDNAtochromosome三、真核染色体结构EukaryoticChromosomalStructure Cellcycle(细胞周期) Mitotic(有丝分裂的)chromosome Interphase(间期)chromosomes（一）、CellcycleInterphase间期:G1+S+G2(G0)Mphase(mitosis有丝分裂):Prophase前期metaphase中期anaphase后期telophase末期Cellcycle（二）、有丝分裂的染色体Mitoticchromosome有丝分裂时，一条染色体复制产生两个姐妹染色单体(sisterchromatid)，在着丝粒处相连，染色体末端为端粒，线性DNA沿着一个方向从染色体一端复制到另一端，以30nm纤丝构成100kb的环，锚定在核基质上。着丝粒：是中期两条姐妹染色单体相连的区域，也是通过动粒与纺锤体连接的部位。在分裂后期纺锤体将姐妹染色单体向细胞两极拉开。酵母的着丝粒序列特别短，仅88bp，富AT；哺乳动物的着丝粒较长，侧翼是卫星DNA。Centromere中心粒TelomereMitoticchromosomeatmetaphaseNuclearmatrix核基质Loopsof30nmfiberSisterchromatid姊妹染色单体Chromatid染色单体Kinetochore动粒MitoticchromosomeMitoticspindleMitoticchromosomeatmetaphaseMitoticspindleKinetochore动粒centromere着丝粒*　动粒(ki`netochore)　　动粒是由着丝粒结合蛋白在有丝分裂期间特别装配起来的、附着于主缢痕外侧的圆盘状结构，内侧与着丝粒结合，外侧与动粒微管结合。每一个中期染色体含有两个动粒,位于着丝粒的两侧。　　哺乳动物的动粒可分为三个不同的区域:即内层、中间层和外层,直径约为200nm。中间层(middlelayer)染色浅,它将内层和外层隔开，中间层有一些纤维，它起着联系内外两层结构的桥梁作用;内层(innerlayer)是染色质的特化层,它附着在着丝粒的异染色质上;外层(outerlayer)含有与微管正端结合的蛋白质。Thepolytenechromosomes(多线染色体)ofD.melanogasterformanalternatingseriesofbandsandinterbandsAmphibianlampbrushchromosome灯刷染色体loopsurroundedbyamatrixofribonucleo-proteinSpecialformsofchromosomesSupplementary*果蝇体细胞中有8条染色体；多线染色体的形成是由于唾液腺处染色体复制了很多次，但染色单体之间不分开所致，比其它的染色体大200倍灯刷染色体是卵母细胞进行第一次减数分裂时,停留在双线期的染色体。它是一个二价体,含4条染色单体,由轴和侧丝组成,形似灯刷。染色体轴由染色粒(chromomere,是指染色质凝集而成的颗粒)轴丝构成,每条染色体轴长400μm,从染色粒向两侧伸出两个相类似的侧环,伸出的环是成对对称的,一个平均大小的环约含100kbDNA。　　较普遍存在于鱼类、两栖类和爬行类动物的卵母细胞中的一类形似灯刷的特殊Mitoticchromosome-centromereYeastcentromereMammaliancells:muchlonger,flankedbysatelliteDNA(卫星DNA)（三）端粒：Telomere 真核生物染色体线性DNA分子末端的特殊序列，由短而多的重复序列构成，由端粒酶合成。 功能：保护染色体末端免受降解AloopformsattheendofchromosomalDNATelomere:endofchromosomeTelomere&TelomeraseRepeatsequence:tetrahymena-TTGGGG;human-TTAGGG四膜虫*Tetrahymena:四膜虫,四膜虫([`tetre`haimene])是一种单细胞真核生物，分布在全球的淡水水域中，属于原生生物门(Protista)纤毛虫纲(Ciliophora)，与一般人熟知的草履虫(Paramecium)在型态生理上十分相似。四膜虫外观呈椭圆长梨状，体长约50微米，全身布满数百根长约4-6微米长的纤毛，纤毛排列成数十条纵列，是不同种间纤毛虫分类的特征之一。四膜虫身体前端具有口器(oralapparatus)，有三组三列的口部纤毛，早期在光学显微镜下观察时看似有四列膜状构造，因此据以命名。