分子生物学 第 2 章 第 1 节：染色体

• 核苷酸的组成：

  • 核苷

    • 核糖

    • 碱基

  • 磷酸

• 亲代能够将自己的遗传物质 DNA 以染色体的形式传给子代，保持了物种的稳定性和连续性

• 原核细胞 DNA：

  • 细菌 DNA：共价，闭合，双链（通常也称为染色体）

  • 一般只有一条染色体，只有少数基因 （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它所编码的蛋白质序列呈线性对应关系

2.1.1 染色体的特点

1. 分子结构相对稳定

2. 能够自我复制，使亲、子代之间保持连续性

3. 能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程

4. 能够产生可遗传的变异

2.1.2 真核细胞染色体的组成

• DNA

• 组蛋白

• 非组蛋白

• 少量 RNA

辨析染色体与染色质：同一物质在不同细胞周期的不同形态

组蛋白

• 组蛋白富含的氨基酸都为碱性氨基酸，带正电，可以与带负电的 DNA 紧密结合，组成核小体

• 组蛋白的特性：

  1. 进化上的极端保守性： H₃ 及 H₄ 在氨基酸表明，它们可能对稳定真核细胞的染色体结构起着重要作用

  2. 无组织特异性

     • 例外 1：鸟类、鱼类、两栖类红细胞的染色体不含 H₁ 而含有 H₅

     • 例外 2：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（氨基端）的半条链上，碱性的半条链易与 DNA 的负电荷区结合，而另外半条链与其他组蛋白、非组蛋白结合

  4. 组蛋白的修饰作用（发挥基因调控作用）

  5. 富含 Lys 的组蛋白 H₅

     • 在成熟鱼类和鸟类红细胞中，H₁ 被特殊的组蛋白 H₅ 取代

     • 有核的红细胞完全失去复制和转录能力，其核很小，染色体高度浓缩，所以人们认为红细胞染色质的失活与 H₅ 的积累有关

     • H₅ 的磷酸化很可能在染色质失活过程中起重要作用

非组蛋白

• HMG 蛋白（high speed group protein，高速泳动蛋白）

  • 因其相对分子质量小、在凝胶电泳中迁移速率快而得名

  • 是真核细胞内除组蛋白外含量最为丰富的一组染色质蛋白质

  • 与 DNA 结合并不紧密，可能与 DNA 的超螺旋结构有关，是真核细胞基因表达调控的动力体现者

• DNA 结合蛋白

  • 与 DNA 紧密结合，只有用 2 mol/L NaCl 和 5 mol/L 尿素才能把这些蛋白质解离

  • 可能是一些与 DNA 复制或转录有关的酶或调节物质

• A24 非组蛋白

  • 可能具有 rDNA 抑制子的作用

rDNA：核糖体 DNA

2.1.3 真核生物基因组 DNA

• 真核细胞基因组最大特点是它含有大量的重复序列（多拷贝），而且功能 DNA 序列（外显子）大多被不编码蛋白质的非功能 DNA （内含子）所隔开

基因密度 gene density ：每 Mb 基因组 DNA 上所含有的平均基因数目
一般来说，基因密度越高，生物的复杂性越低

• 在真核生物中，基因组的大小一般随着生物进化而增加，然而许多复杂性相近的物种却有着显著不同的基因组大小

• 与原核生物比，真核生物不但基因密度低，而且各种变异相对较多

  • 原因：真核细胞中大量基因间隔区序列 intergenic sequence 造成的

• 对于复杂度高的生物，调控转录的序列长度显著增长，内含子数目也大大增加

• 间隔 DNA 根据其重复性分为：

  1. 唯一性

  2. 重复性（几乎占一半以上）

真核细胞的 DNA 序列分类

1. 不重复序列：一般只有一个或几个拷贝

   • 结构基因基本上属于不重复序列

2. 中度重复序列

   • 各种 rRNA、tRNA 及某些结构基因 如组蛋白 等都属此类

3. 高度重复序列（卫星 DNA）

   • 只存在于真核生物中

   • 原位杂交法证明，许多卫星 DNA 位于染色体的着丝粒部分，也有一些在染色体臂上

   • 这类 DNA 高度浓缩，是异染色质的组成部分

   • 卫星 DNA 不转录，其功能不明，可能与染色体的稳定性有关

常染色质：大部分转录
异染色质：一般不转录

2.1.4 染色质与核小体

由 DNA 和组蛋白组成的染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构

念珠状结构模型的证据

1. 染色质 DNA 的 $T_m$ 值比自由 DNA 高，说明在染色质中 DNA 极可能与蛋白质分子相互作用

2. 在染色质状态下，由 DNA 聚合酶和 RNA 聚合酶催化的 DNA 复制和转录活性大大低于在自由 DNA 中的反应

3. DNA 酶 I DNaseI 对染色质 DNA 的消化远远慢于对纯 DNA 的作用

4. 染色质的电子显微镜图显示出由核小体组成的念珠状结构，可以看到由一条细丝连接着的一连串直径为 10 nm 的球状体

DNaseI 或小球菌核酸酶可以切断游离 DNA 上的任何磷酸二酯键，而除了少数几个位点以外，染色质中的 DNA 是被保护不被消化的。用小球菌核酸酶处理染色质以后电泳，分离的 DNA 片段均为 200 bp 基本单位的复数

核小体的结构

• H_2A、 H_2B、 H₃、 H₄ 各两个分子生成的八聚体

• 大约 200 bp DNA

• 一个 H₁

• 八聚体在中间，DNA 分子盘绕在外， H₁ 则在核小体外面

• 每个核心组蛋白有一个 N 段延伸的“尾巴”，上面有许多高度修饰的位点

• 核酸酶水解核小体后产生只含 146 bp 核心颗粒，包括组蛋白八聚体及与其结合的 146 bp 核心 DNA，该序列在核心外形成 1.65 圈，每圈约 80 bp

• 核小体之间的连接 DNA 长度是可变的，一般为 20-60 bp

2.1.5 染色体的组装

• 浓缩总倍数：8400

2.1.6 真核生物基因组的结构特点

1. 真核基因组庞大，远远大于原核基因组

2. 真核基因组存在大量重复序列

3. 真核基因组的大部分为非编码序列 （真核生物与细菌和病毒间最主要的区别）

4. 真核基因组的转录产物为单顺反子（一种 mRNA）

5. 真核基因是断裂基因，有内含子结构

6. 真核基因组存在大量顺式作用元件

7. 真核基因组中存在大量的 DNA 多态性（主要包括单核苷酸多态性 SNP 和串联重复序列多态性）

8. 真核基因组具有端粒结构

1. mRNA 分为单顺反子（真核）和多顺反子（原核），单顺反子一条 mRNA 翻译一个蛋白质，而多顺反子一条 mRNA 翻译多个蛋白质

2. 断裂基因：去除非编码区域（内含子）再连接后可翻译完整蛋白质

3. 端粒具有保护线性 DNA 的完整复制、保护染色体末端和决定细胞寿命等功能。端粒在复制过程中会缩短

2.1.7 原核生物基因组的结构特点

1. 结构简练：只有非常小一部分不转录

2. 存在转录单元

   • 原核生物 DNA 序列中功能相关的 RNA 和蛋白质基因，往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成功能单元或转录单元，它们可被一起转录为含多个 mRNA 的分子，叫多顺反子 mRNA

3. 有重叠基因

   • 一个基因完全在另一个基因里面

   • 部分重叠

   • 两个基因只有一个碱基对的重叠