核小體結構

原圖鏈接愛問知識網

核小體結構染色體的包裝─超螺旋結構：染色體的包裝實際上是指細胞核DNA在雙螺旋基礎上的進一步結構變化,巨大的DNA鏈要包裝成染色體需經多層次的結構變化才能實現.這些結構變化總的看是更高層次的超螺旋形成.上面討論的核小體,可視為染色體DNA的一級包裝,即由直徑2nm的DNA雙螺旋鏈繞組蛋白形成直徑11nm的核小體"串珠"結構.若以每鹼基對沿螺旋中軸上升距離為0.34nm計,200bpDNA(一個核小體的DNA片段)的伸展長度為68nm,形成核小體後僅為11nm(核小體直徑),其長度壓縮了6-7倍.在低離子強度和去H1組蛋白的條件下,電鏡下可清晰地看到染色體一級包裝的核小體纖維。若增大離子強度,並保留H1,通過電鏡可觀察到10nm纖維會折轉成較粗的30nm纖維,這種纖維即染色體DNA的二級包裝,目前較公認的二級包裝結構模型是螺線管纖維(solenoidalfiber).它是由核小體纖維盤繞形成的一種中空螺線管,其外徑為30nm,每圈含6個核小體,因此,螺線管的形成使DNA一級包裝又壓縮小6倍.

目錄

相關介紹

近日， 美國猶他州大學癌症中心的研究人員發現一種與細胞生長相關的特殊分子結構類型，它能幫助基因在正常結構出現之前正確地關閉其功能。

在所有的生物體中， 染色體被基因組分隔開。將長鏈DNA壓縮後分離出來的具有功能的片段就是基因，基因的功能被看作是整個細胞機器的構建藍圖。

然而，不同類型的細胞需要不同類型的細胞機器，並且必須根據一個生物學周期來生成那些細胞機器。分子生物學的一個核心問題是要了解細胞是怎樣在基因的調節下被激活或打開，而這些基因又是如何抑制或關閉的。

對該課題的研究將直接關係到人類的疾病，而不恰當的激活或調節細胞生長的基因受抑制是癌細胞生長的共同特徵。

研究人員必需了解在正常細胞中基因是如何被激活的，而在 癌細胞中這些基因又是如何被錯誤調節的。

他們對組蛋白進行了研究，組蛋白被基因包裹後就形成的 盤狀結構是核小體，核小體就像是穿在DNA鏈上的珠子。正常的核小體能成組存取細胞機器並能閱讀基因中含有的信息，保持基因的關閉或被抑制狀態。

研究人員在這些基因中發現一種特殊類型的核小體蛋白——Htz1，包含Htz1蛋白的核小體易碎，這也意味着它允許執行細胞機器發出的基因指令。當基因重新回到不活動狀態時，Htz1核小體就會重新形成，並準備再次閱讀基因。

組蛋白是將DNA摺疊形成染色質的關鍵蛋白。近年修飾後的組蛋白對基因表達的調控作用可以說是研究的熱門領域之一，對於組蛋白究竟是如何對轉錄進行調控的人們了解的並不多。最近由來自猶他州大學醫學系的研究人員通過對全基因組酵母中的Htz1蛋白研究發現組蛋白很有可能是通過從特定類型的啟動子上脫離下來，而激活了轉錄作用的。文章發表在10月21日的Cell上，文章的第一作者為華人科學家張海英（音譯：Zhang Haiying）。

組蛋白是真核生物染色體的基本結構蛋白,是一類小分子鹼性蛋白質,有五種類型：H1、H2A、H2B、H3、H4，它們富含帶正電荷的鹼性氨基酸,能夠同DNA中帶負電荷的磷酸基團相互作用。Htz1就是酵母中的H2A蛋白。

