1、.Welcome to My Molecular Biology ClassYang Yang（楊洋（楊洋 教授）教授） Huazhong University of Sciences and Technology.Molecular Biology of the Gene, 5/E - Watson et al. (2004)Part I: Chemistry and Genetics Part II: Maintenance of the Genome Part III: Expression of the GenomePart IV: RegulationPart V: Methods.

2、Chapter 2 Chromosomes, chromatin, and the nucleosome(染色體，染色質和核小體染色體，染色質和核小體).nDNA is associated with proteins in cells, both prokaryotes and eukaryotes, even virusesnEach DNA and its associated proteins is called a chromosome（染色體）（染色體）.The importance of packing of DNA into chromosomes(DNA包裝為染色體的重要功能

3、）包裝為染色體的重要功能） Chromosome is a compact form of the DNA that readily fits inside the cell （染色體是（染色體是DNA的緊密結構，更適合存在于細胞中）的緊密結構，更適合存在于細胞中） To protect DNA from damage（保護（保護DNA免受損傷）免受損傷） DNA in a chromosome can be transmitted efficiently to both daughter cells during cell division（只有包裝（只有包裝成染色體的成染色體的DNA才能在

4、每次細胞分裂時有效地將才能在每次細胞分裂時有效地將DNA傳傳遞給兩個子代細胞）遞給兩個子代細胞） Chromosome confers an overall organization to each molecule of DNA, which facilitates gene expression as well as recombination（染色體將每個（染色體將每個DNA分子全面分子全面組織起來，有助于基因的表達和重組）組織起來，有助于基因的表達和重組）.Half of the molecular mass of eukaryotic chromosome is proteinIn

5、eukaryotic cells a given region of DNA with its associated proteins is called chromatin（染色質）（染色質）The majority of the associated proteins are small, basic proteins called histones（組蛋（組蛋白）白）. Other proteins associated with the chromosome are referred to as non-histone proteins（非組蛋（非組蛋白）白）, including n

6、umerous DNA binding proteins that regulate the transcription, replication, repair and recombination of DNA.Proteins in chromosome (1).Nucleosomes（核小體）（核小體）: regular association of DNA with histones to form a structure effectively compacting DNA（壓縮DNA）核小體：核小體：DNA與組蛋白結合所形成的結構與組蛋白結合所形成的結構壓縮結構的壓縮結構的DNA其

7、長度只有線性的萬分之其長度只有線性的萬分之一，而核小體結構的形成是允許一，而核小體結構的形成是允許DNA壓縮為壓縮為如此緊密結構的第一步如此緊密結構的第一步Proteins in chromosome (2). What is the cost (challenge) of compaction of DNA into chromosome? De-compaction is required when DNA needs to be accessible by other proteins for cellular activities such as replication, transc

8、ription. 2. How the challenge could be resolved? The interaction between DNA and histones is dynamic, chromosome remodeling, chromosome modification 3. What are the advantage of the challenge?Add a large layer of gene regulation.OUTLINE 1. Chromosome sequence & diversity 2. Chromosome duplicatio

9、n & segregation 3. The nucleosome 4. Higher-order chromatin structure 5. Regulation of chromatin structure.1.1 Chromosomes : circular or linear（環(huán)狀（環(huán)狀或線性染色體）或線性染色體） 原核生物：大多數只有單一的環(huán)狀染色體，但原核生物：大多數只有單一的環(huán)狀染色體，但也有大量的原核生物含有多條染色體或者線性也有大量的原核生物含有多條染色體或者線性染色體或兩者皆有染色體或兩者皆有 真核生物：所有真核細胞都含有多條線性染色真核生物：所有真核細胞都含有多

10、條線性染色體，體，2-50條條1. Chromosome sequence & diversity（染色體序列和多樣性）（染色體序列和多樣性）.1.2 Number of Chromosomes in an organism is characteristic（每個細胞都（每個細胞都有特定的染色體數目）有特定的染色體數目）. 典型的原核生物細胞僅有一個完整的染色體拷貝典型的原核生物細胞僅有一個完整的染色體拷貝 原核細胞中還經常攜帶一個或多個小的獨立的環(huán)原核細胞中還經常攜帶一個或多個小的獨立的環(huán)狀狀DNA質粒（質粒（plasmid) 質粒不是細菌生長所必需的，而是攜帶賦予細菌質粒不是細菌

11、生長所必需的，而是攜帶賦予細菌良好特性的基因（如抗生素抗性基因）良好特性的基因（如抗生素抗性基因） 每個細胞中可以有多個完整拷貝的質粒存在每個細胞中可以有多個完整拷貝的質粒存在. 大多數真核生物細胞是大多數真核生物細胞是二倍體（二倍體（diploid),一個染色體有兩個拷貝一個染色體有兩個拷貝 多倍體真核細胞（多倍體真核細胞（polyploid): 細胞中每細胞中每條染色體都超過兩個拷貝條染色體都超過兩個拷貝 巨核細胞：特化的多倍體細胞，每條染巨核細胞：特化的多倍體細胞，每條染色體有色體有128個拷貝，通過多倍體形式維持個拷貝，通過多倍體形式維持高水平新陳代謝，以生產大量的血小板高水平新陳代謝

