第三节  染色体结构与基因活化

按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质（active chromatin）和非活性染色质（inactive chromatin）。

（1）活性染色质: 是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。

（2）非活性染色质：是没有转录活性的染色质

一、活性染色质及非活性染色质

（一）活性染色质具有DNaseⅠ超敏感位点（DNase I hypersensitive site，DHS）

①正在转录或具有潜在转录活性而未转录的基因，对DNase I 同样敏感，说明活性染色质对DNase 的优先敏感性。

②超敏感位点大部分位于基因5''端启动子区域，少部分位于其他部位。

③超敏感位点是一段长100--200bp的DNA序列特异暴露的染色质区。 

（二）活性染色质在生化上具有特殊性

①活性染色质很少有组蛋白H1与其结合；

②活性染色质的组蛋白乙酰化程度高；

③活性染色质的核小体组蛋白H2B很少被磷酸化；

④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；

⑤组蛋白H3变种H3.3只在活跃转录的染色质中出现；

⑥HMG14和HMG17只存在于活性染色质中，与DNA结合。

（三）活性染色质在组蛋白修饰上的特异性

乙酰化一般是活性染色质的标志，而甲基化和磷酸化则在活性染色质与非活性染色质中都存在。

活性染色质的标志：H3 N端第4个赖氨酸的甲基化，第9和14个赖氨酸的乙酰化以及第10个丝氨酸的磷酸化；

非活性染色质的标志：H3 N端第9个赖氨酸甲基化而不是乙酰化。

二、染色质活化与基因激活

（一）疏松染色质结构的形成

1、DNA局部结构的改变与核小体相位的影响

（1）当调控蛋白与染色质DNA的特定位点结合时，染色质易被引发二级结构的改变；进而引起其它的一些结合位点与调控蛋白的结合。

（2）核小体通常定位在DNA特殊位点而利于转录。

2、组蛋白的修饰

    意义：一是改变染色质的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，降解影响转录活性。

（1）核心组蛋白的赖氨酸残基乙酰基化（acetylation），影响转录；

（2）组蛋白H3的甲基化（methylation）；

（3）组蛋白H1的磷酸化（phosphorylation），影响染色质的活性；

（4）不同组蛋白修饰之间的关系。

3、HMG结构域蛋白的影响：HMG结构域可识别某些异型的DNA结构，与DNA弯折和DNA-蛋白质复合体高级结构的形成有关

    核小体相位在协助转录中的作用：

（a）基因的关键调控元件被留在核心颗粒外面，从而有利于结合转录因子；

（b）位于DNA上调控元件被盘绕在核心组蛋白上，因为组蛋白，使DNA上的关键调控元件靠得很近，它们可以通过转录因子而联系

（二）染色质的区间性

1、基因座控制区（locus control region,LCR）

（1）染色体DNA上一种顺式作用元件，具有稳定 染色质疏松结构的功能；

（2）与多种反式因子的结合序列可保证DNA复制 时与启动子结合的因子仍保持在原位。

2、隔离子（insulator）

（1）防止处于阻遏状态与活化状态的染色质结构域之间的结构特点向两侧扩展的染色质DNA序列，称为隔离子。

（2）作用：

①作为异染色质定向形成的起始位点；

②作为结构域两端的铆定位点，提供拓扑隔离区，阻止增强子进入；

③涉及追踪机制。

（三）染色质模板的转录

1、基因转录的模板不是裸露的DNA；

2、染色质是否处于活化状态是决定转录功能的关键；

3、转录的“核小体犁”（nucleosome plow）假说。

第四节 染色体

染色体是细胞在有丝分裂（或减数分裂）时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密组装的结果。

一、中期染色体的形态结构

中期染色体的典型形态：是比较稳定的形态，由两条相同的姐妹染色单体（chromatid）构成，彼此以着丝点（centromere）相连。

类型：

（1）中着丝粒染色体（metacentric chromosome），两臂长度相等或大致相等；

（2）亚中着丝粒染色体（submetacentric chromosome）；

（3）亚端着丝粒染色体（subtelocentric chromosome），具有微小短臂；

（4）端着丝粒染色体（telocentric chromosome）。

染色体的主要结构：

1、着丝粒与着丝点（动粒）

着丝粒连接两个染色体，并将染色单体分为两臂：短臂（p）和长臂（q）。由于着丝粒区浅染内缢，所以也叫主缢痕（primary constriction）。着丝粒含3个结构域：

