细胞生物学课件下载
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这是细胞生物学课件，包括了细胞的结构与功能，细胞的生活和调控，基因组的维持，基因组的表达和调控，分子及细胞生物学研究技术等内容。欢迎点击下载。
核酸（nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子。天然存在的核酸有两类，一类为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA)，另一类为核糖核酸（ribonuleic acid, RNA)。
DNA存在细胞核和线粒体内，携带和传递遗传信息，决定细胞和个体的基因型（gene type)。
RNA存在于细胞质和细胞核内，参入细胞内DNA遗传信息的表达。
病毒中，RNA也可作为遗传信息的载体。
4种dNTP以3’、5’磷酸二酯键相连构成一个没有分枝的线性大分子。（与蛋白质比触觉不灵）。
它们的两个末端分别称5’末端（游离磷酸基）和3’末端（游离羟基）。
在A-T丰富的区段，DNA常呈现B-DNA。
在转录状态，DNA与RNA的杂合链呈现A-DNA。
虽然B-DNA是最常见的构象，但是A-DNA和Z-DNA似乎具有不同的生物活性。
2）碱基对
线状DNA形成的超螺旋
环状DNA形成的超螺旋
拓扑异构酶可以催化DNA产生瞬时单链或双链的断裂，从而改变连环数（使环状DNA两条链完全分开时，一条链必须穿过另一条链的次数 ），使超螺旋DNA解旋。
在原核和真核生物中都存在去除超螺旋的拓扑异构酶I和II。
拓扑异构酶I: 通过一步改变DNA的连环数，不需要ATP。
使DNA暂时产生单链缺口，让未被切割的一条单链在切口结合之前穿过这一切口。
拓扑异构酶II：通过两步改变DNA的连环数，需要ATP提供能量。
在DNA上产生瞬时的双链缺口，并在缺口闭合以前使一小段未被切割的双链DNA穿越这一缺口。
来源不同的两条DNA链经变性后，通过缓慢降温形成的人工杂交的DNA分子的过程。
互补的DNA和RNA链也可以形成杂交分子。
杂交是分子杂交技术的基础，包括Southern 杂交、 Northern 杂交、DNA芯片等。
Section 2 核小体
（３）应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究染色质结晶颗粒
二、核小体结构要点
(1)每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1。
(3)146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈, 组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bp DNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。包括组蛋白H1和166bp DNA的核小体结构又称染色质小体。
(4)两个相邻核小体之间以连接DNA 相连，典型长度60bp，不同物种变化值为0～80bp。
(5)组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列，实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质。
(6)核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达 。
Chromatin Packing
Chromatin Packing
原核生物基因组
结构简练，DNA分子的绝大部分用来编码蛋白质，不转录部分所占比例较小。
存在转录单元，功能相关的RNA和蛋白质基因往往形成功能单位或转录单元，一起转录成多顺反子的mRNA。
在一些细菌和病毒中有重叠基因，同一段的DNA能携带两种不同蛋白质的编码信息。
真核生物基因组
最大的特点是含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA隔开。
真核生物基因组的结构特点：
基因组庞大
存在大量重复序列
基因组序列90%以上的部分是非编码序列
转录产物是单顺反子
真核基因一般都含有内含子
存在大量的顺式元件
存在大量的DNA多态性
具有端粒结构
染色质结构及其调控
染色质DNA与蛋白质
染色质组装的模型
常染色质和异染色质
染色质结构与基因活化
染色体
◆染色质（chromatin）: 在核内可以被碱性染料强烈着色的物质。
指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构, 是间期细胞遗传物质存在的形式。
DNA、组蛋白是染色质的稳定成分。
◆染色体(chromosome):
指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中, 由染色质聚缩而成的棒状结构。
染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构
染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同, 构象不同。
Section 1 染色质DNA与蛋白质
一、染色质DNA
在真核细胞中，每条未复制的染色体包含一条DNA分子，一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组（genome）。
基因组大小通常随物种的复杂性而增加。
染色质DNA的类型：
按序列在基因组中的拷贝数划分：
非重复序列（单拷贝序列）：拷贝数1－5
中度重复序列：拷贝数102－105
高度重复序列：拷贝数105以上
按照序列的功能分：
蛋白质编码序列
可编码的中度重复序列
重复序列DNA：不编码的中度重复序列
高度重复序列
间隔DNA