12、，以生產大量的血小板.單倍體單倍體原核細胞原核細胞二倍體二倍體真核細胞真核細胞單倍體單倍體真核細胞真核細胞.1.3 基因組的大小與生物體復雜性相關基因組的大小與生物體復雜性相關 基因組的大?。ɑ蚪M的大?。?Genome size）：單倍染色體中：單倍染色體中DNA的長度的長度 基因組的大小在不同生物中有相當大的變化基因組的大小在不同生物中有相當大的變化 生物體復雜性越高，基因組越大：生物體復雜性越高，基因組越大： 原核生物基因組不足原核生物基因組不足10Mb 多細胞真核生物基因組甚至可以超過多細胞真核生物基因組甚至可以超過10萬萬Mb. 許多復雜性相近的生物體其基因組大小卻許多復雜性相近的生

13、物體其基因組大小卻顯著不同：小麥基因組是水稻基因組的顯著不同：小麥基因組是水稻基因組的40倍倍 基因的數目而不是基因組的大小與生物體基因的數目而不是基因組的大小與生物體的復雜性更密切相關的復雜性更密切相關 Gene number（基因數目）（基因數目）: the number of genes included in a genomeGene density（基因密度）（基因密度）: the average number of genes per Mb of genomic DNA.1.4 大腸桿菌的基因組幾乎全部由基因組成大腸桿菌的基因組幾乎全部由基因組成 大腸桿菌單一染色體上絕大多數大腸桿

14、菌單一染色體上絕大多數DNA都都編碼蛋白質或編碼蛋白質或RNA，而大部分非編碼序，而大部分非編碼序列都參與調控基因的轉錄列都參與調控基因的轉錄 大腸桿菌復制起始區(qū)大腸桿菌復制起始區(qū).1.5 較復雜的生物體基因密度降低較復雜的生物體基因密度降低 Gene density（基因密度）（基因密度）: the average number of genes per Mb of genomic DNA 生物體的復雜性與基因密度之間存在負相關的生物體的復雜性與基因密度之間存在負相關的關系：復雜性越低，基因密度越高關系：復雜性越低，基因密度越高 基因密度最高的生物：病毒，而細菌的基因密基因密度最高的生物：病

15、毒，而細菌的基因密度非常恒定地接近度非常恒定地接近1000個基因個基因/ Mb 真核生物基因密度低且更多變真核生物基因密度低且更多變.大腸桿菌大腸桿菌人類人類. 什么原因導致基因密度的減??？什么原因導致基因密度的減?。?1.6 Genes make up only a small proportion of the eukaryotic genome （基因僅占真核生物染色體（基因僅占真核生物染色體DNA的一小部的一小部分）分） 兩種因素會導致真核生物基因密度的降低：兩種因素會導致真核生物基因密度的降低： 基因長度的增加基因長度的增加 基因間隔區(qū)序列（基因間隔區(qū)序列（ intergenic s

16、equences）的增加的增加.Increases in gene size（基因長度的增加（基因長度的增加的兩個原因）的兩個原因）: (1) increase in the sequence of regulatory sequence（當生物體復雜性增加時，基因的（當生物體復雜性增加時，基因的調控序列的長度顯著增長）調控序列的長度顯著增長）(2) presence of introns (內含子，真核生物中內含子，真核生物中編碼蛋白質的基因通常是不連續(xù)的，非蛋白編碼蛋白質的基因通常是不連續(xù)的，非蛋白質編碼區(qū)段質編碼區(qū)段內含子內含子).基因中平均的基因中平均的內含子數目內含子數目. 兩種因素

17、會導致真核生物基因密度的降低：兩種因素會導致真核生物基因密度的降低： 基因長度的增加基因長度的增加 基因間隔區(qū)序列（基因間隔區(qū)序列（ intergenic sequences）的增加的增加.在更復雜的生物中基因間隔區(qū)序列數目的大量在更復雜的生物中基因間隔區(qū)序列數目的大量增加是導致基因密度降低的另一個重要原因增加是導致基因密度降低的另一個重要原因基因間隔區(qū)（基因間隔區(qū)（ intergenic sequences） ：基因組：基因組上與蛋白質和結構上與蛋白質和結構RNA的表達無關的那部分的表達無關的那部分DNA人的基因組中有超過人的基因組中有超過60%的部分由基因間隔區(qū)的部分由基因間隔區(qū)序列組成，

