1. Chapter 18
Chromosomes

2. 18.1 Introduction Condensing viral genomes into their coats The bacterial genome is a nucleoid The bacterial genome is supercoiled Loops, domains, and scaffolds in eukaryotic DNA Specific sequence attach DNA to the matrix The contrast between interphase chromatin and mitotic chromosomes 18.8 Lampbrush chromosomes are extended Polytene chromosomes form bands Polytene chromosomes expand at sites of gene expression The eukaryotic chromosome is a segregation device Centromeres have short DNA sequences in S. cerevisiae Centromeres may contain repetitious DNA Telomeres are simple repeats that seal the ends of chromosomes Telomeres are synthesized by a ribonucleoprotein enzyme
第5部分 核子545
18 染色体 545
病毒的染色体压缩入其壳 ,744
细菌的基因组是有许多超螺旋环的类核物 ,747
间期染色质和有丝分裂期染色体的比较 ,753
刷形染色体的延伸态 ,756
转录破坏多线性染色体的结构 ,757
作为隔离装置的真核染色体 ,760
端粒封闭染色体的末端 ,763

3. 18.1 Introduction
Chromatin describes the condition of the chromosomal material during the interphase (between mitoses) of the cell cycle. Chromosome is a discrete unit of the genome carrying many genes. Each chromosome consists of a very long molecule of duplex DNA and an approximately equal mass of proteins. It is visible as a morphological entity only during cell division. Nucleoid is the compact body that contains the genome in a bacterium. Packing ratio is the ratio of the length of DNA to the unit length of the fiber containing it.
第26章 染色体
在长期的研究中，我们发现所有细胞都含有遗传物质，对于它的活动，我们也已经找到了普遍规则。它作为一个紧密团体存在，占据一定空间，它的各种活动，例如复制和转录，必须按照这些规则进行，它的构成必须适应细胞在非活性与活性状态之间的转变。
核酸与基础蛋白（basic protein）连接后处于浓缩状态，蛋白质的正电荷中和了核酸的负电荷，蛋白质和与DNA（或RNA）相互作用形成了核蛋白复合物。
在DNA装配进噬菌体，病毒、细菌细胞和真核生物细胞的核物质的过程中，我们发现了一个普遍的问题：一个长链分子的DNA的长度会大大超过它所在区室的尺寸。DNA（或一些病毒中的RNA）必须为适合区室空间而处于极度压缩状态。因此，与习惯上常提到的长链双螺旋DNA片断相反， DNA通常变形后弯曲或折叠成为一个更紧密的形式。

4. 18.1 Introduction
The magnitude of the discrepancy between the length of the nucleic acid and the size of its compartment is evident from the examples summarized in Figure For bacteriophages and for eukaryotic viruses, whether rod-like or spherical, the nucleic acid genome, whether DNA or RNA, whether single-stranded or double-stranded, effectively fills the container.
由表26.1可以看出，核酸的长度和它们的区室之间存在着明显的的大小差异。对噬菌体和真核病毒的核酸基因组来说，无论是棒状还是螺状，DNA还是RNA，单链还是双链，都能有效地填充进它们的宿主。
表26.1 核算长度比它们的区室大得多
烟草花叶病毒/噬菌体фd/腺病毒/噬菌体T4/大肠杆菌/线粒体（人类）/细胞核（人类）
对细菌或真核细胞的区室来说，要确切计算它和DNA尺寸的差异是很困难的，因为DNA所在区域只占区室的一部分；遗传物质在细菌中以核酸（nucleoid）形式存在，在真核生物细胞分裂间期以染色质（chromatin）团形式存在。
DNA在这些区室中的密度很高：在细菌中约10mg/ml，在真核生物的核中约100mg/ml，在噬菌体T4头部中大于500mg/ml。这样一个浓度的溶液相当于粘性很大的凝胶。我们还不完全懂得其生理学的含意，例如，是什么影响蛋白质在DNA上寻找其结合点？
染色质的包装在真核细胞循环中发生改变，在有丝分裂或无丝分裂期间，遗传物质甚至被装配的更加紧密，而且个体染色体清晰可见。
DNA的全面压缩可用装配率（packing ratio）来描述，即DNA的长度与包含DNA的单位的长度之比。例如，最小的人体染色体包含约4.4×107碱基对长的DNA（约为大肠杆菌基因组的大小的10倍），相当于14000微米，即1.4厘米长，当处于有丝分裂的浓缩状态时，染色体仅有2微米长。因此，在染色体中的DNA的装配率能达到7000。
我们无法确定细菌核酸或真核染色质的无定形结构的装配率，然而，通常有丝分裂时的染色体可能比间期染色质包装要紧密5~10倍，装配率达1000~2000之间某一特定值。
装配的专一性是目前一个主要难题。DNA在所有个体中都折叠成特殊样式呢，还是它在基因组的每个个体中有所不同的？那么，当DNA片断被复制或转录时，装配样式是如何改变的？
Figure 18.1 The length of nucleic acid is much greater than the dimensions of the surrounding compartment.

5. Capsid is the external protein coat of a virus particle.
18.2 Condensing viral genomes into their coats
浓缩的病毒基因组进入衣壳
在装配个体序列方面，细胞基因组和病毒基因组之间有一显著不同。细胞基因组的大小是不确定的；个体序列的数目和结合点可能因复制、缺失和重排而有所改变，因此，它所需要的装配其DNA的一般方法必须对序列的总含量及分布不敏感。相反。病毒的基因组恰好有这两点限制：待装配核酸的数量由基因组的大小所预先确定，并且它必须适合由自身基因编码的一个或多个蛋白质组成的衣壳。
一个病毒粒子表面看来是很简单的。核酸基因组被包含在一个衣壳（capsid）中，衣壳有一个对称或类似对称的结构，由蛋白质装配而成。其它结构有的粘到衣壳上，有的合并到衣壳中，都组装在对应的蛋白质上，蛋白质衣壳是病毒感染宿主细胞的必需物。
病毒粒子是一个紧密的结构，衣壳体积一般仅稍大于其内部的核酸体积，差别通常小于二倍，一般差不多。
在病毒的最极端形式中，衣壳必须被病毒编码的蛋白质装配，这意味着整个衣壳仅由一类简单亚单位组成。当相同亚单位装配进闭合结构中，衣壳有两种类型：（1）蛋白质亚单位有序地堆积在一个螺旋组中，呈丝状或棒状；（2）蛋白质亚单位形成一个假种子形外壳（一种结构类型），呈二十面体对称。一些病毒外壳由多种蛋白质亚单位所装配，这可能使病毒展现出多种结构类型，但从已经确定病毒衣壳结构来看，它们都是丝状结晶或二十面体。
关于病毒蛋白质衣壳的构建有两种学说：
l         蛋白质外壳围绕核酸装配，装配期间发生蛋白质-核酸反应来浓缩DNA或RNA。
衣壳的组成成分先构成空外壳，核酸须被插入此空外壳并被浓缩成空外壳的内含物。
Capsid is the external protein coat of a virus particle.

6. 18.2 Condensing viral genomes into their coats
图26.1 TYMV（芜青黄花叶病毒）球状衣壳蛋白形成的螺旋结构
18.2 Condensing viral genomes into their coats
The capsid is assembled around the genome for single-stranded RNA viruses. The principle of assembly is that the position of the RNA within the capsid is determined directly by its binding to the proteins of the shell. The best characterized example is TMV (tobacco mosaic virus). Assembly starts at a duplex hairpin that lies within the RNA sequence. From this nucleation center, it proceeds bidirectionally along the RNA, until reaching the ends. The unit of the capsid is a two-layer disk, each layer containing 17 identical protein subunits. The disk is a circular structure, which forms a helix as it interacts with the RNA. The RNA becomes coiled in a helical array on the inside of the protein shell, as illustrated in Figure 18.2 (Fraenkel-Conrat and Williams, 1955).
对于单链RNA病毒来说，衣壳是围绕基因组装配的。在衣壳内，RNA与外壳蛋白进行连接，直接决定其所在位置。例如，TMV（烟草花叶病毒）的装配从位于RNA序列内的双向“发夹”处开始，从这个成核中心沿着RNA双向进行装配，直到到达终点。TMV衣壳是一个双层盘结构，每层包含17个相同的蛋白质亚单位。该盘最初为圆形，当它与RNA作用后形成一个螺旋。RNA在蛋白质衣壳内部的螺旋组中卷曲，如图26.1。类似情况还出现在含单链RNA的球状衣壳上，如TYMV（芜青黄花叶病毒）。 
DNA病毒的球状衣壳途径装配有所不同，如噬菌体λ和T4。空的头壳由一小套蛋白质装配，然后双向基因组被注射入这个头部，同时衣壳结构发生改变。
Figure 18.2 A helical path for TMV RNA is created by the stacking of protein subunits in the virion.

