1、第二章 基因结构与功能,第一节 DNA的结构特征与分子形式第二节 DNA、核小体与染色体 第三节 基因的结构与特征第四节 基因家族和基因簇,第一节 DNA的结构特征与分子形式,一、 DNA的结构特征1 DNA结构的多样性2 DNA的三级结构超螺旋与拓扑异构现象二、DNA的分子形式 1 常见的分子形式2 非常见的分子形式,多核苷酸链是核酸结构的基础，多个核苷酸通过3，5磷酸二酯键连接而成的线型大分子，核苷酸是多核苷酸链的结构单位核酸有三部分组成：核糖、磷酸和碱基,一、 DNA的结构特征,第一节 DNA的结构特征与分子形式,一、 DNA的结构特征,1 DNA结构的多样性DNA的双螺线结构并不是规整
2、的，而是处在动态的变化之中，它的构象参数是在一定的条件下随着核苷酸序列的不同而变化的，DNA的多样性结构还会相互转变，DNA结构的多样性决定生命的复杂性。DNA通常也具有三级结构：一级结构是指它的核苷酸序列；二级结构是指核苷序列的双螺旋构型和构象； 三级结构是指双螺旋结构的折叠，以及空间的构象。,第一节 DNA的结构特征与分子形式,1） DNA的双螺旋结构脱氧核糖以磷酸二酯键构成螺旋的骨架两条主链方向平行螺旋主链的外侧为核酸磷酸，内侧为碱基AGCT按照Chargaff当量配对螺距，大沟，小沟,第一节 DNA的结构特征与分子形式,2）三种类型的DNA,第一节 DNA的结构特征与分子形式,Conf
3、ormational Parameters of DNA Secondary StructureDNA二级结构的构象参数,第一节 DNA的结构特征与分子形式,TA排列的氢键分布GC排列的氢键分布,第一节 DNA的结构特征与分子形式,Minor groove and Major groove are H+ ions accepter or donator大沟: G-C a-a-d d-a-a A-T a-d-a 小沟： G-C a-d-a A-T a-aA:acepter d:donater,第一节 DNA的结构特征与分子形式,3） DNA的精细结构,A. 在B-DNA双螺旋的结构中，错配是被允
4、许和包容的，其构象参数处于一定的范围内，错配碱基形成的氢键其宽度不超过理论上的配对宽度，例如， CGCGAATTAGCG GCGCTTAAGCGC一个GA碱基对时， 采用两种配对方式：G采用顺式，而A一个采用正式，另一个采用反式。两个GA碱基对中， A采用顺式，而G采用反式。,第一节 DNA的结构特征与分子形式,在 CCAAGATTGG GGTTAGAACC两个错配碱基对中的G和A都采用反式构象，通过拓宽小沟而容进螺旋，除了氢键以外，通过扩大螺旋浆扭角也使得G的N2与线鳞的AT中T的O2间形成氢键，使得螺旋结构稳定化，腺嘌呤功能团的位置的错位为修复酶提供了的识别标志。,第一节 DNA的结构特征
5、与分子形式,第一节 DNA的结构特征与分子形式,B. DNA的局部构象是DNA结合蛋白的结合标志，二者构成了核酸蛋白的交互作用。DNA的局部构象及其改变都为结合蛋白或者调节蛋白的作用提供了可识别的结构条件，例如，大肠杆菌的调节蛋白CAP对乳糖操纵子的启动子的结合，导致该区段的DNA产生更多的折叠。核小体中的DNA与组蛋白与限制性内切酶EcoRI在DNA 识别位点上形成复合体。,第一节 DNA的结构特征与分子形式,C. DNA作为遗传信息的载体，一是编码氨基酸转录并翻译为蛋白质；二是基因表达的调控，即，DNA的精细结构密码结构域，通过被结合蛋白识别，调节和控制基因的表达。因此，非编码DNA区段的
6、作用及其功能，将成为分子生物学的一个重要的领域.,第一节 DNA的结构特征与分子形式,2 DNA的三级结构超螺旋与拓扑异构现象,1) 定义： DNA的三级结构指DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。超螺旋是DNA三级结构的一种类型。超螺旋即DNA双螺旋的螺旋。 双螺旋的DNA是以共价闭合环（ covalently closed circle ）的形式存在，被称为CCC分子，通常是与组蛋白结合构成核小体，如果与组蛋白分离，DNA就形成了超螺旋结构，CCC分子是所有原核以及真核生物DNA分子的共有特征。,第一
7、节 DNA的结构特征与分子形式,DNA形成的超螺旋结构,第一节 DNA的结构特征与分子形式,2）负超螺旋的单链泡状结构,除了负超螺旋以外，还存在着单链泡状结构，其主要作用是解除松缠作用造成的协变，特别是富含AT结构的单链泡状结构。DNA的超螺旋是由于DNA的拓扑异构酶加工而成的，负超螺旋是由于DNA的旋转酶形成的。,第一节 DNA的结构特征与分子形式,3） DNA的拓扑异构酶,A DNA拓扑异构酶I催化单链DNA的断裂和连接，不需要ATP和NAD；消除负超螺旋不会引起DNA结构的改变；磷酸二酯键能够与蛋白DNA中间体结合。是一个100KDa的单一多肽。B DNA拓扑异构酶II催化双链DNA的断