18、絕大多數功能未知序列組成，絕大多數功能未知基因間隔區(qū)分為兩類：基因間隔區(qū)分為兩類：(1) unique（唯一的）（唯一的）(2) repeated（重復的）（重復的）.基因間隔區(qū)基因間隔區(qū)基因和基因基因和基因相關序列相關序列.1.7 人的基因間隔區(qū)序列主要由重復人的基因間隔區(qū)序列主要由重復DNA構成構成幾乎一半的人類基因組由在基因組中重復多次幾乎一半的人類基因組由在基因組中重復多次的的DNA序列組成序列組成重復重復DNA一般有兩種：一般有兩種：微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNA (microsatellite DNA)：非常短的：非常短的(小于小于13bp)的串聯(lián)重復序列構成，例如：的串聯(lián)重復序列構成，例如：

19、CACACACACACA（二核苷酸重復序列）（二核苷酸重復序列）基因組范圍的重復序列（基因組范圍的重復序列（genome-wide repeat): 每個每個重復單元的長度都大于重復單元的長度都大于100bp，許多更是大于，許多更是大于1kb；都是轉座元件（都是轉座元件（transposable element)盡管現在傾向于認為重復盡管現在傾向于認為重復DNA是垃圾是垃圾DNA，但是這些，但是這些序列可以穩(wěn)定地維持上百上千代，表明其對宿主生物體序列可以穩(wěn)定地維持上百上千代，表明其對宿主生物體有積極的意義（或者選擇優(yōu)勢）有積極的意義（或者選擇優(yōu)勢）.2. Chromosome duplicat

20、ion & segregation（染色體的復制和分離）（染色體的復制和分離）2.1 真核生物染色體在細胞分裂過程中需要真核生物染色體在細胞分裂過程中需要三個關鍵元件：三個關鍵元件： 著絲粒，端粒和復制起始位點著絲粒，端粒和復制起始位點.Critical DNA elements （These elements are not involved in gene expression） Origins of replication（復制起始位點復制起始位點） Centromeres（著絲粒）著絲粒） Telomeres（端粒）端粒）.Sites at which the DNA repl

21、ication machinery assembles to initiate replication; required for replication（是（是DNA復制機器集合并起始復制的位點）復制機器集合并起始復制的位點） 30-40 kb apart on each eukaryotic chromosome（復制起始位點每隔（復制起始位點每隔30-40kb均勻分布在每條真核染色體上）均勻分布在每條真核染色體上） Only one origin for prokaryotic chromosome（原核生物染色體通常只（原核生物染色體通常只有一個復制起始位點）有一個復制起始位點）Ori

22、gins of replication（復制起始位點）（復制起始位點）.Required for the correct segregation of the chromosomes after replication（是（是DNA復制后染色體正確分離所必需的）復制后染色體正確分離所必需的） 復制后的染色體的兩個拷貝稱為姐妹染色體，它復制后的染色體的兩個拷貝稱為姐妹染色體，它們必須分離為單拷貝進入兩個子代細胞們必須分離為單拷貝進入兩個子代細胞 One chromosome, one centromere（每條染（每條染色體只有一個著絲粒）色體只有一個著絲粒） The size varies (

23、200 bp- 40 kb) Composed of largely repetitive DNA sequences（主要由重復（主要由重復DNA序列組成）序列組成）Centromeres （著絲粒）（著絲粒）. 著絲粒缺失：復制后的染色體會隨機分著絲粒缺失：復制后的染色體會隨機分離，導致經常發(fā)生染色體的缺失或加倍離，導致經常發(fā)生染色體的缺失或加倍 存在多個拷貝的著絲粒：會使一條染色存在多個拷貝的著絲粒：會使一條染色體進入兩個子代細胞，導致染色體的斷體進入兩個子代細胞，導致染色體的斷裂裂.釀酒酵母釀酒酵母裂殖酵母裂殖酵母果蠅果蠅人類人類著絲粒的大小和組成在不同生物體間變化很大著絲粒的大小和組

24、成在不同生物體間變化很大.Telomeres（端粒）（端粒） 位于線性染色體的兩端位于線性染色體的兩端 端粒結合有很多蛋白，執(zhí)行兩個主要功能：端粒結合有很多蛋白，執(zhí)行兩個主要功能： 將細胞中染色體的天然末端和染色體斷裂和將細胞中染色體的天然末端和染色體斷裂和其它其它DNA的斷裂區(qū)分開的斷裂區(qū)分開 端粒作為一種特殊的復制起始位點，可以使端粒作為一種特殊的復制起始位點，可以使細胞復制染色體末端細胞復制染色體末端-負責線性染色體末負責線性染色體末端的復制端的復制 端粒通過一種特殊的端粒通過一種特殊的DNA聚合酶聚合酶-端粒酶端粒酶（telomerase)來完成線性染色體末端的復制來完成線性染色體末端

