07-2-染色质与染色体在线视频

大家好

这一章我们来重点学习一下

染色质与染色体的结构

如果说细胞核

是细胞遗传与代谢的中心

那么这个中心的最重要成份便是染色质

细胞的成长、分裂

甚至衰老与死亡都是受基因调控的

而与基因组直接相关的细胞活动

都是在染色质水平进行的

染色质是细胞核中能被碱性染料

强烈着色的物质

在间期细胞核内

染色质由DNA 组蛋白 非组蛋白

以及少量的RNA组成线性复合结构

其中组蛋白与DNA的含量接近于1比1

是染色质的稳定成分

非组蛋白与RNA的含量

则随细胞生理状态不同而变化

除了有一部分病毒的遗传物质

是RNA以外

凡是具有细胞形态的生物

其遗传物质都是染色质

在真核细胞中

每条未复制的染色体

包含一条纵向贯穿的DNA分子

某一生物的细胞中

储存于单倍染色体组中的所有遗传信息

就称为该生物的基因组

不同生物基因组大小可以差别很大

人的基因组DNA大约有

3.2乘以10的9次方个碱基对

人的基因组可以大致分为两大部分

编码序列和非编码序列

编码序列在基因组中

仅占不到基因组的2%左右

这类编码序列主要是非重复序列

一般来说 一个基因在基因组中

只有一个拷贝

然而 少数基因也可能有两个、多个

甚至多达上千个拷贝

例如核糖体rRNA的基因、tRNA基因等等

这些称为重复基因

而费编码序列又分为两大部分

重复序列和非重复序列

其中重复序列根据DNA重复的方式不同

分为串联重复和散带重复

串联重复序列又称为卫星DNA

卫星DNA分布串联重复核心片段的大小

分为卫星、小卫星和微卫星

最典型的卫星DNA

包括着丝粒附近的α卫星

而小卫星和微卫星由于重复序列的拷贝数

在不同个体之间呈现高度的多态性

因此常用作DNA指纹技术

作个体鉴定

或作为重要的遗传标记

用于构建遗传图谱

与DNA结合的蛋白质主要分为

组蛋白和非组蛋白

组蛋白是构成真核生物染色体的

基本结构蛋白

富含带有正电荷的氢氨酸和赖氨酸

有利于和带负电的DNA的

磷酸核糖骨架紧密结合

一般来说DNA和组蛋白的结合

没有序列特异性

组蛋白对维持染色质和染色体结构稳定

DNA的折叠盘曲和进一步的包装

以及DNA的复制和转录调控

均起到关键的作用

其中几乎所有真核细胞

都含有H2A、H2B、H3、H4

和H1五种组蛋白

其中前四种参与组成核小体

而H1组蛋白则连接核小体

非组蛋白则种类和功能则更加多样

非组蛋白与DNA的特殊序列结合

或者与组蛋白相结合

利用凝胶延滞实验

可以检测DNA与非组蛋白的结合

首先放射性标记的已知特异序列的DNA

与将要检测的细胞抽提物混合

进行凝胶电泳

没有结合蛋白的自由DNA

在凝胶上迁移最快

而与蛋白质结合的DNA迁移则较慢

然后通过放射自显影

即可发现这些不同的DNA带谱

每条带分别代表不同的DNA

和蛋白质复合物

然后再通过特异性的抗体

检测这些与DNA结合的蛋白

在不同的基因组之间

非组蛋白与DNA结合的序列

往往具有高度的保守性

这些蛋白质与DNA的结合

往往都有一个共同特征

就是形成蛋白质二聚体

在于DNA的特殊序列相结合

非组蛋白根据它们与DNA结合的

结构域特征

可以分为不同的蛋白质家族

例如α螺旋 转角 α螺旋蛋白

锌指蛋白

亮氨酸拉链蛋白等等

这些蛋白质都是以二聚体的形式起作用

染色质DNA的一级结构

是指4种DNA的排列顺序

而二级结构是指两条多核苷酸链

反向平行盘绕所生成的双螺旋结构

包括B型DNA、A型DNA

和Z型DNA

其中 Z型DNA以左手螺旋

而其他两种都是右手双螺旋

B型DNA是最经典的Watson-Crick结构

二级结构相对稳定

水溶液和细胞内天然DNA

大多数为B型DNA

DNA双螺旋能进一步扭曲盘绕

形成正、负超螺旋

DNA的结构变化在DNA的复制、修复

重组与转录中具有重要的生物学意义

用温和的方法裂解细胞核

将染色质铺在电镜铜网上

通过电镜观察

未经处理的染色质自然结构

形同约30nm的纤丝

经盐溶液处理后解聚的染色质

呈现一系列核小体彼此连接的

串珠状结构

