染色质（处于细胞核中的线性复合结构）

发现过程

1879年，W. Flemming提出了染色质（chromatin）这一术语，用以描述细胞核中能被碱性染料强烈着色的物质。

1888年，Waldeyer正式提出染色体的命名。

经过一个多世纪的研究，人们认识到，染色质和染色体是在细胞周期不同阶段可以相互转变的形态结构。

成分

通过分离胸腺、肝或其他组织细胞的核，用去垢剂处理后再离心收集染色质进行生化分析，

染色质

基因组

凡是具有细胞形态的生物其遗传物质都是DNA，只有少数病毒的遗传物质是RNA。在真核细胞中，每条未复制的染色体包含一条纵向贯穿的DNA分子。狭义而言，某一生物的细胞中储存于单倍染色体组中的总遗传信息，组成该生物的基因组。真核生物基因组DNA的含量比原核生物高得多。

突变分析结果表明，并非所有基因都是细胞生存的必需基因，如酵母基因组有40%的基因属于非必需基因，果蝇基因组只有5000个必需基因，最小最简单的细胞支原体，有迄今发现的能独立生活的有机体的最小基因组（482个基因），其中只有256个必需基因。

类型

以人类基因组为例，生物基因组DNA可以分为以下几类。

1、蛋白编码序列。以三联体密码方式进行编码。编码DNA在基因组中所占比例随生物而异，在人类细胞基因组中，这一比例只有1.5%左右。这类编码序列主要是非重复的单一DNA序列，一般在基因组中只有一个拷贝（单一基因），然而，也有可能有两个或几个拷贝甚至多达上千个拷贝的情况，这些都来自于从基因家族里派生出来的重复基因或多基因。

2、编码rRNA、tRNA、snRNA和组蛋白的串联重复序列。它们在基因组中一般有20~300个拷贝，人类基因组中约含有0.3%这样的DNA。

3、含有重复序列的DNA。这类DNA在基因组中占有很大一部分。它们又可以分为两个亚类：简单序列DNA和散在重复序列。DNA转座子、LTR反转座子、非LTR反转座子和假基因都属于散在重复序列。非LTR反转座子包括短散在元件和长散在元件。典型SINE其长度少于500bp，如人和灵长类基因组中大量分散存在的Alu家族，人基因组中有50万~70万份Alu拷贝，相当于平均每隔4kb就有一个Alu序列；典型LINE其长度在6~8kb之间，如人基因组中L1家族，有100 000个L1拷贝。

4、未分类的间隔DNA。

5、高度重复DNA序列：

①卫星DNA，重复单位长5~100bp，不同物种重复单位碱基组成不同，一个物种也可能含有不同的卫星DNA序列。

②小卫星DNA，重复单位长12~100bp，重复3 000次之多，又称数量可变的串联重复序列，每个小卫星区重复序列的拷贝数是高度不变的，因此早前常用于DNA指纹技术作个体鉴定。研究发现小卫星序列的改变可以影响邻近基因的表达，基因的异常表达会导致一系列不良后效应。

③微卫星DNA，重复单位序列最短，只有1~5bp，串联成簇长度50~100bp。

二级结构

生物的遗传信息储存在DNA的核苷酸序列中，生物界物种的多样性也寓于DNA分子4种核苷酸千变万化的排列之中。DNA分子不仅一级结构具有多样性，而且二级结构也具有多态性。所谓二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。DNA二级结构构型分3种：

①B型DNA（右手双螺旋DNA），是“经典”的Watson-Crick结构，二级结构相对稳定，水溶液和细胞内天然DNA大多为B型DNA；

②A型DNA（右手双螺旋DNA），是一般B型DNA的重要变构形式，其分子形状与RNA的双链区和DNA/RNA杂交分子很相近；

③Z型DNA（左手双螺旋DNA），也是B型DNA的变构形式。

3种构型DNA中，特别是大沟的特征在遗传信息表达过程中起关键作用，基因表达调控蛋白都是通过其分子上特定的氨基酸侧链与沟中碱基对两侧潜在的氢原子供体（═NH）或受体（O和N）形成氢键而识别DNA遗传信息的。由于大沟和小沟中这些氢原子供体和受体各异以及排列不同，所以大沟携带的信息要比小沟多。此外，沟的宽窄及深浅也直接影响碱基对的暴露程度，从而影响调控蛋白对DNA信息的识别。B型DNA是活性最高的DNA构型，变构后的A型DNA仍有较高活性，变构后的Z型DNA活性明显降低。