8、裂和连接，形成负超螺旋，其亚基结构为A2B2，分别为105和95KDa，需要ATP。DNA旋转酶：引入负超螺旋DNA解旋酶：转变正负超螺旋,第一节 DNA的结构特征与分子形式,4） DNA拓扑异构酶的作用机制,生物体的DNA 通过拓扑异构酶I和II的相互作用，使得超螺旋达到一个平衡稳定的状态。A) 拓扑异构酶I作用的碱基序列特异性并不高，但是切点一定在C的下游方向的4个碱基；B) DNA单链切断以后，拓扑异构酶I连接与切口的5端，并贮存水解磷酸二酯键的能量；C) 促进两条单链的复性，解除复性时的链环数负值；D) 产生三叶结构分子和环链体分子。,第一节 DNA的结构特征与分子形式,拓扑异构酶II
9、具有引入负超螺旋、形成和拆开双链DNA的作用；亚基具有磷酸二酯酶的活性，亚基具有ATP酶的活性；两个亚基各自结合于切口的5端，并贮藏水解磷酸二酯键所获得的能量；亚基的功能是水解ATP，是酶分子恢复原来的构象。,4） DNA拓扑异构酶的作用机制,第一节 DNA的结构特征与分子形式,4） DNA拓扑异构酶的作用机制,第一节 DNA的结构特征与分子形式,二、 DNA 的分子形式,1 常见DNA 的分子形式I形DNA：具有正超螺旋或者负超螺旋的双链闭合环状分子；沉降系数1.41;I0形DNA：没有正超螺旋或者负超螺旋的双链闭合环状分子；沉降系数1. 14;II形DNA：在一条链或者两条链上有切刻的双链
10、环状分子；沉降系数1. 14;III形DNA：线性的双螺旋DNA分子,沉降系数1. 10;,第一节 DNA的结构特征与分子形式,坍缩DNA： I形或者I0形DNA在碱变性条件下,氢键断裂,形成的两条紧密缠绕的分子；沉降系数3.00;单链环状DNA：沉降系数1. 14;单链线性DNA：沉降系数1. 30;环链DNA：由DNA旋转酶催化形成的, I形DNA环连而成.,第一节 DNA的结构特征与分子形式,1 常见DNA 的分子形式,第一节 DNA的结构特征与分子形式,DNA的非常见序列是以特定的DNA序列为基础，例如，交替的嘧啶、嘌呤重复序列能够形成Z-DNA；反向重复序列能够形成十字形结构或者单泡
11、状结构；反向重复序列的的同型嘧啶嘌呤可以形成三链结构；转录过程可以形成R-DNA；线粒体复制的时候形成D环型DNA。,2 非常见DNA 的分子形式,第一节 DNA的结构特征与分子形式,Holliday结构：两个DNA双螺旋分子进行交叉重组，则将形成一个“四螺旋”作为中间物。这样的中间物的存在是R.Holliady在六十年代首先提出来的，称为Holliday结构，或交叉结构。 Holliday结构的另一个重要性质是能够发生立体异构现象。这种异构转变在体内是经常发生的，它可以导致两条子链发生双重交换，或所有四条链发生单交换。,2 非常见DNA 的分子形式,第一节 DNA的结构特征与分子形式,1）三
12、链DNA（H-DNA）： 含有（TC)n和（AG)n的同型嘧啶或者是同型嘌呤易形成镜像重复序列，该序列在低pH的条件下能够形成分子内的三链DNA，它是由双链DNA拆开后产生的多聚嘧啶链回折并嵌入剩下的双链DNA 的大沟之中形成的。 在三链的DNA中，原来的两股链的走向是反向平行的，其碱基通过Watson-Crick方式配对，位于大沟中的多聚嘧啶链则与双链DNA中的多聚嘌呤链平行走向，碱基按照Hoogsteen方式配对并且形成TAT，CGC三联体，这种配对方式中的胞嘧啶残基必须先于H+结合进行质子化才能与鸟嘌呤配对。,2 非常见DNA 的分子形式,第一节 DNA的结构特征与分子形式,三链DNA（
13、H-DNA）：,第一节 DNA的结构特征与分子形式,三链DNA（H-DNA）：,第一节 DNA的结构特征与分子形式,端粒的生物学功能是保持染色体的稳定，子代DNA的复制使得DNA的5端逐步缩短。端粒DNA 主要有一段结构简单和串联重复的序列构成，脊椎动物通常为AGGGTT，原生生物通常为GGGGTT（TT），面包酵母G1-3T和G1-8A,特点是富含G，长度可以达到几百或几千。端粒DNA 的 3末端1216个碱基对能够形成回折结构，长的富含G的序列能够形成G的四链DNA,2） 四链DNA端粒DNA的结构,第一节 DNA的结构特征与分子形式,三、DNA精细结构特点,1） X射线衍射证明 双螺旋的
14、结构及其参数是不固定的，而且在一定的范围内进行调整和改变，形成具有DNA 局部构象的双螺旋：,2） DNA 的局部构象：包括，螺旋扭转，碱基平面扭转，平面弯曲，平面滑动等形式,双螺旋的结构是通过碱基的堆积及其氢键的相互作用而形成稳定的结构双环结构的嘌呤会因为增大碱基的堆积作用而使得碱基的功能基团之间发生挤压，这种挤压随序列不同而变化。,3、DNA超螺旋的相关参数,1）链环数（linking number） 双螺旋DNA中两条链相互交叉的次数。或者说，是指在双螺旋DNA中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数，以L表示。2）扭转数（twisting number） 扭转数是指DNA分子中Wats