（1）蛋白质编码序列：
所占比例随生物复杂程度的不同而异。
主要是非重复的单一DNA序列；也有多个拷贝的情况。
（2）串联重复序列
（可编码的中度重复序列）
一般的拷贝数是20－300个。
编码产物包括tRNA，rRNA，snRNA和组蛋白。
（3）不编码的中度重复序列DNA：
散在重复序列(interspersed repeats)
DNA转座子
假基因
LTR反转座子
非LTR反转座子 短散在元件
长散在元件
（4）高度重复序列DNA
简单序列DNA（simple sequence DNA ）
卫星DNA（satellite DNA） ：
重复单位5－100bp,主要分布在着丝粒部位
小卫星DNA（minisatellite DNA）：
重复单位12－100bp,常用于DNA指纹分析
微卫星DNA （microsatellite DNA）：
重复单位1－5bp, 用于遗传图谱构建和个体鉴定
二、染色质蛋白
负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读
分类：
组蛋白(histone)：
与DNA非特异性结合
非组蛋白(nonhistone)：
与特定的DNA序列或组蛋白结合
（一）组蛋白(histone)
真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）。
聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）可以区分出5种不同的组蛋白：H1，H2A，H2B，H3，H4。
（1）核小体组蛋白(nucleosomal histone)：H2B、H2A、H3和H4,帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构。
没有种属及组织特异性，在进化上十分保守；
（2）H1组蛋白：在构成核小体时，起连接作用, 它赋予染色质以极性。
有一定的种属及组织特异性，保守性低于核小体组蛋白。
（二）非组蛋白
主要指和特异DNA序列结合的蛋白，又称序列特异性DNA结合蛋白 (sequence specific DNA binding proteins)，可以通过凝胶阻滞实验检测。
A 非组蛋白的特性
非组蛋白具有多样性，不同组织细胞中其种类和数量都不同，代谢周转快。包括核酸代谢和修饰的酶类，骨架蛋白，基因表达的调控蛋白等。
识别DNA具有特异性
识别信息来自于DNA序列自身，识别位点在DNA双螺旋的大沟部分。
具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。
B 非组蛋白的结构模式
α螺旋-转角-α螺旋模式(helix-turn-helix motif)
锌指模式(Zinc finger motif)
亮氨酸拉链模式(Leucine zipper motif，ZIP)
螺旋-环-螺旋结构模式(helix-loop-helix motif，HLH)
HMG-盒结构模式（HMG-box motif）
Section 2、染色质组装的模型
1 染色质组装的前期过程
组装过程（图5－19）
解决高度压缩结构与转录要求的矛盾：
通过染色质修饰酶的作用，使染色质更接近转录机器。包括对组蛋白尾部共价修饰，以及破坏组蛋白－DNA接触。
2.染色质包装的多级螺旋模型 (multiple coiling model)
一级结构：核小体(nucleosome)
二级结构：螺线管(solenoid)
三级结构：超螺线管(supersolenoid)
四级结构：染色单体（chromatid）
压缩7倍 压缩6倍 压缩40倍 压缩5倍
DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体
◆非组蛋白构成的染色体骨架(chromsomal scaffold)和由骨架伸出的无数的DNA侧环
◆30nm的染色线折叠成环, 沿染色体纵轴, 由中央向四周伸出,构成放射环。
由螺线管形成DNA复制环,每18个复制环呈放射状平面排列, 结合在核基质上形成微带(miniband)。微带是染色体高级结构的单位,大约106个微带沿纵轴构建成子染色体。
Section 3、常染色质和异染色质
常染色质 (euchromatin)
异染色质 (heterochromatin)
常染色质(euchromatin)
概念：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低, 处于伸展状态（典型包装率750倍）, 用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。
主要是单一序列DNA和中度重复序列DNA(如组蛋白基因和tRNA基因)
常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件。
异染色质(heterochromatin)
概念：指间期细胞核中, 折叠压缩程度高, 处于聚缩状态的染色质组分。
类型
结构异染色质（或组成型异染色质）
(constitutive heterochromatin)
兼性异染色质
(facultative heterochromatin)
结构异染色质的特点
除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心 。
①多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕等处；
②由相对简单、高度重复的DNA序列构成；
③具有显著的遗传惰性, 不转录也不编码蛋白质；
④与常染色质相比，复制上表现为晚复制早聚缩；
⑤在功能上参与染色质高级结构的形成，导致染色质区间性，作为核DNA的转座元件，引起遗传变异。
兼性异染色质
在某些细胞类型或一定的发育阶段, 原来的常染色质聚缩, 并丧失基因转录活性, 变为异染色质，如X染色体随机失活.
