真核细胞核染色体的结构

• 染色体研究的历史背景
• 染色体的化学组成
• 核小体的结构

染色体研究的历史背景

　　一个多世纪前,Mendel在他历时八年完成的植株(豌豆)杂交试验基础上总结出的二个著名遗传学定律—分离定律和独立分配定律中，就已经提出了基因的概念。Mendel规律的基本设想是：每一植株的各种相对性状都来源两个相同的“遗传因子”(geneticfactor),它们有显性和隐性之分。这里的“遗传因子”就是基因的最早用语，其含义是指决定遗传性状的基本遗传单位。可惜,遗传学上这一伟大的发现,由于当时没有任何支持它的物质证据,于1865年发表后，几乎没引起注意。直到35年后的1900年，另外三位植物学家(Correns,de Vries和Tschermak)再次独立证明Mendel规律的正确性后,这一著名规律才被重新发现。

　　在19世纪的最后二十多年里,生物学家在细胞遗传学领域取得了重要进展,染色体的发现就是成果之一。染色体存在于细胞核中,经适当染色后可见的由细丝状颗粒物质所组成,一般在细胞分裂时才能看到。在不同物种的细胞中,它们的数目不一样,但总是以二条成对的同源(homologous)染色体的形式存在,且数目恒定。如人体细胞染色体总数为46条,分为23对(其中22对为常染色体,1对为性染色体)。在分裂期间,染色体对的每一成员可自身复制成含二个拷贝的姐妹染色体(sister chromatid)。通过显微镜观察染色体在细胞分裂中的行为变化全过程发现:体细胞增殖时,以有丝分裂(mitosis)的方式,使姐妹染色体一分为二进入子代细胞,从而保证了染色体数目的恒定；而生殖细胞则通过减数分裂(meiosis)使同源染色体分别进入新的子代细胞而产生。生殖细胞─配子(精子或卵子)只含有体细胞一半的染色体数,配子结合成合子后又恢复到体细胞的染色体数,这样,合子及其后代细胞的染色体数对中的成员,一个来自父本,一个来自母本。这些观察结果使染色体是遗传的物质基础的观点在19世纪末被广泛接受。比较染色体在细胞分裂中的行为与Mendel规律可以发现，染色体与"遗传因子"极其相似:首先,二者均成对存在,且其中的每个成员分别来自父、母亲代;其次,产生配子时,配子只含"遗传因子"(等位基因)中的一个,或染色体对中的一条;另外,非等位基因及非同源染色体均可自由组合到配子中。在上述基础上，Sutton和Boveri于1902-1903年提出了染色体遗传学(theory of chromosomal inheritance)，即认为染色体是"遗传因子"的携带者。1905年,Johannsen首先使用"基因"一词代替"遗传因子"并提出了基因型(gentoype)和表型(phenotype)的概念。

　　1909年起,Morgan和他的学生以果蝇为材料研究生物遗传规律,他们观察到一种白眼突变体与性染色体的联系,在此基础上于1910年首先提出基因定位于染色体上的论点。此后二年中,他们又发现了多个伴性基因,并以此为据总结出了遗传学上著名的基因连锁(linkage)和交换(crossing-over)规律。他们还通过测定连锁的回交试验,证实了基因在染色体上呈线性排列的事实。所谓连锁是指控制不同性状的基因位于同一条染色体上,相互紧密排列在一起。如果连锁是不完全的（即基因间排列不够紧密），连锁基因仍有可能自由分配，但它们在减数分裂阶段的同源染色体交换片段时，被分离的机会明显减少。Morgan的基因连锁和交换的测定方法还用来确定不同基因在染色体上的位置,由此而产生了遗传学上最早的基因定位线性遗传图。在20世纪上叶,虽然已明确了基因与染色体的关系,并且由于1944年Avery的重要发现问世,明确了DNA是遗传物质的观点,但人们对基因的认识也仅知道它是遗传的基本单位。对于基因是怎样通过控制表型来实现其功能的尚不清楚。最早阐明基因作用原理的是1945年Beedle和Ephrussi提出的"一个基因一种酶"的假说。这一假说建立在所发现的代谢途径中某种酶的缺失是由于某种基因突变所致的事实上，突变在染色体上的改变即基因结构的改变。换言之，一种代谢酶的生成由其相应的一个基因所控制，酶所催化的生化反应就是基因功能的表现形式。后来，这一假说在许多蛋白质中得到了验证，并被修正为“一个基因一条多肽链”的学说。

　　标志着遗传学进入分子水平的DNA双螺旋结构诞生以后,基因结构及功能的研究进入了一个新的阶段。现代分子生物学技术不仅使染色体的基因定位及物理图谱制作变得轻而易举，而且能详尽的知道定位于染色体DNA上的基因核苷酸顺序。据认为，人类基因组多达10万个基因,迄今已检测出的基因近5千个,仅占5%,其中1/3被定位于各个染色体上。一条染色体包含一条DNA双链分子,人单倍体细胞基因组含有3×109bp,若将所有染色体(双倍体细胞)相连并充分伸展的话,其长度可达2米左右。如此巨大的DNA链要全部贮存在小小的细胞核染色体中,必然存在着适宜的包装形式。此外，染色体中还含有大量的蛋白质和有限的RNA,它们与DNA共同构成十分紧密的复杂结构。这种结构不仅能满足贮存DNA的数量要求,而且还应该有利于其功能的实现。那么，染色体DNA是如何包装的？它是否也存在着有规律的基本结构？它在基因功能表达中起何作用？人类对染色体结构这些基本问题的认识要远落后于对DNA基本结构的了解。直到1974年Kornberg发现核小体(nucleosomes)是所有真核生物染色体的基本结构单位后,这一领域的研究才进入一个新的水平。

染色体的化学组成

　　DNA是染色体的主要化学成分,也是遗传信息的载体。此外，在认识DNA重要性之前，已经知道染色体还含有大量的蛋白质，后来又发现了RNA。生化研究表明：上述三类组成染色体的化学成分中，蛋白质含量约为DNA的二倍,根据组成蛋白质的氨基酸特点分为组蛋白和非组蛋白两类。RNA含量很少,还不到DNA量的10%。

　　组蛋白（histones)是指染色体中的碱性蛋白质，其特点是富含二种碱性氨基酸（赖氨酸和精氨酸），根据这两种氨基酸在蛋白质分子中的相对比例（赖．精）又将组蛋白分为五种小类型。

染色体中的五种蛋白