15、on-Crick的螺旋数，以T表示3）缠绕数（超螺旋数writhing number）以W表示 所以：L=T+W4）比连接差数（Specific Linking Difference）以表示，通常是指每一百圈的双螺旋会形成多少负超螺旋，例如： （LL0）L00.08。其含义就是：每一百个右手螺旋结构就能够产生8个负超螺旋。DNA双螺旋中存在的负超螺旋是一种相对稳定的结构状态。,四、RNA及其结构,hnRNA（heteronuclear RNA )snRNA (small nuclear RNA)，snRNPsnoRNA (small nucleolar RNA)tRNA、rRNA、mRNA（m
16、onocistron、polycistron）,microRNA,Ribozyme,Spliceosome,Ribosome,第二节 DNA、核小体与染色体,真核生物的染色体在细胞周期的大部分时间里都以染色质的形式存在,染色质是一种纤维状的结构,有核小体成串排列而成。常染色质（ euchromatin ）异染色质（heterochromatin）DNA的实际长度是染色质长度的1000-2000倍,表明DNA是被压缩在组蛋白的包装之内。,第二节 DNA、核小体与染色体,核小体（11nm）,染色质组装染色质的四级结构,螺线管（30nm）,超螺线管（300nm）,染色单体,压缩6倍,压缩40倍,压缩
17、5倍,DNA,压缩10倍,组蛋白,+,一级,二级,三级,四级,第二节 DNA、核小体与染色体,核小体（Nucleosome） : 构成染色质的基本结构单位,由200bp左右的DNA和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白H1构成,组蛋白八聚体的核心颗粒（Core Particle）是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子组成，并由组蛋白H1连接一段连接DNA。研究表明，两个H3分子、两个H4分子先形成四聚体，然后再与两个由H2A、H2B构成的异二聚体结合成为八聚体。八聚体的组蛋白分子连接成匝道形状，直径7.0nm，螺距2.7nm，提供1.75圈（146bp）的DNA缠绕，核小体颗粒高6.0nm，
18、直径11.0nm。核小体具有二分对称性。,第二节 DNA、核小体与染色体,第二节 DNA、核小体与染色体,核小体的组装顺序：H3和H4 先形成（H3）2（H4）2四聚体，然后H2A和H2B形成的二聚体结合于四聚体的两个侧面，每个异二聚体与中心节段DNA两侧各30-40bp的序列结合，组蛋白H1与特定的DNA构象结合，并通过连接DNA，将核小体串联在一起。H3处在中心对称位置，对称轴穿过它 的中心位置。8个组蛋白在八聚体上相互连接的次序是：H2A-H2B-H4-H3-H3-H4-H2B-H2A,第二节 DNA、核小体与染色体,第二节 DNA、核小体与染色体,核小体在DNA双螺旋上的定位：定位与核
19、小体的装配、染色质的结构、DNA的复制以及基因的转录有关；定位与DNA双螺旋本身的可弯曲性结构有关，组蛋白分子与特定的DNA构象相互作用，引起缠绕的双螺旋的大沟和小沟的构象改变。DNA碱基序列的不均一性具有局部结构特征。八聚体对于DNA的特异序列的识别，特别是位于二分对称点处的核心DNA序列的识别、DNA的组装和定位极其重要。,第二节 DNA、核小体与染色体,染色质到染色体的四级结构模型：1一级结构：染色质是一系列核小体相互连接成的念珠状结构。核小体的核心是由组蛋白H2A、H2B、H3、H4各两个分子构成的八聚体，在八聚体表面缠绕有 的双螺旋DNA。在相邻的两个核小体之间由DNA连接，称为连接
20、线，在连接线部位结合有一个组蛋白分子H1。在组蛋白H1存在时，每个核小体间紧密接触，形成直径为10 nm的纤维状结构，此时，DNA的长度被压缩了约7倍。这就是染色体构型变化的一级结构。,第二节 DNA、核小体与染色体,2二级结构；由核小体连接起来的纤维状结构经螺旋化形成中空的螺线管。螺旋管的每一圈包括6个核小体，外径约为30 nm。因此，DNA的长度在一级结构的基础上又被压缩了6倍。,第二节 DNA、核小体与染色体,3三、四级结构：由直径30nm的螺线管进一步螺旋化形成的筒状结构超螺线管，就是染色体构型变化的三级结构。超螺线管再进一步螺旋折叠则形成染色单体是染色体构型四级结构。一条DNA长链，