（1）动粒结构域（kinetochore domain）：

a 内板：与着丝粒中央结构域相连

b 中间间隙：电子密度低，呈半透明状

c 外板：与动粒微管结合

d 纤维冠：当外边没有动粒微管结合时，覆盖在外板上，由微管蛋白构成。

（2）中心结构域（central domain）：由卫星DNA组成的重复序列；

（3）配对结构域（paring domain）：是中期姐妹染色单体相互作用的位点。

    一经发现有两类蛋白：一类是内部着丝粒蛋白INCENP（inner centromere protein），另一类是染色单体连接蛋白CLIPS（chromatid linking protein），二者与染色单体配对有关

2、次缢痕（secondary constriction）：除主缢痕外，染色体上第二个呈浅缢缩的部分称次缢痕，次缢痕的位置相对稳定，是鉴定染色体个别性的一个显著特征。

3、核仁组织区（nucleolar organizing regions, NORs）：是核糖体RNA基因所在的区域 ，其精细结构呈灯刷状。能够合成核糖体的28S、18S和5.8S rRNA。核仁组织区位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。

4、随体（satellite）：指位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区与染色体主体部分相连。位于染色体末端的随体称为端随体，位于两个次缢痕中间的称中间随体。

5、端粒（telomere）：是染色体端部的特化部分 ，其生物学作用在于维持染色体的稳定性。

二、染色体DNA的3种功能元件

1、染色体应具备的三种功能元件：

（1）DNA复制起点：确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性；

（2）着丝粒：使细胞在分裂时，能将已复制的染色体平均分配到子细胞中去；

（3）端粒：维持染色体的独立性和稳定性。

2、染色体3种功能元件序列：

（1）自主复制DNA序列（ARS）

具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的区域是维持ARS功能所必需的。

（2）着丝粒DNA序列（CEN）

        共同点是两个相邻的核心区：80-90bp的AT区；11bp的保守区。

（3）端粒DNA序列(TEL)

端粒序列的复制、端粒酶 

三、核型与染色体显带

核型（karyotype）是指染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征的总和。

核型模式图（idiogram），将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来, 再按长短、形态等特征排列起来的图象称为核型模式图,它代表一个物种的核型模式。

核型分析：是指对生物某一个体或某一分类单位的体细胞的染色体按一定特征排列起来的图象的分析。分析方法有：常规的形态分析、带型分析、着色区段分析、定量细胞化学方法等。

    染色体显带技术：是指经过物理、化学因素处理后，再用染料对染色体进行染色，使其呈现特定的深浅不同带纹的技术。

根据产生的带在染色体上的分布分两类：

（1）带分布在整条染色体上，如G、Q、R带等

（2）带局部分布在染色体上，如C、cd、T、N带等。

人类C带核型，C带显示的是着丝粒异染色质

人类G带核型，G带显示的是染色体上富含AT的区域

人类Q带核型，Q带显示的带纹与G带相似

四、巨大染色体（多线染色体与灯刷染色体）

（一）多线染色体

多线染色体是1881年意大利细胞学家Balbiani发现的，存 在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞和某些植物细胞中。

1、来源：核内的DNA多次复制但细胞不分裂，产生的子染色体并行排列，且在体细胞内同源染色体配对，紧密结合在 一起形成。

2、多线染色体的带及间带：带和间带都含有基因，可能“管家”基因(housekeeping gene)位于带间, “奢侈”基因(luxury gene) 位于带上。

3、多线染色体与基因活性：胀泡是基因活跃转录的形态学标志。

（二）灯刷染色体（lampbrush chromosome）

灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，两栖类卵母细胞的灯刷染色体最典型。

（1）灯刷染色体的来源：卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体。

（2）灯刷染色体的超微结构。

（3）灯刷染色体的转录功能 ：合成的RNA主要是前体mRNA，有些类型的mRNA可翻译成蛋白质，有些则与蛋白质结合，暂不翻译而储存在卵母细胞中。

第五节 核仁

    核仁（nucleolus）是真核细胞间期中最显著的结构。

一、核仁的超微结构

1、纤维中心（fibrillar centers，FC）：是被致密纤维包围的一个或几个低电子密度的圆形结构，主要成分为RNA聚合酶和rDNA，这些rDNA是裸露的分子。

