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2. 第二章 染色体与DNA 本章将介绍DNA的结构和从一代细胞岛到下一代细胞的传递、遗传及变异等过程。 南京农业大学 生命科学学院

3. 第二章 染色体与DNA 南京农业大学 生命科学学院 第一节 染色体 第二节DNA的结构 第三节DNA的复制 第四节 原核生物和真核生物DNA复制特点 第五节DNA的修复 第六节DNA的转座

4. 第一节 染色体 由于亲代能够将自己的遗传物质DNA以染色体的形式传给子代，保持物种的稳定性和连续性。因此，人们普遍认为染色体在遗传上起着主要作用。 人类22对染色体及性染色体 性染色体扫描电镜图 南京农业大学 生命科学学院

5. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 1.染色体概述： 19世纪中叶，细胞生物学家在光学显微镜下，在细胞分裂时观察到存在于细胞核中的棒状可染色结构并将其命名为染色体。 染色体包括DNA和蛋白质两部分。同一物种内每条染色体所带的DNA的量是一定的，但不同的染色体或不同物种之间变化很大，从上百万到几亿个核苷酸对不等。此外，组成染色体的蛋白质（组蛋白和非组蛋白）的种类和含量也是十分稳定的。

6. 第一节 染色体 左图为人类染色体，在光镜下即可观察其形态，右图为电镜图片，可见不规则的染色质。 南京农业大学 生命科学学院 1.染色体概述： 染色体在细胞分裂间期表现为染色质。染色体与染色质是同一种物质的两种形态。伸展的染色质形态有利于在它上面的DNA储存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分。

7. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 1.染色体概述： • 原核细胞染色体： • 一般只有一条大染色体且大都带有单拷贝基因，除少数基因外（如rRNA基因）。 • 整个染色体DNA几乎全部由功能基因和调控序列所组成。 • 几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对应关系。

8. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 2.真核细胞染色体的组成： 真核生物染色体中DNA相对分子质量一般大大超过原核生物，并结合有大量的蛋白质，结构非常复杂。其具体组成成分为：组蛋白、非组蛋白、DNA。 在真核细胞染色体中，DNA与蛋白质完全融合在一起，其蛋白质与相应DNA的质量之比约为2:1。这些蛋白质在维持染色体结构中起着重要作用。

9. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 2.1. 组蛋白 组蛋白是染色体的结构蛋白，其与DNA组成核小体。根据其凝胶电泳性质可将其分为H1、H2A、H2B、H3及H4。

10. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 2.1. 组蛋白 • 组蛋白的特性： • 进化上极端保守性。其中H3、H4最保守，H1较不保守。 • 无组织特异性。到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。 • 肽链上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。例如，N端的半条链上净电荷为+16，C端只有+3，大部分疏水基团都分布在C端。 • 组蛋白的修饰作用。包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。 • 富含赖氨酸的组蛋白H5。H5赖氨酸含量高达24%。

11. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 2.2. 非组蛋白 • 染色体上除了存在大约与DNA等量的组蛋白以外，还存在大量的非组蛋白。 • 非组蛋白的量大约是组蛋白的60%～70%，但它的种类却很多，约在20-100种之间，其中常见的有15-20种。 非组蛋白的组织专一性和种属专一性。 • 非组蛋白包括酶类、骨架蛋白、核孔复合物蛋白以及肌动蛋白、肌球蛋白等。它们也可能是染色质的组成成分。 • 几类常见的非组蛋白： • HMC蛋白。一般认为可能与DNA的超螺旋结构有关。 • DNA结合蛋白。可能是一些与DNA的复制与转录有关的酶或调解物质。 • A24非组蛋白。位于核小体内，功能不详。

12. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 2.3. DNA • 真核细胞基因组最大的特点是好有大量的重复序列，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：一种生物单倍体基因组DNA的总量。 • 一般情况，真核生物C值是随着生物进化而增加，高等生物的C值一般大于低等生物。（下页左图） • 进一步研究发现，某些两栖类C值大于哺乳动物，而且在两栖类中C值变化也很大，可相差100倍。（下页右图）

