分子生物学 第 2 章 第 1 节：染色体

#分子生物学 #染色体 #结构 #基因组

• 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： $H_3$ 及 $H_4$ 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 $H_1$ 而含有 $H_5$
     • 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 $H_5$
     • 在成熟鱼类和鸟类红细胞中，$H_1$ 被特殊的组蛋白 $H_5$ 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 $H_5$ 的积累有关
     • $H_5$ 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

• $H_2A$、 $H_2B$、 $H_3$、 $H_4$ 各两个分子生成的八聚体
• 大约 200 bp DNA
• 一个 $H_1$
• 八聚体在中间，DNA 分子盘绕在外， $H_1$ 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

[!NOTE]

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