CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
DNA為遺傳物質的歷史回溯 1828年Friedrich Wohler 證實了可用實驗室的化學藥品ammonium cyanate在試管中合成出尿素，是一種由動物產生的「活」的分子。這是第一次證明，其實沒有神奇的力量在生命體的化學物裡。 DNA是在1869由Frederich Miescher 感染傷口的膿中萃取物發現的。直到將近一百年後，才由Oswald Avery確認它的重要性。在1944年，Avery發現，利用化學萃取一些會引起肺炎的細菌株而得到的萃取物，可傳給其他類似但較無害的菌種，Avery純化這些必要的分子並證實它們就是DNA，即便他當時並沒有命名為DNA，因為DNA的結構還沒有被研究。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
James Watson 與Francis Crick 在1953年，提出著名的雙股螺旋模型，證實基因代碼的化學性質也介紹DNA複製的機制。1950年，Maurice Wilkins與他的同事Raymond Gosling拿到第一張DNA X-光繞射的圖。Rosalind Franklin加入了Wilkins的實驗室並繼續Gosling的工作。Watson 與Crick在1952年拿了Rosalind Franklin與Raymond Gosling的X-光繞射圖，並用以做為雙股螺旋模型的基礎。 找出遺傳物質的化學基礎讓Watson、Crick與Wilkins在1962年贏得諾貝爾生理醫學獎，因為他們發現核酸的分子結構與活體基因訊息傳送的重要性。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
維持生命需要多少的基因訊息才足夠 最小的真菌基因體是Mycoplasma genitalium，它有一個環狀的染色體，約有580,000個DNA鹼基對 (bp)。一般一個基因的平均鹼基數目為1,000個鹼基，而在細菌中的非編碼DNA很少，約有500個基因。 與其他小的細菌基因體比較，我們知道約有 250個基因是活細胞存在最基本的數目。最簡單的活細胞可能需要約200到300個基因。 寄生的細菌，因為它並不能獨自生長，除非靠在其他微生物的表面。雖然有著較少的DNA，但它的基因較緊密且連續在一起，因此比M. genitalium有更多的基因代碼序列 ── 約550個。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
非編碼DNA 真核細胞存有大量DNA是非編碼DNA (non-coding DNA)。也正如字面意義所指，這些DNA的鹼基序列是毫無意義的，就我們目前所知是沒有任何有用的基因訊息。 任何區間的DNA，不管是否有基因代碼意義，都可視為是基因的地址 (locus，複數為loci)，也就是在染色體的位置 (或其他DNA分子上)。因為任何DNA的序列可能是一種形式，如果這段DNA是無基因代碼意義，則使用對偶基因 (allele) 來代表。 雖然細菌相對地只有很少的非編碼DNA，但真核細胞卻有著很大的量。高等真核細胞有較多量的非編碼DNA。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
在原核細胞中，幾乎所有的非編碼DNA都是存在於基因與基因之間 (intergenic DNA)。真核細胞的情形則較為複雜，不僅是非編碼DNA散落在染色體的基因間，基因本身也會被這些非編碼DNA給打斷。這些非編碼DNA叫作基因間區段序列 (intervening sequence)，也就是內含子 (intron)，而真正含有基因訊息的DNA就是外顯子 (exon)。大部分真核細胞基因的外顯子間夾雜著有內含子。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
為了要利用被干擾打斷的基因做成蛋白質，內含子必須被移走。轉錄之後在mRNA的層級，內含子在細胞核中被移除。當基因被表達時DNA首先被轉錄成一條很長的RNA分子，也就是說在主要的初級轉錄物 (primary transcript) 時期仍有內含子存在，再來初級轉錄物經由處理移走內含子產生了mRNA 。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
