第三节 染色质和染色体

WFlemming于1879年提出染色质这一术语以描述核中强嗜碱性物质，之后 WWaldeyer于1888年提出染色体的命名。染色质 (chromatin)是细胞间期核内呈细 微纤丝状，弥散在细胞核中，形态不规则的能被碱性染料染色的 DNA－蛋白质纤维。染色体 (chromosome)是细胞进入分裂过程中，细微纤丝状的染色质经过盘绕折叠形 成高度螺旋化和折叠并最终凝集形成的条状或棒状 DNA－蛋白质纤维。染色质与染色 体是同一遗传物质在不同细胞周期阶段、执行不同生理功能的不同存在形式。

一、 染色质和染色体的化学组成 

染色质和染色体的主要成分是 DNA、组蛋白、非组蛋白和少量 RNA。DNA 和组 蛋白的含量较稳定，非组蛋白和 RNA 的含量常随细胞生理状态不同而发生变化。DNA 和组蛋白的含量比接近 1∶1，二者总量可占染色质 (染色体)总组成的98％ 以上。

(一) DNA 

1868年，人们在细胞中发现 DNA 这种物质，1924年确定其为染色体的主要成分 之一，1953 年JD。Watson和 FHC。Crick公布 DNA 分子的双螺旋结构，之后确认 DNA 分子是除少数病毒外的所有生物的遗传信息的物质载体。DNA 是由数量巨大的腺嘌呤 (A)、鸟嘌呤 (G)、胸腺嘧啶 (T)和胞嘧啶 (C) 四种脱氧核糖核苷酸通过３′，５′－磷酸二酯键连接而成的生物大分子物质。DNA 呈双 螺旋结构，两条核苷酸序列按 A 对 T，G 对 C 的碱基互补配对原则排列。真核细胞中每条未复制的染色体均含有一条线型DNA分子。在正常情况下，同一物种不同的间期体细胞中DNA分子结构及含量都是一致的，而不同的物种间的细胞内DNA的含量和长度均存在很大差异。

真核细胞的DNA序列根据分子组成可分为单一序列和重复序列两大类型。重复序列又可分为中度重复序列和高度重复序列。单一序列(unique sequence)，也称为单拷贝序列(single-copy sequence)，是只有单一拷贝或少数几个拷贝的序列。单一序列一般为有编码功能的基因。中度重复序列(middle repetitive sequence)，是序列长度为几百个到几千个bp，有101~105个拷贝的序列。中度重复序列多数是构成基因内和基因间的间隔序列，不具有编码蛋白的功能，却在基因调控中起着重要作用，可涉及DNA的复制、RNA的转录及转录后加工等各方面。在中度重复序列中，也有一些是有编码功能的基因，如rRNA基因、tRNA基因、核糖体蛋白基因、组蛋白基因等。高度重复序列(highly repetitive sequence)，是序列长度为几个至几十个bp，有超过105个拷贝的序列。高度重复序列有些散在分布，有些串联重复，集中在染色体的端粒、着丝粒区，不具转录功能，主要是组成结构基因间的间隔，维系染色体的结构，也可能与减数分裂中同源染色体联会相关。

一条功能性的DNA分子要进行自我复制必须包含三类不同的功能序列：复制源序列、着丝粒序列和端粒序列。①复制源序列(replicationoriginsequence)：它是DNA进行复制的起始点。真核生物细胞中多个复制源序列可被成串激活，该处的DNA双链解旋并打开，形成复制叉。即一条DNA分子上可同时在多个复制源序列处形成多个复制叉，DNA分子可在不同部位同时进行复制。所有的复制源序列均有一段富含AT的同源性很高的长度为11~14bp的保守序列：000bp－A(T)TTTAT(C)A(G)TTTA(T)－200bp，这段序列和其上下游各200bp左右的区域是维持复制源功能所必需的。②着丝粒序列(centromeresequence)：它是真核生物在细胞分裂时，两个姐妹染色单体间的连接区域序列。着丝粒序列具有两个彼此相邻的核心区，即80~90bp的AT区和含有１１个高度保守的碱基序列：－TGATTTCCGAA－。③端粒序列(telomere sequence)：它是存在于真核生物染色体的末端的序列。端粒序列是在进化中高度保守的串联重复序列，其双链中一条３′端富含TG，互补链富含CA。端粒序列可以维持DNA分子末端复制的完整性与染色体的稳定性。

