DNA超螺旋基因组染色体.ppt

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1、 2-1 DNA超螺旋与拓扑异构现象 第二章 DNA、染色体与基因组 Superhelix of SV40 DNA (Vinograd, 1965) 一、 DNA超螺旋 （ superhelix or supercoil） DNA超螺旋结构 Linear DNA. L Open Circle DNA OC relexed form Supercoiled circle(高级结构 ) Covalent Closed Circle CCC 指双螺旋环状分子再度螺旋化即成为超螺旋结构。 超 螺 旋 形 成 示 意 末端固定的线型双螺旋 额外的张力不能释放 双螺旋以扭曲方式缓 解应力，形成超螺旋 二、

2、 DNA超螺旋的方向性 松弛（ relaxed）状态： DNA在水溶液中 , 构型偏 B型状 态。 DNA以 10.5 bp/helix为最稳定构型。 正超螺旋： 小于 10.5bp/helix，则其二级结构处于紧缩 状态，由此产生的超螺旋为正超螺旋。 负超螺旋： 大于 10.5bp/helix，则其二级结构处于松缠 状态，由此产生的超螺旋为负超螺旋。 由此可见，超螺旋总是要向着抵消初级螺旋改变 的方向发展；双螺旋 DNA的松开导致形成负超螺旋； 而 DNA的拧紧，则导致形成正超螺旋；所有的超螺旋 都比松弛型含有更多的自由能。 拓扑学 (topology)是研究几何图形在平面位臵关系不 变情况

3、下空间结构变化规律的数学分支。 三、 DNA超螺旋拓扑学定义 实验证明，细胞内的 DNA存在拓扑异构现象 (topoisome)，即在保持 DNA一级和二级结构不变的情 况下，两条单链可以相互缠绕，形成不同的空间构型。 超螺旋发生的规律 Vinograd. J (1968) Vinograd equation L = T + W ( = + ) L Linking number ( 双链 DNA的交叉数 ) T Twisting number (双链 DNA的缠绕数，初级螺旋圈数，即 DNA分子中的 Watson-Crick螺 旋周数，其数值可直接在处于最稳定状态下的双链环形（或超螺旋形式）

4、DNA 中的实际螺旋周数计数得到，不一定是整数 ) W Writhing number (直观上为双螺旋数 , 可为小数 ) W= 负值 （ negative superhelix） W = 正值 ( positive superhelix） Non-breaking Non-unwinding Non-overwinding L为定值，整数 l B-DNA是力学上稳定 的结构（ 10 bp/ helix） l 虽交叉数减少，但需转 换为一种应力，以维持 10bp/helix的螺旋数， l 应力的重新分配 或在 B-DNA状态中保留一单 链区 或螺旋力将维持 B-DNA的 右旋结构 , 形成超

5、螺旋 420bp L=42 T=42 W=0 无 应 力 松 弛 状 态 应 力 的 分 配 L = 36 T = 36 W = 0 L = 36 T = 42 W = -6 链松弛后 再结成环 链未松弛 再结成环 松开 6圈螺旋 L = 6 2 比连系差 （ Specific linking difference） = Lk L k0 = Lk- Lk0 L k0 能够根据 DNA分子 Lk的改变描述螺旋不足（超螺 旋），也叫超螺旋密度（ superhelix density）。 DNA分子形成超螺旋的生物学意义： 1 超螺旋 DNA具有更紧密地形状 ， 因此在 DNA组 装中具有重要作用；

6、 2 DNA的结构具有动态性 ， DNA超螺旋程度的改 变介导了这种结构的变化 ， 这有利于其功能的发挥 。 3 DNA是一种热力学上的稳定结构 ， 超螺旋的引 入提高了他的能量水平 。 拓扑异构体 (topoisomer)：具有不同连接数的同一种 DNA分子称为 DNA拓扑异构体 。 四、 DNA拓扑异构体与拓扑异构酶 拓扑异构酶 (topoisomerase) 作用方式： 拓扑异构酶与 DNA共价结合形成中间体，使磷酸二酯链暂 时断裂形成切口， DNA分子的一条单链或双螺旋穿越另一 条单链或双螺旋，改变其拓扑状态，但一级和二级结构 并无变化。 即在保持 DNA一级和二级结构不变的情况下 ，

