22第二讲_Lecture__2_核小体及其组装_讲义
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我们知道，细胞用一种高度浓缩的方式装载着它的 DNA。而这一高度浓缩的 方式就是染色体。
1、染色体组装过程 在真核细胞中从 DNA Biblioteka Baidu螺旋到染色体，DNA 装载经历四级结构变化才能实现。 首先，核小体，又称为 nucleosome，是染色体 DNA 的一级包装，即由直径 2nm 的 DNA 双螺旋链以左手螺旋缠绕在组蛋白上形成直径 11nm 的核小体"串珠"结构。 这一结构能够在电镜下清晰的看到。每个核小体由 8 个组蛋白分子和约 200 个碱 基对的 DNA 链组成。组蛋白 H1 松散的结合在核小体表面，它在稳定串珠结构和 进一步折转形成高级结构中发挥着重要的作用。随后， 11nm 的串珠结构会折转 形成较粗的 30nm 纤维，这种纤维是染色质 DNA 的二级结构。目前比较公认的二 级结构模型是螺 线管（solenoid） 模型，它是由核 小体纤维左旋盘 绕形成的一种中 空螺线管，其外 径为 30nm，螺距 为 12nm，每圈含 6 个核小体。
两个相邻核小体之间以连接 DNA 相连，其典型长度为 55bp，不同物种变化 值为 10～100bp 之间。因此，可以说染色质小体 = 组蛋白八聚体 + 146bpDNA （核心颗粒内） + 组蛋白 H1 + 20bp DNA（核心颗粒外），而核小体 = 染色质 小体 + 连接 DNA。
4、组蛋白 由核小体结构我们发现，组蛋白是染色质的主要蛋白 成分。它包括了 5 个家族，分别是组成核小体核心颗粒 的 H2A，H2B，H3 和 H4 以及结合在核小体表面的组蛋白 H1。相比较而言，核心颗粒中的 4 种组蛋白具有高度保 守的序列，而 H1 的序列则不那么保守。
核小体的结构包括了 200bp 左右的 DNA 超螺旋，一个组蛋白八聚体和一分 子的组蛋白 H1。组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。146bp 的 DNA 分子 超螺旋盘绕组蛋白八聚体 1.75 圈, 组蛋白 H1 在核心颗粒外结合额外 20bp DNA， 锁住核小体 DNA 的进出端，起稳定核小体的作用。包括组蛋白 H1 和 166bp DNA 的核小体结构又称染色质小体。
这就是构成组蛋白 8 聚体的 4 种组蛋白的三级结构。这四个核心组蛋白在结 构上相似且高度保存，均包含 n 个交替的螺旋‐缠绕结构，可以容许简单的二聚化。
其八聚体包括两个 H2A‐H2B 二聚体和一个由两个 H3‐H4 组成的四聚体。在两 个 H3‐H4 二聚体之间，两个 H3 的 C 端会形成 4 螺旋束（4 helix bundle）。而 H2A 和 H2B 则主要以两个二聚体的形式存在。
在组装过程中， DNA 会先缠绕在 H3‐H4 四聚体上，随后，两个 H2A‐H2B 二聚体分别从 上下两侧与 H3‐H4 四聚 体结合，从而形成了核 小体核心 。
这些组蛋白在氨基酸结构上都分享着保守的核心折叠区，Core 区域，且都有 着不同长度的尾巴，可用于尾部修饰。
组蛋白的主体部分都存在于核小体核心颗粒中，而这些带着修饰位点的 N 段 尾巴的位置，则可能更加灵活，这方面的科学问题还尚在研究中。
2、DNA 装载成染色体的压缩比 可以看出，DNA 装载成染色体的过程， 经历了核小体念珠，30nm 纤维螺线管， 300‐400nm 超螺线管纤维以及 700nm 染色 单体一步步的压缩过程，DNA 双螺旋压缩成 核小体的念珠结构的压缩比为 1/7，生成 30nm 纤维螺线管的压缩比为 1/6，生成 300nm 螺线圈染色质的压缩比约为 1/40，最 终形成 700nm 染色单体的压缩比约 1/5。其 合计压缩比可以达到 1/8400。在本节中，我 们主要介绍组蛋白的结构，功能以及核小体 的组装。下一节中，我们再探讨更高 级别的 染色体结 构。
随后，组蛋白 H1 结合在核小体表 面，并和两条超螺旋 DNA 结合以密封核 小体的出入口。所以，H1 的首要功能是 维持核小体上 DNA 的稳定性。同时， H1 在更高一级别，30nm 螺旋体纤维的组装 中也具有重要作用。这个我们会在下节课 来介绍。
总结一下，核小体的组装过程： 1.每个核小体单位包括 200bp 左右的 DNA 超螺旋和一个组蛋白八聚体及一
