1、分子遗传学第三章第三章 染色质染色质第三章第三章 染色质染色质u 染色体与染色质染色体与染色质u 常染色质与异染色质常染色质与异染色质u 染色体单线性染色体单线性u 染色质的分子组成染色质的分子组成u 核小体的结构核小体的结构u 常染色质基因表达的分子基础常染色质基因表达的分子基础u 异染色质形成的分子机制异染色质形成的分子机制u 染色质的非组蛋白框架染色质的非组蛋白框架u 微生物的类染色质微生物的类染色质u 染色质的复制与转录染色质的复制与转录u 染色体端粒染色体端粒3.1 3.1 染色体与染色质染色体与染色质-遗传物质的遗传物质的两种形式两种形式u 染色体与染色质染色体与染色质是在细胞周期
2、的不同时期中存在的统一是在细胞周期的不同时期中存在的统一物质的两种形式。在细胞间期以伸展状态的染色质形态存在，物质的两种形式。在细胞间期以伸展状态的染色质形态存在，染色质纤维的直径染色质纤维的直径1030nm；在细胞中期折叠压缩称为短；在细胞中期折叠压缩称为短粗的染色体形态，直径可达到粗的染色体形态，直径可达到1m。所以我们在细胞周期只。所以我们在细胞周期只能看到染色质，在中期则只能看到染色体。能看到染色质，在中期则只能看到染色体。染色质染色质 染色体染色体（间期）（间期） （中期）（中期）浓缩浓缩去浓缩去浓缩（线性，网络结构）（线性，网络结构） （条状，棒状，显微镜下可见）（条状，棒状，显微
3、镜下可见）染色质（染色质（ChromatinChromatin） 染色质是染色质是间期间期细胞核内伸展开的细胞核内伸展开的DNA-蛋白质蛋白质纤维，由核小体为基本单位构成的。纤维，由核小体为基本单位构成的。H1多个核小体多个核小体染色体染色体 （ChromosomeChromosome） 染色体是染色体是细胞分裂细胞分裂期由染色期由染色质高度凝质高度凝集而形成集而形成的一种棒的一种棒状结构。状结构。DNA核小体核小体螺线管结构螺线管结构超螺旋管超螺旋管染色单体染色单体压缩至压缩至1/7压缩至压缩至1/6压缩至压缩至1/40压缩至压缩至1/5DNA绕组蛋白绕组蛋白6个核小体围成一圈螺旋个核小体围
4、成一圈螺旋螺线管进一步螺旋化螺线管进一步螺旋化超螺旋管进一步盘绕和压缩超螺旋管进一步盘绕和压缩76 640405=84005=8400染色染色体体DNA核小体核小体纤维环梅花结盘染色体 染色体数目是生物物种的特征性标志之一染色体数目是生物物种的特征性标志之一染色体上不同的区域Euchromatin: 常染色质；常染色质；Heterochromatin: 异染色质异染色质E-H或或H-E称为染色质重塑称为染色质重塑(Chromatin Remodeling)分子机理：分子机理：DNA甲基化，甲基化，组蛋白修饰，染色质重塑复组蛋白修饰，染色质重塑复合物的协同作用。合物的协同作用。3.2 3.2 常
5、染色质与异染色质常染色质与异染色质-染色体染色体的两种功能状态的两种功能状态染色体染色体常染色质：常染色质：易与易与DNA结合因子接近，基因组的转结合因子接近，基因组的转录活性部分。录活性部分。异染色质：不异染色质：不易与易与DNA结合因子接近，转录沉默结合因子接近，转录沉默部分。部分。染色质及高级组织形式的染色体结构在真核染色质及高级组织形式的染色体结构在真核DNA生物学各方生物学各方面，从基因表达到染色体行为都起着重要作用。染色质的调面，从基因表达到染色体行为都起着重要作用。染色质的调控是控是局部作用（基因）与整体作用（染色质）局部作用（基因）与整体作用（染色质）相伴进行。这相伴进行。这两
6、方面都是以核小体为作用单位。两方面都是以核小体为作用单位。常染色质与异染色质常染色质与异染色质1. 常染色质：常染色质：基因表达基因表达 活跃的区域，染色体结活跃的区域，染色体结 构较为疏松构较为疏松 2. 异染色质：异染色质：基因表达基因表达 沉默的区域，染色体结沉默的区域，染色体结 构致密构致密常染色质异染色质核小体核小体l 在细胞核中，在细胞核中，DNA与组蛋白组装核小体，与组蛋白组装核小体，DNA围围绕组蛋白八聚体（绕组蛋白八聚体（1*3/4）。）。组蛋白的氨基末端含组蛋白的氨基末端含有多样的翻译后修饰，其中最显著的是有多样的翻译后修饰，其中最显著的是H3和和H4的的赖氨酸（赖氨酸（K