非編碼DNA序列中也可能存在編碼DNA 內含子並非完全不存在於原核細胞中，但是不尋常的是通常只有一個單一的內含子在一個基因上，並不像真核細胞中，有許多基因存在多個內含子。 在一些少見的例子中，原核細胞染色體基因被打斷，但這些基因是RNA分子的代碼而非蛋白質的代碼。在真細菌與古細菌的tRNA 與rRNA的基因是在內含子中被發現。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
重複序列的DNA是較高等生物的特性 大部分的基因都是以一組存在，而這些特殊的序列基因，幾乎就是所有細菌的DNA。但在高等生物體，這些特殊的序列，就可能只有全部DNA的20%。如人類有65% 的DNA為基因，蛙則有22%。剩下來的DNA都是重複序列 (repeated sequences 或repetitive sequences)。重複序列就正如它們的名字一樣，在基因體裡重複出現。某些例子中，這些重複序列一個緊接著一個 (tandem repeat)，但有些則是任意分散在基因體裡 (interspersed sequences)。這些重複序列有些是真正的基因，但大部分則是非編碼DNA。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
這些重複序列家族的成員，每一個鹼基幾乎都是一樣的，可以視為是沒有什麼變化的，即便有也是非常微小的差異，也就是所謂的共同序列 (consensus sequence)。要找到這樣的共同序列，就是比較許多的個別序列的鹼基，在每一個位置都找出最常出現的鹼基，並得到所有的平均。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
真核細胞也有所謂的假性基因 (pseudogene)。這些真正基因的複製拷貝是有缺陷的，而這些缺失使得它們無法被表達。 有時基因的複製具有功能，而重複的拷貝可能產生一些相關基因的家族。這些重複的拷貝會逐漸分開，以或高或低的不同程度，來調節成相似的功能。因此這些重複序列形成非常相近但不是完全一樣的基因家族。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
因為原核細胞有10,000個或更多核糖體，它們的DNA通常有六個複製本的rRNA和 tRNA基因。在更大的真核細胞，它們有上百上千個複製本的rRNA和 tRNA基因。這些存在於上百上千個複製本的序列，稱為中等重複序列 (moderately repetitive sequence)。大約有25% 的人類DNA屬於這個種類。 許多中等重複非編碼DNA序列，由LINEs所組成，也就是「長的重複非編碼DNA序列 (Long INterspersed Elements, LINE)」。它們被認為是由類似逆轉錄病毒衍生而來。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
10% 的人類DNA有上萬到百萬個複製本的序列，大多數的高等重複DNA序列 (highly repetitive DNA) 包含SINE或短的重複非編碼DNA序列 (Short INterspersed Elements, SINE)。這些序列至今所知幾乎全是無功能的。最廣為人知的SINE是300個鹼基對的Alu因子 (Alu element)。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
衛星DNA是非編碼DNA以重複序列出現 LINEs 和SINEs的定義是這些重複序列隨意分散在基因體上，但還有一種在真核細胞中數量不少的高等重複DNA序列，被發現以長的聚集存在，就是縱列重複序列 (tandem repeats)，也就是所謂的衛星DNA (satellite DNA)。Tandem的意義為這些重複序列在DNA上是以一個接一個的形態出現，中間並無任何的空間存在。衛星DNA的數量變化極大，在哺乳類如小鼠中約有8% 的DNA是衛星DNA，而在果蠅則將近有50%。 長序列的縱列重複序列常有不正確的排列出現，當一對染色體在減數分裂做交換時會排列整齊，不相等的交換 (unequal crossing over) 發生所產生一段重複序列的DNA較短，另一段重複序列的DNA較長 。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
