导图社区 分子生物学 染色体与DNA
这是一篇关于分子生物学 染色体与DNA的思维导图，电视、小说总是提到DNA与染色体，你是否有好奇过这是什么呢？这个思维导图清晰的罗列出了染色体、DNA的结构、DNA的转座、DNA的修复和复制点
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染色体与DNA
染色体
染色体概述
染色体在遗传上起着主要作用。遗传物质的主要载体是染色体
染色体包括了DNA和蛋白质两大部分。DNA只有包装成为染色体才能保证其稳定性
染色质（chromatin）：是细胞中期核内DNA和蛋白质复合体。个别的染色体不能区分开。它只能通过与DNA特异性作用的染料而识别
染色单体（chromatids）：复制时产生的染色体拷贝。此名字通常用来形容处于随后的细胞分裂期它们分开的之前的染色体
真核生物染色体的组成
特征
分子结构相对稳定
能够自我复制，使亲子代之间保持连续性
能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程
能够产生可遗传的变异
组成
蛋白质
组蛋白
组蛋白是染色体的结构蛋白，与DNA组成核小体
类型：H1、H2A、H2B、H3及H4
一般特征
进化上的极端保守性
保守程度：H1 < H2A、H2B < H3、H4
无组织特异性
肽链氨基酸分布的不对称性
组蛋白的修饰作用
包括：甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、ADP核糖基化、丙酰化、丁酰化、琥珀酸化和巴豆酰化等。
只发生在细胞周期的特定时间和组蛋白的特定位点上
生物学意义
使DNA与组蛋白间的作用强度发生变化，进而使DNA与转录因子接触的难易度改变，影响转录作用的速率。即降低组蛋白所携带的正电荷
残基
甲基化：Lys与Arg残基上
乙酰化：在核心组蛋白上
泛素化：Lys残基
非组蛋白
种类：酶类、与细胞分裂有关的收缩蛋白、骨架蛋白、核孔复合物蛋白以及肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等
功能
酶（RNA合成酶、蛋白质磷酸化酶等）
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）
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
真核生物基因组DNA
真核细胞基因组中含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被编码蛋白质的非功能DNA所隔开
生物体内所有的染色体组成基因组，每Mb基因组DNA上所含有的平均基因数目称为基因密度
基因密度是复杂度相近但基因组大小迥异的物种之间的主要区别。基因密度越高，生物的复杂性越低
与原核生物相比，真核生物不但基因密度低，而且各种变异相对较多
一种生物单倍染色体中DNA的总长度称为基因组的大小（genome size）。基因组的大小与生物体的复杂性相关
在真核生物中，基因组的大小一般是随生物进化而增加的，高等生物基因组的大小一般大于低等生物
DNA序列
不重复序列
中度重复序列
高度重复序列———卫星序列
基因组：生物有机体的单倍体细胞中的所有DNA，包括核中的染色体DNA和线粒体、叶绿体等亚细胞器中的DNA
断裂基因：真核基因由于含有大量的非蛋白编码序列将外显子隔开，因而呈现一种断裂结构，因此，真核基因也被称为断裂基因
染色质与核小体
核小体
由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200 bp DNA组成的
八聚体在中间，DNA分子盘绕在外
每个核心组蛋白有一个N端延伸的“尾巴”，上面有许多高度修饰的位点
染色单体的组装
H3·H4四聚体的形成启动核小体的组装，四聚体然后与DNA结合，再与两个H2A·H2B二聚体结合，完成核小体的组装
由DNA(1)由DNA与组蛋白包装成核小体，在组蛋白H1的介导下核小体彼此连接形成直径约10nm的核小体串珠结构（一级结构）
在有组蛋白H1存在的情况下，由直径10nn的核小体串珠结构螺旋盘绕，每圈6个核小体，形成外径30nm，内径10nm，螺距11nm的螺线管。（二级结构）
螺线管进一步螺旋化形成直径为0.4um的圆筒状结构，称为超螺线管三级结构）
超螺线管进一步折叠、压缩，形成长2-10um的染色单体（四级结构）
端粒
概念
是真核生物线性基因组DNA末端的一种特殊结构，它是一段DNA序列和蛋白质形成的复合体。其DNA序列相当保守，一般由多个短寡核苷酸串连在一起构成
保护线性DNA的完整复制、保护染色体末端和决定细胞的寿命
真核生物基因组结构特点
真核基因组结构庞大，3×109bp、染色质、核膜
真核基因组含有大量重复序列
真核基因组的大部分为非编码序列，占90%以上。多于编码序列(9:1)
真核基因组的转录产物为单顺反子
真核基因是断裂基因，有内含子结构。内含子(intron)、外显子(exon)
真核基因组存在大量的顺式作用元件，包括启动子、增强子、沉默子等
真核基因组中存在大量的DNA多态性。包括SNP和TRP
DNA多态性是指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包括单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）和串联重复序列多态性（tandem repeats polymorphism，TRP）两类
原核生物基因组
特点
结构简炼
存在转录单元。转录产物为多顺反子
有重叠基因
重叠基因：具有部分共用核苷酸序列的基因，即同一段DNA携带了两种或两种以上不同蛋白质的编码信息
DNA
DNA的结构
DNA的一级结构
定义
指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序， 表示了该DNA分子的化学组成。碱基序列
双链反向平行配对而成
脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在内侧
内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A：T，C：G）
Chargaff规则
有关DNA分子中碱基组成的规则
DNA的二级结构
指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构
基本特点
DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的
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，碱基排在在内侧
DNA的右手螺旋
构象
B-DNA
大沟小沟深度基本一致，大沟较宽
A-DNA
螺旋较短较紧密
DNA的左手螺旋
Z-DNA
结构特点
Z-DNA是一具左手螺旋，每个螺旋含12个bp比A-DNA拧的更紧
双螺旋中不存在深沟，只有浅沟
双螺旋的轴心也在碱基对之外，即轴心不再穿过碱基对之间的氢键
Z-DNA外观呈锯齿形
稳定作用力
氢键
疏水作用力
范德华力
盐键
DNA的变性与复性
当DNA溶液温度接近沸点或者pH较高时，互补的两条链就可能分开，称为DNA的变性
DNA双链的这种变性和复性能力被用于Southern印迹杂交和DNA芯片分析等
DNA的性质
增色效应
DNA在260 nm处吸光度（absorbance）最大，并且双螺旋DNA的光吸收比单链DNA低40%。当DNA溶液温度升高到接近水的沸点时，260 nm的吸光度明显增加
减色效应
因为双螺旋DNA中的碱基堆积降低了其对紫外线的吸收能力
Tm值
把吸光度增加到最大值一半时的温度称为DNA的熔点
影响因素
DNA中G+C的含量
溶液中的离子强度
DNA的均一性
DNA的高级结构
指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。是一种比双螺旋更高层次的空间构象
主要形式
超螺旋结构（正超螺旋和负超螺旋）
DNA的复制
DNA的半保留复制
每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种复制方式被称为DNA的半保留复制
复制子与复制叉
一般把生物体内能独立进行复制的单位称为复制子
复制时，双链DNA要解开成两股链分别进行，所以，这个复制起始点呈现叉子的形式，被称为复制叉
复制起点
复制起点（origin，ori，复制原点）：复制开始处DNA分子的特定位置，ori(或o）、富含AT的区段
复制终点
复制子中控制复制终止的位点称为复制终止点
复制方向
单向复制：从一个复制起始点开始，只有一个复制叉在移动（某些环状DNA）
双向复制：复制起始于一个位点，但向两侧分别形成复制叉，向相反方向移动。这种复制方式最为普遍
相向复制：复制起始于一个位点，但向两侧分别形成复制叉，向相反方向移动。这种复制方式最为普遍
原核生物和真核生物DNA复制的特点
原核生物DNA复制的特点
DNA双螺旋的解旋
首先在拓扑异构酶I的作用下解开负超螺旋，并与解链酶共同作用，在复制起始点处解开双链SSB蛋白来稳定解开的单链，接着由引发酶等组成的引发体迅速作用于两条单链DNA上
DNA复制的引发
先由引发酶在DNA模板上合成一段RNA链，作为引发末端（引物）
复制的延伸
前导链和后随链的合成同时进行
复制的终止
原核生物DNA复制的调控
迅速分裂的细胞具较多复制叉，而分裂缓慢的细胞复制叉较少并出现复制的间隙
细胞内复制叉的多少决定复制起始频率的高低，这可能是原核细胞复制的调控机制
复制起始频率的直接调控因子是蛋白质和RNA
真核生物DNA复制的特点
真核生物DNA每个细胞周期只精准地复制一次
真核细胞复制的起始需要在前复制复合体pre-RC的指导下进行
细胞周期蛋白依赖性激酶调控前复制复合体的形成和激活
真核细胞DNA的复制调控
细胞生活周期水平调控
染色体水平调控
复制子水平调控
DNA的突变与修复
突变
基因突变是指在基因内的遗传物质发生可遗传的结构和数量的变化
来源
DNA复制过程中出现的错误、遗传物质的化学和物理损伤，以及转座子插入所造成的DNA序列变化
复制错误和DNA损伤后果
DNA带来永久性的不可逆的改变，最终改变基因编码的序列，称之为基因突变
DNA的某些化学变化使得DNA不能再被用做模板进行复制和转录
修复
错配修复
损伤
复制错误
恢复错配
切除修复
碱基切除修复
受损的碱基
切除突变的碱基
核苷酸切除修复
嘧啶二聚体
碱基上的大加合物
切除突变的核苷酸片段
同源重组修复和非同源末端连接
双链断裂
修复损伤DNA，保持遗传信息的完整性，帮助修复DNA复制中的错误
DNA的直接修复
嘧啶二聚体和甲基化DNA
修复嘧啶二聚体或甲基化DNA
跨损伤合成
嘧啶二聚体和脱嘌呤位点
是复制通过DNA损伤继续进行，有高度的易错性
SOS修复系统
嘧啶二聚体等
维持基因组的完整性，提高细胞的生存率，但留下的错误较多
DNA 的转座
DNA的转座，或称移位是由可移位因子介导的遗传物质重排现象
转座子的分类和结构特征
插入序列
最简单的转座子，是细菌的一小段可转座元件它不含有任何宿主基因而常被称为插入序列，它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分
复合型转座子
复合型转座子是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列
转座作用的遗传学效应
转座引起插入突变
转座产生新的基因
转座产生的染色体畸变
转座引起的生物进化
SNP
单核苷酸多态性（ single nucleotide polymorphism，SNP ），指基因组中DNA序列中由于单个核苷酸（A、C、G、T）的突变而引起的多态性
SNP的检测技术
限制性片段长度多态性（RFLP）、PCR-单链构象多态性（PCR-SSCP）、毛细管电泳及变性高效液相色谱（DHPLC）、DNA测序法
SNP的应用
人类单倍型图的绘制
SNP与疾病易感基因的相关性分析
指导用药与药物设计
