10 第十章 细胞核与染色体10

null第十章 细胞核与染色体第十章 细胞核与染色体第一节 核被膜与核孔复合体 第二节 染色质 第三节 染色质结构和基因活化 第四节 染色体 第五节 核仁 第六节 核基质 细胞核1831年，Brown发现于植物并命名。 细胞遗传与代谢的调控中心，真核细胞区别于原核细胞最显著的标志。 大小：一般占细胞体积的10%，是制约细胞最大体积的一个因素，分裂期增大，衰老时变小。 细胞核null形状：球形或卵圆形 位置：细胞中央 ，成熟植物细胞的边缘。 数目：通常一个，成熟的筛管和哺乳动物红细胞（0）、肝细胞、心肌细胞(1-2） 、植物毡绒层细胞(2~4) 、骨骼肌细胞(数百）。Nucleus structureNucleus structure结构：1.1 核被膜是双层膜结构1.1 核被膜是双层膜结构外核膜：与粗面内质网连接，附有核糖体。 核周间隙：与内质网腔相通。 核纤层：内核膜内表面的纤维网络，支持核膜，并与染色质、核骨架相连。 核孔null核被膜的功能核被膜的功能 构成核、质之间的天然选择性屏障 避免生命活动的彼此干扰 保护DNA不受细胞骨架运动 所产生的机械力的损伤 核质之间的物质交换与信息交流 核被膜在细胞在有丝分裂中有规律地解体与重建核被膜在细胞在有丝分裂中有规律地解体与重建1.2 核孔复合体 （nuclear pore complex，NPC）1.2 核孔复合体 （nuclear pore complex，NPC）转录功能活跃的细胞，NPC的数量比较多。一般哺乳动物细胞核被膜上有约3000-4000个核孔。 由1000多个蛋白质分子组成，组成核孔复合体的蛋白称为“核孔蛋白”。 电镜下观察核孔呈圆形或八角形，一般认为其结构如fish-trap。 The Nuclear Pore complex，NPCThe Nuclear Pore complex，NPC结构模型结构模型 胞质环（cytoplasmic ring），外环 核质环（nuclear ring），内环 辐（spoke） 柱状亚单位（column subunit） 腔内亚单位(luminal subunit) 环带亚单位（annular subunit） 中央栓（central plug）：transporter Cytoplasmic face cytoplasmic particlesCytoplasmic face cytoplasmic particlesNuclear face basket inner complexNuclear face basket inner complex核孔复合体的功能：核质交换的双功能、双向选择性亲水通道核孔复合体的功能：核质交换的双功能、双向选择性亲水通道双功能：被动扩散和主动运输 被动扩散：有效直径9-10nm，离子、小分子等物质原则上可自由通过。 主动运输，具有选择性： ① 主动运输的功能直径比被动运输大，为10-20nm； ② 由载体介导，需信号识别，消耗ATP； ③ 具有双向性，既有蛋白质的入核转运，又有RNA，核糖核蛋白颗粒（RNP）的出核转运。 通过核孔的物质运输与信号序列有关通过核孔的物质运输与信号序列有关核定位信号（NLS）：引导蛋白进入细胞核，受体为importin，4-8个氨基酸组成，含Pro、Lys和Arg。完成核输入后不被切除。 第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，其NLS为： Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Valnull核输出信号（NES），引导RNP输出细胞核，受体为exportin。 Ran蛋白，属G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。 亲核蛋白输入过程参见下图：nullProcess of Nuclear Import第二节 染色质第二节 染色质1848年，Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞。 1879年，Flemming提出Chromatin。 1888年，Waldeyer提出Chromosome。2.1 染色质的化学组成2.1 染色质的化学组成组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA。 比例：1:1:(1-1.5):0.05。（1）DNA（1）DNA3种序列：①单一序列；②中度重复序列（101~5）；③高度重复序列（>105）。 3种构像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。Three DNA conformationsThree DNA conformations（2）组蛋白（2）组蛋白带正电荷，含Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为： 核心组蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4； 连接组蛋白（linker histone）：H1。null结构：高度保守，尤其是H4。 核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量Arg和Lys，为转译后修饰的部位。 H1多样性，具有属和组织特异性。（3）非组蛋白（3）非组蛋白序列特异性DNA结合蛋白。特性： 带负电，属酸性蛋白。 整个细胞周期都合成，组蛋白只在S期合成。 能识别特异DNA序列，结合籍氢键和离子键。 功能：帮助DNA折叠、复制；调节基因表达。2.2 从DNA到染色体2.2 从DNA到染色体核小体（nucleosome）：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，通过酶消化实验建立。 