13. 由此推断，许多DNA序列不编码蛋白质，是无生理功能的。由此推断，许多DNA序列不编码蛋白质，是无生理功能的。 • 根据对DNA的动力学研究，真核生物DNA序列大致可分为3类： • 不重复序列、中度重复序列、高度重复序列。 1 南京农业大学 生命科学学院

14. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 2.3. DNA 不重复序列。在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占DNA总量的40%－80%。不重复序列长约750－2000dp，相当于一个结构基因的长度。单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质 。如蚕丝心蛋白基因。 中度重复序列。 这类重复序列的重复次数在10－104之间，占总DNA的10%－40%。各种rRNA、tRNA 及组蛋白基因等都属这一类。 高度重复序列——卫星DNA。 这类DNA只在真核生物中发现，占基因组的10%—60%，由6—100个碱基组成，在DNA链上串联重复几百万次。由于碱基的组成不同，在CsCl密度梯度离心中易与其他DNA分开，形成含量较大的主峰及高度重复序列小峰，后者又称卫星区带（峰）。

15. 第一节 染色体 2.4. 真核细胞染色体的结构 • 真核细胞染色体的DNA如图所示，经过四级压缩，长度压缩将近10000倍。 • 四级分别为： • 核小体 • 螺线管 • 超螺旋圆筒 • 染色单体 南京农业大学 生命科学学院

16. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 2.4. 真核细胞染色体的结构 • 核小体 • 核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。 • 在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成1/7，200bpDNA的长度约为68nm，却被压缩在10nm的核小体中。 • 核小体串联起来形成10nm纤维。

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18. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 2.4. 真核细胞染色体的结构 • 螺线管 • 螺线管是由10nm染色质细丝盘绕形成的螺旋管状细丝，表现为30nm纤维。 • 螺线管每一螺旋包含6个核小体，压缩比为6。 • 这种螺线管是分裂间期和分裂前期染色体的基本组分。

19. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 2.4. 真核细胞染色体的结构 • 超螺旋圆筒 • 有迹象表明：中期染色质是一细长、中空的圆筒，直径4000nm，由30nm的螺线管缠绕而成，压缩比为40。 • 染色单体 • 染色单体由超螺旋圆筒再压缩5倍而成。

20. 第一节 染色体 南京农业大学 生命科学学院 3. 原核生物基因组： • 原核生物基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少。如大肠杆菌DNA仅4.6Mb，完全伸展总长约为1.3mm，含4000多个基因。 • 从基因组的结构来看，原核细胞DNA有如下特点： • 结构简练。非编码序列极少，这与真核细胞DNA冗余现象完全不同。 • 存在转录单元。多顺反子mRNA。 • 有重叠基因。同一段DNA含有两种不同蛋白质的信息。

21. 第二节 DNA的结构 第二节 DNA的结构 南京农业大学 生命科学学院

22. 第二节 DNA的结构 南京农业大学 生命科学学院 • DNA作为遗传物质的主要优点： • 信息量大，可以缩微 • 表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理 • 核糖的2’脱氧，在水溶液中稳定性好 • 可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群体是有利的） • 有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜在危险。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以灵敏识别DNA中的U而随时将其剔除）。

23. 第二节 DNA的结构 南京农业大学 生命科学学院 1. DNA的一级结构 Watson和Crick于1953年提出了著名的DNA双螺旋模型。 DNA又称脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid）。 DNA的一级结构即是指四种 核苷酸的连接及排列顺序， 表示该DNA分子的化学构成。 DNA有脱氧核苷酸聚合而成。 碱基的不同决定了脱氧核苷 酸的不同。

24. 第二节 DNA的结构 南京农业大学 生命科学学院 1. DNA的一级结构 脱氧核苷酸由碱基（A、T、G、C）、脱氧核糖及磷酸基团组成。以下是脱氧核苷酸及碱基结构式。

25. 第二节 DNA的结构 南京农业大学 生命科学学院 1. DNA的一级结构 脱氧核苷酸之间由3’→5’磷酸二酯键连接成DNA链，两条链的碱基通过氢键实现AT、GC配对。

