第二节染色体 1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。 1888年，Naldeyer正式定名为Chromosome。 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。 后来的研究证明染色质和染色体是同一物质在不同细胞周期中的形态表现。 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。 可见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，DNA的序列可分为3种类型，即：单一序列、中度重复序列 (101-5)和高度重复序列(>105)。DNA的二级结构存在3种主要类型，即：B-DNA、Z DNA、A-DNA(图12-9)。 A-DNA Z-DNA B-DNA 图12-9三种不同构象的DNA双螺旋 染色体具有3个基本元素（图12-10）：①自主复制序列(autonomously replicating DNA sequence,ARS),是DNA复制的起点，酵母基因组含200-400个ARS,大多数具有一个 11bp富含AT的一致序列(ARS consensus sequence,ACS);②着丝粒序列(centromere DNA sequence,CEN),由大量串联的重复序列组成，如a卫星DNA,其功能是参与形成着丝
第二节 染色体 1848 年，Hofmeister 从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。 1888 年，Waldeyer 正式定名为 Chromosome。 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。 后来的研究证明染色质和染色体是同一物质在不同细胞周期中的形态表现。 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。 可见 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，DNA 的序列可分为 3 种类型，即：单一序列、中度重复序列 （101-5）和高度重复序列（>105）。DNA 的二级结构存在 3 种主要类型，即：B-DNA、ZDNA、A-DNA（图 12-9）。 图 12-9 三种不同构象的 DNA 双螺旋 染色体具有 3 个基本元素（图 12-10）：①自主复制序列(autonomously replicating DNA sequence, ARS)，是 DNA 复制的起点，酵母基因组含 200-400 个 ARS，大多数具有一个 11bp 富含 AT 的一致序列（ARS consensus sequence, ACS）；②着丝粒序列(centromere DNA sequence,CEN) ，由大量串联的重复序列组成，如 α 卫星 DNA，其功能是参与形成着丝
粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离；③端粒序列(telomere DNA sequence,TEL),不同 生物的端粒序列都很相似，由长5-10bp的重复单位串联而成，人的重复序列为TTAGGG。 G G telomere sequence replication origin sequence centromere sequenco replication kinetochore daughter chromosomes bubble in separate colls 图12-10染色体的三种基本序列 1983年，AW.Murray等人首次成功构建了包括ARS、CEN、TEL和外源DNA,总长 度为55kb的酵母人工染色体(yeast artificial chromosome,YAC)。YAC可用于转基因和构建 基因文库，容纳插入片段的能力远高于质粒。 (二)组蛋白 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H2A、H2B、H3、H4四种；另一类是 可变的连接组蛋白((linker histone)即Hi。 核心组蛋白的结构是非常保守，特别是H4,牛和豌豆H4的102个氨基酸中仅有2个不 同，而进化上两者分岐的年代约3亿年历史。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
粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离；③端粒序列(telomere DNA sequence,TEL) ，不同 生物的端粒序列都很相似，由长 5-10bp 的重复单位串联而成，人的重复序列为 TTAGGG。 图 12-10 染色体的三种基本序列 1983 年，A. W. Murray 等人首次成功构建了包括 ARS、CEN、TEL 和外源 DNA，总长 度为 55kb 的酵母人工染色体(yeast artificial chromosome, YAC)。YAC 可用于转基因和构建 基因文库，容纳插入片段的能力远高于质粒。 （二）组蛋白 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 H2A、H2B、H3、H4四种；另一类是 可变的连接组蛋白（linker histone）即 H1。 核心组蛋白的结构是非常保守，特别是 H4，牛和豌豆 H4的 102 个氨基酸中仅有 2 个不 同，而进化上两者分岐的年代约 3 亿年历史。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
