核小体 nucleosome

互联网2013-11-14

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从 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 的 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 和 Felsenfeld 于 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 和 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 即 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 和 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 年 Klug 和 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”。