第四节 DNA的三级结构与功能
(一)DNA超螺旋
双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是DNA三级结构的主要形式。自从1965年Vinograd等人发现多瘤病毒的环形DNA的超螺旋以来，现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环(covalently closed circle,CCC)分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构(superhelix或supercoil)，如图15-11所示。有些单链环形染色体(如φ×174)或双链线形染色体(如噬菌体入)，在其生活周期的某一阶段，也必将其染色体变为超螺旋形式。对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子但其DNA均与蛋白质相结合，两个结合点之间的DNA形成一个突环(loop)结构，类似于CCC分子，同样具有超螺旋形式。超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。
图15－11 Opencircular(a) and supercoiled (b) forms of PM2 virus DNA,Bar
represents 0.2μm.(By courtesy of Dr Lesley Coggins)
(二)染色质和核小体
1.染色质
真核生物的染色体(chromasome)在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质(chromatin)的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位棗核小体(nucleosome)成串排列而成的。DNA是染色体的主要化学成分，也是遗传信息的载体，约占染色体全部成分的27%，另外组蛋白和非组蛋白占66%，RNA占6%。
组蛋白(histones)是一种碱性蛋白质，等电点一般在PH10.0以上，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，将组蛋白分为五种类型(表15－6)。
表15－6 五种组蛋白分子的基本参数
| 种类 |
类型 |
碱性氨基酸 |
酸性 氨基酸 |
碱性氨基酸/酸性氨基酸 |
氨基酸 残基数 |
分子量 |
核小体 上位置 |
| Lys |
Arg |
Lys/Arg |
| H1 |
极度富含Lys |
29% |
1% |
29 |
5% |
5.4 |
215 |
23 000 |
连接＊ |
| H2A |
|
11% |
9% |
1.2 |
15% |
1.4 |
129 |
14 500 |
核心 |
| H2B |
″ |
16% |
6% |
2.7 |
13% |
1.7 |
125 |
13 774 |
″ |
| H3 |
极度富含Lys+富含Arg |
10% |
13% |
0.78 |
13% |
1.8 |
135 |
15 324 |
″ |
| H4 |
″ |
11% |
14% |
0.79 |
10% |
2.5 |
102 |
11 282 |
″ |
*现已证明：H1是与核小体的核心颗粒相当靠近的，认为它位于连接DNA上，只是一种习惯说法。
五种组蛋白在同一生物的不同组织中完全一样，在不同的真核生物中也很相似。组蛋白对染色体中DNA的包装有十分重要的作用。
2.核小体
图15－12A DNA的高级结构
核小体是构成染色质的基本结构单位，使得染色质中DNA、RNA和蛋白质组织成为一种致密的结构形式。核小体由核心颗粒(core particle)和连接区DNA(linker DNA)二部分组成，在电镜下可见其成捻珠状，前者包括组蛋白H2A，H2B，H3和H4各两分子构成的致密八聚体(又称核心组蛋白)，以及缠绕其上一又四分之三圈长度为146bp的DNA链；后者包括两相邻核心颗粒间约60bp的连接DNA和位于连接区DNA上的组蛋白H1(图15－12），连接区使染色质纤维获得弹性。核小体是DNA紧缩的第一阶段，在此基础上，DNA链进一步折叠成每圈六个核小体，直径30nm的纤维状结构，这种30nm纤维再扭曲成襻，许多襻环绕染色体骨架(Scaffold)形成棒状的染色体，最终压缩将近一万倍。这样，才使每个染色体中几厘米长(如人染色体的DNA分子平均长度为4cm)的DNA分子容纳在直径数微米(如人细胞核的直径为6－7μm)的细胞核中。
图15－12B DNA的高级结构－从核小体至染色体
核小体的形成以及DNA超螺旋结构与功能的关系还不十分清楚，可能与基因的转录调节控制有关。