分子生物学，基因组的维持，染色体

这是一篇关于分子生物学，基因组的维持，染色体的思维导图，详细的总结了分子生物学中关于基因组的维持相关内容。

Maintenance of the Genome

• The structures of DNA and RNA
  • DNA Structure
    • two polynucleotide chains are twisting around each other in the form of a double helix.
      • model
        • Schematic model
        • Space-filling model
      • Nucleotide
        • base
          • A、G、C、T（注意碱基异构）
        • 戊糖
        • Nucleoside（glycosidic bond）
        • phosphoric acid
        • 2¢-deoxyribose（phosphoester bond）
      • DNA strands can separate (denature) and reassociate (anneal)
    • 一级结构
      • DNA 分子中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸的差异主要表现在碱基上，因此也叫做碱基序列。
    • 二级结构
      • Chargaff 规则
        • DNA 分子中腺嘌呤与胸腺嘧啶的含量相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的含量相等；因此 DNA 中嘌呤与嘧啶的总数相等：即 A ＋ G=C ＋ T
      • 双螺旋结构模型
        • 反向平行
        • 右手螺旋
        • 碱基配对
        • 注意大沟小沟
      • The double helix exists in multiple conformations.
    • 三级结构
      • 超螺旋
        • 绝大部分原核生物 DNA 是共价闭合的环状双螺旋分子，此环形分子可再次螺旋形成超螺旋，非环形 DNA 分子在一定条件下局部也可形成超螺旋。
      • 真核细胞基因组 DNA
        • 真核细胞核内染色体即是 DNA 高级结构的主要表现形式。组蛋白 H2A 、 H2B 、 H3 、 H4 各两分子组成组蛋白八聚体。 DNA 双螺旋缠绕其上构成核心颗粒，颗粒之间再以 DNA 和组蛋白 H1 连成核小体，核小体再经多步旋转折叠形成棒状染色体，存在于细胞核中。
  • DNA Topology
    • cccDNA
    • Linking number
      • Twist
        • the number of times one strand completely wraps around the other strand.
      • Writhe
        • the number of times that the long axis of the double helical DNA crosses over itself in 3-D space.
    • Function
      • DNA in cells is negatively supercoiled; nucleosomes introduces negative supercoiling in eukaryotes
      • Topoisomerases (P115-119)
  • RNA Structure
    • 与 DNA区别
      • 结构
      • 功能
    • mRNA
    • rRNA
    • tRNA
      • 一级结构
      • 二级结构
      • 三级结构
• Chromosomes, chromatins and the nucleosome
  • Chromosome sequence & diversity
    • Shape: circular or linear
    • Number in an organism is characteristic
    • Copy: haploid, diploid, polyploid
    • Genome & the complexity of the organism
    • Genes make up only a small proportion of the eukaryotic genome
  • Chromosome duplication & segregation
    • Critical DNA elements
      • Critical DNA elements
      • Centromeres
      • Telomeres
    • Eukaryotic chromosome duplication & segregation occur in separate phases of the cell cycle
    • Chromosome structure changes as eukaryotic cells divide
    • The gap phase of the cell cycle allow time to prepare for the next cell cycle stage while also checking that the previous stage is finished correctly.
    • Different levels of chromosome structure can be observed by microscopy
  • The nucleosome
    • Nucleosomes are the building blocks of chromosomes
    • Histones are small, positively charged (basic) proteins
    • Many DNA sequence-independent contacts (?) mediate interaction between between the core histones and DNA
    • The histone N-terminal tails stabilize DNA wrapping around the octamer
  • Higher-order chromatin structure
    • Histone H1 binds to the linker DNA between nucleosome, inducing tighter DNA wrapping around the nucleosome