（四）、间期染色体InterphasechromosomesInterphase(分裂间期)-morediffuse(loopsmayremainattached)Metaphase(中期)-highlycondensedChromatin染色质=Euchromatin常染色质+Heterochromatin异染色质Euchromatin常染色质Interphasechromosomes1、Heterochromatin异染色质: 高度浓缩Stillhighlycondensed(visibleunderLM) 无转录活性Transcriptionallyinactive RepeatedsatelliteDNAclosetothecentromeres Wholechromosomee.g.oneXchromosomeinmammalsInterphasechromosomes2、Euchromatin常染色质:Morediffuse弥散.Consistingof30nmfiber(inactive)30nm纤丝,beads-on-a-string,andactivetranscrptionregiondepletedofnucleosome.Onlyaportion(~10%)ofeuchromatinistranscriptionallyactive.3、DNaseI超敏感性（DNaseIhypersensitivity）：染色质活性区，如进行转录时30nm纤丝的区域松散，暴露出DNA双链，对DNA酶I(DNasel)高度敏感。染色质对DNaseI的敏感性可用来定位细胞中具有转录活性的染色质。A.ShortregionsofDNaseIhypersensitivity:30nmfiberisinterruptedbythebindingofasequence-specificregulatoryproteinB.LongerregionsofDNaseIhypersensitivity:wheretranscriptionistakingplace.4、CpGmethylation(甲基化):CGisland(CG岛)真核生物DNA双螺旋中，胞嘧啶核苷的嘧啶环5位甲基化，并与其3’端的鸟嘌呤形成mCpG，是DNA甲基化的唯一形式。一般哺乳动物中，5％的胞嘧啶甲基化成为mCpG的形式，且在两条DNA双链对称出现。CpG的甲基化与染色质中的非转录区相连，而在整个基因组中未被甲基化的CpG，称为CG岛。CG岛常位于持家基因的启动子区域和第一个外显子区。Responsibleforimprinting(epigenetic)andmayalsotoRNAsilencing(沉默)CpG岛位于基因的启动子和第一个外显子区,富含CpG二核苷酸,故称为CpG岛,一般作为启动子和基因复制的起始区.在哺乳动物中,几乎所有的甲基化位点均在CpG二核苷酸,并通过对CpG的甲基化来调节基因的表达,因为DNA的甲基化可改变染色质的结构,从而引起不同DNA结合蛋白的结合*UnmethylatedCpGislandsinpromoterregionofhousekeepinggenesgi|1302603|emb|Z71685.1|SCYNR070WS.cerevisiaechromosomeXIVreadingframeORFYNR070wLength=7847CDS2783..67841621gctcataaccgtaattttattcgagacatttttggttacttcaaaatattgttattatat1681aaagatcatataaagttcttggacacgattggatacatttagttttatttttgaaaatca1741caaagatgaaacaaaataaaaaatgtcagcgtgccgcattgaaaggtaaaaactaaaattSex-specificmodeofinheritancedeterminedbythepatternofmethylationduringeachgametogenesise.g.mouseIgf2geneSupplementary*　　1969年由Beckwith和Wiedeman首次报道。编辑本段临床表现　　（一）主征：出生即身材巨大（出生体重平均4kg），巨舌，先天性脐疝，因此出生时即可确诊。孕期羊水过多，中度到重度智力低下。生长速度快，皮下组织厚，肌肉和皮下脂肪层肥厚，骨骼成熟快。低血糖。内脏肥大（肝大、胰脏大、肾大，肾髓质发育不良，女性卵巢、子宫、阴蒂及膀胱肥大）。新生儿期红细胞增多，适应能力差，常发生窒息、发绀、抽搐等严重症状。出生几年后生长速度逐渐减慢等。　　（二）其他：枕部隆凸，眼眶下部发育不良，前额、眼睑有毛细血管扩张性色素痣，耳垂有线形褶纹。女性双角子宫，男性有尿道下裂。部分患者有免疫缺陷、肾上腺瘤等。　　（三）AD。致病基因定位于染色体1lp15.5。 脐疝-巨舌-小脑综合症，母源IGF2甲基化丢失所致。