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一百多年前，人類首次以光學顯微鏡觀察高等生物細胞的染色體時，可以看到正在分裂的細胞，其染色體就像短短的麻繩一樣，而由赤道板奔向兩極。當然這些繩索狀的染色體不是自己移動的，而是由紡綞絲附著在染色體上的一種特殊構造，稱為著絲點，將其拉向兩極，而完成分裂。各個細胞獲得的染色體數與母細胞相同，如果是生殖細胞經減數分裂，則最後各配子所含的染色體數為原細胞的一半，即單套染色體。當染色體移動至新細胞後，被核膜包圍，在休止期時，這些粗短的染色體突然從核中消失，無法由顯微鏡看出它們的構造。其實這些染色體並沒有消失，只是由縮短的狀態展開而成疏鬆的狀態。
染色體上遺傳情報的最小單位是基因，植物或動物細胞通常含有數千個基因。不同的基因能控制不同蛋白質的合成，而蛋白質則為進行各種生理功能所必需的物質。不同類細胞各具特別的功能，例如紅血球細胞司運送氧氣、肝細胞合成肝醣、腦細胞司記憶或神經衝動之傳遞。為什麼各類細胞同樣具有一套基因，所合成的蛋白質卻各有特色？你可以想像也許某一段基因被關閉，而另一段則被開放著。這段開放的基因會展開成較稀鬆的狀態，以進行轉錄作用（transcription）。在某一發育或分化的階段，只有一定的基因能被「開放」來合成RNA。
每種生物具有的染色體及其構造，多少會有差異，那麼，此種差別的基礎是什麼？本文希望透過染色質的構造，及核粒體（nucleosome）的觀念，使您能了解去氧核醣核酸如何由雙螺旋的構造「疊合」成染色體粗短的構造。
染色質的構造
早期探索染色體時，主要集中於研究其組成物質的奧秘。原核生物像大腸菌，其染色體與真核生物的染色體在外觀上有一些差異，由於細菌染色體之外圍沒有真正的核膜包圍著，被稱為擬核（nucleoids）。大腸菌的染色體若拉成一條直線，其周邊總長度約為 1,100μ（大腸菌的染色體是一個環形的雙螺旋），而細菌本身的直徑只有1～2μ，我們可以想像得到，這條染色體必經過某種高度折疊或堆積的結構而裝在小小的細胞裡。
利用溫和的方法，將大腸菌染色體自一種無離子性清潔劑的溶液中分離出來，而將其保存於高濃度陽離子溶液──如聚胺類（微鹼性或帶正電的蛋白質）或1M鹽溶液中，則去氧核醣核酸中磷酸根的負電荷被中和，染色體保持縮合狀態，跟在活細胞中所看到的擬核類似。此種折疊的染色體，被認為是大腸菌染色體能發揮其功能的構造。一個環狀的染色體折疊後，約形成50圈小環，每一小環纏捲得很緊，而形成超次螺旋（像捲得很緊的電話線或麻繩）。此種折疊構造的完整，有賴RNA及蛋白質來維持，若用去氧核醣核酸（DNase）或核醣核酸（RNase）處理，則可使此繞緊的「電話線」鬆開至於真核細胞的染色體又如何折疊呢？當細胞分裂的休止期（或稱間期），細胞核中除核仁外，核液是一團分不清楚的東西，染色後，可分為異質染色質（heterochromatin）及勻質染色質（euchromatin），前者染色較深，後者染色較淺（見圖一）。異質染色質是由疊合緊密的250Å的染色質纖維所組成，勻質染色質則疊合較鬆一點。在整個細胞分裂週期中，異質染色質仍保持高度折合的狀態，大部分具活性、開放的基因似都位於勻質染色質區。由此可知構造與功能的相關性是很明顯的：高度折合的染色質在遺傳上是不活潑的，而較鬆散的區域則具活性。
其次要談談染色質的組成，因為去氧核醣核酸之所以能形成玻璃珠狀的核粒體，在在與染色質中的蛋白質息息相關。染色質由蛋白質與去氧核醣核酸（DNA）所組成，雖然蛋白質含量較豐，但所有的遺傳情報卻都存於DNA之中。既然遺傳情報都儲存於DNA中，為什麼會有如此多蛋白質呢？在1970年代初，許多人研究的結果顯示染色質中含五種組織蛋白（histones），其他真核生物細胞均含此五種組織蛋白。除了組織蛋白外，另有一類非組織蛋白（nonhistones）與DNA形成較鬆的結合，它們都參與DNA的疊合，此處不擬加以討論。讓我們先了解一下，組織蛋白究竟是怎樣的一種蛋白質。