衛星DNA插入染色體，並緊緊的環繞在異染色質 (heterochromatin) 上。異染色質位在染色體的中心體 (centromere)，推測它負責某些結構上的功能。但這些衛星DNA序列與中心體序列 (centromere sequence) 是非常不同的，中心體是負責在細胞分裂中紡錘絲的附著。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
迷你衛星DNA與VNTR DNA片段中包含著短的縱列重複序列，但比衛星DNA有較少的數目，這些就是迷你衛星DNA (mini-satellite) 或稱為不同數目的縱列重複序列VNTR (Variable Number of Tandem Repeat)。 由於不相等的交換，在任一個VNTR的重複序列數目差異是極大的。雖然VNTR屬於無意義的沒功能的基因，但它的不同版本仍被視為對偶基因。 一些高變異的VNTR可能有多至1,000個不同的對偶基因，並在個別生物體產生非常不同的形式。這種數量上的變異可能以DNA指紋 (DNA fingerprinting) 分析來確認個體。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
自私DNA與垃圾DNA的起源 一般認為在真核細胞染色體，發現的大部分重複與非編碼DNA是無用的，如此無用處的DNA，通常視為垃圾DNA (junk DNA)。它被認為是許多的重複序列與非編碼DNA，包括內含子，可能原先都由病毒DNA來的。當病毒DNA插入真核細胞染色體，逆轉錄病毒在產生這樣的染色體插入，扮演重要的功能。另外，轉位因子 (transposable element) ) 可能負責產生顯著數量的重複序列DNA。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
轉位因子因為只注重自身的存活與複製，並不會在任何方面幫助寄主，所以稱之為自私DNA (selfish DNA)。 重複序列DNA的產生可分為兩個過程，原始的序列可能是病毒DNA或轉位因子，這些序列插入染色體而仍舊維持不變及具功能性。兩樣元素都可能複製，而複製本則插入染色體中的許多不同部位，因此這些寄生物序列的數目就增加了，再加上許多序列會有突變，可能是鹼基改變或是刪除，這些結果造成一系列家族的序列，但大部分的功能性已不存在了。 轉位因子因為只注重自身的存活與複製，並不會在任何方面幫助寄主，所以稱之為自私DNA (selfish DNA)。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
自私DNA在基因體裡增長，可視為細胞的寄生物感染寄主的染色體。這些自私DNA的累積是靠著兩個相反的過程，複製與自私DNA的重新插入，再加上它自行產生的鹼基刪除。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
迴文、倒轉重複序列、莖狀與環狀結構 迴文 (palindrome) 的意思是一個字或句子，正著唸與倒著唸是相同的。在DNA的例子中，它是雙股螺旋，理論上兩種形式的迴文可被產生。如鏡子影像的迴文 (mirror-like palindrome) 就像一般的文字，但牽涉到到兩條DNA。 倒轉重複 (inverted repeat) 序列的迴文是比較常見的，並具有生物功能的特殊意義。在倒轉重複序列，一個序列是正著唸與另一個互補序列倒著唸是相同的。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
倒轉重複序列在蛋白質要接上DNA時的辨識序列是非常重要的，許多調控蛋白質可辨識倒轉重複序列，一些限制 與修飾酵素也可辨識倒轉重複序列。 若以倒轉重複序列的單股 來說，在每一股的右半段 與左半段的序列，必須是 互補的。如序列 GGATATCC可被摺疊成 髮夾 (hairpin) 狀，兩端 以鹼基配對結合而成 。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
少數幾個非配對的鹼基 (以N代表任何鹼基)，在鹼基對的直桿上方會形成個圈圈，稱為莖狀與環狀 (stem and loop) 結構。單股DNA的任何倒轉重複序列，只要具有多餘的幾個鹼基在中間，就可形成這樣的結構。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
