Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,(4.210,6,bp,2350,个基因,),酵母菌,(1.310,7,bp,6100,个基因,),国蝇,(1.410,8,bp,8750,个基因,),人,(310,9,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,（,10,1-5,），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,（,10,5,），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,H,2,A,、,H,2,B,、,H,3,、,H,4,四种；另一类是可变的连接组蛋白（,linker,histone,）即,H,1,。,核心组蛋白的结构是非常保守，特别是,H,4,，,牛和豌豆,H,4,的,10,2,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。,H,1,不仅具有属特异性，而且还有组织特异性，所以,H,1,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,含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质；,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；,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；具有多样性和异质性；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,a,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,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。,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。,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。,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,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。,HMG,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,每个核小体单位包括约,200bp,的,DNA,、,一个组蛋白核心和一个,H,1,。,由,H,2,A,、,H,2,B,、,H,3,、,H,4,各两分子形成八聚体，构成盘状核心颗粒；,H,3,、,H,4,形成,4,聚体，位于颗粒中央；,H,2,A,、,H,2,B,二聚体分别位于两侧。,DNA,分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈,80bp,，,共,1.75,圈，约,146bp,，,两端被,H,1,锁合，,H,1,结合,20bp DNA.,相邻核心颗粒之间为一段,60bp,的连接线,DNA(linker DNA),典型长度,60bp,。,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,106,个微带沿着由,核基质,构成的轴心支架构建染色体。,18,个袢环呈放射环排列结合,在核基质上构建形成染色体,