从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体课件

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(4.2106 bp, 2350个基因) 酵母菌(1.3107 bp, 6100个基因) 国蝇(1.4108 bp, 8750个基因) 人(3109 bp, 约有1米长，含34万个基因) 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（101-5），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（ 105），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。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。 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。 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H1。 由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成盘状核 心颗粒； H3、H4形成4聚体，位于颗粒中央； H2A、H2B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H1锁合， H1 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