染色质

染色质是在真核细胞中发现的 DNA 和蛋白质的复合物。 主要功能是将长 DNA 分子包装成更紧凑、更致密的结构。 这可以防止链缠结，并且在细胞分裂过程中增强 DNA、防止 DNA 损伤以及调节基因表达和 DNA 复制方面也起着重要作用。 在有丝分裂和减数分裂过程中，染色质有助于后期染色体的正确分离； 在此阶段可见的染色体特征形状是 DNA 盘绕成高度浓缩的染色质的结果。

染色质的主要蛋白质成分是组蛋白。 由两组四个组蛋白核心（组蛋白 H2A、组蛋白 H2B、组蛋白 H3 和组蛋白 H4）组成的八聚体与 DNA 结合并充当链缠绕的锚点。 一般来说，染色质组织分为三个层次：

• DNA 包裹在组蛋白周围，形成核小体和串状结构（常染色质）上的所谓珠子。
• 多个组蛋白包裹在 30 纳米的纤维中，该纤维由核小体阵列组成，呈最紧凑的形式（异染色质）。
• 30 纳米纤维的更高水平 DNA 超螺旋产生中期染色体（在有丝分裂和减数分裂期间）。

然而，许多生物体并不遵循这种组织方案。 例如，精子和鸟类红细胞的染色质比大多数真核细胞更紧密，而锥虫原生动物根本不会将其染色质浓缩成可见的染色体。 原核细胞具有完全不同的结构来组织它们的 DNA（原核染色体等价物称为基因载体，位于类核区域）。

染色质网络的整体结构进一步取决于细胞周期的阶段。 在分裂间期，染色质结构松散，可以接触转录和复制 DNA 的 RNA 和 DNA 聚合酶。 间期染色质的局部结构取决于 DNA 中存在的特定基因。 包含活跃转录（开启）基因的 DNA 区域不太紧密，并且与称为常染色质的结构中的 RNA 聚合酶密切相关，而包含非活性基因（关闭）的区域通常更浓缩并与异染色质中的结构蛋白相关 . 通过甲基化和乙酰化对染色质结构蛋白进行的表观遗传修饰也会改变局部染色质结构，从而改变基因表达。 对染色质结构的了解有限，它是分子生物学研究的活跃领域。

染色质在细胞周期中经历各种结构变化。 组蛋白是染色质的基本包装和排列，可以通过各种翻译后修饰来改变染色质包装（组蛋白修饰）。 大多数修饰发生在组蛋白尾部。 带正电荷的组蛋白核心仅部分抵消 DNA 磷酸骨架的负电荷，导致整个结构的负净电荷。 聚合物内电荷的不平衡导致相邻染色质区域之间的静电排斥，从而促进与带正电的蛋白质、分子和阳离子的相互作用。 随着这些修饰的发生，染色质周围的静电环境会发生变化，染色质的压实程度也会发生变化。 染色质可及性和压缩方面的结果取决于修饰的氨基酸和修饰的类型。 例如，组蛋白乙酰化导致染色质松动并增加复制和转录的可及性。 赖氨酸三甲基化可导致转录活性增加（组蛋白 H3 赖氨酸 4 的三甲基化）或转录抑制和染色质压实（组蛋白 H3 赖氨酸 9 或 27 的三甲基化）。 几项研究表明，不同的修改可能同时发生。

例如，有人提出二价结构（组蛋白 H3 上的赖氨酸 4 和赖氨酸 27 三甲基化）参与早期哺乳动物发育。 另一项研究测试了 H4K16ac 对染色质结构的作用，发现均匀乙酰化抑制 30 nm 染色质形成并阻断三磷酸腺苷重塑。 这种独特的修饰改变了染色质的动力学，表明 K16 处 H4 的乙酰化对于染色质结构的正确内部和内部功能至关重要。