导图社区 染色体与DNA
分子生物学第二章染色体与DNA总结，包括染色体的组成与结构、DNA结构、DNA的复制、DNA的损伤与修复等。
现代分子生物学第五版，第三章 生物信息的传递（上）——从DNA到RNA 详细展现了转录的基本内容：转录起始、延伸和终止、转录产物的加工以及RNA的再编辑和不连续转录、反式拼接等，深入剖析了转录的机制。
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第14章DNA的生物合成读书笔记
染色体与DNA
一、 染色体的组成与结构
1、原核生物与真核生物区别
原核生物：一般只有一条染色体，无真正细胞核，DNA一般位于类核体上，DNA是共价、闭合双链分子，染色体与蛋白质结合疏松。
真核生物：染色体位于真核细胞核仁内，DNA与蛋白质完全融合在一起。
2、染色体的化学组成
DNA：是遗传信息的载体
蛋白质
组蛋白：呈碱性，与DNA结合维持染色质结构。有H1、H2A、H2B、H3、H4
组蛋白的修饰作用：甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。只发生在细胞周期的特定时间和蛋白质的特定位点上。
非组蛋白：呈酸性，主要包括酶类和与细胞分裂相关的蛋白质。有组织专一性和种属特异性。
少量RNA：为DNA的合成提供引物。
3、染色体DNA的包装
核小体：由H2A、H2B、H3、H4各两个分子组成的八聚体和大约200bp DNA组成的。八聚体在中间DNA分子盘绕在外。是构成染色质的基本结构单位。
串珠样结构：DNA缠绕八聚体1.75圈，然后与H1连接形成的结构。
过程
双链DNA→核小体→螺线管→超螺旋体→染色单体
长度压缩：7倍→6倍→40倍→5倍 缩减了 8400倍
4、染色体与基因组DNA
原核生物基因组DNA特征
结构简单：多为单拷贝基因；整个DNA几乎都为调控基因和结构基因；DNA与其所编码的蛋白质序列呈线性对应。
存在转录单元：在基因组中成簇存在的功能相关的基因，这些基因所转录的mRNA分子即多顺反子mRNA。
有重叠基因
真核生物基因组DNA特征
基因组庞大
存在大量重复序列：有很多多拷贝基因
基因组中大部分为非编码序列：
转录产物为单顺反子
基因是断裂基因，mRNA须剪切掉内含子才成为成熟的mRNA
存在大量顺式作用元件：有些与DNA的复制起始有关，为非编码序列
反式作用因子：能够与顺式作用元件结合，可能为非组蛋白
存在大量DNA多态性
有端粒结构
补充
C值佯谬：单倍体基因组的DNA（碱基对）总量与生物的复杂程度不成正比。
由真核生物基因组中有大量重复序列造成
N值佯谬：基因组的功能基因数目与生物的复杂程度不成正比。
生物体结构与功能的复杂程度不仅取决于基因数目，还取决于基因功能及其相互作用网络的复杂性和精确性。
K值佯谬：染色体数与生物的复杂程度不成正比。
不重复序列：一般只有一个或几个拷贝；结构基因基本上都属于不重复序列；通过基因扩增可合成大量蛋白质。
中度重复序列：包括各种tRNA、rRNA以及部分结构基因，如组蛋白基因。
高度重复序列：只存在于真核生物；由6-100个碱基组成。
二、 DNA的结构
一级结构
1、概念：四种核苷酸按照一定的连接顺序连接，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸
2、连接方式：一个核苷酸的5‘-磷酸端与下一位核苷酸的3’OH端形成3‘—5’磷酸二酯键，其中磷酸基和戊糖基构成DNA链的骨架，可变部分为碱基。连接方向：5‘—3’，整体上看是从3‘—5’。
3、碱基的名字
RNA（NMP）：AMP、CMP、GMP、UMP
DNA（dNMP）：dAMP、dCMP、dGMP、dTNP
二级结构
1、DNA双螺旋模型
大沟、小沟与氢键：A-T氢键只有两个，易打开，有利于蛋白质结合以及解旋，因此主要位于大沟处，；而G-C氢键有三个，相对不易打开，因此主要位于结构相对紧密的小沟处
2、分类
B-DNA：结构最稳定，A-T丰富
A-DNA：当B-DNA的一条链/两条链被RNA取代时，变构成A-DNA
Z-DNA：需要特定蛋白帮助固定，与基因调节有关，进行转录或其他某些生理结构时会出现；能够阻碍核小体形成，有益于同源染色体区域重塑
临近调控系统与远距离调控系统：PPT P83
三级结构
细菌质粒DNA（环状双链DNA）
共价闭合环状DNA（cccDNA）：完整的质粒DNA，呈负超螺旋。
开环DNA（ocDNA）：一条链保持完整环形，另一条链有一个或多个缺口。
线性DNA（lDNA）：两条链均断裂形成