7. 18.2 Condensing viral genomes into their coats
图26.2，λ噬菌体的成熟通过几个阶段。当空头壳装满DNA时，它改变形状而且延伸。电子显微照片显示在成熟过程中的开始和结束的病毒粒子。照片由A.F.Howatson提供。
18.2 Condensing viral genomes into their coats
图26.2概括描述了λ噬菌体的装配。它开始是一个含有蛋白“中心”的小头壳，然后转化成特定外形的空头壳，接着DNA开始装配，头壳变大而始终保持相同形状，最终尾部加入，头部封闭。
此时，双链DNA呈刚性棒状。然而，它必须被压制成紧密结构以适合衣壳，我们还不知道装配过程中是光滑的DNA圈进入头部，还是需要突然弯曲。
把DNA注入噬菌体头部包括两种反应：转运和缩合，两个过程都要消耗能量。 转运是一个主动过程，其中，DNA被注入头部时消耗ATP，一种可能是产生DNA末端（从长的DNA前体）的末端酶将DNA推进去；另一种可能是衣壳蛋白可以把DNA拉进去。
关于缩合机制我们所知甚少，只知道衣壳象DNA那样包含“内部蛋白”，有可能是它们为DNA的缩合提供了骨架。（这可能对应着植物RNA病毒中外壳蛋白质的使用。）
装配的特别之处在于它不依赖于特殊的序列，缺失、插入和重组都不能影响装配过程。通过确定DNA的哪些区域能与衣壳蛋白发生化学性交连，可以直接研究DNA和头壳之间的关系，令人惊奇的是DNA的所有区域或多或少都对对衣壳有些敏感。可能DNA按照一个浓缩的总规则被注射入头部，但具体方式并不由特殊序列来决定。
病毒的不同装配过程有同样的结果，即把一条单链DNA或RNA装进衣壳。然而，有些病毒的基因组含有多个核酸分子，如反转录病毒包含10个双链RNA片断，所有这些分子都要被装配进衣壳，为了能集中一套完整的遗传信息，在片段中可能会有特殊序列，以确保装配过程之中选择不同分子进行复制。
一些植物病毒是多倍体：它们的基因组包括许多片段，而每个片段都被装配进一个不同的衣壳里。如苜蓿花叶病毒，此病毒有四条不同的单链RNA，每条RNA都被独立包装进一个由相同蛋白质亚单位组成的衣壳中，每一种RNA进入细胞都可以成功的进行感染。
病毒的四个组成部分大小不同。说明同样的衣壳蛋白能装配每个RNA，使它成为自己的特殊部分。这违反了“特定长度的核酸包装入特定形状的衣壳”的规律。仅有对应一种衣壳的病毒的可通过突变进行分离，突变导致畸变体粒子的形成，这种粒子头部此正常的要长。突变表明，衣壳蛋白自身可装配成特定结构，其具体大小和形状可能有所不同。有的突变发生在装配蛋白的编译处，这种装配蛋白是头部形成的必需物，但不是头部的一部分。这些辅助蛋白限制着衣壳蛋白，使它只能沿着所需的途径装配。比较蛋白在细胞的染色质装配中起了重要的作用（参看27章）。
Figure 18.3 Maturation of phage lambda passes through several stages. The empty head changes shape and expands when it becomes filled with DNA. The electron micrographs show the particles at the start and end of the maturation pathway. Photographs kindly provided by A. F. Howatson.

8. 18.3 The bacterial genome is a nucleoid with many supercoiled loops
Domain of a chromosome may refer either to a discrete structural entity defined as a region within which supercoiling is independent of other domains; or to an extensive region including an expressed gene that has heightened sensitivity to degradation by the enzyme DNAase I. Nucleoid is the compact body that contains the genome in a bacterium.

9. 18.3 The bacterial genome is a nucleoid with many supercoiled loops
图26.3 一个薄切片显示了细菌的核以一个紧密的团状形式存在于细胞中心。照片Jack Griffith提供。
18.3 The bacterial genome is a nucleoid with many supercoiled loops
Although bacteria do not display structures with the distinct morphological features of eukaryotic chromosomes, their genomes nonetheless are organized into definite bodies. The genetic material can be seen as a fairly compact clump or series of clumps that occupies about a third of the volume of the cell. Figure 18.4 displays a thin section through a bacterium in which this nucleoid is evident (for review see Brock, 1988).
细菌的基因组是一个有许多超螺旋环的核酸
虽然细菌不像真核生物染色体一样有特定的结构，它们的基因组也形成一定的形态。遗传物质可以看作一个或多个相当紧密的堆积物，大约占据细胞体积的1/3。图26.3展示了一个的细菌切片中可明显看到核酸。
细菌的DNA在部分复制完成时，核酸包含有相当于多于一个基因组的DNA。细胞分裂时，遗传物质分成两份，分别包含在子细胞中；细菌不象真核细胞那样形成纺缍体，分离过程中细菌基因组靠近衣壳，使分离通过主动或被动形式（参看14章）发生。只要分裂发生，每个核酸便都处于一个不同的区室中。
Figure 18.4 A thin section shows the bacterial nucleoid as a compact mass in the center of the cell. Photograph kindly provided by Jack Griffith.

10. 18.3 The bacterial genome is a nucleoid with many supercoiled loops
图26.4 裂解的大肠杆菌释放的纤维呈环状，照片由Hack Gnffith提供
18.3 The bacterial genome is a nucleoid with many supercoiled loops
当大肠杆菌细胞被离解时，尾丝粘到破裂的细胞衣壳上，以环状形式释放，如图26.4。在双螺旋结构中DNA不会以环状存在，而是同蛋白质结合而进行压缩。
在大肠杆菌中，我们分离到几种类似于真核细胞染色体蛋白质的DNA连接蛋白，那么，我们如何确定DNA连接蛋白在核酸结构中的作用呢？整个基因组中应该有大量此类蛋白存在，而且这部分基因的突变应引起一些结构或功能上的变化（如，子细胞的分离），然而目前并没有发现满足这些条件的基因。
HU蛋白是一个浓缩DNA的二聚体，其中DNA可能呈珠状结构，这样可以刺激DNA的复制（参看15章）。它与IHF（integration host factor，综合基质因子）有关，IHF是一个二聚体，常出现在一些特化重组反应里，包括λ噬菌体的分裂和切除（它正是因此而得名）,在构建一种反应DNA序列的蛋白质复合物中起结构作用(参看17章)。任一HU亚单位编码基因中的裸突变都几乎不起作用，但两个功能全部丧失会导致一个冷觉表现型及一些DNA中超螺旋结构的丢失。这些结果进一步体现了HU在核酸浓缩中的作用。
HI蛋白质（即H-NS）与DNA连接，并优先与弯曲的序列发生作用。它的基因有多种突变（osmZ，bglY, pilG），各为一种不同系统的调节器。这些结果反映了HI在DNA特定区域拓朴学上，以及依赖于特殊启动子的基因表达上的作用。
蛋白质P的基因序列已被确定，该基因的编码区有一个氨基酸组分，与精子中和DNA连接的鱼精蛋白有些类似。它的序列表明它是一个DNA连接蛋白，但目前尚不知道它的数量和功能。如图26.4。
我们可以推测，核酸结构中必需蛋白质的缺失将会对发育产生严重影响。然而，为何基因蛋白HU和HI的消除作用被相对限制了呢？一种解释是这些蛋白质是多余的，而且可以互相替代，因此要想深入影响核酸结构，必需将两者全部去除。另一个可能是我们还没有确定与核酸整体的主要特征有关的蛋白质。
核酸能以复合物的形式直接分离，这复合物可以快速沉淀，内含80%（质量百分比）的DNA，（在真核中的类似复合物含50%DNA，见后文）。它能作用于RNA或者蛋白质反应物而展开。蛋白质在稳定其结构中有明显作用，但是RNA的作用仍然很难分析。
通过与溴化已啶的反应，我们发现在体外分离得到的压缩DNA有一个闭合双向结构，这个小分子插入碱基对之间，并在闭环DNA分子（即两条链共价相连的DNA分子）中产生正的超螺旋转角。（开环DNA分子在一条链上有缺口，或有线性分子，它使插入序列进行自由旋转，从而张力减小）。
溴化乙啶插入一个天然闭合的负性超螺旋的DNA后，首先解去负的超螺旋，再引入正的超螺旋。达到零超螺旋所需的溴化乙啶的数量即是负超螺旋的起始密度的一个度量。
在紧密压缩的核酸分离时，上面会有一些缺口出现，它们也可由DNA限制酶的处理而产生，但这并没有消除溴化乙啶引入正超螺旋的能力。基因在面对缺失时仍然保留了与溴化乙啶相互作用的能力，这说明它有许多独立的作用域（domain）：在每个作用域中的超螺旋结构不受其它作用域的影响。
Figure 18.5 The nucleoid spills out of a lysed E. coli cell in the form of loops of a fiber. Photograph kindly provided by Jack Griffith.