核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1。null由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒； DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接DNA。 null在低盐亲水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体（JA，Gall 1981）null通过核小体，长度压缩7倍，形成11nm的纤维。 但是在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，有两种解释：①由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，长度压缩6倍；②由核小体纤维Z字形折叠而成，长度压缩40倍。nullnullsolenoidnull对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。 目前多认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域 。Chromatin PackingChromatin PackingChromatin PackingChromatin PackingNucleoid spread with 2 long axes made up of bundles of fibresNucleoid spread with 2 long axes made up of bundles of fibresRadial loops of chromatin in undisrupted chromosomesRadial loops of chromatin in undisrupted chromosomes2.3 异染色质和常染色质2.3 异染色质和常染色质常染色质是指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低, 处于伸展状态, 用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。 异染色质是指指间期细胞核中, 折叠压缩程度高, 处于聚缩状态的染色质组分。用碱性染料染色时着色较深。常染色质常染色质单一序列 DNA 和中度重复序列DNA(如组蛋白基因和tRNA基因) 并非所有基因都具有转录活性,常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件 异染色质异染色质结构异染色质：除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心。 由相对简单、高度重复的DNA序列构成, 如卫星DNA；具有显著的遗传惰性, 不转录也不编码蛋白质； 兼性异染色质：在某些细胞类型或一定的发育阶段, 原来的常染色质聚缩, 并丧失基因转录活性, 变为异染色质，如X染色体随机失活（巴氏小体）。 异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。null雌性哺乳动物细胞中一条异固缩化的X染色体。 人的胚胎发育到16天以后出现巴氏小体。barr bodyX染色体随机失活——巴氏小体第三节 染色质结构和基因转录第三节 染色质结构和基因转录对于大多数细胞而言，在特定阶段具有转录活性的基因只占到基因总数的10%以下，而90%以上的基因在转录上是不活跃的。 按照功能状态的不同可将染色质分为活性染色质(active chromatin)与非活性染色质(inactive chromatin) null 活性染色质的核小体发生构象改变，具有疏松的染色质结构，从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合和RNA 聚合酶在转录模板上滑动。 引起染色质结构变化的因素有：DNA局部结构与核小体相位的改变、组蛋白的修饰（甲基化、乙酰化、磷酸化等）、DNA甲基化、HMG结构域蛋白的影响等。null 转录的“核小体犁”（nucleosome plow）假说 （引自C.C.Adams等） 第一步：RNA聚合酶使核小体不稳定，撤掉2个（H2A-H2B）,形成H3-H4四聚体复合物； 第二步：组蛋白核心的另一半（H3-H4四聚体）被移开并转到聚合酶后面自由DNA上； 第三步：2个H2A-H2B二聚体重新结合到DNA上，又形成一个完整的核小体核心结构。 第四节、染色体第四节、染色体 染色体是细胞有丝分裂时遗传物质存在的特殊形式，是间期染色质紧密组装的结果。 不同生物的细胞中含有不同数目的染色体。根据着丝粒位置进行的染色体分类 根据着丝粒位置进行的染色体分类 ①长臂长度／短臂长度; ②短臂长度／染色体总长度 (根据Levan等,1964; Green等,1980) 4.1 染色体各部分的结构4.1 染色体各部分的结构着丝粒 次缢痕 核仁组织区 随体 端粒着丝粒 着丝粒 连接两个染色单体，由于着丝粒区浅染内缢，所以也叫主缢痕，共包含3个结构域： 1、动粒结构域（着丝点）（kinetochore domain）：纺锤体与染色体相作用的位点 2、中央结构域：着丝粒区的主体，由串联重复的卫星DNA组成。 3、配对结构域：染色单体配对的区域 着丝粒与动粒着丝粒与动粒①纺锤丝 ②动粒结构域 ③中央结构域 ④配对结构域null 核仁组织区（NORs）构成核仁，位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。null 端粒（telomere） 染色体两端的特化结构，由富含鸟嘌呤核苷酸的短的串联重复序列DNA组成。 作用： 维持染色体的稳定性。 起细胞分裂计时器的作用。