核小体结构

一、核小体的基本结构

核小体是真核染色质最基本的重复结构单元，除了成熟的精子之外。它们是真核DNA 最小的打包结构，细胞核内染色体最基本的结构，在控制基因表达方面有着很重要的作用。它们大概由146个DNA的碱基对以及四对被称为组蛋白的蛋白质组成，当用电子显微镜观察的时候，它们就好像是成串DNA上的水珠。Don、Ada Olins以及Roger Kornberg在1974年提出的核小体假设是了解真核状态基因表达的一个范例。组成核小体的蛋白被称为组蛋白H2A, H2B, H3和H4，它们是组成核小体的核心结构，环绕着它们DNA被包裹起来，而组蛋白H1位于核小体的底部，与核小体DNA和连接DNA相互衔接的地方，并沿着DNA延伸到衔接的部位。

通过电子显微镜观察破裂的间期细胞流出的染色质,可以看到染色质纤维呈非连续性颗粒状,就像一条细线上串联着许多有一定间隔的小珠,这些小珠状颗粒被称之谓核小体。通过酶学方法及对颗粒成分的化学分析，核小体的面目才得以展现。用一种能使DNA降解的小球菌核酶(micro coccal nuclease)处理提取的染色质,可以得到单个的核小体颗粒.也就是说,这种核酸内切酶将颗粒之间的细线──"裸露"的DNA切断了.在一定酶切条件下,颗粒中所包含的DNA长度总是稳定在200bp左右.DNA片段大小通过凝胶电泳很容易鉴定出来.对染色质进行部分酶解处理,使之产生一系列不同长度的DNA片段,结果发现这些片段之间有一个共同的"阶差",而此"阶差"值恰好等于单个核小体的DNA片段大小,即200nbp左右。从上述结果不难看出,每个核小体中包含200bp左右DNA片段.以密度梯度离心法制备核小体单体,对其中的蛋白质进行化学分析得知:每一个单体中含有H2A、H2B、H3和H4各二分子(它们构成一个八聚体),H1一分子.而从核小体多聚体、三聚体、四聚体等)获得的分析结果是:相邻多聚体之间的DNA"阶差"等于核小体单体中的DNA长度(200bp左右),且多聚体分子量总是单体分子量的整倍数.通过对多种真核染色体的研究都验证了这一事实,从而得出了核小体是染色体的基本结构单位的结论.核小体重复单位是在所有真核生物中具有普遍意义的染色体基本结构,不同生物(或同种生物的不同细胞)的核小体,其DNA片段长度的有所差别,一种细胞通常有特定的平均值,一般为180--200bp.每一核小体所含的DNA与组蛋白的量大致相等.

二、核小体的功能

染色体的包装实际上是指细胞核DNA在双螺旋基础上的进一步结构变化,巨大的DNA 链要包装成染色体需经多层次的结构变化才能实现.这些结构变化总的看是更高层次的超螺

旋形成.上面讨论的核小体,可视为染色体DNA的一级包装,即由直径2nm的DNA双螺旋链

绕组蛋白形成直径11nm的核小体"串珠"结构.若以每碱基对沿螺旋中轴上升距离为0.34nm 计,200bpDNA(一个核小体的DNA片段)的伸展长度为68nm,形成核小体后仅为11nm(核小体直径),其长度压缩了6-7倍.在低离子强度和去H1组蛋白的条件下,电镜下可清晰地看到染色体一级包装的核小体纤维。若增大离子强度,并保留H1,通过电镜可观察到10nm纤维会折转成较粗的30nm纤维,这种纤维即染色体DNA的二级包装,目前较公认的二级包装结构模型是螺线管纤维(solenoidalfiber).它是由核小体纤维盘绕形成的一种中空螺线管,其外径为30nm,

每圈含6个核小体,因此,螺线管的形成使DNA一级包装又压缩小6倍.若以充分伸展的DNA 双螺旋论,每个螺线管包含了408nm(6×68nm)长度的DNA链,而每圈螺线管的长度几乎等于

核小体直径,即11nm,故染色体的二级包装相当于将DNA长度压缩了近40倍.H1组蛋白在维持毗邻核小体的紧密度及核小体纤维折转形成螺线管中起了重要作用.