异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径 。
常染色质与异染色质之间的转变
常染色质与异染色质之间的转变常常伴随着一些组蛋白和DNA的修饰。
四种核心组蛋白的修饰发生在N端。
组蛋白修饰的位点:
甲基化: Lys和Arg
乙酰化: Lys
磷酸化: Ser
不同组蛋白或同一个组蛋白在不同氨基酸残基上的修饰决定了染色质所处的状态。
例如：
H3K4、H3K36:该位点甲基化激活基因转录, 是活性染色质的标志。
H3K9、H3K27、H4K20:该位点甲基化调节染色质结构，是异染色质的标志。
Section 4 染色质结构与基因活化
根据功能状态的不同，染色质可以分为：
活性染色质（active chromatin）
非活性染色质（inactive chromatin）
活性染色质是具有转录活性的染色质，这是由于核小体的构型发生构象的变化，往往具有疏松的染色质结构，从而便于转录因子与顺式作用元件的结合、RNA聚合酶在转录模板上的滑动。
大多数情况下，转录中染色质的DNA基本保持着同组蛋白的结合，只是随着转录的进行相应的核小体结构出现一系列的变化。
（1）活性染色质的结构特点
①活性染色质具有DNase I超敏感位点（DNaseⅠhypersensitive site）
活化染色质对DNase Ⅰ的优先敏感性是可转录染色质的一个基本特征。
DNase I超敏感位点是染色质上无核小体的DNA区段，通常位于5‘-启动子区，长度几百bp。
超敏感位点与启动子功能有关，可能为RNA聚合酶、转录因子、蛋白调控因子提供结合位点。
②活性染色质在生化上具有特殊性
③活性染色质在组蛋白修饰上的特异性
组蛋白的修饰，包括甲基化、乙酰化和磷酸化直接影响染色质的活性。
乙酰化一般是活性染色质的标志，而甲基化和磷酸化则在两类染色质中都存在。
（2）染色质活化与基因激活
疏松染色质结构的形成是基因活化的前提。
①核小体相位的影响
当调控蛋白与染色质DNA的特定位点结合时，染色质易被引发二级结构的改变，进而影响其它的一些结合位点与调控蛋白的结合。
拓扑异构酶可以调整DNA双螺旋的局部构象和高级结构的变化，使其超螺旋化或松弛。
核小体通常定位在DNA特殊位点而利于转录
基因的关键调控元件（增强子和启动子）位于核小体颗粒之外，便于和转录因子的结合。
基因调控元件位于盘绕核心组蛋白的DNA上，通过转录因子将增强子和启动子联系起来。
②组蛋白的修饰
意义：
组蛋白的修饰可以改变染色质的结构，影响转录活性。
组蛋白修饰使核小体的表面发生改变，使其他的调控蛋白易于和染色质相互接触，间接影响转录活性。
染色质的乙酰基化状态是一动态过程，存在乙酰基转移酶（如：转录辅激活子）和去乙酰化酶（如：转录辅阻抑物），分别促进和抑制转录的进行。
许多辅激活子（coactivator）具有组蛋白乙酰转移酶功能，自身作为接头蛋白，在基因的上游位点将转录因子和基础转录装置连接起来。
③ HMG结构域蛋白的影响
可识别某些异型的DNA结构，与DNA弯折和DNA-蛋白质复合体高级结构的形成有关 。（染色质变构因子）
一 染色体的主要结构
着丝粒（centromere）与着丝点（动粒，kinetochore）
次缢痕(secondary constriction)
核仁组织区 (nucleolar organizing region,NOR)
随体(satellite)
端粒(telomere)
着丝粒与着丝点(动粒)
着丝粒区也叫主缢痕，是一个高度有序的整合结构，在结构和组成上非均一，至少包括三个结构域。它们的整合功能，确保分裂中染色体和纺锤体整合，发生有序的染色体分离。
（１）动粒结构域(kinetochore domain)
在着丝粒的外表面
内板(inner plate)
中间间隙(middle space)
