染色質纖維纏繞成染色體時為何不會相互打結？

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一般人的印象中，感覺那幾十根染色質纖維就是飄蕩、纏繞在細胞核里的。那麼它們日常工作時以及收縮、纏繞成染色體時為何不會打結呢……
是因為每一條染色質在細胞核中本來就佔據相對獨立的空間嗎？

其實DNA在細胞核里並不是那麼混亂的飄來飄去，而是有一個「染色體包裝」後的好幾級結構。

首先，核小體是染色質結構的基本單位，可以看看上圖最上面的三個圖示，大部分時候DNA是處於這種狀態，每大約146個核苷酸對的雙鏈DNA圍繞一個組蛋白形成一個核小體複合體，就跟把線在一個線團纏起來一樣，在機上旁邊的連接區域（加起來200個鹼基），會使DNA分子的長度變成初始長度的1/3，這是DNA包裝的第一個層次。而DNA工作的時候的第一步就是先把線團打開，可以想像一下，在DNA複製的時候，線團就是按順序的按著DNA合成酶的方向，邊打開邊纏繞回去。（表觀遺傳的概念，也是通過組蛋白的甲級化或者乙醯化，調控基因的表達）。

間期的細胞中，這樣的伸展狀態很適合DNA複製之類的活動，因為各種酶和其他蛋白質很方便和DNA接觸，當染色體準備進入有絲分裂時，染色質絲會進一步螺旋化，形成高度濃縮的有絲分裂染色體。這就引出了DNA的更多級的包裝。

到了細胞周期的中期時，這些念珠在進一步摺疊就變成了粗粗的棒狀的染色體

這面這兩張圖是說被形成核小體以後染色體是如何表達的，綠色那張圖形成的環就是在轉錄RNA的區域。

-------------------------------------------------------補充-------------------------------------------------------
典型的人類的細胞核直徑大約5-8um,而DNA的長度加起來有2m，在如此小的細胞核里如何保持秩序？我們把這個問題分解來看：

一條染色體/質在間期時為啥不會打結？
首先，在間期，就算一條染色體也是分成不同狀態的，基因表達多的區域比較鬆散，而同樣有一些高度緻密的異染色質；而因為組蛋白帶有正電荷幫助和帶負電的DNA主鏈緊密結合，也因為有組蛋白的存在使染色體形成一個比較有規律的結構，不至於纏繞在一起。

多條染色體/質在間期時為啥不會打結？
因為每條間期染色體佔據了細胞核的一個特定區域，所以不同的染色體不會相互纏繞。人們認為這種組織的形成至少是由於染色體的某部分附著在核被膜或者核纖層的一些位點上。

間期細胞核中染色體組織的最明顯例子是核仁，這是間期細胞核在光鏡下最明顯的結構。載有核糖體RNA基因的個染色體的局部在這裡聚在一起。

大部分資料來自《Essential Cell Biology》和《Molecular Biology》。

我們對於小尺度上(histone)的染色質結構還算比較了解，但是對於染色質在間期時大尺度上的結構所知甚少。排名第一的答案裡面的那幅圖，更多的只能算是一個概念圖，實際上100nm以上尺度的結構人們並不清楚，主要是因為染色質間期人們暫時並沒有手段做到那麼高解析度要求的直接觀測，現在的研究主要是間接實驗數據的推測（比如Hi-C和3C實驗），並建立模型計算機模擬去跟實驗數據對比。我對實驗不太了解，但是我可以講一下這方面的數值模擬的東西。

現在這一部分的研究分兩種，一種是小尺度上，像Histone這個尺度上的模擬，因為小尺度上我們可以建立全原子模型或者是稍微粗粒化的模型，總之人們通過模擬已經看到了DNA在histone尺度上的摺疊大致是什麼樣的，跟人們通過實驗觀測得到的結論也是總體符合的。

另一種是大尺度上的模擬，這方面人們就真的所知甚少了，大尺度上我們沒法進行全原子模擬，現在人們主要是把染色質結構當成一個polymer physics（高分子物理）問題來研究，舉個不恰當但是很形象的例子，把DNA鏈想像成一根長毛線，你把這個毛線團成毛線球，毛線是「雜亂無章」的纏繞呢還是有一定結構的纏繞呢。我說一個最近這兩三年提出來的想法，叫「Fractal globule」模型，這個模型是說染色質的結構如下圖所示（概念圖）：

上面這張圖左面是所謂的fractal globule。這裡DNA鏈上不同區域通過漸變的顏色表示，左面的這個球的意思就是DNA鏈上一維距離近的部分也傾向於在三維空間中處於相鄰的區域，你可以清楚地看到不同顏色總體都聚集在各自的區域，而右面的球就是我們所說的「雜亂無章」的纏繞，可以看到顏色的分布是隨機的。左面和右面的一個重要區別就是左面的結構幾乎沒有knotness，也就是不打結，而右邊的結構是高度打結的。那麼問題來了，我們如何來驗證DNA是否可能是這種結構呢，那麼就需要實驗數據了。一般來說現在這方面的實驗數據就兩個：

1. DNA鏈上兩個loci之間三維空間中的距離與他們沿著鏈一維上的距離的關係，我們用R(s)表示，s就是兩個loci之間的一維距離，R是他們的三維距離
2. DNA鏈上兩個loci接觸(距離很近)的概率與他們一維距離的關係，我們用P(s)表示，P是他們接觸的概率

