我們每個人身上的大部分的細胞，都只有一個細胞核（您或許有聽過紅血球沒有細胞核，或是肌肉細胞有多個細胞核），而每一顆細胞核中都含有約兩條兩公尺長的DNA？沒錯！這四公尺長的DNA事實上是擠進一個直徑大約6微米微小的細胞核中（一微米是百萬分之一公尺）！這就如同將40公里（您沒看錯，是公里）的細絲線塞進一個網球中！這個比喻夠傳神了吧！所以您應該了解這個比例多誇張。問題是這是如何做到的呢？或這麼做有什麼好處？這個就帶入我們今天故事的主題了。首先讓我來簡單的介紹我們的細胞是怎麼巧妙的將這麼長的DNA包入細胞核中。問題的答案在於我們的DNA並不是直接塞進細胞核中，而是先經過纏繞在一些蛋白質上，讓這些細長容易打結的DNA能夠壓縮到真核細胞核的微小空間中。如果您曾經嘗試過存放花園軟管，您就會知道，如果您盤繞軟管，可以避免打結，同時下次要再使用時也會容易得多。這個簡單的道理我們的細胞也知道，細胞不僅知道要將DNA纏起來，還知道要使用工具。這個DNA與蛋白質組成的結構，就是我們今天的主角「染色質」。

核小體長得像壽司

「染色質」？這是什麼啊？聽起來好像「染色體」？雖然只差一個字，但的確是不一樣。其實講起來也不複雜。您吃過壽司吧？壽司通常以壽司米或海苔皮做為外層，內餡有壽司蛋、火腿與肉鬆，煮熟的蝦子、蘆筍、干瓢、小黃瓜包裹起來。核小體則是DNA作為外層來包裹一些蛋白質（稱為組蛋白）。做壽司最重要的是將飯或海苔捲起，利用手勁往內縮把飯與材料之間的空氣擠出來，用米的黏性使得內餡能固定不鬆散。同樣的原則，DNA捲住蛋白質，但是捲得成功需要一點功夫。組蛋白是一個帶正電荷的小蛋白家族，稱為H1、H2A、H2B、H3和H4。由於磷酸糖骨架中的磷酸基團使得DNA帶負電荷，因此組蛋白與DNA正負相吸結合，帶負電的DNA有規則的纏繞著帶正電組蛋白，彼此以靜電相互作用的折疊DNA。結果，染色質的體積比單獨的DNA來得更小，可以更有效率的將DNA包裹進細胞核中！厲害吧！其實不只人類細胞知道，所有有核生物都用這一招，從用來做麵包的酵母菌，到被麵包香味吸引來的果蠅，都是一樣的。

DNA冷知識

人的每個細胞總共有約60億個鹼基對DNA。由於每個鹼基對的長度約為0.34奈米（一奈米是十億分之一米），如果23條染色體頭尾相接，加起來的長度大約2公尺，所以每個二倍體細胞含有大約兩條各2公尺的DNA[(0.34 × 10^-9) × (6 × 10⁹)]。人體大約有50萬億個細胞，相當於每個人100萬億公尺的DNA。太陽距離地球約1500億公尺（1.5億公里）。這意味著我們每個人都有足夠的DNA從這裡連接到太陽再返回300多次，或繞地球赤道250萬次！

核小體長得像壽司切片

壽司卷切成一片一片之後，我們就可以看到外層的壽司米包裹著內餡。而染色質也是由一片又一片的的基本重複結構所組成，我們稱它為是核小體。核小體的結構跟我們常吃的壽司切片很類似，它的基本化學結構是包含八種組蛋白和大約146個DNA鹼基對。我們已經知道每一個核小體中各有兩個H2A、H2B、H3和H4組蛋白（類似壽司中的內餡）。它們結合在一起形成一個組蛋白八聚體，然後與DNA結合纏繞大約1.7圈，或是大約146個鹼基對。添加一個H1蛋白會包裹另外20個鹼基對，從而在八聚體周圍形成兩個完整的圈，一個接一個的核小體連續的在DNA上就是「染色質」。但是這個結構事實上非常細小，連使用電子顯微鏡直接觀察細胞核，都並無法看到。但是不用擔心，科學家們可以用一些間接的方法來看到染色質。細節呢就不在這邊交代，因為Luger 等人在1997都已經將核小體的晶體結構解出來了，這還假得了嗎？

