細(xì)胞生物學(xué)：第十一講 細(xì)胞核(nucleus)與染色質(zhì)(chromatin)

1、第十一講 細(xì)胞核(nucleus)與 染色質(zhì)(chromatin) 細(xì)胞核是遺傳信息的貯存場(chǎng)所，在此進(jìn)行基因復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、和轉(zhuǎn)錄初產(chǎn)物的加工過程，從而控制細(xì)胞的遺傳與代謝活動(dòng)。 細(xì)胞核是真核細(xì)胞內(nèi)最大、最重要的細(xì)胞器，是細(xì)胞遺傳與代謝的調(diào)控信息中心，是真核細(xì)胞區(qū)別于原核細(xì)胞最顯著的標(biāo)志之一，在原核細(xì)胞中，DNA集中，但無核膜包圍，故稱擬核是細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存遺傳物質(zhì)的場(chǎng)所。真核生物的細(xì)胞都有細(xì)胞核, 只有成熟的紅細(xì)胞和植物成熟的篩管沒有細(xì)胞核。細(xì)胞核主要有兩個(gè)功能: 一是通過DNA染色體的復(fù)制和細(xì)胞分裂，維持物種的世代連續(xù)性(遺傳); 二是通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)的時(shí)空順序，控制細(xì)胞的分化，完成個(gè)體發(fā)育的使命（

2、發(fā)育）。 1781年 Trontana發(fā)現(xiàn)于魚類細(xì)胞；1831年，Brown發(fā)現(xiàn)于植物。大?。杭?xì)胞核的大小與細(xì)胞大小有關(guān)，最小的核直徑不足1m，而最大的核如蘇鐵科某些植物卵細(xì)胞核直徑可達(dá)500600m。高等植物細(xì)胞核直徑520m，低等植物細(xì)胞核直徑14m，高等動(dòng)物細(xì)胞核直徑5-10m。在同一種生物，由于遺傳物質(zhì)的含量是恒定的，因此核的大小也比較恒定；常以核質(zhì)比來估算核的大小。正常細(xì)胞NP0.5，分裂期細(xì)胞NP0.5，衰老細(xì)胞NP0.5。 形狀：圓形，胚乳細(xì)胞(網(wǎng)狀）蝶類絲腺細(xì)胞(分支狀)。位置：細(xì)胞中央 ，成熟植物細(xì)胞的邊緣。數(shù)目：通常一個(gè)，成熟的篩管和紅細(xì)胞（0）、肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞(1-2）

3、、破骨細(xì)胞(650）、骨骼肌細(xì)胞(數(shù)百）、植物氈絨層細(xì)胞(24)。結(jié)構(gòu)：核被膜、核仁、核體、染色質(zhì)、核纖層。第一節(jié) 核被膜與核孔復(fù)合體 一、核被膜 結(jié)構(gòu)組成外核膜（outer nuclear membrane），附有核糖體顆粒，并與糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連，核周隙與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通，可以說是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一部分。外核膜上附著10nm的中間纖維，可見核是被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和中間纖維相對(duì)固定的內(nèi)核膜（inner nuclear membrane），有特有的蛋白成份（如核纖層蛋白B受體）核纖層（nuclear lamina），位于內(nèi)核膜的內(nèi)表面的纖維網(wǎng)絡(luò)，可支持核膜，并與染色質(zhì)及核骨架相連。 核周間隙（perinuclear s

4、pace）兩層核膜之間的空隙, 寬20-40nm,其中充滿無定形物質(zhì)核孔復(fù)合體（nuclear pore）核孔由內(nèi)外兩層膜的局部融合而成，是細(xì)胞核膜上溝通核質(zhì)與胞質(zhì)的開口，核孔上鑲嵌著一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，叫做核孔復(fù)合體核孔的直徑為80-120nm，核孔復(fù)合體為120-150nm 。合成功能旺盛的細(xì)胞,核孔復(fù)合體的數(shù)量較多 核被膜的結(jié)構(gòu)核被膜的功能 構(gòu)成核、質(zhì)之間的天然選擇性屏障避免生命活動(dòng)的彼此干擾保護(hù)DNA不受細(xì)胞骨架運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械力的損傷 核質(zhì)之間的物質(zhì)交換與信息交流染色體的定位和酶分子的支架核被膜在真核細(xì)胞有絲分裂中有規(guī)律地解體與重建新核膜來自舊核膜（很多人支持）核被膜的去組裝是非隨機(jī)的，

5、具有區(qū)域特異性。如孔膜區(qū)膜（核孔周圍的核膜）和內(nèi)核膜分別形成獨(dú)立的小囊泡。組裝時(shí)內(nèi)核膜形成的小泡先結(jié)合染色體，孔膜區(qū)膜形成的小囊泡后結(jié)合，再組裝核孔復(fù)合體。以非洲爪蟾卵提取物為基礎(chǔ)的非細(xì)胞核被膜的解體與重建的動(dòng)態(tài)變化受細(xì)胞周期調(diào)控因子的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用可能與核纖層蛋白、核孔復(fù)合體蛋白的磷酸化與去磷酸化修飾有關(guān)。核裝配體系提供了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷g期存在，分裂期解體核被膜的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)：在細(xì)胞周期中，核被膜有規(guī)律的解體與重建。分裂期：雙層膜蹦解成單層泡膜，核孔復(fù)合體解體，核纖 層去裝配；分裂末期：核被膜開始圍繞染色體重新形成。核纖層由核纖肽（lamin）構(gòu)成，核纖肽一類中間纖維，分為A、B兩型。作用：1保持核的

6、形態(tài)：2參與染色質(zhì)和核的組裝：核纖層在細(xì)胞分裂時(shí)呈現(xiàn)出周期性的變化，在間期核中，核纖層提供了染色質(zhì)（異染色質(zhì)）在核周邊錨定的位點(diǎn)。在前期結(jié)束時(shí)，核纖層被磷酸化，核膜解體。其中B型核纖肽與核膜殘余小泡結(jié)合，A型溶于胞質(zhì)中。在分裂末期，核纖肽去磷酸化重新組裝，介導(dǎo)了核膜的重建。 核纖層在細(xì)胞周期中的變化核孔是物質(zhì)運(yùn)輸?shù)耐ǖ?核孔是細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間物質(zhì)交換的通道，一方面核的蛋白都是在細(xì)胞質(zhì)中合成的，通過核孔定向輸入細(xì)胞核，另一方面細(xì)胞核中合成的各類RNA、核糖體亞單位需要通過核孔運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)。此外注射實(shí)驗(yàn)證明，小分子物質(zhì)能夠以自由擴(kuò)散的方式通過核孔進(jìn)入細(xì)胞核。核孔由至少50種不同的蛋白質(zhì)（nucle

7、oporin）構(gòu)成，稱為核孔復(fù)合體（nuclear pore complex，NPC）。一般哺乳動(dòng)物細(xì)胞平均有3000個(gè)核孔。細(xì)胞核活動(dòng)旺盛的細(xì)胞中核孔數(shù)目較多，反之較少。如蛙卵細(xì)胞每個(gè)核可有37.7X106個(gè)核孔，但其成熟后細(xì)胞核僅150300個(gè)核孔。在電鏡下觀察，核孔是呈圓形或八角形，現(xiàn)在一般認(rèn)為其結(jié)構(gòu)如fish-trap。 電鏡觀察的核孔核孔復(fù)合體(nuclear pore complex,NPC） 核孔由至少50種不同的蛋白質(zhì)（nucleoporin）構(gòu)成，稱為核孔復(fù)合體（nuclear pore complex，NPC）。定義：是一組蛋白質(zhì)顆粒以特定的方式排布形成的輪形結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)8面

8、對(duì)稱，是核質(zhì)交換的雙向選擇性親水通道。核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu):魚籠模型主要包括以下幾個(gè)部分：胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmic ring），位于核孔復(fù)合體胞質(zhì)一側(cè)，環(huán)上有8條纖維伸向胞質(zhì)；核質(zhì)環(huán)（nuclear ring），位于核孔復(fù)合體核質(zhì)一側(cè)，上面伸出8條纖維，纖維端部與端環(huán)相連，構(gòu)成籠子狀的結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)運(yùn)器（transporter）或栓（中央栓），核孔中央的一個(gè)栓狀的中央顆粒；輻（Spoke）：核孔邊緣伸向核孔中央的突出物。 Model of the nuclear pore complex1) 柱狀亞單位：位于核孔邊緣，連接內(nèi)外環(huán)，支撐核孔。2）腔內(nèi)亞單位：分布在柱狀亞單位外側(cè)，穿膜進(jìn)入核周間隙。3

9、）環(huán)帶亞單位：分布在柱狀亞單位內(nèi)側(cè)，核質(zhì)交換通道核孔復(fù)合體成份的研究 核孔復(fù)合體主要由蛋白質(zhì)構(gòu)成，其總相對(duì)分子質(zhì)量約為1.25108，推測(cè)可能含有30余種不同的多肽，共1 000多個(gè)蛋白質(zhì)分子。 gp210：結(jié)構(gòu)性跨膜蛋白，第一個(gè)被鑒定出來的 介導(dǎo)核孔復(fù)合體與核被膜的連接，將核孔復(fù)合體錨定在“孔膜區(qū)”，從而為核孔復(fù)合體裝配提供一個(gè)起始位點(diǎn)在內(nèi)、外核膜融合形成核孔中起重要作用，其疏水區(qū)暴露，使 其能與核膜融合 在核孔復(fù)合體的核質(zhì)交換功能活動(dòng)中起一定作用 p62：功能性的核孔復(fù)合體蛋白， 脊椎動(dòng)物的p62分子具有兩個(gè)功能結(jié)構(gòu)域 疏水性N端區(qū)：具F(苯丙氨酸)XFG（甘氨酸）重復(fù)序列。可能在核孔復(fù)合

10、體功能活動(dòng)中直接參與核質(zhì)交換 C端區(qū)：具疏水性的7肽重復(fù)序列。可能通過與其它核孔復(fù)合體蛋白相互作用，從而將p62分子穩(wěn)定到核孔復(fù)合體上，為其N端進(jìn)行核質(zhì)交換活動(dòng)提供支持。核孔復(fù)合體的功能 核孔是細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間物質(zhì)交換的通道，一方面核的蛋白都是在細(xì)胞質(zhì)中合成的，通過核孔定向輸入細(xì)胞核，另一方面細(xì)胞核中合成的各類RNA、核糖體亞單位需要通過核孔運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)。 核孔運(yùn)輸特點(diǎn) 被動(dòng)運(yùn)輸簡(jiǎn)單擴(kuò)散 運(yùn)輸離子、小分子及 直徑 在10nm 以下的 物質(zhì) 主動(dòng)運(yùn)輸 信號(hào)引導(dǎo) 雙向性被動(dòng)運(yùn)輸作為被動(dòng)擴(kuò)散的親水通道，其有效直徑為910nm，有的可達(dá)12.5nm，即離子、小分子以及直徑在10nm以下的物質(zhì)原則上可以

11、自由通過。 擴(kuò)散速度與分子大小成反比這種有效直徑相當(dāng)于允許相對(duì)分子質(zhì)量在4010360103以下的蛋白質(zhì)分子自由穿過核孔。實(shí)際上并不是所有符合此條件的蛋白質(zhì)都可隨意出入細(xì)胞核。 有許多小分子量的蛋白質(zhì)，如組蛋白H1，是通過主動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入細(xì)胞核的。 （其相對(duì)分子質(zhì)量雖只有21103，它本身帶有具信號(hào)功能的氨基酸序列） 有的小分子量蛋白質(zhì)本身雖然沒有信號(hào)序列，但可以與其它有信號(hào)序列的成份結(jié)合，一起被主動(dòng)運(yùn)輸?shù)胶藘?nèi)。 通過核孔復(fù)合體的主動(dòng)運(yùn)輸 生物大分子的核質(zhì)分配主要是通過核孔復(fù)合體的主動(dòng)運(yùn)輸完成的，具有高度的選擇性，并且是雙向的。選擇性表現(xiàn)在以下三個(gè)方面對(duì)運(yùn)輸顆粒大小的限制：有效功能直徑可被調(diào)節(jié)約1

12、020nm，甚至可達(dá)26nm，主動(dòng)運(yùn)輸是一個(gè)信號(hào)識(shí)別與載體介導(dǎo)的過程，需要消耗ATP能量，并表現(xiàn)出飽和動(dòng)力學(xué)特征主動(dòng)運(yùn)輸具有雙向性，即核輸入與核輸出 核輸入： 把復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、染色體構(gòu)建和核糖體亞單位組裝等所需要的各種因子如DNA聚合酶、 RNA聚合酶、組蛋白、核糖體蛋白等運(yùn)輸?shù)胶藘?nèi)； 核輸出：能將翻譯所需的RNA、組裝好的核糖體亞單位從核內(nèi)運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)。通過核孔復(fù)合體進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸?shù)墓δ苁疽鈭D通過核孔的物質(zhì)運(yùn)輸與信號(hào)序列有關(guān) 1982年R. Laskey發(fā)現(xiàn)核內(nèi)含量豐富的核質(zhì)蛋白（nucleoplasmin）的C端有一個(gè)信號(hào)序列，可引導(dǎo)蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核，稱作核定位信號(hào)（nuclear local

13、ization signal，NLS）。第一個(gè)被確定的NLS是病毒SV40的T抗原，它在胞質(zhì)中合成后很快積累在核中。其NLS為：pro（脯氨酸）-pro-lys（賴氨酸）-lys-lys-Arg（精氨酸）-Lys-val（纈氨酸），即使單個(gè)氨基酸被替換，亦失去作用。親核蛋白（karyophilic protein） 在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成后，需要或能夠進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質(zhì) NLS是存在于親核蛋白內(nèi)的一些短的氨基酸序列片段，富含堿性氨基酸殘基，如Lys、Arg，此外還常含有Pro。 NLS的氨基酸殘基片段可以是一段連續(xù)的序列（T抗原），也可以分成兩段，兩段之間間隔約10個(gè)氨基酸殘基（核質(zhì)蛋白

14、）。 NLS序列可存在于親核蛋白的不同部位，在指導(dǎo)完成核輸入后并不被切除。 NLS只是親核蛋白入核的一個(gè)必要條件而非充分條件 親核蛋白入核轉(zhuǎn)運(yùn)的步驟 Karyopherin是一類與核孔選擇性運(yùn)輸有關(guān)的蛋白家族，相當(dāng)于受體蛋白。其中imporin負(fù)責(zé)將蛋白從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)進(jìn)細(xì)胞核，exportin負(fù)責(zé)相反方向的運(yùn)輸。 通過核孔復(fù)合體的轉(zhuǎn)運(yùn)還涉及Ran蛋白，Ran是一種G蛋白，調(diào)節(jié)貨物受體復(fù)合體的組裝和解體，在細(xì)胞核內(nèi)Ran-GTP的含量遠(yuǎn)高于細(xì)胞質(zhì)。蛋白與NLS受體，即imporin /二聚體結(jié)合；貨物與受體的復(fù)合物與NPC胞質(zhì)環(huán)上的纖維結(jié)合；纖維向核彎曲，轉(zhuǎn)運(yùn)器構(gòu)象發(fā)生改變，形成親水通道，貨物通過；

15、貨物受體復(fù)合體與Ran-GTP結(jié)合，復(fù)合體解散，釋放出貨物；與Ran-GTP結(jié)合的imporin ，輸出細(xì)胞核，在細(xì)胞質(zhì)中Ran結(jié)合的GTP水解，Ran-GDP返回細(xì)胞核重新轉(zhuǎn)換為Ran-GTP；imporin 在核內(nèi)exportin的幫助下運(yùn)回細(xì)胞質(zhì) 核質(zhì)素輸入細(xì)胞核的過程 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA的核輸出 核輸出信號(hào) (Nuclear Export Signal，NES)：RNA分子的出核轉(zhuǎn)運(yùn)需要蛋白分子的幫助，即以各種RNP形式存在，實(shí)際是RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體的轉(zhuǎn)運(yùn)，這些蛋白因子本身含有出核信號(hào)。 轉(zhuǎn)錄后的RNA通常需加工、修飾成為成熟的RNA分子后才能被轉(zhuǎn)運(yùn)出核。 RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄的rRNA分

16、子：以RNP的形式離開細(xì)胞核，需要能量；RNP的蛋白質(zhì)上具有核輸出信號(hào)（nuclear export signal, NES），可與細(xì)胞內(nèi)的受體exportin結(jié)合，形成RNP-exportin-Ran-GTP復(fù)合體，輸出細(xì)胞核后，Ran-GTP水解，釋放出結(jié)合的RNA，Ran-GDP、exportin和RNP蛋白返回細(xì)胞核。 RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄的5s rRNA與 tRNA的核輸出由蛋白質(zhì)介導(dǎo) RNA 聚合酶II轉(zhuǎn)錄的hn RNA，在核內(nèi)進(jìn)行5端加帽和3端附加多聚A序列以及剪接等加工過程，然后形成成熟的mRNA出核，5端的m7GpppG“帽子”結(jié)構(gòu)對(duì)mRNA的出核轉(zhuǎn)運(yùn)是必要的； mRNA的

17、出核轉(zhuǎn)運(yùn)過程是有極性的，其5端在前，3端在后。 第二節(jié) 染色質(zhì)染色質(zhì)(Chromatin):指間期細(xì)胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復(fù)合結(jié)構(gòu), 是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。染色體(chromosome):指細(xì)胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中, 由染色質(zhì)緊密包裹而成的棒狀結(jié)構(gòu)。染色體與染色質(zhì)比較：在化學(xué)本質(zhì)上沒有差異在構(gòu)型上不同是遺傳物質(zhì)在細(xì)胞周期不同階段的不同表現(xiàn)形式。1848年，Hofmeister從鴨跖草的小孢子母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)染色體。 1879年，W. Flemming提出了染色質(zhì)（chromatin）這一術(shù)語， 用以描述染色后細(xì)胞核中強(qiáng)烈著色的細(xì)絲狀物質(zhì)。 1888年，

18、Waldeyer正式提出染色體（Chromosome)的名稱。一、染色質(zhì)的化學(xué)組成染色質(zhì)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成，比例為1：1：（1-1.5）：0.05。DNA與組蛋白的含量比較恒定，非組蛋白的含量變化較大，RNA含量最少。DNA DNA是遺傳信息的攜帶者（少數(shù)病毒為RNA）. 染色質(zhì) DNA基因組（genome）：一個(gè)生物貯存在單倍染色體組中的總遺傳信息，稱為該生物的基因組。基因組大小通常隨物種的復(fù)雜性而增加 基因組中兩類遺傳信息 編碼序列 調(diào)控序列物種 基因組大小 平均基因長(zhǎng)（bp） 基因數(shù)目 大腸桿菌 4.2106bp， 1.2Kb 約2 350酵母 1.3107bp

19、1.4Kb 約6 100 果蠅 1.4108bp 11.3Kb 約8 750 人 3109bp 16.3Kb 約3-4萬幾種生物基因組比較 染色質(zhì)DNA的類型非重復(fù)序列DNA(單一序列或1-5個(gè)拷貝):編碼序列中度重復(fù)DNA序列 （拷貝數(shù)在10個(gè)以上的序列稱為重復(fù)序列，重復(fù)次數(shù)在102-105為中度重復(fù)序列）短散在重復(fù)元件（short interspersed elements，SINEs）長(zhǎng)散在重復(fù)元件（long interspersed elements，LINEs）高度重復(fù)DNA序列 （重復(fù)次數(shù)在105以上）生物基因組中遺傳信息大體可分兩類：一類是負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)氨基酸組成的信息，以三聯(lián)體密碼

20、方式進(jìn)行編碼。 另外一類是中度重復(fù)序列DNA，起調(diào)控作用的DNA序列，它們是關(guān)于基因選擇性表達(dá)的信息。負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)氨基酸組成的信息 細(xì)胞中編碼DNA序列在基因組中只占很小的比例，在高等哺乳類，這一比例大約只有5左右。 這類編碼序列主要是非重復(fù)的單一DNA序列，一般在基因組中只有一個(gè)或幾個(gè)拷貝；中度重復(fù)序列DNA這類起調(diào)控作用的DNA序列在整個(gè)基因組中占有很高的比例，并且能與調(diào)控蛋白相互作用而修飾自已的雙螺旋空間結(jié)構(gòu)，以便更好地為調(diào)控蛋白所識(shí)別。有些中度重復(fù)序列DNA具有編碼功能，如編碼rRNA和 tRNA以及組蛋白的基因，但大部分中度重復(fù)序列不編碼任何產(chǎn)物 此外，真核細(xì)胞基因組中，還含有高度重復(fù)

21、DNA序列，每個(gè)基因組中至少含105拷貝，約占脊椎動(dòng)物總DNA的10。 由一些短的DNA序列呈串聯(lián)重復(fù)排列，分為： 衛(wèi)星DNA： 重復(fù)單位長(zhǎng)5100bp， 小衛(wèi)星DNA：重復(fù)單位長(zhǎng)12100bp，重復(fù)3 000 次之多。 微衛(wèi)星DNA：重復(fù)單位序列最短，只有15bp， 串聯(lián)成簇長(zhǎng)度50100bp的微衛(wèi)星序列。高度重復(fù)DNA序列 衛(wèi)星DNA（satellite DNA）：重復(fù)單位長(zhǎng)5100bp，不同物種重復(fù)單位堿基組成不同；一個(gè)物種也可能含有不同的衛(wèi)星DNA序列；主要分布在染色體著絲粒部位，如人類染色體著絲粒區(qū)的-衛(wèi)星DNA家族，其功能不明。小衛(wèi)星DNA（minisatellite DNA）重復(fù)

22、單位長(zhǎng)12100bp，重復(fù)3 000次之多，又稱數(shù)量可變的的串聯(lián)重復(fù)序列；每個(gè)小衛(wèi)星區(qū)重復(fù)序列的拷貝數(shù)是高度可變的，因此常用DNA指紋技術(shù)（DNA finger-printing）作個(gè)體鑒定；另外發(fā)現(xiàn)小衛(wèi)星序列的改變可以影響鄰近基因的表達(dá)，基因的異常表達(dá)又導(dǎo)致一系列不良后效應(yīng)。微衛(wèi)星DNA （microsatellite DNA）重復(fù)單位序列最短，只有15bp，串聯(lián)成簇長(zhǎng)度50100bp的微衛(wèi)星序列。人類基因組中至少有30 000個(gè)不同的微衛(wèi)星位點(diǎn)，具高度微衛(wèi)星多態(tài)性（microsatellite polymorphism），不同個(gè)體間有明顯差別，但在遺傳上卻是高度保守的，因此可作為重要的遺傳

23、標(biāo)志，用于構(gòu)建遺傳圖譜（genetic map）。DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)：兩條核苷酸鏈反向平行盤繞所生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)Watson和Crick提出的右手雙螺旋結(jié)構(gòu)， B型DNA的三種構(gòu)型A型是另一種右手雙螺旋DNA，與B型的差別在于DNA的 大小溝有所不同，A型的更緊密。 Z (zig-zag)型是左手螺旋DNA，在結(jié)構(gòu)上與B型很不同。 發(fā)生在高鹽濃度下的CGCGCG短鏈中，生物功能不詳。 體現(xiàn) DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的可塑性。DNA的三種構(gòu)型 三種DNA構(gòu)型中,溝的特征在遺傳信息表達(dá)過程中起關(guān)鍵作用,調(diào)控蛋白都是通過其分子上氨基酸側(cè)鏈與溝中堿基對(duì)兩側(cè)潛在的氫原子供體(=NH)或受體(O和N)形成氫鍵而識(shí)別D

24、NA遺傳信息的。 另外, Z型DNA同細(xì)胞癌變有一定的關(guān)系。DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)具有多形性(polymorphism)三種構(gòu)型DNA： B型DNA（右手雙螺旋DNA）；活性最高的DNA構(gòu)象； A型DNA，B型DNA的重要變構(gòu)形式，仍有活性； Z型DNA，Z型DNA是左手螺旋，B型DNA的另一種 變構(gòu)形式，活性明顯降低 三種構(gòu)型DNA的主要特征 主 要 特 征 螺 旋 類 型 A B Z 螺旋直徑 螺旋方向 螺旋值bp bp每圈螺旋 垂直升距bp 螺旋軸位置 大溝 小溝 23 A 右手 +34.7o 11.0 2.56A 位于大溝，不穿過堿基對(duì) 窄而深 寬而淺 19 A 右手 +34.6o 10.4

25、3.38A 穿過堿基對(duì) 寬而深 窄而淺 12 A 左手 -30 o 12.0 5.71A 位于小溝，不穿過堿基對(duì) 平坦 窄而深 DNA構(gòu)型的生物學(xué)意義溝（特別是大溝）的特征在遺傳信息表達(dá)過程中起關(guān)鍵作用溝的寬窄及深淺影響調(diào)控蛋白對(duì)DNA信息的識(shí)別三種構(gòu)型的DNA處于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變之中DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化與高級(jí)結(jié)構(gòu)的變化是相互關(guān)聯(lián)的，這種變化在DNA復(fù)制與轉(zhuǎn)錄中具有重要的生物學(xué)意義。負(fù)責(zé)DNA分子遺傳信息的組織、復(fù)制和閱讀。分成兩類：組蛋白與非組蛋白 染色質(zhì)蛋白 組蛋白 (histone)定義：是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白, 是一類小分子堿性蛋白質(zhì)，有5種類型, 即H1、H2A、H2B、H3、H4，

26、它們富含帶正電荷的堿性氨基酸，能夠同DNA中帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)相互作用。一類是高度保守的核心組蛋白（core histone）包括H2A、H2B、H3、H4四種,幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu) ；另一類是可變的連接組蛋白（linker histone）即H1。在構(gòu)成核小體時(shí)H1起連接作用, 賦予染色質(zhì)以極性。 核心組蛋白的結(jié)構(gòu)是非常保守，特別是H4，核心組蛋白高度保守的原因可能有兩個(gè)：其一是核心組蛋白中絕大多數(shù)氨基酸都與DNA或其它組蛋白相互作用，可置換而不引起致命變異的氨基酸殘基很少；其二是在所有的生物中與組蛋白相互作用的DNA磷酸二脂骨架都是一樣的 特點(diǎn)： 真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白

27、，富含帶正電荷的Arg（精氨酸）和Lys（賴氨酸）等堿性氨基酸，屬堿性蛋白質(zhì)，可以和酸性的DNA緊密結(jié)合（非特異性結(jié)合）； H1不僅具有屬特異性，而且還有組織特異性，所以H1是多樣性的。 組蛋白(histone)：帶正電荷，含精氨酸，賴氨酸，屬堿性蛋白，其含量恒定，與DNA結(jié)合但沒有序列特異性核小體組蛋白(nucleosomal histone), 包括H2A、H2B、H3和H4，作用是與 DNA組裝成核小體 H1不參加核小體的組建，在構(gòu)成核小體時(shí)起 連接作用，并賦予染色質(zhì)以極性。組蛋白的功能非組蛋白與組蛋白不同，非組蛋白是染色體上與特異DNA序列結(jié)合的蛋白質(zhì)，所以又稱序列特異性DNA結(jié)合蛋白

28、，非組蛋白的特點(diǎn)是：含有較多的天門冬氨酸、谷氨酸，帶負(fù)電荷，屬酸性蛋白質(zhì)；整個(gè)細(xì)胞周期都進(jìn)行合成，不象組蛋白只在S期合成，并與DNA復(fù)制同步進(jìn)行；能識(shí)別特異的DNA序列，識(shí)別信息存在于DNA本身，位點(diǎn)在大溝部分，識(shí)別與結(jié)合氫鍵和離子鍵。非組蛋白的功能是：幫助DNA分子折疊，以形成不同的結(jié)構(gòu)域，從而有利于DNA的復(fù)制和基因的轉(zhuǎn)錄；協(xié)助啟動(dòng)DNA復(fù)制；控制基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。 非組蛋白的特性：非組蛋白具多樣性和異質(zhì)性對(duì)DNA具有識(shí)別特異性具有多種功能 1）非組蛋白的特性： 非組蛋白具多樣性和異質(zhì)性多樣性：占染色體蛋白的6070，不同組織 細(xì)胞中種類和數(shù)量不同，代謝周轉(zhuǎn)快。異質(zhì)性：包括多種參與核

29、酸代謝與修飾的酶類如： DNA和RNA聚合酶、 基因表達(dá)調(diào)控蛋白 核質(zhì)蛋白、 染色體骨架蛋白、 肌動(dòng)蛋白 HMG蛋白（high mobility group proteins） 對(duì)DNA具有識(shí)別特異性 能識(shí)別特異的DNA序列，這類序列特異性DNA結(jié)合蛋白具有一個(gè)共同特征： 形成與DNA結(jié)合的螺旋區(qū) 并具有蛋白二聚化的能力。 識(shí)別信息來源于DNA核苷酸序列本身， 識(shí)別位點(diǎn)存在于DNA雙螺旋的大溝部分， 識(shí)別與結(jié)合靠氫鍵和離子鍵。 具有多種功能 序列特異性DNA結(jié)合蛋白在每個(gè)真核細(xì)胞約 占細(xì)胞總蛋白的1/5萬，但具多方面重要功能： 包括基因表達(dá)的調(diào)控和染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的形 成。如： 幫助DNA分子折

30、疊，以形成不同的結(jié)構(gòu)域， 協(xié)助啟動(dòng)DNA復(fù)制， 控制基因轉(zhuǎn)錄， 調(diào)節(jié)基因表達(dá)。非組蛋白的不同結(jié)構(gòu)模式 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋模式(helix-turn-helix motif) ：最簡(jiǎn)單、最普遍 鋅指模式(Zinc finger motif) 亮氨酸拉鏈模式(Leucine zipper motif，ZIP) 螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)模式(helix-loop-helix motif，HLH) HMG-盒結(jié)構(gòu)模式（HMG-box motif）： 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋模式（helix-turn-helix motif） 這種蛋白與DNA結(jié)合時(shí)，形成對(duì)稱的同型二聚體結(jié)構(gòu)模式。構(gòu)成同型二聚體的每個(gè)單體由20個(gè)氨基酸

31、的小肽組成螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)，兩個(gè)螺旋相互連接構(gòu)成轉(zhuǎn)角，其中羧基端的螺旋為識(shí)別螺旋負(fù)責(zé)識(shí)別DNA大溝的特異堿基信息，另一個(gè)螺旋沒有堿基特異性，與DNA磷酸戊糖鏈骨架接觸。羧基端在與DNA特異結(jié)合時(shí)，以二聚體形式發(fā)揮作用，結(jié)合靠蛋白質(zhì)的氨基酸側(cè)鏈與特異堿基對(duì)之間形成氫鍵。鋅指結(jié)構(gòu)基序(模體）(zinc finger motif) 負(fù)責(zé)5SRNA,tRNA和部分snRNA基因轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶3所必需的轉(zhuǎn)錄因子含有這種結(jié)構(gòu) 每個(gè)鋅指單位是一個(gè)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，由30個(gè)左右氨基酸殘基組成，其中一對(duì)半胱氨酸和一對(duì)組氨酸與Zn2+形成配位鍵，鋅指的C端形成a螺旋負(fù)責(zé)與DNA結(jié)合。有兩種主要的鋅指結(jié)構(gòu)C

32、ys2/His2指和Cys2/Cys2的鋅指結(jié)構(gòu)。亮氨酸拉鏈模式（Leucine zipper motif，ZIP）包括： 酵母的轉(zhuǎn)錄激活因子（GCN4）， 癌蛋白Jun、Fos、yc 增強(qiáng)子結(jié)合蛋白等。亮氨酸拉鏈?zhǔn)歉缓琇eu殘基的一段氨基酸序列所組成的二聚化結(jié)構(gòu)。蛋白的肽鏈羧基端約35個(gè)氨基酸殘基有形成-螺旋的特點(diǎn)，每?jī)扇Γ?個(gè)氨基酸殘基）有一個(gè)亮氨酸殘基。在-螺旋一側(cè)的Leu排成一排， 兩個(gè)蛋白質(zhì)分子的-螺旋之間靠Leu殘基之間的疏水作用力形成一條拉鏈狀結(jié)構(gòu)。與DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)域：拉鏈區(qū)相鄰的肽鏈N-端帶正電荷的氨基酸堿性區(qū)。 螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)模式（helix-loop-helix mo

33、tif，HLH） 具此結(jié)構(gòu)的蛋白家族成員之間形成同源或異源二聚體是這類蛋白與DNA結(jié)合的必要條件。 兩個(gè)螺旋中間被一個(gè)或幾個(gè)-轉(zhuǎn)角組成的環(huán)區(qū)所分開。 每個(gè)螺旋由1516個(gè)氨基酸殘基組成。 具有疏水面和親水面的兩性螺旋有助于二聚體的形成。 具此結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子如 哺乳類的MyoD、昆蟲的AC-S等。螺旋鄰近的肽鏈N-端有帶正電荷的氨基酸堿性區(qū)與靶DNA大溝結(jié)合 HMG-盒結(jié)構(gòu)模式（HMG-box motif） 在發(fā)現(xiàn)一組高遷移率蛋白（high mobility group proteins）后，首先發(fā)現(xiàn)并命名HMG-盒結(jié)構(gòu)模式。該結(jié)構(gòu)有3個(gè)螺旋組成boomerang-shaped結(jié)構(gòu)模式，具有彎曲

34、DNA的能力。 因此，具有HMG-盒結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子又稱“構(gòu)件因子”（architectural factors），它們通過彎曲DNA、促進(jìn)與鄰近位點(diǎn)相結(jié)合的其他轉(zhuǎn)錄因子的相互作用而激活轉(zhuǎn)錄。HMG蛋白SRY SRY是一種HMG蛋白，在人類男性性別分化中具有關(guān)鍵作用。 SRY蛋白由Y染色體上一個(gè)基因編碼。在誘導(dǎo)睪丸分化途徑中，一些相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄活性被HMG蛋白（ SRY）所激活。突變的SRY基因所編碼的蛋白不能與DNA結(jié)合，導(dǎo)致產(chǎn)生性反轉(zhuǎn)， 具有這種表型的個(gè)體雖然具有XY性染色體對(duì)，但卻發(fā)育成雌性。HMG蛋白UBF 能激活RNA聚合酶對(duì)rRNA基因的轉(zhuǎn)錄。 UBF以二聚體形式結(jié)合DNA，UBF通

35、過與DNA相互作用，使DNA圍繞蛋白質(zhì)形成環(huán)化結(jié)構(gòu)， 通常情況下，這段DNA所具有的兩個(gè)調(diào)控序列被120bp DNA所分開。 環(huán)化后使之（兩個(gè)調(diào)控序列）靠近，與一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。1974年Kornberg等人提出染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的串珠模型（一）主要實(shí)驗(yàn)證據(jù)1，溫和的方法裂解細(xì)胞核，鋪展電鏡觀察，30nm纖維，10nm的串珠結(jié)構(gòu)，用低離子濃度的溶液處理染色質(zhì)，可選擇性地除去組蛋白H1。在電子顯微鏡下觀察用鹽處理的染色質(zhì)時(shí)，可見到核小體核心顆粒和連接DNA是分開的，為串珠狀結(jié)構(gòu)。2，非特異性的微球菌酶消化染色質(zhì)，離心和電泳后，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)DNA片斷200bp左右，不完全消化則大多200、400、60

36、0bp等，用非特異性的核酸酶處理染色質(zhì), 大多數(shù)DNA都會(huì)形成長(zhǎng)度為200bp的片段。如果用同樣的核酸酶處理裸露的DNA, 產(chǎn)生隨機(jī)大小的DNA片段。據(jù)此推測(cè)染色體DNA中除了某些位點(diǎn)外, 受到了保護(hù), 使核酸酶不能隨機(jī)切割, 并推測(cè)這種保護(hù)作用與DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)有關(guān)。3，X射線衍射、中子散射和電鏡三維重組技術(shù)，研究染色質(zhì)結(jié)晶顆粒，發(fā)現(xiàn)核小體顆粒是直徑11nm、高6nm的扁圓柱體，具有二分對(duì)稱性。4，SV40微小染色體分析，環(huán)狀DNA，約5kb，可形成25個(gè)核小體，實(shí)際觀察到23個(gè)。去除組蛋白后伸展的DNA長(zhǎng)度是5kb.二、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位核小體(nucleosome) 核小體 (nuc

37、leosome) 定義：是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位。由200個(gè)(160-240)左右堿基對(duì)的DNA和五種組蛋白結(jié)合而成。其中四種組蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各2 分子組成八聚體的小圓盤，是核小體的核心結(jié)構(gòu)。146個(gè)堿基對(duì)的DNA包繞在小圓盤外面繞1 1.75圈。每一分子的H1與DNA結(jié)合, 鎖住核小體DNA的進(jìn)出口, 起穩(wěn)定核小體結(jié)構(gòu)的作用。兩相鄰核小體之間以連接DNA相連, 連接DNA的長(zhǎng)度變化不等, 因不同的種屬和組織而異, 但通常是60個(gè)堿基對(duì)。 核小體結(jié)構(gòu)要點(diǎn)1每個(gè)核小體單位包括200bp左右的DNA超螺旋和一個(gè)組蛋白八聚體以及一個(gè)分子的組蛋白H1。2組蛋白八聚體構(gòu)成核小體的盤狀核

38、心結(jié)構(gòu)，由4個(gè)異二聚體組成，包括兩個(gè)H2A-H2B和兩個(gè)H3-H4。 兩個(gè)H3-H4形成4聚體位于核心顆粒中央，兩個(gè)H2A-H2B二聚體分別位于4聚體兩側(cè)。每個(gè)異二聚體通過離子鍵和氫鍵結(jié)合約30bp DNA。3146bp的DNA分子超螺旋盤繞組蛋白八聚體1.75圈。組蛋白H1在核心顆粒外結(jié)合額外20bp DNA，鎖住核小體DNA的進(jìn)出端，起穩(wěn)定核小體的作用。 4兩個(gè)相鄰核小體之間以連接DNA（linker DNA）相連，典型長(zhǎng)度60bp，不同物種變化值為080bp不等。5組蛋白與DNA之間的相互作用主要是結(jié)構(gòu)性的，基本不依賴于核苷酸的特異序列。即組蛋白與DNA是非特異性結(jié)合，核小體具有自主裝性

39、質(zhì)6核小體沿DNA的定位受不同因素的影響。三、染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型 人體的一個(gè)細(xì)胞核中有23對(duì)染色體，每條染色體的DNA雙螺旋若伸展開，平均長(zhǎng)為5cm，核內(nèi)全部DNA連結(jié)起來約1.7-2.0m，而細(xì)胞核直徑不足10um。DNA是以螺旋和折疊的方式壓縮起來的，壓縮比例高達(dá)上萬倍。對(duì)于更高級(jí)染色質(zhì)包裝方式，至今尚不明確。染色質(zhì)包裝的基本結(jié)構(gòu)模型 1、染色質(zhì)包裝的多級(jí)螺旋模型 2. 染色體的骨架-放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型1、染色質(zhì)包裝的多級(jí)螺旋模型由DNA與組蛋白包裝成核小體，在組蛋白H1的介導(dǎo)下核小體彼此連接形成直徑約10nm的核小體串珠結(jié)構(gòu)，這是染色質(zhì)包裝的一級(jí)結(jié)構(gòu)。在有組蛋白H1存在的情況下，由直徑10

40、nm的核小體串珠結(jié)構(gòu)螺旋盤繞，每圈6個(gè)核小體，形成外徑30nm，內(nèi)徑10nm，螺距11nm的螺線管（solenoid）。螺線管進(jìn)一步螺旋化形成直徑為0.4m的圓筒狀結(jié)構(gòu)，稱為超螺線管（supersolenoid），這是染色體包裝的三級(jí)結(jié)構(gòu)。這種超螺線管進(jìn)一步螺旋折疊，形成長(zhǎng)210m的染色單體，即染色質(zhì)包裝的四級(jí)結(jié)構(gòu)。 根據(jù)多級(jí)螺旋模型從DNA到染色體經(jīng)過四級(jí) 包裝：DNA核小體螺線管超螺線管染色單體壓縮7倍壓縮6倍壓縮40倍壓縮5倍染色質(zhì)包裝的多級(jí)螺旋模型2. 染色體的骨架-放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型微帶是染色體高級(jí)結(jié)構(gòu)的單位，大約106個(gè)微帶沿縱軸構(gòu)建成子染色體。由螺線管形成DNA復(fù)制環(huán)，每18個(gè)復(fù)制環(huán)

41、呈放射狀平面排列，結(jié)合在核基質(zhì)上形成微帶（miniband）。然后按每圈6個(gè)核小體為單位盤繞成直徑30nm的螺線管。首先是直徑2nm的雙螺旋DNA 與組蛋白八聚體構(gòu)建成連續(xù)重復(fù)的核小體串珠結(jié)構(gòu)，其直徑10nm。常染色質(zhì)和異染色質(zhì) 間期核中染色質(zhì)按其形態(tài)特征、活性狀態(tài)和染色性能可分為異染色質(zhì)（heterochromatin）和常染色質(zhì)（euchromatin）。 概念：指間期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低, 處于伸展?fàn)顟B(tài)（典型包裝率750倍）, 用堿性染料染色時(shí)著色淺的那些染色質(zhì)。 DNA包裝比約為1 0002 000分之一 單一序列 DNA 和中度重復(fù)序列DNA(如組蛋白基因和tRNA基因) 常

42、染色質(zhì)是進(jìn)行活躍轉(zhuǎn)錄的部位，呈疏松的環(huán)狀，并非所有基因都具有轉(zhuǎn)錄活性,常染色質(zhì)狀態(tài)只是基因轉(zhuǎn)錄的必要條件而非充分條件 易被核酸酶在一些敏感的位點(diǎn)（hypersensitive sites）降解 常染色質(zhì)(euchromatin) 異染色質(zhì)（heterochromatin異染色質(zhì)是指間期核中，染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度高，處于聚縮狀態(tài)，用堿性染料染色時(shí)著色深的那些染色質(zhì)。 異染色質(zhì)分為：結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)或組成型異染色質(zhì)（constitutive heterochromatin）兼性異染色質(zhì)（facultative heterochromatin）。結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)（constitutive heteroch

43、romatin） 指的是各種類型的細(xì)胞，除復(fù)制期以外，在整個(gè)細(xì)胞周期均處于聚縮狀態(tài)，DNA包裝比在整個(gè)細(xì)胞周期中基本沒有較大變化的異染色質(zhì)。 在間期核中，形成多個(gè)染色中心 結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)特征：在中期染色體上多定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕 及染色體臂的某些節(jié)段；由相對(duì)簡(jiǎn)單、高度重復(fù)的DNA序列構(gòu)成，如衛(wèi)星 DNA；具有顯著的遺傳惰性，不轉(zhuǎn)錄也不編碼蛋白質(zhì)；在復(fù)制行為上與常染色質(zhì)相比表現(xiàn)為晚復(fù)制早聚縮；占有較大部分核DNA，在功能上參與染色質(zhì)高級(jí)結(jié) 構(gòu)的形成，導(dǎo)致染色質(zhì)區(qū)間性，作為核DNA的轉(zhuǎn)座 元件，引起遺傳變異。 兼性異染色質(zhì)（facultative heterochromatin）。 是指在某

44、些細(xì)胞類型或一定的發(fā)育階段，原來的常染色質(zhì)聚縮，并喪失基因轉(zhuǎn)錄活性，變?yōu)楫惾旧|(zhì)。 因此，染色質(zhì)通過緊密折疊壓縮可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑， 雌性哺乳類動(dòng)物的X染色體就是一類特殊的兼性異染色質(zhì)。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)如有兩個(gè)X染色體（通常為雌性），則其中的一個(gè)染色體常表現(xiàn)為異染色質(zhì)，稱巴氏小體（barr body）。又稱X小體，通常位于間期核膜邊緣。1949年，美國學(xué)者巴爾（M.L.Barr）等發(fā)現(xiàn)雌貓的神經(jīng)細(xì)胞間期核中有一個(gè)深染的小體而雄貓卻沒有。在人類，男性細(xì)胞核中很少或根本沒有巴氏小體，而女性則有1個(gè)。以后研究表明，巴氏小體就是性染色體異固縮的結(jié)果。人的胚胎發(fā)育到16天以后，一條X染色體轉(zhuǎn)變

45、為巴氏小體，呈塊狀緊靠核膜，染色反應(yīng)表現(xiàn)為深染。因此通過檢查羊水中胚胎細(xì)胞的巴氏小體可預(yù)測(cè)胎兒的性別。 白細(xì)胞中的巴氏小體（鼓槌狀結(jié)構(gòu)） 第三節(jié) 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因活化 活性染色質(zhì)及其主要特征 活性染色質(zhì)是具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì) 活性染色質(zhì)(active chromatin)與非活性染色質(zhì)(inactive chromatin) 活性染色質(zhì)的核小體發(fā)生構(gòu)象改變，具有疏松的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而便于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子與順式調(diào)控元件結(jié)合和RNA 聚合酶在轉(zhuǎn)錄模板上滑動(dòng)。 非活性染色質(zhì)是沒有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì) 活性染色質(zhì)具有DNase I超敏感位點(diǎn) 染色質(zhì)上無核小體的DNA片段，通常位于5-啟動(dòng)子區(qū)，長(zhǎng)度幾百bp。

46、活性染色質(zhì)在生化上具有特殊性 很少有組蛋白H1與其結(jié)合；組蛋白乙?；潭雀?；核小體組蛋白H2B很少被磷酸化；核小體組蛋白H2A在許多物種很少有變異形式；HMG14和HMG17只存在于活性染色質(zhì)中。 染色質(zhì)活化與基因激活 疏松染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成 疏松染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成DNA局部結(jié)構(gòu)的改變與核小體相位的影響 當(dāng)調(diào)控蛋白與染色質(zhì)DNA的特定位點(diǎn)結(jié)合時(shí)， 染色質(zhì)易被引發(fā)二級(jí)結(jié)構(gòu)的改變；進(jìn)而引起其 它的一些結(jié)合位點(diǎn)與調(diào)控蛋白的結(jié)合。 核小體通常定位在DNA特殊位點(diǎn)而利于轉(zhuǎn)錄 DNA甲基化：A/C甲基化/去甲基化（特別是5-mC） 組蛋白的修飾 組蛋白的修飾改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)，直接或間接 影響轉(zhuǎn)錄活性（磷酸化、

47、甲基化、乙?；?，泛素化（uH2A） / Arg，His，Lys，Ser，Thr） 組蛋白賴氨酸殘基乙?；╝cetylation），影響轉(zhuǎn)錄 HMG結(jié)構(gòu)域蛋白等染色質(zhì)變構(gòu)因子的影響 HMG結(jié)構(gòu)域可識(shí)別某些異型的DNA結(jié)構(gòu)，與DNA 彎折和DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成有關(guān) 核小體相位在協(xié)助轉(zhuǎn)錄中的作用 （a）基因的關(guān)鍵調(diào)控元件被留在核心顆粒外面，從而有利于結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子； （b）位于DNA上調(diào)控元件被盤繞在核心組蛋白上，因?yàn)榻M蛋白，使DNA上的關(guān)鍵 調(diào)控元件靠得很近，它們可以通過轉(zhuǎn)錄因子而聯(lián)系。 輔激活子通過組蛋白乙?；谵D(zhuǎn)錄調(diào)控中作用的模型 轉(zhuǎn)錄因子（如糖皮質(zhì)激素受體，GR）與DNA結(jié)

48、合并捕獲輔激活子（CBP）；CBP具有組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶活性。 表示一段阻遏狀態(tài)的染色體區(qū)域，其DNA與去乙酰基組蛋白結(jié)合； 糖皮質(zhì)激素受體（GR）和糖皮質(zhì)激素應(yīng)答元件（GRE）結(jié)合，輔激活物CBP同GR結(jié)合，處于TATA盒的上游和下游 的核心組蛋白被乙?；?； 被乙酰基化的組蛋白與DNA分離； TFIID與DNA的開放區(qū)結(jié)合。TAFII250是TFIID的一個(gè)亞基，具有組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶活性。 同時(shí)，CBP和TAFII250又解離相鄰的核小體，以便容許轉(zhuǎn)錄起始；在啟動(dòng)子區(qū)剩下的核小體 也被乙?；?，RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合，轉(zhuǎn)錄開始。 染色質(zhì)的區(qū)間性 基因座控制區(qū)（locus control

49、 region,LCR） 染色體DNA上一種順式作用元件，具有穩(wěn)定 染色質(zhì)疏松結(jié)構(gòu)的功能； 與多種反式因子的結(jié)合序列可保證DNA復(fù)制 時(shí)與啟動(dòng)子結(jié)合的因子仍保持在原位。順式作用元件順式作用元件(cis-actingelement)存在于基因旁側(cè)序列中能影響基因表達(dá)的序列。順式作用元件包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、調(diào)控序列和可誘導(dǎo)元件等，它們的作用是參與基因表達(dá)的調(diào)控。順式作用元件本身不編碼任何蛋白質(zhì),僅僅提供一個(gè)作用位點(diǎn)，要與反式作用因子相互作用而起作用。 隔離子（insulator） 防止處于阻遏狀態(tài)與活化狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu) 域的結(jié)構(gòu)特征向兩側(cè)擴(kuò)展的染色質(zhì)DNA 序列，稱為隔離子。 作用：作為異染色質(zhì)定

50、向形成的起始位點(diǎn)； 提供拓?fù)涓綦x區(qū),使結(jié)構(gòu)域外的增強(qiáng)子成分不能進(jìn) 入；防止遠(yuǎn)端增強(qiáng)子組成的復(fù)合體超越正常作用范圍。 通過核小體核心結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄的模型（引自C.C.Adams等） 第一步：RNA聚合酶使核小體不穩(wěn)定，撤掉2個(gè)（H2A-H2B）,形成H3-H4四聚體復(fù)合物； 第二步：組蛋白核心的另一半（H3-H4四聚體）被移開并轉(zhuǎn)到聚合酶后面自由DNA上； 第三步：2個(gè)H2A-H2B二聚體重新結(jié)合到DNA上，又形成一個(gè)完整的核小體核心結(jié)構(gòu)。 染色質(zhì)模板的轉(zhuǎn)錄 基因轉(zhuǎn)錄的模板不是裸露的DNA，染色質(zhì) 是否處于活化狀態(tài)是決定轉(zhuǎn)錄功能的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄的“核小體犁”（nucleosome plow）假說 第四節(jié)

51、染色體 1848年，Hofmeister從鴨跖草的小孢子母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)染色體。1888年，Waldeyer正式定名為Chromosome。1879年，W. Flemming提出了染色質(zhì)（chromatin）這一術(shù)語，用以描述染色后細(xì)胞核中強(qiáng)烈著色的細(xì)絲狀物質(zhì)。后來的研究證明染色質(zhì)和染色體是同一物質(zhì)在不同細(xì)胞周期中的形態(tài)表現(xiàn)。中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 間期染色質(zhì)分散于細(xì)胞核，但在分裂期，染色質(zhì)通過盤旋折疊壓縮近萬倍，包裝成大小不等、形態(tài)各異的短棒狀染色體。中期染色體由于形態(tài)比較穩(wěn)定是觀察染色體形態(tài)和計(jì)數(shù)的最佳時(shí)期。 同一物種的染色體數(shù)目是相對(duì)穩(wěn)定的，性細(xì)胞染色體為單倍體（haploid），用n表示，體

52、細(xì)胞為2倍體（diploid）以2n表示，還有一些物種的染色體成倍增加成為4n、6n、8n等，稱為多倍體。同一個(gè)體的體細(xì)胞并非都是2倍體 染色體的數(shù)目因物種而異，如人類2n=46，黑猩猩2n=48，果蠅2n=8，家蠶2n=56，小麥2n=42，水稻2n=24，洋蔥2n=16。 染色體（Chromosome）姊妹染色單體（Sister chromatid）根據(jù)著絲粒在染色體上的位置：中著絲粒染色體（Metacentric chromosome）近中著絲粒染色體（Submetacentric chromosome）近端著絲粒染色體（Arocentric chromosome）端著絲粒染色體（Tel

53、ocentric chromosome）染色體的各部分名稱類型根據(jù)著絲粒位置進(jìn)行的染色體分類 著絲粒位置 染色體符號(hào) 著絲粒比 著絲粒指數(shù) 中著絲粒 亞中著絲粒 亞端著絲粒 端著絲粒 m sm st t 1.001.67 1.683.00 3.017.00 7.0100 0.5000.375 0.3740.250 0.2940.125 0.1240.000 長(zhǎng)臂長(zhǎng)度短臂長(zhǎng)度; 短臂長(zhǎng)度染色體總長(zhǎng)度 (根據(jù)Levan等,1964; Green等,1980) 1、著絲粒與動(dòng)粒（也稱著絲點(diǎn),kenetoche）著絲粒（centromere）和著絲點(diǎn)（kinetochore）是兩個(gè)不同的概念，前者指中

54、期染色單體相互聯(lián)系在一起的特殊部位，后者指主縊痕處兩個(gè)染色單體外側(cè)表層部位的特殊結(jié)構(gòu)，它與仿錘絲微管相接觸。 著絲粒含3個(gè)結(jié)構(gòu)域（圖12-20），即：著絲點(diǎn)結(jié)構(gòu)域（kinetochore domain）、中心結(jié)構(gòu)域（central domain）和配對(duì)結(jié)構(gòu)域（paring domain）。 著絲點(diǎn)結(jié)構(gòu)域（圖12-21）：位于著絲粒的表面，由外板（outer plate）、內(nèi)板（inner plate）、中間區(qū)（interzone）和圍繞外層的纖維冠(fibrous corona)。內(nèi)外板的電子密度高，中間區(qū)電子密度低。內(nèi)板與中央結(jié)構(gòu)域的著絲粒異染色質(zhì)結(jié)合，外板與微管纖維結(jié)合，纖維冠上結(jié)合有馬達(dá)

55、蛋白，如胞質(zhì)Dynein和屬于kinesin家族的CENP-E，為染色體的分離提供動(dòng)力。 圖12-21 著絲點(diǎn)結(jié)構(gòu)域 中央結(jié)構(gòu)域位于著絲粒結(jié)構(gòu)域的下方,是著絲粒區(qū)的主體，由高度串聯(lián)重復(fù)的衛(wèi)星DNA構(gòu)成，重復(fù)單位171bp，重復(fù)2000-3000次，表現(xiàn)為異染色質(zhì)特性。 配對(duì)結(jié)構(gòu)域位于著絲粒結(jié)構(gòu)的內(nèi)層，中期兩條染色單體在此處相互連結(jié)，在此區(qū)域發(fā)現(xiàn)有兩類蛋白，一類為內(nèi)著絲粒蛋白INCENP（inner centromere protein），另一類為染色單體連接蛋白CLIP（chromatid linking protein）. 對(duì)著絲粒蛋白主要是使用ACA來研究的。ACA是從CREST 綜合癥病

56、人血清中分離出來的抗著絲粒蛋白的抗體(anticentromere antibodies)。用ACAs發(fā)現(xiàn)鑒定出來的CENP主要有6種，即：CENP-A至F，它們都能與一個(gè)17bp的DNA模式特異結(jié)合，與細(xì)胞的分裂及調(diào)控密切相關(guān)，進(jìn)化上非常保守。2、主縊痕（primary constriction） 中期染色體上一個(gè)染色較淺而縊縮的部位，主縊痕處有著絲粒，亦稱著絲粒區(qū)，由于這一區(qū)域染色線的螺旋化程序低，DNA含量少，所以染色很淺或不著色。一般動(dòng)植物的染色體具有一個(gè)位置固定的著絲粒(localized contromere)，有些生物整個(gè)染色體都具有著絲粒活性，稱為全著絲粒（holocentro

57、mere）如：如蛔蟲、線蟲、蝶、蛾、蚜蟲等。3、次縊痕（secondary constriction） 除主縊痕外，染色體上第二個(gè)呈淺縊縮的部分稱次縊痕，次縊痕的位置相對(duì)穩(wěn)定，數(shù)目、位置和大小是鑒定染色體個(gè)別性的一個(gè)顯著特征。4、核仁組織區(qū)（nucleolar organizing regions, NORs） 核糖體RNA基因（5SrRNA基因除外）所在的區(qū)域。核仁組織區(qū)位于染色體的次縊痕區(qū)，但并非所有的次縊痕都是NORs。5、隨體（satellite） 指位于染色體末端的球形染色體節(jié)段，通過次縊痕區(qū)與染色體主體部分相連。位于染色體末端的隨體稱為端隨體，位于兩個(gè)次縊痕中間的稱中間隨體。6、端

58、粒（telomere） 染色體端部的特化部分，作用是維持染色體的完整性和個(gè)體性（用X射線將染色體打斷，不具端粒的染色體末端有粘性，會(huì)與其它片段相連或兩端相連而成環(huán)狀）。端粒由高度重復(fù)的短序列串聯(lián)而成，在進(jìn)化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似，哺乳類的序列為GGGTTA，500-3000次重復(fù)。 二、染色體DNA的三種功能元件 為確保染色體的復(fù)制和穩(wěn)定遺傳，染色體具有3個(gè)基本元素，即：自主復(fù)制序列(autonomously replicating DNA sequence, ARS)、著絲粒序列(centromere DNA sequence,CEN) 和端粒序列(telomere DNA

59、sequence,TEL) 。1、自主復(fù)制序列( ARS) 是DNA復(fù)制的起點(diǎn)，酵母基因組含200-400個(gè)ARS，大多數(shù)具有一個(gè)11-14 bp，富含AT的共有序列（ARS consensus sequence, ACS）。含有這一序列的質(zhì)粒能高效轉(zhuǎn)化宿主細(xì)胞，并能在細(xì)胞中獨(dú)立于宿主染色體存在。2、著絲粒序列(CEN) 不同來源的CEN的共同特點(diǎn)是具有兩個(gè)彼此相鄰的核心區(qū)，一個(gè)是80-90 bp的AT區(qū)，另一個(gè)是11 bp的保守區(qū)。CEN由大量串聯(lián)的重復(fù)序列組成，如衛(wèi)星DNA，其功能是參與形成著絲粒，使細(xì)胞分裂中染色體能夠準(zhǔn)確地分離.3、端粒序列(TEL) 不同生物的端粒序列都很相似，由長(zhǎng)5

60、-10 bp的重復(fù)單位串聯(lián)而成，人的重復(fù)序列為GGGTTA。真核細(xì)胞染色體端粒的重復(fù)序列不是染色體DNA復(fù)制時(shí)連續(xù)合成的，而是由端粒酶（telomerase）合成后添加到染色體末端。端粒酶是一種核糖核蛋白復(fù)合物，具有逆轉(zhuǎn)錄酶的性質(zhì)，以物種專一的內(nèi)在RNA為模板，把合成的DNA添加到染色體的3端。 端粒起到細(xì)胞分裂計(jì)時(shí)器的作用，端粒核苷酸復(fù)制和基因DNA不同，每復(fù)制一次減少50-100 bp，正常體細(xì)胞染色體缺乏端粒酶活性，故隨細(xì)胞分裂而變短，細(xì)胞隨之衰老。人的生殖細(xì)胞和部分干細(xì)胞染色體具有端粒酶活性，所以人的生殖細(xì)胞染色體末端比體細(xì)胞染色體末端長(zhǎng)幾千個(gè)bp。腫瘤細(xì)胞和永生細(xì)胞系具有端粒酶的活性