7、）的高度保守的氨基末端的乙酰化与）的高度保守的氨基末端的乙酰化与甲基化。乙酰化增强总是伴随转录活性的加大，甲基化。乙酰化增强总是伴随转录活性的加大，反之转录活性抑制。反之转录活性抑制。l 真核细胞的真核细胞的DNA形成不同的结构域，常染色质与形成不同的结构域，常染色质与异染色质，以便进行基因表达和染色体行为的调异染色质，以便进行基因表达和染色体行为的调控。控。l 后成遗传的异染色质构成了染色体的大部分区域后成遗传的异染色质构成了染色体的大部分区域，并为染色体的分离行为所必需。，并为染色体的分离行为所必需。l 染色质高级结构的调节直接伴随着基因表达的调染色质高级结构的调节直接伴随着基因表达的调控
8、及真核生物遗传信息的完整性，而且可能是基控及真核生物遗传信息的完整性，而且可能是基因、染色体、基因组和生物体的起源于与进化的因、染色体、基因组和生物体的起源于与进化的主要力量。主要力量。染色体单线性染色体单线性u 每条染色单体自始至终仅含一条连续的每条染色单体自始至终仅含一条连续的DNA双螺双螺旋链，这种现象称为染色体的单线性。旋链，这种现象称为染色体的单线性。u 如：蝾螈灯刷染色体中每条染色单体的主体是一如：蝾螈灯刷染色体中每条染色单体的主体是一条联系不断的条联系不断的DNA双螺旋链。双螺旋链。u 两栖类卵母细胞第一次减数分裂的双线期，两条两栖类卵母细胞第一次减数分裂的双线期，两条同源染色体
9、配对，而每条染色体已经分裂为两条染同源染色体配对，而每条染色体已经分裂为两条染色单体。两条姐妹染色单体沿纵长压缩折叠为成串色单体。两条姐妹染色单体沿纵长压缩折叠为成串的珠状结构称为染色粒，每颗染色粒实际上能分解的珠状结构称为染色粒，每颗染色粒实际上能分解为两个并排的染色小点，姐妹染色粒。它们各向两为两个并排的染色小点，姐妹染色粒。它们各向两侧伸出两个外观相同的侧环。侧伸出两个外观相同的侧环。每条染色体中的全部每条染色体中的全部DNA含量实际上是含量实际上是一个一个DNA分子的相对的分子量。分子的相对的分子量。染色质的分子组成染色质的分子组成染色质：染色质：是细胞间期核内伸展开的是细胞间期核内伸
10、展开的DNA蛋白质纤维。蛋白质纤维。基本单位：核小体。基本单位：核小体。 NDA：组蛋白：非组蛋白：组蛋白：非组蛋白：RNA=100:114:33:7染色质染色质DNA，RNA蛋白质蛋白质组蛋白：组蛋白：H1、H2A、H2B、H3、H4非组蛋白非组蛋白染色质染色质染色体染色体螺旋化螺旋化（分裂间期）（分裂间期） （分裂期）（分裂期）DNA Packing1. 如何将如何将10,000公里长的蚕公里长的蚕 丝丝(半径半径10-5米米)装入一个篮装入一个篮 球中。球中。2. 蚕丝的体积：蚕丝的体积：3.14*10-3m33. 折叠、缠绕折叠、缠绕核小体的结构核心颗粒、连接区DNAH2A、H2B、H
11、3、H4各两分子组各两分子组成的八聚体和由大约成的八聚体和由大约200bp的的DNA组成。组成。而而H1位于核小体的外侧。（位于核小体的外侧。（1个）个）组蛋白与核小体组蛋白与核小体染色体的结构模型 贝克等贝克等(Bak, A. L., 1977)：染色体：染色体四级结构模型四级结构模型理论理论能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程 1. DNA+组蛋白组蛋白 核小体核小体+连接丝连接丝 2. 核小体核小体螺线体螺线体(solenoid) 3. 螺线体螺线体超螺线体超螺线体(super-solenoid) 4. 超螺线体超螺线体染色体染色体DNA+组蛋
12、白组蛋白核小体核小体+连接丝连接丝核小体核小体+连接丝连接丝螺线体螺线体(solenoid)螺线体螺线体超螺线体超螺线体(super-solenoid)超螺线体超螺线体染色体染色体DNA的组装的组装6.8:140:11000:18000:1DNA double helixNucleosome (10 nm fiber)30 nm FiberLoops ILoops IIchromosome7:142:11680:18400:1染色体形成过程中长度与宽度的变化染色体形成过程中长度与宽度的变化B-DNA与与Z-DNAZ-DNA的发现：的发现： 1972年年Pohl et al。 发现发现poly(
