第11章：基因与染色体结构
高中生物第十一节：基因重组与基因转位——基因重组概念
课次：22教学目的：使学生了解重组的四种类型，了解位点特异重组和异常重组的特点，掌握同源重组的机制。
重点：同源重组的机制难点：同源重组的机制复习旧课：提问1人，了解教学效果。
导入新课：第九章遗传重组第一节概述DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合，称为遗传重组(genetic recombination)。
重组产物为重组体DNA (recombinant DNA) 。
DNA重组对生物进化起着关键的作用。
基因重组是指由于不同DNA链的断裂和连接而产生的DNA片段的交换和重新组合，形成新的DNA 分子的过程。
重组的类型：（1）同源重组(homologous recombination )：反应涉及到大片段同源DNA序列之间的交换。
其主要特点是需要RecA蛋白的介入。
（2）位点特异性重组（site-specific recombination）：重组发生在特殊位点上，此位点含有短的同源序列，供重组蛋白识别。
（3）转座重组（transposition recombination）：由转座因子产生的特殊的行为。
转座的机制依赖DNA 的交错剪切和复制，但不依赖于同源序列。
（4）异常重组分为两类，末端连接和链滑动。
其特征时重组对中很少或没有序列同源性，所以也称为非同源性重组。
第二节同源重组1 同源重组1.1 同源重组（homologous recombination）:发生在同源DNA序列之间。
1.2 特征-进行同源重组的基本条件：1）在交换区具有相同或相似的序列：涉及同源序列间的联会配对，且交换的片段较大；单链DNA分子或单链DNA末端是交换发生的重要信号2）双链DNA分子之间互补碱基进行配对3）重组酶4）异源双链区的形成:涉及DNA分子在特定的交换位点发生断裂和错接的生化过程；存在重组热点。
e.g.：Euk.减数分裂时的染色单体之间的交换；细菌的转化，转导，接合，噬菌体重组同源重组是同源依赖性的，而非序列依赖性。
染色体的结构和功能
染色体的结构和功能染色体是细胞内的遗传物质，它承载着生物体传递给后代的遗传信息。
结构和功能是染色体的两个重要方面，下面将对染色体的结构和功能进行详细讨论。
一、染色体的结构染色体由DNA和蛋白质组成，主要有四个部分构成：着丝粒、染色质臂、着丝粒间区和端粒。
1. 着丝粒：染色体的两端分别有一个着丝粒，它们是染色体稳定的关键部分。
着丝粒在有丝分裂过程中起着定位染色体和分离姐妹染色单体的作用。
2. 染色质臂：染色质臂由DNA和蛋白质组成，分为长臂（q臂）和短臂（p臂）。
染色质臂中包含了遗传物质DNA，其中编码了生物体的基因信息。
3. 着丝粒间区：位于着丝粒之间的区域，数量和大小因生物种类而异。
着丝粒间区中含有少量的DNA和一些特殊的蛋白质。
4. 端粒：位于染色体两端的特殊结构，保护染色体的稳定性。
端粒在染色体复制和损伤修复过程中起着重要作用。
二、染色体的功能染色体作为细胞的遗传物质，承担了多种重要的功能。
1. 遗传功能：染色体中的DNA携带了生物体的遗传信息，决定了个体的生长、发育和性状。
在有丝分裂过程中，染色体能够精确地复制并均分给子细胞，保证后代遗传信息的稳定传递。
2. 基因表达功能：染色体上的基因通过转录和翻译过程，控制着生物体的蛋白质合成。
不同的基因组成了基因组，基因组起着遗传调控和调节功能。
3. 细胞生理功能：染色体参与了细胞的代谢、能量产生和生物活动的调控。
染色体中的DNA序列可以被转录成RNA，在细胞内发挥调节作用。
三、染色体的特殊结构和功能除了基本的结构和功能，染色体还具有一些特殊的结构和功能。
1. 染色体可见性：在有丝分裂过程中，染色体能够被显微镜观察到，呈现出可辨认的形状和结构。
2. 染色体重塑：染色体在有丝分裂和减数分裂过程中会发生重塑。
染色体可以伸长、缩短、变形等，以适应细胞分裂的需要。
3. 染色体异常与疾病：染色体异常可能导致遗传病的发生。