2、致密纤维组分（dense fibrillar component，DFC）：呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，是新合成的RNP（指结合蛋白质的rRNA），转录主要发生在FC与DFC的交界处。

3、颗粒组分（granular component，GC）：由直径15-20nm的颗粒构成，是不同加工阶段的RNP。

4、核仁相随染色质：核仁内染色质（intranucleolar chromatin）核仁周边染色质（perinucleolar chromatin）

三种基本核仁组分和rRNA的转录与加工形成RNP的不同事件有关：

1、FCs是rRNA基因的储存位点；

2、转录主要发生在FC与 DFC的交界处，并加工初始转录本；

3、颗粒组分区（GC）负责装配核糖体亚单位，是核糖体亚单位成熟和储存的位点。

二、核仁的功能

    核仁的主要功能是核糖体的生物发生（ribosome biogenesis）相关，这一过程包括rRNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配。整个过程从核仁纤维中心开始，向致密纤维组分延伸，最后到达颗粒组分。

（一）、 rRNA基因的转录

1、组织特征：位于NORs的rDNA是rRNA的信息来源。

2、形态特征:“圣诞树”样结构。

3、rRNA基因的转录采取受控的级联放大机制。

（二）、rRNA前体的加工

1.加工过程：rRNA基因（rDNA）→rRNA前体→rRNA

2.修饰与加工

3.小分子核仁RNA(snRNAs)、小分子核仁核糖核蛋白（snRNPs）

4.引导RNA（guide RNA）

（三）、核糖体亚单位的组装

1、rRNA前体加工过程是以核蛋白而不是以游离的rRNA方式进行。

2、首先成熟的核糖体小亚单位在核仁产生并很快出现在细胞质中。

3、核仁中核糖体大亚基比小亚单位多得多。

4、加工下来的蛋白质和小的RNA存留在核仁中,可能起着催化核糖体构建的作用。

5、核糖体的成熟作用只发生在转移到细胞质以后, 从而阻止有功能的核糖体与核内加工不完全的hnRNA分子接近。

6、核仁的另一个功能涉及mRNA的输出与降解。

三、核仁周期

1、核仁的动态变化

2、核仁结构的动态变化依赖于rDNA转录活性和细胞周期的运行

四、亚核结构（核体）

虽然核仁是细胞核里最显著的结构，但也存在其他一些核体（nuclear bodies）结构。

这些结构包括：Cajal体（Cajal bodies）、GEMS（Gemini of coiled bodied）以及染色质间颗粒（interchromatin granule clusters，speckles）。

与核仁一样，这样亚核结构没有膜的包被，并且是高度动态变化的。

第六节 核基质

一、核基质（nuclear matrix）

1、核基质或核骨架（nuclear skeleton）的概念

（1）狭义概念：仅指核基质，即细胞核内除了核被膜、核纤层、染色质与核仁以外的网架结构体系。

（2）广义概念：包括核基质、核纤层(或核纤层-核孔复合体结构体系),以及染色体骨架。

2、目前对核骨架的研究结论：

（1）核骨架是存在于真核细胞核内真实的结构体系；

（2）核骨架与核纤层、中间纤维相互连接形成贯穿于核与质的一个独立结构系统。

（3）核骨架的主要成分是由非组蛋白的纤维蛋白构成的, 含有多种蛋白成分及少量RNA；

（4）核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的包装与构建有密切关系。

二、核体

  1、核体概念：

    间期核内除染色质与核仁结构外，在染色质之间的空间还含许多形态上不同的亚核结构域（subnuclear domain），统称为核体 ；在细胞的各种事件中，核体可能代表不同核组分的储存或查封位点或称之为分子货仓（molecular warehouse）。

  2、螺旋体（coiled bodies，CBs）

（1）包括小核糖核蛋白质（sn RNPs）、细胞周期控制蛋白和几种基本转录因子。

（2）螺旋体的功能：

①与snRNP的生物发生（biogenesis）有关；

②CBs在基因表达协调反馈调节中有作用。

  3、早幼粒细胞白血病蛋白体（PML）功能：

（1）转录调节；

（2）病毒感染的靶结构；

（3）PML体组成的改变与某些疾病表型的发生有关；

（4）PML蛋白的功能可能是作为负生长调节子和肿瘤抑制子而发挥作用；

（5）PML可能介导程序性细胞死亡，PML体在细胞周期调控中起作用。