13、dG-dC）在高盐下旋光性）在高盐下旋光性发生改变；发生改变； 1979年年 Wang A.H-J（王惠君），（王惠君），A.Rich对对d(CGCGCG）单晶作单晶作X衍射分析提出衍射分析提出Z-DNA模型。模型。Z-DNA的结构特点：的结构特点：l 糖磷骨架呈糖磷骨架呈“之之”字形走向。字形走向。 左旋左旋DNA。螺距延长螺距延长(4.5nm左右左右)，直径变小，直径变小(1.8nm)， 每个螺旋含每个螺旋含12个碱基对，个碱基对，比比A-DNA拧得更紧。拧得更紧。l G的糖苷键呈顺式，使的糖苷键呈顺式，使G残基位于分子表面。残基位于分子表面。l 分子外形呈波形。分子外形呈波形。l 大沟消
14、失，小沟窄而深。大沟消失，小沟窄而深。l 每个螺旋有每个螺旋有12bp。ABZZ-DNA存在的条件：存在的条件：l 高盐：高盐：NaCl2Mol/L, MgCl20.7Mol/L l Pu, Py相间排列相间排列l 在活细胞中如果在活细胞中如果m5C，则无需嘌呤，则无需嘌呤-嘧啶相间排列，嘧啶相间排列，在生理盐水的浓度下可产生在生理盐水的浓度下可产生Z型型l 在体内多胺化合物，如精胺和亚胺及亚精胺和阳离在体内多胺化合物，如精胺和亚胺及亚精胺和阳离子一样，可和磷酸基团结合，使子一样，可和磷酸基团结合，使B-DNA转变成转变成Z-DNAl 某些蛋白质如某些蛋白质如Z-DNA结合蛋白质带有正电荷，可
15、使结合蛋白质带有正电荷，可使DNA周围形成局部的高盐浓度和微环境。周围形成局部的高盐浓度和微环境。l 负超螺旋的存在。负超螺旋的存在。各种类型各种类型DNA的主要参数的主要参数Z-DNA的发现：的发现：l 与染色质结构的关系与染色质结构的关系 SV40病毒病毒DNA能在宿主细胞内形成能在宿主细胞内形成微小染色体微小染色体，具有典型的核小体结构。处于转录。具有典型的核小体结构。处于转录。活性状态的染活性状态的染色质，其核小体构型发生变化并对色质，其核小体构型发生变化并对DNaseI敏感敏感利利用抗用抗Z-DNA的抗体对的抗体对SV40微小染色体的研究表明，微小染色体的研究表明，有些敏感位点正处于
16、有些敏感位点正处于Z-DNA区段的两端，亦即区段的两端，亦即B-DNA与与Z-DNA两种构想的交接处，而且两种构想的交接处，而且SV40基因基因组中组中3个潜在的个潜在的Z-DNA区段正处于不能形成核小体区段正处于不能形成核小体的区段，的区段，说明说明Z-DNA构象与核小体结构的形成可能构象与核小体结构的形成可能有关。有关。Z-DNA的发现：的发现：l 与基因活性的关系与基因活性的关系 SV40病毒病毒DNA与与Z-DNA抗体结合的三个位点恰好在增抗体结合的三个位点恰好在增强子的区域或边缘，细胞学的观察也证明强子的区域或边缘，细胞学的观察也证明Z-DNA构象与基构象与基因转录活性的调控有关。因
17、转录活性的调控有关。 原生动物棘尾虫处于转录状态的大核内的染色质能与原生动物棘尾虫处于转录状态的大核内的染色质能与Z-DNA抗体起明显的反应，而处于静止状态的小核则不能与抗体起明显的反应，而处于静止状态的小核则不能与Z-DNA抗体反应、抗体反应、 认为，在一定的基因控制区，存在一类可能形成认为，在一定的基因控制区，存在一类可能形成Z-DNA构构象的序列，当与象的序列，当与Z-DNA结合蛋白相结合，或有关碱基受到结合蛋白相结合，或有关碱基受到修饰（如甲基化），或修饰（如甲基化），或DNA负超螺旋结构发生等情况下，负超螺旋结构发生等情况下，该类序列就会由该类序列就会由B-DNA转变成转变成Z-DN
18、A构象，于是相关区域构象，于是相关区域的染色质结构发生改变，使有关基因处于活跃的转录状态。的染色质结构发生改变，使有关基因处于活跃的转录状态。染色质染色质RNAu 染色质含有染色质含有RNA是无疑的，约占是无疑的，约占DNA的的3%，但，但是否是染色质的固有成分，还是转录或分离过程中是否是染色质的固有成分，还是转录或分离过程中RNA的污染？的污染？u Huang和和Bonner（1965）在豌豆芽染色质中发）在豌豆芽染色质中发现有与组蛋白相复合的现有与组蛋白相复合的RNA，称为染色体，称为染色体RNA。其后，在鼠肝、鸡胚及小妞胸腺的染色质中均有发其后，在鼠肝、鸡胚及小妞胸腺的染色质中均有发现。
19、这种现。这种RNA与与rRNA及及tRNA不同，其主链长不同，其主链长40-60bp，沉降系数为，沉降系数为3.2S。二氢嘧啶的含量高达。二氢嘧啶的含量高达11.3%，而，而tRNA仅为仅为3.1%，rRNA则在则在1%以下。以下。这种这种RNA能与同源的能与同源的DNA高度杂交，且不与高度杂交，且不与tRNA及及rRNA竞争。说明这种竞争。说明这种RNA是独特的，有组织特是独特的，有组织特异性的。异性的。u Bonner(1968)推测这种染色质推测这种染色质RNA可能是等价可能是等价的与非组蛋白结合，然后通过非组蛋白以非共价的的与非组蛋白结合，然后通过非组蛋白以非共价的方式结合到组蛋白上，
