第二章

染色体与DNA 2. 染色体与DNA

2.1 染色体

chromosome

2.1.1 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：①分子结构相对稳定；②能 够自我复制，使亲代、子代之间保持连续性；③能够指导蛋白质的合成； ④能够产生可遗传的变异。

原核生物染色体结构

鞭毛

核糖体

Nucleoid (类核,拟核) – Bacterial chromosome 细菌染色体
Prokaryotic chromosome structure

DNA domains(结构域)/loops(环)
? 50-100 domains or loops per E. coli chromosome ? The ends of loops are constrained (束缚) to proteinmembrane core or scaffold(骨架)

? 原核生物DNA的主要特征：
一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因
极少数基因如rRNA基因，以多拷贝形式存在 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他编码的蛋白质序列 呈线性对应状态

真核生物(Eukaryotic) chromosome structure
真核生物细胞DNA的总长度因不同的种而异,比原核生 物基因组相比大数千倍,并由一定数目的分散的染色体 组成,人类染色体为46条.

每条染色体的DNA为单一线性分子,长度可达几厘米. 所有这些DNA分子必须被包装进大小相当于细菌细胞 的细胞核内。

2.1.2 真核细胞染色体的组成
基因表达调控不仅与DNA序列相关，而且与染色体的 结构相关。 染色体的组份：DNA、蛋白质、RNA
?Each

DNA and its associated proteins is called a chromosome

1、蛋白质
组蛋白、非组蛋白

1）组蛋白 Histone
是指所有真核生物的核中，与DNA结合存在的碱性蛋白 质的总称。

真核生物体细胞染色质中的碱性蛋白质，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。
组蛋白与带负电荷的双螺旋DNA结合成DNA-组蛋白复 合物。因氨基酸成分和分子量不同，主要分成5类。 通常含有H1，H2A，H2B，H3，H4等5种成分。 分子量约10 000～20 000。

Histones (组蛋白)
1. The major protein compon

ents of chromatin 2. Four families of core histone: H2A, H2B, H3 and H4, and an additional histone H1 3. Small, 10 kDa for core histones and 23 kDa for H1. 4. Basic (rich in lysine赖氨酸 and arginine精氨酸) and tightly binds to DNA

Histone octamer (组蛋白八聚体)

组蛋白的一般特性
1.进化上的极端保守性。牛、猪、大鼠的H4氨基酸序 列完全相同。牛的H4序列与豌豆序列相比只有两个氨 基酸的差异（豌豆H4中的异亮氨基酸60→缬氨酸60， 精氨酸77→赖氨酸77）。H3的保守性也很大，鲤鱼与 小牛胸腺的H3只差一个氨基酸，小牛胸腺与豌豆H3只 差4个氨基酸。 2.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。

3.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，H4 N端的半条链上净电荷 +16，C端只有+3，大部分疏水基团都分布在C端。 4.组蛋白的修饰作用。组蛋白可受到甲基化、乙酰化、 磷酸化、聚ADP核糖酰化，以及与泛醌(ubiquinone)相 结合等几种类型的修饰。组蛋白的修饰与染色质结构的 变化及基因活性控制的相关性等等，是今后的重要研究 课题。

5.富含赖氨酸的组蛋白H5。赖氨酸24%、丙氨酸 16%丝氨酸13%、精氨酸11%。 鸟类、两栖类、鱼类 红细胞分离的H5均有种的特异性。在停止增殖的细胞 中，还含有一种叫H1°的组蛋白，H1°的结构与H5相 类似。

组蛋白的作用
一般认为组蛋白作为结构支持体的作用比其基因调节作 用更为重要。

2）非组蛋白 hertone;nonhistone
非组蛋白是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质。 组蛋白是碱性的，而非组蛋白则大多是酸性的。

非组蛋白不仅包括以DNA作为底物的酶，也包括 作用于组蛋白的一些酶，如组蛋白甲基化酶。此外还包 括DNA结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白。由于 非组蛋白常常与DNA或组蛋白结合，所以在染色质或染 色体中也有非组蛋白的存在, 如染色体骨架蛋白。 染色体的高级结构，由于受细胞的生理状态变化 的影响而发生变化。因此认为，非组蛋白的功能是： (1)酶(RNA合成酶、蛋白质磷酸化酶等)； (2)遗传信息的保持和表达调节(HMG14，HMG17及许 多酸性染色体蛋白质)； (3)染色体的结构支持体(matrix protein，基质蛋白质等； scaffold protein，支架蛋白质)等。

非组蛋白的一般特性
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。 非组蛋白的多样性。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。

几类常见的非组蛋白
a.HMG蛋白（high mobility

group protein）。这是一类 能用低盐（0.35mol/L NaCl）溶液抽提、能溶于2%的 三氯乙酸、相对分子质量较低的非组蛋白，相对分子质 量都在3.0×104以下。
能与DNA结合，与H1作用

b. DNA结合蛋白。用2mol/L NaCl除去全部组蛋白和 70%非组蛋白后，还有一部分蛋白必须用2mol/L NaCl 和5mol/L尿素才能与DNA解离。这些蛋白分子量较低， 约占非组蛋白的20%，染色质的8%。

