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核小体 nucleosome

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DNA 到染色体不论是形态还是长度都相差很大。人类最长的第一个染色体全长仅 10 m m ,但其 DNA 却长达 7.2cm ;一个细胞核直径仅 5 m m ,在这样一个小小的空间中却要纳下全长近 200cm DNA ,人们不禁要问 DNA 如何形成染色体,纳入小小的核中。解决这个问题同样是由很多科学家差不多经过 20 年的努力,最终提出了为大多数能接受的模型 ¾ 侧环模型。

早在 1956 年为双螺旋模型提供 X 衍射证据的 Wilkins 和另一位科学家 Vittorio Luzzati 对染色质进行了 X 衍射研究,发现染色质中具有间隔为 100 Å 的重复性结构。蛋白质和 DNA 本身的结构从来不会表现出这种重复性。推测可能是组蛋白和 DNA 的结合方式迫使 DNA 折叠或缠绕成具有 100 Å 周期的重复结构。

Clark Felsenfeld 1971 年首先用葡萄球菌核酸酶 (Staphylococcal nuclease) 来作用染色质,发现有一些区域对核酸酶敏感,有一些则不敏感,不敏感的区域比较均一,这暗示染色体中存在着某些亚单位。接着 Hewish Burgoyun 1973 年)用内源核酸酶消化细胞核,再从核中分离出 DNA ,结果发现一系列 DNA 片段,它们相当于长约 200bp 的一种基本单位的多聚体。表明组蛋白结合在 DNA ,以一种有规律的方式分布,以致产生对核酸酶敏感的只是某些限定区域。 M.Noll 1974 年)用外源核酸酶处理染色质,然后进行电泳,证实了以上结果,他测得前三个片段的长度分别为 205 405 605bp 长,每个片段相差 200bp ,即染色质可能以 200bp 为一个单位。这正好和以下电镜观察的结果相映证。

与此同时 Olins 夫妇( 1974 )和 Pierre Chambon 等( 1975 )在电镜下观察到大鼠胸腺和鸡肝染色质的“绳珠”状结构,小球的直径为 100 Å ,Olins 并把这种小球称为 n 小体 ( n -body nu body) ,有时译成钮体。

X 衍射图表明组蛋白的多聚体都是紧密相联,并无可容纳像 DNA 分子那样大小的孔洞,所以不可能由 DNA 之“绳”穿过组蛋白之“珠”,而只可能是 DNA 缠绕在“珠”的表面。

电泳的结果和电镜观察到“绳珠”结构之间是什么样的关系呢? Kornberg Thomas 1974 年用实验回答了这一问题。他们先用小球菌核酸酶稍稍消化一下染色质,切断一部分 200 核苷酸对单位之间的 DNA ,使其中含有单体、二聚体、三聚体和四聚体等。然后经离心将它们分开。每一组再通过凝胶电泳证明其分子大小及纯度。然后分别用电镜来观察各组的材料;结果单体均为一个 100 Å 的小体,二聚体则是两个相联的小体,同样三聚体和四聚体分别由三个小体和四个小体组成,表明 200 核苷酸的电泳片段长度级差正好是电镜观察到的一个:“绳珠”单位,他们称其为核小体( nucleosome )或核粒,提出了染色质结构的“绳珠”模型。

人们接着用化学交联、高盐分离组蛋白,以及 X 衍射等方法进一步研究组蛋白多聚体的结构、排列以及怎样和 DNA 结合的,从而建立了核小体模型。 1984 Klug Butler 进行了修正。核小体的构造可用图表示:

每一个核小体结合的 DNA 总量为 200bp 左右,一般在 150~250 变化范围( micrococcal nuclease) 轻微消解染色质而得知的。连接两个核小体的连接 DNA (linker DNA) 是最容易受到这种酶的作用,因此微球菌核酸酶在连接 DNA 处被切断,此时每个重复单位的 DNA 长约 200bp ,而且是和五种组蛋白相结合,保持着核小体的结构。也就是“绳珠”结构的绳被切断,剩下一个一个的“珠”。

 

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