串珠的直径约为10nm

利用非特异性核酸酶消化染色质时

在经过琼脂糖凝胶电泳

分析发现绝大多数DNA被降解成

大约200个碱基左右的片段

如果用同样的方法处理裸露的DNA

则产生随机大小的片段群体

从而提示染色体DNA

除了某些周期性的位点之外

均受到某种结构的保护

避免酶的消化

进一步应用X射线衍射、中子散射

和电镜三维重建技术研究发现

染色质结晶颗粒的基本结构

为直径11个nm

高约6个nm的扁圆柱体颗粒

具有二分对称性

用SV40病毒感染细胞

病毒的DNA进入细胞后

与宿主的组蛋白结合

形成串珠状微小染色体

用电镜观察SV40 DNA为环状

周长大约为1500nm

约为5000个碱基对左右

如果200个碱基相当于一个核小体

则可以形成25个核小体

实际电镜我们观察到23个核小体

与我们的推断基本一致

如果用盐酸将SV40溶解

可以在电镜下直接看到组蛋白的聚合体

如果除去组蛋白

DNA则完全伸展

长度恰好为5kb

进一步揭示核小体

为染色质的基本结构单元

每个核小体单位包括200bp左右的

DNA超螺旋

和一个组蛋白八聚体的核心

以及一个分子的H1组蛋白

两个H2A H2B和两个H3 H4

构成组蛋白八聚体的核心

大约146bp的DNA分子超螺旋

盘旋于组蛋白八聚体之外

组蛋白H1在核心颗粒外

结合额外的20个bp左右的DNA

锁住核小体DNA的进出端

起到稳定核小体的作用

两个相邻核小体之间的连接DNA

大约为60bp

组蛋白H1的结合伴随着核小体的折叠

6个核小体组成一个螺旋

形成直径约30nm的螺线管结构

称为染色质纤维

螺线管进一步螺旋化形成直径

大约为0.4微米的圆筒状结构

称为超螺线管

超螺线管进一步折叠

形成长约2到10微米的染色单体

至此为止 染色体总共压缩了大约8000多倍

另外一种放射环结构模型则认为

30纳米的染色质纤维折叠成环

沿染色体纵轴

由中央向四周伸出

构成放射环

每18个复制环呈放射状平面排列

结合在核基质上形成微带

微带是染色体的高级结构的单位

大约10个微带沿纵轴构建成子染色体

实验证实中期染色体在除去组蛋白

和大部分非组蛋白后

在电镜下可以观察到由非组蛋白

构成的染色体骨架

和由骨架伸出的无数的DNA侧环

染色质在细胞进入有丝分裂时

进一步压缩形成典型的中期染色体形态

典型的中期染色体包含两个染色单体

由着丝粒连接

着丝粒浅染內溢形成主溢痕

包含三个结构域

其中动粒结构域与着丝粒DNA相连

中央结构域主要由α卫星DNA组成

还有配对结构域为姐妹染色单体

相互作用的位点

除了主溢痕

中期染色体上还可见到次溢痕

次溢痕是核仁组织区所在的部位

另外 染色体两端特化为端粒结构

含有串联重复的端粒DNA

和端粒结合蛋白

维持染色体的结构稳定

并且参与染色体的末端复制

每条染色体上至少包含一个

自主复制的DNA序列

着丝粒DNA序列和端粒DNA序列

以确保在细胞分裂时期

染色体的复制、稳定和分配

在有丝分裂中期

细胞内全套染色体的数目

大小和形态特征称为核型

结合染色体显带技术对中期染色体

进行形态分析、测量、分组和配对

则称为核型分析

核型分析可以用于检测染色体的异常

甚至染色体上的微小片段的异常

用碱性染料对染色质进行染色时

染色质往往呈现出着色深浅不一的区域

分别代表着压缩程度高的异染色质

和压缩程度低的常染色质

一般来说异染色质

由高度重复的DNA序列组成

例如端粒、着丝粒等等

而常染色质由单一序列组成

往往伴随着基因的活跃转录

常染色质和异染色质之间

可以随着发育的不同阶段

或者细胞周期的变化而相互转换

这个并不是一成不变的

伴随着组蛋白和DNA的化学修饰

这些修饰包括组蛋白的磷酸化、乙酰化

泛素化等等

还有DNA的甲基化

它们影响DNA与组蛋白的结

并进而影响基因的表达

这种不改变DNA的序列

而是通过对组蛋白和DNA的修饰

产生可遗传的变化称为表观遗传

是后基因组时代和现代遗传学领域的

一个重要研究热点

下面一个章节

我们会继续给同学们介绍

细胞图中最后一个明显可见的结构

核仁