细胞生物学/染色质与染色体

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染色质(chromatin)是间期细胞核中由DNA和组蛋白构成的能被碱性染料着色的物质,是遗传信息的载体。在细胞分裂间期,染色质成细丝状,形态不规则,弥散在细胞核内;当细胞进入分裂期时,染色质高度螺旋、折叠而缩短变租,最终凝集形成条状的染色体(chromosome), 以保证遗传物质DNA能够被准确地分配到两个子代细胞中。因此,染色质和染色体是细胞核内同一物质在细胞周期不同时相的不同表现形态。

染色质的组成成分[编辑]

染色质和染色体的组成成分主要是DNA和组蛋白,此外还含有非组蛋白及少量的RNA。DNA和组蛋白是染色质的稳定成分,两者的比率接近1:1。非组蛋白的含量变动较大,常随着细胞生理状态的不同而改变。

DNA是遗传信息的载体[编辑]

DNA分子是由数目巨大的腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶( T )四种脱氧核糖核苷酸通过3',5'-磷酸二酣键聚合而成的生物大分子。DNA分子呈双螺旋结构,其两条链的核苷酸序列按碱基互补配对原则排列,即A对T,G对C。真核细胞中每条未复制的染色体均含有一条线型DNA分子。一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信息称为一个基因组(genome)。
DNA的主要功能是携带和传递遗传信息,并通过转录形成的RNA 来指导蛋白质合成。
真核细胞中染色质DNA序列根据其在基因组中分子组成的差异分为单一序列和重复序列两大类型重复序列又分为中度重复序列和高度重复序列。
单一序列(unique sequence), 又称单拷贝序列(single-copy sequence), 在基因组中一般只有单一拷贝或少数几个拷贝。一般为具有编码功能的基因。真核生物大多数编码蛋白质(酶)的结构基因属这种形式。
中度重复序列(moderately repetitive sequence), 其重复次数在101~105之间,序列长度由几百到几千个碱基对(bp)不等。中度重复序列多数是不编码蛋白的序列,构成基因内和基因间的间隔序列,在基因调控中起重要作用,涉及DNA复制、RNA转录及转录后加工等方面。在中度重复序列中,有一些是有编码功能的基因,如rRNA基因,tRNA基因,组蛋白的基因、核糖体蛋白的基因等。
高度重复序列(highly repetitive sequence),其长度较短,一般为几个至几十个bp,但重复拷贝数超过105,分布在染色体的端粒、着丝粒区。它们有些散在分布,另一些则串联重复,均不能转录,主要是构成结构基因的间隔,维系染色体结构,还可能与减数分裂中同源染色体联会有关。
一条功能性的染色质DNA分子必须能进行自我复制,得到两个完全相同的DNA分子,并将其平均分配到子细胞中,保证遗传信息的稳定传递。要达到这个目的,染色质DNA必须包含三类不同的功能序列: 复制源序列、着丝粒序列及端粒序列。①复制源序列(replication origin sequence):它是DNA进行复制的起始点。对于真核细胞来说,多个复制源序列可被成串激活,该序列处的DNA双链解旋并打开,形成复制叉。因此,一条DNA分子上可同时在多个复制源序列处形成多个复制叉,使得DNA分子可在不同部位同时进行复制。根据不同来源的复制源序列分析,发现所有的复制源序列DNA均有一段11~14bp的同源性很高的富含AT的保守序列: 200bp-A(T)TTTAT(C)A(G)TTTA(T)-200bp,同时证明这段序列及其上下游各200bp左右的区域是维持复制源功能所必需的。②着丝粒序列(centromere sequence): 着丝粒序列是真核生物在细胞分裂时,两个姐妹染色单体连接的区域,根据不同来源的着丝粒序列分析,发现其共同特点是两个彼此相邻的核心区,一个是80~90bp的AT区,另一个是含有11个高度保守的碱基序列:-TGATTTCCGAA-,功能是形成着丝粒,在细胞分裂时,两个姐妹染色单体从着丝粒分离,保证均等分配两个子代染色单体。通过着丝粒序列缺失损伤实验或插入突变实验,发现一旦伤及这两个核心区,着丝粒序列即丧失其功能。③端粒序列(telomere sequence): 它存在于真核生物染色体的末端,在序列组成上十分相似,为一在进化中高度保守的串联重复序列。双链中一条3'端为富含TG序列,互补链富含CA的序列。端粒序列在维持DNA分子两末端复制的完整性与染色体的稳定性方面发挥重要作用。采用分子克隆技术把真核细胞染色体的复制源序列、着丝粒序列、端粒序列分别克隆,并把它们相互拼接在一起构造成人工染色体,用于科学研究。

