染色质与染色体

第1节　染色质与染色体

染色质（chromatin）指间期细胞核中可被碱性染料着色的物质，是呈伸展状态的DNA蛋白纤维。染色体（chromosome）则是细胞处于分裂期时由染色质高度盘绕、折叠而成的棒状结构。因此，染色质和染色体是同一物质在细胞周期不同时期不同形态结构的表现形式。

一、染色质的化学组成

染色质是由DNA和相关蛋白组成的核蛋白复合体，其化学成分主要是DNA、组蛋白、非组蛋白和RNA。其中DNA和组蛋白的含量较为稳定，两者比例是1∶1，非组蛋白的含量变化较大，与所处的细胞的生理状态有关，而RNA含量最少。

（一）染色质DNA

细胞核的DNA是和蛋白质结合在一起以染色质形式存在的，DNA是染色质的主要化学成分，携带大量的遗传信息。人类一个基因组的DNA分子约为3.0×10⁹bp，包括单一序列（unique sequence）和重复序列（repetitive sequence），后者又依其重复程度的不同而分为中度重复序列和高度重复序列。

（二）染色质蛋白质

1.组蛋白

组蛋白（histone）属于碱性蛋白，富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸，与酸性的DNA紧密结合，维持染色质的结构。组蛋白根据其功能的不同可分为两大类型，即核小体组蛋白（nucleo－somal histone）（包括H2A、H2B、H3和H4）和H1组蛋白。组蛋白与DNA的结合可抑制DNA的复制和转录。

2.非组蛋白

非组蛋白（nonhistone）为酸性蛋白，含有较多的天（门）冬氨酸和谷氨酸，带负电荷，与特异的DNA序列相结合，所以又称为序列特异性DNA结合蛋白（sequence specific DNA bind－ing protein）。与组蛋白相比，非组蛋白在细胞中数量少而种类多（500多种），其生理功能各异，有的作为结构蛋白，形成染色质的高级结构；有的属于与DNA合成、修复有关的酶蛋白，或具有组织特异性的调节蛋白，促进DNA的复制和转录，调控基因的表达，等等。

（三）RNA

RNA在染色质中含量很低，不足DNA的10%。这些RNA是染色质的正常组分还是转录而来的RNA的残余，目前尚存在争议。

二、染色质的分子结构及染色体的组装

（一）染色质的基本结构单位——核小体

多年来，人们提出了很多种关于染色质的分子结构模型，1974年，Kornberg等根据染色质的酶切降解和电镜观测，认为染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome），从而提出了染色质结构的核小体模型，该结构模型受到了广泛支持并被接受。

核小体模型认为，染色质纤维由很多核小体串联形成。每一个核小体由五种组蛋白和200bp左右的DNA组成，包括核心颗粒（core particle）和连接部（linker）两部分（图2－1）。核心颗粒由大约140bp的DNA分子缠绕在组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3和H4各两分子）表面1.75圈而形成；相邻核心颗粒之间的连接部主要是大约60bp的DNA，其上结合有组蛋白H1，可锁住DNA的进出端，起到稳定核小体的作用。

图2－1　核小体结构模型

（二）染色体的组装

人体细胞中23对染色体上分布的DNA分子总长度可达2.0m左右，而细胞核的直径仅有5～8μm，所以DNA需要经过一定形式的螺旋、折叠，压缩至初长度的万分之几后方可形成染色体。首先，DNA形成核小体，无数个核小体串联成直径为10nm的染色质纤维，此过程DNA的长度大约被压缩至初长度的1／7，这是染色体包装的一级结构。而后，直径为10nm的核小体串珠链螺旋盘绕，形成外径约30nm、内径约10nm、螺距为11nm的螺线管（solenoid）。由于每周螺旋含有6个核小体，故DNA长度又被压缩至1／6。螺线管是染色体包装的二级结构。螺线管进一步盘绕螺旋，形成直径为400nm、长11～60μm的超螺线管（supersolenoid），这是染色体的三级结构。通过该组装过程，DNA再被压缩至1／40。最后，超螺线管经过再一次螺旋化，形成染色单体（chromatid），即染色体的四级结构。从超螺线管到染色单体，DNA长度压缩至1／5。可以看出，从DNA到染色单体的形成过程中，DNA通过各级螺旋化，长度压缩至初长度的1／10000～1／8000，此即染色体组装的“多级螺旋模型”（multi－ple coiling model）。

然而，关于染色体的组装过程，尤其是直径为30nm的螺线管如何进一步组装成染色体，存在一定的争议。1979年，Laemmli等提出“袢环模型”（loop model），引起了人们的较大关注（图2－2）。

该模型认为，直径为30nm的螺线管折叠成多个DNA袢环，沿染色单体纵轴向周围伸出，形成放射环，环的基部连在染色单体中央的非组蛋白支架上。后续研究提出，每18个袢环呈放射状平面排列形成微带（miniband）。微带是染色体高级结构的单位，大约10⁶个微带沿轴心支架纵向排列形成染色单体（图2－3）。