染色質將細胞核分區，如同電腦硬碟分區

接下來就要來回答，將DNA包裹成染色質除了體積比較小之外有什麼好處？相信大家在使用電腦硬碟時，會為了區分檔案，會做出不同的檔案夾，或將硬碟分割成多槽。例如，系統安裝在C槽軟體安裝在D槽，檔案和影音等放在E槽。這樣有助於對使用者檔案做出整理，方便查詢，如果沒有分割槽，做個資料夾其實功能一樣。如同之前所提，人體大約有 50萬億個細胞，這些細胞分成很多不同的種類。人體內有200多種不同的細胞類型。每種類型的細胞都專門執行特定的功能，通常通過形成特定的組織。然後不同的組織結合併形成特定的器官，器官就像一個工廠，每種類型的細胞都有自己的工作。這200多種不同的細胞類型它們都有一個共同點：它們的細胞核中都帶一模一樣的DNA！但是各種不同細胞都必需執行它們獨特的功能。例如，皮膚細胞組成能分泌黏液、汗液和油脂的組織。而同樣是表皮細胞，覆蓋著在人體食道、鼻道和腸道卻能分泌黏液，保持表面的潤滑。人體中存在兩種腦細胞——神經元和神經膠質細胞。而兩者都是有效的人體進行電化學信息傳絕不可少的細胞。我們的心臟，腿筋和身體中的其它所有肌肉都由肌肉細胞所組成。儲存脂肪的細胞對我們的身體極為重要。脂肪細胞組合在一起時，它們就構成了脂肪組織。

每種類型的細胞都有獨特的專業技能

這些獨特的細胞，是怎麼能夠變得這麼特別，而且當它們老化，會有年輕的細胞來取代它們，這些年輕的細胞怎麼知道它們是表皮細胞，或是肌肉細胞？答案就在細胞怎麼管理「DNA」。如果您今天想要剪頭髮，您會走進餐廳嗎？您希望享受一頓牛排大餐，您會到3C電子商店嗎？所以可以理解，各種不同行業的專業人員，他們都是經過專業訓練，在專業場合提供專業服務。同樣的我們身上的各種不同細胞，也都是擁有專業技能，使得它們使命必達，而且最重要的是不會搞錯身份，造成理髮師跑去煎牛排。那我們各種細胞是怎麼得到它們專業達人技能的？因為它們都會表現「特異專業達人基因」。例如，皮膚細胞中有一群基因積極的運作，使得它們可以分泌黏液、汗液和油脂的組織等只有皮膚細胞才會做的事情，同樣的骨骼肌細胞會表現肌鈣蛋白和原肌球蛋白形成橫紋肌細胞，使得肌動蛋白和肌球蛋白之間的相互作用使得肌肉可以收縮。當然我們的皮膚與肌肉組織所能做的事情比我上面所描述的多很多，但是皮膚的功能是絕對無法由肌肉所取代的，反之亦然。問題答案就在每一種獨特的細胞都會自己的一組「特異專業達人基因」表現來，使它們具有專業而且具有「達人」的標準。而且每一套「特異專業達人基因」只會專一的表現在的一種專業達人細胞上，使得它們的「專業」身份終其一生是不會轉換的。

「染色質」扮演鎖住專業的關鍵角色

「特異專業達人基因」的表現主要是由專業的「轉錄因子」來執行。「轉錄因子」會辨別特定的DNA序列，進而啟動接在或靠近這些DNA序列的基因。「轉錄因子」雖然具有特定的辨識能力，要在「浩瀚」的60億個鹼基對DNA中，很有效率的找到它們的目標，也是一件艱難的任務！聰明的有核細胞，當然有一套很專業的做法，來有效且迅速的完成這個任務。關鍵就在「染色質」！

染色質以兩種方式來協助專業基因的專一且有效率地表現出來。以小鼠的骨骼肌細胞為例。在電子顯微鏡下，骨骼肌細胞的細胞核可以很明顯的分成深跟淺兩個區域。深色的代表電子束無法穿透的區域，表示它們的結構比較緊密，而且這些緊密的區域大都集中在細胞核外圍靠近核膜的地方。反之，淺色的區域，代表電子束容易穿透的，表示它們的結構比較鬆散。這樣的安排有什麼意思嗎？當然有，而且事關重大！大多數的專業細胞它們的細胞核都長這樣。被安排在深色區的，都是不關它們專業的基因，而安排在淺色的區域的都是一些專業細胞所需的「特異專業基因組」與維持細胞基本功能所需的基因，所謂的「管家」基因。講到這裡，您有看出一點苗頭了嗎？