例如，染色体缺失、易位、倒位等结构异常会引起染色体病。
分子生物学 第11章
反式作用因子从功能上分析，其结构可包含不同区 域：DNA结合域、转录激活域、连接区
（一）蛋白质直接和DNA结合
在DNA结合结构域中具有一些特殊结构基序： 1. 螺旋-转角-螺旋结构基序
2. 锌指结构基序
3. 螺旋-突环-螺旋结构基序
4. 亮氨基拉链结构基序
5. 碱性结构域 6. Β折叠
•基元，基序或模序（motifs or modules） •在许多蛋白质中，有两个或三个具有二级结构的肽 段在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象， 称为基序。有的将这种规则的二级结构的聚集体称 为超二级结构，它们可直接作为三级结构的“建筑 块”或域结构的组成单位，是蛋白质发挥特定功能 的基础。 •类型：αα、ββ、αβα、锌指结构、亮氨酸拉链…
第11章 真核生物的基因表达调控
真核生物基因表达与调控与原核生物有很大不同
•原核生物同一群体的每个细胞都和外界环境直接接 触，它们主要通过转录调控，以开启或关闭某些基 因的表达来适应环境条件（主要是营养水平的变 化），故环境因子往往是调控的诱导物。 •而大多数真核生物，基因表达调控最明显的特征时 能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从 而实现“预定”的，有序的，不可逆的分化和发育 过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范 围内保持正常的生理功能。
1. 螺旋-转角-螺旋（Helix-turn-helix, HTH)
•HTH是第一个被确立的DNA结合结构。 很多细菌的调节蛋白是以螺旋-转角-螺旋这种基序 存在，如Lac阻遏蛋白，Trp阻遏蛋白、分解代谢激 活蛋白（CAP），λ噬菌体阻遏蛋白（Cro），噬菌 体434阻遏蛋白。在酵母中涉及交配型的a1和a2蛋 白以及在高等真核生物中的Oct-1和Oct-2也属于此 类型。
生物化学课后习题答案-第十一章xt11
第十一章 DNA的生物合成一、课后习题1.怎样确定DNA复制的主要方式是双向复制，以及一些生物的DNA采取单向复制？2.假定在D环式的复制叉上，螺旋的解开会引起未复制部分的缠绕，当缠绕继续到不可能再进一步缠绕时，主链的增长便停止，然后随从链的延长才会被引发。
那么，在什么条件下更可能观察到大小与前体片段相似的D环？3.试述滚动机制有哪些主要特征？怎样鉴别环状与线状DNA？4.已知大肠杆菌DNA的长度为1100μm，其复制叉式在一个世代大约40min内通过一个复制叉完成的，试求其复制体的链增长速度、正在复制的DNA分子的转速。
参考答案：1.原核生物的染色体和质粒，真核生物的细胞器DNA都是环状双链分子。
实验表明，它们都在一个固定的起点开始复制，复制方向大多是双向的，即形成两个复制叉或生长点，分别向两侧进行复制；也有一个是单向的，只形成一个复制叉或生长点。
2.叶绿体和线粒体DNA（除纤毛虫的线粒体线性DNA分子外）的复制方式。
双链环在固定点解开进行复制，但两条链的合成是高度不对称的，一条链先复制，另一条链保持单链而被取代，在电镜下看到呈（取代环，D环）形状。
待一条链复制到一定程度，露出另一链的复制起点并开始复制。
两条多核苷酸链的起点不在同一点上，当两条链的起点分开一定距离时就产生D环（如线粒体DNA的复制）。
双链环两条链的起点不在同一位置，但同时在起点处解开双链，进行D环复制，称为2D环复制（如叶绿体DNA的复制）。
这时，更可能观察到大小与前体片段相似的D环。
3. Walter Gilbert（1968）提出滚环模型来解释φX174DNA的复制：首先由特异核酸内切酶在环状双链DNA（称为RF型、增值型，即单链DNA已复制一次成双链）的一条链上切开切口产生5′—P末端和3′—OH末端。
5′—P末端与细胞质膜连接，被固定在膜上，然后环形的双链通过滚动而进行复制。
