第二节染色质

第二节染色质 1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。 1879年，W. Flemming提出了染色质（chromatin）这一术语，用以描述染色后细胞核中强烈着色的细丝状物质。 1888年，Waldeyer正式提出染色体（Chromosome)的名称。一、染色质的化学组成染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，比例为1：1：（1-1.5）：0.05。DNA与组蛋白的含量比较恒定，非组蛋白的含量变化较大，RNA含量最少。（一）DNA DNA是遗传信息的携带者（少数病毒为RNA）. DNA－染色体－基因组大肠杆菌(4.2×106 bp, 2350个基因)

酵母菌(1.3×107 bp, 6100个基因) 国蝇(1.4×108 bp, 8750个基因) 人(3×109 bp, 约有1米长，含3－4万个基因) DNA的序列可分为3种类型：单一序列（主要为基因编码序列，一个或几个拷贝，比例少于5％）；中度重复序列（101-5），分为短散的重复序列（一般少于500 bp）和长散的重复序列（一般多于1000 bp），与基因选择性表达的调控有关；高度重复序列（>105），分为卫星DNA(satellite，重复单位长5-100 bp)主要分布在着丝粒区域，小卫星DNA(minisatellte DNA, 单位长12-100 bp，拷贝数可变，常用于DNA指纹(DNA finger-printing)技术)，微卫星DNA(microsatellte DNA，单位1-5 bp，常串联达50-100 bp，具有高度多态性，遗传上保守，但个体差异较大)，用于构建遗传图谱。

DNA的二级结构存在3种主要类型，即：B-DNA、Z-DNA、A-DNA。其中， B-DNA的二级结构稳定，在细胞中是主要存在形式； A-DNA是B-DNA的重要变构形式； Z-DNA是左手螺旋。 B-DNA是活性最高的构象，A-DNA 的活性次之，Z-DNA的活性最低。在细胞中DNA的三种构型是动态变化的，以此调控染色体的动态结构变化和基因的复制、转录。

DNA的双螺旋结构

三种不同构象的DNA双螺旋

（二）染色质蛋白质 负责DNA分子中遗传信息的组织、复制和阅读 1、组蛋白（与DNA非特异性结合）组蛋白带正电荷，含精氨酸，赖氨酸，属碱性蛋白，其含量恒定，在真核细胞中组蛋白共有5种，分为两类：一类是高度保守的核心组蛋白（core histone）包括H2A、H2B、H3、H4四种；另一类是可变的连接组蛋白（linker histone）即H1。核心组蛋白的结构是非常保守，特别是H4，牛和豌豆H4的102个氨基酸中仅有2个不同。核心组蛋白高度保守的原因可能有两个：其一是核心组蛋白中绝大多数氨基酸都与DNA或其它组蛋白相互作用，可置换而不引起致命变异的氨基酸残基很少；其二是在所有的生物中与组蛋白相互作用的DNA磷酸二脂骨架都是一样的。

四种核心组蛋白通过C端疏水的氨基酸相互结合，N端带正电荷的氨基酸向外伸出，与DNA分子结合，使DNA分子缠绕在组蛋白核心周围，形成核小体。尾部含有大量赖氨酸和精氨酸残基，为组蛋白翻译后进行修饰的部位，如乙酰化、甲基化、磷酸化等。四种核心组蛋白通过C端疏水的氨基酸相互结合，N端带正电荷的氨基酸向外伸出，与DNA分子结合，使DNA分子缠绕在组蛋白核心周围，形成核小体。尾部含有大量赖氨酸和精氨酸残基，为组蛋白翻译后进行修饰的部位，如乙酰化、甲基化、磷酸化等。 H1不仅具有属特异性，而且还有组织特异性，所以H1是多样性的。

2、非组蛋白 非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，又称序列特异性DNA结合蛋白（凝胶迟滞电泳实验）。包括多种参与核酸代谢与修饰的酶类、核质蛋白、骨架蛋白、基因表达和染色体结构调节蛋白等。（1）非组蛋白的特性 ①含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质；②整个细胞周期都进行合成，不象组蛋白只在S期合成，并与DNA复制同步进行；③能识别特异的DNA序列，识别信息存在于DNA本身，位点在大沟部分，识别与结合靠氢键和离子键；④具有多样性和异质性；⑤具有多种功能，如帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域，从而有利于DNA的复制和基因的转录，协助启动DNA复制，控制基因转录，调节基因表达。

（2）序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式 ①a螺旋-转角-a螺旋模式蛋白质形成对称的同型二聚体，每个单位由20个氨基酸的小肽组成，两个a螺旋相互连接成β转角。羧基端的a螺旋负责识别DNA大沟的特异碱基信息，另一个螺旋与磷酸戊糖链骨架接触。 ②锌指模式每个锌指单位是一个DNA结合结构域，由30个左右氨基酸残基组成，其中一对半光氨酸和一对组氨酸与Zn2+形成配位键，锌指的C端形成a螺旋负责与DNA结合。