质粒DNA结构的鉴定：在电场作用下，相同分子质量的质粒DNA迁移率cccDNA＞lDNA＞ocDNA。
三、 DNA的复制
1、DNA的半保留复制
验证：将母链DNA用N15标记，其他碱基用N14标记，DNA复制数代以后观察N14和N15的数值。
2、过程
起始
以原核生物大肠杆菌为例，其只有一个起始点OriC。OriC：由3个13bp的串联重复序列和4个9bp的反向重复序列组成。
机制：DnaA蛋白在ATP的作用下与4个9bp的反向重复序列组合在一起，卷成筒状；再在HU蛋白的作用下识别并使3个13bp的串联重复序列形成开环结构；最后DnaB蛋白在DnaC蛋白的帮助下每六个为一组分别与两条DNA链结合，起始DNA复制。
形成复制叉后，DNA解链酶解开DNA双链，并且DNA链在SSB蛋白的作用下双链保持打开，DNA聚合酶Ⅲ开始合成子链。由于复制方向为5‘→3’，合成的子链为一条连续合成的前导链和数条半不连续的后随链，即冈崎片段，冈崎片段的合成需要DNA引物酶制造引物。
延伸方向
定点开始单向复制：复制从一个起始点开始，以同一方向合成两条链。
定点开始双向复制：为原核生物和真核生物DNA复制的最主要形式。从一个特定位点解链，沿两相反方向各生长出两条链，形成一个复制泡。
两点开始单向复制：由两个起点开始，形成两个复制叉，各以一个单一方向合成一条新链。
终止：当复制叉前移遇到20bp的重复性终止子序列（Ter）时，Ter-Tus复合物能阻止复制叉的前移，当相反方向复制叉到达后在DNA拓扑异构酶的作用下使复制叉解体，释放子链DNA。
有关酶
真核生物
DNA聚合酶α：合成DNA引物
DNA聚合酶δ：主要的复制酶
原核生物
DNA聚合酶Ⅰ：修复损伤、填补空缺、切除引物
DNA聚合酶Ⅲ：是主要的复制酶。效率高
DNA连接酶：连接nick
3、特点
共性特点
复制是半保留的
复制方向：单向双向均可进行，其中双向较为常见
复制开始时需要一段引物RNA，在复制进行当一定程度时被切除，以一段DNA代替
复制具有严格的保证复制准确性的机制
只有一个复制起始点，复制速度相对较快
有多个复制起始点，复制速度相对较慢
为线性DNA，有端粒
复制叉处有复制因子C和PCNA帮助合成前导链和后随连
四、 DNA的损伤与修复
损伤
引起损伤的因素
自发性损伤
物理因素：辐射、紫外线等
化学因素：烷基类物质
类型：碱基脱落、碱基改变、嘧啶二聚体、碱基的取代、碱基的插入或缺失、链的断裂等
修复系统
DNA聚合酶的校对功能：复制过程中进行
错配修复系统（复制后修复）
酶扫描并识别错配碱基和邻近的GATC序列并切除包括错配碱基的两者之间的DNA序列。最后DNA聚合酶和DNA连接酶填充缺口。起作用的酶：DNA聚合酶Ⅰ和DNA连接酶
尿嘧啶-N-糖苷酶修复系统（复制后修复）
原因：胞嘧啶的自发脱氨氧化
发生之后经ung-ase识别，由AP内切酶切除，最后DNA聚合酶和DNA连接酶将DNA补全。
嘧啶二聚体的修复（复制后修复，紫外照射后发生）：相邻的嘧啶之间形成氢键，使DNA易断裂。
损伤修复系统
光复活修复（复制前修复）：以可见光激活PR酶（光敏裂合酶），使其去除相邻嘧啶之间的氢键。
重组修复（复制后修复）：损伤的DNA合成子链后，将完整链上的正确序列填补到与损伤的DNA母链结合的子链上，再用DNA聚合酶和DNA连接酶补全提供正确序列的DNA链。
SOS修复（复制中修复）：DNA复制时直接跳过错误碱基。
限制修复系统：对付外源DNA的入侵
冈崎片段切除引物后形成gap，DNA聚合酶Ⅰ补全gap后又形成nick，最后由DNA连接酶消除nick，形成一个完整的DNA链。DNA聚合酶与DNA连接酶也在DNA的损伤修复中起作用。
三、DNA的复制
概念：
以原核生物大肠杆菌为例，其只有一个起始点OriC
OriC：由3个13bp的串联重复序列和4个9bp的反向重复序列组成。
机制：DnaA蛋白在ATP的作用下与4个9bp的反向重复序列组合在一起，卷成筒状；再在HU蛋白的作用下识别并使3个13bp的串联重复序列形成开环结构；最后DnaB蛋白在DnaC蛋白的帮助下每六个为一组分别与两条DNA链结合，起始DNA复制。PPT图97
形成复制叉后，DNA解链酶解开DNA双链，并且DNA链在SSB蛋白的作用下双链保持打开，DNA聚合酶Ⅲ开始合成子链。由于复制方向为5‘→3’，合成的子链为一条连续合成的前导链和数条半不连续的后随链，即冈崎片段，冈崎片段的合成需要DNA引物酶制造引物。PPT图93
延伸
方向
DNA聚合酶Ⅰ、DNA聚合酶Ⅱ
四、DNA的损伤与修复
修复损伤、填补空缺、切除引物