以完整链（正链）为模板进行的DNA合成是在DNA 聚合酶参与下，在切口的3′—OH末端按5′—3′的方向逐个添加核苷酸；以5′—P 末端结合在细胞膜上的链（被切断的负链）作模板所进行的DNA合成也是由DNA聚合酶催化，先按5′—3′方向形成短链（冈崎片断），然后再通过DNA连接酶连接起来。
11细胞核和染色体 中山大学研究生入学考试细胞生物学真题各章节专项整理
44.( )染色质中核酸酶超敏感位点常位于两个核小体之间的连接DNA上。（02年）
45.( )同一个体不同组织的细胞中，核仁的大小和数目都有很大的变化，这种变化和细胞中蛋白质合成呢个的旺盛程度有关。（03年）
b.中期染色体含有非组蛋白蛋白质
c.中期染色体的压缩程度比间期染色体的压缩程度低
d.中期染色体也含有蛋白质骨架
三、判断题
34.( )锌指结构模式仅在真核细胞DNA结合蛋白中发现，而α螺旋-转角-α螺旋模式DNA结合蛋白仅在原核细胞中发现。（98年）
35.( )中度重复序列DNA都是非编码序列，即没有结构基因。（98年）
3.根据多级螺旋模型，从DNA到染色体四级包装，共压缩了倍。（99年）
4.核质素是一种亲核蛋白，具有头、尾两个不同的结构域，其具有人核信号。（99年）
5.细胞核内不能合成蛋白质，因此，构成细胞核的蛋白质（包括酶）由合成，然后
由引导进入细胞核。（00年）
6.分子伴侣在信号肽引导的蛋白质运输和定位中具有重要作用，例如伴侣分子Bip在内质网中不仅能够帮助，还担负着作用。（00年）
46.( )核纤层是由核纤层蛋白A,核纤层蛋白B和核纤层蛋白C构成的,其中只有核纤层蛋白A与核膜相连.（04年）
47.( )同源异型框是一类含有60个氨基酸保守序列的蛋白质肽,它们是突变可以改变发育的方向.（04年）
48.( )DNA在进行半保留复制时,核小体组蛋白也要解聚,复制后再进行组装.（04年）
A.凝血缺陷B.不能抵抗组织感染
C.皮上出现水疱D.立即死亡
32.下列哪些特性使端粒酶不同与其他的DNA聚合酶？( )（08年）
染色体结构变异与基因突变的区别
染色体结构变异与基因突变的区别染色体结构变异是指染色体上基因数目或者顺序的改变；基因突变是指基因结构的改变，包括碱基的替换、增添、缺失。
.易位和交叉互换的区别易位发生在非同源染色体之间，是指一条染色体的某一片段移接到另外一条非同源染色体上。
交叉互换发生在同源染色体的非姐妹染色单体之间。
细胞分裂图的染色体组数判断(1)①为减数第一次分裂的前期，有 4 条染色体，生殖细胞中有2 条染色体，每个染色体组有 2 条染色体，该细胞中有 2 个染色体组。
(2)②为减数第一次分裂的末期，有 2 条染色体，生殖细胞中有2 条染色体，每个染色体组有 2 条染色体，该细胞中有 1 个染色体组。
(3)③为减数第一次分裂的后期，有 4 条染色体，生殖细胞中有2 条染色体，每个染色体组有 2 条染色体，该细胞中有 2 个染色体组。
(4)④为有丝分裂后期，染色体 8 条，每个染色体组 2 条染色体，该细胞中有 4 个染色体组。
【说明】着丝点分裂导致染色体、染色体组数目加倍。
比较项目无子西瓜无子番茄培育原理染色体变异生长素促进果实发育无子原因三倍体植物在减数分裂中同源染色体联会紊乱，不能形成正常的配子而无子未授粉、胚珠内的卵细胞没有经过受精，所以果实中没有形成种子无子性状能否遗传能，结无子西瓜的植株经植物组织培养后，所结西瓜仍是无子不能，结无子番茄的植株经植物组织培养后，所结番茄有子所用试剂秋水仙素生长素类似物,如2,4-D 生长素处理部位萌发的种子或幼苗未授粉的雌蕊柱头性状能否遗传可遗传不可遗传无子西瓜和无子番茄的原理不同：无子番茄是用一定浓度人工合成的生长素来处理没有授粉的花蕾；无子西瓜是由于三倍体植株在减数分裂中同源染色体联会紊乱，因而不能形成正常的生殖细胞。
单倍体育种与多倍体育种比较二倍体、多倍体、单倍体的比较比较三种可遗传变异【易错易混】①同源染色体上非姐妹染色单体间的交叉互换，属于基因重组；非同源染色体之间的交叉互换，属于染色体结构变异中的易位。
第十一章 真核基因与基因组
3. 单拷贝序列（低度重复序列）
单拷贝序列在单倍体基因组中只出现一次或数次，大多数编码蛋
白质的基因属于这一类。在基因组中，单拷贝序列的两侧往往为
散在分布的重复序列。单拷贝序列编码的蛋白质在很大程度上体
现了生物的各种功能。
三、真核基因组中存在大量的多基因家族和假基因
1. 多基因家族（multigene family）
• 在单倍体人基因组中重复达30～50万次，约占人基因组
的3%～6%
• 每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点
（AG↓CT），将其切成长130bp和170bp的两段
② KpnⅠ家族 • 中度重复序列中仅次于Alu 家族的第二大家族 • 重复序列中含有限制性内切酶KpnⅠ的位点 • 呈散在分布，拷贝数约为3000～4800个 ③ Hinf 家族 • 以319bp长度的串联重复存在于人基因组中 • 重复序列中含有限制性内切酶Hinf Ⅰ的位点
三、调控序列参与真核基因表达调控
位于基因转录区前后并与其紧邻的DNA序列通常是基因的调控
区，又称为旁侧序列（flanking sequence）。这些调控序列又
被称为
、
（cis-acting element），包括
、 、
、
和一些细胞信号反应元
件等。
真核基因及调控序列的一般结构
1. 启动子提供转录起始信号 启动子是DNA分子上能够介导RNA聚合酶结合并形成转录起始复合体
能，使它们不能再编码RNA和蛋白质产物；经过加工的假基因通常缺少 正常基因表达所需的调节序列、没有内含子、可能有poly(A)尾。
（2）未经过加工的假基因：来源于多拷贝或单拷贝基因的突变
（2）增强子序列距离所调控基因距离近者几十个碱基对，远 的可达几千个碱基对。 （3）通常数个增强子序列形成一簇，
第十一章染色体畸变的遗传分析
4. 造成染色体融合，导致数目变异
罗伯逊易位(robertsonian translocation)
这种遗传效应只可能发生在具有二对近端着丝点染色体的相互易位情形中
5 位置效应
表明：
基因表达与它在染色体组中的位置 有关
伯基特氏淋巴瘤
原癌基因从8号染色体端部转 移到14号染色体上时被激活
（四）. 易位点的测定
染色体折断的结果： 正确重接：重新愈合，恢复原状； 错误重接：产生结构变异； 保持断头：产生结构变异。
结构变异的基本类型：缺失、重复、倒位、易位。 形成、类型与特点； 细胞学特征与鉴定； 遗传效应。
重复
缺失 倒位
易位
三.常用符号和编写术语
第二节 缺失
一. 缺失的类型 顶端缺失(terminal deficency) 中间缺失(interstitial deficency)
臂内倒位杂合体 后期 I 桥和染色体断片：
倒位杂合体的染色体联会
臂内倒位形成的“后期 I 桥”
(三)、倒位的遗传效应
1. 倒位杂合体的部分不育现象： 倒位圈内发生交换后，产生的交换型配子 (50%)含重复缺失染色单体，这类配子是不育 的; 只有部分孢母细胞在减数分裂时倒位圈内会发 生非姊妹染色单体间的交换； 倒位点可以当作一个显性基因位点看待，其性 状表现就是倒位杂合体部分不育。
新的断裂
(二)、缺失的细胞学鉴定
无着丝粒断片；
最初发生缺失的细胞在分裂时可见无着丝粒断片。
缺失环(环形或瘤形突出)；
中间缺失杂合体偶线期和粗线期出现；
二价体末端突出；
顶端缺失杂合体粗线期、双线期，交叉未完全端化的二价体 末端不等长。
注意： 较小的缺失往往并不表现出明显的细胞学特征； 缺失纯合体减数分裂过程也不表现明显的细胞学特征。
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Histone gene family
H1 H4 H2B H3 H2A
基因簇（gene cluster）：基因家族中各成 员紧密排列成大断的串联重复单位，定位 于染色体上相对集中的区域。
常用的命名方法 三个小写英文斜体字母 eg:cry （ 正体即为相应的蛋白产物） 不同对象命名存在差异 （果蝇、线虫、人类基因、脊椎动物等）
第二节 原核生物的染色体结构
Prokaryotic Chromsome
Stucture
