3.1. 染色体与DNA¶
DNA控制生物性状遗传（少数以RNA为遗传物质，部分病毒、类病毒）；RNA、DNA均以核苷酸 图 3.1.1 为基本单位，详阅5.1核酸结构。
图 3.1.1 核苷酸组成结构¶
3.1.1. 染色体¶
染色体：包含DNA、蛋白质，亲代以染色体形式将遗传物质DNA传递至子代，保持物种稳定性、延续性。
同一物种每条染色体所带DNA量一定，但不同染色体或不同物种间差异明显。
组成染色体的蛋白质（组蛋白、非组蛋白）种类、含量稳定。
胞内DNA主要存于染色体上，而称染色体为遗传物质的主要载体。
特征 |
原核细胞 |
真核细胞 |
|---|---|---|
体积 |
小（1~10μm） |
较大（5~100μm） |
基因组 |
DNA与非组蛋白结合，于类核中 |
DNA与组蛋白、非组蛋白结合成染色体 |
分裂形式 |
裂殖、出牙 |
有丝、减数 |
被摸胞器 |
无 |
线粒体,叶绿体等 |
能量代谢 |
质膜氧化酶系 |
线粒体 |
细胞骨架 |
无 |
微管,中间纤维等 |
胞间运动 |
无 |
原生质流动胞饮 |
真核细胞中，染色体位于核仁内，呈极细微线性构造；在细胞周期中占较长时间的间期，以细且松散染色质于细胞核；DNA与蛋白质完全融合。
原核细胞无细胞核，DNA于类核结构拟核，外裹稀疏蛋白质（参与DNA折叠，复制、重组、转录）。
DNA主要特征：
常仅1条染色体且多带单拷贝基因，少数多拷贝（rRNA基因）；
全染色体DNA几乎全为功能基因及调控序列；
几乎每个基因序列皆与所编码蛋白质序列线性对应。
3.1.1.1. 真核细胞染色体¶
真核细胞具明显核结构，染色体均为二倍体（生殖细胞外）。
生殖细胞（配子）染色体为体细胞一半，即单倍体；受精卵（合子）由精、卵细胞结合成。
染色体特征：
分子结构相对稳定；可自我复制，亲子代间保持连续性；
可指导蛋白质合成，控制整个生命过程；
可产生可遗传变异。
蛋白质构成：
组蛋白（进化极端保守性，无组织特异性，肽链氨基酸分布不对称，具多种修饰：甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、ADP核糖基化等，组蛋白H5或与染色质失活相关）；
非组蛋白（HMG蛋白、DNA结合蛋白、A24非组蛋白）。
基因组DNA：
不重复序列（常仅一个或几个拷贝，750~2kbp；结构基因基本属不重复序列）；
中度重复序列（重复101~104，各种rRNA、tRNA、某些结构基因如组蛋白属此类）；
高度重复序列（卫星DNA，仅于真核生物，6~100bp、串联重复成千上万次，多位于着丝粒处、部分于染色体臂，高度浓缩为异染色质组成，不转录）。
核小体：
由H2A、H2B、H3、H4各两分子成八聚体及约200bpDNA盘绕构成，H1于核小体外；
核心颗粒146bp、绕1.75圈（每圈约80bp）。
名称 |
构成 |
长度压缩（倍） |
|---|---|---|
核小体 |
DNA、组蛋白 |
7 |
螺线管 |
核小体 |
6 |
超螺旋 |
螺线管 |
40 |
染色体 |
超螺旋 |
5 |
合计 |
8k~10k |
基因组特点：
庞大，常远大于原核生物基因组；
存在大量重复序列；
大部分为非编码序列（与细菌、病毒间最主要区别）；
转录产物为单顺反子；
基因为断裂基因，具内含子结构；
存在大量顺式作用元件（启动子、增强子、沉默子等）；
存大量DNA多态性（SNP、串联重复序列多态性等）；
具端粒结构。
端粒为真核生物线性基因组DNA末端特殊结构，DNA序列段与蛋白质形成的复合体，序列保守
保护线性DNA完整复制、保护染色体末端、决定细胞寿命等
3.1.1.2. 原核基因组¶