11. 18.3 The bacterial genome is a nucleoid with many supercoiled loops
图26.5 细菌基因组包括双链DNA（纤维形式）的许多环，每个环都因形成一个独立的结构作用域而在碱基中受到保护。
这种自治表明细菌染色体中有普适的作用域结构，如图26.5，每个作用域包括一个DNA环，DNA环的末端以某种未知方式保护，不允许转动从一个作用域向其他作用域传播。每个基因组中有约100个此类作用域；每个作用域包括约40kb（13微米）的DNA，并被组装成更紧密的纤维，这些纤维的结构已经测知。
 独立存在的作用域允许基因组的不同区域产生不同程度的超螺旋，在考虑特殊细菌启动子的不同易感性时与超螺旋化时，这是一个主要因素（见11章）。
基因组的超螺旋有两种形式：
◆当超螺旋DNA处于自由状态时，它的超螺旋是无限制的，负超螺旋产生一个扭转张力，扭转张力在作用域里沿着DNA自由传播，解开双螺旋后消失（见5章），DNA在张力和解链状态之间达到动态平衡。
◆蛋白质连接到DNA后，保持其特定的三维构象，超螺旋是有限制的，即受限于超螺旋结构与蛋白质之间的相互作用，该作用的能量稳定了核酸，故没有张力沿着分子传递。
大肠杆菌DNA的超螺旋仅在活体中存在吗？双螺旋易被自由DNA的扭转张力所影响吗？活体中超螺旋的测量比较困难，在分离期间限制蛋白可能已经丢失。现已用不同方法确定DNA在活体中的确处于扭转压力下，但很难用确切数字来描述DNA的超螺旋水平。
其中一种方法中使用了交连试剂——补骨脂素，当补骨脂素处于扭转张力作用下时，更容易与DNA连接。在活体中，补骨脂素与大肠杆菌DNA之间的反应显示，每200bp有一个负超螺旋转角(σ=－0.05)。
另一种方法是检查细胞形成可变结构DNA的能力，如在回文序列上产生十字形。我们可以通过测量反应所需的连接数改变，来计算原始超螺旋的密度。该实验表明超螺旋结构的平均密度σ=0.025，即每100个碱基对有一个负超螺旋转角。
所以超螺旋在活体中确实产生扭转张力，其平均水平可能有所不同，虽然精确测量其密度比较困难，但显而易见，该密度已经在DNA结构上发挥了重要作用，例如，在原点或起动点特殊区域协助DNA的熔化。
核酸的许多精细结构特征仍在继续研究当中。作用域的构建有什么特性？是不是同样的序列总位于同样的相关点上？个别作用域含量可不可以漂移？生物化学独立分析是不能准确回答这些问题的，但如果有可能设计合适的选择技术，通过研究结构突变的性质，可从分子水平上分析核酸的结构。
Figure 18.6 The bacterial genome consists of a large number of loops of duplex DNA (in the form of a fiber), each secured at the base to form an independent structural domain.

12. 18.4 Loops, domains, and scaffolds in eukaryotic DNA
MAR (matrix attachment site; also known as SAR for scaffold attachment site) is a region of DNA that attaches to the nuclear matrix. Nuclear matrix is a network of fibers surrounding and penetrating the nucleus. Scaffold of a chromosome is a proteinaceous structure in the shape of a sister chromatid pair, generated when chromosomes are depleted of histones.
真核细胞DNA中的环，作用域及支架结构
间期染色质是一个混乱的团，占据了细胞核的大部分体积，这恰与有丝分裂时染色体的高度有序性和可复制的亚显微结构相反。是什么控制着间期染色质在核中的分布？
紧密、单一的基因组团的分离为研究它的本质提供了直接证据。用相同的技术还可以分离细菌核酸：核膜在蔗糖梯度达最高点时被溶解。释放的基因组可通过离心收集。当它从黑素D中分离出来时，可以观察到它是一个紧密折叠的纤维（直径10纳米），由连接蛋白和DNA组成。
通过对溴化乙锭作用的研究可知，大约每200bp对应于一个负的超螺旋。DNA酶能通过产生缺口来转移这些超螺旋，但DNA仍以10纳米纤维形式存在。这表明纤维的空间排列产起了超螺旋，也表现了转矩的存在。
超螺旋结构要完全去折叠需要每85Kkb有一个缺口，这与闭环DNA的平均长度一致。这个区域能组成一个环或作用域，在本质上与细菌基因组相似。我们要知道这些环是否与特殊序列相对，是否具有重要的功能。

13. 18.4 Loops, domains, and scaffolds in eukaryotic DNA
图26.6不含组氨酸的染色体由固定DNA环的蛋白质支架组成。照片由Ulrich K.Laemmli提供。
18.4 Loops, domains, and scaffolds in eukaryotic DNA
Full relaxation of the supercoils requires one nick / 85 kb, identifying the average length of "closed" DNA. This region could comprise a loop or domain similar in nature to those identified in the bacterial genome. Loops can be seen directly when the majority of proteins are extracted from mitotic chromosomes. The resulting complex consists of the DNA associated with ~8% of the original protein content. As seen in Figure 18.7, the protein-depleted chromosomes take the form of a central scaffold surrounded by a halo of DNA.
当大部分蛋白质从有丝分裂期的染色体中提取出来时，我们可以直接看到这些环状结构。得到的复合物由DNA与约8%的起始蛋白组成，如图26.6，缺乏蛋白质的染色体以被DNA环围绕着的一个中心支架形式存在。
在分裂中期，该支架包括一个密集的纤维网状物。线状DNA从支架结构发散出来，表面上是平均长度约10-30纳米（30-90Kb）的环，DNA可以被消化，却丝毫不影响支架的完整性，支架包括特殊的蛋白质。这表明它也是一种组织，其中60kb的DNA环隐藏在蛋白质的支架结构中。
支架表面看来象有丝分裂时的姊妹染色体。一对支架通常紧密连接，有时分开，仅由一些纤维组成。这种结构是否与有丝分裂时染色体的形态控制有关呢？它能通过聚集间期染色质中保护环中碱基对中的蛋白质而产生吗？
间期细胞有一个核酸矩阵，它是核膜内的细丝状结构，染色体通常粘到这个矩阵上。有人提出这种粘贴对转录或复制都非常重要，DNA作为环状物从残留的核酸矩阵中伸出。
DNA是通过特殊序列被粘接到该矩阵或支架上吗？DNA粘接到间期核酸蛋白质结构上的点被称为MAR（matrix attachment region，矩阵粘接区域）；又为SAR（scaffold attachment region，支架粘接区域）。
Figure 18.7 Histone-depleted chromosomes consist of a protein scaffold to which loops of DNA are anchored. Photograph kindly provided by Ulrich K. Laemmli.

14. 18.4 Loops, domains, and scaffolds in eukaryotic DNA
图26.7 矩阵连结区域的辨认可以通过检测活体中分离的矩阵含有的DNA，或确认活体中分离的全部DNA中能连结到矩阵上的片段。
18.4 Loops, domains, and scaffolds in eukaryotic DNA
How might we demonstrate that particular DNA regions are genuinely associated with the matrix? In vivo and in vitro approaches are summarized in Figure Both start by isolating the matrix as a crude nuclear preparation containing chromatin and nuclear proteins. Different treatments can then be used to characterize DNA in the matrix or to identify DNA able to attach to it.
我们如何证明特定DNA区域确实与矩阵有关呢？图26.7概括了在活体中和体外的途径。两中途径开始都是把矩阵分成一个包含染色质和核蛋白的天然核酸形式，然后我们可以用不同的处理方法来识别矩阵中的DNA和粘接到矩阵上的DNA。
为了分析MAR的存在，我们把染色质环能通过排出蛋白质的方法浓缩。用限制性核酸酶处理，可以移走DNA环，活体中便只留下粘接到矩阵上的MAR序列。 互补途径就是利用DNA酶从矩阵走所有的DNA，这样就可检验DNA片断粘到体外矩阵上的能力。
相同的序列应与体内和体外的矩阵分别结合。一旦一个潜在的MAR得到识别，体外组合所需最小区域的大小能通过缺失来确定，点突变MAR会阻止它与矩阵的连接。按照规律，应该有特定的矩阵蛋白与MAR连接，而且有可能通过这些蛋白识别MAR的特殊DNA序列的能力来识别它们。
根据体内或体外的矩阵连接的规律，已有几个MAR序列得到鉴别。不过我们还不能对粘接序列进行系统突变，而且仍没有发现MAR连接蛋白质的特征。
分裂细胞的染色体支架和间期细胞的核酸矩阵之间有么联系？是否两个结构连有相同的DNA序列？在某些情况下，在活体中用核矩阵找到的DNA片断也能从间期支架中得到，而且含有MAR序列的片断能与间期支架结构相连。因此，DNA有可能包含一个粘接点，这个粘接点在间期细胞中与核矩阵相连，而在有丝分裂细胞中与染色体支架相连。
核矩阵和染色体支架虽然有一些共同成分，但它们包含不同蛋白质。例如，，拓朴异构酶II是染色体支架和核矩阵共有成分，我们则必须测定与矩阵或支架有关的细胞中该酶的比例。
一个奇怪的特征是在MAR片断中的序列不能保持恒定，它们通常有70%的A –T碱基对却没有任何相同序列，而其它一些序列经常在含有MAR的DNA片段中。调节转录的顺式作用点是常见的，而且拓朴异构酶II的一个识别点通常出现在MAR里。因此，MAR可能不止起一种作用，它不但提供了一个与矩阵接合的点，也含有一些其它位点，在这些位点DNA的拓朴变化受到影响。
Figure 18.8 Matrix-associated regions may be identified by characterizing the DNA retained by the matrix isolated in vivo or by identifying the fragments that can bind to the matrix from which all DNA has been removed.