多個A-tracts 造成DNA彎曲 DNA序列若包含幾個有A的鹼基 (連續3到5個核 酸長)，並由10 bp間隔開來，就可形成彎曲。注意這些A-tract間的間隔，相當於雙股螺旋的一個轉折，彎曲發生在有As轉的3-端。彎曲的DNA (bent DNA) 在電泳分離時，會跑得比同樣長度但沒有彎曲的DNA來得慢。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
超螺旋在細菌DNA的包裝上是必要的 一般的細菌約有一百萬分之一公尺長，而一個攜帶4,000個或更多的基因的單一DNA分子，則有一毫米長。若將細菌染色體全拉開，將是一個細菌的一千倍長。在細胞內的雙股螺旋DNA必須是超螺旋 (supercoiled) 狀，才能使得DNA更緊密。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
DNA分子已是雙股螺旋，原先的雙股螺旋有著右手側扭轉，但超螺旋的扭轉是另一個方向，也就是左手側或「負向超螺旋 (negative supercoils)」。在細菌DNA中，每一個超螺旋約有200個核 酸，在複製及轉錄時，負向超螺旋促使DNA螺旋解開，並幫助雙股分開。 負向超螺旋是利用DNA促旋酶 (gyrase) 引進到細菌染色體的。若沒有拓樸酶I (topoisomerase I) 和拓樸酶IV (topoisomerase IV)，DNA就會是極度的負向超螺旋。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
在大腸桿菌的超螺旋程度是依據拓樸酶I和拓樸酶 IV間的平衡，拓樸酶IV的功能是輔助拓樸酶I的作用，而拓樸酶I的功能是可移走多餘的負向超螺旋，這樣的功能恰好與DNA促旋酶的作用相反。一般的細菌染色體，繞在蛋白質鷹架裡約有50圈大型DNA超螺旋。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
細菌染色體和質體都是雙股環狀的DNA分子，並常稱為共價緊閉環狀DNA (covalently closed circular DNA或cccDNA)。如果雙股環狀的一股是有缺口，則超螺旋能被分開，這樣的分子為有缺口的環狀 (open circle)。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
拓樸酶和DNA促旋酶 在兩股扭曲DNA分子中所有的立體交叉處數目，稱為連接數 (linking number (L))，這個是雙股螺旋加上超螺旋的總和。[雙股螺旋扭轉的數目，被認知為雙股螺旋轉 (twist, T)，而超螺旋扭轉的數目為超螺旋轉數目 (writhe或writhing number, W)。至於linking number (L)，就是twist的數目加上writhe的數目 (L=T+W)。] CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
相同的環形DNA，能有不一樣數目的超螺旋，這樣的異構物，稱為topological異構物，也就是拓樸異構體 (topoisomers)。能將超螺旋加入或移除的酵素，因而稱為拓樸酶 (topoisomerase)。第一型拓樸酶 (type I topoisomerase) 打斷的只有一股DNA，可以減少一個連接數。相反的，第二型拓樸酶 (type II topoisomerase) [包括DNA促旋酶 (DNA gyrase)] 可打斷DNA的兩股，當兩股都打斷時，雙股DNA會經由斷裂處將雙股螺旋打開，而使得超螺旋的數目減少兩個 。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
DNA 促旋酶活性會被喹啉酮類抗生素 (quinolone antibiotics) 抑制，如nalidixic acid、norfloxacin和 ciprofloxacin，它們會結合GyrA蛋白質而達到抑制的效用。當GyrA蛋白質插入DNA雙股螺旋，並以共價結合方式接上斷裂DNA的5'-端，就會形成沒有活性的複合物。novobiocin 也會以接上GyrB蛋白質而影響它與ATP的結合的方式，來抑制促旋酶的活性。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
鎖形與打結的DNA必須被校正 環狀DNA分子在複製或重組時，可能會形成打結狀，如此的結構狀稱為鎖形 (catenane) 狀的DNA。這樣的結構可以被特定細菌的第二型拓樸酶，如拓樸酶IV或相關的酵素解開。環狀DNA分子也可能成打結狀，第二型的拓樸酶可以同時產生或解開打結狀，就如同DNA 促旋酶，有兩個不同的單位形成四倍體，一部分負責剪開DNA，而另一部分負責結合能量。也像DNA 促旋酶、拓樸酶IV可被喹啉酮 (quinolone) 類抗生素抑制。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