25、的復制. 與染色體的大多數部分不同，端粒的相與染色體的大多數部分不同，端粒的相當一部分以單鏈的形式存在當一部分以單鏈的形式存在 大多數端粒有一個簡單的重復序列，重大多數端粒有一個簡單的重復序列，重復序列因生物而異復序列因生物而異典型的端粒結構：框中顯示了一個重復序列單元典型的端粒結構：框中顯示了一個重復序列單元 染色體染色體3端的單鏈端的單鏈DNA區(qū)域可達數百個堿基區(qū)域可達數百個堿基.Figure 7-6 Centromeres, origin of replication and telomere are required for eukaryotic chromosome maintena

26、nce每條真核染色體包含兩個端粒，一個著絲粒，多個復制起始位點每條真核染色體包含兩個端粒，一個著絲粒，多個復制起始位點.2.2 真核生物染色體的復制和分離真核生物染色體的復制和分離發(fā)生在細胞周期的分裂期發(fā)生在細胞周期的分裂期 在細胞分裂過程中，染色體必須復制并在細胞分裂過程中，染色體必須復制并分離到子代細胞中分離到子代細胞中 真核細胞染色體的復制和分離發(fā)生在細真核細胞染色體的復制和分離發(fā)生在細胞分裂過程的不同時期胞分裂過程的不同時期. 細胞完成一輪分裂所需要的過程細胞完成一輪分裂所需要的過程細胞細胞周期（周期（cell cycle) 真核細胞的分裂會使子代細胞維持和父真核細胞的分裂會使子代細胞

27、維持和父本細胞一致的染色體數目本細胞一致的染色體數目有絲分裂有絲分裂. 有絲分裂的細胞周期分為有絲分裂的細胞周期分為4期：期：G1，S, G2，M細胞分裂準備細胞分裂準備DNA復制復制染色體分離準備染色體分離準備 染色體分離染色體分離（有絲分裂）（有絲分裂）. DNA合成發(fā)生在細胞周期的合成發(fā)生在細胞周期的S期，導致每條染色期，導致每條染色體的復制體的復制 復制后配對的每條染色體稱為一條復制后配對的每條染色體稱為一條染色單體染色單體（chromatid), 配對的兩條染色單體稱為配對的兩條染色單體稱為姐妹染色姐妹染色單體（單體（sister chromatid) 復制后的姐妹染色單體通過一個叫

28、做復制后的姐妹染色單體通過一個叫做黏粒黏粒（cohesin)的分子聚在一起，這一過程稱為的分子聚在一起，這一過程稱為姐妹姐妹染色單體的聚集（染色單體的聚集（ sister chromatid cohesion).S期的重要事件：染色體的復制，姐妹染色單體的聚集期的重要事件：染色體的復制，姐妹染色單體的聚集.M期的重要事件：染色體分離發(fā)生在期的重要事件：染色體分離發(fā)生在M期期.2.3 真核細胞分裂時染色體的結構真核細胞分裂時染色體的結構發(fā)生變化發(fā)生變化 在一個細胞分裂循環(huán)中，染色體的結構發(fā)生多在一個細胞分裂循環(huán)中，染色體的結構發(fā)生多次變化次變化 然而染色體主要以兩種狀態(tài)存在：然而染色體主要以兩種

29、狀態(tài)存在： 當細胞進行有絲分裂時，染色體處于最壓縮當細胞進行有絲分裂時，染色體處于最壓縮狀態(tài)，形成這種壓縮狀態(tài)的過程稱為狀態(tài)，形成這種壓縮狀態(tài)的過程稱為染色體染色體濃縮（濃縮（chromosome condensation) 在在G1，S和和G2期（總稱為間期），染色體的期（總稱為間期），染色體的壓縮程度大大降低壓縮程度大大降低.間期間期M期（壓縮）期（壓縮）染色體結構的變化染色體結構的變化（解壓縮）（解壓縮）. 有絲分裂維持親本染色體的數目有絲分裂維持親本染色體的數目 減數分裂減少了親本染色體的數目減數分裂減少了親本染色體的數目.2.4 細胞周期的間期為下一個細胞周期細胞周期的間期為下一個細

30、胞周期階段的準備提供時間，同時也檢查上階段的準備提供時間，同時也檢查上一個細胞周期階段是否正確完成一個細胞周期階段是否正確完成 G1期發(fā)生在期發(fā)生在DNA合成之前，合成之前，G2期位于期位于S和和M期之間期之間 間期兩個作用：間期兩個作用： 為下一個細胞周期階段的準備提供時間為下一個細胞周期階段的準備提供時間 檢查上一個細胞周期階段是否正確完成檢查上一個細胞周期階段是否正確完成. 在進入在進入S期以前，大多數細胞必須達到一期以前，大多數細胞必須達到一定的尺寸和蛋白質合成水平，以滿足下定的尺寸和蛋白質合成水平，以滿足下一輪一輪DNA合成所需的足夠蛋白質和營養(yǎng)合成所需的足夠蛋白質和營養(yǎng)成分成分 如

