核小体是染色质的基本重复结构单元；染色质是真核生物中构成染色体的DNA–蛋白质复合物。核小体核心由约147个碱基对的脱氧核糖核酸缠绕在一个八聚体上形成，该八聚体包含H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白，每种各两个。核小体在包装DNA的同时，也调节负责读取、复制和修复DNA的分子机器对其的可及性。它们是动态的组装体，而非固定不变的保护壳。(nature.com)
结构与术语
核小体核心颗粒
核小体核心颗粒由组蛋白八聚体及直接缠绕其上的DNA组成。DNA围绕组蛋白核心形成约1.65–1.7圈左手超螺旋。八聚体的中央是一个H3–H4四聚体，与两个H2A–H2B二聚体相结合。其结构依赖于组蛋白折叠：这是一种介导组蛋白之间相互作用、并参与DNA结合的结构基序。(nature.com)
中央近似二重对称的轴称为二重对称轴。核小体DNA上的位置通常以这条轴为参照来描述，使研究人员能够明确指出蛋白质的结合位置，或DNA–组蛋白接触受到破坏的位置。组蛋白的氨基端尾部从折叠的核心伸出，可以接触DNA、相邻核小体以及调控蛋白。(nature.com)
DNA与组蛋白表面之间的大量非共价接触使其缠绕结构保持稳定。这些接触主要识别DNA骨架及其几何构型的特征，而非某一种必需的核苷酸序列。不过，不同序列围绕八聚体弯曲的难易程度有所不同，因此核小体具有序列偏好，但并不局限于某一种DNA基序。(pubs.acs.org)
连接DNA与染色小体
相邻的核小体核心通过连接DNA相连。因此，核小体重复长度既包括与核心结合的DNA，也包括连接片段，并不等同于约147个碱基对的核心长度。重复长度随连接DNA的长度而变化。例如，实验重构的核小体阵列若重复长度分别为177、187、197和207个碱基对，其连接DNA长度则分别为30、40、50和60个碱基对。(nature.com)
连接组蛋白H1可与核小体二重对称轴及DNA进入和离开区域附近的DNA结合。由此形成的组装体称为染色小体。因此，H1不同于八个核心组蛋白，并不是核心八聚体的第九个成员。其结合构型取决于连接DNA的长度、走向以及周围核小体的排列。(nature.com)
发现与结构分析
20世纪70年代，互为补充的显微观察和生化研究确立了染色质的重复组织方式。1974年1月，阿达·奥林斯和唐纳德·奥林斯发表了电子显微镜观察结果，显示染色质由球形颗粒排列而成，并将这些颗粒称为ν小体。1974年5月，罗杰·科恩伯格提出，染色质的重复单元包含八个组蛋白分子和约200个DNA碱基对。这些观察有助于确立染色质的颗粒模型。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
1997年，卡罗琳·卢格及其同事利用X射线晶体学，报道了分辨率为2.8埃的核小体核心颗粒结构。该结构揭示了组蛋白八聚体如何组织DNA，以及组蛋白尾部如何从DNA螺旋圈之间伸出。研究中的这一颗粒含有146个碱基对；常用的“约147个碱基对”描述的是典型核心，而不是所有核小体颗粒都恒定不变的长度。(nature.com)
DNA可及性与核小体动态变化
DNA缠绕在组蛋白上会降低许多DNA结合蛋白对它的可及性，但并不意味着DNA永久不可接近。核小体DNA会发生短暂的局部解缠绕和重新缠绕，这一过程通常称为核小体呼吸。解缠绕一般从DNA的进入端或离开端附近开始，无须完全拆解组蛋白八聚体，就能暴露原本被埋藏的结合位点。单分子实验和动力学实验已直接证实了这种自发行为。(nature.com)
细胞还会通过染色质重塑主动改变核小体。重塑复合物利用三磷酸腺苷提供的能量，改变组蛋白与DNA之间的相互作用。根据复合物的类型及其所处环境，重塑可以使核小体重新定位、促进组蛋白移除，或交换组蛋白变体。对ISW2和SWI/SNF的实验研究表明，核小体内部的DNA移位是它们发挥重塑活性的关键环节。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
这些过程影响转录（生物学）、DNA复制和DNA修复。DNA必须在适当时机变得可被接近，但随后也必须维持或恢复核小体。因此，染色质调控涉及受控的DNA暴露与核小体重建，而不是简单地从活跃DNA上永久移除核小体。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
定位与基因调控
核小体定位描述核小体在DNA序列上的位置。需要区分以下几种相关的测量指标：
- **占据率：**在所取样的分子或细胞中，某一区域被核小体覆盖的频率。
- **平移定位：**核小体沿DNA所处的位置。
- **旋转定位：**DNA双螺旋的哪一面朝向组蛋白表面。
因此，一个区域可能具有较高的核小体占据率，却并非在每个细胞中都存在一个位置精确一致的核小体。(nature.com)
核小体定位受DNA序列偏好、重塑活性、与DNA结合蛋白的竞争，以及相邻颗粒所施加的限制共同影响。核小体可以遮蔽转录因子的结合位点，也可以帮助界定具有可及性的调控区域。因此，核小体在启动子（生物学）附近的分布，是基因表达调控的重要组成部分。(nature.com)
DNA序列的相对贡献一直存在争论。全基因组重构实验表明，核小体的组织在很大程度上依赖于序列；而另一些实验发现，组蛋白与DNA之间的内在相互作用无法解释活细胞中大多数核小体的精确位置。区分大范围的占据偏好与精确定位十分重要：序列偏好有助于核小体的组织，但细胞内的其他因素也会建立并重塑这种组织。(nature.com)
组蛋白修饰与变体
核小体的组蛋白组成及其化学修饰状态均可有所不同。组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化。这些变化可以直接改变核小体的动态特性，也可以影响其他染色质相关蛋白的结合与活性。其效应取决于被修饰的残基及分子环境；不能想当然地把某种修饰视为普遍适用的转录开关。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
