DNA 분자는 두 개의 상보 적 뉴클레오티드 체인으로 구성됩니다. 데 옥시 리보 핵산 (DNA) 분자는 4 가지 유형의 뉴클레오티드 서브 유닛으로 구성된 2 개의 긴 폴리 뉴클레오타이드 체인으로 구성됩니다. 이 사슬들 각각은 DNA 사슬 또는 DNA 가닥이라거 알려져 있다. 뉴클레오티드의 염기 부분 사이의 수소 결합은 두 사슬을 함께 붙들어 유지합니다 (그림 4-3). 2 장 (패널 2-6, pp. 1 16-1 17)에서 보았듯이, 뉴클레오타이드는 5 탄소 당과 그기에 붙어 있는 하나 이상의 인산기와 질소가 함유된 염기가 결합 된 것으로 구성됩니다. DNA의 뉴클레오타이드의 경우, 당은 단일 인산 그룹 (즉, 데 옥시 리보 핵산)에 부착 된 데 옥시 리보스이며, 염기는 아데닌 (A), 시토신 (C), 구아닌 (G) 또는 티민 (T) 일 수 있다. 뉴클레오타이드는 설탕과 인산염이 교대로 연결되어 있는 당-인산 골격의 당에 공유 결합으로 연결되어 있다. 염기 만이 4 가지 유형의 서브 유닛(뉴클레오타이드)마다 다르므로 DNA의 각 폴리 뉴클레오타이드 체인은 네 개의 형의 구슬 (4 개의 염기 A, C, G 및 T)로 연결된 목걸이 (백본)와 유사합니다. 이러한 동일한 기호 (A, C, G 및 T)는 일반적으로 4 개의 다른 뉴클레오타이드, 즉  당 및 인산염이 부착된 염기를 나타내는 데에도 사용됩니다. 뉴클레오타이드 서브 유닛이 함께 연결된 방식은 DNA 가닥에 화학적 방향성을 부여합니다. 우리가 각 당을 한쪽면에 튀어 나온 손잡이 (5'- 인산염)와 다른 쪽면에 구멍 (3'hydroxyl)이있는 블록으로 생각하면 (그림 4-3 참조), 손잡이와 구멍이 서로 연결되어 완성된 사슬의 서브유낫들은 모두 같은 방향으로 나열되어 있을 것이다. 또한 체인의  한쪽 끝은 구멍 (3'hydroxyl)이 다른 말단은 손잡이 (5'- 인산염)가 있으므로 두 말단은 쉽게 구별 할 수 있습니다. DNA 체인의 이러한 방향성은 한쪽 끝을 3‘ 말단, 다른 끝은 5’ 말단 이라고 표시하여 나타냅니다.  이중 나선 구조 인 DNA의 3 차원 구조는 두 폴리 뉴클레오타이드 사슬의 화학적 및 구조적 특징으로부터 발생합니다. 이 두 사슬은 서로 다른 가닥에 있는 염기 사이의 수소 결합에 의해 함께 유지되기 때문에 모든 염기는 이중 나선 내부에 있고 당 - 인산염 골격은 바깥에있다 (그림 4-3 참조). 각각의 경우, 더 큰 두 개의 고리가 있는 염기 (purine, Panel 2-6, pp. 116-17 참조)는 단일 고리 염기 (피리 미딘)와 쌍을 이룹니다. A는 항상 T와 G는 C와 결합한다 (그림 4-4)  이 서로 보완적인 염기쌍은 염기 쌍이 이중 나선의 내부에서 에너지 적으로 가장 유리한 배열로 포장 될 수 있게 한다. 이러한 배열에서, 각각의 염기쌍은 유사한 폭을 가지므로 당 분자  골격을 DNA 분자를 따라 등 간격으로 유지한다. 염기쌍 패킹의 효율을 최대화하기 위해 두 개의 당 - 인산염 백본은 서로 주위를 감아 두 개의 나선을 형성하며, 10 개의 염기 쌍마다 하나의 완전한 턴을 합니다 (그림 4-5). 각 나선의 염기 쌍들은 나선의 두 가닥이 역 평행 일 때만 - 즉 한 가닥의 극성이 다른 가닥의 극성과 반대 방향으로 향하는 경우에만 이중 나선 내에 들어갈 수 있습니다 (그림 4-3 및 4 참조) -4). 이러한 염기쌍 형성의 요구 사항의 결과는 DNA 분자의 각 가닥이 파트너 가닥의 뉴클레오타이드 서열과 정확하게 상보적인 뉴클레오타이드의 서열을 갖게 된다는 것입니다.

