染色體的結(jié)構(gòu)

關(guān)于染色體的結(jié)構(gòu)第1頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三染色體名稱的由來染色體(chromosome)之所以稱為染色體，是因?yàn)樗鼙粔A性染料染色，而細(xì)胞的其他組成分都不能被堿性染料染色的緣故。前面我們介紹過，染色體是遺傳物質(zhì)的載體，我們也已經(jīng)知道，DNA（或RNA）是生物共同的遺傳物質(zhì)。那么DNA（或RNA）又是如何組成染色體的呢？下面我們對染色體的結(jié)構(gòu)作一介紹。第2頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三原核生物的染色體與真核生物相比，原核生物的染色體要簡單的多，其染色體通常只有一個核酸分子（DNA或RNA），其遺傳信息的含量也比真核生物少得多。

病毒染色體只含一條DNA或者RNA分子，可以是單鏈也可以是雙鏈；大多呈環(huán)狀，少數(shù)呈線性分子。第3頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三細(xì)菌染色體均為環(huán)狀雙鏈DNA分子。雖然病毒和細(xì)菌的染色體比真核生物小的多，但其伸展長度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自身細(xì)胞的最大長度。例如；λ噬菌體DNA伸展長度為17μm，而染色體存在的噬菌體頭部直徑只有0.1μm。大腸桿菌（Escherichiacoli）的DNA分子伸展長度有1200μm，而細(xì)菌直徑只有1～2μm（圖3-11）這樣長的DNA是如何裝載到病毒或者細(xì)菌里去的呢？第4頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三第5頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三很長時間以來，人們一直認(rèn)為原核生物的染色體就是裸露的DNA或RNA分子。但是，近年來的研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際情況并非如此。原核生物的染色體并不是像過去人們認(rèn)為的那樣是“露裸”的DNA分子，其DNA分子同樣與蛋白質(zhì)和RNA等其他分子結(jié)合在一起。例如：大腸桿菌DNA與幾種DNA結(jié)合蛋白(DNA-bindingprotein)相結(jié)合。這些DNA結(jié)合蛋白很小，但在細(xì)胞內(nèi)數(shù)量很多，他們含有較高比例帶正電荷的氨基酸，可以與DNA分子上帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)相結(jié)合，其特性與真核生物染色體中的組蛋白（histone）相類似。大腸桿菌的染色體DNA除與蛋白質(zhì)結(jié)合外，還結(jié)合有RNA。它的染色體是由50-100個獨(dú)立的負(fù)超螺旋組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)（圖3-12），RNA和蛋白質(zhì)結(jié)合在上面，以保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。第6頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三第7頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)染色體在細(xì)胞分裂的間期表現(xiàn)為染色質(zhì)（chromatin）的狀態(tài)，呈纖細(xì)的絲狀結(jié)構(gòu)，故亦成為染色質(zhì)線（chromatinfiber）。在真核生物中，它是脫氧核糖核酸（DNA）和蛋白質(zhì)及少量核糖核酸（RNA）組成的復(fù)合物，其中DNA的含量約占染色質(zhì)重量的30%。第8頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)包括組蛋白和非組蛋白二類。組蛋白是與DNA結(jié)合的堿性蛋白，有H1、H2A、H2B、H3和H4五種，其在細(xì)胞中的比例大致是1：2：2：2：2。它們是除精子等少數(shù)細(xì)胞外，為所有生物和細(xì)胞所共有。它與DNA的含量比率大致相等，是很穩(wěn)定的，在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)上具有決定性作用。而非組蛋白在不同細(xì)胞間變化很大，在決定染色體結(jié)構(gòu)中的作用可能不是很大，它們可能與基因的調(diào)控有關(guān)。第9頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三近來研究發(fā)現(xiàn)，染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體（nucleosome）。在核小體與核小體之間由連接DNA（linkerDNA）和一個小分子的組蛋白H1相連。每個核小體的核心是由H2A、H2B、H3和H4四種組蛋白各以兩個分子組成的八聚體，其形狀近似于扁球體（圖3-13）(nucleosoms)。DNA雙螺旋就盤繞在這八個組蛋白分子的表面。連接絲是兩個核小體之間的雙鏈DNA,由它把兩個相鄰的核小體串聯(lián)起來。組蛋白H1結(jié)合于連接絲和核小體的接合部位。如果H1被除去，核小體的基本結(jié)構(gòu)并不會因此而改變。據(jù)測定，在大部分細(xì)胞中，一個核小體及其連接絲約含有180-200個堿基對(basepair，bp)的DNA，其中約146bp盤繞在核小體表面1.75圈，其余堿基則為連接絲，其長度變化較大，從8bp到114bp不等。第10頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三第11頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三根據(jù)染色反應(yīng)，間期細(xì)胞核中的染色質(zhì)可以分為兩種：異染色質(zhì)（heterochromatin）和常染色質(zhì)(euchromatin)。異染色質(zhì)是染色質(zhì)中染色較深的區(qū)段，常染色質(zhì)是染色較淺的區(qū)段。第12頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三異染色質(zhì)和常染色質(zhì)在化學(xué)組成上并沒有什么區(qū)別，而只是螺旋化程度不同。在細(xì)胞分裂間期，異染色質(zhì)區(qū)的染色質(zhì)仍然是高度螺旋化而緊密卷縮的，相對而言，在單位空間內(nèi)DNA的濃度很高，故染色很深。而常染色質(zhì)區(qū)的染色質(zhì)因?yàn)槊撀菪仕缮顟B(tài)，相對而言，在單位體積內(nèi)DNA的濃度很低，故染色很淺。