7、 两条单链 可以相互缠绕 ， 形成不同的空间构型 。 拓扑异构酶 (topoisomerase) 细胞内存在着一类能催化 DNA拓扑异构体相互转化的酶，称为 拓扑异构酶。或者说， 能改变 DNA拓扑联系数的酶就叫 拓扑异构酶。 型酶在两条单链上都产生切口 ， 每次作用使连接数改变 2。 在 型酶的作用是增加负超螺旋数 ， 或减少正超螺旋数 ， 在真核 生物中还有减少负超螺旋的作用 。 拓扑异构酶分为 型和 型两类。 拓扑异构酶的生物学功能 消除 DNA复制和转录等过程产生的 正负超螺旋。在细胞中， 型酶与 型酶的活性保持一种平衡 状态， 型酶使 DNA超螺旋化的作用为 型酶使 DNA松驰化的作

8、 用所抗衡，从而使 DNA保持适当的超螺旋密度。 型酶在 DNA的一条单链上产生切口，使另一条单链得以穿越， 每作用一次使 DNA连接数改变 1；原核生物中， 型酶只作用于 负超螺旋 DNA，减少负超螺旋数，使其松弛；在真核生物中， 型酶还可以作用于正超螺旋 DNA，减少正超螺旋数。 Top I (swivelase, niking-closing enzyme) Breakage & rejoining of S.S. DNA at phospho-diester bonds 每次 L of +1（ 在酶的作用下 ， DNA单链断裂 ） 松弛 B-双螺旋 消除负超螺旋 CCC OC only

9、 No ATP, NAD attach Negative supercoil Get energy from Negative supercoil 图 3.30 型拓扑异构酶作用机理 Function Mechanism of Topoisomerase I Top II (gyrase) ATP needed Cutting & ligation of D. S. DNA tetramer 每次 L of 2 紧缩 B-双螺旋 引入负超双螺旋 Cut D.S. DNA ATP Ligate A A B B Function Mechanism of Topoisomerase II 2-2

10、基因和基因组 一、基因、基因组的概念 二、基因组的大小与 C值矛盾 三、基因组的复性动力学 四、重复序列 五、真核与原核生物基因组比较 指 DNA分子所携带遗传信息总和，即指一个细胞所有基 因和基因间 DNA的总和，称基因组。遗传学定义为：一 个物种的单倍体的染色体的数目为该物种的基因组。 在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的 DNA总量是 恒定的，称之为 C值。 一、基因、基因组的概念 产生一条多肽链或功能 RNA所必需的全部核苷酸序列， 在遗传学上也称顺反子（ cistron）。 (二 )基因组 (三 )C值 一个单倍体基因组中 DNA的总量 (一 )基因 霉菌 藻类 G+细菌 G-细菌

11、 显花植物 鸟类 哺乳类 爬行类 两栖类 硬骨鱼类 软骨鱼类 赖皮类 甲壳类 昆虫类 软体动物 蠕虫类 真菌 枝原体 C value paradox of nucleotide A 生物体进化程 度高低与 C值的 相 关性不强 B 亲缘关系相 近 的生物 C值相差 较大 低等生物单倍体基因组 DNA的含量与生物复杂性呈正 相关，但高等生物这种关系并不一致。 真核生物 DNA 染色体数 （ 2C） （ 2N） 两栖鲵 168.0 pg 24 肺鱼 100 38 蝾螈 85.3 24 警蛙 28.2 24 牛 6.4 60 人 6.4 46 绵羊 5.7 54 果蝇 0.2 8 贝母 196.7