31、果在細胞周期的前一階段存在問題，如果在細胞周期的前一階段存在問題，細胞周期檢查點（細胞周期檢查點（cell cycle checkpoint)則停止細胞周期，并給細胞提供時間以則停止細胞周期，并給細胞提供時間以完成此階段：比如完成此階段：比如DNA損傷的修復等損傷的修復等.2.5 在顯微鏡下可以觀察到不同時在顯微鏡下可以觀察到不同時期的染色體結構期的染色體結構 在電子顯微鏡下可以觀察到兩種狀態(tài)的在電子顯微鏡下可以觀察到兩種狀態(tài)的染色質：染色質： 直徑為直徑為30nm的纖絲的纖絲 直徑為直徑為10nm的纖絲的纖絲.電鏡下觀察到的染色質結構電鏡下觀察到的染色質結構間期間期. 30nm的纖絲的纖絲是

32、染色質較緊密的結構，通是染色質較緊密的結構，通常折疊成大的環(huán)從蛋白核或骨架中伸出常折疊成大的環(huán)從蛋白核或骨架中伸出 10nm的纖絲的纖絲是染色質較松散的結構，通是染色質較松散的結構，通常組裝成一串串有規(guī)則的常組裝成一串串有規(guī)則的念珠念珠-核核小體小體.3. The nucleosome （核小體）（核小體）.3.1 Nucleosomes are the building blocks of chromosomes（核小體是染（核小體是染色體的結構單位）色體的結構單位） 在真核細胞中大多數在真核細胞中大多數DNA被包裝進被包裝進核小體核小體 The nucleosome is composed

33、 of a core of eight histone proteins and the DNA (core DNA, 147 bp，核心，核心DNA) wrapped around them（核小體由（核小體由8個組蛋白所形成的核組成，個組蛋白所形成的核組成，DNA纏繞在組蛋白核上）纏繞在組蛋白核上） The DNA between each nucleosome is called a linker DNA（連接（連接DNA). Each eukaryote has a characteristic average linker DNA length (20-60 bp).Figure 7

34、-18 DNA packaged into nucleosomeSix-fold DNA compactionDNA盤繞在組蛋白核上盤繞在組蛋白核上（H2A, H2B, H3，H4）. DNA通過包裝進核小體，被壓縮了通過包裝進核小體，被壓縮了6倍，倍，遠不及真核細胞中觀察到的壓縮遠不及真核細胞中觀察到的壓縮1000-10000倍的倍的DNA 但是這種但是這種DNA的初始包裝對于后續(xù)的的初始包裝對于后續(xù)的DNA壓縮是至關重要的壓縮是至關重要的. 在任何細胞中都會有數段在任何細胞中都會有數段DNA沒有被包裝沒有被包裝到核小體中到核小體中 這些這些DNA區(qū)段一般參與基因的表達，復制區(qū)段一般參與基因

35、的表達，復制或重組或重組 這些位點盡管未與核小體結合，但通常與這些位點盡管未與核小體結合，但通常與參與調控或參與這些過程的非組蛋白結合參與調控或參與這些過程的非組蛋白結合. Five abundant histones are H1 (linker histone, 20 kd，連接組蛋白連接組蛋白), H2A, H2B, H3 and H4 (core histones, 11-15 kd，核心組蛋白核心組蛋白) 目前已知與真核目前已知與真核DNA相關的豐度最高的蛋白質相關的豐度最高的蛋白質 H2A, H2B, H3 and H4是是核心組蛋白核心組蛋白，兩個拷貝的這幾種，兩個拷貝的這幾種組

36、蛋白形成核小體的蛋白核，核小體組蛋白形成核小體的蛋白核，核小體DNA盤繞其上盤繞其上 H1組蛋白與連接組蛋白與連接DNA結合，被稱為結合，被稱為連接組蛋白連接組蛋白 4種核心組蛋白以同等數量存在，而種核心組蛋白以同等數量存在，而H1（連接組蛋白）僅（連接組蛋白）僅有核心組蛋白豐度的一半有核心組蛋白豐度的一半3.2 Histones are small, positively charged (basic) proteins（組蛋白是帶正（組蛋白是帶正電荷的小分子蛋白質）電荷的小分子蛋白質）. 組蛋白與帶負電荷的組蛋白與帶負電荷的DNA分子緊密結合，分子緊密結合，組蛋白中帶正電荷的氨基酸含量很高