(二)组蛋白

组蛋白(histone)是真核生物染色体的基本结构蛋白，其总量与DNA大致相等，等电点一般在pH值100以上，为碱性蛋白质。组蛋白富含带正电荷的赖氨酸和精氨酸等碱性氨基酸，可以和带有负电荷的DNA紧密结合。根据组蛋白中精氨酸/赖氨酸的比值，可以将组蛋白分为5种：H1、H2A、H2B、H3和H4。这5种组蛋白从功能上可分为两大类：①核小体组蛋白：包括H2A、H2B、H3和H4。核小体组蛋白各两分子构成八聚体。核小体组蛋白在进化上高度保守，无组织和种属特异性。②H1组蛋白：H1组蛋白位于在封闭DNA进入和离开组蛋白八聚体核心的位点上，起连接核小体的作用，可赋予染色质以极性，并与染色体高级结构的构建相关。H1组蛋白有一定的组织和种属特异性。

组蛋白在细胞周期的S期与DNA同时合成。在细胞质中合成后随即转移到细胞核内，与DNA紧密结合，装配形成染色质。乙酰化可以使组蛋白与DNA的结合减弱，DNA解旋，有利于DNA复制及转录，甲基化可以增强组蛋白和DNA的相互作用，降低DNA的转录活性。

(三)非组蛋白

非组蛋白(non－histone)是染色质中除组蛋白之外的所有蛋白质的总称。富含天冬氨酸、谷氨酸等，为带负电荷的酸性蛋白质。该类蛋白质数量少，种类多，目前用双向凝胶电泳法已分离出500多种，包括启动蛋白、调节蛋白、染色体骨架蛋白和参与核酸代谢及染色质化学修饰的相关酶类。其含量常因细胞的类型及生理、病理状态的不同而发生变化，一般功能活跃细胞的染色质中非组蛋白含量比不活跃的高。非组蛋白的重要特性之一，是在细胞周期的不同时相或基因表达的不同阶段发生高度磷酸化。非组蛋白的磷酸化修饰是基因表达调控的重要环节。多数非组蛋白能与特异DNA序列识别并结合，启动并促进基因的复制及转录，调控基因的表达。非组蛋白还可以帮助DNA进一步盘曲折叠，促进染色体的构建。

 

(四)RNA

染色质中含少量RNA，但含量变化很大，它们是染色质的正常组成成分，或是转录出来的各种RNA的残存，尚有争论。

二、常染色质与异染色质

在细胞间期根据染色质的螺旋化程度及功能可分为两类：常染色质和异染色质。

(一)常染色质

常染色质(euchromatin)是指间期核中处于伸展状态，纤维折叠压缩程度低，用碱性染料染色浅而均匀的具有转录活性的染色质(图７Ｇ３Ｇ１)。常染色质是染色质的主要成分，大部分位于间期核中央，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，并常以袢环的形式伸入核仁内。其DNA成分主要由单一序列和中度重复序列构成。在细胞分裂期，常染色质位于染色体的臂。常染色质的凝缩状态同基因的活性相关。活性表达的基因一定处于常染色质状态，而常染色质状态中的基因并非全活性表达，通常只有一小部分基因在转录，因此，位于常染色质状态是基因表达的必要条件，而不是充分条件。

图 ７Ｇ３Ｇ１　 常染色质 (浅染区)

异染色质 (深染区)

(二)异染色质

异染色质(hetero chromatin)是指间期核中处于凝缩状态，纤维折叠压缩程度高，用碱性染料染色深，一般不具转录活性的染色质。在电镜下，可见异染色质多位于核周近核膜处和核仁的周围，异染色质可分为结构异染色质和功能异染色质两类。

１结构异染色质　结构性异染色质又称为组成性异染色质或恒定性异染色质，是各类细胞除复制期外，整个发育过程都处于凝集状态的染色质。它是异染色质的主要类型，由高度重复的DNA序列组成，具有显著的遗传惰性，不具有转录活性，在分裂中期染色体上多位于着丝粒、端粒、次缢痕及染色体臂的凹陷部位。与常染色质相比，其复制行为表现为晚复制、早凝缩。

２功能异染色质　功能异染色质又称为兼性异染色质，是生物体的某些细胞类型或一定的发育阶段，处于凝缩失活状态，而在其他时期则舒展为常染色质的异染色质。这种异染色质可以向常染色质转变，恢复其转录活性。例如，人类女性体细胞中的两条X染色体，在胚胎发育第16天，其中一条是有活性的，另一条异固缩为X染色质。功能异染色质总量随不同细胞类型而变化，一般胚胎细胞含量较少，而高度分化的细胞含量较多，这说明随着细胞分化，较多的基因渐次以聚缩状态形式关闭，即二者的转化可能是关闭基因活性的一种有效途径。