2、真核生物基因组DNA

真核生物基因组最大特点： 具有大量重复序列， 功能DNA序列被不编码的序列隔开。

C值（C value）：单倍体DNA的总量 C值反常现象 转座？ 整合？

真核生物基因组DNA序列的分类
慢复性组分 非重复序列 单拷贝序列 基因

中间复性组分 中度重复序列 调控作用

快复性组分 高度重复序列

一般不转录

不同序列中非重复序列比例差异大

1) 单拷贝序列
单拷贝序列在单倍体基因组中只出现一次或数次， 因而复性速度很慢。单拷贝序列在基因组中占50-80％， 如人基因组中，大约有60-65％的序列属于这一类。 单拷贝序列中储存了巨大的遗传信息，编码各种不 同功能的蛋白质。目前尚不清楚单拷贝基因的确切数字， 但是是有其在单拷贝序列中只有一小部份用来编码各种 蛋白质，其他部份的功能尚不清楚

2）中度重复序列

Alu重复序列

? 基因簇（gene cluster）

非洲爪蟾的18S、5.8S及28SrRNA基因是连在一起的，中 间隔着不转录的间隔区，这些单位在DNA链上串联重复约 5000次。在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次不同 比例的复制，产生2×106个拷贝，使rDNA占卵细胞DNA 的75%，从而使该细胞能积累1012个核糖体

3） 高度重复序列
? 卫星DNA（satellite DNA）
? 隐蔽卫星DNA ? 异染色质部分， 与其稳定相关！？

3、染色质和核小体

真核生物基因组的特点
1、 大 2、 重复序列 3、 非编码序列

4、 转录产物是单顺反子
5、 断裂基因，内含子 6、 顺式作用元件

7、 DNA多态性
8、 端粒

2.1.3 原核生物基因组
? 细菌基因组的结构特点： 1. 拟核（类核）结构； 2. 存在转录单元（多顺反子）结构； 3. 除RNA基因外，基本是单拷贝的； 利于核糖体的快速组装，短时间内合成 大量核糖体。 4. 非编码序列相对较少； 5. 存在不同的功能识别区 复制起始区、复制终止区等 6. 有重叠基因

大肠杆菌基因组结构：

1. 基因组DNA在4000kb，估计有3500个基因， 已确定的基因有900个，已确定有260个基因 具有操纵子结构（75个操纵子中），每个基因 平均长度1000bp；

2. 已确定的基因中，多数是与代谢有关的酶、
核糖体蛋白；

3. 大多数基因是随机分布的，两条单链作为
模板的概率基本相等；

4. 多数基因都是单

拷贝。

2.2 DNA的结构
DNA的组成

Nucleoside

phosphoester bond
glycosidic bond

?2.2.1 DNA的一级结构: 就是指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。

? 核苷酸序列对DNA高级结构的形成有很大影响。

? 例如： B-DNA中多聚（G-C）区易出现左手螺
旋DNA（Z-DNA）；反向重复的DNA片段易出

现发卡式结构等 。

2.2.2 DNA二级结构 ? 其基本特点是： ? 1、DNA分子的两条主干链反向平行 。 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。

绕DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称 为大沟，窄沟称为小沟。大沟，小沟都、是由于碱基 对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。

?2、侧链碱基互补配对规律 这就是嘌呤与嘧啶配对，而且腺嘌呤（A）只能 与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）只能与胞嘧啶

（C）配对。如一条链上某一碱基是C，另一条链上
与它配对的碱基必定是G。碱基之间的这种一一对应

的关系叫碱基互补配对原则。
组成DNA分子的碱基虽然只有4种，它们的配对 方式也只有A与T，C与G两种，但是，由于碱基可以 任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。 例如，某DNA分子的一条多核苷酸链有100个不

同的碱基组成，它们的可能排列方式就是4100 。

? 3、双螺旋立体结构

?DNA的分子构型 ( B, Z, A ) 比较

当DNA钠盐 在92％相对湿 度下,DNA呈B 型双螺旋。 构型当DNA 钠盐在75％相 对湿度下，则 呈现A型双螺旋。 当DNA钠盐 的相对湿度更 低或在一些人 工合成的DNA 链中,还会出现 一些其他构型

A

B

Z

A

B

Z

DNA的分子构型 ( B, Z, A ) 比较:
A-DNA是DNA的脱水构型，右手螺旋，每螺旋含有11 个核苷酸对。比较短和密，其平均直径是2.3nm。大沟 深而窄，小沟宽而浅。在活体内DNA并不以A构型存在， 但细胞内DNA-RNA或RNA-RNA双螺旋结构，却与A-

DNA非常相似。
B-DNA是DNA在生理状态下的构型。大多数DNA以BDNA形式存在。但当外界环境条件发生变化时，DNA 的构型也会发生变化。 Z-DNA是左手螺旋。当某些DNA序列富含G-C，并且 在嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成Z-DNA。其每螺旋 含有12个核苷酸对，平均直径是1.8nm，并只有一个深 沟。

核酸分子的二级结构(分别出现在DNA复制，

转录，重组等阶段)

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 ，pH值，，尿素，甲酰胺等

Tm )

变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度