③亮氨酸拉链式模式 蛋白的肽链羧基端约35个氨基酸残基有形成a螺旋的特点，每两圈（7个氨基酸残基）有一个亮氨酸残基。A螺旋一侧的亮氨酸排成一列，两个蛋白质分子的a螺旋间靠亮氨酸残基间疏水作用力形成一条拉链状结构。 ④螺旋环螺旋结构模式 40-50个氨基酸组成两个两性a螺旋，中间被一个或几个β转角组成的环分开，每个a螺旋由15-16个氨基酸残基组成，有几个保守的氨基酸。 ⑤HMG框架结构模式是由a螺旋组成的结构模式，有弯曲DNA 的能力，通过弯曲DNA，促进与邻近位点相结合的其它转录因子的相互作用而激活转录。

二、染色质的基本结构单位－核小体 1974年Kornberg等人提出染色质结构的串珠模型（一）主要实验证据 1，温和的方法裂解细胞核，铺展电镜观察，30nm纤维，10nm的串珠结构。 2，非特异性的微球菌酶消化染色质，离心和电泳后，发现大多数DNA片断200bp左右，不完全消化则大多200、400、600bp等。 3，X射线衍射、中子散射和电镜三维重组技术，研究染色质结晶颗粒，发现核小体颗粒是直径11nm、高6nm的扁圆柱体，具有二分对称性。 4，SV40微小染色体分析，环状DNA，约5kb，可形成25个核小体，实际观察到23个。去除组蛋白后伸展的DNA长度是5kb.

30nm和10nm染色质纤维

（二）核小体的结构要点 ①每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1。 ②由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成盘状核心颗粒； H3、H4形成4聚体，位于颗粒中央； H2A、H2B二聚体分别位于两侧。 ③DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合， H1结合20bp DNA. ④相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA(linker DNA),典型长度60bp。 ⑤组蛋白与DNA是非特异性结合，核小体具有自主装性质。

三、染色质包装的结构模型 人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内全部DNA连结起来约1.7-2.0m，而细胞核直径不足10um。DNA是以螺旋和折叠的方式压缩起来的，压缩比例高达上万倍。一、染色体包装的多级螺旋模型核小体：DNA螺旋缠绕组蛋白形成核小体，长度压缩了7倍，形成直径为10nm的纤维。螺线管：电镜下可观察直径30nm的染色质纤维，纤维由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，构成外径30nm、内径为10nm的中空管，长度压缩6倍。超螺线管：直径0.4um的圆筒装结构，也称单位线，40倍。染色体：超螺线管进一步螺旋折叠形成染色体，5倍。

（二）染色体的骨架－放射环结构模型 用高盐或硫酸匍聚糖加肝素处理染色体，电镜下看到一种网络状的染色体骨架结构，由骨架伸出无数DNA侧环。DNA酶消化后的骨架主要是非组蛋白，另外含有少量DNA和RNA。认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域，这种环状的结构散布于细胞核中。用盐溶液去除组蛋白，在电镜下可以看到，无论有丝分裂的染色体、灯刷染色体、间期的唾腺染色体上，都有大量的结合在骨架上的放射环，说明这种环并不是有丝分裂染色体所特有的。松解中期染色体可以见到螺旋结构，铺展电镜可以看到直径10nm和30nm的染色质纤维。但对中间层次的染色质结构还不清楚。

染色体的集缩包装方式

四、异染色质和常染色质 间期核中染色质可分为异染色质（heterochromatin）和常染色质（euchromatin）。常染色质是进行活跃转录的部位，呈疏松的环状，电镜下表现为浅染；易被核酸酶在一些敏感的位点降解。异染色质的特点是：在间期核中处于凝缩状态，无转录活性，也叫非活动染色质，是遗传惰性区；在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩，即异固缩现象。结构（恒定）异染色质（constitutive heterochromatin）：在所有细胞内和都呈异固缩的染色质，多定位于着丝粒区，端粒，次缢痕及染色体臂的某些节段，在间期聚集成多个染色中心（chromocenter），由相对简单的高度重复序列构成。

兼性（功能）异染色质（facultative heterochromatin）：是指不同细胞类型或不同发育时期出现的异染色质区。雌性哺乳类动物的X染色体就是一类特殊的兼性异染色质。在哺乳动物细胞内如有两个X染色体（通常为雌性），则其中的一个染色体常表现为异染色质（图12-16），称巴氏小体（barr body）。人的胚胎发育到16天以后，一条X染色体转变为巴氏小体，呈块状紧靠核膜，染色反应表现为深染。因此通过检查羊水中胚胎细胞的巴氏小体可预测胎儿的性别。

核小体和螺线管的结构

18个袢环呈放射环排列结合 在核基质上构建形成染色体 106个微带沿着由核基质构成的轴心支架构建染色体。

第二节 染色质