   常染色质和异染色质是同一物质的不同存在形式，它们的化学组成相同，而核苷酸的排列顺序及折叠情况不同，也可能与组蛋白的分布差异相关。

三、染色体的形态结构及组装

(一)染色体的形态结构

染色体是细胞进入分裂期由染色质高度凝集而形成的具有特定形态的棒状结构，在图７Ｇ３Ｇ２　中期染色体的结构模式细胞周期中，染色体进行凝缩和松展的周期性变化。在有丝分裂中期，染色体螺旋化程度达到顶峰，形成形态特征最为典型的高度凝缩的染色体，称为中期染色体。中期染色体常用于染色体研究和染色体病的诊断。在细胞分裂间期，组成染色体的DNA和组蛋白经过复制和组装，实现遗传物质的加倍。因此，每条中期染色体由两条相同的染色单体构成，而每一条染色单体是由一条DNA双链经过螺旋折叠形成的，两者在着丝粒处相连。这两条染色单体互称为姐妹染色单体。染色体被着丝粒分为长臂和短臂，并存在主缢痕、次缢痕、随体和端粒等不同的结构域(图７Ｇ３Ｇ２)。

图 ７Ｇ３Ｇ２　 中期染色体的结构模式

１着丝粒　在中期染色体的两条姐妹染色单体的连接处，存在一个向内陷的且浅染的缢痕，称为主缢痕或初级缢痕。着丝粒(centromere)是位于主缢痕内两条姐妹染色单体相连处的高度重复的异染色质组成的染色质。在主缢痕两侧由蛋白质构成的已特化的圆盘状结构称为动粒(kinetochore)。动粒是细胞分裂时纺锤丝动粒微管的附着部位，参与细胞分裂后期染色体向两级的移动。每一动粒上可连接4~40条微管，染色体主缢痕也称为着丝粒－动粒复合体(图７Ｇ３Ｇ３)，该区域可划分为三种结构和功能域：①动粒结构域：位于着丝粒外表面，由动粒及动粒外层的纤维冠组成，为3层板状结构，包括致密的外层、低密度的中层和致密的内层。纤维冠主要功能是促使染色单体分离的马达蛋白与纺锤丝微管连接，支配染色体的运动及分离。②中央结构域：位于动粒结构域的内表面，含有高度重复序列DNA，对着丝粒－动粒复合体结构的形成和活性的维持具有重要作用。③配对结构域：位于中央结构域的内表面，姐妹染色单体的连接处，在此区域有两种蛋白，即染色单体蛋白和内着丝粒蛋白。以上三种结构域共同发挥作用，确保细胞有丝分裂过程中染色体与纺锤丝的整合，以及染色体的有序分离。

图 ７Ｇ３Ｇ３　 着丝粒 － 动粒复合体的结构模式

着丝粒将染色体分为短臂(p)和长臂(q)两部分。根据中期着丝粒在染色体上的位置，可将染色体分为4种类型(图７Ｇ３Ｇ４)：①中着丝粒染色体：着丝粒位于或靠近染色体中央(1/2~5/8)，长短臂长度大致相等；②亚中着丝粒染色体：着丝粒略偏向一端(5/8~7/8)，长短臂差异较大；③近端着丝粒染色体：着丝粒接近染色体的一端(7/8~末端)，短臂很小，常具有随体和次缢痕；④端着丝粒染色体：着丝粒位于染色体的一端，染色体中只有一个臂。人类正常染色体中只有前三种类型，而在肿瘤细胞中可见到端着丝粒染色体。

图 ７Ｇ３Ｇ４　 染色体的四种类型

a 、 b 近中央着丝粒染色体; c 、 d 亚中着丝粒染色体; e 近端着丝粒染色体;

f. 次端着丝粒染色体 (某些动物具有)

次缢痕是某些染色体上除主缢痕以外的凹陷狭窄浅染部位。次缢痕并非存在于所有染色体上，它是一些染色体特有的形态表现。次缢痕在染色体上的位置，大小和数目通常是恒定的，故可作为鉴别染色体的一种标记。

３.端粒(telomere)　端粒是染色体两臂末端主要由高度重复DNA序列组成的特化结构。端粒通常由富含G的端粒DNA和蛋白构成。所有端粒都不含有功能基因，由相同的短串联重复序列构成，且该重复序列具有种属特异性，进化上高度保守。如哺乳类和其他脊椎动物的端粒重复序列的保守序列均为TTAGGG，重复500~3000次，长度在2~20kb。端粒蛋白可保护端粒免受酶类降解。