15. 18.5 The contrast between interphase chromatin and mitotic chromosomes
Chromocenter is an aggregate of heterochromatin from different chromosomes. Euchromatin comprises all of the genome in the interphase nucleus except for the heterochromatin. Heterochromatin describes regions of the genome that are permanently in a highly condensed condition are not transcribed, and are late-replicating. May be constitutive or facultative.

16. 18.5 The contrast between interphase chromatin and mitotic chromosomes
图26.8 细胞分裂期间中的姊妹染色体，各由一条直径为30nm的纤维折叠成染色体，照片由E.J.DuPrau.提供。
18.5 The contrast between interphase chromatin and mitotic chromosomes
Individual eukaryotic chromosomes come into the limelight for a brief period, during the act of cell division. Only then can each be seen as a compact unit. Figure 18.9 is an electron micrograph of a sister chromatid pair, captured at metaphase. (The sister chromatids are daughter chromosomes produced by the previous replication event, still joined together at this stage of mitosis.) Each consists of a fiber with a diameter of ~30 nm and a nubbly appearance. The DNA is 510⊙ more condensed in chromosomes than in interphase chromatin.
间期染色质和有丝分裂染色体的比较
每个染色体都包含一个很长的DNA双链，这解释了为什么染色体复制象DNA分子一样是半保留的（如图4.16），而且一个染色体不必携带多个独立的DNA分子，DNA单链被折叠成一条在染色体中连续运动的纤维。因此，为了解释间期染色质和有丝分裂染色体的结构，我们必须先解释一条单链的包装：超长DNA分子包装成一种能被转录和复制的形式，而且能循环地或多或少地压缩。
真核染色体在细胞分裂期间中一个短暂时期进入一个中心，这时每个染色体只看上去只是一个紧密单位。图26.8是一个姊妹染色单体对在间期的电子显微照片。（姊妹染色单体是由先前的复制过程产生的子代染色体，见第2章。）每个姊妹染色单体由一条直径为30nm的纤维组成，外表呈块状。染色体中DNA与间期DNA相比要浓缩5-10倍。
真核细胞在大多数生活时间里，它的遗传物质只占据核仁中一小块体积，个体染色体根本不能被区分，间期染色质的结构在分裂中没有可见的改变。在复制期间，没有明显的中断，染色质增多时呈纤维状，但很难辨别纤维在空间上的整体构象。该纤维与有丝分裂染色体是相似或一致的。
Figure 18.9 The sister chromatids of a mitotic pair each consist of a fiber (~30 nm in diameter) compactly folded into the chromosome. Photograph kindly provided by E. J. DuPraw.

17. 18.5 The contrast between interphase chromatin and mitotic chromosomes
图26.9 一个经过福尔根染色的核酸片段表明异染色质集中在核酸附近和核膜的紧密区域。照片由Edmund Puvion提供。
18.5 The contrast between interphase chromatin and mitotic chromosomes
Chromatin can be divided into two types of material, which can be seen in the nuclear section of Figure 18.10:
在图26.9中可见，染色质能被分为两种物质：
l         多数区域，纤维比有丝分裂染色体宽松得多，称常染色质（euchromatin）。它在核中有一个相对分散的外形，在图26.9中占据大多数核区。
l         许多纤维紧密堆积在染色质的一些区域，与有丝分裂染色体的状况类似，称异染色质（heterochromatin）。它通过细胞循环，浓缩度会产生相对微小的变化。图26.9中它们形成了许多分散的堆，通常不同的异染色质集合在一个紧密的染色核粒中。
相同纤维在常染色质和异染色质连续地运动，这些状态代表了遗传物质的不同浓缩度。同样，常染色质在间期和有丝分裂期间以不同的浓缩态存在，因此，遗传物质可以以多种状态在染色质中共存，而且常染色质的包装允许在间期和分裂期之间出现循环变化。
 遗传物质的结构状态与它的转录活性相关联：染色质在浓缩状态中不表达，有丝分裂的染色体是一个极端状况，它们无转录活性，就象细胞在分裂过程中最终停止转录一样。间期细胞包含两类异染色质，每种包含一个不同的序列；在两种类型中，DNA都不被转录：
● 构成性异染色质（Constitutive heterochromatin）由不表达的特殊区域组成，包括“卫星”DNA（参看第25章），能在染色体中起结构作用。通常这些序列在特殊区域被浓缩，尤其在着丝点周围。
● 偶发性异染色质（Facultative heteroxhromatin）以完整染色体形式存在，细胞行列中非活性，但能在其它行列中表达。如哺乳动物的X染色体，它的一个复制体（随机选择）在雌性中完全没有活性，（与雄性的一个X染色体相比，这一点抵消了2个X染色体的存在），无活性的X染色体保持异染色质状态，而活性X染色体是常染色质的一部分。当被识别DNA序列包含在两种状态时，便可以看到转录活性和结构组织的相关性。
遗传物质的浓缩与它的无活性有关（可能是相互对应）。然而，逆转录不如此。活性基因被包含在常染色质中，只有少数染色质序列在任何时间转录。因此，常染色质的位置对基因表达是必要却不是充分的。我们想知道在常染色质和异染色质之间发现的总体变化是否能以较少的方式用常染色质的结构变化来模仿，这样使转录区比非转录区结构疏松。
Figure A thin section through a nucleus stained with Feulgen shows heterochromatin as compact regions clustered near the nucleolus and nuclear membrane. Photograph kindly provided by Edmund Puvion.

18. 18.5 The contrast between interphase chromatin and mitotic chromosomes
图26.10 在每个染色体片段中G-纹带有各自侧面特征。照片由Lisa shaffer提供。
18.5 The contrast between interphase chromatin and mitotic chromosomes
At the level of the chromosome, each member of the complement has a different and reproducible ultrastructure. When subjected to certain treatments and then stained with the chemical dye Giemsa, chromosomes generate a series of G-bands. An example of the human set is presented in Figure
因为染色质的弥漫状态，我们不能直接确定它组织的特殊性，但我们可以知道染色体的结构是否有序，特殊序列是否总在特殊点出现，或者纤维的整体折叠是否只是一个随机过程。
在染色体水平上，补足物里的每个“成员”有不同的复制亚显微结构，当经过特定处理或用化学染剂Giemsa染色之后，染色体产生一系列G—纹带（G-band）。人类染色体的样品如图26.10中表示。
Figure G-banding generates a characteristic lateral series of bands in each member of the chromosome set. Photograph kindly provided by Lisa Shaffer.

19. 18.5 The contrast between interphase chromatin and mitotic chromosomes
图26.11 通过染色体的显带方式，人类X染色体能被分为不同区域。短臂是P，长臂是Q。这张图显示的是低分辨率结构，在更高分辨率情况下，一些带子可被进一步分为更小的带子和间带。例如，P21被分成P21.1、P21.2和P21.3。图6.11展示了一个高分辨率图。
Figure The human X chromosome can be divided into distinct regions by its banding pattern. The short arm is p and the long arm is q; each arm is divided into larger regions that are further subdivided. This map shows a low resolution structure; at higher resolution, some bands are further subdivided into smaller bands and interbands, e.g. p21 is divided into p21.1, p21.2, and p21.3.
Until the development of this technique, chromosomes could be distinguished only by their overall size and the relative location of the centromere (see later). Now each chromosome can be identified by its characteristic banding pattern. This pattern is reproducible enough to allow translocations from one chromosome to another to be identified by comparison with the original diploid set. Figure shows a diagram of the bands of the human X chromosome. The bands are large structures, each ~107 bp of DNA, which could include many hundreds of genes.
该技术发展之前，染色体仅能通过它们的整体尺寸和着丝点上的相对结点分开（见后文）。现在，每个染色体都能通过它的特征显带方式识别。图26.11是一幅人类X染色体的横纹图，每条带约有107bp的DNA，可包括好几百个基因。
纹带技术有巨大的实用价值，但纹带的机制仍是一个谜。可确定的是，染料对未处理过的染色体染色时或多或少有些不同，所以纹带的产生依赖于改变染色体（大概是通过从非带状区域中提取与染料连接的成分）应答的不同处理方法。但不同的有效处理方法过多使我们找不到共同原因。这些结果表明存在一个明确的长链结构，但它的存在基础仍不得而知。