這樣的安排是很「故意」的，或是說「很專業的」來將用不到DNA把它們打包起來，放到細胞核的邊邊角角去，所以「轉錄因子」在尋找它們特定的DNA序列時，搜尋範圍就大幅的縮小了，不用浪費力氣，把60億個鹼基對 DNA從頭到尾找一遍，當然節省時間，有效率多了！怎麼樣？有沒有覺得「染色質」很厲害！啊！什麼？您覺得沒什麼啊？不過像倉儲公司，把用不到的物品，家具堆起來，讓家中空間比較大罷了！不，您誤會了！「染色質」的功夫當然不止於此，厲害還在後頭呢！

現在您知道專業細胞所需的「特異專業基因組」是會被安排在淺色的區域。但是從電子顯微鏡照片看起來，淺色區域還是很大，所以這些基因都隨時在表現嗎？當然不是！您能想像一個交響樂團上百隻的樂器，不受指揮的同時隨意彈奏的情形嗎？就如同我前面提過的，即使是同樣是表皮細胞，在皮膚與在腸道所負責的工作還是很不一樣。皮膚細胞需應付溫度變化，風吹日曬。而腸道粘膜細胞必需面對不同食物，可能酸溜溜的檸檬汁，也可能是麻辣鍋！因此它們還是必須保持彈性，因應隨時而來的環境變化與挑戰。在這方面染色質就可以大展身手了。

回頭看一下那一張染色質的圖。有沒有注意到，核小體有四根彩帶，凸出在它圓柱形的身體外。這可不是我一時興起的藝術創作，畫幾條彩帶來增加可看性。這幾條彩帶代表的是「組蛋白」的尾巴！原來組蛋白尾巴並不會完全的進入核小體的核心中（內餡），它們的前端與尾端都各有一部分會露在外面。這些「組蛋白」的尾巴就是染色質最厲害的地方了。

原來這些「組蛋白」的尾巴們，可以被有系統的做出差異性的化學裝飾，包含常見的乙烯化 （acetylation），甲基化（methylation），泛素化（ubiquitylation），還有磷酸化 （phosphorylation），以及很多其他不同的化學裝飾，族繁不及備載！這些化學裝飾了不起的地方就在差異性，因為化學裝飾的選擇很多樣化，組蛋白的尾巴條數又多，因此您可以想像，這其中可以有多少種的排列組合？重點在於組蛋白尾巴上的化學裝飾的差異，可以影響基因表現的強度。在同一個基因上，有的組合可以讓基因高度表現，另一個組合可以降低表現強度，有的組合卻可以完全將基因表現抑制掉。

那這些組合有什麼用途呢？只要回到交響樂團的譬喻，就可以很容易地理解了。想像專業細胞所需的「特異專業基因組」就像交響樂團中的上百隻的樂器，當樂團隨著指揮演奏著悠美的樂曲時，時而悠揚，時而高亢，有時像急行軍，又有時如燕語呢喃，每一種細胞的「特異專業基因組」在表現的時候，也是像交響樂團演奏時，必需隨著細胞或個體生理的需求與環境的變化，隨時的調整演奏的強度。細胞就是利用各個基因上「組蛋白」尾巴上的化學裝飾的差異，來適時的調整基因表現的強度，最神奇的是，就像交響樂團中的上百隻的樂器演奏，為數不等的「特異專業基因組」可能幾個，也可能數百個，透過「染色質差異性」的細微調整，也可以時而激動，時而平緩，有時像跑步，又有時如輕鬆地散步！具有這樣精細調整的能力，專業細胞們的專業技能就具備高度的彈性，可以隨著身體的需求，環境的變化，來調整它們的服務內容。

我知道您一定有一個疑問？這個這麼專業的「特異專業基因組交響樂團」的指揮是誰？因為指揮是樂團的靈魂人物，而且只能有一個，如果有兩個指揮那就亂掉了？「特異專業基因組交響樂團」指揮當然是專業的「轉錄因子」們，所以「指揮」不只一個。「特異專業基因組」必需反應外在環境的挑戰，又必需隨時注意身體內在的需求，而反應外在與內需的「轉錄因子」可能不是同一個，因此透過「染色質」的調整來保持機動性與應變的彈性，就不可或缺了，所以「染色質」是您的DNA的管理大師！