端粒是染色体末端必不可少的结构，其功能主要包括：①保证DNA复制的完整性：端粒DNA为线性DNA末端的复制提供模板；②维持染色体的稳定性：端粒在染色体两端形成保护性帽结构，使DNA免遭核酸酶及其他因素的破坏和影响，保证染色体末端不与其他染色体末端融合，确保染色体的结构完整。染色体端粒如果丢失，容易和其他无端粒的染色体末端发生融合，导致各种染色体结构畸变的发生；③起到细胞分裂计时器的作用：端粒核苷酸复制与基因DNA不同，它每复制一次就缩短50~100bp，即随细胞分裂而变短，当缩短到一定程度时，便会发出某种信号，使细胞退出细胞周期而分化或者死亡；④参与染色体在核内的分布和减数分裂时同源染色体的配对。

端粒酶由与端粒DNA互补的RNA和蛋白质组成，它能够以自身RNA为模板反向合成端粒DNA，使端粒得到补充。正常体细胞此酶缺乏活性，但在肿瘤细胞中被激活，细胞分裂依然保持端粒的长度，使细胞逃避死亡而永生。

４. 随体(satellite)　随体是指位于近端着丝粒染色体短臂末端的球状或棒状染色体节段。随体通过柄部凹陷缩窄的次缢痕与染色体的主要部分相连。随体主要由异染色质组成，含有高度重复序列，而连接随体的次缢痕区是rRNA基因(5SrRNA基因除外)大量存在的部位。随体染色体的次缢痕部位是具有组织形成核仁能力，维持核仁形态结构的染色质区，故又称为核仁组织区(nucleolarorganizingregion，NOR)。随体的形态、大小在染色体上是恒定的，因此是识别染色体的重要形态特征之一。

(二)染色体的组装

染色质的基本单位是核小体，核小体在串联的基础上进一步折叠压缩形成高级结构，最终组装成染色体。

１核小体　在电镜下，染色质是由若干核小体间隔排列形成的念珠状结构。核小体由核心颗粒和DNA长链构成。核心颗粒八聚体是由四种组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两分子组成，两个H3、H4二聚体结合形成四聚体，位于核心颗粒中央，两个H2A、H2B二聚体位于四聚体两侧。八聚体表面上约有146bp的DNA链缠绕1.75圈，形成呈扁圆形的核小体(图７Ｇ３Ｇ５)。２个核小体间由长约60个碱基对的DNA链连接，组蛋白H1位于连接区DNA的表面。多个核小体组成一条直径约为10nm的念珠状纤维结构，被称为染色质组装的一级结构。核小体念珠的形成，使DNA长度压缩约7倍。

图 ７Ｇ３Ｇ５　 核小体结构模式

２螺线管　大多数染色质以一种30nm的染色质纤维形式存在，在核小体的基础上，在H1参与下使核小体紧密连接，螺旋缠绕形成的中空螺线管(solenoid)。螺线管每圈包含6个核小体，螺距11nm，外径30nm，内径10nm(图７Ｇ３Ｇ６)。每个组蛋白H１分子由一个球形中心区和两个氨基酸臂组成。H1分子通过球形中心区与核小体的特殊位点结合，两个氨基酸臂与相邻核小体组蛋白核心上相应的位点作用，使核小体组装成规则的重复排列结构。H1位于螺线管内部，可稳定螺线管的结构。螺旋管的形成使核小体念珠样结构压缩了６倍，是染色质组装的二级结构。

图 ７Ｇ３Ｇ６　 电镜下螺线管的结构

３．四级折叠模型　30nm的螺线管进一步螺旋压缩形成直径为0.2~0.4μm筒状结构，称为超螺线管(supersolenoid)。超螺线管使螺线管结构压缩40倍，是染色质组装的三级结构。超螺线管进一步螺旋压缩形成染色单体再被压缩5倍，构成染色质组装的四级结构(图７Ｇ３Ｇ７)。四级包装过程使DNA长度总共压缩8400倍。

图 ７Ｇ３Ｇ７　 染色体组装的四级折叠模型

4.细胞骨架－放射模型　 

该模型认为，在染色体中存在一个由非组蛋白构成的支架，称为染色体骨架(chromosome scaffold)。30nm的螺旋管一端与支架的一点结合，另一端向周围辐射呈环状迂回后回到结合点处，两个结合点在支架上靠得很近，这样的环状螺线管称为袢环。该模型认为袢环是DNA复制和转录的功能单位，是间期染色质的基本存在形式。每个袢环包含315个核小体，18个袢环以染色体支架为轴心放射状排列在同一平面上，向四周伸出形成微带。微带是染色体高级结构单位，约106个微带沿轴心支架纵向排列，构成染色体单体，两条染色单体的非组蛋白支架在着丝粒区域相连(图７Ｇ３Ｇ８)。该模型与细胞分裂中期染色体的电镜下形态相吻合。

图 ７Ｇ３Ｇ８　 染色体组装的细胞骨架 － 放射模型