此外，DNA双螺旋能进一步扭曲盘绕形成特定的高级结构，正、负超螺旋是DNA高级结构的主要形式。DNA二级结构的变化与高级结构的变化是相互关联的，这种变化在DNA复制、修复、重组与转录中具有重要的生物学意义。

与染色质DNA结合的蛋白负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读。

染色质蛋白

组蛋白

组蛋白是构成真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，等电点一般在pH10.0以上，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合，而且一般不要求特殊的核苷酸序列。

染色质

用聚丙烯酰胺凝胶电泳可以区分5种不同的组蛋白：H1、H2A、H2B、H3和H4。几乎所有真核细胞都含有这5种组蛋白，而且含量丰富，每个细胞每种类型的组蛋白约6×10个分子。5种组蛋白在功能上分为两组：

①核小体组蛋白。包括H2A、H2B、H3和H4。这4种组蛋白有相互作用形成复合体的趋势，它们通过C端的疏水氨基酸互相结合，而N端带正电荷的氨基酸则向四面伸出以便与DNA分子结合，从而帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构。这4种组蛋白没有种属及组织特异性，在进化上十分保守，特别是H3和H4是所有已知蛋白质中最为保守的。从这种保守性可以看出，H3和H4的功能几乎涉及它们所有的氨基酸，任何位置上氨基酸残基的突变可能对细胞都将是有害的。

②H1组蛋白。其分子较大。球形中心在进化上保守，而N端和C端两个“臂”的氨基酸变异较大，所以H1在进化上不如核小体组蛋白那么保守。在构成核小体时H1起连接作用，它赋予染色质以极性。H1有一定的种属及组织特异性。在哺乳类细胞中，组蛋白H1约有6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 为H5取代。有的生物如酵母缺少H1，结果酵母细胞差不多所有染色质都表现为活化状态。

非组蛋白

非组蛋白主要是指与特异DNA序列相结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白（sequence specific DNA binding protein)。利用凝胶延滞实验（gel retardation assay）,可以在细胞抽提物中进行检测。首先制备一段带有放射性标记的已知特异序列的DNA，将要检测的细胞抽提物与标记DNA混合，进行凝胶电泳。

非组蛋白

特性

①酸碱性：组蛋白是碱性的，而非组蛋白则大多是酸性的。

②多样性：非组蛋白占染色质蛋白的60%~70%，不同组织细胞中其种类和数量都不相同，代谢周转快。包括多种参与核酸代谢与修饰的酶类如DNA聚合酶和RNA聚合酶、HGM蛋白（high mobility group protein）、染色体支架蛋白、肌动蛋白和基因表达蛋白等。

③特异性：能识别特异的DNA序列，识别信息来源于DNA核苷酸序列本身，识别位点存在于DNA双螺旋的大沟部分，识别与结合靠氢键和离子键。在不同的基因组之间，这些非组蛋白所识别的DNA序列在进化上是保守的。这类序列特异性DNA结合蛋白具有一个共同特征，即形成与DNA结合的螺旋区并具有蛋白二聚化的能力。

④功能多样性：虽然与DNA特异序列结合的蛋白质在每一个真核细胞中只有10 000个分子左右，约占细胞总蛋白的1/50 000，但具有多方面的重要功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。如帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域；协助启动DNA复制，控制基因转录，调节基因表达等。

结构模式

虽然非组蛋白种类众多，但是根据它们与DNA结合的结构域不同，可分为不同的家族。

①α螺旋-转角-α螺旋模式（helix - turn - helix motif）

染色质

②锌指模式（zinc finger motif）

染色质

③亮氨酸拉链模式（leucine zipper motif，ZIP）

染色质

④螺旋-环-螺旋结构模式（helix - loop - helix motif，HLH）

染色质

⑤HMG框结构模式（HMG-box motif）

在发现一组丰富的高速泳动族蛋白（high mobility group protein）以后，首先命名HMG框结构模式。该结构由3个α螺旋组成 boomerang-shaped 结构模式，具有弯曲DNA的能力。因此，具有HMG框结构的转录因子又称为“构件因子（architectural factor）”，它们通过弯曲DNA、促进与邻近位点相结合的其他转录因子的相互作用而激活转录。SRY是一种HMG蛋白，在人类男性性别分化中具有关键作用，HMG蛋白由Y染色体上一个基因编码，在诱导睾丸分化途径中一些相关基因的转录活性被HMG蛋白所激活。

结构

20世纪70年代以前，人们关于染色质结构的传统看法认为，染色质是组蛋白包裹在DNA外面形成的纤维状结构。直到1974年Kornberg等人根据染色质的酶切和电镜观察，发现核小体是染色质组装的基本结构单位，提出染色质结构的“串珠”模型，从而更新了人们关于染色质结构的传统观念。