基因组小、常仅一条染色体，DNA量少。细菌质粒、真核生物线粒体、叶绿体等含DNA及功能基因，称染色体外遗传因子。
基因组特点：
结构简练（绝大部分用于编码蛋白质，仅少部分不转录）；
存在转录单元（功能相关RNA、蛋白质基因结合于基因组某些特定部位形成功能单位/转录单元；可转录为含多mRNA分子，即多顺反子）；
具重叠基因（同段DNA可携带不同蛋白质信息）。
3.1.2. DNA结构¶
3.1.2.1. 一级、二级结构¶
一级结构：
4种核苷酸连接、排列顺序（DNA分子的化学构成）；
常为线性、环状，绝多数为两互补双链，少数如某些噬菌体、病毒为单链；
决定高级结构，高级结构影响、决定一级结构功能。
二级结构：
两条多核苷酸链反向平行盘绕成双螺旋结构（特点：由两互相平行的脱氧核苷酸链盘绕成；脱氧核糖、磷酸交替连接于外侧成骨架，碱基于内侧）；
两链上碱基经氢键结合成碱基对，嘌呤与嘧啶配对（A-T、C-G，碱基互补配对原则）。
双螺旋 |
A-DNA |
B-DNA |
Z-DNA |
|---|---|---|---|
碱基倾角/° |
20 |
6 |
7 |
碱基间距/nm |
0.26 |
0.34 |
0.37 |
螺径/nm |
2.55 |
2 |
1.84 |
每圈碱基对 |
11 |
10 |
12 |
大沟 |
狭、深 |
宽、较深 |
平坦 |
小沟 |
宽、浅 |
狭、较深 |
狭、深 |
糖苷键构象 |
反式 |
反式 |
C反、G顺 |
螺旋反向 |
右 |
右 |
左 |
A-DNA：较B-DNA，碱基倾斜大，偏向双螺旋边缘，具深窄大沟、宽浅小沟；DNA双链种任一链被相应RNA替换则变为A-DNA（转录时等）。
Z-DNA：邻近调控模式 图 3.1.2 Ⅰ，与调节区相邻的转录区被Z-DNA抑制，转为B-DNA后活化；远距离调控模式 图 3.1.2 Ⅱ，Z-DNA经增加负超螺旋，调节聚合酶与模板链结合而调节转录起始活性（B-DNA时，远距转录区负超螺旋水平低，无扭转张力）。
图 3.1.2 Z-DNA调节模式¶
变性与复性：
双螺旋链间经非共价键结合易分开；
当DNA溶液温度接近沸点、pH较高时，两互补链可分开，称DNA变性；
变性过程可逆，当DNA溶液缓慢降温，互补链可重新聚合形成规则双螺旋（复性）。
增色效应：DNA溶液升温近沸点时，260nm吸光度明显增加；减色效应：双螺旋DNA碱基堆积降低光吸收能力。
DNA接连温度/熔点：Tm，吸光度增加至最大值一半时候的温度；因素：G+C量高则Tm高，溶液离子强度，DNA均一性。
3.1.2.2. 高级结构¶
高级结构含：
超螺旋（主要形式；正超螺旋：右手超螺旋，过度缠绕双螺旋；负超螺旋：左手超螺旋，胞内常见形式）、
线性双链纽结、
多重螺旋等。
在电场作用下，同分子量时，分子迁移率：超螺旋DNA链>线性DNA>开环DNA。
超螺旋变化：L=T+W；连环数（L）：环形DNA两链交叉次数，不发生链断裂时为常量；扭转数（T）：双螺旋盘绕数；超螺旋数（缠绕数，W）为变量。
3.1.3. DNA复制¶
遗传实质为染色体DNA复制的结果；通过自我复制，主要为半保留复制；双链DNA复制阶段：起始、延伸、终止，需多种酶、蛋白质协同（拓扑异构酶、解旋酶、单链结合蛋白、引物合成酶、DNA聚合酶、连接酶等）。
半保留复制：复制时，氢键断裂、双链解旋，分别作为模板合成新链，使得子代DNA中一条链源自亲代，另一条为新合成。
复制子：
体内可独立进行复制的单位；
从复制起始点至终止点的区域；
一个复制子仅含一个复制起始点。
复制叉：
复制时双链DNA解旋，复制起点呈叉子形式；
从复制起始点处沿DNA链移动，单向复制时产生单个复制叉，双向复制时产生两个复制叉从起始点沿相反方向等速前进。