个分子 H1。 2.组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构，两个 H3‐H4 形成 4 聚体位于核
心颗粒中央，两个 H2A‐H2B 二聚体分别位于 4 聚体两侧。 3.146bp 的 DNA 分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体，组蛋白 H1 在核心颗粒外结
合额外 20bp DNA，锁住核小体 DNA 的进出端。包括组蛋白 H1 和 166bp DNA 的核小体结构又称染色质小体。 4.两个相邻核小体之间以连接 DNA 相连，生成约 200bp 的核小体。
3、核小体结构及其特点 从上面的介绍我们已经发现，在串珠结构上存 在多个核小体结构，而每个核小体结构都是重复 性的。由于核小体念珠结构这一特点，我们可以 通过琼脂糖凝胶电泳的方法检测到核小体。当念 珠结构被非特异性核酸酶消化后，通过琼脂糖凝 胶电泳能够得到图中以 200bp 为单位的单体，双 体以及三体等等。而如果用相同的方法处理裸露 的 DNA，则会得到随机大小的片段群体。由此我 们就可以确定染色质中的核小体结构。
其次， 30nm 的螺线管纤维会进一步的折转，螺旋生成超螺线管三级结构和 细胞核中高度浓缩的染色体形式。染色体高级结构的折转模式尚不明确，学界比 较认可的有袢环模型，超螺旋管模型和染色体骨架模型等。可以看到，经过层层 组装，双链 DNA 最后就以这样高度浓缩的染色体形式存在于细胞核中了。而染 色质和染色体是遗传物质在不同时期的两种形态。染色质存在于细胞有丝分裂的 间期，300nm 环状螺线管是它的基本成分；在有丝分裂开始时，染色质进一步螺 旋化成为染色体。
随后，146bp 的双链 DNA 以左旋的形式盘绕组蛋白八聚体上 1.75 圈，形成了 核小体核心结构 nucleosome core。从核小体核心俯视图可以看到，其直径约 13nm，两个 H3‐H4 形成 4 聚体位于核心颗粒中央，两个 H2A‐H2B 二聚体分别位 于 4 聚体两侧。
更具体的来看，每个异二聚体通过离子键和氢键结合约 30bp DNA 来形成核小 体核心。其中，组蛋白 H3‐H4 连接 DNA 的中部和尾部，如图中蓝绿色的 DNA 部 分。而 H2A‐H2B 二聚体则连接核小体一侧的 DNA，如图中橙色的 DNA 部分。
1、染色体组装过程 在真核细胞中从 DNA Biblioteka Baidu螺旋到染色体，DNA 装载经历四级结构变化才能实现。 首先，核小体，又称为 nucleosome，是染色体 DNA 的一级包装，即由直径 2nm 的 DNA 双螺旋链以左手螺旋缠绕在组蛋白上形成直径 11nm 的核小体"串珠"结构。 这一结构能够在电镜下清晰的看到。每个核小体由 8 个组蛋白分子和约 200 个碱 基对的 DNA 链组成。组蛋白 H1 松散的结合在核小体表面，它在稳定串珠结构和 进一步折转形成高级结构中发挥着重要的作用。随后， 11nm 的串珠结构会折转 形成较粗的 30nm 纤维，这种纤维是染色质 DNA 的二级结构。目前比较公认的二 级结构模型是螺 线管（solenoid） 模型，它是由核 小体纤维左旋盘 绕形成的一种中 空螺线管，其外 径为 30nm，螺距 为 12nm，每圈含 6 个核小体。
两个相邻核小体之间以连接 DNA 相连，其典型长度为 55bp，不同物种变化 值为 10～100bp 之间。因此，可以说染色质小体 = 组蛋白八聚体 + 146bpDNA （核心颗粒内） + 组蛋白 H1 + 20bp DNA（核心颗粒外），而核小体 = 染色质 小体 + 连接 DNA。
4、组蛋白 由核小体结构我们发现，组蛋白是染色质的主要蛋白 成分。它包括了 5 个家族，分别是组成核小体核心颗粒 的 H2A，H2B，H3 和 H4 以及结合在核小体表面的组蛋白 H1。相比较而言，核心颗粒中的 4 种组蛋白具有高度保 守的序列，而 H1 的序列则不那么保守。
核小体的结构包括了 200bp 左右的 DNA 超螺旋，一个组蛋白八聚体和一分 子的组蛋白 H1。组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。146bp 的 DNA 分子 超螺旋盘绕组蛋白八聚体 1.75 圈, 组蛋白 H1 在核心颗粒外结合额外 20bp DNA， 锁住核小体 DNA 的进出端，起稳定核小体的作用。包括组蛋白 H1 和 166bp DNA 的核小体结构又称染色质小体。