12、24 豌豆 28 12 玉米 11 20 原核生物 DNA （ C） Salmonella 0.0143 pg (沙门氏菌 ) E.coli 0.0040 T2 0.00022 0.0000055 174 0.000005 这种形态学的复杂程度与 C值 大小的不一致称为 C值矛盾。 三、基因组的复性动力学 Hydroxyapatite column 羟基磷灰石柱 Low C of P High C of P release D.S. DNA absorb D.S. DNA 复性发生的过程的讨论 dCt / dt = -KC2 反应初始 t = 0 单链 DNA的随机碰撞 过程（ randoml

13、y collision ） （二级反应动力学） 单链 DNA浓度 = C0 反应达 t 时 单链 DNA浓度 = Ct 两条部分同源 (小于 20dNt)的 S.S. DNA, 在复性过程中 形成的部分双链区是不稳定的 dCt / dt = -KCt2 积分 Ct / C0 = 1 / 1+KC0t 当 Ct / C0 = 1/2 时 Ct / C0 = 1/2 = 1 / 1+ KC0t(1/2) K = 1 / Cot(1/2) Cot(1/2) = 1/K (mol. Sec / L) 任一 DNA分子达到 Ct / C0 = 的速率是定值 0 1 0 1 C0t(1/2) C0t(1/

14、2) Fraction reassociated 在控制反应条件相同的前提下 , 两种 DNA分子的 C0t(1/2) 值 ,取决于 dNt 的排列复杂性 。 AAAAAAAA K. C. = 1 C0t(1/2) = 2 10-6 ATCGATCGATCG K.C. = 4 K.C. = 5 105 C0t(1/2) = 1 ( 复性动力学的复杂性 ， Kinetic complexity， K.C ) Eukaryotic genomes have several sequence components 变性程度 部分变性的 DNA可直接通过拉链作用迅速复性 ， 而 完全变性的 DNA一般

15、需要几个小时才能复性 。 除温度 、 离子强度 、 pH等变性条件外 ， 影响复性的因素有： DNA的浓度 浓度越大有效碰撞的频率越高 。 DNA分子大小 越小的分子复性越快 。 DNA复杂性 (complexity) 指最长的没有重复序列的核 苷酸对数之和 。 ATATATATATAT的复杂性为 2； ATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGC的复杂性为 4； ATGCATGCCTCAGTATGCATGCATGC的复杂性为 10； ATGCTGACGTAGCA的复杂性为 14。 序列复杂的 DNA更容易发生非对应配对 ， 所以复杂性越高的 DNA复性 越困难 。 3.高

16、度重复序列 （ Highly repetitive sequence） 四、重复序列 1.单一序列 （ Unique sequence） 主要是蛋白质编码基因。 2.中度重复序列 （ Moderately repetitive sequence） 包括 rRNA、 tRNA、组蛋白的编码基因。研究较多的是 Alu家族。 长度不到 10bp，多是串联集中分布，一般不转录。有些 AT含量很高的高度重复序列，在离心时常会在主要的 DNA带的上面有一个次要的 DNA带相伴随，这就是所谓的 “ 卫星 DNA” 着丝点（ centromere）功能必需的 DNA序列约 130bp 长，并富含 A=T碱基对

17、；在着丝点附近，还有高度重复 的卫星 DNA。 端粒（ telomere）顺序长约 100bp，起到稳定染色体 的作用。是由： 5(Tx Gy)n x约为 14 3(Ax Cy)n y约为 18 4. 反向重复序列 （ Inverted repetitive sequence） 又称回文序列（ Palindrome） ,易形成发夹结构，在 DNA双链中可能形成十字形结构。 CATGAACGTCCTATTGTCGGACGTTCTGA GTACTTGCAGGATAACAGCCTGCAAGACT 基因家族：真核生物基因组中有许多来源相同、结构相似、 功能相关的基因，这样一组基因称为基因家族。 （ 4