37、組蛋白中帶正電荷的氨基酸含量很高 各種組蛋白中有超過各種組蛋白中有超過20%的氨基酸是賴氨的氨基酸是賴氨酸或精氨酸酸或精氨酸 核心組蛋白是相對較小的蛋白質，分子量：核心組蛋白是相對較小的蛋白質，分子量：11-15 kd。而組蛋白。而組蛋白H1的分子量約為的分子量約為20 kd. 核小體的蛋白核是一個圓盤狀結構，只核小體的蛋白核是一個圓盤狀結構，只有當有當DNA存在時才組裝成一個有序的結存在時才組裝成一個有序的結構構 無無DNA時，核心組蛋白在溶液中形成中時，核心組蛋白在溶液中形成中間組裝體間組裝體. The core histones share a common structural fol

38、d, called histone-fold domain (組蛋白折疊結構域）組蛋白折疊結構域） -在每種核心組蛋白中都存在一個保守區(qū)域，稱在每種核心組蛋白中都存在一個保守區(qū)域，稱為為組蛋白折疊結構域組蛋白折疊結構域，調節(jié)這些組蛋白中間體的，調節(jié)這些組蛋白中間體的組裝組裝組蛋白組蛋白H3和和H4首先形成異源二聚體，然后兩個二首先形成異源二聚體，然后兩個二聚體形成一個四聚體，含有聚體形成一個四聚體，含有2個分子的個分子的H3和和H4H2A和和H2B在溶液中形成異源二聚體而不是四聚體在溶液中形成異源二聚體而不是四聚體.Figure 7-19 The core histones share a c

39、ommon structural foldH3-H4四聚體四聚體H2A-H2B二聚體二聚體. 每個核心組蛋白有一個每個核心組蛋白有一個N端延伸，稱為端延伸，稱為“尾巴尾巴”（TAIL），），是完整核小體中易接近的部分是完整核小體中易接近的部分 用胰蛋白酶處理核小體能夠檢測到這種易接近用胰蛋白酶處理核小體能夠檢測到這種易接近性性 用胰蛋白酶處理核小體能夠迅速地去除組蛋白用胰蛋白酶處理核小體能夠迅速地去除組蛋白易接近的易接近的N端尾巴，但不能切斷緊密包裝的組端尾巴，但不能切斷緊密包裝的組蛋白折疊區(qū)蛋白折疊區(qū).用胰蛋白酶處理核小體，用胰蛋白酶處理核小體，能夠專一地去除能夠專一地去除N端尾巴端尾巴而保

40、留完整的組蛋白核而保留完整的組蛋白核. “尾巴尾巴”上有許多高度修飾化的位點，可上有許多高度修飾化的位點，可以改變核小體的功能以改變核小體的功能 這些修飾包括絲氨酸，賴氨酸殘基上的這些修飾包括絲氨酸，賴氨酸殘基上的磷酸化，乙?；?，甲基化磷酸化，乙?；?，甲基化 修飾的具體功能：真核基因表達調控中修飾的具體功能：真核基因表達調控中詳細介紹詳細介紹.4. Higher-order chromatin structure（染色質的高級結構）（染色質的高級結構）.4.1 Histone H1 binds to the linker DNA between nucleosome, inducing tig

41、hter DNA wrapping around the nucleosome H1組蛋白和核小體之間的連接組蛋白和核小體之間的連接DNA的相互的相互作用，進一步加強了核小體與作用，進一步加強了核小體與DNA間的緊間的緊密密結合，增加了對核小體結合，增加了對核小體DNA的保護的保護. 一旦核小體形成，一旦核小體形成，DNA的包裝的下一步的包裝的下一步就是組蛋白就是組蛋白H1的結合的結合.H1的結合導致核小體的結合導致核小體DNA的進一步凝聚和壓縮的進一步凝聚和壓縮H1存在存在H1缺失缺失H1組蛋白使組蛋白使DNA更緊密地盤繞更緊密地盤繞核小體核小體.4.2 Nuclear arrays can

42、 form more complex structures: the 30-nm fiber（核小體束能夠形成更復雜的結構：（核小體束能夠形成更復雜的結構：30nm的纖絲的纖絲）(40-fold compaction). 組蛋白組蛋白H1的結合穩(wěn)定了染色質的高級結構的結合穩(wěn)定了染色質的高級結構 在試管中，當鹽濃度增加時，組蛋白在試管中，當鹽濃度增加時，組蛋白H1的加入的加入導致核小體導致核小體DNA形成一條形成一條30nm的纖絲（的纖絲（ 30-nm fiber） 這個結構在體內也能觀察到，代表了這個結構在體內也能觀察到，代表了DNA壓縮壓縮的下一個層次的下一個層次 DNA壓縮到這種纖絲內使其

