真核细胞核染色体的结构

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染色体研究的历史背景
染色体的化学组成
核小体的结构
染色体研究的历史背景

　　一个多世纪前,Mendel在他历时八年完成的植株(豌豆)杂交试验基础上总结出的二个著名
遗传学定律—分离定律和独立分配定律中，就已经提出了基因的概念。Mendel规律的基本设
想是：每一植株的各种相对性状都来源两个相同的“遗传因子”(geneticfactor),它们有显
性和隐性之分。这里的“遗传因子”就是基因的最早用语，其含义是指决定遗传性状的基本
遗传单位。可惜,遗传学上这一伟大的发现,由于当时没有任何支持它的物质证据,于1865年发
表后，几乎没引起注意。直到35年后的1900年，另外三位植物学家(Correns,de Vries和Tsc
hermak)再次独立证明Mendel规律的正确性后,这一著名规律才被重新发现。

　　在19世纪的最后二十多年里,生物学家在细胞遗传学领域取得了重要进展,染色体的发现
就是成果之一。染色体存在于细胞核中,经适当染色后可见的由细丝状颗粒物质所组成,一般
在细胞分裂时才能看到。在不同物种的细胞中,它们的数目不一样,但总是以二条成对的同源
(homologous)染色体的形式存在,且数目恒定。如人体细胞染色体总数为46条,分为23对(其中
22对为常染色体,1对为性染色体)。在分裂期间,染色体对的每一成员可自身复制成含二个拷
贝的姐妹染色体(sister chromatid)。通过显微镜观察染色体在细胞分裂中的行为变化全过
程发现: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；而生殖细胞则通过减数分裂(meiosis)使同源染色体分别进入新
的子代细胞而产生。生殖细胞─配子(精子或卵子)只含有体细胞一半的染色体数,配子结合成
合子后又恢复到体细胞的染色体数,这样,合子及其后代细胞的染色体数对中的成员,一个来自
父本,一个来自母本。这些观察结果使染色体是遗传的物质基础的观点在19世纪末被广泛接受
。比较染色体在细胞分裂中的行为与Mendel规律可以发现，染色体与\"遗传因子\"极其相似:首
先,二者均成对存在,且其中的每个成员分别来自父、母亲代;其次,产生配子时,配子只含\"遗
传因子\"(等位基因)中的一个,或染色体对中的一条;另外,非等位基因及非同源染色体均可自
由组合到配子中。在上述基础上，Sutton和Boveri于1902-1903年提出了染色体遗传学(theo
ry of chromosomal inheritance)，即认为染色体是\"遗传因子\"的携带者。1905年,Johanns
en首先使用\"基因\"一词代替\"遗传因子\"并提出了基因型(gentoype)和表型(phenotype)的概念
。

　　1909年起,Morgan和他的学生以果蝇为材料研究生物遗传规律,他们观察到一种白眼突变
体与性染色体的联系,在此基础上于1910年首先提出基因定位于染色体上的论点。此后二年中
,他们又发现了多个伴性基因,并以此为据总结出了遗传学上著名的基因连锁(linkage)和交换
(crossing-over)规律。他们还通过测定连锁的回交试验,证实了基因在染色体上呈线性排列
的事实。所谓连锁是指控制不同性状的基因位于同一条染色体上,相互紧密排列在一起。如果
连锁是不完全的（即基因间排列不够紧密），连锁基因仍有可能自由分配，但它们在减数分
裂阶段的同源染色体交换片段时，被分离的机会明显减少。Morgan的基因连锁和交换的测定
方法还用来确定不同基因在染色体上的位置,由此而产生了遗传学上最早的基因定位线性遗传
图。在20世纪上叶,虽然已明确了基因与染色体的关系,并且由于1944年Avery的重要发现问世
,明确了DNA是遗传物质的观点,但人们对基因的认识也仅知道它是遗传的基本单位。对于基因
是怎样通过控制表型来实现其功能的尚不清楚。最早阐明基因作用原理的是1945年Beedle和
Ephrussi提出的\"一个基因一种酶\"的假说。这一假说建立在所发现的代谢途径中某种酶的缺
失是由于某种基因突变所致的事实上，突变在染色体上的改变即基因结构的改变。换言之，
一种代谢酶的生成由其相应的一个基因所控制，酶所催化的生化反应就是基因功能的表现形
式。后来，这一假说在许多蛋白质中得到了验证，并被修正为“一个基因一条多肽链”的学
说。

　　标志着遗传学进入分子水平的DNA双螺旋结构诞生以后,基因结构及功能的研究进入了一
个新的阶段。现代分子生物学技术不仅使染色体的基因定位及物理图谱制作变得轻而易举，
而且能详尽的知道定位于染色体DNA上的基因核苷酸顺序。据认为，人类基因组多达10万个基
因,迄今已检测出的基因近5千个,仅占5%,其中1/3被定位于各个染色体上。一条染色体包含一
条DNA双链分子,人单倍体细胞基因组含有3×109bp,若将所有染色体(双倍体细胞)相连并充分
伸展的话,其长度可达2米左右。如此巨大的DNA链要全部贮存在小小的细胞核染色体中,必然
存在着适宜的包装形式。此外，染色体中还含有大量的蛋白质和有限的RNA,它们与DNA共同构
成十分紧密的复杂结构。这种结构不仅能满足贮存DNA的数量要求,而且还应该有利于其功能
的实现。那么，染色体DNA是如何包装的？它是否也存在着有规律的基本结构？它在基因功能
表达中起何作用？人类对染色体结构这些基本问题的认识要远落后于对DNA基本结构的了解。
直到1974年Kornberg发现核小体(nucleosomes)是所有真核生物染色体的基本结构单位后,这
一领域的研究才进入一个新的水平。

染色体的化学组成

　　DNA是染色体的主要化学成分,也是遗传信息的载体。此外，在认识DNA重要性之前，已经
知道染色体还含有大量的蛋白质，后来又发现了RNA。生化研究表明：上述三类组成染色体的
化学成分中，蛋白质含量约为DNA的二倍,根据组成蛋白质的氨基酸特点分为组蛋白和非组蛋
白两类。RNA含量很少,还不到DNA量的10%。

　　组蛋白（histones)是指染色体中的碱性蛋白质，其特点是富含二种碱性氨基酸（赖氨酸
和精氨酸），根据这两种氨基酸在蛋白质分子中的相对比例（赖．精）又将组蛋白分为五种
小类型。

染色体中的五种蛋白

组蛋白 类别 碱性氧基酸％Lys　　　Arg 酸性氨基酸％ 碱/酸 氨基酸残基数 分子量(dall
ton)
H1 极富Lys 29 1 5 5.4 215 23,000
H2A 　 11 9 15 1.4 129 13,960
H2B 稍富Lys 16 6 13 1.7 125 13,774
H3 　 10 13 13 1.8 135 15,342
H4 富Arg 11 14 10 2.5 102 11,282

　　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
蛋白中也含有较多的酸性氨基酸，但在这五种组蛋白中，其含量均低于碱性氨基酸，碱/酸比
在1.4-2.5之间。组蛋白的等电点(pI)在7.5-10.5之间,这些强极性氨基酸使蛋白质带上大量
电荷,成为组蛋白与DNA结合及蛋白质之间的相互作用的主要化学力之一。富精氨酸组蛋白（
H3和H4），稍富赖氨酸组蛋白（H2A和H2B）及极富赖氨酸组蛋白（H1）三种类型，是根据所
含碱性氨基酸的相对比例划分的。这五种组蛋白的氨基酸全顺序均已确定。在各种物种，H3
和H4的序列极少有差异，这种生物进行上的高度保守性预示着其功能的重要性。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。

　　非组蛋白（non-histone protein,NHP)是指染色体中组蛋白以外的其它蛋白质，它是一
大类种类繁杂的各种蛋白质的总称。估计总数在300-600之间,分子量范围为7000-80000D,等
电点为3.9-9.2。对于其中许多单个成分的结构和功能，目前还了解甚少。已经知道，一些非
组蛋白与基因表达及染色体高级结构的维持有关。参与基因复制、转录及核酸修饰的酶类（
如各种DNA和RNA聚合酶等)就是一类重要的非组蛋白,它们在核酸代谢中的重要性是不言而喻
的。另外，非组蛋白中还包括一类高迁移率组（high mobility group,HMG）蛋白质，此类蛋
白质因在凝胶电泳上泳动速度快而得名。已经明确其中的一些蛋白质（如HMG14和HMG17）在
转录活性区含量丰富，可以认为是参与转录调控的蛋白质。非组蛋白中的核基质蛋白对于维
持染色体的高级结构是必不可少的。

核小体的结构

　　(1)核小体的发现：通过电子显微镜观察破裂的间期细胞流出的染色质,可以看到染色质
纤维呈非连续性颗粒状,就像一条细线上串联着许多有一定间隔的小珠,这些小珠状颗粒被称
之谓核小体。核小体是否为自然状况下染色体的一般结构？其结构基础又是怎样的？人们对
电镜下观察到的这种颗粒产生了极大的兴趣。通过酶学方法及对颗粒成分的化学分析，核小
体的面目才得以展现。用一种能使DNA降解的小球菌核酶(micro coccal nuclease)处理提取
的染色质,可以得到单个的核小体颗粒.也就是说,这种核酸内切酶将颗粒之间的细线──\"裸
露\"的DNA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
大小通过凝胶电泳很容易鉴定出来.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D
NA片段大小,即200nbp左右。从上述结果不难看出,每个核小体中包含200bp左右DNA片段.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、H
2B、H3和H4各二分子(它们构成一个八聚体),H1一分子.而从核小体多聚体、三聚体、四聚体
等)获得的分析结果是: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.通过对多种真核染色体的研究都验证了这一事实
,从而得出了核小体是染色体的基本结构单位的结论.核小体重复单位是在所有真核生物中具
有普遍意义的染色体基本结构,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(linkerDNA)二部分组
成.这二部分结构也是通过核酸酶解实验而确定的.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至此变为很难进一步降解的稳定
状态.对此稳定降解产生进行分析,证明它是由146bp的DNA片段和H2A、H2B、H3和H4各二分子
组成,这种结构称为核心颗粒(见图1-19b).而H1总是随着核心颗粒的形成而消失,通常是在DN
A被降解至160bp以后,提取物中H1丢失,提示H1位于\"裸露\"DNA与核心颗粒的毗邻区.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.

　　生物物理的有关研究说明,DNA盘绕在组蛋白八聚体的周围,呈很有规律的螺旋状.虽然DN
A双链分子位于核心颗粒的外围,但DNA与组蛋白八聚体的这种相互作用,对保护DNA链免受细胞
核中核酸酶的消化十分重要.根据上述结果,我们对核小体的结构可作这样的描述:染色质中的
DNA双螺旋链,等距离缠绕组蛋白八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(146
bp),连接区DNA长度为20nm(约60bp).
[2](H2A．H2N．H3．H4)2构成的致密八聚体位于颗粒中央,外绕1.75圈左走向的DNA链,每圈约
85bpDNA,螺旋间距为2.8nm.组蛋白主要为α-螺旋,处于DNA双螺旋的大沟中.靠静电引力与DN
A保持稳定结合.由于空间构象的关系,缠绕在蛋白八聚体上的DNA链并非所有部分都与组蛋白
结合.
[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,此一空间距离可能并不存在.H1组蛋白结合在靠核心颗粒的连接区DNA上.

　　(3)染色体的包装─超螺旋结构：染色体的包装实际上是指细胞核DNA在双螺旋基础上的
进一步结构变化,巨大的DNA链要包装成染色体需经多层次的结构变化才能实现.这些结构变化
总的看是更高层次的超螺旋形成.上面讨论的核小体,可视为染色体DNA的一级包装,即由直径
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,200bpDNA(一个核小体的DNA片段)的伸展长度为68nm,形成核小体后仅为11n
m(核小体直径),其长度压缩了6-7倍.在低离子强度和去H1组蛋白的条件下,电镜下可清晰地看
到染色体一级包装的核小体纤维。若增大离子强度,并保留H1,通过电镜可观察到10nm纤维会
折转成较粗的30nm纤维,这种纤维即染色体DNA的二级包装,目前较公认的二级包装结构模型是
螺线管纤维(solenoidalfiber).它是由核小体纤维盘绕形成的一种中空螺线管,其外径为30n
m,每圈含6个核小体,因此,螺线管的形成使DNA一级包装又压缩小6倍.若以充分伸展的DNA双螺
旋论,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组蛋白在维持毗邻核小体
的紧密度及核小体纤维折转形成螺线管中起了重要作用.　　

　　螺线管纤维基础上的更高一级包装是形成环状螺线管.电镜观察结果提示,这种结构是30
nm、纤维缠绕在一个由某些非组蛋白构成的中心轴(centralaxis)骨架上形成的.即螺线管纤
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).动物细胞中每个纤维环包含了5-10×104bpDNA,这显然使螺线管纤维得到了较大程度
的压缩.据认为,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.从纤维环DNA比其它区域有更伸展的结构来理解这一点似乎是合理的.由DNA双链螺旋经三
级包装环状螺线管的过程参见图1-21的模式.上述三级包装完成后,DNA链被压缩的程度仍远不
足以形成能被细胞核容纳的染色体.具环形区的螺线管纤维需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.这种在更高层次上的复杂的包装是以何种
方式进行的,目前尚无明确定论.但无疑是染色体DNA包装的重要内容.从螺线管纤维环到包装
形成染色体,应该是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(如人染色体的DNA分子平均长度为4cm)
的DNA分子容纳在直径数微米(如人细胞核的直径为6-7μm)的细胞核中。