20、起到调节基因表达的作用。方式结合到组蛋白上，起到调节基因表达的作用。u Huang等（等（1972）的染色质重建实验，证实了）的染色质重建实验，证实了染色质染色质RNA对基因的调控作用。对基因的调控作用。验证染色质验证染色质RNA的作用：的作用：u 用用10-4M的的Zn（NO3)2在在37下处理解离了的染色质下处理解离了的染色质20小时，结果发现重建后的染色质失去了它固有的转录活性。小时，结果发现重建后的染色质失去了它固有的转录活性。因为因为Zn（NO3)2能能在各种盐的条件，只水解在各种盐的条件，只水解RNA，对，对DNA和蛋白质无作用。从而说明了和蛋白质无作用。从而说明了RNA对染色质转
21、录特异性的对染色质转录特异性的作用。作用。u 用用RNase代替硝酸锌重复上述实验，也得到类似的结代替硝酸锌重复上述实验，也得到类似的结果。果。u 否认或怀疑染色质否认或怀疑染色质RNA的存在主要原因是中心法则规的存在主要原因是中心法则规定定RNA仅仅是一种遗传信息，因此就看不出染色质仅仅是一种遗传信息，因此就看不出染色质RNA的存在有什么必要。的存在有什么必要。近年来发现近年来发现RNA并不单纯是一种信使并不单纯是一种信使或模板，而且具有酶的活性。或模板，而且具有酶的活性。u Cech等（等（1982）报道，四膜虫的核糖体）报道，四膜虫的核糖体RNA前提具有自我催化的酶活性。这种前提具有自我
22、催化的酶活性。这种Per-rRNA在没在没有任何蛋白质及有任何蛋白质及ATP的情况下，能自我催化剪接、的情况下，能自我催化剪接、环化等反应，成为成熟的环化等反应，成为成熟的rRNA。 Cech等把这种等把这种RNA命名为命名为Ribozyme，以区别仅由蛋白质构成，以区别仅由蛋白质构成的酶（的酶（enzyme）。）。u 这种这种RNA类型的酶除上述的类型的酶除上述的Per-rRNA外，还外，还发现一些由蛋白质与发现一些由蛋白质与RNA复合构成的酶，如核糖复合构成的酶，如核糖核酸酶核酸酶P。能催化。能催化tRNA分子分子5端成熟。且单独端成熟。且单独RNA组分就能催化组分就能催化tRNA分子分子
23、5端成熟。端成熟。组蛋白的种类与特点组蛋白的种类与特点u 组蛋白是富含赖氨酸与精氨酸的碱性蛋白质，相组蛋白是富含赖氨酸与精氨酸的碱性蛋白质，相对分子量对分子量1000020000。u N端多为碱性氨基酸，带正电荷，与端多为碱性氨基酸，带正电荷，与DNA链的负链的负电荷结合。电荷结合。u C端与其他组蛋白、非组蛋白或端与其他组蛋白、非组蛋白或DNA的疏水区结的疏水区结合。合。组蛋白组蛋白H1u 组蛋白组蛋白H1的特点：的特点：l 碱性氨基酸多集中于多肽链的碱性氨基酸多集中于多肽链的C端，而端，而N端区含有较端区含有较多的酸性氨基酸。多的酸性氨基酸。H1有四种类型（有四种类型（H10，H11，H1
24、2，H13），氨基酸序列不同。），氨基酸序列不同。l 组蛋白组蛋白H1与其他四种组蛋白不同，前者在胚胎较晚与其他四种组蛋白不同，前者在胚胎较晚时期出现。而后者在胚胎早期同时出现，其氨基酸序时期出现。而后者在胚胎早期同时出现，其氨基酸序列在不同生物中几乎保持不变。而列在不同生物中几乎保持不变。而H1不仅在不同生物不仅在不同生物钟，即使在同一机体中，它的类型也不同。同一机体钟，即使在同一机体中，它的类型也不同。同一机体不同组织中不同组织中H1的差异暗示了它对形状的表现型有作用。的差异暗示了它对形状的表现型有作用。组蛋白组蛋白H1的结构：的结构：氨基端（氨基端（N，酸性区），酸性区）中央区（无极性，
25、疏水）中央区（无极性，疏水）羧基区（羧基区（C，碱性区），碱性区） 在溶液中，在溶液中，HI中央区段是疏水的，折叠为球状中央区段是疏水的，折叠为球状结构，其序列高度保守，碱性的羧基区是随机性结构，其序列高度保守，碱性的羧基区是随机性的卷曲状态，氨基端的酸性区段也呈卷曲状态。的卷曲状态，氨基端的酸性区段也呈卷曲状态。羧基区域与羧基区域与DNA的结合很强烈，中央区结合较弱，的结合很强烈，中央区结合较弱，它主要是与非组蛋白结合并与其他四种组蛋白相它主要是与非组蛋白结合并与其他四种组蛋白相作用，可导致染色质的螺旋化，产生高级结构。作用，可导致染色质的螺旋化，产生高级结构。氨基端的碱性区也附着于氨基端的
