组蛋白和非组蛋白 histones and non-histone proteins

组蛋白和非组蛋白histones and non-histone proteins

组蛋白是存在于染色体内的与DNA结合的碱性蛋白质，染色体中组蛋白以外的蛋白质成分称非组蛋白。绝大部分非组蛋白呈酸性，因此也称酸性蛋白质或剩余蛋白质。组蛋白于1834年由德国科学家A.科塞尔发现。

组蛋白对染色体的结构起重要的作用。染色体是由重复单位──核小体组成。每一核小体包括一个核心8聚体（由4种核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4的各两个单体组成）；长度约为200个碱基对的脱氧核糖核酸(DNA)；和一个单体组蛋白H1。长度约为140个碱基对的DNA盘绕于核心8聚体外面。在核心8聚体之间则由长度约为60个碱基对的DNA 连接。这种DNA称为“接头”DNA。

组蛋白的组分几乎所有真核细胞染色体的组蛋白均可分成5种主要的组分，分别用字母或数字命名，命名方法也不统一，如H1或称F1，Ⅰ;H2A或称F2A2，Ⅱb1；H2B或称F2B，Ⅱb2；H3或称F3，Ⅲ；H4或称F2A1，Ⅳ。有核的红细胞或个别生物体中，还存在特别的组蛋白成分，红细胞中为H5或F2C，Ⅴ，鲑鱼组织中为H6或T。H2A、H2B、H3、H4组成核小体的核心，也称核心组蛋白。根据组蛋白的一级结构，又可将它们分为3种类型:赖氨酸含量特别丰富的组蛋白(H1);赖氨酸含量较丰富的组蛋白（H2A和H2B）;精氨酸含量丰富的组蛋白（H3和H4）。从整体来说，组蛋白在进化过程中保守性很强。其中H1变化较大，H3和H4变化最小。如对小牛胸腺的5种组蛋白，豌豆苗组蛋白的H3、H4和兔胸腺组蛋白H1等的一级结构比较中发现，小牛胸腺和豌豆苗的组蛋白H4间只在60位和77位上的两个氨基酸残基不同。但已知的真菌和原生动物的组蛋白的部分一级结构和动、植物的组蛋白间的差异较大。

组蛋白合成后的修饰这是形成组蛋白各组分微不均一性的主要原因。修饰的方式有：①乙酰化。有两种，一种是H1、H2A、H4 组蛋白的氨基末端乙酰化，形成α-乙酰丝氨酸，组蛋白在细胞质内合成后输入细胞核之前发生这一修饰。二是在H2A、H2B、H3、H4的氨基末端区域的某些专一位置形成N6-乙酰赖氨酸。②磷酸化。所有组蛋白的组分均能磷酸化，在细胞分裂期间，H1的1～3个丝氨酸可以磷酸化。而在有丝分裂时期，H1有3～6个丝氨酸或苏氨酸发生磷酸化，其他四个核心组蛋白的磷酸化可以发生在氨基末端区域的丝氨酸残基上。组蛋白的磷酸化可能会改变组蛋白与DNA的结合。③甲基化。仅发现于H3的9和27位和H4的20位的赖氨酸，鸭红细胞组蛋白H1和H5的组氨酸。④ADP-核糖基化。组蛋白H1、H2A、H2B及H3和多聚ADP-核糖的共价结合，ADP-核糖基化被认为是在真核细胞内启动复制过程的扳机。

非组蛋白染色质中一大群分子量5000～15000的蛋白质的总称。真核细胞的非组蛋白可能有100种以上。由于非组蛋白本身具有聚合特性，它们和组蛋白、核酸等也有结合能力，用电泳和层析技术完全分离非组蛋白比较困难，用双向电泳技术曾在兔肝和诺维科夫肝癌细胞分别分离到69个和84个组分。非组蛋白大致包含下列三类蛋白质：①细胞核内大量的酶。包括DNA合成及修复过程中的DNA多聚酶和连接酶，核糖核酸(RNA)聚合酶，以及核酸和蛋白质如组蛋白在修饰过程中所需要的酶；②在染色体中起结构作用的蛋白质；

