第四节
组蛋白和染色体

真核细胞由于有线粒体供给大量的能源，可以使原有的基因变双份或多份。增殖出来的基因就可以获得新的功能，逐渐形成基因家族，使得真核生物的“本事”越来越大。真核细胞还“收编”了 α-变形菌的DNA，进一步增加了基因的数量。再加上真核生物基因所含的内含子数量不断增加，这也增加了基因的长度。随着真核生物的繁荣，各种“寄生”的DNA序列也来搭“顺风车”，在真核生物的DNA中繁衍起来。例如病毒就可以把自己的DNA插入细胞DNA，并且和细胞的DNA一起被复制。还有一些能够自我复制，在DNA中“跳来跳去”的DNA序列，叫做转座子（transposon），也可以在真核细胞的DNA中繁殖。因为它们是搭“顺风车”的DNA序列，对细胞的功能没有直接的贡献，反而消耗细胞的资源来保留和复制它们，所以这些DNA序列也被称为“自私DNA”（selfish DNA）。在一些真核生物的DNA中，这些自私DNA甚至占了大部分。人类DNA的30亿个碱基对中，只有约5%是为蛋白质编码的，说明我们的DNA中有大量的“寄生虫”。

所有这些因素加起来，就使真核生物的DNA分子越来越长。如何把这样的DNA“装”到细胞核中，就成了问题。先让我们看看原核生物的情况。作为储存生物全部遗传信息的分子，原核生物的DNA就很大。例如大肠杆菌（菌种K-12）的DNA就有约460万个碱基对。DNA双螺旋大约10个碱基对转一圈，每转一圈的长度约3.4纳米。这样，大肠杆菌的环状DNA的周长就有1.56毫米长，是大肠杆菌细胞的周长（约3微米）的500倍左右。要把这么长的DNA“装”进细胞里，大肠杆菌采取了几个办法。一是形成超螺旋（supercoil），即让DNA的双螺旋再绕紧，成为“麻花上的麻花”，有点像把橡皮筋一端固定，把另一端绕很多圈后形成的结构。大肠杆菌有专门的酶，叫做DNA旋转酶（DNA gyrase），在DNA中形成超螺旋。形成超螺旋需要DNA的双螺旋能够弯曲，但是DNA中磷酸基团上的负电荷互相排斥，使DNA分子趋向成为直线状态。为了中和磷酸基团的负电荷，大肠杆菌有两种带正电的分子，精胺（spermin）和亚精胺（spermidine）与DNA结合。精胺和亚精胺是由碳原子和氮原子连成的长链，上面再连上氢原子。氮原子上的一对“未共用电子”可以和氢离子结合，在氮原子处增加一个正电。它们与DNA结合后可以减弱磷酸基团之间的排斥作用，使DNA分子更容易弯曲。除此以外，大肠杆菌还有H-NS蛋白（histone-like nucleoid-structuring protein）结合在DNA上。H-NS蛋白质的结合也帮助大肠杆菌的DNA更紧密地团聚在一起。

大肠杆菌如此，单细胞真核生物的DNA就更长了。例如酿酒酵母的DNA有约1200万个碱基对，总长约4毫米。变形虫的DNA有3388万碱基对，总长约11毫米。而衣藻的DNA有约12000万碱基对，总长约4厘米。人的基因组有约30亿个碱基对，总长达1米，如果考虑到人的体细胞（组成身体的细胞）是二倍体的，即含有来自父亲和母亲的各一份遗传物质，每个细胞中的DNA总长会达到2米！所以真核细胞的DNA就不能像原核生物那样，成为单个环状的DNA，而且只进行简单的“包装”了。真核生物的办法是把DNA分成若干段，例如酵母菌就把DNA分成16—18段。变形虫分成6段，衣藻分成16段，人把每份遗传物质分成23对，共46段。这些DNA片段也不是像细菌的DNA那样是环状的，而是线性的，也就是有两端。

不仅如此，真核生物的DNA还和一类叫做组蛋白（histone）的碱性蛋白结合。组蛋白含有比较多的赖氨酸和精氨酸，所以是带正电的。由组蛋白H2a、H2b、H3、H4各两份组成的蛋白质8聚体基本上呈球形，上面有带正电的氨基酸组成的条带。DNA和这些带正电的条带结合，绕在组蛋白球上，用146个碱基对绕1.65圈。这样形成的组蛋白-DNA结构叫做核小体（nucleosome），直径大约10 纳米。核小体之间有大约50个碱基对的DNA将它们连在一起。如果在低盐浓度下提取真核生物的DNA，核小体就像穿在线上，彼此分开一段距离的念珠。如果在生理盐浓度（例如150毫摩尔/升浓度的KCl）提取DNA，就会发现DNA要粗得多（大约30 纳米直径），原因是在这种条件下，另一种组蛋白（H1）把核小体连成环状，每一圈有6个核小体。这样就形成由核小体排列成的圆筒状螺线管结构（图3-6）

图3-6 组蛋白对DNA的“包装”

核小体之间50个碱基对是为“线上的念珠”结构进一步卷成直径30纳米的管状结构所必需的。在真核细胞处于“间期”（分裂期之间的时期）时，DNA就是以这种形式存在的，而且可以被碱性染料染色，叫做染色质（chromatin）。在真核生物的细胞分裂时，DNA更加浓缩，被称为染色体（chromosome）。染色质中DNA和蛋白质的质量比约为1:1，比起原核生物中H-HS蛋白质与DNA的质量比大约为1:10的情形，真核生物的DNA是被大量组蛋白“包装”成为紧密结构的。

有趣的是原核生物中的古菌。它的DNA虽然和细菌一样是环状的，但是却结合有组蛋白。和真核生物的核小体蛋白由H2a、H2b、H3和H4各两份组成的蛋白质8聚体不同，古菌核小体的蛋白是由类似H3和H4的蛋白质组成的4聚体。由于这样组成的组蛋白核心比真核细胞小，围绕它的DNA只有约60个碱基对，不到真核生物的一半。但是这毕竟是核小体，说明真核生物的组蛋白和核小体结构是在古菌和真核生物的共同祖先中就出现了。

DNA这样被紧密包装，基因和它的启动子也被包裹起来了，转录因子就很难结合在启动子上，把基因“打开”，进行转录。在这种情况下，基因是“沉默”的。要使基因“打开”，就必须把30 纳米的管状结构打开，并且把DNA从核小体上分离下来。一个办法就是减少组蛋白上面的负电荷。例如在组蛋白碱性氨基酸的氨基上面加上一个“乙酰基”，把氨基的正电荷屏蔽掉，组蛋白的正电荷就会减少。正电荷一减少，组蛋白和DNA的结合就不紧密了，DNA就可以恢复“自由之身”，和转录因子、RNA聚合酶结合，开始转录。所以在真核细胞里，基因调控除了启动子和转录因子外，还有染色质结构这样更高层次的调控。