20. 18.6 The extended state of lampbrush chromosomes
Chromomeres are densely staining granules visible in chromosomes under certain conditions, especially early in meiosis, when a chromosome may appear to consist of a series of chromomeres. Lampbrush chromosomes are the large meiotic chromosomes found in amphibian oocytes.
刷形染色体的扩展状态
基因的自然表达非常有用，我们可以由此了解与转录过程有关的一些结构变化，而染色质中DNA处于浓缩状态，加上识别其中特殊序列非常困难，我们不可能转录单个活性基因。（然而，这些基因确实行使着不同的生化功能。这一点我们可以在体外（in intro）试验得知。详见27章。）
我们可以使基因直接在特定状态下表达，这时染色体处于一种高度扩伸的状态，可以使各位点得以区分。现已证实染色体在减数分裂前期呈现出不同的侧面结构，在这一期间，染色体由一串连在细丝上的珠状物构成，这些珠状物通常称为染色粒（chromoere）。然而，在减数分裂过程中很少有基因表达，所以用这种物质几乎不能识别单个基因的活性。但是，有一个异常的状态可以用来分析，即刷形染色体（lampbrush chromosome），在一些两栖动物中已清晰地观察到刷形染色体。
刷形染色体在减数分裂的异常扩伸期（可以持续几个月）形成，在这一期间，染色体处于一种伸展状态，我们可以在光学显微镜下观察到它。减数分裂后期，染色体恢复正常尺寸，所以扩伸状态给我们提供了正常状态下看不到的染色体的非折叠形式。

21. 18.6 The extended state of lampbrush chromosomes
图 刷形染色体是双价染色体，其中两对姐妹染色单体在交叉点相互接触（箭头表示）。照片由Joe Gall提供。
The lampbrush chromosomes are meiotic bivalents, each consisting of two pairs of sister chromatids. Figure shows an example in which the sister chromatid pairs have mostly separated so that they are held together only by chiasmata. Each sister chromatid pair forms a series of ellipsoidal chromomeres, ~12 μm in diameter, which are connected by a very fine thread. This thread contains the two sister duplexes of DNA, and runs continuously along the chromosome, through the chromomeres.
刷形染色体是双价染色体，每个染色体含两对姐妹染色单体，如图26.12。其中姐妹染色单体对通常处于分离状态，只在交叉点才相互接触。每对姐妹染色单体形成一系列半径约1~2微米的椭圆形染色粒，连在一根非常细的丝上。这条丝包括两个双价的姐妹DNA，并沿染色体一直延伸到染色粒。
 脊椎动物水蜥的单个刷形染色体长达400~800um，而减数分列后期便缩为15~20um，由此可知刷形染色体大约伸展30倍。整个刷形染色体总长度约5~6mm，约含5000个染色体。
刷形染色体的名字来源于染色体特定位置突出的小环（很像一个灯刷），这些环成对出现，每个姐妹染色体上各有一个，环沿着轴心丝线连续延伸，说明他们是染色粒中突出的较浓的染色体物质。
Figure A lampbrush chromosome is a meiotic bivalent in which the two pairs of sister chromatids are held together at chiasmata (indicated by arrows). Photograph kindly provided by Joe Gall.

22. 18.6 The extended state of lampbrush chromosomes
图 刷形染色体环被核糖体核酸蛋白所包围。照片由Oscar Miller提供。
18.6 The extended state of lampbrush chromosomes
The loops are surrounded by a matrix of ribonucleoproteins. These contain nascent RNA chains. Often a transcription unit can be defined by the increase in the length of the RNP moving around the loop. An example is shown in Figure
环四周覆盖着核酸，核蛋白质，其中也有新合成的RNA链，通常一个转录单位定义为RNA沿环移动时的增长长度。如图26.13。
 因此环是DNA转录过程中一个突出片断，一些情况下，环对特定基因出现应答反应，这样，转录基因的结构及其自然产物便可原位（in situ） 观察。
Figure A lampbrush chromosome loop is surrounded by a matrix of ribonucleoprotein. Photograph kindly provided by Oscar Miller.

23. 18.7 Transcription disrupts the structure of polytene chromosomes
Bands of polytene chromosomes are visible as dense regions that contain the majority of DNA Cytological hybridization means the same as in situ hybridization. Interbands are the relatively dispersed regions of polytene chromosomes that lie between the bands. Polytene chromosomes are generated by successive replications of a chromosome set without separation of the replicas.

24. 18.7 Transcription disrupts the structure of polytene chromosomes
图 D．Melanogaster的多线染色体形成交互出现的纹带和间带。照片由Jose Bonner提供。
The interphase nuclei of some tissues of the larvae of Dipteran flies contain chromosomes that are greatly enlarged relative to their usual condition. They possess both increased diameter and greater length. Figure shows an example of a chromosome set from the salivary gland of D. melanogaster. They are called polytene chromosomes.
转录干扰多线染色体结构
在双翅目果蝇幼虫的某些组织细胞的分裂间期，有一种半径和长度都比正常状态大很多的染色体。图26．14所示便是这样一个从D．melanogaster 幼虫唾液腺中提取的染色体，即多线染色体（polytene chromosome）。
每个染色体由一系列很明显的纹带（band）（比较准确应称为染色粒，不常用该名称）组成。这些纹带最大宽0.5um，最小宽0.05um（只能在电子显微镜下看到），包含大量DNA，并可被特定染色体染成深色，其中间区域可被染得更深，称为间带（interband）。在D．melanogaster 的染色体上有约5000个纹带。
D．melanogaster的四个染色体在着丝粒集结，拼合成一个染色中心，主要由异染色质组成（在雄性中包括完整的Y染色体），约75%的单倍体DNA组合成交互出现的纹带和间带。染色体片断长约2000um，DNA可延伸至40000um，所以DNA包装比值为20，这形象地表明了遗传物质相对间期染色质或减数期染色质的扩展。
这些巨大染色体的结构如何？每个多线染色体由一对双倍染色体连续复制而成，复制体不分离，彼此以延伸状态靠在一起。起初，每对双倍体有一个2C DNA（C代表含有单个染色体的DNA），接着增到9倍，最大可增到1024C，在D．melanogaster 幼虫的不同组织中增长倍数有所不同。
每个染色体可看作是由许多平行细丝构成，它们在纹带区结合紧密，在间带区稍微松弛。可能每个细丝代表一个单倍染色体，成为“多线”之名的来源。多线的程度由染色体中单倍染色体的数目来衡量。
果蝇科中每个种类都有其独特的染色体结合方式。20世纪30年代首次发现纹带的总数为常数，而且纹带呈线状排列，那时发现他们形成一个染色体细胞图（cytological map），缺失、插入、重复、重排等都可以引起纹带顺序的改变。
纹带的线性排列可从基因的线性排列中得到。因此我们在连结图中看到的基因重排可能与细胞图的结构重排有关。最终一个特定的突变发生在一个特定的纹带，既然D．Melanogaster 中基因总数多于纹带的数目，那么大多数甚至所有纹带都有可能是多基因的。（参看23章）
Figure The polytene chromosomes of D. melanogaster form an alternating series of bands and interbands. Photograph kindly provided by Jose Bonner.

25. 18.7 Transcription disrupts the structure of polytene chromosomes
图26.15 通过原位杂交可以鉴别含有特定基因的个别纹带
18.7 Transcription disrupts the structure of polytene chromosomes
The positions of particular genes on the cytological map can be determined directly by the technique of in situ or cytological hybridization. The protocol is summarized in Figure A radioactive probe representing a gene (most often a labeled cDNA clone derived from the mRNA) is hybridized with the denatured DNA of the polytene chromosomes in situ. Autoradiography identifies the position or positions of the corresponding genes by the superimposition of grains at a particular band or bands. An example is shown in Figure With this type of technique at hand, it is possible to determine directly the band within which a particular sequence lies.
细胞图中特定基因位置可以用“原位”（in situ）或“细胞杂交”（cytological hybridization）技术直接测定。如图26.15所示为此过程草图：一个放射性探针代表一个基因（常是一个从mRNA中克隆得到的cDNA），它与原位（in situ）多线染色体的变性DNA杂交，放射自显影仪可通过叠印特定纹带的纹理来识别应答基因的位置。图26.16便是一例。用这种方法，便可以直接测定内含某种特定序列的纹带。
Figure Individual bands containing particular genes can be identified by in situ hybridization.

26. 18.7 Transcription disrupts the structure of polytene chromosomes
图 纹带87A和87C的放大图像显示了用标记了的RNA进行的变性原位杂交。照片由Jose Bonner提供
18.7 Transcription disrupts the structure of polytene chromosomes
The positions of particular genes on the cytological map can be determined directly by the technique of in situ or cytological hybridization. The protocol is summarized in Figure A radioactive probe representing a gene (most often a labeled cDNA clone derived from the mRNA) is hybridized with the denatured DNA of the polytene chromosomes in situ. Autoradiography identifies the position or positions of the corresponding genes by the superimposition of grains at a particular band or bands. An example is shown in Figure With this type of technique at hand, it is possible to determine directly the band within which a particular sequence lies.
Figure A magnified view of bands 87A and 87C shows their hybridization in situ with labeled RNA extracted from heat-shocked cells. Photograph kindly provided by Jose Bonner.