26、碱性区也附着于DNA连接丝，起交联核连接丝，起交联核小体作用。小体作用。（3） 组蛋白组蛋白H1的作用的作用Renz等（等（1977）在电镜下观察到直径）在电镜下观察到直径200的染的染色质二级结构含有色质二级结构含有6-10个核小体的球状结节的纤个核小体的球状结节的纤维。以维。以0.5M NaCl溶液从染色质上选择性地除掉溶液从染色质上选择性地除掉H1后，则球状结构解开，在核小体之间可看到约后，则球状结构解开，在核小体之间可看到约35bp的的DNA连结丝，这说明连结丝，这说明H1在维持染色质高在维持染色质高级结构的方面有重要作用。级结构的方面有重要作用。H1的成分及含量与染色质的高级结构有关
27、，并能的成分及含量与染色质的高级结构有关，并能影响基因的调控。影响基因的调控。丁酸在抑制细胞分离，诱发细胞分化的同时出现丁酸在抑制细胞分离，诱发细胞分化的同时出现了了H10，说明，说明H10与基因活动有关。与基因活动有关。（4） 组蛋白组蛋白H1的作用的作用组蛋白组蛋白H1与与DNA的作用方式可分为三种：的作用方式可分为三种：1）R方式：方式： H1的的C端锚定在端锚定在DNA分子上。不同分子上。不同类型类型H1的的N端以不同的角度与端以不同的角度与DNA结合使不同长结合使不同长度的度的DNA暴露并容易受到酶的作用（如解旋酶、暴露并容易受到酶的作用（如解旋酶、多聚酶、限制酶等）。提供了调节染色
28、质活动速多聚酶、限制酶等）。提供了调节染色质活动速率的一种途径。率的一种途径。2）D方式：特点是方式：特点是H1的的N端折回疏水区，使端折回疏水区，使DNA发生各种程度的偏斜、折叠、更易受到酶的作用。发生各种程度的偏斜、折叠、更易受到酶的作用。（4） 组蛋白组蛋白H1的作用的作用组蛋白组蛋白H1与与DNA的作用方式可分为三种：的作用方式可分为三种：3）C方式：与非组蛋白选择性的结合，在方式：与非组蛋白选择性的结合，在DNA链链上形成一个突起上形成一个突起-链内敏感构件（链内敏感构件（ITS）。）。H1的作用方式证明它在染色质的结构及机能上的作用方式证明它在染色质的结构及机能上 有有重要作用。重
29、要作用。组蛋白组蛋白H5u Neelin和和Butter （1961）报道，）报道，H5仅存在于仅存在于鸡、鸭、鸽子、鹅、海鸥、火鸡、孔雀等几种鸟鸡、鸭、鸽子、鹅、海鸥、火鸡、孔雀等几种鸟类的网织红细胞中，而在骨髓、脾、肝等组织中类的网织红细胞中，而在骨髓、脾、肝等组织中则没有。则没有。H5 MW为为23000, 197Aa组成。组成。u 像像H1一样，一样，H5存在于核粒之外并优先于富含存在于核粒之外并优先于富含AT碱基对的碱基对的DNA结合。在染色质结构中扮演与结合。在染色质结构中扮演与H1一样的角色。一样的角色。u H5对对DNA的模板活性有抑制作用。如，用聚的模板活性有抑制作用。如，用
30、聚苯乙烯磺酸盐处理鸡的红细胞，苯乙烯磺酸盐处理鸡的红细胞，H5首先被除掉，首先被除掉，使染色质松懈，则激活了使染色质松懈，则激活了RNA转录。转录。染色质的非组蛋白染色质的非组蛋白u 细胞核中另一类重要蛋白质细胞核中另一类重要蛋白质非组蛋白（非组蛋白（NHP）u 包括：核膜酸性蛋白（包括：核膜酸性蛋白（8%）u 核仁酸性蛋白（核仁酸性蛋白（19%）u 不均一蛋白（不均一蛋白（HnRNP，30%）u 组织专一性蛋白（组织专一性蛋白（10%）u 以及染色质非组蛋白（以及染色质非组蛋白（NHC，40%），是染色质中的一类），是染色质中的一类重要蛋白，可达重要蛋白，可达500余种，余种，MW15000
31、-100000Da.(1)染色体框架蛋白：染色体框架蛋白：Hela细胞中期染色体去除组细胞中期染色体去除组蛋白后，在电镜下仍能看到维持中期染色体基本蛋白后，在电镜下仍能看到维持中期染色体基本形状的支架。支架由形状的支架。支架由DNA和少量的蛋白质组成，和少量的蛋白质组成，形成形成DNA loop。u 用内切酶或外切酶处理果蝇的去组蛋白的染色用内切酶或外切酶处理果蝇的去组蛋白的染色体框架，可见体框架，可见DNA环大部分被消化，但仍有特异环大部分被消化，但仍有特异的的DNA序列与支架结合。序列与支架结合。u 框架上的框架上的DNA可以用可以用DNase消化掉而对支架的整体性没有影响，消化掉而对支架