생물체 DNA의 완전한 정보 집합은 genome이라 불리우며 생물체가 합성 할 모든 단백질과 RNA 분자에 대한 정보를 담고 있습니다. 게놈에 포함 된 정보의 양은 엄청납니다 : 예를 들어 전형적인 인간 이배체 세포는 2 미터의 DNA 이중 나선을 포함합니다. 4 문자 뉴클레오티드 알파벳으로 작성된 매우 작은 인간 유전자의 뉴클레오타이드 서열은 텍스트 페이지의 4 분의 1을 차지하고 (그림 4-7), 인간 게놈의 전체 뉴클레오타이드 서열은 이 책 크기의 책 1000 권을 채울 것이다. 다른 중요한 정보 외에도, 약 24,000 개의 별개의 단백질에 대한 유전정보을 제공합니다. 각 세포 분열에서 세포는 게놈을 복제하여 두 딸세포로 게놈을 전달해야합니다. DNA 구조의 발견은 또한 이 복제를 가능하게하는 원리를 밝혀 냈습니다. DNA의 각 가닥은 파트너 가닥의 뉴클레오타이드 서열과 정확히 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하고 있기 때문에 각 가닥은 새로운 상보적 가닥의 합성을 위한 주형으로 작용할 수 있습니다  것이다.

Eucaryotes에서 DNA는 세포핵에 둘러싸여있다.

1 장에서 설명한 것처럼, 진핵 세포의 거의 모든 DNA는 세포에서 총 세포 부피의 약 10 %를 차지하는 핵에 들어 있다,  이 구획은 2 개의 동심원 지질 이중층 막 (그림 4-9)에 의해 형성된 핵 enuelope에 의해 구분됩니다. 이 막은 큰 핵 공극에 의해 일정 간격을 두고 구멍이 뚫어 져 핵과 세포질 사이의 분자를 운반합니다. 핵막은 소포체의 막에 직접 연결되어 세포질로 확장된다. 그리고 이는 내부 핵막 바로 아래에 얇은 판 모양의 망사를 형성하는 핵판(라멜라) 라고 하는 중간 필라멘트의 네트워크에 의해 기계적으로 지지됩니다 (그림 4-98 참조).

진핵 생물 DNA는 염색체 세트 상태로 포장 되어 있다

진핵 생물에서 핵의 DNA는 일련의 다른 염색체로 나뉘어져 있습니다. 예를 들어 인간 게놈은 대략 3.2 x 109 뉴클레오타이드로 24 개의 다른 염색체에 분포되어있다. 각 염색체는 하나의 엄청나게 긴 선형 DNA 분자로 구성되어 있습니다. DNA와 단백질의 복합체는 염색질이라고 불립니다 (염색 특성 때문에 그리스 채색에서 "색상"이라고 함). 염색체는 DNA 포장에 관련된 단백질 외에도 유전자 발현, DNA 복제 및 DNA 복구 과정에 필요한 많은 단백질과 RNA 분자와 관련이있다.

박테리아는 흔히 원형의 하나의 DNA 분자에 유전자를 가지고있다 (그림 1-29 참조). 이 DNA는 DNA를 포장하고 응축시키는 단백질들이 붙어 있지만, 진핵 생물에서 이러한 기능을 수행하는 단백질과는 다릅니다. 때때로 박테리아의 "염색체 (chromosome)"라고 불리기도하지만, 진핵 세포의 염색체와 같은 구조를 가지고 있지 않으며 박테리아의 DNA가 어떻게 포장되어 있는지에 대한 정보는 거의 없습니다. 그러므로 염색체 구조에 대한 논의는 거의 전적으로 진핵 생물의 염색체에 초점을 맞출 것이다.