组蛋白是真核细胞染色质中的基本结构蛋白[编辑]

组蛋白(histone)是真核细胞染色质的基本结构蛋白质。组蛋白富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸,等电点一般在pH 10.0以上,属碱性蛋白质。用聚丙烯酰胺凝胶电泳可将组蛋白分离成5种,即Hl,H2A、H2B、H3、H4。5种组蛋白在染色质的分布与功能上存在差异,可分为核小体组蛋白和连接组蛋白。
核小体组蛋白(nucleosomal histone)包括H2A、H2B、H3、H4四种,分子量较小,这类组蛋白之间有相互作用形成聚合体的趋势,从而可将DNA卷曲形成核小体。核小体的组蛋白在进化上高度保守,无种属及组织特异性,其中H3和H4是已知蛋白质中最为保守的,不同种属间这两种蛋白的一级结构高度相似,例如牛和豌豆的H4组蛋白的102个氨基酸残基中仅有2个不同,海星与小牛胸腺的H4组蛋白仅有一个氨基酸不同,这一特点表明H3和H4的功能几乎涉及它们所有的氨基酸, 以致其分子中任何氨基酸的改变都将对细胞产生影响。
H1组蛋白由215个氨基酸残基组成,分子伍较大,为连接组蛋白。H1组蛋白在构成核小体时起连接作用,与染色质的高级结构的构建有关。H1组蛋白在进化中不如核小体组蛋白那么保守,有一定的种属特异性和组织特异性。在哺乳类细胞中,H1约有六种密切相关的亚型,氨基酸顺序稍有不同。在成熟的鱼类和鸟类的红细胞中,H1被H5取代。
组蛋白在细胞周期的S期与DNA 同时合成。组蛋白在胞质中合成后即转移到核内,与DNA结合,装配形成核小体。组蛋白带正电荷与DNA结合可抑制DNA的复制与RNA转录。但一些组蛋白的修饰可影响染色质的活性,这些修饰包括乙酰化、磷酸化和甲基化。当组蛋白某些氨基酸乙酰化或磷酸化后,则可改变组蛋白的电荷性质,降低组蛋白与DNA的结合,使DNA解旋从而有利于复制和转录的进行。而甲基化则可增强组蛋白与DNA的相互作用,降低DNA的转录活性。

非组蛋白能从多方面影响染色质的结构和功能[编辑]

非组蛋白(non-histone)是指细胞核中除组蛋白以外所有蛋白质的总称,为一类带负电荷的酸性蛋白质,富含天门冬氨酸、谷氨酸等。非组蛋白数量远少于组蛋白,但其种类多且功能多样,用双向疑胶电泳可得到500多种不同组分,分子量一般在15 000~100 000之间。包括染色体骨架蛋白、调节蛋白及参与核酸代谢和染色质化学修饰的相关酶类。
非组蛋白有种属和组织特异性,在整个细胞周期都能合成,其含量常随细胞的类型及生理病理状态不同而变化,一般功能活跃细胞的染色质中非组蛋白的含量高于不活跃细胞中的染色质。
非组蛋白的组分中含有启动蛋白、DNA聚合酶、引物酶等,它们以复合物形式结合在某段DNA分子上,启动和推进DNA分子的复制。有些非组蛋白是转录活动的调控因子,与基因的选择性表达有关。非组蛋白作用于一段特异DNA序列上,能特异地解除组蛋白对DNA的抑制作用,以调控有关基因的转录。在染色质结构的“袢环”模型中,组蛋白把DNA双链分子装配成核小体串珠结构,非组蛋白则帮助DNA分子进一步盘曲折叠,DNA袢环停泊在非组蛋白组成的支架上,构建成染色质的高级结构。

