第二章 染色体与DNA
染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期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(chromatin)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。
原核生物(prokaryote) ：DNA形成一系列的环状附着在非组蛋白上形成类核。 染色体由DNA和蛋白质组成。
蛋白质由非组蛋白和组蛋白（H1,H2A,H2B,H3,H4） DNA和组蛋白构成核小体。 组蛋白的一般特性：P24 ①进化上的保守性 ②无组织特异性
③肽链氨基酸分布的不对称性：碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。 ④组蛋白的可修饰性:甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。
⑤ H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%）(鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5) 组蛋白的可修饰性
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。 2、DNA
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上升，称为增色效应。
■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) 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‖。
（四）核小体(nucleosome)：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核[（H2A、H2B、H3、H4)*2的八聚体】构成的。
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1、原核生物基因组结构特点
● 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)
重叠基因由基因内基因、部分重叠基因、一个碱基重叠组成。 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（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101～104。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 ■ 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。
1、 DNA的一级结构：指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序， DNA序列是这一概念的简称。碱基序列 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）。
2、DNA 的二级结构：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。 2）分类：
右手螺旋：A-DNA，B-DNA 左手螺旋：Z-DNA
3、DNA的高级结构：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）
（一）DNA的半保留复制（semi-nservative replication）
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。 3、DNA半保留复制的生物学意义：DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，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：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP) 2、模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA 3、引物：DNA的合成需要一段RNA链作为引物
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4、引物合成酶（引发酶）：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。 5、 DNA聚合酶: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 ? 性质 聚合酶Ⅰ 聚合酶Ⅱ 聚合酶Ⅲ + + 3' 5 '外切活性 + - - 5' 3 '外切活性 + 5' 3'聚合活性 + 中 + 很低 + 很高 - - + 新生链合成 聚合酶Ⅰ主要是对DNA损伤的修复；以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙。
聚合酶Ⅱ修复紫外光引起的DNA损伤
聚合酶Ⅲ 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
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 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ε蛋白
拓扑异构酶Ⅱ：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 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。 E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶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------ ftju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。
从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子
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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 双链解开、复制起始P44
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， 3、DNA链的延伸
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；合成方向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。
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??3 ?的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。
4、切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段（复制终止）
当复制叉遇到约22个碱基的重复性终止子序列（Ter）时，Ter-Tus蛋白复合物能使DnaB不再将DNA解链，阻挡复制叉继续前移。P47 在DNA聚合酶Ⅰ催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶Ⅰ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 （四）复制的几种主要方式 P42 1、双链环状、θ型复制、双向等速 2、滚环型：
（1）模板链和新合成的链分开;
（2）不需RNA引物，在正链3?－OH上延伸 （3）只有一个复制叉;
3、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（约150bp左右）； 2、复制叉移动的速度较慢（约50bp／秒），仅为原核生物的1／10。
3、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；真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。 4、真核生物有多种DNA聚合酶。
5、真核生物DNA复制过程中的引物及冈崎片段的长度均小于原核生物。（真核冈崎片段长约100-200bp，原核冈崎片段长约1000-2000bp。） （六）原核和真核生物DNA的复制特点比较 ① 复制起点（ori）：原核一个，真核多个；
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② 复制子 ：原核一个，真核多个； ③ 复制子长度：原核长；真核短； ④ 复制叉：原核多个；真核多个；
⑤ 复制移动速度：原核较快；真核较慢；
⑥ 真核生物染色体在全部完成复制前，各起始点的DNA 复制不能再开始。而在 快速生长的原核生物中，复制起点上可以连续开始新的DNA复制。
⑦ 原核生物染色体的复制与细胞分裂同步，可以多次复制；真核生物染色体的复制发生在S期，是细胞分类的特定时期，而且仅此一次。 四、DNA的修复 DNA修复系统 功能 错配修复 恢复错配 碱基切除修复 切除突变的碱基 核甘酸切除修复 修复被破坏的DNA DNA直接修复 修复嘧啶二体或甲基化DNA SOS系统 DNA的修复，导致变异 1、错配修复 （mismatch repair）
●Dam甲基化酶使母链位于5‘GATC序列中腺甘酸甲基化 ●甲基化紧随在DNA复制之后进行（几秒种后至几分钟内）
●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 2、碱基切除修复 excision repair
所有细胞中都带有不同类型、能识别受损核苷酸位点的糖苷水解酶，它能特意切除受损核苷酸上的N-β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。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 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 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 SOS反应 (SOS response)：是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的 一种应急措施。
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分子生物学课件重点整理 朱玉贤