局部的超螺旋 當DNA在複製或基因在表現時，雙股螺旋首先會被打開，這是由於染色體的負向超螺旋的關係。當複製機器順著雙股螺旋的DNA移動，它會在它的前端產生正向的超螺旋。同樣的，在轉錄的時候，RNA聚合酶順著DNA分子移動，它也會在它的前端產生正向的超螺旋。為了使複製與轉錄能在距離稍長的前端進行，DNA促旋酶必須插入負向的超螺旋才能取消掉正向的超螺旋。在移動的複製與轉錄機器之後，就有一波負向的超螺旋產生，而多餘的負向超螺旋以拓樸酶I移除。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
拓樸異構體可以利用電泳分離 任一個DNA分子，超螺旋的cccDNA移動較開放環狀的DNA分子移動得快， 而開放環狀的DNA就比線形分子移動得快。 小型的環狀DNA分子，我們甚至可用電泳分離不同數目的超螺旋扭轉的拓樸異構體，數目愈多的扭轉數，結構愈緊密，因而在電泳裡也移動得比較快。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
超螺旋影響DNA的結構 超螺旋可讓DNA處於物理緊張狀態，這會導致DNA的另類結構出現，這個另類結構可以舒緩DNA結構緊張。以下是這三種結構，十字形結構 (cruciform structure)；左手雙股螺旋 (Z-DNA)；另一個是三螺旋 (H-DNA)。 十字形結構：在雙股DNA(或RNA)因倒轉重複形成的十字形結構。 三螺旋：一種形式的DNA有著三股螺旋，因酸性及purine鹼基轉而形成。 左手雙股螺旋：另一形式的DNA雙股螺旋有左手轉及每一轉友12鹼基對。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
DNA的另類螺旋結構 Watson 與Crick的雙股螺旋稱為B-form或B-DNA，用來區分其他的螺旋態A-DNA與Z-DNA。 A-form的雙股螺旋比B-form 的較短及較肥大，每一個螺旋轉有11個鹼基對。 A-DNA是不常見的，雙股的RNA在in vivo是以這樣的形式存在。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
GCGCGCGCGCGCGC或GTGTGTGTGTGTGT Z-DNA是左手轉的雙股螺旋，每一轉有12個鹼基對，它因此比B-DNA較長且窄細，它的磷酸糖骨架成鋸齒狀而非平滑的螺旋曲線。高鹽濃度傾向形成Z-DNA，因為它會降低DNA骨架上負電的磷酸根排斥，Z-DNA具有高數目的GC或 GT，對區域的DNA形成，如 GCGCGCGCGCGCGC或GTGTGTGTGTGTGT CGCGCGCGCGCGCG或CACACACACACACA 如此的序列可簡寫成(GC)n‧(GC)n和(GT)n‧(AC)n注意這樣的序列是以5' 到3' 的方向。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
Z-DNA是左手轉的螺旋，它的出現在DNA分子中可幫助解除超螺旋的緊張，當負向的超螺旋增加時，DNA中的GC-或GT- 形成Z-form 的機率會跟著增加，它在小質體中的存在可以用電泳結果的不同來展現。單股特定的核酸水解 能在Z-DNA與正常的B-DNA交接處切開。 短的人工合成的雙股螺旋DNA，可以用單純的GC重複序列，在高鹽濃度下即便缺少超螺旋也可形成Z-form。亦可以用線形的 (GC)n 序列打入動物而產生針對Z-DNA的抗體，這些抗體能用來顯示在自然狀態的DNA中的Z-form螺旋部位，顯示它是高度超螺旋。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
當DNA具有高度的超螺旋，就需要這樣的兩個序列去形成H-DNA。 某些酵素被證實可以辨識特定的Z-helix的部位，如RNA編輯酵素 (RNA editing enzyme, ADAR1)。ADAR1代表adenosine deaminase (RNA) type I，它可以將adenosine上的胺基去除而成inosine。 H-DNA則更加奇特 ── 它不是一個雙股螺旋，而是個三股螺旋，主要依照其中的一股長的嘌呤 (purine) 及另一股的嘧啶 (pyrimidine)；如 GGGGGGGGGGGGGG或GAGAGAGAGAGAGA CCCCCCCCCCCCCCC或CTCTCTCTCTCTCTC 當DNA具有高度的超螺旋，就需要這樣的兩個序列去形成H-DNA。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