배아 세포 (제 2 장에서 논의 됨)와 증식 할 수 없고 DNA가 없는 (예를 들어, 적혈구) 소수의 고도로 특화된 세포 유형을 제외하고, 각각의 인간 세포는 각 염색체의 두 사본을 포함하고 있습니다. 어머니와 아버지로부터 각 하나씩 물려 받는다. 모계와 부계의 염색체는 상동성 염색체 (homologous chromosomes, 상 동체)라고 불린다. 유일한 nonhomologous 염색체 쌍은 남성에있는 성 염색체,이다 Y 염색체가 아버지에게서 유전되고 어머니에게서 X 염색체가 유전된다. . 따라서 각 인간 세포는 남성과 여성 모두에게 공통적 인 총 46 개의 염색체를 물려받는다 남녀 공통인 22 쌍과 소위 성 염색체 2 개 (남성의 경우 X와 Y, 여성의 경우 2 개의 X)를 포함합니다. DNA 혼성화는 표지된 핵산 가닥이 상보 적 가닥을 찾아내는 "탐침"으로 사용하는 기술입니다.이 기술은이 인간 염색체를 각각 서로다른 색깔로 "페인팅"하여 구별하는 데 사용할 수 있습니다 (그림 4-f0). 염색체 색깔화는 전형적으로 염색체가 특히 압축되고 쉽게 시각화 할 수있는 유사 분열이라고하는 세포주기의 단계에서 수행됩니다 (아래 참조

유사 분열중의 46 개 인간 염색체를 보여주는 것을 인간 karyotype이라고합니다. 염색체의 일부가 손실되거나 염색체간에 교환 등 이러한 변화는 줄무늬 패턴의 변화 또는 염색체 그림의 패턴 변화에 의해 감지 될 수 있습니다 (그림 4-12). 세포 유전 학자들은 체세포에서 특정 염색체 재배열과 관련된 암을 특정지을 뿐만 아니라 유전적 결함과 관련된 염색체 이상을 검출하기 위해 이러한 변화를 사용합니다 (20 장에서 논의)

선형 염색체를 형성하는 각 DNA 분자는 반드시 동원체, 두 개의 텔로미어 및 복제 원점을 포함해야합니다. 염색체는 별개의 구조 단위로 행동합니다. 한 사본은 세포분열에서 딸세포로 전해져야 하고 각 염색체는 복제해야하고 새로 복제된 사본은 분리되어져서 두 딸세포로 올바르게 나누어 져야 한다.. 이러한 기본 기능은 DNA의 3 가지 유형의 특이적 뉴클레오타이드 서열에 의해 제어되며, 이들  각각에는  염색체를 복제하고 분리하는 기계를 안내하는 특정 단백질들이 결합합니다 (그림 4-21).

염색체가 상대적으로 작고 다루기 쉬운 효모에서의 실험은 이러한 각 기능을 담당하는 최소한의 DNA 서열 요소를 확인했다. 하나의 유형의 뉴클레오타이드 서열은 DNA 복제 원점, 즉 DNA의 복제가 시작되는 위치로서 작용한다. Eucaryotic 염색체는 5 장에서 자세히 설명하는 것처럼 전체 염색체가 빠르게 복제 될 수 있도록 많은 복제 원점을 포함하고 있습니다.

복제 후 두 개의 딸 염색체는 서로 연결되어 있고 세포주기가 진행됨에 따라 더 응축되어. 유사 분열 염색체를 만듭니다. centromere 라 불리는 두 번째 전문화 된 DNA 서열의 존재는 세포가 분열 할 때 각각의 복제되고 응축 된 염색체의 한 사본들이 딸 세포로 끌어 당겨지도록 한다. 키네 토코 어 (kinetochore)를라고 하는 단백질 복합체가 centromere에서  형성되고 복제 된 염색체를 유사 분열 스핀들에 부착시켜 그들을 분리 될 수 있도록합니다 (I7 장에서 논의 됨). 세 번째 특수 DNA 서열은 텔로미어, 즉 염색체의 끝을 형성합니다. 텔로미어는 염색체의 끝을 효율적으로 복제 할 수 있도록 반복 된 염기 서열을 가지고 있습니다. 텔로미어는 또 다른 기능을 수행한다. 반복 된 텔로미어 DNA 서열은 인접한 영역과 함께 염색체의 말단을 세포가  복구를 필요로하는 손상된 DNA 분자로 오인으로부터 보호하는 구조를 형성한다. 우리는 5 장에서이 유형의 수리와 텔로미어의 구조와 기능을 모두 논의합니다.