43、不易被許多依賴壓縮到這種纖絲內使其不易被許多依賴DNA的酶（如的酶（如RNA聚合酶）所接近聚合酶）所接近 .4.3 組蛋白組蛋白N端尾巴對于端尾巴對于30nm纖絲纖絲的形成是必需的的形成是必需的.Figure 7-19 The core histones share a common structural foldH3-H4四聚體四聚體H2A-H2B二聚體二聚體. 缺少缺少N端尾巴的核心組蛋白不能形成端尾巴的核心組蛋白不能形成30nm纖絲纖絲 N端尾巴的作用：通過尾巴與相鄰核小體端尾巴的作用：通過尾巴與相鄰核小體的相互作用穩(wěn)定的相互作用穩(wěn)定30nm纖絲纖絲 在細胞中組蛋白尾巴是修飾的靶標，這在

44、細胞中組蛋白尾巴是修飾的靶標，這些修飾會影響些修飾會影響30nm纖絲和其它高級核小纖絲和其它高級核小體結構的形成體結構的形成. DNA包裝為核小體和包裝為核小體和30nm纖絲共同導致纖絲共同導致DNA的線性長度壓縮了大約的線性長度壓縮了大約40倍倍 為了使為了使DNA更為壓縮，必須對更為壓縮，必須對30nm纖絲纖絲進行進一步的折疊進行進一步的折疊4.4 Further compaction of DNA involves large loops of nucleosomal DNA （DNA的進一步壓縮與核小體的進一步壓縮與核小體DNA的的大環(huán)有關大環(huán)有關). Additional 103-1

45、04-fold compaction is required, but the mechanism is unclear The nuclear scaffold （核骨架）（核骨架）model is proposed： 30nm纖絲形成纖絲形成40-90kb的環(huán)，在其的環(huán)，在其根部通過蛋白質結構的根部通過蛋白質結構的核骨架核骨架（nuclear scaffold）連接起來連接起來.Figures 7-32 The higher- order structure of chromatin（染色質的高級結構）（染色質的高級結構）. (a) A transmission electron micr

46、ograph, (b) A model大多數大多數DNA包裝進包裝進30nm纖絲的大環(huán)，纖絲的大環(huán)，其根部結合于核骨架上。其根部結合于核骨架上。而有活性的而有活性的DNA位點（轉錄或復制位點）位點（轉錄或復制位點）以以10nm纖絲甚至裸露纖絲甚至裸露DNA的形式存在的形式存在透射電鏡照片：染色質纖絲透射電鏡照片：染色質纖絲染色體骨架染色體骨架DNA環(huán)環(huán)裸露裸露DNA裸露裸露DNA核骨架核骨架.5. Regulation of chromatin structure（染色質結構的調控）（染色質結構的調控）.5.1 The interaction of DNA with the histone o

47、ctamer is dynamic（DNA與組蛋白八聚體的相互作用是與組蛋白八聚體的相互作用是一個一個動態(tài)過程動態(tài)過程） DNA包裝進核小體對于基因組的表達有包裝進核小體對于基因組的表達有重要的影響重要的影響 能夠靠近特定的能夠靠近特定的DNA區(qū)域所需的關鍵步區(qū)域所需的關鍵步驟是將核小體去除或使其與驟是將核小體去除或使其與DNA的結合的結合不那么緊密不那么緊密 為了適應這個需要，為了適應這個需要，組蛋白八聚體與組蛋白八聚體與DNA的結合是動態(tài)的的結合是動態(tài)的. 有一些因子能夠作用于核小體，增加或有一些因子能夠作用于核小體，增加或降低這種動態(tài)結合降低這種動態(tài)結合 這些特征共同保證了核小體的位置和

48、這些特征共同保證了核小體的位置和DNA的相互作用可以發(fā)生改變，以適應的相互作用可以發(fā)生改變，以適應對對DNA易接近性易接近性經常變化的需要經常變化的需要. 任何特定的任何特定的DNA區(qū)段與組蛋白八聚體的結合區(qū)段與組蛋白八聚體的結合都不是永久的：任何都不是永久的：任何DNA區(qū)段都將時常從與區(qū)段都將時常從與八聚體的緊密相互作用中短暫釋放出來八聚體的緊密相互作用中短暫釋放出來 許多許多DNA結合蛋白更易結合沒有組蛋白的結合蛋白更易結合沒有組蛋白的DNA 只有從組蛋白八聚體上釋放出來，即只有從組蛋白八聚體上釋放出來，即DNA上上沒有核小體的區(qū)段，沒有核小體的區(qū)段， DNA結合蛋白才能識別結合蛋白才能識

49、別DNA上的結合位點上的結合位點.The dynamic nature of DNA-binding to the histone core is important for access of DNA by other proteins essential for genome expression.Figures 7-34 A model for gaining access to core DNA在與核小體緊密結合的在與核小體緊密結合的147bpDNA上的上的73位點附近的結合位點位點附近的結合位點最不易接近；最不易接近；在核小體兩端的結合位點（在核小體兩端的結合位點（1或或147位點）