常染色质与异染色质[编辑]

根据间期核中染色质螺旋化程度以及功能状态的不同,可分为常染色质(euchromatin)和异染色质(heterochromatin)。

常染色质是处于功能活跃呈伸展状态的染色质纤维[编辑]

常染色质是指间期核中处于伸展状态,螺旋化程度低,用碱性染料染色浅而均匀的染色质。常染色质大部分位于间期核的中央,一部分介于异染色质之间。在核仁相随染色质中也有一部分常染色质,往往以袢环的形式伸入核仁内。在细胞分裂期,常染色质位于染色体的臂。构成常染色质的DNA主要是单一DNA序列和中度重复DNA序列(如组蛋白基因和核糖体蛋白基因),常染色质具有转录活性,是正常情况下经常处于功能活性状态的染色质,但并非常染色质的所有基因都具有转录活性,处于常染色质状态只是基因转录的必要条件。

异染色质是处于功能惰性呈凝缩状态的染色质纤维[编辑]

异染色质是指间期核中,螺旋化程度高,处于凝缩状态,用碱性染料染色时着色较深的染色质,一般位于核的边缘或围绕在核仁的周围,是转录不活跃或者无转录活性的染色质。
异染色质可分为组成性异染色质(constitutive heterochromatin)和兼性异染色质(facultative heterochromatin)两类。组成性异染色质又称“恒定性异染色质”,是异染色质的主要类型。在各种类型细胞的细胞周期中(除复制期外)都呈凝缩状态,是由高度重复的DNA序列构成,在分裂中期染色体上常位于染色体的着丝粒区、端粒区、次缢痕等部位;具有显著的遗传惰性,不转录也不编码蛋白质;在复制行为上,较常染色质早聚缩晚复制。将培养的细胞进行同步化处理,在S期掺入3H胸腺嘧啶的实验证明,组成性异染色质多在S期的晚期复制,而常染色质多在S期的早、中期复制。
兼性异染色质是指在生物体的某些细胞类型或一定发育阶段,处于凝缩失活状态,而在其他时期松展为常染色质。兼性异染色质的总量随不同细胞类型而变化,一般胚胎细胞含量少,而高度分化的细胞含量较多,这就说明随着细胞分化,较多的基因渐次以聚缩状态关闭。因此,染色质的聚缩可能是关闭基因活性的一种途径。例如,人类女性卵母细胞和胚胎发育早期,两条X染色体均为常染色质;至胚胎发育的第16~18天,体细胞将随机保持一条X染色体有转录活性,呈常染色质状态;而另一条X染色体则失去转录活性,成为异染色质。在间期核中失活的X染色体呈异固缩状态,形成直径约1μm的浓染小体,紧贴核膜内缘,称为X染色质或X小体。X染色质检查可用于性别和性染色质异常鉴定。

染色质组装形成染色体[编辑]

20世纪70年代以前,染色质一直被认为是由组蛋白包衷在DNA外,形成类似“铅笔”状的结构。1974年经R. D. Kornberg等人对染色质进行酶切降解研究及电镜观察后,人们对于染色质的结构才有了进一步的认识。现已知道,染色质的基本结构单位为核小体,核小体在串联的基础上,发生进一步折叠、压缩形成高级结构,最终组装成染色体。

核小体为染色质的基本结构单位[编辑]