小脑性共济失调，儿童期即多发肿瘤*Thisovergrowthsyndromeiscausedbymutationsinthechromosome11p15.5regionclosetothegenesforinsulin,SUR,KIR6.2,andIGF-2.Duplicationsinthisregionandgeneticimprintingfromadefectiveorabsentcopyofthematernallyderivedgeneareinvolvedinthevariablefeaturesandpatternsoftransmission.Hypoglycemiamayresolveinweekstomonthsofmedicaltherapy.Pancreaticresectionmayalsobeneeded.5、组蛋白变异体和修饰Histonevariantsandmodification:染色质的浓缩程度受到组蛋白修饰和变异体控制，一是对组蛋白的化学修饰，以改变其细胞周期中它们所带的电荷数；二是在特定的细胞类型中，或在不同的发育阶段通过组蛋白变异体调节基因的表达。如核心组蛋白的N端赖氨酸残基的乙酰化时与转录十分活跃；组蛋白H1的磷酸化与有丝分裂中染色体的浓缩关联。四、基因组的复杂度GenomeComplexityGenome(基因组):allDNAsequencesinacellGene(基因):astretchofcontinuousDNAsequenceencodingaproteinorRNA（一）、C-值矛盾真核生物中，每种生物的单倍体基因组的DNA总量是恒定的，称为C-值（C-value），是生物的个性。设想：一个生物的形态复杂性应该与其C－值的应成正比。低等生物符合此设想，较为进化的高等生物中其形态学复杂度与基因组DNA的总量不一致，称C－值矛盾（C-valueparadox）持家基因（组成型基因）：奢侈基因：Rangeofgenomesizeindifferentphyla显花植物鸟类哺乳动物爬行动物两栖动物真骨鱼软骨鱼棘皮动物甲壳动物昆虫软体动物蠕虫霉菌藻类真菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌支原体bpDrosophilagenomeGenomesizesGenome: Codingregion(编码区) Noncoding(非编码)DNA:introns(内含子),tandemlyrepeated(串连重复)sequences(e.g.satelliteDNA)orinterspersedrepeats分散重复(e.g.Aluelement).Uninterruptedgenesingenomes: E.coli 100% Yeast 96% Drosophila 17% Human 6%Humangenome:3.3billionbpwithca.30000genesUniquesequence:2.5%Retrovirus-likeretrotransposon(反转座子)(repetitive):11%denaturationRe-associationMeasuringandplotting（二）、复性动力学指示DNA的复杂性ReassociationkineticsHighlyrepetitiveDNAGenomicDNAextractionShearingorsonicationmoderatelyrepetitiveDNAuniqueDNASpectroscopy,hydroxyapatitechromotography 串联基因簇Tandem(串连)geneclusters:rDNA:45Sprecursor(18,5.8&28S)–10-10000copies(human:ca.5x40);histonegenes:>100. 中度重复序列(10-100/1000level) 分散重复DNA(Dispersed(分散)repetitiveDNA):e.g.AluandL1elements. 单一序列DNADispersedrepetitiveDNA:HumanAluelements:300bp,300000–500000copiesof80-90%identityL1element:AluandL1:almost10%ofhumangenome.Transposition(转座),asselfishorparasiticDNA,roleinevolutionHighlyrepetitive(高度重复):SatelliteDNA(卫星DNA)MousegenomeDNASatelliteDNA:30%GCEcoRI:234bpbandRepeats:GAAAAA(A/T)(G/C)T5’–ATAAACTATAAACTATAAACT–3’3’–TATTTGATATTTGATATTTGA–5’DrosophilavirilissatelliteDNArepeat(severalmillioncopies)nACAAACT,1.1x107bp,25%genomeATAAACT,3.6x106bp,8%genomeACAAATT,3.6x106bp,8%genomeAATATAG,crypticSatellitescomprisemorethan40%ofthegenome（三）、遗传多态性同一种类的不同染色体或不同个体之间的某一染色体的相同区域，由于基因或染色体基因座上的碱基变化(突变)能使该基因座产生多种形式(多形体)，称为基因的多态性。基因的多态性可以描述单个个体中单拷贝基因的不同突变遗传因子。