뉴클레오좀은 진핵 염색체의 기본 단위이다

진핵 염색체를 형성하기 위해 DNA에 결합하는 단백질 전통적으로  두개의 일반적인  부류로 나누어 진다: 히스톤과 비히스톤 단백질들이다.  진핵 세포의 핵 DNA와 이 두 가지 부류늬 단백질로 된 복합체는 염색체로 알려져있다. 히스톤은 세포 내에서 엄청난 양으로 존재하며 (인간 세포 당 약 6 천만 개의 분자), 염색질의 총 질량은 DNA의 것과 거의 동일하다.

히스톤은 1974년에 발견된 단백질-DNA복합체인 뉴클레오좀이라고 하는 가장 기본적인 염색체 포장을 만드는 역할을 한다. 세포분역 주기 중 간기의 핵을 부드럽게 깬 다음 그 내용물을 전자 현미경으로 관찰 하면  염색질의 대부분은 약 30nm의 직경 (도 4-22A)와 섬유의 형태로 되어 있다.  이 염색질을 부분적으로 풀어지게 처리를 하면 전자현미경하에서 실에 꿴 구슬 (그림 4-228)처럼 보인다. 그 실은 DNA이고, 각 구슬은 히스톤으로 형성된 단백질 핵 주위에 감긴 DNA로 구성된 "뉴클레오솜 핵심 입자"입니다. <ACTC>

뉴 클레오솜의 구조적 구성은 풀어진 염색질을  뉴클레오좀과 뉴클레오좀 사이의 DNA를 절단하는 특정 효소 (nucleases 라 불리는)로 소화함으로써 뉴클레오좀을 분리함으로서 결정되었다. 단기간의 소화 후, 뉴 클레오솜 코어 입자 사이에 노출된 DNA,  링커 DNA, 가  분해된다. 각각의 뉴 클레오 솜 코어 입자는 8 개 히스톤 단백질의 복합체-히스톤 H2A, H2B, H3 및 H4의 각각의 두 분자들- 그리고 147 개의 뉴클레오티드 쌍으로 된 이중 가닥 DNA의 복합체로 구성됩니다. 히스톤 8 량체는 이중 가닥 DNA가 감겨져있는 단백질 핵을 형성한다 (그림 4-23).

뉴클레오좀은 동적 인 구조를 가지며 ATP 의존성 염색질 리모델링 복합체에 의해 자주 변하게 된다.

여러해 동안 생물학자들은 뉴클레오좀이 일단 DNA의 특정 위치에서 형성되면 히스톤과 DNA사이의 매우 단단한 결합 때문에 뉴클레오좀이 고정되어 있을 것이라고 생각했다. 그것이 사실이라면 이것은 원칙적으로 염색질을 통한 DNA 전사 및 복제 기계의 여러 가지 DNA 염기서열에의 신속한 접근과 신속한 통과를 필요로 하는 유전 판독 메커니즘에 문제를 일으킬 수 있습니다. 그러나 동역학 실험은 분리된 뉴 클레오 솜의 DNA가 초당 약 4 회 속도로 각 끝에서 히스톤으로부터 풀려나며, 플어진 것이 다시 재결합하기전  10 ~ 50 밀리 초 동안 노출 된 채로 남아있다 것을 보여 준다 . 따라서 분리 된 뉴 클레오 솜의 대부분의 DNA는 원칙적으로 다른 단백질과 결합 할 수 있습니다 (그림 4-28).

세포 내 염색질의 경우 진핵 세포가 ATP 의존성 염색질 개조 복합체를 다양하게 포함하고 있기 때문에 DNA- 히스톤 접촉이 추가로 느슨해지는 것이 분명히 있을 수 밖에 없다. 이 복합체의  ATP를 가수 분해하는 subunit은 진화적으로 DNA helicases와 관련이 있으며 (5 장에서 논의), nucleosome의 단백질과 그 둘레에 감겨있는 이중 가닥 DNA와 결합한다. ATP 가수 분해의 에너지를 사용하여 이 DNA를 뉴클레오좀 핵심에 대하여 상대적으로 이동시킴으로써 이 서브 유닛은 일시적으로 뉴클레오솜의 구조를 변화시켜 DNA가 히스톤 코어에 덜 밀착되게 만든다. 반복적 인 ATP 가수 분해 사이클을 통해 이 개조 복합체는 뉴클레오솜이 미끄러지는 것을 촉매 할 수 있으며, DNA 이중 나선을 따라 nucleosome core를 당김으로써 뉴클레오솜 DNA를 세포 내의 다른 단백질이 사용할 수 있게한다 (그림 4-25). 또한, 히스톤 샤페론으로 작용하는 음전하를 가진 단백질들과 같이 협력하여 어떤 개조 복합체들은 뉴클레오좀 핵심 전부 혹은 일부를 제거할 수 있다: 즉 H2A-H2B 히스톤을 교환하거나, 8량체 핵심을 DNA로부터 제거하는 것을 촉매한다.