整個部位必須是具有鏡像迴文。H-DNA含有一個三股螺旋，其中有一股具有較多的嘌呤和兩股有較多的嘧啶，另外一個含有較多的嘌呤則被取代，並未形成配對。 在H-DNA，腺嘌呤 (adenine) 與兩個胸腺嘧啶 (thymines) 配對，而鳥嘌呤 (guanine) 與兩個胞嘧啶 (cytosines) 配對。每一個例子中，一組的配對是正常的，另一個則接在邊側 (稱為Hoogsteen base pairs ── 也就是H-DNA)。再來要形成C=G=C三角形，其中一個氫鍵就需要一個多的質子 (H+)。也就是說，在酸的環境下較利於H-DNA的形成。強酸也傾向在DNA骨架的磷酸根上加上質子，以減少它們的負電荷。如此一來，三股之間的排斥力減少，因而有利於形成三股螺旋。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
真核細胞的組蛋白包裝DNA 真核細胞的染色體並非環狀，因此需要以DNA 促旋酶來將DNA做超螺旋，可把DNA環繞著特殊蛋白質做扭轉並壓縮起來，這個特殊蛋白質就是組蛋白 (histone)。 真核細胞DNA的摺疊起始於環繞著組蛋白做螺旋轉，正電的組蛋白與負電的DNA可以互相中和。若DNA上有著組蛋白則這樣的化合物叫作染色質 (chromatin)，因為它首先在染色體被發現。Chromatin 包含有球形的單位，也就是核小體 (nucleosome)，每一個含有約略為200 bp的DNA及9個組蛋白，各有兩個H2A，H2B，H3和H4，以及一個 H1。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
八個成對的組蛋白與兩個的螺旋轉DNA互相捲繞在一起。每一個螺旋轉DNA約有80 bp長，螺旋中心共可容納160 bp DNA。附近以約有40 bp長的序列形成一個接線 (linker) 連接到下一個螺旋中心，接線的長度變化很大 (從10到100 bp) 是取決於DNA序列。第九個組蛋白H1，負責將螺旋中心接上下一個。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
DNA在接線部分是暴露在外的，可以用雙股DNA特定的核酸水解酶來切開，這些核酸水解酶可以將雙股切開。實際上，微球菌 (micrococcal) 核酸水解酶可用來處理這類工作。切開可分為三個步驟，首先單個200 bp 的DNA 核小體會被釋放，接著接線部分被切除，留下約165 bp。最後，繞著螺旋中心的DNA尾端被拉開，約146 bp原先被保護好的DNA會經由更進一步的消化而去除。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
中心的組蛋白，H2A，H2B， H3與H4都是小的，多為球形的蛋白質，有著102到135個胺基酸。而接線組蛋白，H1較長有著約220個胺基酸。H1有兩個胳臂從中心球體往外伸出，中心部分接上本身的核小體，而兩個胳臂則聯繫核小體的兩側。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
核心組蛋白有約80個胺基酸的本體，還有在N-端的尾巴有20個胺基酸。這個尾巴包含許多lysine可被乙醯化或去乙醯化 (acetylation) 。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
真核細胞更進一步的DNA包裝 DNA外包裹著組蛋白並扭轉成一系列的核小體，就像是一長串的珠子，也因此稱為”beads on a string” 。摺疊的過程持續進行，核小體鏈扭轉成巨大的螺旋結構，每一個螺旋有6個核小體。 30奈米纖維 (30 nanometer fiber)。這些纖維前後繞著圈子，這些圈圈的大小變化很大，平均每個圈約有50個螺旋轉 (約300個核小體)。這些圈圈的結尾連結著蛋白質骨架 (protein scaffold) 或染色體軸 (chromosome axis)。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
