原核生物和真核生物的染色体结构.doc

第二章 原核生物和真核生物的染色体结构 第一节：大肠杆菌的染色体 与大多数细菌一样，大肠杆菌的染色体DNA呈环状，长度大约是1 mm。大肠杆菌细胞长约2 μm，宽约0.5～1μm。游离的大肠杆菌染色体DNA将形成无规则的螺旋，其体积大约是细菌细胞的1000倍。细菌染色体DNA必须经过高度压缩才能适应细胞的体积。 细菌的染色体DNA聚集在一起，在细菌细胞内形成一个较为致密的区域(compact structure)，称为类核（nucleoid）。 细菌的染色体DNA形成50－100个环(loops)，每个环的长度是50～100 Kb。环的两端以某种方式固定在蛋白质核心上(scaffold)，因此每一个环在拓扑学上是一个独立的结构域(domains )。 第二节：真核生物的染色体和染色质 真核生物的基因组DNA被包装成具有一定形态结构的染色体。每一个染色体具有一条巨大的线性DNA分子。在真核生物的染色体中，DNA与被称为组蛋白的碱性结合蛋白相结合。由DNA和组蛋白构成的复合体称为染色质（chromatin）。 一、组蛋白 真核细胞中含有5种组蛋白（histones）－H1，H2A，H2B，H3和H4。组蛋白的氨基酸组成十分特殊，富含带正电的氨基酸，赖氨酸（lysine）和精氨酸（arginine）。各种组蛋白中有超过20％的氨基酸残基是赖氨酸和精氨酸。H2A，H2B，H3和H4是相对较小的蛋白质，分子量一般为11～15 KDa，组蛋白H1的分子量约为20 KDa。 组蛋白带正电，它们能够与DNA分子上带负电的磷酸基团通过静电引力(electrostatic attraction)结合在一起。这种静电引力显然是稳定染色质最主要的因素。 把不同来源的组蛋白混合在一起通常能够实现染色质的重建。因为，除了H1，来自不同有机体的组蛋白都十分相似。 二、核小体 把染色体分离出来，并使其逐渐解压缩，然后在电子显微镜下观察处于不同压缩状态的染色体，发现染色质的基本结构是一种11 nm粗的纤维，就像一根细线上串联着许多有一定间隔的小珠状结构。染色体就是由这种串珠状结构多层次压缩而成的。 电镜下的小珠状颗粒称为核小体。每个核小体包括200 bp DNA，缠绕在一个由H2A，H2B，H3和H4各两分子组成的八聚体上。核小体DNA根据其对微球菌核酸酶的敏感性被分为核心DNA和连接DNA。微球菌核酸酶能迅速地剪切无蛋白质保护的DNA序列，而对结合有蛋白质的DNA序列的剪切效率很差。核心DNA的长度为146 bp，在组蛋白八聚体上以左手方式缠绕1.65圈，形成核小体核心颗粒（nucleosome core particle）。连接相邻核小体核心的DNA称为连接DNA（linker DNA）。不同物种的核心DNA的长度相同，但连接DNA的长度是可变的，从15～55 bp不等。组蛋白H1分别与核小体一端的连接DNA以及核心DNA的中部结合，使DNA更紧密地盘绕在组蛋白核心上。一个核小体包括一个核心颗粒、连接DNA和一分子的组蛋白H1。 巨大的细胞核DNA分子要包装成染色体需经多层次的结构变化才能实现。核小体结构可视为染色体DNA的一级包装，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，200 bp DNA(一个核小体的DNA片段)的伸展长度为68nm，形成核小体后仅为11nm(核小体直径)，其长度压缩了6-7倍。 三、从核小体到中期染色体 若增大离子强度，并保留H1，通过电镜可观察到11 nm纤维会折叠成30 nm纤维，这种结构代表了DNA压缩的第二个层次。目前较公认的二级包装结构模型是螺线管纤维(solenoidal fiber)。它是由核小体纤维盘绕形成的一种中空螺线管,其外径为30nm。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。 因此，DNA包装为核小体和30 nm纤维共同导致DNA的线性长度压缩了40倍。 30 nm纤维需要进一步的折叠才能成为染色体，但是折叠的细节尚不清楚。一般认为30 nm纤维形成40～90 Kb的环，环的基部与柔韧的染色体骨架相连，形成伸展的间期染色体。染色体骨架螺旋化，并进一步压缩成中期染色体。目前已经发现有两类蛋白质参与核骨架的形成。一类是拓扑异构酶II，它可能参与基部相连的环状DNA的形成。SMC是另一类核骨架中含量丰富的组成成分，SMC蛋白是染色体复制后进行压缩和姊妹染色单体联会机制的关键组成成分。 四、真核生物染色体结构 在真核生物的染色体上有几个重要的DNA元件，它们不是基因，也不参与基因表达的调控。这些元件分别是指导染色体DNA复制起始的复制起始位点、细胞分裂时引导染色体进入子代细胞的着丝粒及负责保护和复制