核小体 nucleosome
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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”。