• The length of nucleic acid is much greater than the dimensions of the surrounding compartment
内含子（intron）：原初转录物中通过RNA剪接反
应而被去除的RNA序列或基因中与这种RNA序列相 对于的DNA序列。
外显子（extron）
：原初转录物中通过RNA剪接反
应而保留于成熟RNA中的序列或基因中与成熟RNA
相对于的DNA序列。
RNA剪接（RNA splitting）：从断裂基因原初转录
物中精确的切去内含子，并将外显子连接成完整成熟 mRNA的过程。
怎样确定一个真核基因为断裂基因？
① 对基因组DNA和cDNA进行电泳； ② 对基因组DNA和cDNA进行限制性内切酶分析
③ 对基因组DNA和cDNA测序；。
注意： Splitting gene 概念的相对性
a) Intron 并非绝对“含而不 露” II of cyt.b gene（ Yeast） coding a maturase Intron b) Extron 并非绝对“表里如一”
N端，疏水Aa多分布在C端；
修饰作用的不均一性：H3和H4较普遍；
H5
富含Lys（24%）、Ala（16%）、Ser
（13%）、Arg（11%）；
具有种属特异性（鸟类、两栖类、鱼类红细胞）；
与H1并无明显的血缘关系；
功能：其磷酸化可能对染色质失活过程起着重
要作用
2.1.2、非组蛋白
rDNA gene family
T 18s T 5.8s T
45s 41s 20s 18s 5.8s 32s 28s
28s NT 18s T 5.8s T
Sea urchin 450 copies
Drosophila 100 copies Tobacco 750 copies
基因家族（gene family）：真核生物基因组中 来源相同，结构相似，功能相关的一组基因
顺反子是一段核苷酸序列，能编码一条完整的多肽链
顺反子的最小交换单位（交换子）和最小突变单位 （突变子）都应是DNA分子中的一个核苷酸对 基因存在DNA共性
2 基因与多肽链
基因的主要编码产物为多肽链
基因的碱基序列与蛋白质分子中氨基酸序列间 的对应关系是通过遗传密码实现的
3、基因的命名
目前还没有严格的统一
the lack of a correlation between genome
size(C-value)and genetic complexity
C值矛盾的表现 生物体进化程度高低与大C值无明显相关（非线性）； 亲缘关系相近的生物大C值相差较大。
高等真核生物具有比用于遗传多的C值。?
（1）特性：多样性、组织专一性、种属专一性；
（2）常见的非组蛋白
HMG蛋白（high mobility group protein）
能与DNA结合，也能与H1作用，但结合得不
牢固。可能与超螺旋结构有关。
DNA结合蛋白
约占非组蛋白的20%，分子量较低，与DNA 紧密结合。可能与DNA的复制或转录相关。
Domain/ Loop
Member binding proteins?
Basic protein
Supercoiled DNA
Non-supercoiled domain
Supercoiled domain
Protein-membrane core or scaffold
第三节 真核生物的染色体结构
拟核：对数生长期2~4个，其余阶段1个；
DNA占80%，其余为RNA和蛋白（稳定类核）；
4.2×106bp 约3000~4000个基因
基因组由50~100个长度约50~100kb的相独立结构域组成，
结构域与膜蛋白复合体结合而被固定； 具有调控单位，如Trp操纵子和His操纵子等； 操纵子的转录方向不同。在已知的50个操纵子中， 27 顺时 针转录, 23 逆时针转录。
There are wide variations in the genome sizes of organisms within many phyla, such as insects, amphibians and flowering plants.
