【3.5.2】核小体

1. 真核生物的核小体结构

真核细胞的基因组DNA被局限在一个很小的细胞核内,与组蛋白结合形成核小体(nucleosome)的结构。核小体可视为真核生物细胞核染色质的一级结构单位,它在电镜下呈串珠状:每一个“珠子”由组蛋白核心(histone core)和环绕其上(而不是穿过)的DNA组成(约146bp);相邻“珠子”之间的连线为DNA,称为连接DNA(linker DNA),长度8~114bp不等,它最容易受到DNA酶的水解。H1与连接DNA结合,但去除H1并不会破坏核小体结构。

组蛋白属于一类较小的碱性蛋白。富含碱性氨基酸——Lys和Arg,它们在生理pH下,带有正电荷,这样就可以与带负电荷的DNA通过静电引力结合在一起。

组蛋白主要有五种类型,即H1、H2A、H2B、H3和H4。某些生物或组织还有H1°或H5。此外,细胞内还存在与这五种标准形式相对应的不同变体。这些变体在取代相应的标准组蛋白,并与DNA结合以后,会改变局部的核小体和染色质的结构,进而有可能影响到基因的表达。

各种组蛋白在进化的保守性上是不一样的,保守性最高的是H4,其次是H3,再其次是H2A和H2B。变化最大的是H1,但某些组织中没有H1,而含有其他类型的组蛋白。例如,在鸟类的红细胞中由H5取代了H1。

在三维结构上,H2A、H2B、H3和H4的结构相似,N-端形成尾巴,C-端形成组蛋白特有的结构模体——组蛋白折叠(histone fold)。组蛋白折叠由3段α-螺旋组成,中间的α-螺旋比较长,两侧的较短,组合起来形如一个浅的“U”字。

组蛋白核心是一个八聚体,由4组二聚体通过组蛋白折叠结合在一起。H3与H4通过一个折叠形成异源二聚体,H2A 与H2B通过另一个组蛋白折叠形成另一个异源二聚体。 两个H3-H4二聚体通过H3之间的四螺旋束(4-helix bundle)形成H3-H4四聚体,最后一对H2A-H2B通过H2B与H4之间的相互作用形成八聚体。组蛋白核心通过静电引力与DNA结合,其表面大约环绕146bp的DNA双螺旋,因此DNA长度被压缩6~7倍。组蛋白也与一些参与组蛋白核心组装和调节基因表达的非组蛋白结合。有时,组蛋白还会受到乙酰化、甲基化和磷酸化等形式的共价修饰,以改变分子的电荷,从而影响到它们与DNA的相互作用。

最新研究发现,细胞内核小体的组装经历前核小体(pre-nucleosomes)中间物。这种介于DNA与核小体之间的前核小体结构,在依赖于ATP的马达蛋白(ATP-dependent motor protein)ACF的催化下,可快速地形成标准的核小体结构。

核小体的宽度约为10nm,因此这个阶段的染色质称为10nm纤维或核蛋白纤维(nucleoprotein fibril)。通过X射线晶体衍射分析发现,构成核小体核心的组蛋白单体N-端和C-端尾巴不在核心结构之中,而是伸出来通过超螺旋上的沟与相邻的核小体接触;DNA双螺旋每隔10bp,其小沟就面对蛋白质的表面,并与Arg侧链接触;DNA的大沟朝外,能够被序列特异性调节蛋白识别并结合;核小体表面的DNA卷曲并略显缠绕不足,以负超螺旋的形式存在(螺距为10.2bp/圈而不是10.5 bp/圈)。已发现,DNA序列在核小体选位(nucleosome positioning)中起重要作用。 核小体选位对序列的偏爱性可反映一群细胞在一给定的DNA区域核小体的占据率。例如,在不同的生物体内,二聚核苷酸AA或TT序列在核小体形成的区域缺乏,而GC含量与核小体的占据率高度相关。此外,在人类和拟南芥细胞内,包裹在核小体外序列中的C甲基化程度高于连接DNA。

盘绕在核小体上的DNA与调节蛋白的接触受到限制,只有在从核小体上分离或部分解盘绕的情况下才可与调节蛋白充分接触,同时组蛋白尾巴上的氨基酸残基可以被化学修饰,这些修饰对核小体的稳定和DNA的解螺旋起着调控作用。

核小体结构还可以调节不同组织中特定基因的表达。核小体可以通过启动远距离DNA序列之间特定结构的相互作用激活基因的表达,或者通过阻碍特定转录因子的结合而抑制基因的表达。

2. 古菌的核小体的结构

与细菌相似,古菌的染色体也是单一的连续环状染色体,但许多古菌具有组蛋白,因此也会形成核小体。例如,在炽热甲烷嗜热菌(Methanothermus fervidus)体内,发现了两种组蛋白——HMfA和HMfB。然而,古菌的组蛋白要短于真核生物(如HMfA和HMfB比H4在N端和C端各少了36和7个氨基酸残基),而且在与DNA形成核小体的时候,只形成四聚体核心,也没有伸出来的N端或C端的尾巴。如此小的组蛋白核心让古菌的一个核小体只能包被约80bp的DNA,而缺乏尾巴的特征,使得古菌的组蛋白不像真核生物的组蛋白可发生各种各有的化学修饰。

概况

  1. 存在于真核生物和古菌体内由组蛋白和DNA形成的复合物(The nucleoprotein complex, consisting of histones and DNA occurs in Archaea and Eukaryotes)
  2. 真核细胞内的组蛋白有5中,其中H2A、H2B、H3、H4构成八聚体核心 ,DNA环绕其上(There are five different histones, H2A, H2B, H3 and H4 of which assemble into Histone octamer, around which DNA is wrapped)
  3. 核小体结构不利于基因表达(Nucleosome structure can affect gene expression negatively)

参考资料

  • 南京大学 杨荣武老师 《结构生物学》课件
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