外板(outer plate)
纤维冠(fibrouscorona)：
微管蛋白构成
（２）中央结构域(central domain)
着丝粒区的主体，由串联重复的卫星DNA组成。
如：有CENP-B盒可与动粒蛋白结合
（３）配对结构域(pairing domain)：
代表中期姐妹染色单体相互作用的位点
如：内部着丝粒蛋白INCENP(inner centromere protein)和染色单体连接蛋白clips(chromatid linking proteins) 和染色体配对有关。
二 染色体DNA的3种功能元件
染色体的复制和稳定遗传，至少应具备以下关键序列（功能元件）:
（１）确保自我复制的DNA复制起点
（２）使复制后的染色体能够平均分配到子细胞中去的着丝粒
（３）保持染色体独立性和稳定性的端粒
（１）自主复制DNA序列
(autonomously replicating DNA sequence, ARS)：
具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列，该共有序列上下游各200bp左右的区域也是维持ARS功能所必需的。
(2)着丝粒DNA序列
(centromere DNA sequence,CEN) ：
两个相邻的核心区组成，包括80-90bp的AT区和11bp的保守区。
（３）端粒DNA序列
(telomere DNA sequence,TEL) ：
线性染色体末端复制问题的解决。
端粒序列的复制：由端粒酶合成后添加到染色体上的,有细胞分裂计数器的作用。
三 巨大染色体
在某些生物的细胞中，特别是在发育的某些阶段，可以观察到一些特殊的、体积很大的染色体，叫做巨大染色体（giant chromosome）。
多线染色体（polytene chromosome）
灯刷染色体（lampbrush chromosome）
多线染色体
存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞(如：唾液腺、气管、肠和马氏管)、某些植物细胞（如：胚珠细胞）
来源于核内有丝分裂(endomitosis)，即核内DNA多次复制而细胞不分裂，产生的子染色体并行排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密的结合在一起，从而阻止染色质纤维进一步的聚缩，从而形成了体积巨大的多线染色体。
◆多线染色体的带及间带：
带和间带都含有基因，可能“管家”基因(housekeeping gene)位于间带, “奢侈”基因(luxury gene) 位于带上。
在特定的发育阶段，多线染色体上的某些带区变得疏松膨大而形成胀泡（puff），是基因活跃转录的形态学标志。
灯刷染色体
◆灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，以两栖类卵母细胞最为典型；在植物中也有灯刷染色体的报道。
灯刷染色体是卵母细胞进行减数分裂的第一次分裂时，停留在双线期的染色体，包含４条染色单体。该状态在卵母细胞中可以维持数月或数年。
灯刷染色体的转录功能
灯刷染色体的形态和卵子发生过程中的营养物质储备密切相关。
大部分的DNA是以染色粒的形式存在的，没有转录活性；
侧环是RNA活跃转录的区域，一个侧环往往是一个大的转录单位或几个转录单位组合而成。
转录的RNA３’端借助RNA聚合酶固定在侧环的染色质轴丝上，游离的５’端捕获大量的蛋白质形成RNP，组成了环周围的基质。
灯刷染色体合成的RNA主要是hnRNA，一些类型的mRNA可以翻译成蛋白，有些mRNA和蛋白结合，存储在卵母细胞中，暂时不翻译。
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