三、常染色质和异染色质

间期核中染色质根据其形态特征、折叠盘曲程度和染色性能的不同，分为常染色质（euchromatin）和异染色质（heterochromatin）两种类型。

（一）常染色质

常染色质指在间期细胞核中着色浅而均匀、折叠压缩程度低、处于伸展状态的染色质纤维，含有单一或中度重复序列的DNA分子。常染色质的功能相对活跃，但并非所有的常染色质都具有转录活性，仅有一部分常染色质可进行转录，其余常染色质则呈现相对程度的卷曲和折叠。常染色质在细胞核中央分布较多。

（二）异染色质

异染色质是指间期细胞核中折叠压缩程度高、处于聚缩状态、着色较深的染色质纤维，其中的DNA是高度重复序列。异染色质复制较晚，一般没有转录活性或具有较低的转录活性。异染色质通常位于核膜内缘和核仁周围，成为核仁相随染色质的一部分。

异染色质又可分为结构异染色质（constitutive heterochromatin）和兼性异染色质（facul－tative heterochromatin）两类。结构异染色质是指除复制期外，整个细胞周期中均呈异固缩状态的染色质，多位于着丝粒、端粒、Y染色体长臂远端2／3区段和次缢痕等处，是异染色质的主要类型。兼性异染色质是指一定细胞类型或一定发育时期，原来的常染色质聚缩、转变而来的异染色质，其基因转录活性丧失。兼性异染色质也可向常染色质转变，恢复转录活性。如女性体细胞中的X染色质，即为呈异固缩状态的、失活的X染色体，形成生殖细胞时又可转变为松散状态的常染色质，恢复活性。

图2－2　染色体袢环结构模型

四、性染色质

性染色质（sex chromatin）指性染色体（X染色体和Y染色体）在间期核中呈现出的特殊结构，包括X染色质（X chromatin）和Y染色质（Y chromatin）两种。它们在性别鉴定等方面有重要作用。

图2－3　微带与染色体模式图

（一）X染色质

1949年，Barr等在雌猫神经细胞核中发现一种浓缩小体，但雄猫没有这种结构。后来的研究表明，其他雌性哺乳动物的神经细胞或其他细胞也有同种结构，称为Barr小体（Barr body）。在对人类的研究中也发现，正常女性间期核中存在一个紧贴核膜内缘、直径约1μm、椭圆形的浓染小体，即X染色质，又称X小体（X body）（图2－4）。正常男性间期细胞核中则没有X染色质。

关于X染色质形成的本质和意义，1961年Lyon提出X染色体失活的Lyon假说，其主要内容如下。①正常女性体细胞中两条X染色体仅一条保持转录活性，另一条X染色体失去转录活性，呈现异固缩状态，即为X染色质；并且在体细胞中，无论有多少条X染色体，除一条有转录活性外，其余均将失活成为X染色质。所以，X染色体的数目等于X染色质的数目＋1。如47，XXX的个体细胞核中可见两个X染色质。②X染色体的失活发生在胚胎发育早期（妊娠16d左右）。③X染色体的失活是随机的，同时也是恒定的。异固缩的X染色体可以来自父亲，也可来自母亲，失活是随机的。然而，在某个特定细胞中，如果父源X染色体失活，则该细胞繁殖的所有子细胞都将是父源的失去活性的X染色体，所以X染色体失活又是恒定的。

Lyon假说较好地解释了为什么X染色体的基因产物水平男性同女性是一样的。根据该假说，女性两条X染色体仅一条具有转录活性，另一条X染色体异固缩化成为X染色质；而男性仅有的一条X染色体不会形成X染色质，保持着转录活性，所以男、女性X染色体上的基因产物量相等，这被称为X染色体的剂量补偿（dosage compensation）。

值得注意的是，近年来研究表明，X染色体的失活并非X染色体上全部基因失去活性，而仅是其上部分基因失活，有一部分基因仍具有转录活性。所以47，XXY的个体与46，XY的个体相比，47，XXX的个体与46，XX的个体相比，均出现了异常的临床症状，而且X染色体越多，表型异常越严重。

（二）Y染色质

正常男性间期细胞用荧光染料如盐酸阿的平（QH）染色后，通过荧光显微镜观察，细胞核内可见一强荧光小体，直径约0.3μm，称为Y染色质（Y小体）（图2－4）。Y染色质实为Y染色体长臂远端部分的异染色质被荧光染料染色后发出荧光所形成，这是男性细胞所特有的，女性细胞中不存在此小体。细胞中Y染色体的数目与Y染色质的数目是相同的。正常男性细胞核仅一个Y染色质，而47，XYY个体细胞核中可检出两个Y染色质。

图2－4　X染色质（a）和Y染色质（b）

性染色质检查在临床上可用于诊断某些性染色体病，如47，XXY患者的X染色质、Y染色质均呈阳性，45，X患者的X染色质和Y染色质均呈阴性。此外，性染色质检查还可在产前诊断时鉴定胎儿性别，从而正确判断出胎儿是否患有X－连锁遗传病。