염색질 구조의 조절

염색질 섬유를 만들기 위해 어떻게 DNA가 뉴 클레오솜으로 포장되는지 설명 했으므로 이제 우리는 세포의 게놈의 서로 다른 영역에서 다른 염색질 구조를 만드는 메커니즘에 관해 알아보고자 합니다. 우리는 이제이 유형의 메커니즘이 진핵 생물에서 많은 유전자를 조절하는 데 사용된다는 것을 알고 있습니다. 가장 중요한 것은 특정 유형의 염색질 구조가 유전될 수 있다는 것입니다. 즉, 구조체가 셀에서 그 자손세포로 직접 전달 될 수 있습니다. 그로 인한 세포 기억은 DNA 서열의 변화가 아니라 유전된 단백질 구조에 기초하기 때문에, 이것은 후성 유전의 한 형태이다. 접두사 epl은 "on"에 대한 그리스어입니다. 후성 유전학은 DNA에 기반한 유전위에 중첩되는 유전의 형태를 나타 내기 때문에 이 용어(epi, on)의 사용이 적합하다 (Figure, 4-35).

이질염색질은 고도로 조직화되어 있고 보통 유전자 발현에 저항한다.

1930 년대의 광학 현미경 연구는 많은 고등 진핵 세포의 간기 핵 (interphase nuclei)에서 2 가지 유형의 염색질을 구별했다. 이질염색질이라 불리는 고도로 응축된 형태와 그 외는 덜응축된 것으로서 euchromatin이라고 불린다. 헤테로크로마틴은 특히 조밀 한 형태의 염색질을 나타내며 (그림 4-9 참조) 마침내 우리는 그 분자 특성의 중요한 측면을 이해하기 시작했습니다. 염색체상에 많은 위치에 존재하지만, 특정 부위에 집중도가 높습니다. 특히 이전에 설명한 동원체 및 텔로미어에 집중되어 있습니다 (그림 4-21 참조). 일반적인 포유류 세포에서 게놈의 10 % 이상이 이런 방식으로 포장됩니다.

Core Histones는 많은 다른 부위에서 공유 결합으로 변형된다

nucleosome core의 4 개의 histone의 아미노산 측쇄는 라이신의 아세틸 화, mono-, di-, tri- methylation, 세린의 인산화을 포함한 아주  다양한 공유 결합 변형을 받는다 (그림 4-38). 이러한 측쇄 변형의 많은 수는 nucleosome으로부터 돌출 된 8 개의 상대적으로 구조화되지 않은 N- 말단 "히스톤 테일 (histone tails)"에서 발생한다 (그림 4-39). 그러나 nucleosome의 구상 핵심에도 특정 측쇄의 변형이있다 (그림 4-40).

위에 기술한 변형 유형은 가역적입니다. 뉴클레오솜의 특정 아미노산 측쇄의 변형은 특정 효소에 의해 만들어지며 대부분의 효소는 하나 또는 소수의 부위에서만 작용합니다. 다른 효소가 각 측쇄 변형을 제거하는 역할을 합니다. 따라서, 예를 들어, 아세틸기는 상이한 히스톤 아세틸 트랜스퍼라제 (HAT) 세트에 의해 특정 라이신에 첨가되고 히스톤 데아세틸라제 복합체 (HDAC) 세트에 의해 제거된다. 마찬가지로, 메틸기는 서로다른 히스톤 메틸 전이 효소 세트에 의해 리신 측쇄에 첨가되고 히스톤 데메틸라제 세트에 의해 제거된다. 각  효소는 세포가 살아가는 동안에 특정 시간에 염색질의 특정 부위에 이끌려 오게 됩니다. 대부분의 경우 최초에 효소가 작용하게 되는 것은 염색체상의 특정 DNA 염기 서열에 결합하는 유전자 조절 단백질에 달려 있으며, 이들은 제 7 장에서 설명한 바와 같이 유기체가 살아가는 동안 다른 시간에 생산됩니다. 그러나, 적어도 일부의 경우, 뉴 클레오솜에 대한 공유 결합 변형은 처음에 변형을 유도했던 유전자 조절 단백질이 사라져도 오랫동안 지속될 수 있으며, 이로써 발달 과정에서 세포 내 기억을 가지게 된다. 염색체상의 정확한 위치와 세포의 상태에 따라 서로 다른 nucleosome 군에서 공유 결합 변형의 매우 다른 패턴이 발견된다.