包括单核苷酸多态性(SNP)和简单序列长度多态性(SSLP)，其中SNP可创造或破坏限制酶的识别序列，结果产生了限制性片段长度多态性(RFLP)。图.沉积物总DNA浓度梯度PCR扩增结果图.海水样品真细菌文库中克隆的16SrDNARFLP结果Fig.3-2Resultof16SrDNARFLPoftheclonesfromtheseawatersample●基因组很小，大多只有一条染色体●结构简炼,一般不具有核小体结构；●存在转录单元(trnascriptionaloperon)多顺反子(polycistron)X174D-E-J-F-G-HmRNA蛋白J、F、GHDEE.coli色氨酸操纵子9个顺反子9个酶1、原核生物基因组结构特点五、原核生物和真核生物基因组结构特点比较●有重叠基因（Sanger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3×109bp、染色质、核膜●单顺反子●基因不连续性断裂基因（interruptedgene）、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■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。*　动粒(ki`netochore)　　动粒是由着丝粒结合蛋白在有丝分裂期间特别装配起来的、附着于主缢痕外侧的圆盘状结构，内侧与着丝粒结合，外侧与动粒微管结合。每一个中期染色体含有两个动粒,位于着丝粒的两侧。　　哺乳动物的动粒可分为三个不同的区域:即内层、中间层和外层,直径约为200nm。中间层(middlelayer)染色浅,它将内层和外层隔开，中间层有一些纤维，它起着联系内外两层结构的桥梁作用;内层(innerlayer)是染色质的特化层,它附着在着丝粒的异染色质上;外层(outerlayer)含有与微管正端结合的蛋白质。*果蝇体细胞中有8条染色体；多线染色体的形成是由于唾液腺处染色体复制了很多次，但染色单体之间不分开所致，比其它的染色体大200倍灯刷染色体是卵母细胞进行第一次减数分裂时,停留在双线期的染色体。它是一个二价体,含4条染色单体,由轴和侧丝组成,形似灯刷。染色体轴由染色粒(chromomere,是指染色质凝集而成的颗粒)轴丝构成,每条染色体轴长400μm,从染色粒向两侧伸出两个相类似的侧环,伸出的环是成对对称的,一个平均大小的环约含100kbDNA。　　较普遍存在于鱼类、两栖类和爬行类动物的卵母细胞中的一类形似灯刷的特殊*Tetrahymena:四膜虫,四膜虫([`tetre`haimene])是一种单细胞真核生物，分布在全球的淡水水域中，属于原生生物门(Protista)纤毛虫纲(Ciliophora)，与一般人熟知的草履虫(Paramecium)在型态生理上十分相似。四膜虫外观呈椭圆长梨状，体长约50微米，全身布满数百根长约4-6微米长的纤毛，纤毛排列成数十条纵列，是不同种间纤毛虫分类的特征之一。四膜虫身体前端具有口器(oralapparatus)，有三组三列的口部纤毛，早期在光学显微镜下观察时看似有四列膜状构造，因此据以命名。CpG岛位于基因的启动子和第一个外显子区,富含CpG二核苷酸,故称为CpG岛,一般作为启动子和基因复制的起始区.在哺乳动物中,几乎所有的甲基化位点均在CpG二核苷酸,并通过对CpG的甲基化来调节基因的表达,因为DNA的甲基化可改变染色质的结构,从而引起不同DNA结合蛋白的结合**　　1969年由Beckwith和Wiedeman首次报道。编辑本段临床表现　　（一）主征：出生即身材巨大（出生体重平均4kg），巨舌，先天性脐疝，因此出生时即可确诊。孕期羊水过多，中度到重度智力低下。生长速度快，皮下组织厚，肌肉和皮下脂肪层肥厚，骨骼成熟快。低血糖。内脏肥大（肝大、胰脏大、肾大，肾髓质发育不良，女性卵巢、子宫、阴蒂及膀胱肥大）。新生儿期红细胞增多，适应能力差，常发生窒息、发绀、抽搐等严重症状。出生几年后生长速度逐渐减慢等。　　（二）其他：枕部隆凸，眼眶下部发育不良，前额、眼睑有毛细血管扩张性色素痣，耳垂有线形褶纹。女性双角子宫，男性有尿道下裂。部分患者有免疫缺陷、肾上腺瘤等。　　（三）AD。致病基因定位于染色体1lp15.5。*Thisovergrowthsyndromeiscausedbymutationsinthechromosome11p15.5regionclosetothegenesforinsulin,SUR,KIR6.2,andIGF-2.Duplicationsinthisregionandgeneticimprintingfromadefectiveorabsentcopyofthematernallyderivedgeneareinvolvedinthevariablefeaturesandpatternsoftransmission.Hypoglycemiamayresolveinweekstomonthsofmedicaltherapy.Pancreaticresectionmayalsobeneeded.