26. 第二节 DNA的结构 南京农业大学 生命科学学院 1. DNA的一级结构 • DNA一级结构特点是： • DNA分子由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成。 • DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。 • 两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有一定的规律。这就是嘌呤与嘧啶配对（A与T，G与C配对）。碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则。由于碱基可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。

27. 第二节 DNA的结构 南京农业大学 生命科学学院 2. DNA的二级结构 DNA二级结构是指两条多核苷酸链反相平行盘绕所生成的双螺旋盘绕结构。 DNA有三种构想：A-DNA、B-DNA、Z-DNA，其中AB为右手构象，Z为左手构想。 B型为普遍存在的结构。 A型、Z型可能具有不同 的生物活性 还存在其他构型。

28. 第二节 DNA的结构 南京农业大学 生命科学学院 2. DNA的二级结构 • B-DNA特点： • 螺旋直径2nm • 链间有螺旋形凹槽，较小的为小沟（1.2nm），较大的为大沟（2.2nm） • 碱基间距0.34nm • 每轮碱基数10 • 碱基平面与纵轴垂直

29. 第二节 DNA的结构 拓扑异构酶 拓扑异构酶 正超螺旋 松弛DNA 负超螺旋 溴乙啶 溴乙啶 南京农业大学 生命科学学院 3. DNA的高级结构 DNA的高级结构指DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构。 超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋和负超螺旋两类，它们在不同类型的拓扑异构酶作用下或特殊情况下可相互转变，如：

30. 第二节 DNA的结构 螺旋 超螺旋 南京农业大学 生命科学学院 3. DNA的高级结构 • DNA的超螺旋结构形成的意义： • 使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中； • 推动DNA结构的转化以满足 功能上的需要。如负超螺旋 分子所受张力会引起互补链 分开导致局部变性，利于复 制和转录。

31. 第三节 DNA的复制 南京农业大学 生命科学学院 双链DNA的复制是一个非常复杂的过程，在复制的起始、延伸和终止三个阶段，需要多种酶和蛋白质的协同参与。

32. 第三节 DNA的复制 南京农业大学 生命科学学院 1. DNA的半保留复制 Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时即推测，DNA在复制时首先两条链之间的氢键断裂两条链分开，然后以每一条链分别做模板各自合成一条新的DNA链，这样新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式为半保留复制。

33. 第三节 DNA的复制 南京农业大学 生命科学学院 1. DNA的半保留复制 1958年，Meselson和Stahl研究了经15N标记3个世代的大肠杆菌DNA，首次证明了DNA半保留复制。

34. 第三节 DNA的复制 南京农业大学 生命科学学院 2. 复制的起点、方向和速度 复制时，双链DNA要解开成两股链进行，使复制起点呈叉状，被称为复制叉。 复制子为生物体DNA的复制单位。

35. 第三节 DNA的复制 南京农业大学 生命科学学院 2. 复制的起点、方向和速度 复制时，复制叉从复制起点开始沿着DNA链连续移动，起始点可以启动单向复制或者双向复制。这取决于复制起点形成一个复制叉还是两个复制叉。如右图：

36. 第三节 DNA的复制 南京农业大学 生命科学学院 2. 复制的起点、方向和速度 DNA复制时，复制方向有5’向3’复制，前导链连续合成，后随链合成不连续，形成冈崎片段。如图：

37. 第三节 DNA的复制 南京农业大学 生命科学学院 2. 复制的起点、方向和速度 • DNA复制： • 复制起点是固定的，表现为固定序列，并识别参与复制起始的特殊蛋白质。 • 复制叉移动的方向和速度虽多种多样，但以双向等速为主

38. 第三节 DNA的复制 南京农业大学 生命科学学院 3. 复制的几种主要方式 • 线性DNA双链复制 如右图： • 环状DNA双链复制 • θ型 • 滚环型 • D-环型

39. 环状DNA复制 • θ型 • 滚环型 • D-环型 南京农业大学 生命科学学院

40. 第四节 原核、真核生物DNA复制特点 南京农业大学 生命科学学院 1. 原核生物DNA复制的特点 • DNA双螺旋的解旋。 • 首先在拓扑异构酶I的作用下解开负超螺旋，并由解链酶解开双链， • 接着由SSB蛋白来稳定解开的单链，以保证该局部结构不会恢复为双链。