复制起始点：
细菌、酵母、线粒体、叶绿体的起始点含丰富AT序列利于解链，常为单复制子；
真核生物中具多复制子，但非同时作用。
复制终止点：复制子中控制复制终止的位点。
复制方向：
单向复制（从一个复制起始点始，仅一个复制叉移动）；
双向复制（复制起始点两侧形成复制叉，相反方向移动）；
相向复制（特殊复制模式，两个复制起始点分别起始两条链复制，两个复制叉中仅分别合成一条链，相向移动）。
复制速率：真核生物因具复杂高级结构（复制时需解开核小体，复制后需形成核小体）速率较原核生物慢，但具多个复制起始点可进行多复制子同步复制。
半不连续复制：
DNA双螺旋链反向平行（一条5’→3’、另一条3’→5’），但DNA聚合酶合成方向均为5’→3’；
合成时双链分前导链（合成方向5’→3’，连续复制）、后随链（模板DNA链暴露后，以与复制叉移动相反方向按5’→3’合成冈崎片段后再连接而成）。
3.1.3.1. 主要复制形式¶
线性DNA双链复制：单起点单向/双向、多起点双向。
因线性DNA复制时，RNA引物切除后的缺失可经以下途径复制：
线性复制子转为环状、多聚分子；
DNA末端成发夹结构；末端蛋白介入。
环状DNA双链复制：θ型、滚环型、D环型。
3.1.3.2. 原核复制特点¶
解旋：先拓扑异构酶Ⅰ解开负超螺旋，与解链酶（经水解ATP供能，大部分沿后随链模板5’→3’方向移动，仅Rep蛋白沿前导链模板3’→5’方向移动）共同作用解开双链；解链后由SSB蛋白（单链结合蛋白，保持单链结构）结合稳定单链；引发体结合于链上。
引发：引发酶于DNA模板合成小段RNA链；后随链的引发由引发体完成。
延伸：前导链：持续合成；后随链：引物合成、延伸、去除引物、连接。
终止：复制叉移至终止子时，Ter-Tus复合物使DnaB脱离抑制解链，阻挡复制叉移动；终止后未复制的序列经修复机制填补。
DNA聚合酶表 8 4：DNA聚合酶Ⅰ非主要聚合酶，C端区域具聚合酶活性、3’→5’外切酶活性；N端区域具5’→3’ 外切酶活性（切除嘧啶二聚体）；可去除冈崎片段5’RNA引物。DNA聚合酶Ⅱ具5’→3’聚合酶活性，但活性低，仅Ⅰ的5%；其3’→5’外切酶活性可起校正作用；主要起修复DNA作用。DNA聚合酶Ⅲ具5’→3’聚合酶活性、3’→5’外切酶活性；活性较强，延长反应的主导酶。DNA聚合酶Ⅳ、Ⅴ主要在SOS修复过程中发挥作用。
性质 |
DNA polⅠ |
DNA polⅡ |
DNA polⅢ |
|---|---|---|---|
3’→5’ |
+ |
+ |
+ |
5’→3’ |
+ |
- |
- |
新链合成 |
- |
- |
+ |
滑动DNA夹结合使得DNA聚合酶于复制叉上具高延伸性，保持酶与DNA的接触，增加持续合成能力。
3.1.3.3. 真核复制特点¶
真核生物染色体具多复制起始点，复制完成前各起始点DNA复制不能开始，复制为细胞周期的一部分（S期）。
自主复制序列：ARS，复制起始点。
复制起始需起始点识别物（ORC）参与。
复制叉移动速度慢，每30k~300kbp分布一个复制起始点。
性质 |
α |
β |
γ |
δ |
ε |
|---|---|---|---|---|---|
亚基数 |
4 |
1 |
2 |
2/3 |
≥1 |
分布 |
核 |
核 |
线粒体 |
核 |
核 |
功能 |
DNA引物合成 |
损伤修复 |
MitoDNA复制 |
主要DNA复制酶 |
复制修复 |
3’→5’外切 |
- |
- |
+ |
+ |
+ |
5’→3’ 外切 |
- |
- |
- |
- |
- |
