基因组与染色质

DNA 打包与超螺旋(supercoiling)

/ DEE-en-AY SOO-per-KOY-ling /

用手指把一根橡皮筋拧紧,到某个程度它就不再平整地旋转,而是会扭曲起来、自己绕成一个打结的卷。DNA 也是如此。当双螺旋被拧得过多或过少时,它会通过让自己盘绕起来——卷上加卷——来释放这种张力,这就叫超螺旋。再加上把 DNA 绕在组蛋白线轴上、并折叠成越来越大的环,这就是细胞如何把一个庞大的分子塞进一个极小空间的办法。

打包是分阶段进行的。首先,双螺旋绕在组蛋白上形成核小体(串在线上的珠子)。这些珠子盘绕成一根更粗的纤维,纤维又从一个蛋白质支架上环状伸出,而这些环本身再折叠、浓缩——每一个层次都让压缩倍数相乘,直到在细胞分裂时,DNA 被压缩了大约一万倍、成为一条肉眼可见的染色体。超螺旋就是每一步都内建在螺旋里的那种扭转张力,而细胞会用特殊的酶(拓扑异构酶)来有意地增添或去除扭转。

这不仅仅是为了节省空间。盘绕的程度控制着可接触性:紧紧超螺旋、浓缩起来的 DNA 被封藏起来、无法被读取,而在局部把卷放松,就会为某个基因的使用打开通路。超螺旋在复制和读取过程中也必须被主动管理,因为把两条链拉开会让机器前方的 DNA 被拧得过紧——就像一条移动的拉链前方堆积起来的缠结。能够剪开骨架、再重新封合的酶会释放这种张力。

细菌让自己的环状 DNA 略微“拧不足”(呈负超螺旋),这使得拉开两条链来读取基因更容易;有些抗生素正是通过卡住负责管理这种盘绕的酶来起作用的。

管理扭转如此关键,以至于有些药物专门以它为靶点。

超螺旋是可逆的、被严密控制的,并不是一个永久的死结:专门的酶在不断地调整它,所以细胞可以按需把 DNA 收起来、或把它打开。

又称
higher-order chromatin foldingDNA 折叠压缩DNA 摺疊壓縮