41. DNA复制的引发。 • 首先由引发酶（一种RNA聚合酶）在DNA模板上合成一段RNA链, • 接着由DNA聚合酶从RNA引物3’端合成新DNA链 • 后随链的引发过程由引发体来完成 南京农业大学 生命科学学院

42. 冈崎片段与半不连续复制 • 已知DNA聚合酶的合成方向都是5’→3’，这使得后随链无法连续合成。 • 后随链以5’→3’的方式先合成片段（冈崎片段），在连接为完整的链。 南京农业大学 生命科学学院

43. 复制的终止 • 当复制叉前移，遇到约22个碱基的重复性终止序列（Ter）时，Ter-Tus复合物能阻止DNA的解链，阻挡复制叉的前移。 • 复制停止后，仍有50-100bp未被复制，将由修复方式填补空缺，而后两链解开。 南京农业大学 生命科学学院

44. DNA聚合酶 • 现已知大肠杆菌存在DNA聚合酶I、II、III、IV和V。 • DNA聚合酶I 非主要聚合酶，可确保DNA合成的准确性，并可切除紫外线照射产生的嘧啶二聚体。 • DNA聚合酶II 主要生理功能为修复DNA。 • DNA聚合酶III 为主导聚合酶。 • DNA聚合酶IV和V主要在SOS修复中起作用。 南京农业大学 生命科学学院

45. 第四节 原核、真核生物DNA复制特点 南京农业大学 生命科学学院 2. 真核生物DNA复制的特点： • 真核生物每条染色体上可以有多个复制起点。 • 真核生物DNA在完成复制前不能开始新的复制，而原核生物则可以连续开始新的DNA复制，一个复制单元多个复制叉。 • DNA复制只能在分裂期进行。 • 复制起点为自主复制序列（ARS）。 • 复制叉移动速度慢，仅50bp/s，不到大肠杆菌的1/20。 • 真核生物DNA聚合酶有15种以上，其中 • DNA聚合酶α功能主要是引物合成。 • DNA聚合酶δ主要负责DNA的复制。 • 还存在其它一些酶，ζ、η、ι、κ等，有修复损伤功能

46. 第四节 原核、真核生物DNA复制特点 南京农业大学 生命科学学院 2. 真核生物DNA复制的特点： 真核生物DNA聚合酶

47. 第四节 原核、真核生物DNA复制特点 南京农业大学 生命科学学院 3. DNA复制的调控： • 原核细胞内复制叉的多少决定了复制起始频率的高低，复制起始频率的直接调控因子是蛋白质和RNA。 • 大肠杆菌染色体DNA复制起点编码复制调节蛋白质、复制起点与调节蛋白质相互作用并启动复制。 • ColE1质粒DNA的复制调控。其复制不依赖本身编码的蛋白质，而完全依靠宿主DNA聚合酶I。

48. 第四节 原核、真核生物DNA复制特点 南京农业大学 生命科学学院 3. DNA复制的调控： • 真核细胞DNA的复制调控。DNA复制只发生在分裂期，其有3个水平的调控。 • 细胞生活周期水平的调控。也称限制点调控，即决定细胞停留在G1还是进入S期。 • 染色体水平调控。决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一定顺序在S期进行复制。 • 复制子水平调控。决定复制的起始与否，这宗调控从单细胞生物到高等生物是高度保守的。

49. 第五节 DNA的修复 南京农业大学 生命科学学院 由于染色体DNA在生命过程中占有至高无上的地位，DNA的复制的准确性以及DNA日常保养中的损伤修复就有着特别重要的意义。下表是大肠杆菌中的DNA修复系统：

50. 第五节 DNA的修复 胞嘧啶氧化脱氨 C→A复制错误 南京农业大学 生命科学学院 1. DNA的突变 DNA的突变分为两大类：单碱基改变和DNA结构畸变。 单碱基改变。如下图：