27. 18.7 Transcription disrupts the structure of polytene chromosomes
图 昆虫C.tentans的染色体IV上有三条巴氏环，照片由Bertil Daneholt提供
18.7 Transcription disrupts the structure of polytene chromosomes
One of the intriguing features of the polytene chromosomes is that active sites can be visualized. Some of the bands pass transiently through an expanded or puffed state, in which chromosomal material is extruded from the axis. An example of some very large puffs (called Balbiani rings) is shown in Figure
多线染色体的一个很吸引人的特征是它的活性部位可以检测出，一些纹带可以瞬时性地经历一种膨胀或疏松（puffed）状态。在这种状态下，染色体物质沿纵向突出，这些突出点称胀泡（puff），大型胀泡称为巴氏环（Balbiani ring）（如图26.17）。
胀泡内有一区域，此区域内染色体细丝从它们在纹带内的折叠状态延伸开来，这些细丝与那些在染色体轴线上的染色体是连续的。胀泡通常是从单个纹带发出，即使像巴氏环那种大的胀泡也不例外，这些大突起有时甚至隐盖了纹带的基本排列。
胀泡与基因表达有关。在幼虫成长过程中，胀泡以特定的组织方式出现和复原，数量有限，各组织各时期都有特定样式。胀泡可以被调节果蝇科动物生长的蜕皮激素诱导，其中一些直接受激素诱导，另一些受胀泡的早期产物诱导。
胀泡是DNA的合成部位。现在普遍认为纹带的膨胀是为了放松结构，这样才可合成RNA，因此这些突起被认为是转录的结果。一个胀泡源于一个活泼基因，在累积性附加蛋白中胀泡突起部位不同于普通纹带，目前所知这种蛋白性质都比较简单，如RNA聚合酶Ⅱ和其他一些与转录有关的蛋白质。我们应该去分析积聚在胀泡上的整个蛋白质组合，尤其是产生膨胀的蛋白质，而不是因膨胀而产生的蛋白质，那样便可测定物质膨胀过程中分子变化的本质。
由刷形染色体和多线染色体的特征可得出一个结论：为了完成转录，遗传物质要从折叠状态分散开来，要注意的问题是是否这种染色体的总水平的分散模拟了那些出现在普通间期染色质中分子水平的活动。
Figure Chromosome IV of the insect C. tentans has three Balbiani rings in the salivary gland. Photograph kindly provided by Bertil Daneholt.

28. 18.8 The eukaryotic chromosome as a segregation device
Acentric fragment of a chromosome (generated by breakage) lacks a centromere and is lost at cell division. Centromere is a constricted region of a chromosome that includes the site of attachment (the kinetochore) to the mitotic or meiotic spindle. Kinetochore is the structural feature of the chromosome to which microtubules of the mitotic spindle attach. Its location determines the centromneric region. MTOC (microtubule organizing center) is a region from which microtubules emanate. The major MTOCs in a mitotic cell are the centrosomes.
作为分离装置的真核染色体
在减数分裂期间，姐妹染色单体移动到细胞两极（如图2.19）,向微管靠拢，（微管末端与两极，由一个细胞丝状系统组成，在有丝分裂过程中重组，使染色体连到细胞两极上。）在微管末端聚集的两个区域——中心粒与染色体所在位置（MTOCS（microtubule organizing centers））。
染色体中负责有丝分裂的部位叫着丝点（centromere），它有两个重要特征：
l       它包含姐妹染色单体在分裂成单个染色体之前的结合位点，可看作一个连结四个染色体臂的压缩区域，如图26．8所示便是在有丝分裂中期的染色单体。
l       “着丝粒”之名来源于其结构和功能上的意义，这形象的描述了它的运动特征：在有丝分裂期间着丝粒被推到两极，染色体也被拖到两极，将基因拖到等待分裂的位置。
着丝粒在分离过程中必不可少，对断裂染色体的研究显示了这一点：一条断片仍附着在着丝粒上，另一个断片则没有附着，这条没有着丝粒的断片便不能附着于纺锤体，因此无法进入子细胞。
（染色体借助于离散的染色粒运动时，每个染色粒只带动一个染色体，当遗传染色体附着在多个染色粒时，有丝分裂便出现异常，因为在同一姐妹染色单体上的两个着丝粒可能被推向不同两极，致使染色体断裂。然而，一些物种内着丝粒处于漫射状态，可能会引起不同情况。目前只有离散着丝粒的分析达到了分子水平。）

29. 18.8 The eukaryotic chromosome as a segregation device
Figure Chromosomes are pulled to the poles via microtubules that attach to their kinetochores. They sister chromatids are held together until anaphase by glue proteins (cohesins). The centromere is shown here in the middle of the chromosome, but can be located anywhere along its length, including close to the end (acrocentric) and at the end (telocentric).

30. 18.8 The eukaryotic chromosome as a segregation device
Figure 18.9 The sister chromatids of a mitotic pair each consist of a fiber (~30 nm in diameter) compactly folded into the chromosome. Photograph kindly provided by E. J. DuPraw.
中心粒侧翼区域常富含卫星DNA序列以及组成性异染色质。因为整个染色体是浓缩的，着丝粒异染色质不能在有丝分裂染色体中直接测得，但是，我们可以通过C显带（C-banding）的方法来观察，如图26．18所示：其中黑的区域代表染色体。尽管组成性异染色质是普遍存在的，但并不是在每个已知染色体中都能检测到，这表明它在有丝分裂机制中不是必不可少的。
那么与分裂有关的着丝粒有什么特征呢？在着丝粒区，可以看到一个染成黑色的纤维状物体，半径（或长度）约400 nm，这便是动粒（kinetochore），它直接与微管相连。动粒为染色体提供了MTOC。通常猜想动粒所在位点是由一段特殊DNA序列确定的，可到目前为止我们在动粒的定位与组成方面并未取得什么进展。
如果有一段着丝粒DNA序列负责分裂，那么任何有这段序列的DNA都能在细胞分裂过程中准确地移动，而没有这段序列的DNA则不能分离。这个推想已被用来分离S．cerevisiae酵母的着丝粒DNA序列，酵母染色体没有高级真核细胞中那么明显的动粒，但是它们有相同的有丝分裂和分离机制。
基因工程已制得酵母质粒，我们可以像复制染色体序列一样复制质粒（参见20章）。然而，它们在有丝分裂和减数分裂中不稳定，因为它们是无规律分裂的，在多数细胞中常常消失，现已制得独立的染色体DNA，依靠它们可以增加这些质粒的稳定性。
有一种CEN 片断正是因它稳定质粒的能力而定义的，通过减少这些要掺入质粒的片段的尺寸，可以识别减数分裂所必须的最小功能区；可以用缺失或其他改变序列的方法来得到与着丝功能有关的特征。
另一种应用着丝粒序列的方法是将它在体外放大然后引入到酵母细胞中，并代替其中的相似染色粒，这样便可以直接在染色体上确定行使CEN功能所必须的序列。
来源于一个染色体的CEN片断可以代替另一染色体的着丝粒，而且不会产生明显地影响。这说明着丝粒是可以改变的。它们只是把染色体连到纺锤体上，并不能识别染色体。
着丝粒功能区是一段约120bp的序列，此区域包装成一个核酸酶抵抗性（nuclease-resistant）结构，并与一个微管相连。因此，我们可以通过观察S.cerevisiae 的染色粒区来识别连结着丝粒DNA的蛋白质和把染色体连到纺锤体上的蛋白质。

31. 18.8 The eukaryotic chromosome as a segregation device
图26．18 所有染色体中C显带的着丝粒染色很深。照片由Lise Shatter提供。
18.8 The eukaryotic chromosome as a segregation device
中心粒侧翼区域常富含卫星DNA序列以及组成性异染色质。因为整个染色体是浓缩的，着丝粒异染色质不能在有丝分裂染色体中直接测得，但是，我们可以通过C显带（C-banding）的方法来观察，如图26．18所示：其中黑的区域代表染色体。尽管组成性异染色质是普遍存在的，但并不是在每个已知染色体中都能检测到，这表明它在有丝分裂机制中不是必不可少的。
那么与分裂有关的着丝粒有什么特征呢？在着丝粒区，可以看到一个染成黑色的纤维状物体，半径（或长度）约400 nm，这便是动粒（kinetochore），它直接与微管相连。动粒为染色体提供了MTOC。通常猜想动粒所在位点是由一段特殊DNA序列确定的，可到目前为止我们在动粒的定位与组成方面并未取得什么进展。
如果有一段着丝粒DNA序列负责分裂，那么任何有这段序列的DNA都能在细胞分裂过程中准确地移动，而没有这段序列的DNA则不能分离。这个推想已被用来分离S．cerevisiae酵母的着丝粒DNA序列，酵母染色体没有高级真核细胞中那么明显的动粒，但是它们有相同的有丝分裂和分离机制。
基因工程已制得酵母质粒，我们可以像复制染色体序列一样复制质粒（参见20章）。然而，它们在有丝分裂和减数分裂中不稳定，因为它们是无规律分裂的，在多数细胞中常常消失，现已制得独立的染色体DNA，依靠它们可以增加这些质粒的稳定性。
有一种CEN 片断正是因它稳定质粒的能力而定义的，通过减少这些要掺入质粒的片段的尺寸，可以识别减数分裂所必须的最小功能区；可以用缺失或其他改变序列的方法来得到与着丝功能有关的特征。
另一种应用着丝粒序列的方法是将它在体外放大然后引入到酵母细胞中，并代替其中的相似染色粒，这样便可以直接在染色体上确定行使CEN功能所必须的序列。
来源于一个染色体的CEN片断可以代替另一染色体的着丝粒，而且不会产生明显地影响。这说明着丝粒是可以改变的。它们只是把染色体连到纺锤体上，并不能识别染色体。
着丝粒功能区是一段约120bp的序列，此区域包装成一个核酸酶抵抗性（nuclease-resistant）结构，并与一个微管相连。因此，我们可以通过观察S.cerevisiae 的染色粒区来识别连结着丝粒DNA的蛋白质和把染色体连到纺锤体上的蛋白质。
Figure C-banding generates intense staining at the centromeres of all chromosomes. Photograph kindly provided by Lisa Shaffer.

