染色体支架结构模型及功能的假设

凰龍泰

许多生物体的基因组合含有多达数十亿对的核苷酸，DNA分子是一个纤长无分支的线性多聚体。例如人类一个DNA分子若完全伸展将长达1.7~8.5cm，（平均5cm），人体细胞所含的46个DNA分子总长达2m。这样长的DNA分子要储存在直径不足10um的细胞核内，必须以某种方式凝缩起来。在电镜下可以看见分裂期染色体由高度致密的颗粒组成。已知每一条染色单体由一个DNA分子形成，即一个DNA分子被包装成一条染色单体。然而，对于一个染色体的包装要求，除了要把DNA分子包装成极致密的状态外，还必须保证有利于DNA分子的准确、高效地进行基因的复制和表达。所以DNA分子包装成染色体的每一层次的折叠和盘旋绝不能是随机的，而必须是一种高度有序的结构。因此，染色体结构研究的一个中心问题是：如此长的线状DNA怎样组装成高度有序的染色体高级结构。' N* u, f$ G( K# x7 k( I- l
目前已知的四步折叠分别对应着染色质的四种结构：染色质的第一级结构是核小体链，直径10nm。通过核小体这一形式，DNA分子从5cm缩短为2cm；第二级结构是30nm染色质纤维，从核小体组装成30nm染色质纤维可使DNA分子从2cm进一步缩短为近0.1cm；第三级结构是由30nm染色质纤维再进一步螺旋化成为直径为0.4μm的筒状体，也称为超螺旋体；第四级结构就是可以在光学显微镜下看到的染色体。目前，从DNA→核小体→30nm纤维的组装过程已基本清楚，本文要探讨的是第三→四的级结构与组装过程。
/ {) V9 ^% S) w$ @, K7 J9 H0 i一、染色质的第三级结构: ~! m0 L) Y/ v5 T! A
近年用电镜观察松解的染色体标本，发现很多襻状结构，构成襻的纤维粗30nm（30nm染色质纤维），但也有更粗的。因此染色质的第三级结构：是由30nm纤维再扭曲成襻，襻环沿染色体骨架(Scaffold)盘绕，形成直径400nm，长11~60μm的棒状纤维（松解时呈灯刷状），称为超螺旋管（superolenoid）或圆筒螺旋管。* t/ ?( M8 N. y
二、染色体骨架是个可操控伸缩的环形支架结构的假设
% l( }) u% S8 O" l" C由于超螺旋管结构是在染色体骨架的基础之上构建的，所以我们很有必要探讨染色体骨架的结构。染色体骨架是指染色体中芯由非组蛋白构成的结构支架，或可称为中轴。: N( ]; m9 M) ?6 O5 ~; p. U, Y
假设染色体骨架是个可操控伸缩的圆环支架，是它作为染色体的中轴结构。其模型像我们现代的可折叠灯笼、可伸缩闸门或可伸缩圈（如图）等类似，为什么要这样假设呢？因为这样的结构，既能使襻的直径400nm不变的情况下，可把长11~60μm的棒状染色质快速的最大程度的压缩成近似球形的染色体而不紊乱，同时还能在伸展时十分有利于DNA分子的准确、高效地进行基因的复制和表达。因为染色体的伸缩不能是随机的，是可操控的。所以，在这个可伸缩的圆环支架内部存在一个可伸缩的轴芯，在可伸缩轴芯上还会有一个具有操控伸缩功能的装置。因此染色体骨架可能更近似于可伸缩闸门。只是染色体骨架外面的是一个个的圆圈（不是U型的）。% ^. Z$ g9 Y+ l# U) N9 z5 ?/ w' r
  
  u& }3 j9 V$ t- `% o1 U  H, `三、灯刷状染色质的物理模型的假设4 d1 l$ a5 {$ i7 a
假设在染色体包装时, 可伸缩染色体骨架(Scaffold)外面的一个个圆环为30nm 染色质提供了锚定的位点。DNA分子起始的一端锚定在染色体中轴的第一个圆环上，由一段30nm染色质纤维扭曲成一个襻环的另一个点又回到中轴的第一个圆环上，紧挨着上一个锚点上锚定。然后一个个襻环有序的在第一个圆环上锚定满，所有的襻环从中轴向外凸出构成了直径400nm以上的轮廓，当第一个圆环上锚定满后，留一段30nm 染色质纤维作为可伸缩的活动空间，然后又在第二个圆环上继续有序的锚定这些襻环……，这些襻环沿着这一个个的圆环盘绕而上，最终形成灯刷状的染色质结构框架。其中，一个个的襻环里的DNA序列形成了在复制和转录时功能上相对独立的结构域。) x' u* [' @2 U
四、染色体上明暗相间的条带的来源的假设. p9 q8 @  \& c! R
在有丝分裂晚前期或中期染色体尚未完全紧缩时，用荧光染料或姬姆萨法染色，可将染色体上明暗相间的条带显示出来，因为每种染色体有其特有的带型，所以科学家们用这种显带技术将染色体逐一识别并排序。为什么染色体上明暗相间的条带？其原因可能有3个：1、可能每种染色体上的每个襻环的长短存在差异；2、可能锚定在染色体骨架环上的襻环的密度各有不同；这1和2两种因素会构成染色体带的明暗存在差异。3、可能染色体骨架上的每个圆环之间留作可伸缩的活动空间的30nm 染色质纤维的长度不同，就会构成染色体伸展时环与环之间的距离不同。综合上述三种因素便能形成染色体上有明暗相间及距离不同的带型。* w; r9 J; ~/ ]+ o
五、可伸缩环形染色体骨架的功能假设
6 l) j( H# c7 u8 k& `+ u染色质第四级结构就是可以在光学显微镜下看到的染色体。染色体支架的功能：1、是30nm 染色质纤维襻环锚定的支架；2、在细胞分裂间期, 可伸缩环形染色体支架伸展开来（没有解体）, 把染色质的长度延长到11~60μm的棒状染色质。这时襻环上的30nm染色质纤维链不会有丝毫的紊乱的迹象。当染色质的长度延长到60μm的时候，一个个扭曲的襻环结构便暴露出来，倘若把其中之1个、几个或多个襻环从染色体骨架上取出来并松解后，就是我们能观察到的一段30nm染色质纤维（常染色质）。这些常染色质在进一步的松解后，便可进行复制或转录，在复制或转录后，它们可恢复成30nm染色质纤维链，然后再把它们扭曲成襻环，然后又把这些襻环在原位点上锚定，便能恢复原先的DNA分子链的排列顺序。3、在细胞分裂期，在环形染色体骨架里面的可伸缩芯一收缩，便能极快速的有序的把11~60μm的棒状染色质压缩成球形结构的染色体，完成最后一个层次的染色体包装。
$ ^" H3 Y* n/ J: C关于异染色质，按我的理解是：异染色质其实就是在细胞分裂间期阶段都不曾伸展开来的染色体。例如，女性的2个染色体，其中1个即使在间期也不松解，呈深染的异染色质块，称巴氏小体（Barr body）。即巴氏小体不论在细胞分裂期还是间期，它始终处于染色体状态。1 m/ r# k( l" |+ M
注：图片来源于网络。
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