③其他尚未阐明功能的蛋白质。非组蛋白在各种组织和细胞的分化及发育过程中以及在正常细胞向肿瘤细胞的转化过程中均会发生变化。各种不同的动物和组织中的非组蛋白成分也有较大的变化。非组蛋白能够选择性地和同源DNA结合，它们在RNA聚合酶作用下在体外能促进DNA的转录，所以有人认为染色质中的具有专一功能的非组蛋白在基因转录的选择性调控上起重要作用。

龚祖埙

从染色质到染色体的四级结构模型

染色质和染色体的基本成分相同,主要包括DNA和组蛋白,除此之外,还有非组蛋白和RNA。这些成分通过螺旋化和折叠,形成了一定的结构。根据多方面的研究成果,人们提出了从染色质到染色体的四级结构模型。

图6-5 核小体的结构模式图

1.一级结构:染色质是一系列核小体相互连接成的念珠状结构。核小体的核心是由组蛋

白H

2A、H

2

B、H

３

、H

４

各两个分子构成的八聚体,在八聚体的表面缠绕有13/4圈的双螺旋DNA。

在相邻的两个核小体之间,由DNA连接,称为连接线,在连接线部位结合有一个组蛋白分子

H

1

(图6-5)。现在普遍认为,在组蛋白H1存在时,每个核小体间紧密接触,形成直径为10 nm 的纤维状结构,此时,DNA的长度被压缩了约7倍。这就是染色体构型变化的一级结构(图

6-6,1)。

2.二级结构:由核小体连接起来的纤维状结构经螺旋化形成中空的螺线管,这就是染色体构型变化的二级结构。螺旋管的每一圈包括6个核小体,外径约为30 nm 。因此,DNA的长度在一级结构的基础上又被压缩了6倍(图6-6,2)。

3.三、四级结构:由螺线管进一步形成染色体的方式,现在有不同的看法。据Bak等(1977年)的研究,从人胚胎的成纤维细胞中分离出来的染色体,经温和的破坏后,在光学显微镜下可见到有伸展的、直径约为400 nm的细丝结构。在电子显微镜下观察这些细线时,判明它就是由直径30 nm的螺线管螺旋化形成的筒状结构,称为超螺线管。这就是染色体构型变化的三级结构(图6-6,3)。超螺线管再进一步螺旋折叠则形成染色单体,这是染色体构型变化的四级结构(图6-6,4)。

染色单体是由一条连续的DNA长链,经过四级的盘旋、折叠而形成的。一条DNA的长链经过一级结构即形成核小体后,其长度被压缩了7倍。二级结构,即形成螺旋管后,DNA长度又被压缩了6倍。三级结构,即由螺线管形成超螺线管后,DNA的长度在二级结构的基础上被压缩了40倍,在由三级到四级结构,即形成染色单体后,DNA的长度在三级结构的基础上被压缩了5倍。因此由一条DNA长链,经过多级螺旋化,可以使几厘米长的DNA与组蛋白等物质共同形成几微米长的染色体,其长度总共被压缩了8 000～10 000倍。

图6-6从染色质到染色体的四级结构模型

精子细胞核

位于精子头部的中央偏后，表面包有核膜，其内为核质，核质主要为高度浓缩的染色质。电镜下核内染色质呈不规则的纤维颗粒状，在浓密的核染色质中，常可见不规则的透亮区，称为核泡(nuclear vacuole)，核泡是在染色质浓缩过程中形成的，较大的核泡可能是染色体排列发生畸变引起的，核染色质主要由DNA和精核蛋白组成，和体细胞相比，精子的DNA 和核蛋白的组成有其独特性。这种差异主要表现在2个方面：①由于精子是单倍体，故DNA 量仅是体细胞的一半·同时由于精子除合成少量功能蛋白外，基本上处于休止状态，故其染色质的致密度明显高于体细胞，体积也很小，有利于精子的穿透功能。②体细胞的核蛋白主要是组蛋白，而精子的核蛋白主要是精核蛋白，后者为一种富含精氨酸和半胱氨酸的碱性蛋白。

