A课时数：2（第4次课）
B课程内容
4.1 DNA的"包装"
4.2 染色体结构
4.3 核小体
C主要知识点
专业名词
染色质Chromatin
染色体Chromosome
常染色质Euchromatin
异染色质Heterochromatin
染色体疆域 Chromosome territories
组蛋白 Histone
核小体 nucleosome
基因组 Genome
单倍体 haploid
二倍体Diploid
多倍体 polyploidy
拟核 nucleoid
着丝粒 centromere
端粒 Telomere
端粒酶 Telomerase
组蛋白密码 Histone code
组成型异染色质：constitutive heterochromatin
兼性异染色质：facultative heterochromatin
酵母人工染色体YAC
需要理解的内容
1) 真核和原核基因组的异同。
2) 真核生物染色体的3个基本结构元件以及它们的功能。
3) 10nm的DNA纤丝是如何形成的？
4) 30nm的DNA纤丝是如何形成的？
5) 简述真核生物中双链DNA是如何包装成染色体的。
理论与实验
1) 使用MNase切割基因组DNA后，得到下图所示的结果。
i) 解释原因
ii)简述核小体的分子结构模型
2）典型的人的基因组DNA达到2米，而细胞核的直径仅为10微米左右，请根据所学的知识，结合图片描述细胞核中的DNA是如何被包装的。
前面两次课的内容涉及的基因的概念、遗传物质（DNA或RNA）的生化知识，在不同界（kingdom）的生物中都是一致的。接下来讲的DNA的包装、基因组学、复制、转录、翻译、调控等，都是按照中心法则执行，但不同界的生物中又是不同的，因此学习过程中要注意真核、原核生物的差别。
本次课的核心内容是，DNA是如何包装到染色体。比如人的基因组DNA长度是2.2米，细胞核的大小为5~10微米，因此需要将DNA压缩、包装才能装入细胞核中。这个压缩的比例大约相当于将长度是华农到天河机场（36公里）的一条细线，放入一个篮球（直径0.24米）中。同时，DNA也会有复制、转录等活动，压缩后的DNA需要不停地打开、复制/转录、重新包装。
1. DNA的包装
1）病毒遗传物质的包装。它的遗传物质（DNA或RNA)都非常小，折叠压缩后包裹在由外壳蛋白组成的空腔中，因此病毒外壳的大小决定了它基因组的大小。病毒核酸的包装比较简单，比如线状RNA病毒TMV，它的RNA折叠成螺旋（coil），招募衣壳蛋白围绕RNA螺旋组装，最后将RNA基因组压缩包裹在其中。球状DNA 病毒 （比如lambda噬菌体），它的外壳蛋白组装出头部，再将DNA包装到头部空腔中，最后加上“尾巴”，完成组装。
2) 原核生物基因组DNA的包装
细菌的基因组DNA位于拟核中，DNA形成许多独立的环状（loop）结构或功能域（domains），平均大小10-40kb；
拟核（Nucleoid）原核生物中包含遗传位置的区域。是没有由核膜包被的细胞核，也没有染色体，只有一个位于形状不规则且边界不明显区域的环形DNA分子。
3) 真核生物基因组的包装
真核生物细胞中DNA不是裸露的，与蛋白结合成复杂的结构。
细胞分裂间期（interphase）核基因组的状态，根据形态和特征可以分为常染色质和异染色质。常染色质（Euchromatin）染色质的折叠压缩程度小，进行细胞染色时着色浅的区域，主要由单拷贝序列和中度重复序列构成。异染色质(Heterochromatin) 细胞间期的核中，染色质的折叠压缩程度高，进行细胞染色时着色深的区域。异染色质可分为组成型异染色质 （constitutive heterochromatin）和兼性异染色质（facultative heterochromatin）。组成型异染色质的DNA包装比在整个细胞周期无较大变化，除复制阶段外，整个细胞周期均处于浓缩状态，主要含微DNA序列、着丝粒区域、端粒、转座子等高度重复序列区域。兼性异染色质只在某些细胞类型或发育阶段，常染色质压缩并丧失基因转录活性，变为异染色质。与基因表达调控有关，组蛋白去乙酰化、小RNA（如piRNA）等的作用等有关。比如哺乳动物中母性的两个X染色体 中，有一个会被高度压缩成异染色质（巴氏小体），关闭基因表达。