第13頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三異染色質(zhì)又可分為組成型異染色質(zhì)（constitutiveheterochromatin）和兼性異染色質(zhì)(facultativeheterochromatin)。

組成型異染色質(zhì)主要是高度重復(fù)的DNA序列，大多分布在染色體的特殊區(qū)域，如著絲點(diǎn)、端粒部位等，一般來說這些區(qū)域只與染色體結(jié)構(gòu)有關(guān)，而不含有結(jié)構(gòu)基因。兼性異染色質(zhì)可以存在于任何部位，它可以在某類細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，而在另一細(xì)胞內(nèi)完全不表達(dá)。哺乳動物的X染色體就是兼性異染色質(zhì)。對某個雌性動物來說，其中一條X染色體表現(xiàn)為異染色質(zhì)而完全不表達(dá)其功能，而另一條則表現(xiàn)為功能活躍的常染色質(zhì)。第14頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三染色體的結(jié)構(gòu)模型在細(xì)胞有絲分裂的中期，利用光學(xué)顯微鏡可以觀察到：染色體的結(jié)構(gòu)是由兩條染色單體(chrmatid)組成的。每條染色單體包括一條染色線(chromonema)，以及位于線上的許多染色很深的顆粒狀染色粒（chromomere）。染色粒的大小不同，在染色線上有一定的排列順序，一般認(rèn)為它們是由于染色線反復(fù)盤繞卷縮形成的?，F(xiàn)已證實(shí)每個染色體所含的染色線是單線的，即一個染色體所包含的兩條染色單體都分別是單線的，換言之，每條染色單體是一個DNA分子與蛋白質(zhì)結(jié)合形成的染色線。當(dāng)完全伸展時，其直徑不過10nm，而其長度可達(dá)幾毫米，甚至幾厘米。當(dāng)它盤繞卷曲時，可以收縮得很短，于是表現(xiàn)出染色體所特有的形態(tài)特征。如人的最長的一條染色體，在分裂間期其分子伸展時長達(dá)85mm，但在中期，卻卷曲成為直徑為0.5μm、長度只有10μm的染色體，其長度只有完全伸展時的1/10000還不到。第15頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三在細(xì)胞分裂過程中染色質(zhì)線到底是怎樣卷縮成具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的染色體的呢？現(xiàn)在認(rèn)為至少存在三個層次的卷縮，一般稱為染色體的四級結(jié)構(gòu)（圖3-14)。第16頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三第17頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三第一個層次是DNA分子超螺旋化形成核小體，形成直徑約為10nm是間期染色質(zhì)線，在此過程中組蛋白H2A、H2B、H3和H4參與作用。第二個層次是核小體長鏈進(jìn)一步螺旋化形成直徑約為30nm的超微螺旋，稱為螺線管(solenoid)，在此過程中組蛋白H1參與作用。

第三個層次是螺線管進(jìn)一步卷曲成為一定形態(tài)的染色體。

但有關(guān)三個層次卷縮的機(jī)理至今尚不清楚。第18頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三因?yàn)榉至堰^程中的染色體本身就是細(xì)胞分裂間期染色質(zhì)的卷曲壓縮，所以染色體也會像染色質(zhì)一樣出現(xiàn)異染色質(zhì)區(qū)和常染色質(zhì)區(qū)。不同生物的染色體、同一細(xì)胞內(nèi)的各個染色體異染色質(zhì)區(qū)的分布是不同的。例如茅膏菜(Drosersa)的異染色質(zhì)位于染色體的末端；蠶豆、番茄、月見草和果蠅等分布于著絲點(diǎn)附近。在玉米中可能在著絲點(diǎn)的兩邊或一邊，例如，玉米第7染色體的長臂上靠近著絲粒處就有一處明顯膨大的異染色質(zhì)區(qū)。在動物的性染色體上，Y染色體的異染色質(zhì)顯然比X染色體為多。第19頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三著絲粒的結(jié)構(gòu)特征染色體在有絲分裂過程中由于紡錘絲的牽引而分向兩極。著絲粒就是細(xì)胞分裂過程中染色體與紡錘絲（spindlefiber）結(jié)合的區(qū)域。因此，著絲粒在細(xì)胞分裂過程中對于母細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)能否均衡地分配到子細(xì)胞去是至關(guān)重要的。缺少著絲粒的染色體片斷，就不能和紡錘絲相連，在細(xì)胞分裂過程中經(jīng)常容易丟失。第20頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三著絲粒區(qū)域的DNA序列具有明顯的特征。近來對釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)染色體著絲粒區(qū)域的研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域在不同染色體間可以相互替換，也就是說將一條染色體的著絲粒區(qū)域與另外一條互換，對染色體的結(jié)構(gòu)和功能沒有明顯的影響。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域由110-120bp的D