真核DNA聚合酶性质与细菌DNA聚合酶相似，均以dNTP为底物，需Mg2+激活。
复制叉上具聚合酶α（或引发酶复合体）及两聚合酶（δ+δ/ε；前者延伸前导链，后者合成后随链冈崎片段）。
冈崎片段切除：RNA酶H1切除后由DNA连接酶Ⅰ连接相邻冈崎片段。后随链末端的序列缺失，通过端粒结构及具反转录活性端粒酶恢复。
3.1.3.4. 调控¶
E.coli：主要发生于起始阶段；调控模式与操纵子类似；起始物位点突变使得复制停止、细胞死亡。复制的起始不依赖细胞分裂，复制终止则引发细胞分裂。
图 3.1.3 E.coli复制调控模式¶
真核细胞：细胞周期水平（限制点调控，决定细胞是否进入S期）；染色体水平（决定复制子起始顺序）；复制子水平（决定复制起始）。
3.1.4. DNA修复¶
染色体DNA具重要作用，复制准确性、损伤修复具重要意义。
DNA修复系统 |
功能 |
|---|---|
错配修复 |
修复错配碱基 |
切除修复 |
切除突变碱基、片段 |
重组修复 |
复制后修复，重启停滞复制叉 |
DNA直接修复 |
修复嘧啶二聚体、甲基化DNA |
SOS系统 |
应急修复，导致变异 |
错配修复：
复制过程中发生错配，修复系统识别新链中的错配并校正；
模板链甲基化；
新链错配处由DNA外切酶Ⅶ（上游母链甲基化位点至错配点）或外切酶Ⅰ/Ⅹ（错配点至下游母链甲基化位点）切除后经DNA聚合酶Ⅲ修复。
切除修复：
碱基切除修复（受损核苷酸可被特异性糖苷水解酶切除核苷酸N-β糖苷键形成去嘌呤/去嘧啶位点，即AP位点；
AP核酸内切酶切除含AP位点的小段DNA；DNA polⅠ合成新片段）；
核苷酸切除修复（核苷酸损伤使得双链间无法形成氢键，切除含损伤位点片段后修复）。
重组修复：
复制后修复，对损伤部位先复制后修复；
修复时将同源DNA母链相应序列移至损伤处，后补母链空缺。
直接修复：
将损伤碱基修复为原状态；
DNA光解酶作用于嘧啶二聚体（光/紫外照射形成）。
SOS反应：
细胞DNA受损、复制系统受抑等紧急情况下的应急措施；
反应含DNA损伤修复、诱导效应、分裂抑制、溶源性细菌释放噬菌体等；
与细胞癌变相关；
广泛存在于真核、原核细胞：DNA修复、产生变异。
3.1.5. DNA转座¶
DNA转座：
移位，由可移位因子介导的遗传物质重排现象；
依赖DNA复制，新位点的序列可移位因子拷贝。
3.1.5.1. 分类及结构特征¶
转座子（Tn）：存于染色体DNA上可自主复制、位移的基本单位；分两类：插入序列（IS）、复合型转座子。
插入序列：最简单转座子，无宿主基因；为细菌染色体、质粒DNA正常组成部分；末端具反向重复序列。
复合型转座子：一类带抗性基因转座子，两翼具相同/同源IS；IS序列移至功能基因两侧时形成复合体。
3.1.5.2. 真核转座子¶
真核细胞内转座子流动性可能高于原核生物。
在玉米细胞内，转座子具两大类：
自主性转座子（具自主剪接、转座功能；Ac-Ds系统）、
非自主性转座子（单独存在时稳定不转座，基因组中具同家族自主性转座子时才可转座；Ds元件）。
3.1.5.3. 机制及效应¶
转座可分复制型（转座酶：原始转座子；解离酶：复制转座子）、非复制型（原始转座子以移动实体直接移位）。
转座插入时，受体靶序列DNA被复制，分布于转座子两侧。
效应：
引起插入突变；
产生新基因；
产生染色体畸变（重组发生于正向重复转座间引起缺失、重组发生于反向重复转座间引起倒位）；
引起进化。
3.1.6. SNP¶
单核苷酸多态性（SNP）：基因组DNA序列由于单个核苷酸突变引起的多态性；可能为转换、颠换。
检测：基因芯片、Taqman技术、分子导标技术、焦磷酸测序法等。
应用：人单倍体型图绘制、疾病易感基因相关性分析、用药及药物设计。