32. 18.8 The eukaryotic chromosome as a segregation device
Figure The centromere is identified by a DNA sequence that binds specific proteins. These proteins do not themselves bind to microtubules, but establish the site a which the microtubule-binding proteins in turn bind.
The region of the chromosome at which the centromere forms is defined by DNA sequences (although the sequences have been defined in only a very small number of cases). The centromeric DNA binds specific proteins that are responsible for establishing the structure that attaches the chromosome to the microtubules. This structure is called the kinetochore. It is a darkly staining fibrous object of diameter or length ~400 nm. The kinetochore provides the MTOC on a chromosome (for review see Hyman and Sorger, 1995). Figure shows the hierarchy of organization that connects centromericDNA to the microtubule. Proteins bound to the centromeric DNA bind other proteins that bind to microtubule. It remains to be seen exactly which proteins are involved and how they are related to the visible structure of the kinetochore.

33. 18.8 The eukaryotic chromosome as a segregation device
图 检测酵母CEN区的同源性可以发现3个保守区
18.8 The eukaryotic chromosome as a segregation device
着丝粒功能区是一段约120bp的序列，此区域包装成一个核酸酶抵抗性（nuclease-resistant）结构，并与一个微管相连。因此，我们可以通过观察S.cerevisiae的染色粒区来识别连结着丝粒DNA的蛋白质和把染色体连到纺锤体上的蛋白质。
在CEN区可以区分出三种序列，如图26.19：
 ★ CDEⅠ是一段9bp的序列，一般连在染色体左边，很少有例外情况。
★ CDEⅡ是一段含A-T超过90%的80-90bp 序列，它存在于所有染色体中。它的功能主要与长度有关，而与序列没有多大关系。它的构造很容易使人联想起高级真核生物中的短小（卫星 ）DNA，它们串连在一起，其中有许多重复片段，它的碱基组成可能会引起DNA双螺旋结构发生扭曲。
★ CDEⅢ是一段11bp序列，在所有染色体中，它都处于右端。它两边的序列都很少转化，可能与着丝功能有关。（如果发现侧翼序列必不可少的话，CDEⅢ可能长于11bp。）
CDEⅠ或CDEⅡ的变异会减小但不会钝化着丝粒的功能，而发生在CDEⅢ上的中心CCG上的点突变可以完全钝化着丝粒。
我们能不能识别CEN序列行使功能所必需的蛋白质呢？现已发现一个由三个蛋白质组成的240Kd的复合物，叫做Cbf-Ⅲ，它可与CDEⅢ相连，却不能与缺乏着丝粒功能的点突变体相连。如果为Cbf-Ⅲ编码的基因上发生突变，就会阻碍染色体在有丝分裂过程中运动。这个蛋白质复合物有一个基于微管的运动活性，可以自己运动，也可以带动附着在它上面的物体（如染色体）沿着微管运动。在真核生物染色体中已经发现一种蛋白质，它含有与运动活性有关的序列。总结这些观察，结果表明一个有运动活性的蛋白质可以将染色体的着丝粒连在微管上，并可带动有丝分裂纺锤体的运动。Cbf-Ⅲ复合物的发现可能为确定染色体和染色体分离装置的关系提供了条件。
从S．pombe 酵母来确定着丝粒功能并未取得如此大的成功，它们不能通过其稳定质粒的能力来分离。然而，S．pombe只有三条染色体，并且每个染色体所在区域已经通过缺失染色体的大多数序列来构造稳定的微染色体的方法测知，这种途径可定位那些在40-100kb内的染色体，主要（甚至完全）由重复DNA序列组成。目前还不清楚在这段相当长的区域内有多少区带在有丝分裂和减数分裂中时必须的。
我们还不知道S．cerevisiae 中的短着丝点区和S．pombe的长着丝点区之间的差别到底有什么意义。它们的共同特征是DNA都是由重复的不编码序列组成。
对 Drosophila染色体中着丝粒功能的研究表明：着丝粒分立于一个很大区域内，从 kb都有，说明它可能包含有几种彼此独立行使特殊功能的序列，其中包括动粒组装所需序列，姐妹染色单体配对所需序列等等。 灵长类染色体的基本模板包含组成性异染色质，它是一个α卫星DNA，由一系列170 bp的重复单位串连组成，尽管在同一着丝粒上的序列比起其它区域的序列来说有更大关联，在每个重复序列间仍有很大变化。很明显，着丝粒的功能必须序列位于α卫星DNA内，但是我们还不清楚到底是α卫星DNA自己提供了这种功能，还是内含在α卫星DNA上的其它序列提供了这种功能。
Figure Three conserved regions can be identified by the sequence homologies between yeast CEN elements.

34. 18.9 Telomeres are simple repeats that seal the ends of chromosomes
端粒密封着染色体末端
所有染色体还有另一必要特征，端粒（telomere）。有些“密封”末端的方式我们还不太理解，但已知端粒必要的特殊结构，因为染色体在断裂遗传时末端是粘性的，很容易与其它染色体反应。然而，自然状态的末端却是稳定的。
我们可以给出两个识别端粒序列的标准：
◆　它必须位于染色体末端（否则，至少在一个真正的线性DNA分子的末端）。
◆　它必须可以保证线性分子的稳定性。
现在我们已从低等真核生物基因组中的线性DNA分子中得到几种端粒序列。在人和植物中也发现了同样的序列，由此看来，端粒结构服从普遍性原则。每个端粒由一系列重复的短小序列串联而成。表26.2列出了已在线性DNA分子末端测得的重复单位。所有这些序列都可写成统一的形式：Cn(A/T)m，这里n >1，1≤m≤4。 表26.2 端粒含有重复的短小序列，该重复单位确定了下列链的序列（5’-3’，从端粒到着丝粒）。
在端粒区有一个特殊的不连续排列，它采取单链片断的形式，可以防止它们被作用于DNA链缺口的连接酶密封。停止序列以某种方式——可能是发卡形式——中断，以便它们不会被核酸酶识别。
酵母的应用使确定端粒功能排列的问题深入到分子水平，所有在酵母中（依靠ARS 和CEN成分）存活的质粒都是环形DNA 分子，线性质粒是不稳定的（因为它们会被降解），真正的端粒DNA序列可以使线性质粒稳定吗？
位于染色体末端的酵母 DNA片段可被该序列识别。一个已知的天然线性DNA 分子——Tetrahymena（四膜虫属）的细胞质rDNA——可以使酵母稳定在线性组成方式，端粒序列的裂缝总发生在相同位点，一个明显的间体守恒。
线性DNA分子末端的一些不寻常的特征显示了端粒行使其功能的过程。在锥形虫群体中，末端长度是不同的，当个体细胞被克隆时，端粒每代都要增长7~10bp（约1-2个重复序列）。更引人深思的是酵母细胞上纤毛端粒的特性，酵母被复制后，酵母端粒重复序列被加和在四膜虫Tetrahymena重复序列中。
端粒重复的序列在每个复制循环中都加在染色体上，这解决了我们在14章讨论线性DNA分子的复制时遇到的问题：重复序列通过全程合成加和来抵消因染色体末端复制失败而引起的损失，这样使增长和缩短处于力学平衡状态。
端粒的全长受遗传因素控制，酵母的不同链有不同的特征端粒长度，肯定有一些机制来阻止末端生长过度，可能是通过移走一些重复序列来实现的。一个必要酵母基因的突变可能引起端粒持续生长，野生型基因的功能可能是限制端粒延长。
端粒的连续增长（或缩短），可能与它们的精确序列无关。对末端来说，只要经识别可以作为加和过程的合适底物便足够了，这解释了酵母中纤毛端粒行使其功能的机制。然而，我们仍然不理解端粒序列是怎样使染色体末端抵抗破环的。
Telomere is the natural end of a chromosome; the DNA sequence consists of a simple repeating unit with a protruding single-stranded end that may fold into a hairpin.