    • Nuclear arrays can form more complex structures: the 30-nm fiber (“zigzag model”)
    • Further compaction of DNA involves large loops of nucleosomal DNA
    • Histone variants alter nucleosome function
  • Regulation of chromatin structure
    • The interaction of DNA with the histone octamer is dynamic
    • Nucleosome remodeling complexes facilitate nucleosome movement
  • Nucleosome assembly
    • Nucleosomes are assembled immediately after DNA replication, and the assembly requires histone chaperones
• The mutability and repair of DNA
  • DNA损伤
    • DNA损伤的因素
      • 自发性突变
      • 环境中的物理生物化学因素
    • DNA损伤的形式
      • DNA链的断裂与局部缺失
      • 形成嘧啶二聚体
      • 单个或数个碱基的错配缺失或插入
      • DNA片段的位移重排等
    • DNA损伤的危害
  • DNA损伤的修复类型
    • 错配修复
    • 直接修复
    • 切除修复
    • 重组修复
    • SOS修复
  • DNA修复的意义
    • DNA修复的意义是纠正突变的基因恢复基因的原有结构和功能
• The replication of DNA
  • DNA的复制概述
    • DNA的半保留复制
    • 复制的起点、方向和速度
      • 复制子
      • 复制叉
    • 复制的几种主要方式
      • 线性DNA双链的复制
      • 环状DNA双链的复制
        • θ型
        • 滚环型
        • D-环型
  • DNA复制的特点
    • 半保留复制
      • 概念:如此合成的子代细胞的DNA，一条单链为亲代模板，另一条为与之互补的新链，两个子细胞的DNA与亲代的完全相同。
      • 三种可能的DNA复制方式:全保留式、半保留式、混合式的复制
      • 意义:维护了种族遗传的高保真性
    • DNA复制的固定起始位点和双向复制
      • 复制起点:复制是从DNA分子上的某一特定位点开始
      • 原核生物基因组DNA为环状，只有一个复制起点，因此为单复制子生物。真核生物基因组复杂庞大，有多个复制起点具有多个复制子。
      • 双向复制:DNA双链从复制起点向两个方向解链，因此复制沿两个方向同时进行。
    • DNA的半不连续复制
      • 由于DNA聚合酶只能催化5’到3’的合成，所以新链的合成方向均为5’到3’
      • 定义:模板DNA的两条链为反向平行的新链和模板链之间也是反向平行的关系，所以在DNA复制过程中，一条新链的合成方向与解链的方向相同，能连续合成，而另一条新链的合成方向与解链方向相反，不能连续合成
      • DNA复制过程中能连续合成的链称为前导链或领头链，不能连续合成的链称为后随链或滞后链
      • 冈崎片段
    • DNA的高保真复制
      • DNA复制时遵循严格的碱基配对规律
      • DNA聚合酶在复制中对底物碱基的严格选择性
      • DNA聚合酶3’到5’外切核酸酶活性的校对作用
    • 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
      • 真核生物DNA复制的特点
      • DNA复制的调控
        • 冈崎片段与半不连续复制
        • 原核和真核DNA复制异同点
  • 参与DNA复制的酶类及蛋白质因子
    • DNA聚合酶
      • 原核生物DNA聚合酶
        • DNApol Ⅰ
          • 修复合成去除引物填补空缺，催化以DNA为模板的dNTPl聚合反应
        • DNA pol Ⅱ
          • 复制中的校对、DNA修复
        • DNApol Ⅲ
          • 复制（新链延长），是原核细胞内复制过程中起主要作用的DNA聚合酶
      • 真核生物的DNA聚合酶
        • DNA pol α有引物酶活性参与DNA链合成的引发
        • DNA pol δ可催化合成DNA长链是催化DNA链延长的主要酶，同时兼有外切核酸酶的即时校对作用和解螺旋酶活性
        • DNA pol γ是线粒体DNA合成的聚合酶
        • DNA pol ε相当于原核生物DNA pol Ⅰ 修复
        • DNA pol β主要在DNA修复过程中起作用
    • DNA解链和解旋酶类
      • 解旋酶
      • 拓扑异构酶
        • Ⅰ型拓扑异构酶:使超螺旋处的DNA一条链的磷酸二酯键断开，消除过度的扭力后，再使两段端以磷酸二酯键相连，反应不需要ATP
        • Ⅱ型拓扑异构酶:使DNA两条链水解断开，待消除扭力后断端连接，恢复原有的核苷酸的连接顺序，反应需要ATP供能
      • 单链结合蛋白（SSB）
        • 在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整
    • 引物酶
      • 提供3’-OH端的多核苷酸短片段的RNA称为引物
      • 定义:一种特殊的依赖DNA的RNA聚合酶作用下合成的
    • DNA连接酶
      • 可连接DNA链3’-OH末端和相邻DNA链5’-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链
    • 参与DNA复制的体系包括DNA模板，四种dNTP底物，RNA引物，DNA聚合酶及其他酶类与蛋白质因子和无机离子
  • DNA复制过程
    • 复制的起始
      • DNA解为单链
      • 引发体前体
        • 作用:聚集NTP、结合引物酶以及合成引物后与引物分离
      • 引发体:引发体前提于引物酶结合形成的复合物
      • 引物合成:模板DNA双链反向互补，故当两链分开形成复制叉时，前导链沿着模板以5’-3’方向合成RNA引物
    • DNA链的延长
      • DDDP催化dNTP中的α-磷酸基与引物或延长中的DNA新链的3’-OH缩合形成磷酸二酯键，新链的合成方向为5’-3’
    • DNA复制的终止
      • 水解引物、填补空缺以及连接DNA片段，以上主要由DNApol Ⅰ和连接酶催化完成
    • DNA的其他复制方式