高度壓縮染色質被認知為異染色質 (heterochromatin)，在光學顯微鏡下看來是緊密的，這樣的形式並無法做轉錄 。 在細胞分裂期間，異染色質部分持續在中心體以及在染色體的盡頭。這些部分包括上述所提的衛星DNA，約為染色體的10%。剩下的染色質，也就是真染色質 (euchromatin)，是在一種較伸展的形式。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
在兩次細胞分裂之間，大部分的DNA是壓縮的。它包含一個伸展的雙股螺旋DNA分子，完全不像一般常見的染色體照片。就在細胞分裂之前，DNA壓縮且摺疊起來，如同上述情況，一般的細胞分裂中期染色體，就像常見到的照片一樣，在這之前DNA已經複製，並準備分裂成兩個子染色體。因此它包含兩個完全相同的雙股螺旋DNA分子，但它們仍接在中心體上，這就是所謂的染色分體 (chromatid)。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
高溫使得DNA雙股分開；冷卻使它們結合 氫鍵相對來講是弱的，但因為一分子的DNA通常包含百萬個鹼基對，把所有百萬個弱的鍵結加起來，其力量就強化到可以使兩股結合在一起。當DNA被加熱，氫鍵開始被打斷，如果溫度夠高的話，兩股會分開。這就是「熔化 (melting) 或變性 (denaturation)」。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
每個DNA分子根據其鹼基組成，有它自己的熔化溫度 (melting temperature, Tm)。因此，DNA分子的熔化溫度，根據嚴格的定義是，在熔化曲線的中點。這比猜測在什麼溫度會有完全的熔化來得準確。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
熔化溫度受到pH與溶液鹽濃度的影響，若要比較熔化溫度就必須標準化pH與溶液鹽的濃度。極端的pH會打斷氫鍵，而高鹼性的pH會將鹼基去中子，因而減少它們形成氫鍵的能力，在pH>11.3時，DNA會完全的熔化。相反的，非常低的pH會引起多重的中子化，進而影響氫鍵的形成。當DNA因pH而熔化，多用鹼性處理，因為鹼性不像酸性，它不會影響鹼基與去氧核糖上的糖鍵結形成。DNA在高離子濃度是相對的較穩定的，這是因為離子抑制靜電排定力來自在骨架上帶負電的磷酸根，使得它顯現穩定效果。在純水中，DNA甚至會在室溫下熔化。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
DNA分子若有較高比率的GC鹼基對，就有較高的熔化溫度。AT鹼基對比較弱，因為它們只有兩個氫鍵，而GC鹼基對有三個。加上，GC鹼基對與其鄰近的分子相容性比AT鹼基對來得高。在早期的分子生物學，熔化溫度是用來預估DNA樣品中GC對上AT的百分比。DNA鹼基的組成通常以GC比率 (GC ratio) 來表示，GC量 (% G+C) 可用下列公式來計算： CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
當DNA分子熔化，有著局部高濃度的AT對會比較早熔化，而富有GC的部分就能維持久一些的雙股螺旋結構。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
如果熔化的DNA分子的單股冷卻後，這個DNA單股將會以鹼基配對來辨識它的另一半，於是雙股DNA又會產生。這個稱為煉合 (annealing) 或復性 (renaturation)。 適當的煉合條件，DNA必須緩慢冷卻以允許單股DNA找到它適當的另一半。再者，溫度應維持夠高，使得氫鍵在一個或數個鹼基的範圍可被隨意的打斷。在Tm溫度以下的20～25C通常是適當的選擇。如果DNA來自兩個不同但相關的來源，DNA會熔化再煉合回去時，雜交的DNA (hybrid DNA) 就會形成 。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
CHAPTER 4 基因、基因體與DNA
DNA與 / 或RNA的雜交 (hybridization) 原先是在能很方便直接分析DNA序列之前，用來估算不同生物體的相關聯性，尤其是細菌這種DNA的量相對來說是小的生物體。雜交的另外用途包括偵測特定的基因序列與基因複製。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA