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1、第二节第二节 染色质染色质 1848年，年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。1879年，年，W.Flemming提出了染色质（提出了染色质（chromatin）这一术语，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。用以描述染色后细胞核中强烈着色的细丝状物质。1888年，年，Waldeyer正式提出染色体（正式提出染色体（Chromosome)的名称的名称。一、染色质的化学组成一、染色质的化学组成 染色质由染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，比例为组成，比例为1：1：（：（1-1.5）：）：
2、0.05。DNA与组蛋白的含量比较恒定，非组与组蛋白的含量比较恒定，非组蛋白的含量变化较大，蛋白的含量变化较大，RNA含量最少。含量最少。（一）（一）DNA DNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者（少数病毒为（少数病毒为RNA）.DNA染色体基因组染色体基因组 大肠杆菌大肠杆菌(4.2106 bp,2350个基因个基因)酵母菌酵母菌(1.3107 bp,6100个基因个基因)国蝇国蝇(1.4108 bp,8750个基因个基因)人人(3109 bp,约有约有1米长，含米长，含34万个基因万个基因)DNA的序列可分为的序列可分为3种类型：种类型：单一序列单一序列（主要为基因编码序列，一个或几个
3、拷贝，比（主要为基因编码序列，一个或几个拷贝，比例少于例少于5）；）；中度重复序列中度重复序列（101-5），分为短散的重复序），分为短散的重复序列（一般少于列（一般少于500 bp）和长散的重复序列（一般多于和长散的重复序列（一般多于1000 bp），），与基因选择性表达的调控有关；与基因选择性表达的调控有关；高度重复序列高度重复序列（105），分为），分为卫星卫星DNA(satellite，重复单位长重复单位长5-100 bp)主主要分布在着丝粒区域，要分布在着丝粒区域，小卫星小卫星DNA(minisatellte DNA,单位单位长长12-100 bp，拷贝数可变，常用于拷贝数可变，常用
4、于DNA指纹指纹(DNA finger-printing)技术技术)，微卫星微卫星DNA(microsatellte DNA，单位单位1-5 bp，常串联达常串联达50-100 bp，具有高度多态性，遗传上保守，具有高度多态性，遗传上保守，但个体差异较大但个体差异较大)，用于构建遗传图谱。，用于构建遗传图谱。DNA的二级结构存在的二级结构存在3种主要类型，即：种主要类型，即：B-DNA、Z-DNA、A-DNA。其中，其中，B-DNA的的二级结构稳定，在细胞中二级结构稳定，在细胞中是主要存在形式；是主要存在形式；A-DNA是是B-DNA的的重要变构形式；重要变构形式；Z-DNA是是左手螺旋。左手
5、螺旋。B-DNA是活性最高的构象，是活性最高的构象，A-DNA 的活性次之，的活性次之，Z-DNA的活性最低。的活性最低。在细胞中在细胞中DNA的三种构型是动态变化的，以此调控染色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。体的动态结构变化和基因的复制、转录。DNA的双螺旋结构的双螺旋结构三种不同构象的三种不同构象的DNA双螺旋双螺旋（二）染色质蛋白质（二）染色质蛋白质 负责负责DNA分子中遗传信息的组织、复制和阅读分子中遗传信息的组织、复制和阅读1、组蛋白、组蛋白（与（与DNA非特异性结合）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，其含组蛋白带正
6、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量恒定，在真核细胞中组蛋白共有5种，分为两类：一类是高种，分为两类：一类是高度保守的核心组蛋白（度保守的核心组蛋白（core histone）包括包括H2A、H2B、H3、H4四种；另一类是可变的连接组蛋白（四种；另一类是可变的连接组蛋白（linker histone）即）即H1。核心组蛋白的结构是非常保守，特别是核心组蛋白的结构是非常保守，特别是H4，牛和豌豆牛和豌豆H4的的102个氨基酸中仅有个氨基酸中仅有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
7、与有两个：其一是核心组蛋白中绝大多数氨基酸都与DNA或其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少；其二是在所有的生物中与组蛋白相互作用的DNA磷酸二磷酸二脂骨架都是一样的。脂骨架都是一样的。四种核心组蛋白通过四种核心组蛋白通过C端疏水的氨基酸相互结合，端疏水的氨基酸相互结合，N端带端带正电荷的氨基酸向外伸出，与正电荷的氨基酸向外伸出，与DNA分子结合，使分子结合，使DNA分子缠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绕在组蛋白核心周围，形成核小体。尾部含有大量赖
8、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、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。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，所以不仅具有属特异性，而且还有组织特异性，所以H1是多是多样性的。样性的。2、非组蛋白、非组蛋白 非组蛋白是染色体上与特异非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，又称序列结合的蛋白质，又称序列特异性序列特异性DNA结合蛋白（结合蛋白（凝胶迟滞电泳实验凝胶迟滞电泳实验）。包括多种参与）。包括多种参与核酸代谢与修饰的酶类、核质蛋白、骨架蛋白、基因表达和染核酸代谢与修饰的酶类、核质蛋白、骨架蛋白、基因表达和
9、染色体结构调节蛋白等。色体结构调节蛋白等。（1）非组蛋白的特性）非组蛋白的特性 含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质；白质；整个细胞周期都进行合成，不象组蛋白只在整个细胞周期都进行合成，不象组蛋白只在S期合成，期合成，并与并与DNA复制同步进行；复制同步进行；能识别特异的能识别特异的DNA序列，识别信序列，识别信息存在于息存在于DNA本身，位点在大沟部分，识别与结合靠氢键和本身，位点在大沟部分，识别与结合靠氢键和离子键；离子键；具有多样性和异质性；具有多样性和异质性；具有多种功能，如帮助具有多种功能，如帮助DNA分子折叠，以形成不
10、同的结构域，从而有利于分子折叠，以形成不同的结构域，从而有利于DNA的复的复制和基因的转录，协助启动制和基因的转录，协助启动DNA复制，控制基因转录，调节复制，控制基因转录，调节基因表达。基因表达。（2）序列特异性）序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式结合蛋白的不同结构模式a a螺旋螺旋-转角转角-a-a螺旋模式螺旋模式 蛋白质形成对称的同型二聚体，每个单位由蛋白质形成对称的同型二聚体，每个单位由20个氨基酸的个氨基酸的小肽组成，两个小肽组成，两个a螺旋相互连接成螺旋相互连接成转角。羧基端的转角。羧基端的a螺旋负螺旋负责识别责识别DNA大沟的特异碱基信息，另一个螺旋与磷酸戊糖链大沟的特异碱基
11、信息，另一个螺旋与磷酸戊糖链骨架接触。骨架接触。锌指模式锌指模式 每个锌指单位是一个每个锌指单位是一个DNADNA结合结构域，由结合结构域，由3030个左右氨基酸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残基组成，其中一对半光氨酸和一对组氨酸与Zn2+Zn2+形成配位形成配位键，锌指的键，锌指的C C端形成端形成a a螺旋负责与螺旋负责与DNADNA结合。结合。亮氨酸拉链式模式亮氨酸拉链式模式 蛋白的肽链羧基端约蛋白的肽链羧基端约3535个氨基酸残基有形成个氨基酸残基有形成a a螺旋的特点，螺旋的特点，每两圈（每两圈（7 7个氨基酸残基）有一个亮氨酸残基。个氨基酸残基）有一个亮氨酸残
12、基。A A螺旋一侧的亮螺旋一侧的亮氨酸排成一列，两个蛋白质分子的氨酸排成一列，两个蛋白质分子的a a螺旋间靠亮氨酸残基间疏螺旋间靠亮氨酸残基间疏水作用力形成一条拉链状结构。水作用力形成一条拉链状结构。螺旋环螺旋结构模式螺旋环螺旋结构模式 40-5040-50个氨基酸组成两个两性个氨基酸组成两个两性a a螺旋，中间被一个或几个螺旋，中间被一个或几个转转角组成的环分开，每个角组成的环分开，每个a a螺旋由螺旋由15-1615-16个氨基酸残基组成，有几个氨基酸残基组成，有几个保守的氨基酸。个保守的氨基酸。HMGHMG框架结构模式框架结构模式 是由是由a螺旋组成的结构模式，有弯曲螺旋组成的结构模式，
13、有弯曲DNA 的能力，通过弯曲的能力，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。活转录。二、染色质的基本结构单位核小体二、染色质的基本结构单位核小体1974年年Kornberg等人提出染色质结构的串珠模型等人提出染色质结构的串珠模型（一）主要实验证据（一）主要实验证据1，温和的方法裂解细胞核，铺展电镜观察，温和的方法裂解细胞核，铺展电镜观察，30nm纤维，纤维，10nm的串珠结构。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，非特异性的微球菌酶消化染色质，离心和电泳后，发现大多数多数DNA片断片
14、断200bp左右，不完全消化则大多左右，不完全消化则大多200、400、600bp等。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结晶颗粒，发现核小体颗粒是直径11nm、高高6nm的扁圆柱体，的扁圆柱体，具有二分对称性。具有二分对称性。4，SV40微小染色体分析，环状微小染色体分析，环状DNA，约约5kb，可形成可形成25个核个核小体，实际观察到小体，实际观察到23个。去除组蛋白后伸展的个。去除组蛋白后伸展的DNA长度是长度是5kb.30nm和和10nm染色质纤维染色质纤维（二）核小体的结构要点（二）核
15、小体的结构要点每个核小体单位包括约每个核小体单位包括约200bp的的DNA、一个组蛋白核心和一个组蛋白核心和一个一个H1。由由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成盘状核各两分子形成八聚体，构成盘状核心颗粒；心颗粒；H3、H4形成形成4聚体，位于颗粒中央；聚体，位于颗粒中央；H2A、H2B二二聚体分别位于两侧。聚体分别位于两侧。DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共共1.75圈，约圈，约146bp，两端被两端被H1锁合，锁合，H1 结合结合20bp DNA.相邻核心颗粒之间为一段相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线的连接线D
16、NA(linker DNA),典型长度典型长度60bp。组蛋白与组蛋白与DNA是非特异性结合，核小体具有自主装性质。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三、染色质包装的结构模型 人体的一个细胞核中有人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内全部核内全部DNA连结起来连结起来约约1.7-2.0m，而细胞核直径不足而细胞核直径不足10um。DNA是以螺旋和折是以螺旋和折叠的方式压缩起来的，压缩比例高达上万倍。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一、染
17、色体包装的多级螺旋模型核小体：核小体：DNA螺旋缠绕组蛋白形成核小体，螺旋缠绕组蛋白形成核小体，长度压缩了长度压缩了7倍，倍，形成直径为形成直径为10nm的纤维。的纤维。螺线管：螺线管：电镜下可观察直径电镜下可观察直径30nm的染色质纤维，纤维由核的染色质纤维，纤维由核小体螺旋化形成，每小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，构成外径个核小体绕一圈，构成外径30nm、内径为内径为10nm的中空管，长度压缩的中空管，长度压缩6倍。倍。超螺线管：超螺线管：直径直径0.4um的圆筒装结构，也称单位线，的圆筒装结构，也称单位线，40倍。倍。染色体：染色体：超螺线管进一步螺旋折叠形成染色体，超螺线管进一步螺
18、旋折叠形成染色体，5倍。倍。（二）染色体的骨架放射环结构模型（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，由骨架伸出无数网络状的染色体骨架结构，由骨架伸出无数DNA侧环。侧环。DNA酶消化后的骨架主要是非组蛋白，另外含有少量酶消化后的骨架主要是非组蛋白，另外含有少量DNA和和RNA。认为认为30nm的纤维折叠为一系列的环（的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域，这种环的区域，这种环状的结
19、构散布于细胞核中。用盐溶液去除组蛋白，在电镜下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。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径10nm10nm和和30nm30nm的染色质纤维。但对中间层次的染色质结构还的染色质纤维。但对中间层次的染色质结构还不清楚。不
20、清楚。染染色色体体的的集集缩缩包包装装方方式式 四、异染色质和常染色质四、异染色质和常染色质 间期核中染色质可分为异染色质（间期核中染色质可分为异染色质（heterochromatin）和常和常染色质（染色质（euchromatin）。）。常染色质常染色质是进行活跃转录的部位，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。位点降解。异染色质异染色质的特点是：在间期核中处于凝缩状态，无的特点是：在间期核中处于凝缩状态，无转录活性，也叫非活动染色质转录活性，也叫非活动染色质，是遗传惰性区；在细胞周期中是遗
21、传惰性区；在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩，即异固缩现象表现为晚复制、早凝缩，即异固缩现象。结构（恒定）异染色质结构（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（心（chromocenter），），由相对简单的高度重复序列构成。由相对简单的高度重复序列构成。兼性（功能）异染色质兼性（功能）异染色质（facultative heterochro
22、matin）：）：是指不同细胞类型或不同发育时期出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的兼性异染色质。在哺乳动物细胞内如有两个X染色体（通染色体（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（），称巴氏小体（barr body）。）。人的胚胎发育到人的胚胎发育到16天以天以后，一条后，一条X染色体转变为巴氏小体，呈块状紧靠核膜，染色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。可预测胎儿的性别。核小体和螺线管的结构核小体和螺线管的结构106106个微带沿着由个微带沿着由核基质核基质构构成的轴心支架构建染色体。成的轴心支架构建染色体。1818个袢环呈放射环排列结合个袢环呈放射环排列结合在核基质上构建形成染色体在核基质上构建形成染色体