32、的整体性没有影响，支架是由非组蛋白构成。这些非组蛋白对中期染色体的结构起稳定作支架是由非组蛋白构成。这些非组蛋白对中期染色体的结构起稳定作用。用。(2)染色体的高移动蛋白：是一组染色体蛋白。分染色体的高移动蛋白：是一组染色体蛋白。分为三类：为三类：1）HMG1/2：HMG1和和HMG2是相关蛋是相关蛋白，白，MW25-30kDa。可能在。可能在DNA的重组、修复及的重组、修复及复制中起作用。对复制中起作用。对RNA转录酶转录酶II、III的转录作用起的转录作用起激活作用；并激活激活作用；并激活UBF/MLTF对对DNA的结合。的结合。2)HMG14/17: HMG14和和HMG17是一类小分子
33、，是一类小分子，MW10kDa。HMG14/17结合于活性基因的下游而结合于活性基因的下游而不是上游的转录起始部位。实验证明不是上游的转录起始部位。实验证明HMG14/17与活性转录基因的结合是与非活性基因的结合的与活性转录基因的结合是与非活性基因的结合的1.5-2.5倍。因此，倍。因此，HMG14/17的生物学功能有待的生物学功能有待进一步研究。进一步研究。3)HMGI/Y:是一类小分子蛋白，是一类小分子蛋白，MW=11kDa。二。二者的区别仅仅是者的区别仅仅是HMGY在第在第11位氨基酸处有一缺位氨基酸处有一缺失，而失，而HMGI则无。此类蛋白因为能结合富则无。此类蛋白因为能结合富AT的的
34、a卫星卫星DNA而被称为而被称为a蛋白质。蛋白质。HMGI在哺乳动物中在哺乳动物中期染色体中是结合于富期染色体中是结合于富AT重复序列的着丝粒和端重复序列的着丝粒和端粒。因此，粒。因此，HMGI/Y可能是一类与异染色质中可能是一类与异染色质中AT序列结合的蛋白质，可能参与基因调控。序列结合的蛋白质，可能参与基因调控。3)染色质的其他非组蛋白染色质的其他非组蛋白:另一类是磷蛋白，位于另一类是磷蛋白，位于 核小体的连接丝核小体的连接丝DNA区域，它通过识别特定的区域，它通过识别特定的DNA序列与序列与DNA亲和，有强烈的种属专一性，亲和，有强烈的种属专一性，NHP磷蛋白能促进磷蛋白能促进RNA转录
35、，而和转录，而和H1及及DNA的的结合方式仍不清楚。结合方式仍不清楚。l 归纳起来，非组蛋白具有以下特点：归纳起来，非组蛋白具有以下特点：l 1）组织特异性）组织特异性-不同物种其非组蛋白不同，不同组织不同物种其非组蛋白不同，不同组织液具有其专一性的非组蛋白，说明它与基因的选择性表液具有其专一性的非组蛋白，说明它与基因的选择性表达有关；达有关；l 2）对转录作用的专一性）对转录作用的专一性-如非组蛋白如非组蛋白P3决定卵清蛋白决定卵清蛋白mRNA的转录。机制可能是雌激素与受体的复合物进入的转录。机制可能是雌激素与受体的复合物进入细胞核后，受体的细胞核后，受体的B亚基与非组蛋白亚基与非组蛋白P3
36、结合，促进结合，促进DNA解链，解链，RNA聚合酶进入转录位点。聚合酶进入转录位点。l 3）与）与DNA结合的专一性：与结合的专一性：与DNA结合是有专一性的。结合是有专一性的。非组蛋白在染色质的结构与机能均起很大作用。非组蛋白在染色质的结构与机能均起很大作用。核小体装配蛋白核小体装配蛋白-核液蛋白核液蛋白 在爪蛙卵母细胞提纯一种装配蛋白，相对分子量为在爪蛙卵母细胞提纯一种装配蛋白，相对分子量为29000的五聚体，大量存在于卵母细胞的核液中，利的五聚体，大量存在于卵母细胞的核液中，利用抗体技术证明它广泛存在于真核细胞的核液中，称用抗体技术证明它广泛存在于真核细胞的核液中，称为核液蛋白。为核液蛋
37、白。 是一种酸性蛋白，并不与自由是一种酸性蛋白，并不与自由DNA或完整的核小体或完整的核小体结合，而只与各种单独存在的组蛋白相结合。每一个结合，而只与各种单独存在的组蛋白相结合。每一个五聚体的核液蛋白分子可以结合八个组蛋白分子，然五聚体的核液蛋白分子可以结合八个组蛋白分子，然后把组蛋白八聚体释放给后把组蛋白八聚体释放给DNA。 整个生物界中整个生物界中H3、H4的氨基酸顺序的保守性以及的氨基酸顺序的保守性以及在温和提取中在温和提取中H3、H4最后从染色质上分离等事实，最后从染色质上分离等事实，可以认为（可以认为（H3）2（H4）2是重复单位的核心。是重复单位的核心。染色质的分子组成染色质的分子