18、）有些可以编码蛋白质，在某些基因的转录中作为调控成分。 五 . 断裂基因 （ split gene） 也叫不连续基因，指在真核生物中，大多数编码蛋白质的 基因是不连续的，即基因的编码序列之间插入了不编码的 序列，称为断裂基因。 内含子的意义： （ 1）可能是遗传的残留物。 （ 2） Walter Gilbert假说：是使蛋白质进化过程的残迹。 （ 3）可以保护基因家族中基因的完整性。 五、真核与原核生物基因组比较 （ P78 ） 作为总结性的问题，课后总结。同时掌握 断裂基因 、 假基因 、 内含子 、 外显子 的概念。 2-3染色体 2-3染色体 一、组成 1. 核小体（ nucleosom

19、e）： 染色质是由重复单位构 成的，每个重复单位由约 200bp的 DNA和 H2A、 H2B、 H3、 H4各两分子组成，这个重复单位叫核小体。 2. 组蛋白（ histone） 五种： H1、 H2A、 H2B、 H3、 H4。呈碱性。 除了 H1以外，其余四种有相互作用形成聚合体的趋势。 它们通过 C端的疏水氨基酸相互结合，而 N端的碱性氨基 酸则向四面伸出以便与 DNA分子相互作用。 3.构成： 每个核小体含 8个组蛋白； 200bp DNA中， 146bp 紧紧缠绕 着组蛋白，其余用于连接两个核小体，称为连接 DNA （ linker DNA）。 H1通常和连接 DNA相结合，把核小

20、体 “ 封锁 ” 起来。 4. 核小体包装的高级形式 （ 1） 核小体 （ 压缩比为 7， 200bp长为 68nm， 压缩后为 10nm ） （ 2） 30nm的核小体纤维 （ 30nm fiber， 压缩比为 40） 。 （ 3） 染色体 DNA的某一部分和 “ 核骨架 ” （ nuclear scaffold） 相连 ， 把染色体 DNA隔成许多含 20000至 100000 碱基对的 DNA环 。 （ 4） 约 6个环与核骨架形成一个梅花结 ， 每 30个梅花结形 成一盘 。 一条染色单体大约有 10盘 。 4. 核小体包装的高级形式 染色体模型基于的原理： 真核染色体 DNA包装好象

21、是一次缠绕再 接一次更高级的缠绕。即在螺旋上形 成螺旋，再形成螺旋。 名词解释 DNA的拓扑异构体 ， DNA拓扑异构酶 ， 基因 ， 基因组 ， C值 ， C值悖理 ， 卫星 DNA， 基因家族 ， 断裂基因 ， 内含子 ， 外显子 ， 假基因 ， 核小体 判断： 1.DNA拓扑异构酶 能够切开 DNA的 1条链 ， 而 DNA拓扑异构酶 能同时切开 DNA 的 2条链 ， 但都可以使 DNA产生正向超螺旋 。 2.人是最高等生物 ， 其基因组的碱基对数目是生物界中最大的 。 3.端粒酶是一种逆转录酶 （ 反转录酶 ） ， 它含有富 G的 RNA模板 。 4.Cot1/2是与基因组的大小成反比的 。 5. 从中看出在不存在重复序列情况下 ， C0t1/2值与基因组大小成正比 ， C0t1/2值 是可以作为衡量一个基因组大小的尺度 。 6. 多倍体只是导致基因组大小的增加 ， 但没有引起有机体复杂度的增加 。 7. 一个 DNA分子的 C0t1/2值越大 ， 表明它的复杂度越高 。 简答： DNA分子形成超螺旋的生物学意义 。 比较真核与原核基因组结构特点 。 说明着丝粒与端粒属于哪种序列 ？ 如果一段 DNA序列的两端为反向重复序列 ， 若发生同源重组将会产生什么结果 ？