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2.4 染色体结构
作者:生科院    文章来源:西北农林科技大学    点击数:4977    更新时间:2011/4/15
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2.4.1 染色质的概念

狭义的概念染色体是指细胞分裂时出现核内的易被碱性染料着色的物质。

广义的概念染色体指存在于病毒、细菌、真核生物及其细胞器内所含的核酸分子。

染色体是由DNA、组蛋白和非组蛋白组成,是遗传信息或基因的载体,是遗传的主要物质基础。

 

染色体存在于细胞核中,经染色后可见细丝状颗粒物质,一般在细胞分裂时才能看到。

 

不同物种染色体数目不同,一般以2条成对的同源(homologous)染色体的形式存在,且数目恒定。

人有22对常染色体,1对性染色体。

 

 

在分裂期间,染色体对可自身复制成含二个拷贝的姐妹染色体(sister chromatid)。

染色体在体细胞增殖时,以有丝分裂(mitosis)的方式,使姐妹染色体一分为二进入子代细胞,从而保证了染色体数目的恒定;

 

任何一条染色体上都带有许多基因,一条高等生物的染色体上可能带有成千上万个基因,一个细胞中的全部基因序列及其间隔序列统称为genomes(基因组)。

 

DNA是生物大分子。

l噬菌体的DNA含48502bp,DNA与病毒粒子长度比为17.5/0.19。

人单倍体细胞基因组含有3×109bp,一条染色体包含一条DNA双链分子,若将所有染色体(双倍体细胞)相连并充分伸展,长度达2m左右。

如果设想将人体细胞中的DNA分子绕地球一周,那么,每个碱基大约只占1~5厘米,而一个2~3kb的基因只相当于地球上一条数十米长,数厘米宽的线段!

 

不同生物体中DNA的大小

巨大的DNA链必需高度压缩形成一定的高级结构,才能贮存于小小的细胞核中。

 

2.4.2 核小体是DNA在细胞中存在的形态

虽然游离DNA在能力学上趋向于形成松弛态,事实上,所有原核和真核生物的DNA都是以负超螺旋状态存在。

 

在溶液中,DNA主要以相互盘绕的形态存在。在细胞中DNA与蛋白质结合以螺旋管形态存在。这种形式对DNA的压缩作用更大。

 

 

2.4.2.1 染色质的化学组成

(1)DNA是染色质的主要化学成分,也是遗传信息的载体。它与组蛋白质相结合。

(2)染色体中的蛋白质

染色体上的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白,它与DNA组成核小体。

 

用2mol/L NaCl或0.25mol/L的HCl/H2SO4处理使组蛋白与DNA分开。

组蛋白为一类富含Arg和Lys的带正电荷(碱性蛋白)的小蛋白。分为H1、H2A、H2B、H3、H4共5种基本类型,其中H3、H4富含精氨酸,H1富含赖氨酸;H2A、H2B介于两者之间。

每种生物中的组蛋白差异很小。

 

 

①组蛋白

所有真核生物染色体中均含有这五种组蛋白。组蛋白的含量与DNA含量之比约为1:1。

组蛋白在N-端皆含有数个Lys。它们的R基在生理条件下带正电,而DNA的磷酸根带负电,成为组蛋白与DNA结合之间的相互作用的主要化学力之一。

其它三种组蛋白在不同种属之间存在着较大的差异。组蛋白对染色体中DNA的包装有十分重要的作用。

 

组蛋白的一般特性

a 进化上的极端保守性。牛、猪、大鼠的H4氨基酸序列完全相同。牛的H4序列与豌豆序列相比只有两个氨基酸的差异。H3的保守性也很大,鲤鱼与小牛胸腺的H3只差一个氨基酸,小牛胸腺与豌豆H3只差4个氨基酸。

这种生物进化上的高度保守性预示着其功能的重要性。

 

b 无组织特异性。目前仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5,精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。

 

c 肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基酸集中分布在N-端的半条链上。例如,N-端的半条链上净电荷为+16,C端只有+3,大部分疏水基团都分布在C-端。

组蛋白的修饰作用。包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。

②非组蛋白(non-histone protein,NHP)是染色体中组蛋白以外的其它蛋白质,它是一类种类繁杂的蛋白质的总称。估计总数在300~600之间,

它与基因表达及染色体高级结构的维持等有关。参与基因复制、转录及核酸修饰的酶类(如DNA和RNA聚合酶等)就是重要的非组蛋白。

 

非组蛋白的一般特性

染色体上除了存在大约与DNA等量的组蛋白以外,还存在大量的非组蛋白。

a 非组蛋白的多样性。非组蛋白的量大约是组蛋白的60%~70%,但它的种类却很多,约在20-100种之间,其中常见的有15~20种。

b 非组蛋白的组织专一性和种属专一性。

 

几类常见的非组蛋白

a. HMG蛋白(high mobility group protein)。这是一类能用低盐(0.35mol/L NaCl)溶液抽提、能溶于2%的三氯乙酸、相对分子质量较低的非组蛋白,相对分子质量都在3.0×104以下。

b. DNA结合蛋白。用2mol/L NaCl除去全部组蛋白和70%非组蛋白后,还有一部分蛋白必须用2mol/L NaCl和5mol/L尿素才能与DNA解离。

这些蛋白分子量较低,约占非组蛋白的20%,染色质的8%。

 

2.4.2.2 核小体(nucleosome)的结构

(1)核小体的组分

用可使DNA降解的小球菌核酸酶(micro coccal nuclease)处理提取的染色质,可以得到单个的核小体颗粒。即核酸内切酶将颗粒之间 “裸露”的DNA(细线)切断了。

 

在一定酶切条件下,颗粒中所包含的DNA长度总是稳定在200bp左右。

DNA片段大小通过凝胶电泳鉴定,对染色质进行部分酶解处理,使之产生一系列不同长度的DNA片段,结果发现这些片段之间有一个共同的"阶差",而此"阶差"值恰好等于单个核小体的DNA片段大小,即200nbp左右。

 

以密度梯度离心法制备核小体单体,对其中的蛋白质进行化学分析得知:每一个单体中含有H2A、H2B、H3和H4各2分子(它们构成一个8聚体),1分子H1。

核小体多聚体的分析结果显示:相邻多聚体之间的DNA“阶差”等于核小体单体中的DNA长度(200bp左右),且多聚体分子量总是单体分子量的整倍数。

 

核小体是染色体的基本结构单位。

不同生物(或同种生物的不同细胞)的核小体,其DNA片段长度的有所差别。

一种细胞通常有特定的平均值,一般为180~200bp。每一核小体所含的DNA与组蛋白的量大致相等。

 

(2)核小体的结构

核小体由核心颗粒(coreparticie)和连接区DNA(linker DNA)组成。

 

核小体单体被小球菌核酸酶处理后,随着时间延长,其降解产物(DNA片段)会逐渐缩短,从200bp降至146bp,至此很难再进一步降解。这种稳定结构为核心颗粒,它是由146bp的DNA片段和H2A、H2B、H3和H4各2分子组成。

 

在DNA被降解至160bp以后,提取物中H1丢失,表明H1位于“裸露”DNA与核心颗粒的毗邻区,即核心颗粒外,“裸露”的DNA长度为60bp左右,称为连接区DNA。

连接区DNA的长度在不同物种差异较大,其范围在10~140bp。

 

核小体的结构

染色质中的DNA双螺旋链,等距离缠绕组蛋白8聚体形成众多核心颗粒,各颗粒之间为带有H1组蛋白的连接区DNA。这种组成染色质的重复结构单位就是核小体。

 

①核心颗粒外观呈椭圆形,轴比为0.5,颗粒直径11nm,高5.5nm。绕颗粒的DNA长度为50nm(146bp),连接区DNA长度为20nm(约60bp)。

 

②组蛋白八聚体位于颗粒中央,外绕1.75圈左走向的DNA链,每圈约85bp,螺距2.8nm。组蛋白主要为α-螺旋,靠静电引力与DNA结合。

 

DNA小沟朝向组蛋白侧常含2~3个连续的AT,在大沟朝向组蛋白处常有2~3个GC,核小体常位于这种变形区内。处于DNA双螺旋的大沟中。

 

③相邻核心颗粒由连接区DNA连接,其伸展长度约20nm,据认为天然状况下由于核小体是紧挨着的,此空间距离可能并不存在。H1结合在靠核心颗粒的连接区DNA上。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4.3 染色体的包装

细胞核DNA在双螺旋基础上的进一步结构变化,形成更高层次的超螺旋。使巨大的DNA链包装成染色体。

 

2.4.3.1 染色体DNA的一级包装——核小体

核小体是由直径2nm的DNA双螺旋链绕组蛋白形成直径11nm的核小体“串珠”结构。

 

若以每碱基对沿螺旋中轴上升距离为0.34nm计,200bp DNA的伸展长度为68nm,形成核小体后仅为11nm,长度压缩了6~7倍。

 

2.4.3.2 二级包装——染色质螺线管(chromatin solenoid)

念珠状染色质浓缩时,每一个核小体与一个H1结合(核小体纤维),进一步盘绕形成一种中空螺线管,其外径为30nm,每圈含6个核小体。

 

 

 

在较高离子强度下,并保留H1,电镜可观察到10nm纤维会折转成较粗的30nm纤维,这就是染色体DNA的二级包装——螺线管纤维(solenoidal fiber)。

 

螺线管的形成使DNA一级包装又压缩了6倍(11×6/11)。

 

对于充分伸展的DNA双螺旋,每个螺线管包含了408nm(6×68nm)长度的DNA链,而每圈螺线管的长度几乎等于核小体直径,即11nm,故染色体的二级包装相当于将DNA长度压缩了近40倍。

H1在维持毗邻核小体的紧密度及核小体纤维折转形成螺线管中起了重要作用。

 

 

2.4.3.3 三级包装——染色质纤维环(loops of chromatin fiber)

染色质纤维环是在螺线管纤维基础上的更高一级包装。

螺线管纤维缠绕在非组蛋白构成的中心轴(central axis)骨架(支架蛋白质)上形成染色质纤维环。

 

螺线管纤维相隔一定间距的某些区段被"拉拢"固定在蛋白轴上,从而产生了许多从骨架上伸出的纤维环(loops)。

 

 

每个环的DNA长度约为75kb。主要的支架蛋白质包括拓朴异构酶II,它的功能是避免DNA形成缠结。

与支架蛋白质结合的DNA序列大部分是A和T,涵盖数百bp,称支架联结区(scaffold association region,SAR),其分布密度与染色体的带状图形很有关系。

 

动物细胞中每个纤维环包含了50~100kb的DNA,这使螺线管纤维得到了较大程度的压缩。

纤维环的形成是基因表达较理想的结构,这些环状区是基因表达的活性单位所在。因为纤维环DNA比其它区域有更伸展的结构。

 

2.4.3.4 染色体(chromosome)形成

染色质浓缩时,纤维环会再绕成直径700nm的螺旋。若用染料染色,即呈现观察到的染色体。

这种更高层次上的包装机理,目前尚无明确定论。

 

 

从螺线管纤维环到包装形成染色体是DNA压缩程度最高的阶段,估计在200~240倍。

经各级包装后染色体DNA总共被压缩了数千倍,这样才能使每个染色体中几厘米长(人染色体的DNA分子平均长度为4cm)的DNA分子容纳在直径数μm(人细胞核的直径为6-7μm)的细胞核中。

 

具环形区的螺线管纤维进一步以某种方式盘绕、折叠,最终完成细胞生长和繁殖的不同时期的染色体包装。

 

染色质基本单位的核小体。
由核小体螺旋化盘绕形成螺线管。
由螺线管纤维缠绕形成染色质纤维环。
由染色质纤维环会再绕成螺旋形成染色体。

 

 

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