核小体和染色体的包装

染色体在有丝分裂开始时出现，在细胞分裂结束时消失。染色体的出现和消失给早期细胞学家提出了一个具有挑战性的问题：无丝分裂细胞中染色体的本质是什么？平均而言，一个人类细胞含有64亿个DNA碱基对，总共形成46条染色体（一个二倍体，未复制的染色体的数量）。每条未复制的染色体包含一个单独的、连续的DNA分子，染色体越大，包含的DNA就越长。每个碱基对大约长0.34 nm，60亿个碱基对可构成一个2 m长的DNA分子。2 m长的DNA如何放入直径只有10μm（1×10-5m）的细胞核中，并保持DNA酶活性和调节蛋白质合成；每个染色体上的单个DNA分子如何组织起来，才不会与其他染色体纠缠在一起。答案在于DNA分子的包装方式。

细胞中DNA分子的总长度约为2 m，而细胞核的直径仅为5～10μm。显然，细胞核必须具有DNA分子有序折叠或组装的机制，才能使DNA分子被保存下来，并在细胞核中发挥其功能。真核生物以一种特殊的方式将DNA包装成染色体。现在我们知道染色质的基本结构单位是核小体，核小体在串联的基础上进一步折叠和压缩，形成更高级的结构，最终形成染色体。

核小体是染色体的一级结构，由DNA和蛋白质组成。每个核小体单位包括1个组蛋白核心（由H2A、H2B、H3、H4各2个，以及1个H1组成）和160～250 bp的DNA。染色质是由许多核小体连成的念珠状结构。在染色质中，H2A、H2B、H3、H4的数量大致相等，H1的数量不超过它们总数的一半，组蛋白组成直径约10 nm的颗粒，由裸露的DNA连接，DNA位于核小体的外侧。X射线晶体学显示了核小体核心粒子的三维结构组成，核小体核心粒子是一个八聚体分子，2个H2A-H2B二聚体组成四聚体，位于核心颗粒中央，2个H3H4二聚体分别位于四聚体两侧。146 bp的DNA分子在八聚体的外表面缠绕1.75圈，形成核小体的核心颗粒。2个相邻的核小体之间以连接DNA分子相连，典型长度约60 bp，长度随细胞类型不同而不同，其上结合1个组蛋白分子H1。组蛋白H1锁定核小体DNA的进出，起稳定核小体的作用。多个核小体形成1条念珠状的纤维，直径约10 nm。组蛋白与DNA之间的互相作用基本不依赖核苷酸的特异序列，核小体具有自装配的性质。

核小体是染色体的一级结构。6个核小体缠绕成螺旋状，形成1个外径30 nm、内径10 nm的空心螺线管（solenoid）。螺线管是染色质包装的二级结构。

染色质包装也具有三级结构。30 nm的螺线管如何进一步组装成染色体是一个有争议的问题，染色质包装的三级结构目前被广泛接受的主要有骨架-放射环结构模型（scaffoldradial loop structure model）和染色体多级螺旋模型（multiple coiling model）两种模型。(https://www.daowen.com)

①染色体骨架-放射环结构模型。非组蛋白构成染色体支架，螺线管折叠成无数的袢环，每个袢环都起源于支架的一个点，并返回到相邻的点。18个袢环形成微带，沿着支架排列形成染色单体。人们认为，当直径30 nm的染色质纤维聚集成一系列大的超螺旋环或区域，这些环或区域可以被压缩成更粗（直径80～100 nm）的纤维时，就会出现下一个级别的DNA包装。DNA环的末端与核支架或基质相连。

②多级螺旋模型。核小体是染色体包装的一级结构，核小体被压缩6次后形成的1个螺线管是二级结构，螺线管被压缩40次后形成的1个超级螺线管是三级结构，超螺线管被进一步压缩5次后形成的染色单体，是第四级结构。根据多级螺旋模型（图9-2），当DNA分子缠绕在直径为10 nm的核小体核心颗粒上时，其长度被压缩为原来的1/7。当直径为10 nm的核小体形成螺线管时，DNA分子的长度被进一步压缩为原来的1/6。当螺线管盘绕成超螺线管时，DNA分子被压缩为原来的1/40。超螺线管再次折叠和包裹形成染色单体分子，DNA分子被压缩为原来的1/5。因此，通过染色体组装过程中的四个包装阶段，DNA分子的长度可以被压缩为原来的近万分之一。

图9-2　染色质组装的多级螺旋模型示意图