组成染色质的基本结构单位是核小体(nucleosome)。每个核小体包括有200个左右bp的DNA、8个组蛋白分子组成的八聚体及一分子组蛋白H1。八聚体是由四种组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两个分子组成,两个H3、H4二聚体相互结合形成四聚体,位于核心颗粒中央,两个H2A、H2B二聚体分别位于四聚体两侧。l46bp的DNA分子在八聚体上缠绕1.75圈,形成核小体的核心颗粒。在两个相邻的核小体之间以连接DNA(linker DNA)分子相连,典型长度约60bp,其长度变异较大,随细胞类型不同而不同,其上结合一个组蛋白分子Hl,组蛋白Hl锁定核小体DNA的进出端,起稳定核小体的作用。多个核小体形成一条念珠状的纤维,直径约为lOnm。
组蛋白与DNA之间的互相作用主要是结构性的,基本不依赖核甘酸的特异序列。实验表明,核小体具有自装配的性质。

核小体进—步螺旋形成螺线管[编辑]

由直径10nm的核小体串珠结构进行螺旋盘绕,每6个核小体螺旋一周,形成外径30nm, 内径10nm的中空螺线管(solenoid), 组蛋白Hl位于螺线管内部,是螺线管形成和稳定的关键因素。螺线管为染色质的二级结构。在电镜下观察发现,大多数染色质以30nm染色质纤维形式存在。

螺线管进—步包装成染色体[编辑]

关于DNA如何组装成染色体,在一级及二级结构上已有直接实验证据,并被大多数科学家认可。但从30nm的螺线管如何进一步组装成染色体的过程尚存在争议,目前主要有多级螺旋模型(multiple coiling model)及骨架-放射环结构模型(scaffold-radial loop structure model)得到较为广泛的接受。
1、染色体多级螺旋模型 在该模型中,由螺线管进—步螺旋盘绕,形成直径为400nm的圆筒状结构,称为超螺线管(super solenoid), 这是染色质组装的三级结构。超螺线管再进一步螺旋、折叠形成染色质的四级结构——染色单体。
根据多级螺旋模型,当DNA分子缠绕在直径10nm的核小体核心颗粒上时,长度被压缩7倍;直径10nm的核小体形成螺线管后,DNA分子长度又被压缩6倍;而当螺线管盘绕形成超螺线管时,DNA分子长度被压缩约为40倍;超螺线管再度折叠、缠绕形成染色单体后,DNA分子长度又将被压缩5倍。因此,在染色质的组装过程中,DNA分子在经过核小体、螺线管、超螺线管到染色单体四级连续螺旋、折叠后,其长度共压缩了8400倍。
2、染色体骨架——放射环结构模型 该模型认为螺线管以后的高级结构,是由30nm螺线管纤维折叠成的拌环构成的,螺线管一端与由非组蛋白构成的染色体支架某一点结合,另一端向周围呈环状迂回后又返回到与其相邻近的点,形成一个个袢环围绕在支架的周围。每个DNA拌环长度约2lμm, 包含315个核小体。每18个袢环呈放射状平面排列,结合在核骨架上形成微带(miniband), 再由微带沿纵轴纵向排列构建成为染色单体。
放射环模型最早是由U. K. Laemmli等(1977)根据大量的实验结果提出的。他们用2mol/L的NaCl溶液加肝素处理HeLa细胞中期染色体,以去除组蛋白及大部分非组蛋白。电镜下观察染色体铺展标本,看到由非组蛋白构成的染色体骨架,两条染色单体的骨架相连于着丝粒区。由骨架的一点伸展出许多直径30nm的染色质纤维构成的侧环。若用EDTA处理染色体标本后,则可见30nm的纤维解螺旋,形成10nm的纤维。此外,实验观察发现,两栖类卵母细胞的灯刷染色体和昆虫的多线染色体,都含有一系列的袢环结构域(loop domain), 提示拌环结构可能是染色体高级结构的普遍特征。
放射环模型较好地解释了电镜下观察到的10nm及30nm纤维产生的结构形态,同时也说明了染色质中非组蛋白的作用。而且,袢环结构可能是保证DNA分子多点复制特性的高效性和准确性的结构基础;也是DNA分子中基因活动的区域性和相对独立性的结构基础。

染色体的形态结构[编辑]