히스톤의 변형은 신중하게 조절되며 중요한 결과를 가져옵니다. N- 말단 꼬리의 라이신의 아세틸화는 염색질 구조를 이완시키는 경향이 있는데, 부분적으로는 라이신에 아세틸기를 첨가함으로써 양전하를 제거함으로써 인접한 뉴클레오좀에 대한 꼬리의 친화도를 감소시키기 때문이다(그림 4-33). 그러나 히스톤 변형의 가장 중요한 효과는 적절하게 변형 된 염색질의 부분에 특정 단백질을 끌어들이는 능력입니다. 이 새로운 단백질은 언제 어떻게 유전자가 발현 될 것인지, 그리고 다른 생물학적 기능을 결정합니다. 이러한 방식으로 염색질 도메인의 정확한 구조가 그 안에 담긴 유전자의 발현을 결정하고, 이로써 진핵 세포의 구조와 기능을 결정합니다.

염색질은 히스톤 변종의 작은 세트의 부위 별 삽입을 통해 추가 다양성을 얻습니다.

수 억년 동안 네 가지 핵심 히스톤의 아미노산 서열의 엄격한 보존에도 불구하고 진핵 생물은 뉴클레오솜으로 조립되는 몇 가지 변이 형 히스톤을 포함합니다. 이 히스톤은 주요 히스톤보다 훨씬 적은 양으로 존재하며, 진화론적 긴 시간 동안 잘 보존되지 못했습니다. 히스톤 H4를 제외하고, 코어 히스톤 각각에 대해 변이체가 존재한다; 그림 4-41에 몇 가지 예가 나와 있습니다.

생물학적 기능을 결정하는 데 도움이되는 "히스톤 코드 (Histone Code)"를 만들기 위해 공유 변형 및 히스톤 변이형 (Histone Variant Act) 이 조화롭게 작용한다

각각의 뉴클레오솜에 만들 수 있는 뚜렷한 변형(표시)의 수는 엄청납니다. 공유 결합 변형의 일부가 상호 배타적이라는 인식에도 불구하고 (예를 들어, 라이신이 동시에 아세틸 화되고 메틸화되는 것은 불가능하다), 다른 변형이 세트로서 함께 생성된다는 것은 분명하다 수천 가지 조합이 존재할 수 있습니다. 또한, 히스톤 변형체를 포함하는 뉴클레오솜에 의해 더 많은 다양성 만들어진다.

이러한 조합의 많은 것들은 nucleosomes에 포장 된 DNA에 언제 어떻게 언제 (전사조절 단백질들이) 접근이 가능한를 결정하기 때문에 세포에 대한 특별한 의미를 갖는 것으로 보이며 히스톤 코드 가설을  이끌어 냅니다. 예를 들어, 염색질의 한 부분이 새로 복제되었다는 신호의 한 유형, 염색질의 DNA가 손상되어 복구가 필요한 신호 등이 있으며 또한 많은 다른 것들은 유전자 발현이 언제 어떻게 일어나야하는지 알려줍니다. 작은 단백질 단위는 예를 들어 히스톤 H3 (그림 4- 42)에서 trimethylated lysine 4를 인식하는 특정 표지에 결합합니다. 이 형식은 다른 형식과 함께 코드 리더 (code-reader) 복합체의 일부로 작동하여 염색질의 특정 조합의 표시가 적시에 적절한 생물학적 기능을 수행하는 추가 단백질 복합체를 끌어 당깁니다 (그림 443).