四种核心组蛋白均由球形部和尾部构成，球形部借精氨酸残基与磷酸二脂骨架间的静电作 用使DNA分子缠绕在组蛋白核心周围，形成核小体。尾部则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,不仅具有属特异性，而且还有组织特异性，所以H1是多样性的。 (三)非组蛋白 与组蛋白不同，非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，所以又称序列特异 性DNA结合蛋白，非组蛋白的特性是：①含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸 性蛋白质；②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；③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 籍氢键和离子键。 非组蛋白的功能是：①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；②协助启动DNA复制；③控制基因转录，调节基因表达。 二、从DNA—到染色体 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。因此，不难想象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，这种压缩的最初级结构就是核小 体。 用非特异性核酸酶（如微球菌核酸酶）处理染色质，大多数情况下可得到大约200p的 片段，但处理裸露的DNA分子会得到随机降解的片段。以这个实验为基础，R.Kornberg建 立了核小体模型。 核小体是一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，可描述如下（图12 11):①每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1;②由H2A、 H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；③DNA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H1锁合；④相邻核心颗粒之间为一段60bp 的连接线DNA
四种核心组蛋白均由球形部和尾部构成，球形部借精氨酸残基与磷酸二脂骨架间的静电作 用使 DNA 分子缠绕在组蛋白核心周围，形成核小体。尾部则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。 H1不仅具有属特异性，而且还有组织特异性，所以 H1是多样性的。 （三）非组蛋白 与组蛋白不同，非组蛋白是染色体上与特异 DNA 序列结合的蛋白质，所以又称序列特异 性 DNA 结合蛋白，非组蛋白的特性是：①含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸 性蛋白质；②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；③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 籍氢键和离子键。 非组蛋白的功能是：①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；②协助启动 DNA 复制；③控制基因转录，调节基因表达。 二、从 DNA——到染色体 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。因此，不难想象 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，这种压缩的最初级结构就是核小 体。 用非特异性核酸酶（如微球菌核酸酶）处理染色质，大多数情况下可得到大约 200bp 的 片段，但处理裸露的 DNA 分子会得到随机降解的片段。以这个实验为基础，R. Kornberg 建 立了核小体模型。 核小体是一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线 DNA 两部分组成，可描述如下（图 12- 11）：①每个核小体单位包括约 200bp 的 DNA、一个组蛋白核心和一个 H1；②由 H2A、 H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；③DNA 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 H1锁合；④相邻核心颗粒之间为一段 60bp 的连接线 DNA
wu 0c Octameric histone core 10 nm DNA H1 histone Nucleosome 图12-11核小体和螺线管的结构 通过核小体，DNA长度压缩了7倍，形成直径为11nm的纤维（图12-12）。但是染色质不 以这种状态存在，在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30m的纤维，这种纤维的形 成有两种解释：①由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，构成外径30m的中空管（图 12-12),长度压缩6倍；②由核小体纤维Z字形折叠而成，长度压缩40倍。30m纤维的形 成与核小体之间蛋白质的相互作用有关，连接组蛋白H和核心组蛋白尾部均参与这种相互作 用，去除组蛋白H的染色质中，30m纤维解体为更细的纤维。 (A) (B) 50 nm
图 12-11 核小体和螺线管的结构 通过核小体，DNA 长度压缩了 7 倍，形成直径为 11nm 的纤维(图 12-12)。但是染色质不 以这种状态存在，在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径 30nm 的纤维，这种纤维的形 成有两种解释：①由核小体螺旋化形成，每 6 个核小体绕一圈，构成外径 30nm 的中空管（图 12-12），长度压缩 6 倍；②由核小体纤维 Z 字形折叠而成，长度压缩 40 倍。30nm 纤维的形 成与核小体之间蛋白质的相互作用有关，连接组蛋白 H1和核心组蛋白尾部均参与这种相互作 用，去除组蛋白 H1的染色质中，30nm 纤维解体为更细的纤维
图12-1230nm和11nm染色质纤维 对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为30m的纤维折叠为一系列的环 (Io0p)结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域（图12-13），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
图 12-12 30nm 和 11nm 染色质纤维 对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为 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（图 12-13），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