組織蛋白
組織蛋白係一種鹼性蛋白質，在生理狀態下，它們帶淨正電荷，這種正電荷最主要由精胺酸及離胺酸中的胺基所提供的。在組織蛋白中，這兩種胺基酸含量很高，而依這兩種胺基酸含量多寡，可將組織蛋白分為五類：(1)含離胺酸最多的部分，稱為H1，(2)含離胺酸次多的部分，有H2A、H2B兩種，(3)含精胺酸很多的部分，亦有H3、H4兩種。在組織蛋白分子裡，精胺酸及離胺酸易於出現在端點，因此蛋白質的一端極富正電荷。在DNA的骨架上的磷酸根則為帶負電的，可與組織蛋白端點的正電相互作用而形成所謂核蛋白（nucleohistone）的結構。當染色質中的DNA與組織蛋白以離子作用相結合，會出現一種100Å的重複構造（見圖四），對此種構造的一種可能解釋是這樣的：組織蛋白結合到DNA上面，使其能產生規則的重複構造而疊合在染色質中。
1973年，澳洲的修易希（Hewish）及柏戈恩（Burgoyne）發現同樣的結果，他們以老鼠肝細胞的核酸分解DNA使其斷裂，再用膠質電泳技術（gel electrophoresis）分析DNA斷片，結果在膠質上顯出規則的樣子，可能是某種重複構造的單一或多個單位所組成。他們猜測，在染色質中的蛋白質賦有某種功能，可保護DNA免受核酸的作用，因此蛋白質是以一種規則的形式存在著。有些科學家就開始猜測，組織蛋白可能和染色體構造及基因表現有關係。其後經過多種試驗，如利用微生物核酸來水解，再經電泳後亦產生同樣的規則形式，可知那是染色質構造的一種特性，而非任何一種核酸的性質。
核粒體的構造
很久以來，生物學家即對DNA如何在小小的細胞核中能精緻的行使其任務，感到非常不可思議。由於生物物理方法的進步，使我們能從更多的證據來推測DNA的疊合確是巧奪天工。DNA的疊合初步是由一條雙螺旋鏈繞在染色質基本單位上，此種基本單位在一條連續的DNA上，用電子顯微鏡觀察，就像在一條線上綴著玻璃珠一樣。1975年，奧弟（Oudet）等人將此種規則的顆粒狀構造命名為核粒體，是染色質的基本構造（見圖五、六）。
目前已經可以把核粒體製成結晶，再過不久將可了解其詳細立體結構。我們現在所知的核粒體模型，是利用數種資料所推論出來的，如中子散射（neutron scattering）、X線繞射、電子顯微鏡及核酸水解所得的結果，核粒體的立體模型。
由於核粒體主要的構造數據都集中在其核心部分，因此我們再從不同的角度來討論組織蛋白如何構成核粒體。前面已經提過組織蛋白共有5種，由圖八可以了解其分子大小及概略的構造。在核粒體中只有四種組織蛋白參與立體結構，而且H3和H4之間的作用較強，目前暫時的作用模式如圖九所示，在高濃度的鹽溶液下它們維持完整性，而鹽濃度降低時，它們會分開。
核粒體的直徑約為10nm，其周圍大約含140對核酸；兩核粒體之間有一段間隔，約為15到l00對核酸，其長度視細胞種類而異。
第五種組織蛋白在兩核粒體間似乎擔任著重要的任務，可能與核粒體的開或關有密切關係。核粒體的核心部分，其分子量為200,000，其組織蛋白與DNA的比例約為1.1：1，係一種緻密的球形。由中子散射及X線繞射的結果顯示，核粒體是盤狀的構造，其直徑我們剛提過，約為10nm，高度則約為5.5nm；進一步由中子散射方法得知DNA係繞在核粒體的外圍，這個發現與諾爾（Noll）在1974年的報告不謀而合，他指出，核粒體部分的DNA易被去氧核醣核酸I所水解。
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發表於 2013-7-10 11:45:11
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