这就是构成组蛋白 8 聚体的 4 种组蛋白的三级结构。这四个核心组蛋白在结 构上相似且高度保存，均包含 n 个交替的螺旋‐缠绕结构，可以容许简单的二聚化。
其八聚体包括两个 H2A‐H2B 二聚体和一个由两个 H3‐H4 组成的四聚体。在两 个 H3‐H4 二聚体之间，两个 H3 的 C 端会形成 4 螺旋束（4 helix bundle）。而 H2A 和 H2B 则主要以两个二聚体的形式存在。
在组装过程中， DNA 会先缠绕在 H3‐H4 四聚体上，随后，两个 H2A‐H2B 二聚体分别从 上下两侧与 H3‐H4 四聚 体结合，从而形成了核 小体核心 。
这些组蛋白在氨基酸结构上都分享着保守的核心折叠区，Core 区域，且都有 着不同长度的尾巴，可用于尾部修饰。
组蛋白的主体部分都存在于核小体核心颗粒中，而这些带着修饰位点的 N 段 尾巴的位置，则可能更加灵活，这方面的科学问题还尚在研究中。
2、DNA 装载成染色体的压缩比 可以看出，DNA 装载成染色体的过程， 经历了核小体念珠，30nm 纤维螺线管， 300‐400nm 超螺线管纤维以及 700nm 染色 单体一步步的压缩过程，DNA 双螺旋压缩成 核小体的念珠结构的压缩比为 1/7，生成 30nm 纤维螺线管的压缩比为 1/6，生成 300nm 螺线圈染色质的压缩比约为 1/40，最 终形成 700nm 染色单体的压缩比约 1/5。其 合计压缩比可以达到 1/8400。在本节中，我 们主要介绍组蛋白的结构，功能以及核小体 的组装。下一节中，我们再探讨更高 级别的 染色体结 构。
随后，组蛋白 H1 结合在核小体表 面，并和两条超螺旋 DNA 结合以密封核 小体的出入口。所以，H1 的首要功能是 维持核小体上 DNA 的稳定性。同时， H1 在更高一级别，30nm 螺旋体纤维的组装 中也具有重要作用。这个我们会在下节课 来介绍。
总结一下，核小体的组装过程： 1.每个核小体单位包括 200bp 左右的 DNA 超螺旋和一个组蛋白八聚体及一
个分子 H1。 2.组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构，两个 H3‐H4 形成 4 聚体位于核
心颗粒中央，两个 H2A‐H2B 二聚体分别位于 4 聚体两侧。 3.146bp 的 DNA 分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体，组蛋白 H1 在核心颗粒外结
合额外 20bp DNA，锁住核小体 DNA 的进出端。包括组蛋白 H1 和 166bp DNA 的核小体结构又称染色质小体。 4.两个相邻核小体之间以连接 DNA 相连，生成约 200bp 的核小体。
3、核小体结构及其特点 从上面的介绍我们已经发现，在串珠结构上存 在多个核小体结构，而每个核小体结构都是重复 性的。由于核小体念珠结构这一特点，我们可以 通过琼脂糖凝胶电泳的方法检测到核小体。当念 珠结构被非特异性核酸酶消化后，通过琼脂糖凝 胶电泳能够得到图中以 200bp 为单位的单体，双 体以及三体等等。而如果用相同的方法处理裸露 的 DNA，则会得到随机大小的片段群体。由此我 们就可以确定染色质中的核小体结构。
其次， 30nm 的螺线管纤维会进一步的折转，螺旋生成超螺线管三级结构和 细胞核中高度浓缩的染色体形式。染色体高级结构的折转模式尚不明确，学界比 较认可的有袢环模型，超螺旋管模型和染色体骨架模型等。可以看到，经过层层 组装，双链 DNA 最后就以这样高度浓缩的染色体形式存在于细胞核中了。而染 色质和染色体是遗传物质在不同时期的两种形态。染色质存在于细胞有丝分裂的 间期，300nm 环状螺线管是它的基本成分；在有丝分裂开始时，染色质进一步螺 旋化成为染色体。
随后，146bp 的双链 DNA 以左旋的形式盘绕组蛋白八聚体上 1.75 圈，形成了 核小体核心结构 nucleosome core。从核小体核心俯视图可以看到，其直径约 13nm，两个 H3‐H4 形成 4 聚体位于核心颗粒中央，两个 H2A‐H2B 二聚体分别位 于 4 聚体两侧。
更具体的来看，每个异二聚体通过离子键和氢键结合约 30bp DNA 来形成核小 体核心。其中，组蛋白 H3‐H4 连接 DNA 的中部和尾部，如图中蓝绿色的 DNA 部 分。而 H2A‐H2B 二聚体则连接核小体一侧的 DNA，如图中橙色的 DNA 部分。