在细胞有丝分裂中期,因染色质高度凝集成染色体,此时染色体形态、结构特征明显,可作为染色体一般形态和结构的标准,常用于染色体研究及染色体病的诊断检查。

着丝粒将两条姐妹染色单体相连[编辑]

每一中期染色体都是由两条相同的染色单体构成,两条单体之间在着丝粒部位相连。彼此互称为姐妹染色单体(sister chromatid)。
在中期染色体的两姐妹染色单体连接处,存在一个向内凹陷的、浅染的缢痕,称主缢痕(primary constriction)或初级缢痕。着丝粒(centromere)位于主缢痕内两条姐妹染色单体相连处的中心部位。该结构由高度重复DNA序列的异染色质组成,并将染色单体分为两个臂。着丝粒可作为一个重要标志在染色体鉴别中起作用,中期染色体可根据着丝粒的位置,分为4种类型。

  • 中着丝粒染色体(metacentric chromosome): 着丝粒位于或靠近染色体中央,如将染色体全长分为8等份,则着丝粒位于染色体纵(长)轴的1/2~5/8之间,将染色体分成大致相等的两臂。
  • 亚中着丝粒染色体(submetacentric chromosome):着丝粒位于染色体纵轴的5/8~7/8之间,将染色体分成长短不等的短臂(p)和长臂(q)。
  • 近端着丝粒染色体(acrocentric chromosome): 着丝粒靠近染色体的一端,位于染色体纵轴的7/8~近末端之间,短臂很短。
  • 端着丝粒染色体(telocentric chromosome): 着丝粒位于染色体的一端,形成的染色体只有一个臂。在人类正常染色体中没有这种端着丝粒染色体,但在肿瘤细胞中可以见到。

着丝粒-动粒复合体介导纺锤丝与染色体的结合[编辑]

动粒(kinetochore)是由多种蛋白质组成的存在于着丝粒两侧的圆盘状结构。每一中期染色体含有两个动粒,是细胞分裂时纺锤丝微管附着的部位,与细胞分裂过程中染色体的运动密切相关。在细胞分裂后期,微管牵引着两条染色单体向细胞两极移动,动粒起着核心作用,控制着微管的装配和染色体的移动。
着丝粒-动粒复合体(centromere-kinetochore complex)是由着丝粒与动粒共同组成的一种复合结构,两者的结构成分相互穿插,在功能上紧密联系,共同介导纺锤丝与染色体的结合。它包括三种结构域:动粒域(kinetochore domain)、中心域(central domain)及位于中心域内表面的配对域(pairing domain)。
动粒域位于着丝粒的外表面,包括外、中、内三层式板状结构的动粒和围绕在动粒外层的纤维冠。动粒外层电子密度中等,厚约30~40nm, 是纺锤丝微管连接的位点;中层电子密度最低,呈半透明状,无特定的结构,厚约15~60nm;内层电子密度高,厚约15~40nm, 与着丝粒中心域相联系。在没有动粒微管存在时,外 层表面还可见覆盖着一层由动力蛋白构成的纤维冠(fibrous corona), 是支配染色体运动和分离的重要结构。动粒域主要含有与动粒结构、功能相关的蛋白质,常为进化上高度保守的着丝粒蛋白(centromere protein, CENP)以及一些与染色体运动相关的微管蛋白、钙调蛋白(CaM)、动力蛋白等。
中心域位于动粒域的内侧,是着丝粒区的主体,由富含重复DNA序列的异染色质组成,能抗低渗膨胀和核酸酶消化。对着丝粒-动粒复合体结构的形成和正常功能活性的维待有重要作用。
配对域在中心域内表面,是有丝分裂中期姐妹染色单体相互作用的位点。该结构域分布有两类重要蛋白,即内着丝粒蛋白(inner centromere protein, INCENP)及染色单体连接蛋白(chromatid linking proteins, CLIPs)。在细胞分裂期,这些蛋白与姐妹染色单体的配对、分离有密切关系,伴随着染色单体之间分离的发生,INCENP可迁移到纺锤体赤道区域,而CLIPs则会逐渐消失。
着丝粒动粒复合体的三种结构域在组成及功能上虽有区别,但当细胞进入有丝分裂时,它们彼此间需要相互配合、共同作用,才能确保有丝分裂过程中染色体与纺锤体的整合,为染色体的有序配对及分离提供了结构基础。