染色质（Chromatin）
真核生物细胞核中，是细胞分裂间期遗传物质的存在形式，在细胞分裂间期能被碱性染料着色的物质，由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成。
染色体（Chromosome）
细胞在有丝分裂时遗传物质的存在形式，是染色质结构紧密包装的结果，同样是由DNA、蛋白和少量RNA组成。
除此外，染色质DNA不同区段GC含量和压缩的差异，可以通过染色技术，形成光学显微镜下可见的各种带型。通过比较染色体的带型（核型分析），来检查染色体异常。
除了染色质的带型，染色体在细胞核中存在自己的“地盘”，即染色体疆域（chromosome territories）。染色体疆域和基因表达活性相关，如异染色质、不表达的基因、基因间的间隔区域一般位于外围，而表达的基因一般位于染色体疆域的边界，染色体之间形成形成基因表达活跃的区域。
4.2 染色体结构
染色体是细胞分裂期的DNA形态（光学显微镜可见），是可见的棒状结构； 不同染色体具有不同的形状、大小；可以染色为不同的带型；中间有着丝粒，两端有端粒；着丝粒将染色体分为长臂和断臂。
4.3 核小体
1）各位同学根据以下主线学习。
DNA双螺旋 （2nm） -> 核小体（10nm） ->纤丝（30nm）-->(...)-->染色体。其中，核小体的结构是重点。
核小体
1974年Kornberg等人根据染色质的酶切和电镜观察，染色质是一种成串“颗粒”的状态，提出染色质结构的“串珠”模型，从而更新了人们关于染色质结构的传统观念。其中的珠状的颗粒就是核小体，也是染色质组装的基本结构单位。再利用micrococcal nuclease (微球菌核酸酶, MNase),将核小体分开后，进一步发现的核小体的结构。
单体核小体大约含200bp的DNA，其中165bp围绕蛋白核心，另外有80bp左右的DNA连接两个核小体。组蛋白和核心是由8个蛋白组成，其中四个核心组蛋白各两个 （H2A, H2B, H3, 和H4）。
30nm — 300nm
在串珠状的核小体结构形成后，染色质折叠的下一级机构是形成30nm的纤丝， 通过电子显微镜可以观察到30nm纤丝的染色质。提出了两种不同的30 nm染色质纤维结构模型：Solenoid模型（螺线管模型）和Zig-zag模型。螺线管模型（solenoid）表明10nmDNA纤丝中的核小体旁绕成中空管或中空螺线管，6个核小体缠绕一周，形成30nm直径的纤丝。Zig-zag模型中，核小体间隔相邻，交错排列，连接DNA被拉直，形成Z字走向的螺旋结构。2014年发表的冷冻电镜三维结构显示30 nm染色质纤维是一个以四聚核小体为结构单元的左手双螺旋结构，其中核小体之间的连接DNA是拉直的。
在间期细胞中，绝大部分染色质以30nm的纤丝存在，但进一步折叠是必须的，尤其是有丝分裂其的染色体，染色质高度浓缩。被广泛认可的高级结构形式是一系列放射状的节环（loop），环的长度在35-85kb。
2）染色质重建
染色质DNA被包装后是一种没有活性的状态，那么在复制、转录时，需要打开染色体，完成DNA的复制、转录后，还需要重新包装。这部分在DNA翻译和转录部分还会讲解。
4）核小体与基因活性调控
这里需要理解基因的表达时核小体时解聚的，因此，可以通过实验检查染色质上核小体包装的情况，来获得染色质的活性区域信息。这里用到的是DNase I超敏感实验。而核小体的组装与组蛋白的修饰有关（组蛋白密码）。