染色质

2、用非特异性微球菌核酸酶消化染色质时，经过蔗糖梯度离心及琼脂糖凝胶电泳分析，发现绝大多数DNA被降解成大约 200 bp的片段；如果部分酶解，则得到的片段是以 200 bp为单位的单体、二体、三体等。蔗糖梯度离心得到的不同组分，在波长 260 nm的吸收峰的大小和电镜下所见到的单体、二体和三体的核小体组成完全一致。如果用同样方法处理裸露的DNA，则产生随机大小的片段群体。从而提示染色体DNA除某些周期性位点之外均受到某种结构的保护，避免酶的接近。

3、应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术，研究染色质结晶颗粒，发现核小体颗粒是直径为 11 nm、高 6.0 nm的扁圆柱体，具有二分对称性。核心组蛋白的构成是先形成（H3）-（H4）四聚体，然后再与两个H2A-H2B异二聚体结合形成八聚体。

4、SV40微小染色体分析。用SV40病毒感染细胞，病毒DNA进入细胞后，与宿主的组蛋白结合，形成串珠状微小染色体，电镜观察SV40 DNA为环状，周长1 500 nm，约 5.0 kb。若 200 bp相当于一个核小体，则可形成25个核小体，实际观察到23个，与推断基本一致。如用0.25mol/L盐酸将SV40溶解，可在电镜下直接看到组蛋白的聚合体，若除去组蛋白，则完全伸展的DNA长度恰好为 5.0 kb。

1、每个核小体单位包括 200 bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白H1。

2、组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心颗粒，相对分子质量100 000，由4个异二聚体组成，包括两个H2A-H2B和两个H3-H4。

3、146 bp的DNA分子超螺旋盘旋组蛋白八聚体1.75圈。组蛋白H1在核心颗粒外结合额外 20 bp DNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。

4、两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度 60 bp，不同物种变化值为 0~80 bp不等。

5、组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列。正常情况下不与组蛋白结合的DNA，当与从动、植物中分离钝化的组蛋白共同孵育时，可以体外组装成核小体亚单位。实验表明，核小体具有自组装的性质。

6、核小体沿DNA的定位受不同因素的影响。如非组蛋白与DNA特异性位点的结合，可影响邻近核小体的相位；DNA盘绕组蛋白核心的弯曲也是核小体相位的影响因素，因为富含AT的DNA片段优先存在于DNA双螺旋的小沟，面向组蛋白八聚体，而富含GC的DNA片段优先存在于DNA双螺旋的大沟，面向组蛋白八聚体，结果核小体倾向于形成富含AT和富含GC的理想分布，从而通过核小体相位改变影响基因表达。

整个过程如下：

①最开始是H3·H4四聚体的结合，由CAF-1介导与新合成的裸露的DNA结合。

②然后是两个H2A·H2B二聚体由NAP-1和NAP-2介导加入。为了形成一个核心颗粒，新合成的组蛋白被特异地修饰。组蛋白H4的Lys5和Lys12两个位点典型地被乙酰化。

③核小体最后的成熟需要ATP来创建一个规则的间距以及组蛋白的去乙酰化。ISWI和SWI/SNF家族的蛋白参与此过程的调节。连接组蛋白（H1）的结合伴随着核小体的折叠。

④4个核小体   组成一个螺旋或由其他的组装方式形成一个螺线管结构。

⑤进一步的折叠事件将使染色质在细胞核中最终形成确定的结构。

染色质

在真核生物细胞周期的S期，染色体的完全复制不仅需要基因组DNA的复制，也需要把复制好的DNA组装成染色质。普遍认为，在复制叉的移动期间，染色质短暂地解组装，然后在两条复制好的子代DNA链上重新进行组装。新复制的DNA主要通过以下两种途径组装成染色质：第一，在复制叉的移动期间，父代的核小体核心颗粒与DNA分离，到该段DNA复制完成，父代的核小体核心颗粒直接转移到两条子链DNA的一条上；第二，染色质组装因子利用刚刚合成的、乙酰化的组蛋白介导核小体在复制DNA上组装。

染色质组装的前期过程，即从裸露DNA组装成直径30纳米的螺线管已有直接的实验证据，并被绝大多数科学家认可。然而，染色质如何进一步组装成更高级结构，直至最终成染色体的过程尚不是非常清楚，主要有两种模型。

人的每个体细胞所含DNA约6×109bp分布在46条染色体中，总长达2米，平均每条染色体DNA分子长约5厘米，而细胞核直径只有5~8微米，这就意味着从染色质DNA组装成染色体要压缩近万倍，相当于一个网球内包含有2千米长的细线。

