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2020-01-0150年之後─ 染色體又知多少? 601 期

Author 作者 羅時成/長庚大學生醫系客座教授,研究領域為分子病毒學、細胞學與發育生物學。
生物學家在50 年前就清楚知道染色體的基本建材主要是DNA 和組蛋白,也含有非常少量的RNA、酸性蛋白及鈣、鎂、鐵等元素,但對 DNA 與組蛋白複合體細節結構仍不清楚。1970 年初,孔柏(Arthur Kornberg), 也是2006年諾貝爾化學獎得主,提出染色質應有規律重覆單位的假說;1974年任教於美國田納西大學(University of Tennessee) 的歐林斯夫婦(Don and Ada Olins) 在電子顯微鏡下首次觀查到染色質呈串珠構造,當初他們命名串珠為v體 (v body),後來重新命名為核小體(nucleosome),一直延用至今, 「串珠在線(beads on a string)」 模式是漸漸在1975年後被生物學家接受的染色質基本結構假說。
 

染色質到染色體的超微結構

串珠在線的結構,還可以再纏繞成更複雜結構的染色體,右圖說明了從DNA 到染色體不同層次的結構,第一層是赤裸裸的DNA,直徑 2 奈米的雙股螺旋;在細胞內,DNA 纏繞在八個組蛋白形成核小體(串珠在線的珠子),直徑約11 奈米;4 種組蛋白(H2A、H2B、H3 和 H4)以對稱方式形成八聚體 (octamer), 長約140 奈米;鹼基對的DNA 又以左旋方式在八聚體外繞了1 又 3∕4 圈,兩個核體間約有50 鹽基對的DNA,稱作連接 DNA(linker DNA,串珠在線的線);若連接DNA與組蛋白H1結合,核小體會以螺旋方式堆疊成30 奈米的筒狀結構(solenoid),此時 DNA 上的基因不被開啟(不活躍基因),此狀態的染色質稱作異染色質 (heterochromatin); 而相對11 奈米結構的染色質上的基因是可以開啟(活躍的基因),稱作真染色質(euchromatin),在細胞間期,30 奈米的絲狀結構還有可能與染色體支架蛋白形成套環,呈 300 奈米的粗絲。等細胞進行分裂期,染色質會與支架蛋白結合更緻密達700 奈米, 最後變成在顯微鏡下觀查得到的染色體,約1400奈米。

雖然歐林斯夫婦於1974年發表電子顯微鏡下核小體的形狀,但對組蛋白詳細安排仍不清楚。此時,英國劍橋的克魯格(Aaron Klug)和他的團隊已發展出顯微影像重組技術, 將電子顯微鏡底片的影像融合X 光繞射技術得到清晰三維分子影像。他們利用此技術完成菸草鑲嵌病毒在分子層次的三維結構,並很快速地利用此技術解開八個組蛋白形成八聚體及其外纏繞DNA 三維分子的結構。克魯格也因發明結晶電子顯微技術和定出DNA 組蛋白複合體的分子結構,而獲得1982年諾貝爾化學獎。

 

披上色彩的染色體

各類生物染色體數,可在細胞分裂時利用光學顯微鏡觀察得到,形狀與數目也能被紀錄下來,如人類的體細胞有46 條染色體,包含22 對體染色體和1 對性染色體(女性性染色體為XX、男性為XY)。為了預防染色體異常引起的先天性遺傳疾病,臨床醫院替胎兒做染色體檢測的方法如下:先取得胎兒活細胞,在培養液培養使細胞增生,然後加入微管(microtubule)聚合的抑制劑,如秋水仙素(colchicine),粗短的染色體因失去微管無法進行運動停留在中期,此時將細胞打破染色,在顯微鏡下清晰可見各染色體,然後將染色體長短按序排列,從第一號到第二十二號加上性染色體,此染色體人為排列成的圖就稱作核型(karyotype,圖二),透過核型分析就能知道染色體數是否有增減或轉位。
 

圖二:人類的染色體核型,包含22對體染色體與一對性染色體。(Shutterstock)

一般來說,在癌細胞的核型分析會發現染色體數異常或轉位,因此透過此分析有助於觀察癌細胞並控制。另外,一般高齡產婦都建議做胎兒核型分析,以避免產下具有第二十一號染色體三倍體的唐氏症(Down syndrome)寶寶。
……【更多內容請閱讀科學月刊第601期】