次缢痕并非存在所有染色体上[编辑]

有些染色体的长、短臂上可见凹陷缩窄区,称为次缢痕(secondary constriction), 次缢痕为染色体上除主缢痕外的浅染缢缩部位,为某些染色体所特有的形态特征。次缢痕在染色体上的数目、位置及大小通常较恒定,可作为染色体鉴定的一种常用标记。

随体是位于染色体末端的球状结构[编辑]

人类近端着丝粒染色体短臂的末端,可见球状结构,称为随体(satellite)。随体通过柄部凹陷缩窄的次缢痕与染色体主体部分相连。随体主要由异染色质组成,含高度重复DNA序列,其形态、大小在染色体上是恒定的,是识别染色体的重要形态特征之一。有随体染色体的次缢痕部位含有多拷贝rRNA基因(5S rRNA除 外),是具有组织形成核仁能力的染色质区,与核仁的形成有关,此区称为核仁组织区(nucleolus organizing region, NOR)。

端粒是染色体末端的特化部分[编辑]

在染色体两臂的末端由高度重复DNA序列构成的结构,称为端粒, 它是染色体末端必不可少的结构。端粒有以下功能:①保证染色体末端的完全复制,端粒DNA 提供了复制线性DNA末端的模板;②在染色体的两端形成保护性的帽结构,使DNA免受核酸酶和其他不稳定因素的破坏和影响,使染色体的末端不会与其他染色体的末端融合,保持染色体的结构完整;③在细胞的寿命、衰老和死亡以及肿瘤的发生和治疗中起作用。在正常情况下,染色体末端彼此之间不发生融合,但当染色体发生断裂而端粒丢失后,染色体的断端可以彼此粘连相接,形成异常染色体。

核型与带型[编辑]

核型(karyotype)是指一个体细胞中的全部染色体,按其大小、形态特征顺序排列所构成的图像。将待测细胞的核型进行染色体数目、形态特征的分析,称为核型分析(karyotype analysis)。
根据染色体的长度和着丝粒的位置,将人类体细胞的46条染色体进行配对,顺序排列编号,其中22对为男女所共有,称为常染色体(autosomal chromosome), 编为1~22号,并分为A、B、C,D、E、F, G 7个组,A 组最大,G组最小。另一对随男女性别而异,称为性染色体(sex chromosome)。女性为XX染色体,男性为XY染色体。X染色体较大,为亚中着丝粒染色体,列入C组;Y染色体较小,为近端着丝粒染色体,列入G组。
按照国际标准,核型的描述包括两部分内容,第一部分是染色体总数(包括性染色体),第二部分是性染色体组成,两者之间用逗号隔开。正常女性核型描述为46,XX。正常男性核型描述为46,XY。
通常采用常规染色和显带染色技术来辨别染色体。常规染色方法所得到的染色体标本,除着丝粒和次缢痕外,整条染色体着色均匀,因此在核型分析中,除A组和E组外,组内各号染色体均难以准确鉴别。显带染色则能精确识别每一条染色体。
显带技术将染色体标本经过一定程序处理,并用特定染料染色,使染色体沿其长轴显现出明暗或深浅相间、宽窄不等的横行带纹,构成了每条染色体的带型。每对同源染色体的带型基本相同且相对稳定,不同对染色体的带型不同,因此通过显带染色体核型分析,除可准确地识别每条染色体外,还能检测各条染色体的微小变化,如缺失、易位等,这大大提高了核型分析的精确度。
目前常用的染色体显带方法有G带法、Q带法、R带法及高分辨显带等方法,这些方法可以恒定的显示入体24条染色体的特异性带型, 表明了带型的客观性和应用性,为识别染色体的改变提供技术分析基础,为临床上某些疾病的诊断和病因研究提供了有效的手段。