5種組蛋白在功能上分為兩組：一組是核小體組蛋白(nucleosomal histone),包括H2A、H2B、H3和H4,這四種組蛋白相對分子質量較小(102～135個氨基酸殘基),它們的作用是將 DNA分子盤繞成核小體。它們沒有種屬及組織特異性,在進化上十分保守,特別是H3和H4是所有已知蛋白質中最為保守的。H1屬於另一組組蛋白,它不參加核小體的組建,在構成核小體時起連接作用,並賦予染色質以極性。H1有一定的組織和種屬特異性。H1的相對分子質量較大,有215個氨基酸殘基,在進化上也較不保守。

張海英利用 染色質免疫沉澱技術（chromatin immunoprecipitation assay,ChIP）*對酵母基因組範圍內的Htz1的定位與動力學（dynamics）進行研究。研究發現，Htz1與上百種抑制/基礎Ⅱ類聚合酶啟動子相結合，並且傾向與和叫少TATA序列的啟動子結合。

• 生物通註：染色質免疫沉澱技術是目前唯一研究體內DNA與蛋白質相互作用的方法。對其作用原理可見安捷倫推出分析基因調控的芯片平台。

Htz1常常與SWR1複合物同時結合在特定的啟動子上，同時Htz1纏繞DNA形成核小體也存在着特定的修飾作用，這需要Gcn5（一種組蛋白乙酰化轉移酶）和Bdf1（SWR1複合物中的一個亞基，負責結合乙酰化後的組蛋白）的作用。

當酵母的生長環境發生改變的時候就會對Htz1分布的位置發生驚人的改變，這種改變最終導致了抑制/基礎啟動子被激活。Htz1可以促進基因的激活，但是卻不會對原有的抑制作用產生影響。重要的是，Htz1可以在體外純化後的染色質中被釋放，而同時H2A和H3仍結合在DNA上。因此，研究人員推論結合了Htz1的核小體使抑制/基礎啟動子位點無法暴露出來，當其從DNA上脫落後促進了轉錄的激活。

若以充分伸展的DNA雙螺旋論,每個螺線管包含了408nm(6×68nm)長度的DNA鏈,而每圈螺線管的長度幾乎等於核小體直徑,即11nm,故染色體的二級包裝相當於將DNA長度壓縮了近40倍.H1組蛋白在維持毗鄰核小體的緊密度及核小體纖維折轉形成螺線管中起了重要作用.

簡介

結構

螺線管纖維基礎上的更高一級包裝是形成環狀螺線管.電鏡觀察結果提示,這種結構是30nm、纖維纏繞在一個由某些非組蛋白構成的中心軸(centralaxis)骨架上形成的.即螺線管纖維相隔一定間距的某些區段被"拉攏"固定在蛋白軸上,從而產生了許多從骨架上伸出的纖維環(loops).動物細胞中每個纖維環包含了5-10×104bpDNA,這顯然使螺線管纖維得到了較大程度的壓縮.據認為,纖維環的形成是基因表達較理想的結構,這些環狀區是基因表達的活性單位所在.從纖維環DNA比其它區域有更伸展的結構來理解這一點似乎是合理的.由DNA雙鏈螺旋經三級包裝環狀螺線管的過程參見圖1-21的模式.上述三級包裝完成後,DNA鏈被壓縮的程度仍遠不足以形成能被細胞核容納的染色體.具環形區的螺線管纖維需進一步以某種方式盤繞、摺疊,最終完成細胞生長和繁殖的不同時期的染色體包裝.這種在更高層次上的複雜的包裝是以何種方式進行的,目前尚無明確定論.但無疑是染色體DNA包裝的重要內容.從螺線管纖維環到包裝形成染色體,應該是DNA壓縮程度最高的階段,估計在200-240倍.經各級包裝後染色體DNA總共被壓縮了數千倍,這樣,才能使每個染色體中幾厘米長(如人染色體的DNA分子平均長度為4cm)的DNA分子容納在直徑數微米(如人細胞核的直徑為6-7μm)的細胞核中。