DNA 包装

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DNA 在细胞内包装的方式可能是最复杂和最紧凑的包装形式之一。尽管 DNA 非常小，大约 2.6 纳米，但它会形成很长的带状结构，需要将其紧密地缠绕成螺旋状才能包含在细胞内部。

人体细胞包含 23 对染色体。细胞核的直径只有 2 微米，而长达 1.8 米的 DNA 必须装入其中。让我们看看染色体，并深入了解直到到达 DNA 的过程，同时了解它在每个阶段是如何包装的。

DNA 包装

染色体的长度为 1400 纳米，宽度为 700 纳米。染色体是紧密包装的染色单体的超螺旋，染色单体的宽度为 300 纳米。这些染色单体进一步压缩形成 250 纳米宽的纤维，这些纤维像波浪一样上下延伸。

一条染色单体由多个核小体组成。核小体与一种名为 H1 组蛋白的蛋白质结合在一起，称为染色体，它是染色单体螺旋的构建块。这些核小体的簇结合在一起形成一条染色单体的螺旋，直径约为 30 纳米。6 个这样的染色体结合在一起形成一个称为螺线管的结构。

8 种蛋白质——H2A、H2B、H3 和 H4——每种蛋白质各一对，结合在一起形成一个核小体。这 8 种蛋白质称为核心蛋白质。这组 8 种蛋白质由 H1 组蛋白固定到位，一条 DNA 链紧密地缠绕在这个结构周围，看起来像一串珠子。这种结构（珠子）的宽度约为 10 纳米。连接两个珠子的 DNA 片段称为连接体 DNA。H1 蛋白与连接体 DNA 连接。DNA 链围绕核小体缠绕约 1.65 圈。

这 8 种蛋白质（核小体）富含赖氨酸和精氨酸，使其带轻微的正电荷，而 DNA 的核苷酸（具有磷酸、糖和碱基组合）带负电荷。这些相反的电荷有助于它们紧密结合在一起。

在细胞分裂期间，细胞的组成部分会发生很多变化，DNA 也会发生变化。这些核心蛋白质有助于在细胞分裂期间 DNA 发生这些变化。在核心蛋白质的帮助下，DNA 发生变化的过程统称为共价翻译后修饰 (PTM)，它包括多种过程，即甲基化、乙酰化、SUMO 化、泛素化和磷酸化。

表观遗传学

表观遗传学是指 PTM 过程使核心蛋白质能够在不改变 DNA 核苷酸的情况下改变 DNA 的现象。换句话说，在 DNA 中发生变化而没有基因突变。这些不影响核苷酸的变化涉及激活或失活转录、染色体包装以及修复或破坏 DNA。

附着在核心蛋白质上的毛发状纤维称为组蛋白尾，有助于共价转录后修饰。乙酰化、磷酸化和甲基化是使用组蛋白尾发生的三个主要过程，而泛素化和 SUMO 化发生的速率相对较低。

转录激活和失活

染色质可以以两种形式访问，即常染色质和异染色质。

• 在常染色质阶段，DNA 在两个核小体之间展开或松散地缠绕，使其易于访问。这种扩展有助于访问 DNA，因此它可用于转录过程。

• 在异染色质阶段，DNA 紧密缠绕，核小体紧密排列，使其无法访问 DNA 进行转录过程。

• 磷酸化和乙酰化有助于常染色质阶段的 DNA 延伸。甲基化、泛素化和 SUMO 化根据其在 DNA 周围的可用性，共同帮助常染色质和异染色质阶段。

借助这两个阶段，可以激活或失活 DNA 用于转录过程。

乙酰化与去乙酰化

在乙酰化过程中，乙酰基附着在紧密排列的核小体（异染色质阶段）的组蛋白尾上。然后，这些乙酰基攻击核心蛋白质中存在的溶酶体以去除其正电荷。一旦核心蛋白质失去其正电荷，它就会松开与 DNA 的连接，将其带到常染色质阶段。有助于与组蛋白基团连接的乙酰基称为组蛋白乙酰转移酶。使用乙酰基将染色质从异染色质阶段转变为常染色质阶段的整个过程称为乙酰化。

负责去除有助于去乙酰化过程的乙酰基的酶称为组蛋白去乙酰酶。在去乙酰化过程中，乙酰基从组蛋白尾部分离，使核心蛋白质恢复正电荷，进而帮助它们与 DNA 螺旋紧密结合。此过程与乙酰化的过程完全相反，以使核小体恢复到其异染色质阶段。

甲基化

甲基化有助于将染色质从常染色质转换为异染色质阶段，反之亦然，具体取决于其在 DNA 附近的位点。当单个甲基 (CH3) 附着在核心蛋白质（或赖氨酸）上时，称为单甲基赖氨酸。当两个甲基附着在蛋白质上时，称为二甲基赖氨酸，当三个甲基附着在核心蛋白质上时，则称为三甲基赖氨酸。

有助于将甲基与核心蛋白质连接的酶称为赖氨酸甲基转移酶，而有助于将甲基从蛋白质上分离的酶称为赖氨酸去甲基酶。

磷酸化

与甲基化一样，磷酸化也有助于常染色质和异染色质阶段。磷酸化作用于 4 种蛋白质，即酪氨酸、组氨酸、丝氨酸和苏氨酸，其中磷原子附着在这些蛋白质中的任何一种上。有助于将磷原子附着在蛋白质上的酶称为激酶。当磷原子附着在蛋白质上时，它会敲除甲基，从而使去甲基化并激活转录过程。

根据其作用的蛋白质，磷原子执行多种功能。当附着在 H4 蛋白上时，它会执行有丝分裂，组装染色质，并且还参与诱导 DNA 损伤。当磷原子附着在 H2AX 蛋白上时，就会发生凋亡。

科学家们仍在研究这种复杂的 DNA 模型，以更好地了解细胞内发生的过程并找到治疗疾病的方法。

常见问题

问题 1. 什么是 DNA 包装？

答案。将非常长的 DNA 带状结构紧凑地包装到微小的细胞核中的过程统称为 DNA 包装。

问题 2. 什么是核心蛋白质？

四种蛋白质——H2A、H2B、H3 和 H4——各一对，这 8 种蛋白质统称为核心蛋白质。这些蛋白质结合在一起形成核小体。

问题 3. 共价翻译后修饰 (PTM) 是什么意思？

答案。在细胞分裂期间，细胞的组成部分会发生很多变化，DNA 也会发生变化。这些核心蛋白质有助于在细胞分裂期间 DNA 发生这些变化。在核心蛋白质的帮助下，DNA 发生变化的过程统称为共价翻译后修饰 (PTM)。

问题 4. 什么是表观遗传学？

答案。表观遗传学是指 PTM 过程使核心蛋白质能够在不改变 DNA 核苷酸的情况下改变 DNA 的现象。

问题 5. 常染色质和异染色质阶段是什么意思？

答案。染色质可以以两种形式访问，即常染色质和异染色质。在常染色质阶段，DNA 在两个核小体之间展开或松散地缠绕，使其易于访问。这种扩展有助于访问 DNA，因此它可用于转录过程。