精核蛋白(protamine)是精子细胞中特有的一种低分子量的碱性蛋白质，最早由鱼类精子的头部分离所得，所以又称为鱼精蛋白，以后发现人类精子的核蛋白也以鱼精蛋。人精子核内的精核蛋白分为2大类：一类为P1精核蛋白，存在于所有哺乳动物精子核中，人精子核中的称HPl(humanprotamine 1)；另一类为P2族精核蛋白，由2、P3和P4组成，P2族精核蛋白只存在于人类及很少几种哺乳动物(如小鼠、仓鼠等)。人精核蛋白是在精子发生过程中形成的。在精原细胞和精母细胞的核中仍以组蛋白为主，因此在精子形成过程中，核内蛋白质经历了组蛋白一精核蛋白的取代过程。在精子细胞的变态过程中，核内的组蛋白首先转换成两种过渡蛋白，称TPl．和(transitionprotein，TP)，接着精子细胞新合成的TP3和S12取代了TPl和TP2，形成成熟精子内的精核蛋白。研究发现HPl由50个氨基酸残基组成，哺乳动物的PI均结构相同，整个Pl含有3个结构区域：①从N末端的顺序为丙、精、酪、精、胱，为一高度保守区；②中央区域含有4个精氨酸丛，也为高度保守区；③c末端为高度可变区，此外P1的第8、10和12位为丝氨酸和苏氨酸。P2除含有丰富的精氨酸外，还有许多组氨酸残基。人精子中已发现有P2a和P2b两种变异体，m2a为57个氨基酸，P2b 为54个氨基酸，N末端比P2a少3个氨基酸，其余的氨基酸序列相同。P2a有可能是P2b 的前体分子。在细胞核内，精核蛋白主要和DNA结合，关于结合方式，有2种假设：一种认为精核蛋白分子位于DNA双螺旋的大沟内，蛋白分子中央区的精氨酸丛能与DNA分子上的磷酸基相互作用，而蛋白分子的N端和C端则充填在DNA双螺旋的小沟内，与邻近的DNA或精核蛋白发生作用；另一种假设是，精核蛋白分子位于DNA螺旋的小沟内，在邻近DNA螺旋的大沟内，蛋白质N端和c端的一个精氨酸，可与邻近DNA螺旋大沟内的基团形成氢键，同时蛋白分子上的半胱氨酸可形成分子间的二硫键，使平行排列的染色质丝更趋于稳定。与组蛋白相比，鱼精蛋白与DNA的这种结合方式更为紧密，电镜观察，未染色的电镜标本，精核蛋白区的密度高于组蛋白，但用重金属离子(如铀)染色后，则结果相反。这是由于组蛋白区内，核DNA上的负电荷与离子结合，使电子密度加大，而在精核蛋白区由于DNA的负电荷被中和了，无法与金属离子结合，故电子密度低。精核蛋白的主要作用是通过精氨酸上的正电荷与DNA的负电荷和半胱氨酸间的二硫键，使核染色质高度浓缩，即缩小了精子头的体积，有利于精子穿入卵细胞，又抑制了染色质的转录活性，使精子的核物质更趋于稳定。精核内精核蛋白量的多少也成为衡量精子成熟程度的一个指标。已经发现，精子核蛋白的缺乏与不育相关，而少精子症患者有精核蛋白含量的下降，亦已证明抗精核蛋白抗体可以抑制精子与卵的结合，证明了精核蛋白与精子受精能力的关系。此外，精核蛋白亦与胚胎发育有关，精核蛋白的转化障碍，可能引起胚胎发育异常。

核膜为类脂双层结构。精子的核膜较体细胞的核膜薄，厚约7～lO nm，大部分核膜无核孔，但在核后环处，精子变态过程中，核染色质浓缩，核体积缩小。