除了在细胞核里面给DNA之间的紧密结合提供支架之外，核小体对于转录也有着很重要的调节作用，在转录启动的初期，核小体能阻止RNA聚合酶接近细胞不需要的成长区域。当细胞的需求发生改变的时候，染色质重组因子能改变核小体的部位以永续它们的接近。核小体同时还是染色质边界的标志，通过调节它们中心组蛋白的N-末端能够携带表型遗传信息。

三、核小体中心的结构

除了少许差异，核小体在染色质上基本上200个碱基对重复出现一次。核小体的中心

包含约146个碱基对组成的双螺旋DNA,这些碱基对在四对组氨酸上形成1.65个左手超螺旋。另外50个碱基对组成衔接DNA将核小体的中心结构分开。

四对组蛋白（H2A, H2B, H3和H4）有着类似的结构，包含3个分开的alpha螺旋。在溶液中，这些组蛋白各自形成对，被称为双体或者组蛋白对。对H3和H4，它们进一步形

成四聚物。核小体的形成最初源于H3和H4组成四聚体与双螺旋DNA的结合，随后才是

H2A-H2B双体的结合。

从晶体结构中可以看出，核小体八聚体和双螺旋DNA每个10个碱基对即有一个结合点。每个组蛋白对有3个部位与DNA结合. 每对组蛋白的中心结合点是由其中单个组蛋白

各自形成alpha螺旋与双螺旋DNA的磷酸基团形成氢键。

核小体由核心颗粒(coreparticie)和连接区DNA(linkerDNA)二部分组成.这二部分结构也是通过核酸酶解实验而确定的.核小体单体被小球菌核酸酶处理后,随着时间延长,其降解产

物(DNA片段)会逐渐缩短,从200bp降至146bp至此变为很难进一步降解的稳定状态.对此稳定降解产生进行分析,证明它是由146bp的DNA片段和H2A、H2B、H3和H4各二分子组成,这种结构称为核心颗粒(见图1-19b).而H1总是随着核心颗粒的形成而消失,通常是在

DNA被降解至160bp以后,提取物中H1丢失,提示H1位于"裸露"DNA与核心颗粒的毗邻区.

核心颗粒外,"裸露"的DNA长度为60bp左右,称为连接区DNA.连接区DNA的长度在不同物种差异较大,其范围在10--140bp.

生物物理的有关研究说明,DNA盘绕在组蛋白八聚体的周围,呈很有规律的螺旋状.虽然DNA双链分子位于核心颗粒的外围,但DNA与组蛋白八聚体的这种相互作用,对保护DNA 链免受细胞核中核酸酶的消化十分重要.根据上述结果,我们对核小体的结构可作这样的描述:染色质中的DNA双螺旋链,等距离缠绕组蛋白八聚体形成众多核心颗粒,各颗粒之间为带有H1组蛋白的连接区DNA.这种组成染色质的重复结构单位就是核小体。

[1]核心颗粒外观呈椭圆形,轴比为0.5,颗粒直径11nm,高5.5nm.绕颗粒的DNA长度为

50nm(146bp),连接区DNA长度为20nm(约60bp).

[2](H2A．H2N．H3．H4)2构成的致密八聚体位于颗粒中央,外绕1.75圈左走向的DNA链,每圈约85bpDNA,螺旋间距为2.8nm.组蛋白主要为α-螺旋,处于DNA双螺旋的大沟中.靠静电引力与DNA保持稳定结合.由于空间构象的关系,缠绕在蛋白八聚体上的DNA链并非所有部分都与组蛋白结合.

[3]相邻核心颗粒由连接区DNA连接,其伸展长度约20nm,据认为天然状况下由于核小体是紧挨着的,此一空间距离可能并不存在.H1组蛋白结合在靠核心颗粒的连接区DNA上.

四、核小体和基因调控

核小体是染色质的基本结构单位。体内外实验均证实, 核小体为基因转录的一个通用抑制子(general repressor)。由于缺少H4组蛋白，核小体不能形成的酵母细胞系中, 很多基因变