端粒核苷酸复制和基因DNA不同，每复制一次减少50~100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶来完成。null体细胞每分裂一次，端粒重复序列就缩短一些，表明端粒重复序列的长度与细胞的寿命有关，但在生殖细胞、干细胞和肿瘤细胞中端粒酶活性体现，后者使细胞可以无限制的增殖。4.2 染色体DNA的3种功能元件4.2 染色体DNA的3种功能元件3种基本元素：①自主复制序列(ARS)；②着丝粒序列(CEN) ；③端粒序列(TEL)。 人造微小染色体人造微小染色体酵母人工染色体(YAC )：含上述3种成分，用于转基因。4.3 核型与染色体显带4.3 核型与染色体显带核型：物种中期染色体特征的总和（染色体数目、大小、形态）。核型对于探讨人类遗传病的机制、物种亲缘关系等有重要意义。 带型：染色体经理化因素处理后染色，呈现稳定的带纹（band）。染色体显带技术最重要的应用就是明确鉴别一个核型中的任何一条染色体，乃至某一个易位片段。同时显带技术也用于染色体基因定位和研究物种的核型进化及可能的进化机制。 核型模式图(idiogram) 核型模式图(idiogram) 将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来, 再按长短、形态等特征排列起来的图象称为核型模式图,它代表一个物种的核型模式。 null4.4 巨大染色体4.4 巨大染色体多线染色体 存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞 、某些植物细胞 多线染色体的来源 ：核内有丝分裂 ，即核内DNA多次复制而细胞不分裂，产生的子染色体并行排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密结合在一起。 Polytene chromosomesPolytene chromosomesnull多线染色体的带及间带 ：带区的染色质包装程度比间带染色质高得多，所以带区呈现深染，而间带浅染。   多线染色体与基因活性：在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成涨泡（puff），胀泡是基因活跃转录的形态学标志 null灯刷染色体 灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，两栖类卵母细胞的最为典型。 灯刷染色体的来源：卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体。双线期是卵黄合成的旺盛期，灯刷染色体与卵子发生过程中营养物质的储备密切相关。    灯刷染色体的转录功能：染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，是转录活跃的区域。null灯刷染色体的超微结构第五节 核仁第五节 核仁间期细胞核内最显著的结构，单一或多个球形小体。 蛋白合成旺盛和分裂增殖较快的细胞中核仁较大，而不具备蛋白质合成能力的细胞中（肌细胞或休眠的植物细胞）核仁很小或没有。5.1 核仁的超微结构5.1 核仁的超微结构①纤维中心（FC）：是致密纤维包围的低电子密度的圆形结构，主要成分为rDNA、RNA聚合酶和转录因子。 ②致密纤维组分（DFC）：呈环形或半月形包围FC，由致密纤维构成，是新合成的rRNA转录本。 ③颗粒组分(GC) ：由直径15-20 nm的颗粒构成，负责装配核糖体亚单位，是核糖体亚单位成熟和储存的位点。 null核仁的组织方式核仁的组织方式nullrDNA为重复基因，人体细胞中约有200个拷贝，rDNA没有组蛋白核心，是裸露的DNA节段，相邻基因之间为非转录的间隔DNA。5.2 核仁的功能5.2 核仁的功能核仁的主要功能是核糖体的生物发生，这是一个向量过程：从核仁纤维组分开始, 再向颗粒组分延续。这一过程包括rRNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配。null转录时，RNA聚合酶沿DNA分子排列，酶由基因头端向末端移动，转录好的rRNA分子从聚合酶处伸出，愈近末端愈长，从左右两侧均可伸出，呈羽毛状。rRNA首先出现在纤维部，而后转向颗粒部。null新合成的45SrRNA与蛋白质形成80S的RNP复合体。经RNA酶裂解形成18s、28s、5.8srRNA。 5SrRNA定位在常染色体，合成后被转运至核仁区参与大亚基的装配。5.3 核仁周期5.3 核仁周期核仁是一种高度动态的结构，在有丝分裂期间表现出周期性的消失和重建，这个过程称为核仁周期。null含40%的蛋白、60%的RNA。 由两个亚单位构成，大小亚单位只在合成蛋白时结合在一起，合成终止后解离。 多个核糖体结合在一条mRNA上，称多聚核糖体。5.3 核糖体ribosomenull核糖体的分类和组成null在蛋白质合成过程中，肽酰转移酶的功能是由rRNA来完成的，它催化了肽链的合成。RNA在生命起源中的地位及其演化过程RNA在生命起源中的地位及其演化过程第六节 核基质（nuclear matrix ） 第六节 核基质（nuclear matrix ） 核基质是指真核细胞的核内除核被膜、染色质及核仁以外的蛋白质网架结构体系。 核骨架（nuclear skeleton) 狭义概念就是指核基质， 广义概念应包括核基质、核纤层以及染色体骨架。nullnull6.1目前对核骨架的研究结论 6.1目前对核骨架的研究结论 核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的包装与构建有密切关系。 1. DNA复制：提供DNA聚合酶结合位点 。 2. RNA复制：提供RNA聚合酶结合位点。 3. 与染色体构建有关 30nm的染色质纤维就是结合在核骨架上，形成放射环状的结构，在分裂期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体。nullChromosome Structure