儘管這方面的實驗(Hi-C和3C)的精度還有待提高，但是人們發現染色質內這兩個量總體符合
$R(s)sim s^{1/3}$
$P(s)sim s^{-1}$
而上面的fractal globule模型具有這樣的性質，而右面的雜亂無章的毛線球不具有( $R(s)sim s^{1/2}$ , $P(s)sim s^{-3/2}$ )。所以這個fractal module跟現實世界也許有點關係吧，當然這只是09年提出來的模型，現在也有一些文章不同意這個模型，總之人們所知甚少。

想從 @大腸桿君的答案中一點稍微發揮一下：

第一部分：
Quote: 「因為每條間期染色體佔據了細胞核的一個特定區域，所以不同的染色體不會相互纏繞。」

這涉及到了 Chromosome territory 這個概念。最早的時候人們不知道真核生物中的染色體是如何在細胞核中分布的，所以提出了兩個不同的Models:
1. Chromosome territory; 2. Random organization。
當然，想當年是沒有各種先進的visualization的方法。上世紀80年代Thomas和Christoph做了個非常elegant的實驗(圖1)：使用激光照射Hamster細胞核中的一個小區域誘導 DNA 損傷，如果chromosomes是呆在各自的區域的話，受到傷害的chromosomes的數量會比較少；如果chromosomes是隨機分布（看model是不是覺得打結了）的話，受到傷害的chromosomes的數量就會較多。

而實驗的結果，在3組試驗中，都只有相當少的chromosomes看上去『受傷』了。這是第一個證明chromosomes在細胞核中是『有組織有紀律』的實驗。

圖一：

當然現在就沒有這種問題了，染色技術和顯微鏡技術能讓我們輕鬆的看到細胞核中的chromosomes是怎麼分布的。圖二中可以看到的是在雞的細胞核中chromosomes的分布。
PS：所有的顏色是psudo-color（合成色）, 不要以為現在的染色技術這麼神。

圖二：

第二部分：
Quote: 「人們認為這種組織的形成至少是由於染色體的某部分附著在核被膜或者核纖層的一些位點上」
@大腸桿君說的很對，在較低等的真核生物中，現在基本認為上面的這句話是正確的。
不過在高等點的真核生物中，人們現在更傾向於self-organization model, 因為這個model能更好地解釋功能相近的chromosome的片段聚集在一起的現象。不過現在尚無定論。
PS:如果對這方面感興趣，可以看看Cajal body的簡介。

以上只是從chromosome territory的角度說說染色體並不是隨機的漂浮在細胞核中。並沒有回答染色體是如何避免打結這個問題。

Reference：
「1」http://www.nature.com/nature/journal/v445/n7126/full/445379a.html
「2」http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n4/full/nrg0401_292a.html

個人認為打結了也無所謂。拓撲異構酶就是解這個的。

打結的都被自然選擇淘汰了

先放一個視頻，有時間會回來具體補充。
染色體的形成與定位.mov

學生物的來說一下，因為染色質從分子微觀已經是來說很大很大的結了，參照上面上圖片的那位，即使我們看起來是幾條線，它其實是結構嚴密、表面光滑（有糖）的一條線性系統。日常線條打結主要因為兩點：一是結構單一、比較細；二是由於同質相吸。比如細線易打結，而像鋼筋那麼粗的繩子，難彎折且表面光滑，你想讓它打結是非常困難的。染色質的主要成分是ＤＮＡ，所以從分子層面分析，他們是很難打結的。

對了染色體的打結是不是又名在減數分裂前期時染色體發生的交叉互換咧...

混亂的纏繞才會導致混亂的打結吧

染色質的纏繞是嚴格執行DNA纏繞在蛋白質八聚體（有點像繩子在球上轉兩圈）上並以這個單體再不斷螺旋並超螺旋這樣旋轉起來，並且還有拓撲異構酶的作用螺旋的。並不是一條DNA纏到底吧。
如果要進行正常情況下的解旋則需要解旋酶一層一層的解旋，而且DNA雙鏈並不像毛線一樣相互之間會摩擦摩擦在光滑的地上。中間還有電荷作用。所以打結的情況很難發生吧。
但是如果在進行DNA以及RNA在用甲基綠和吡羅紅混合染色時，用鹽酸霸道總裁的母親棒打鴛鴦式的方法使蛋白質和DNA分離的時候，不知道這種情況下會不會發生DNA的混亂。

請自行Google 「histone」 ^_^
這個蛋白質就是你問題的答案

不互相纏繞叫正常，互相纏繞叫基因重組，懂？

染色質的纏繞是嚴格執行DNA纏繞在蛋白質八聚體（有點像繩子在球上轉兩圈）上並以這個單體再不斷螺旋並超螺旋這樣旋轉起來，並且還有拓撲異構酶的作用螺旋的。並不是一條DNA纏到底吧。

不會打架的

百度拓撲異構酶

那提取的DNA會不會在試管里打結呢？

你說這個逼格這麼高的問題，你想了多長時間才找到的

核小體是染色質結構的基本單位，大部分時候DNA是這樣的，每大約146個核苷酸對的雙鏈DNA圍繞一個組蛋白形成一個核小體複合體，就跟把線在一個線團纏起來一樣，在機上旁邊的連接區域，會使DNA分子的長度變成初始長度的1/3，這是DNA包裝的第一個層次。而DNA工作的時候的第一步就是先把線團打開，可以想像一下，在DNA複製的時候，線團就是按順序的按著DNA合成酶的方向，邊打開邊纏繞回去。間期的細胞中，這樣的伸展狀態很適合DNA複製之類的活動，因為各種酶和其他蛋白質很方便和DNA接觸，當染色體準備進入有絲分裂時，染色質絲會進一步螺旋化，形成高度濃縮的有絲分裂染色體。這就引出了DNA的更多級的包裝。到了細胞周期的中期時，這些念珠在進一步摺疊就變成了粗粗的棒狀的染色體。