一个经实验证实的例子是组蛋白H4第16位赖氨酸的乙酰化。在重构的核小体阵列中，这种修饰会抑制紧密纤维的形成以及纤维之间的相互作用。它还会改变一种染色质重塑酶的活性，说明同一种修饰能够同时影响物理层面的堆积状态及蛋白质与染色质之间的相互作用。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
组蛋白变体可替代特定的常规组蛋白，赋予核小体特殊的性质。一个重要例子是CENP-A，它是与着丝粒相关的H3变体，染色体分离机器在着丝粒处组装。结构研究表明，人类CENP-A核小体含有八聚体组蛋白核心，但在对着丝粒身份起重要作用的结构特征上，与常规H3核小体有所不同。(nature.com)
组装、回收与染色质信息的传递
组蛋白伴侣是一类能够结合组蛋白，并调节其组装、转运或交换的蛋白质。在转录、复制等扰动染色质的过程中，它们帮助维持核小体的密度与组成。它们的功能虽有重叠，却不能相互替代。(nature.com)
在DNA复制过程中，复制机器前方的核小体会被拆解。亲本组蛋白被回收并重新装配到新合成的DNA上，而新产生的组蛋白则提供重建染色质所需的额外材料。实验表明，组蛋白伴侣ASF1参与亲本H3变体的局部回收利用。(nature.com)
组蛋白的回收利用有助于维持表观遗传学所研究的染色质相关信息。不过，这并不意味着完整的核小体像DNA序列一样被原样复制。亲本组蛋白会重新分配，新组蛋白会被整合进来，而修饰模式则通过其他分子过程得到维持。(nature.com)
高级结构组织
核小体阵列常被描绘为“串珠状”。这描述的是一种伸展状态的排列方式，并不能代表细胞核内的所有构型。连接组蛋白、连接DNA的几何构型及核小体之间的相互作用，都可以形成更紧密的排列。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
规则的30纳米纤维曾是解释染色质下一级组织结构的主要模型。这类紧密纤维可以在特定实验条件下形成，但并不适用于描述所有细胞内的染色质。对人类间期和有丝分裂期细胞进行的ChromEM断层成像显示，染色质形成的是不规则、柔性的链，其堆积密度各不相同，而不是由规则纤维构成的统一层级结构。这些观察说明，应将已经得到充分确立的核小体核心结构，与变化更大的高级组织结构区分开来。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
实验方法与局限
研究核小体时会采用多种互为补充的方法：
- **结构研究方法：**X射线晶体学和冷冻电子显微术能够解析组蛋白与DNA的接触，以及核小体与相关蛋白质之间的相互作用。(nature.com)
- 全基因组定位分析：微球菌核酸酶测序将微球菌核酸酶消化与受保护DNA片段的测序相结合，以推断核小体的分布。(nature.com)
- 可及性分析：转座酶可及染色质测序测量转座酶对染色质的可及性，提供有关可及区域及核小体组织的信息。(nature.com)
- **单分子测量：**基于荧光的实验可监测DNA的短暂解缠绕，以及蛋白质对核小体上位点的接近和结合。(nature.com)
每种方法测量的都是染色质的不同方面。尤其需要注意，受保护的DNA片段并不能明确证明每个细胞中都存在一个相同的颗粒。微球菌核酸酶具有依赖序列的切割偏好，消化过程可能会优先降解某些核小体DNA。与化学定位方法的比较已证实，基于微球菌核酸酶得到的定位图存在偏倚。因此，解释结构重构、可及性测定和核小体定位分析的结果时，必须考虑其实验条件及其直接测量的性质。(rcastoragev2.blob.core.windows.net)
参考来源
- Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 Å resolutionnature.com
- Nucleosome Dynamics as Modular Systems that Integrate DNA Damage and Repairpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Histone H1 binding to nucleosome arrays depends on linker DNA length and trajectorynature.com
- Linker histone defines structure and self-association behaviour of the 177 bp human chromatosomenature.com
- Spheroid chromatin units (v bodies)pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNApubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Chromatin Structure: A Repeating Unit of Histones and DNAcir.nii.ac.jp
- Rapid spontaneous accessibility of nucleosomal DNAnature.com
- Chromatin remodeling by ISW2 and SWI/SNF requires DNA translocation inside the nucleosomenature.com
- The histone chaperone SPT2 regulates chromatin structure and function in Metazoanature.com
- The DNA-encoded nucleosome organization of a eukaryotic genomenature.com