38、组成u Kornberg于于1974年提出，年提出，1977年做了一些补充，年做了一些补充，是迄今为止最基本的一种染色质模型。打破了当时是迄今为止最基本的一种染色质模型。打破了当时普遍认为染色质是以普遍认为染色质是以DNA为轴心，外包以组蛋白的为轴心，外包以组蛋白的观点。以后的模型都是在此基础上建立的。要点：观点。以后的模型都是在此基础上建立的。要点：l 染色质纤维是由核小体重复串联而成，每个核小体染色质纤维是由核小体重复串联而成，每个核小体有核心颗粒与连接区组成。有核心颗粒与连接区组成。l 每个核心颗粒有每个核心颗粒有8个组蛋白分子（个组蛋白分子（H2A、H2B、H3、H4各各2个分子）和个
39、分子）和200bp组成。连接区组成。连接区DNA为为15-100bp。并与。并与H1相结合。相结合。l DNA以某种尚未肯定的方式缠绕于以某种尚未肯定的方式缠绕于8具体周围，形具体周围，形成一个直径约为成一个直径约为100埃的近似球形的颗粒，沿染色质埃的近似球形的颗粒，沿染色质纤维长轴紧密的排列。纤维长轴紧密的排列。（2）交联剂的研究）交联剂的研究 Jackson等应用不同浓度的等应用不同浓度的NaCl处理染色质，处理染色质，使其解离及重聚合。使其解离及重聚合。 实验证明：二聚体是自然状态的染色质所固有的，实验证明：二聚体是自然状态的染色质所固有的，而八聚体可能是组蛋白分子从染色质上解离后又重
40、而八聚体可能是组蛋白分子从染色质上解离后又重新组合的产物，在自然界并不存在，或是自然状态新组合的产物，在自然界并不存在，或是自然状态下的二聚体通过交联剂的作用，在染色质上原位形下的二聚体通过交联剂的作用，在染色质上原位形成八聚体。成八聚体。（3）染色质结构的一个新模型：）染色质结构的一个新模型：l Bonner (1975)等认为，染色质二级结构的组蛋白核心不等认为，染色质二级结构的组蛋白核心不是以八聚体形式存在，而是以四聚体为存在形式。是以八聚体形式存在，而是以四聚体为存在形式。l每个组蛋白分子有两个与每个组蛋白分子有两个与DNA作用的位置和一个与另外组作用的位置和一个与另外组蛋白分子作用的
41、位置。蛋白分子作用的位置。l假定八个组蛋白分子为一组，在假定八个组蛋白分子为一组，在DNA上作等距离线性排列，上作等距离线性排列，而且前四个分子与后四个分子的极性相反。而且前四个分子与后四个分子的极性相反。l二组分子的相互作用使二组分子的相互作用使DNA沿长轴发生扭曲。由于组蛋白沿长轴发生扭曲。由于组蛋白分子分子1-8，4-8,2-6,3-7之间的作用，使得染色质二级结构保之间的作用，使得染色质二级结构保持稳定，螺距为持稳定，螺距为35埃，覆盖埃，覆盖DNA约约200bp。lH1在超螺旋外面，跨于各组交结点之间。在超螺旋外面，跨于各组交结点之间。l八个组蛋白在二级结构中所形成的核粒，实际上是四
42、个二八个组蛋白在二级结构中所形成的核粒，实际上是四个二聚体，且二聚体之间不接触。二聚体多是聚体，且二聚体之间不接触。二聚体多是H3-H4，H4-H2B,H2A-H2B。因此，核粒内四种组蛋白分子并不按照。因此，核粒内四种组蛋白分子并不按照（H3+H4+H2A+H2B）X2的公式。其中的公式。其中H2B的比例可能较的比例可能较大，在不同的生物或组织中，各类组蛋白的比率可能不同。大，在不同的生物或组织中，各类组蛋白的比率可能不同。l由于模型中组蛋白的尾巴有一定的方向性，并覆盖由于模型中组蛋白的尾巴有一定的方向性，并覆盖DNA，所以再所以再4-5之间的覆盖面有些重复而在二组交界的之间的覆盖面有些重复
43、而在二组交界的1,8之间则之间则覆盖面减少。因此，这部分易受核酸酶的攻击，从而每个覆盖面减少。因此，这部分易受核酸酶的攻击，从而每个200bp便有一个核酸酶的敏感点。便有一个核酸酶的敏感点。3.5.4 染色质纤维染色质纤维 间期细胞核的染色质大部分是以间期细胞核的染色质大部分是以30nm直径的纤维直径的纤维存在。纤维结构的详情尚不清楚。提出几个模型。存在。纤维结构的详情尚不清楚。提出几个模型。 （1）螺线管模型：）螺线管模型：10nm纤维左向超螺旋卷曲如弹纤维左向超螺旋卷曲如弹簧螺线，每圈含簧螺线，每圈含6个核小体，个核小体，H1位于该纤维纵轴中位于该纤维纵轴中央。央。3.5.4 染色质纤维染
44、色质纤维 （2）超螺线空挡模型：超螺旋情况与螺线管模型）超螺线空挡模型：超螺旋情况与螺线管模型相似，每圈相似，每圈6个核小体，只是不是一个连续的完整个核小体，只是不是一个连续的完整的弹簧螺线，而是间以短的伸展的的弹簧螺线，而是间以短的伸展的DNA纤维。它们纤维。它们是一些核酸酶敏感区，并有一些特异的蛋白结合其是一些核酸酶敏感区，并有一些特异的蛋白结合其上，上，H1可在螺线管的内侧或外侧作为核小体的联结可在螺线管的内侧或外侧作为核小体的联结者（者（linker）。）。3.5.4 染色质纤维染色质纤维（3）交互联接模型：）交互联接模型：10nm纤维象手风琴样折叠，并盘旋成为纤维象手风琴样折叠，并盘
