细胞生物学高频考点（十五）之染色质内容及思维导图

乐态思

一、染色质定义
1. 间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构, 是间期细胞遗传物质存在的形式
2. 细胞内基因存在与发挥功能的结构基础
3. 与基因组直接相关的细胞活动都是在染色质水平进行，如DNA复制、基因转录、同源重组、DNA修复，包括转录偶联的修复(transcription coupledrepair)以及DNA和组蛋白的各种修饰。


二、染色质DNA
1. DNA的3种构型
（1）DNA二级结构:两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构
（2）分类：
① B型DNA：右手双螺旋的DNA，也是最稳定，最早发现的DNA构型；
② A型DNA：右手双螺旋DNA，与B型DNA的大沟和小沟有所不同，更紧密；
③ Z型DNA：左手双螺旋DNA，构型上与B型DNA有很大的不同。


2. DNA序列的复杂性
根据DNA的复性动力学研究，可把DNA的序列分为单一序列和重复序列：
（1）单一序列（非重复序列）：在一个基因组中一般只有一个拷贝，包括真核生物的结构基因等；
（2）重复序列：可分为中度重复序列（组蛋白基因和rRNA基因等）和高度重复序列（卫星DNA等）2类。
3. DNA结构稳定遗传的功能序列
进行稳定的染色体复制，染色体上必须具有3个功能单位：自主复制序列（ARS）、着丝粒序列（CEN sequence）和端粒序列（TEL sequence）。
（1）自主复制序列：染色体正常起始复制所必需，真核生物染色体上有多个ARS序列；
（2）着丝粒序列：真核生物在有丝分裂和减数分裂时，两个姐妹染色单体附着的区域，功能是形成着丝粒；
（3）端粒序列：线性染色体两端的特殊序列，由短的基本序列随机串联重复而成。功能是保持线性染色体的稳定。端粒由端粒酶根据酶内RNA序列逆转录合成而延长。
三、组蛋白
1. 组蛋白的类型和性质
组蛋白属碱性蛋白质，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，能够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用，一般不要求特殊核苷酸序列。核小体组蛋白有5种类型：H1、H2A、H2B、H3、H4，只有H1组蛋白有一定的种属和组织特异性
2. 组蛋白的功能
（1）核小体组蛋白：包括H2A、H2B、H3和H4，作用是将DNA分子盘绕成核小体，它们没有种属及组织特异性，在进化上十分保守。
（2）H1蛋白：在核小体装配中起连接作用，并赋予染色质以极性，有一定的组织和种属特异性。
3. 组蛋白的化学修饰
大多数细胞中都有部分组蛋白的某些碱性氨基酸侧链被磷酸化、乙酰化或甲基化以及ADP的核糖化等修饰，这些修饰中和了侧链的正电荷或使侧链带负电。
四、非组蛋白
1.非组蛋白的特性
非组蛋白的作用具有以下特性
（1）能识别特异的DNA序列，识别位点存在于DNA双螺旋的大沟部分；
（2）识别与结合靠氢键和离子键，而非共价键；
（3）序列特异性结合蛋白所识别的DNA序列在进化上是保守。
2. 非组蛋白的功能
（1）参与染色体的构建：帮助染色质折叠、盘曲，以形成在复制和转录功能上相对独立的结构域；
（2）启动DNA的复制：启动蛋白、DNA聚合酶、引发酶等启动和推进DNA分子的复制；
（3）调控基因的表达：基因调控蛋白以竞争性或协同性结合的方式，作用于ー段特异DNA序列上，调节有关基因的表达。


3. 序列特异性DNA结合蛋白的结构特征
参与基因表达调控的序列特异性结合的非组蛋白可分为几种不同的蛋白质家族，具有不同的与DNA结合的结构域：
（1）锌指结构基序；
（2）螺旋－转角－螺旋基序；
（3）亮氨酸拉链基序；
（4）螺旋－环－螺旋基序。
4.反式作用因子和顺式作用元件
（1）反式作用因子
反式作用因子参与基因表达调控的蛋白质因子，与特异的靶基因的顺式元件结合起作用。反式作用因子往往具有DNA结合结构域和转录活化结构域，可被诱导合成；
（2）顺式作用元件
顺式作用元件存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列，包括启动子、增强子、负调控序列和可诱导元件等。顺式作用元件提供反式作用因子的作用位点。
五、异染色质和常染色质
1.异固缩
异固缩：指有些染色体片段的凝缩周期与其他染色体不同的现象。其中在间期或前期过度凝缩，染色很深的称为正异固缩；在中期凝缩不足，染色很浅，称为负异固缩。
2.异染色质和常染色质
（1）异染色质：
间期细胞核内染色质纤维折叠压缩程度高，处于缩聚状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质，一般没有转录活性。
（2）常染色质
① 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。
② DNA组装比1/2000~1/1000
③ 主要是单一序列DNA和中度重复序列DNA（如组蛋白基因和tRNA)
④ 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。
（3）常染色质与异染色质间的转变
① 异染色质或常染色质之间随着发育时期或细胞周期的变化可能相互转化
② 异染色质与常染色质之间的转变常常需要伴随着一些组蛋白与DNA修饰


（4）常染色质与异染色质的比较


3.异染色质的分类
（1）组成性异染色质：各种类型细胞中在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色质，分布于大多数染色体的着丝粒区、端粒和次缢痕处，主要由高度重复序列构成，含基因相当少；
（2）兼性异染色质：指在一定的细胞类型或一定的发育阶段呈现凝聚状态的异染色质，如雌性细胞中一条X染色体异染色质化，称为巴氏小体，保证了雄性和雌性都只有一条具有活性的X染色体。
4.活性染色质与非活性染色质
（1）活性染色质一具有转录活性的染色质
由于核小体构型发生改变，往往具有疏松的染色质结构，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） 对DNase l超敏感 (Dnase l超敏感位点)
① 每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，长约100-200bp;
② 大部分位于基因5’端启动子区域，少部分位于其他部位;
③ 可能是为RNA聚合酶、转录因子或其他蛋白调控因子提供结合位点;
④ 超敏感位点的建立只是起始转录所必要的特征之一，建立超敏感位点的事件与保持该位点的事件可能是不同的。
（3）活性染色质的蛋白组成与修饰变化
① 活性染色质很少有组蛋白H1与其结合;
② 活性染色质的4种核心组蛋白虽然以常量存在，但是与非活性染色质相比较，活性染色质上的组蛋白乙酰化程度高;
A. 活性染色质标志: H3N端第4个赖氨酸甲基化，第9和14个赖氨酸乙酰化以及第10个丝氨酸磷酸化;
B· 非活性染色质标志: H3N端第9个赖氨酸甲基化而不是乙酰化



图9-15 H3 组蛋白修饰与染色质活性的关系

③ 与非活性染色质相比，活性染色质的核小体组蛋白H2B，很少被磷酸化;
④ 核小体组蛋白H2A在许多物种包括果蝇和人的活性染色质中很少有变异的形式存在;
⑤ 组蛋白H3的变种H3.3只在活跃转录的染色质中出现;
⑥ 非组蛋白HMG14和HMG17只存在于活性染色质，平均每10个核小体中有1个核小体是与HMG14和HMG17结合的，其氨基酸序列在进化中高度保守。
（4）活性染色质与非活性染色质
对绝大多数细胞而言，在特定阶段具有转录活性的基因只占基因总数10%以下，90%以上的基因在转录上是不活跃的。
活性染色质――具有转录活性的染色质
① 由于核小体构型发生改变，往往具有疏松的染色质结构，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 对DNaseI超敏感( Dnasel超敏感位点)
③ 一些组蛋白的修饰直接影响染色质的活性（甲基化、乙酰化、磷酸化），乙酰化一般是活性染色质的标志
非活性染色质――没有转录活性的染色质
六、染色质的基本结构一核小体
1.核小体的结构特点
核小体由200个左右碱基对的DNA和5种组蛋白结合而成。
（1）4种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各2分子组成八聚体的小圆盘，是核小体的核心结构146个碱基对的DNA在小圆盘外面绕1.75圈
（2）一分子的H1与DNA结合，锁住核小体DNA的进出口，起稳定核小体结构的作用；
（3）两相邻核小体之间以连接区DNA相连，连接区DNA的长度通常是60bp。


2.核酸酶超敏感位点
核酸酶超敏感位点是染色质DNA中对DnaseI表现出高度敏感的区域。活化染色质对DNaseI的优先敏感性是可转录染色质的一个基本特征。
（1）核酸酶超敏感位点DNA缺少核小体；
（2）核酸酶超敏感位点通常很短，最长也不过几百碱基对；
（3）核酸酶超敏感位点含有特异的DNA序列，为特异性DNA结合蛋白所识别别；
（4）核酸酶超敏感位点参与了基因表达的调控；
（5）染色质上转录活跃的区域对核酸酶也十分敏感。
3.核小体与DNA的复制
（1）大多数生物具有多拷贝的组蛋白基因；
（2）组蛋白主要是在S期合成的，与DNA合成同步进行；
（3）在DNA复制时，组成核小体的八聚体的组蛋白进行部分解离，（H3－H4）2四聚体在一起，并且在两条子代双链上随机分布，而H2A－H2B则是以两个二聚体存在，并相互分离，且随机与子代双链上原或新合成的（H3－H4）2四聚体结合组成核小体。
4.核小体与DNA的转录
正在转录的基因并不要求整个基因都处于无核小体状态，其可能机制为：
（1）转录期间的核小体卷轴模型
① RNA聚合酶在启动子开始转录
② 当RNA聚合酶接近核小体时，诱导紧挨核小体的DNA与核小体脱离，露出组蛋白八聚体的表面；
③ 露出的组蛋白八聚体表面与RNA聚合酶后面的DNA结合，因而形成一个环
④ 当RNA聚合酶继续前进时，转录过的DNA像卷轴一样围着组蛋白八聚体缠绕
⑤ RNA聚合酶后的DNA重新形成核小体，转录完成。
（2）转录期间核小体部分解体模型
① RNA聚合酶使核小体变得不够稳定，形成丢失一半组蛋白的复合物；
② 一半组蛋白核脱离DNA，转移到聚合酶后面的DNA上；
③ H2A－H2B二聚体与DNA结合形成完整的核小体。
（3）组蛋白乙酰化与DNA转录
核心组蛋白的赖氨酸残基乙酰化，与邻近的DNA作用减弱，导致基因的转录。某些转录因子与DNA结合，引起共激活子（CBP）的结合，CBP引起组蛋白的乙酰化，调节DNA转录活性。


（4）核小体的位置与DNA的转录
① 如果核小体颗粒位于某些关键调控序列的一侧，就有利于同转录因子结合；
② 核小体颗粒可将DNA上两个原本是分开的调控序列拉近便于共同与转录因子作用。



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