精子形成的染色体结构

以往一直以为,在精子形成后,精子的染色体组被压缩成如同晶体般紧缩的结构并失去其活性,只有在受精解螺旋后才具有活性。随着近几年来关于精子DNA结构和功能研究的发现,提示精子染色体结构是非常复杂的,它的有些属性与体细胞DNA结构相似,而有些则是生精细胞所特有的。Ward通过自己和其他人的研究对精子形成中染色体结构的变化建立了精子染色体结构模型。在这个模式中,从长链状裸露的DNA到逐渐组装成染色体,其过程共分成4个阶段。

  1. 裸露的双链DNA附着于精子细胞核中的特殊结构——核环,称之为染色体锚定;
  2. 锚定的染色体通过特殊的片段——基质连接区(MARs)与核基质中的蛋白质每隔30 000~50 000bp相连接,使染色体链形成一系列环状结构;
  3. DNA环结合精核蛋白而浓缩成紧密的结构。
  4. 浓缩的染色体进行空间排列。

根据这个模拟的精子染色质组装模型,染色体锚定是代表着一种新型DNA结构,这种结构只存在于生精细胞中。如果将精子核经去污剂NP40洗涤,再经盐溶液萃取除去精核蛋白,DNA螺旋完全解除,核结构也同时被破坏,此时的DNA仍被锚定在精子核尾部的核环上。精子的染色质如同扫帚,精子尾像扫帚的柄。由于精子核中精核蛋白已被除去,染色体的锚定结构仍然存在,表明精核蛋白的结合与染色体锚定的核环无关。核环是DNA在解螺旋时的附着点,核环的形状像一个弯曲的环。尽管现在仍不知道在生精过程中的哪一个阶段形成核环,但是它只是存在于精子核中,在体细胞还没有发现任何证据以表明其核中存在核环样的结构。Ward已在仓鼠精子的植入窝中分离得到核环,并从仓鼠的DNA中分离得到4个与核环有重要联系的DNA克隆片段,称之为NADNA。由于这些片段序列都是特异的,表明核环是通过与特殊的DNA片段来锚定染色体的。

已有证据显示核环也存在于人、小鼠和非洲蟾蜍精子核中。每一条染色体只有一个在核基部的位点与核环结合,每一条染色体上NA-DNA位点均集中在一个结构区域。核环可能也影响精子核的形状,长的染色体可能伸长形成细长鱼钩状的核,核中高度浓缩的DNA位于核的尾部,浓缩程度不高的DNA则位于核的钩状部位。电镜观察发现靠近植入窝的染色质是精子发生过程中首先进行浓缩的部位之一,为上述的假设提供了有力的依据。

下图所示是一个精子DNA组装过程中,锚定的染色体组成为DNA环区。在DNA链中,每隔30~50kb均含有基质连接区(MARs),该区域与核基质中的蛋白质连接,使染色体链成为一系列环状结构,称之为“核圈”。核圈上每一个环区组成了体内呈浓缩状态的染色质结构单位。

 哺乳动物精子核中DNA的组装模式图

哺乳动物精子核中DNA的组装模式图

描述了仓鼠精子核中两条染色体从裸露的DNA组装成完全浓缩的染色质的过程,并且说明了这四个阶段之间的结构关系,而不是实际上发生生精过程中的时间关系。

在染色体的锚定过程中,DNA环区的形成与精核蛋白结合是两个独立的过程,DNA组成的环区是唯一的既可以在体细胞又可以在精子细胞中发现的结构。体细胞DNA卷曲成核小体,接着又进一步卷曲成30nm螺线管纤维状的结构,最后形成环区。精子的染色体结构与体细胞完全不同,尽管在精子核中仍含有少量的组蛋白,它仍可能组织成核小体,但大多数DNA与精核蛋白结合。由于精核蛋白结合所引起的不同卷曲,DNA折叠形成密集的超环面(toroids)的结构,但是最终还是形成环区。在体细胞中DNA环区在DNA的复制和转录中起着重要的作用,但成熟精子核已不再进行DNA的复制和转录,所以精子DNA环区的作用不清楚。

Ward认为其环区的作用有两种可能性:一是生精细胞在发生过程中复制和转录后的一种残留结构;另一种可能性是参与调节早期胚胎发育中的转录和复制。在精子发生过程中,生精细胞核中的组蛋白逐渐被精核蛋白取代。由于组蛋白结合DNA所形成的体积大,因此取代的结果将导致生精过程中细胞核逐渐浓缩。DNA环绕在组蛋白构成的八聚体周围,形成核小体,而精核蛋白在DNA的螺旋沟中结合DNA,完全中和DNA,使DNA相邻的两条链通过范得华力结合在一起(下图)。在人精子和小鼠精子核中的所有染色体着丝点均聚集在核中心,而端粒则位于核外周。

 结合于DNA上的组蛋白和精核蛋白

结合于DNA上的组蛋白和精核蛋白

体细胞核中DNA缠绕于组蛋白上形成卷曲结构;哺乳动物精子DNA缚于精核蛋白上而形成一种不同于体细胞的浓缩结构。

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