21、经过多级螺旋化，可以使几厘米长的DNA与组蛋白等物质共同形成几微米长的染色体，其长度总共被压缩了8000倍10000倍。,第二节 DNA、核小体与染色体,4 着丝点,着丝点序列都含有大约130bp长的序列，其中部序列富含AT，两端则高度保守，着丝点附近还有高度重复的卫星DNA，其构成异染色质区。酵母染色体的着丝点CEN3，CEN11和CEN4的核苷酸序列：CEN3 ATAAGTCACATGAT88（AT）TGATTTCCGAACEN11 ATAAGTCACATGAT89（AT）TGATTTCCGAACEN4 AAAGGTCACATGCT82（AT）TGATTACCGAA,第二节 DNA、核小体
22、与染色体,5 端粒,染色体末端的密封结构，不能与断裂片段相连接的末端结构，被称为端粒，其特点：具有许多短的正向重复序列，Cn(A/T)m Gn(T/A)mn18，m14，5末端在富含C 的链上，3末端在富含G的链上，具有一条富含G单链末端，带有3OH端粒DNA的末端不能够被外切酶和单链的内切酶所识别，表明端粒的DNA受某些蛋白因子的保护端粒，着丝点，以及DNA 的复制起始位点构成染色体的三要素，合成人工染色体，能够精确的在子代细胞中进行复制。,第二节 DNA、核小体与染色体,DNA的变性（denaturation） DNA的变性是指DNA在加热和变性剂的作用下，堆积力受到破坏而形成的近似于无规
23、则线团构型的DNA过程核酸双螺旋区的氢键断裂，变成单链结构的过程。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，而是双链变单链的解链过程，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。,RNA本身只有局部的双螺旋区，所以变性行为所引起的性质变化没有DNA那样明显。利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。DNA在完全变性后，紫外吸收(260 nm)值增加2540%.而RNA变性后，约增加1.1%。增色效应：变性后DNA对260nm紫外光的吸收率（A260）比变性前明显增加的现象。,DNA的热变性和解链温度（Tm）,用加热的方法使DNA变性叫做热变性D
24、NA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将DNA的变性达到50%时，即增色效应达到一半时的温度称为DNA的解链温度（melting temperature,Tm）,Tm也称熔解温度或DNA的熔点。 一般DNA的Tm值在70-85C之间,G和C的含量高，Tm值高：因而测定Tm值，可反映DNA分子中G、 C含量，可通过经验公式计算：G+C)%=(Tm-69.3)X2.44Tm大小可反映出DNA的均一性：均质DNA的熔解过程发生在一个较小的温度范围内；异质DNA的熔解过程发生在一个较宽的温度范围内Tm与介质中离子强度有关：DNA应在含盐缓冲液中保存,DNA变性（加热或极端pH）
25、,DNA的复性,变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，一系列物理、化学性质将得到恢复。将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。但是将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性，这一过程也叫退火（annealing)。分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。DNA的复性也与它本身的组成和结构有关：ssDNA dsDNA 复性动力学曲线,K2,K1,复性反应的速度用C0t1/2表示。C0为变性DNA复性时的浓度，t为时间，以秒表示。C0t1/2=1/k2起始浓度和反应时间的乘积的大小与复性程度有关，其中复性反应速度常数k2与DNA序列的复杂程度有关，DNA序列越复杂， k2就越小，复性反应速度就越慢。,C0t1/2 曲线,核酸的杂交,热变性的DNA单链，在复性时并不一定与同源DNA互补链形成双螺旋结构，它也可以与在某些区域有互补序列的异源DNA单链形成双螺旋结构。在复性DNA中，如果两条结合的单链DNA是异源的，则两条DNA新分子被称为杂交DNA分子。DNA单链与互补的RNA链之间也可以发生杂交RNA-DNA杂交。核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。Southern blotting(Southern 印迹)Northern blotting(Northern 印迹),核酸的杂交,