C值矛盾：指基因组大小（C值)同遗传
复杂度间缺少共线性。
Intron II
maturase
C）增加变异机率， 有利于生物的进化
splitting gene（含有intron ） 增加了基因的长度
增加了基因内的重组交换率
有利于变异和生物多样性形成
D）扩大生物体的遗传信息储量
对 intron 的选择性剪接（alternative splicing），
将形成不同的基因产物
1500 000 850 000 450 000
DNA复性动力学研究
单拷贝序列（single copy sequence）
A、多为结构基因； B、是复性最慢的组分， 40%－80%； C、大小：750~2000bp
重复序列 轻度重复序列 中度重复序列 高度重复序列
轻度重复序列
A. copies：2~10
2.2 DNA
2.2.1 、C值矛盾（C-value paradox）
最大C值(C value): The total amount of DNA in
the haploid genome 单倍体基因组总DNA 的含量。
最小c值(c value）:编码基因信息的总DNA含量。
The minimum genome size found in each phylum increases from prokaryotes to mammals.
法国的科学家Chambon
鸡的输卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白 和伴清蛋白，而其红细胞只合成血
红蛋白，那么两种组织之间DNA有
什么不同呢 ？ DNA酶切片段与cDNA探针杂交：
鸡卵清蛋白的基因组DNA用EcoRI
或HindIII酶切，可分别获得４或３ 个酶切片段，每个片段都可与卵清 蛋白的cDNA杂交。而卵清蛋白的 cDNA却不能被EcoRI和HindIII酶 切。？
Eukaryotic Chromosome Structure
细胞结构比较复杂，有细胞核结构； 有细胞器（线粒体、叶绿体），代谢分区明确；
典型真核细胞示意图
1、真核生物基因组的结构特点
基因组大大超过原核生物；
DNA与蛋白质紧密结合形成复杂结构－染色质
存在大量不编码蛋白质的序列；
不是splitting gene
Splitting gene 存在的生物学意义：
A）有利于遗传的相对稳定
mutation frequency
in intron
（剪除）
>
in extron
（密码）
B）利用内含子进行调节
intron II of Cyt. b Long gene in yeast
基因D mRNA的3’序列
5’AUGUCUAAA3’ 基因J mRNA的3’序列 Met Ser Lys 5’GAAGGAGUGA3’ Lys Gly Stop 基因E mRNA的3’序列
重叠基因的生物学意义
• 原核生物进化的经济原则；
• 丰富和发展了基因的概念。
2、大肠杆菌（E.coli）的染色体结构
发现：1977年，Sanger在Nature上发表了φX174 DNA 的全部核苷酸序列，正式发现了重叠基因。 实验材料：φX174 是单链DNA病毒，寄主为E.coli。感染 寄主后将合成子代DNA分子及11个蛋白质（~6078个核苷 酸）。但病毒DNA本身只有5375个核苷酸。
结论：基因重叠
① 一个基因完全在另一个基因里面；
亚铁血红素结合蛋白质 Heme-binding protein 珠蛋白
豆血红蛋白
亚铁血红素结合框架，利用 intron 编码基因
2.2.2.2、重复序列
Eukaryotic genomes contain both nonrepetitive and repetitive DNA sequences
2.2.2真核生物大C值＞小C值？
2.2.2.1 断裂基因 2.2.2.2 重复序列
2.2.2.1 断裂基因 （splitting gene）
编码多肽链的DNA序列中有许多与编码无关
的DNA序列----间隔基因、断裂基因 断裂基因的发现与证实： 1977年美国Sharp&Berget发现splitting gene(1993)
存在很多重复序列；
蛋白质编码基因往往以单拷贝存在。
2 真核细胞染色体的组成
2.1、蛋白质 2.2、DNA
2.1 蛋白质
2.1.1、组蛋白 （1）种类：H1、H2A、H2B、H3、H4 （2）特性：
极端保守性：特别是H3和H4； 无组织特异性； Aa分布的不对称性：碱性Aa集中分布在
② 部分重叠（最常见）；
③ 两个基因只有1bp的重叠。
Overlapping genes inφX174 mRNA