45、旋成为一个超双螺旋结构。可以想象其外形与一个超双螺旋结构。可以想象其外形与DNA双螺旋一样，双螺旋一样，只不过是一系列呈只不过是一系列呈Z字形折叠的核小体构成。这些核小体之字形折叠的核小体构成。这些核小体之间以间以linker DNAs联结，并垂直于联结，并垂直于30nm纤维的纵轴。纤维的纵轴。（4） 锯齿带盘旋模型：锯齿带盘旋模型：10nm纤维以纤维以Z形折叠状态盘旋为弹簧形折叠状态盘旋为弹簧似的螺线管。似的螺线管。值得重视的是值得重视的是30nm纤维是染色质的天然存在状态。从纤维是染色质的天然存在状态。从DNA双双螺旋到螺旋到10nm纤维纤维压缩压缩7倍，到倍，到30nm压缩压缩6-7倍，
46、共压倍，共压缩了缩了40-50倍。倍。30nm纤维是一种依赖与转录活性的，或伸展或压缩的动态结纤维是一种依赖与转录活性的，或伸展或压缩的动态结构。构。3.6 常染色质基因表达的分子基础常染色质基因表达的分子基础3.6.1 核心组蛋白对转录的作用核心组蛋白对转录的作用 酵母基因组仅含核心组蛋白基因串的二个拷贝酵母基因组仅含核心组蛋白基因串的二个拷贝，是良好的研究材料。，是良好的研究材料。l （1）H2A-H2B：酵母中编码核心组蛋白的基因对：酵母中编码核心组蛋白的基因对缺陷性启动子或增强子起着消除或抑制者的作用。缺陷性启动子或增强子起着消除或抑制者的作用。l 借助借助H2A-H2B或或H3-H4
47、表达变化的研究，发现对表达变化的研究，发现对转录缺陷的消除作用使由于转录缺陷的消除作用使由于H2A-H2B对对H3-H4合成合成的不平衡。这说明的不平衡。这说明H2A-H2B对对H3-H4的化学计量影的化学计量影响转录作用。如调整酵母响转录作用。如调整酵母H2A-H2B的表达，观察的表达，观察到不同基因染色质结构的不同程度的改变。到不同基因染色质结构的不同程度的改变。l （3）H4：Durrin等（等（1991）对）对H4进行了一系列进行了一系列的删除、取代研究。证明的删除、取代研究。证明H4的的N端对不同的基因起端对不同的基因起着不同的作用，或激活或抑制。着不同的作用，或激活或抑制。l 3.
48、6.2 核小体与基因表达核小体与基因表达l 3.6.2.1 核小体定位核小体定位l （1）交替定位与可译定位：）交替定位与可译定位：l 一般认为，核小体覆盖了整个染色质。但事实上，一般认为，核小体覆盖了整个染色质。但事实上，核小体的形成并不是随机地，任意的。核小体在染核小体的形成并不是随机地，任意的。核小体在染色质上的色质上的定位涉及的核心组蛋白八聚体与定位涉及的核心组蛋白八聚体与DNA的相的相互作用，以及各种因子的影响。互作用，以及各种因子的影响。l 沿沿DNA形成的核小体一般受二种因素制约：富形成的核小体一般受二种因素制约：富AT的的DNA小沟和转录激活因子。小沟和转录激活因子。l 交替定
49、位：交替定位：DNA弯曲紧密地绕在核粒旋二圈时，弯曲紧密地绕在核粒旋二圈时，仅仅把仅仅把DNA小沟压在核粒表面。小沟压在核粒表面。因为富因为富AT的小沟的小沟较之富较之富GC的小沟易于压缩，因此每个八聚体都倾的小沟易于压缩，因此每个八聚体都倾向于定位向于定位DNA螺旋内侧富螺旋内侧富AT小沟最多的区域。就小沟最多的区域。就是所谓的交替定位。是所谓的交替定位。l 许多转录因子往往形成复合物结合在许多转录因子往往形成复合物结合在DNA上而阻止上而阻止核小体形成。因此，在基因的上游往往有缺少核小核小体形成。因此，在基因的上游往往有缺少核小体结构的长达数百体结构的长达数百bp的区域。利用低浓度的的区域
50、。利用低浓度的DNaseI可以消化这些区域而不消化可以消化这些区域而不消化linker DNA。l 如：在如：在SV40含有一段大约含有一段大约300bp的无核小体区域的无核小体区域，它是，它是DNA/RNA合成的起始区，一些结合蛋白结合成的起始区，一些结合蛋白结合其上，但阻止不了合其上，但阻止不了DNaseI的消化。的消化。所以核小体所以核小体常常沿可转录常常沿可转录-翻译的翻译的DNA区域定位，叫作可译定区域定位，叫作可译定位。位。l 例如：某一核粒沿距离某一基因的转录起始区例如：某一核粒沿距离某一基因的转录起始区 -300-144bp定位。定位。3.6.2.2 核小体变构核小体变构（1）