50、最易于接近位點）最易于接近常發(fā)事件常發(fā)事件偶發(fā)事件偶發(fā)事件蛋白結合位點蛋白結合位點1蛋白結合位點蛋白結合位點2.5.2 Nucleosome remodeling complexes facilitate nucleosome movement（核小體重塑復合體核小體重塑復合體有助于核小體的移動）有助于核小體的移動） 除了核小體所呈現的內在動態(tài)性之外，組除了核小體所呈現的內在動態(tài)性之外，組蛋白和蛋白和DNA相互作用的穩(wěn)定性還受到大的相互作用的穩(wěn)定性還受到大的蛋白質復合體蛋白質復合體-核小體重塑復合體核小體重塑復合體（Nucleosome remodeling complex) 的影的影響響 這

51、些多蛋白復合體有助于以這些多蛋白復合體有助于以ATP水解為能水解為能量的核小體量的核小體-DNA相互作用或者核小體位相互作用或者核小體位置的改變置的改變. 這些變化有這些變化有3種方式：種方式： 組蛋白八聚體沿組蛋白八聚體沿DNA 的的“滑動（滑動（sliding)” 組蛋白八聚體能從一個組蛋白八聚體能從一個DNA螺旋向另一個螺旋向另一個DNA螺旋完全螺旋完全“轉移（轉移（transfer)” 核小體核小體“重塑重塑”（remodeling), 增加增加DNA的易的易接近性接近性.Figures 7-35 Nucleosome movement catalyzed by nucleosome

52、remodeling complexes核小體沿核小體沿DNA滑動，暴露出滑動，暴露出DNA結合蛋白結合蛋白的結合位點的結合位點核小體核小體也可以也可以從一條從一條DNA鏈鏈轉移到轉移到另一條鏈另一條鏈重塑可重塑可以使以使DNA結合蛋結合蛋白不改白不改變核小變核小體在體在DNA上的位上的位置而發(fā)置而發(fā)生結合生結合. Modification of the N-terminal tails of the histones alters chromatin accessibility（組蛋白（組蛋白N端尾巴的修飾可以改變染色質的端尾巴的修飾可以改變染色質的易接近性）易接近性） 當組蛋白從細胞中分離

53、出來，其當組蛋白從細胞中分離出來，其N段尾巴段尾巴通常被許多種小分子修飾通常被許多種小分子修飾 尾巴中的賴氨酸經常被乙?；蚣谆舶椭械馁嚢彼峤洺１灰阴；蚣谆揎椥揎?絲氨酸主要被磷酸化修飾絲氨酸主要被磷酸化修飾. 乙?；暮诵◇w與染色體上轉錄活躍的乙?；暮诵◇w與染色體上轉錄活躍的區(qū)域結合區(qū)域結合 去乙?；暮诵◇w與染色體上轉錄受抑去乙?；暮诵◇w與染色體上轉錄受抑制的區(qū)域結合制的區(qū)域結合. 組蛋白尾巴的修飾構成一種組蛋白尾巴的修飾構成一種“組蛋白密碼組蛋白密碼” 可以被基因表達的相關蛋白和其它一些與可以被基因表達的相關蛋白和其它一些與DNA相互作用的蛋白所識別相互作用的蛋白所識別 更

54、為重要的是：修飾的類型和被修飾的位置都更為重要的是：修飾的類型和被修飾的位置都對理解這種密碼至關重要對理解這種密碼至關重要 組蛋白尾巴的甲基化可以具有不同的生物學意組蛋白尾巴的甲基化可以具有不同的生物學意義：組蛋白義：組蛋白H3的第的第4，36或或79位點上的賴氨酸位點上的賴氨酸甲基化與基因激活相關，但是第甲基化與基因激活相關，但是第9或或27位點上位點上的賴氨酸甲基化則與基因的轉錄抑制相關的賴氨酸甲基化則與基因的轉錄抑制相關. 問題：組蛋白的修飾是如何改變核小體的問題：組蛋白的修飾是如何改變核小體的功能的？功能的？ 乙?；土姿峄揎棞p少了組蛋白尾巴的乙?；土姿峄揎棞p少了組蛋白尾巴的正電荷，正電荷的缺失減少了組蛋白尾巴正電荷，正電荷的缺失減少了組蛋白尾巴對帶負電荷的對帶負電荷的DNA骨架的親和性骨架的親和性 組蛋白尾巴的修飾影響了組蛋白束形成更組蛋白尾巴的修飾影響了組蛋白束形成更為抑制狀態(tài)的高級染色質結構的能力為抑制狀態(tài)的高級染色質結構的能力組組蛋白尾巴對于蛋白尾巴對于30nm纖絲的形成是必需