多级螺旋模型

由DNA与组蛋白组装成核小体，在组蛋白H1的介导下核小体彼此连接形成直径约10纳米的核小体串珠结构，这是染色质组装的一级结构。不过在细胞中，染色质很少以这种伸展的串珠状形式存在。当细胞核经温和处理后，在电镜下往往会看到直径为30纳米的染色质纤维。在有组蛋白H1存在的情况下，由直径10纳米的核小体串珠结构螺旋盘绕，每圈6个核小体，形成外径25~30纳米，螺距12纳米的螺线管。组蛋白H1对螺线管的稳定起着重要作用。螺线管是染色质组装的二级结构。

Bak等（1977）从胎儿离体培养的分裂细胞中分离出染色体，经温和处理后，在电镜下看到直径0.4微米，长11~60微米的染色线，成为单位线。在电镜下观察，判明单位线是由螺线管进一步螺旋化形成直径为0.4微米的圆筒状结构，称为超螺线管，这是染色质组装的三级结构。这种超螺线管进一步螺旋折叠，形成长2~10微米的染色单体，即染色质组装的四级结构。经过四级螺旋组装形成的染色体结构，共压缩了8 400倍。

骨架-放射环结构模型

Laemmli等人用2mol/L的NaCl或硫酸葡聚糖加肝素处理HeLa细胞中期染色体，除去组蛋白和大部分非组蛋白后，在电镜下可观察到由非组蛋白构成的染色体骨架和由骨架伸出的无数的DNA侧环。此外，实验观察发现，不论是原核细胞的染色体还是两栖类卵母细胞的灯刷染色体或昆虫的多线染色体，几乎都含有一系列的袢环结构域，从而提示袢环结构可能是染色体高级结构的普遍特征。

该模型认为，30纳米的染色线折叠成环，沿染色体纵轴，由中央向四周伸出，构成放射环，即染色体的骨架-放射环结构模型。首先是直径2纳米的双螺旋DNA与组蛋白八聚体构建成连续重复的核小体串珠结构，其直径10纳米。然后按每圈6个核小体为单位盘绕成直径30纳米的螺线管。由螺线管形成DNA复制环，每18个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带。微带是染色体高级结构的单位，大约10个微带沿纵轴构建成子染色体。

功能

如果说细胞核是细胞遗传与代谢的调控中心，那么这个中心的最重要成员便是染色质。几乎所有细胞生命活动都要从染色质开始。我们知道细胞的成长、分裂甚至衰老与死亡都是受基因控制的，而细胞内基因存在与发挥功能的结构基础是染色质。与基因组直接相关的细胞活动都是在染色质水平进行的，如DNA复制、基因转录、同源重组、DNA修复，包括转录耦联的修复以及DNA和组蛋白的各种修饰。这些修饰包括甲基化、乙酰化、磷酸化、亚硝基化和泛素化等。

真核生物的基因组都是在细胞核的三维空间中发挥功能，如基因组的复制、DNA 突变、DNA 修复、基因的转录和调控、长链非编码 RNA 的传播和胚胎发育等。

分类

间期染色质按其形态特征、活性状态和染色性能区分为两种类型：常染色质和异染色质。按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染色质。

常染色质是指间期细胞核内染色质纤维折叠压缩程度低，相对处于伸展状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。在常染色质中，DNA组装比为1/2 000~1/1 000，即DNA实际长度为染色质纤维长度的1 000~2 000倍。构成常染色质的DNA主要是单一序列DNA和中度重复序列DNA。常染色质并非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，而不是充分条件。

异染色质是指间期细胞核中，染色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质。异染色质又分为结构异染色质（组成型异染色质）和兼性异染色质。结构异染色质指的是各种类型的细胞中，除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，DNA组装比在整个细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。兼性异染色质是指在某些细胞类型或一定的发育阶段，原来的常染色质聚缩，并丧失基因转录活性，变为异染色质。

活性染色质是指具有转录活性的染色质。活性染色质的核小体发生构象改变，具有疏松的染色质结构，从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合和RNA 聚合酶在转录模板上滑动。

活性染色质主要特征活性：染色质具有DNase I超敏感位点（DNase I hypersensitive site）；活性染色质很少有组蛋白H1与其结合；活性染色质的组蛋白乙酰化程度高；活性染色质的核小体组蛋白H2B很少被磷酸化；活性染色质中核小体组蛋白H2A在许多物种很少有变异形式；HMG14和HMG17只存在于活性染色质。

非活性染色质是指不具有转录活性的染色质。