35. 18.10 Telomeres are synthesized by a ribonucleoprotein enzyme
图 端粒酶突出的单链DNA前体和RNA互补链进行碱基配对，来确定它的位置，它每次根据互补链向前体添加一个G 或T碱基，一个重复序列合成结束后循环重新开始。
18.10 Telomeres are synthesized by a ribonucleoprotein enzyme
Extracts of Tetrahymena contain an enzyme, called telomerase, which uses the 3OH of the G+T telomeric strand as a primer for synthesis of tandem TTGGGG repeats. Only dGTP and dTTP are needed for the activity. The telomerase is a large ribonucleoprotein. It contains a short RNA component, 159 bases long in Tetrahymena, 192 bases long in Euplotes. Each RNA includes a sequence of 1522 bases that is identical to two repeats of the C-rich repeating sequence. This RNA provides the template for synthesizing the G-rich repeating sequence. Bases are added individually, in the correct sequence, as depicted in Figure The enzyme progresses discontinuously: the template RNA is positioned on the DNA primer, several nucleotides are added to the primer, and then the enzyme translocates to begin again. The telomerase is a specialized example of a reverse transcriptase, an enzyme that synthesizes a DNA sequence using an RNA template (see 16 Retroviruses and retroposons).
端粒重复序列是如何合成的呢？Tetrahymena 的提取物中含有一种酶，即端粒酶（telomerase），用G+T端粒链的3’-OH端作为合成一段TTGGGG重复序列的引物，此过程只需要 dGTP和dTTP的作用。端粒酶是一个巨大核蛋白，它含有一小段RNA，在Tetrahymena中长159bp，在Euplotes中长192bp，它可以辨认两个富含C的重复序列（见表26.2）。这段RNA为合成富含C的序列提供了模板。形成互补序列的碱基对一个接一个以固有的顺序加和在一起，如图26.20。酶是间断性作用的：模板RNA位于DNA前体上，几个核苷酸加和到前体上，然后酶又回到原处，开始另一次作用。端粒酶是一个逆转录酶的特殊例子，它用RNA作为模板合成DNA（参见19章），蛋白质组成提供了逆转录酶的催化活性，核酸组成提供了作用模板。
端粒的结构组成如图26.20，它有一个富含G-T的长链，通常由14-16个碱基组成，但是独立的端粒片段虽然有单链 DNA，却没有这样的特点，相反，它们表现出异常的电泳活动性和其它一些特点。
Figure Telomerase positions itself by base pairing between the RNA template and the protruding single-stranded DNA primer. It adds G and T bases one at a time to the primer, as directed by the template. The cycle starts again when one repeating unit has been added.

36. 18.9 Telomeres are simple repeats that seal the ends of chromosomes
图 端粒片段的异常行为可以通过G-G相互作用来解释。在上面的模型里G-G配对形成了双重发卡，在下面的模型里，每个重复序列中的一个G一同组成了一个四边形。
Figure The unusual behavior of telomeric fractions may be explained by G-G interactions. In the upper model a duplex hairpin is formed by G-G pairing. In the lower model, a G quartet is formed when 1 G is contributed by each of 4 repeating units.
A model for the structure of the end is depicted in Figure It proposes the existence of a "quartet" of G residues, formed by an association of one G from each repeating unit. In the example in the figure, the second G of each of four successive T2G4 units forms a member of the quartet. The rest of the repeating unit is looped out. The association between the G residues requires that two of them change the orientation of the base with regard to the sugar (from the usual anti to the unusual syn configuration). Since each repeating unit has more than one G, more than one quartet could be formed if other G residues associate, in which case quartets might be stacked upon one another in a helical manner. While the formation of this structure attests to the unusual properties of the G-rich sequence in vitro, it does not of course demonstrate whether the quartet forms in vivo (Henderson et al., 1987; Williamson et al., 1989).
如图26.21所示是一个末端结构模型。它提出存在一个由G重复单位组成的G 基四重线。图中每个连续T2G4单位的第二个G组成了这个四重线一部分，剩下的重复单位呈环状突出，G基要粒连在一起必须要改变其中两个与糖类有关的碱基的方向（从通常的反式改为不常见的顺式结构）。既然每个重复序列有不止一个G，那么如果其它G基也连在一起，则会有不止一个四重线可以形成，这些四重线可能以螺旋的形式相互堆积在一起。
  我们不知道端粒的互补链（富含C-A）是如何组装的，但是我们可以假设它用终止G-T发夹的3’-OH作为DNA合成的引物来合成。
是染色体的什么特点使染色体末端稳定的呢？端粒连接蛋白可以识别富含G的突出链，并且保护人体中的终止DNA，它们可能为保护人体中的端粒提供了一个“帽子”，其它蛋白质可以特异性连结重复序列区，它们的功能还有待进一步确定。
染色体的必要特征有：
◆ 保证染色体存活的端粒
◆ 使染色体分裂的着丝粒
◆ 开启复制的起始点（参见14章）
考虑到所有这些要素便可组成一个人造酵母染色体（YAC）。我们在20 章中提到这种染色体,它可使外来序列稳定。已发现所合成的染色体只要长于20-50kb便可以保持稳定。我们不知道这个结果的理论基础，但是合成染色体使我们可以在一个可调控条件下研究分离装置。

37. 18.10 Telomeres are synthesized by a ribonucleoprotein enzyme
Telomerase is the ribonucleoprotein enzyme that creates repeating units of one strand at the telomere, by adding individual bases to the DNA 3 end, as directed by an RNA sequence in the RNA component of the enzyme.

38. 18.10 Telomeres are synthesized by a ribonucleoprotein enzyme
What feature of the telomere is responsible for the stability of the chromosome end? Figure shows that a loop of DNA forms at the telomere. The absence of any free end may be the crucial feature that stabilizes the end of the chromosome. The average length of the loop in animal cells is 510 kb.
Figure A loop forms at the end of chromosomal DNA. Photograph kindly provided by Jack Griffith.

39. 18.10 Telomeres are synthesized by a ribonucleoprotein enzyme
Figure shows that the loop is formed when the 3 single-stranded end of the telomere (TTAGGG)n displaces the same sequence in an upstream region of the telomere. This converts the duplex region into a structure like a D-loop, where a series of TTAGGG repeats are displaced to form a single-stranded region, and the tail of the telomere is paired with the homologous strand (Griffith et al., 1999).
Figure The 3’single-stranded end of the telomere (TTAGGG)n displaces the homologous repeats from duplex DNA to form a t-loop. The reaction is catalyzed by TRF2.

40. 18.11 Summary
The genetic material of all organisms and viruses takes the form of tightly packaged nucleoprotein. Transcriptionally active sequences reside within the euchromatin that comprises the majority of interphase chromatin. Lampbrush chromosomes of amphibians and polytene chromosomes of insects have unusually extended structures, with packing ratios <100. The centromeric region contains the kinetochore, which is responsible for attaching a chromosome to the mitotic spindle. Telomeres make the ends of chromosomes stable. 总结
所有有机体和病毒的遗传物质都是紧密结合的核酸蛋白，一些病毒基因联合蛋白质组成病毒粒子；细菌基因组则组成一种致密的核酸，其中含有20%（质量百分比）的蛋白质，但是至今我们还不知道DNA与蛋白质之间有何反应。DNA约由100个结构域组成，结构域保持独立的超螺旋结构，每 bp对应一个非限制性超螺旋。间期染色质和中期染色体都呈现出巨大环形结构，每个环可能是一个独立的超螺旋结构域，环的碱基被连在一起形成一个中期支架或者由特定位点形成中心矩阵。
有转录活性的DNA序列位于常染色质中，常染色质主要由间期染色质组成。异染色质区域包装比较紧密，约是常染色质的5-10倍，被转录插入。所有染色质在细胞分裂期间都被紧密包装起来，这时可分辨单个染色体。用吉姆萨染料（Giemsa stain）染色的纹带产物表明染色体中重现性超微结构是存在的，纹带是个非常大的区域，约10,000,000bp，可被用来标识染色体的转移作用或其他结构上的大变化。
两栖动物的刷性染色体和昆虫的多线染色体有异常的延伸结构，其包装比率小于100。D.melanogaster的多线染色体被分成约5000个纹带，这些纹带量值有所不同，平均约25kb。转录活性区呈现出更加舒展（突出）的结构，在这些位点，染色体物质从轴心处往外突出，这可能代表了真核染色质被转录时发生在更小单位上的改变。
着丝粒区含有动粒，可以将染色体连到纺锤体上，通常被异染色质包围。只有酵母中的着丝粒序列已被确定，它由恒定元素和一段富含A·T的长段组成。连结在着丝粒上的蛋白已被确定。
端粒使染色体末端稳定。几乎所有的已知端粒都由若干重复序列组成，序列中一条链的组成一般为Cn(A/T)m，这里n >1，1≤m≤4。另一条链，Gn(T/A)m有一个突出末端，它为单个确定序列的碱基的加和提供了模板。端粒转移酶是一个核酸核蛋白，它的DNA组成为合成富含C的链提供了模板。