第六章、细胞核与染色体

nullnull第六章 细胞核与染色体null 细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，细胞核主要有两个功能：一是通过遗传物质的复制和细胞分裂保持细胞世代间的连续性（遗传）；二是通过基因的选择性达，控制细胞的活动。 第一节、核被膜与核孔复合体 第二节、染色质 第三节、染色体 第四节、核仁 第一节、核被膜与核孔复合体第一节、核被膜与核孔复合体一、核被膜 二、核孔复合体 一、核被膜一、核被膜结构组成 核被膜的功能 核被膜在细胞周期中的崩解与组装 结构组成结构组成外核膜：常附有核糖体颗粒，与糙面内质网相连续。 内核膜：有特有的蛋白成份（如核纤层蛋白B受体） 核纤层（nuclear lamina）：紧贴内层核膜下，是一层由纤维蛋白构成的网络结构，对核被膜起支撑作用，属于中间丝的一种。 核周间隙（perinuclear space） 核孔（nuclear pore） 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 避免了核质间彼此相互干扰（基因表达的时空隔离） 保护核内DNA分子免受损伤 调控细胞核内外的物质交换与信息交流 染色体的定位和酶分子的支架 核被膜在细胞周期的崩解与组装核被膜在细胞周期的崩解与组装新核膜来自旧核膜； 核被膜的去组装不是随机的，具有区域特异性； 核被膜的去组装、重组装变化受细胞周期调控因子的调节，调节作用可能通过对核纤层蛋白、核孔复合体蛋白等进行磷酸化与去磷酸化修饰来实现。 二、核孔复合体二、核孔复合体结构模型 核孔复合体的功能结构模型结构模型胞质环 核质环 辐（spoke）包括柱状亚单位（column subunit）、腔内亚单位 ( luminal subunit)和环带亚单位（annular subunit） 中央栓（central plug）：transporter 核孔复合体的功能－核质交换的双向选择性亲水通道核孔复合体的功能－核质交换的双向选择性亲水通道通过核孔复合体的被动扩散 核孔复合体的主动运输 亲核蛋白与核定位信号 亲核蛋白入核转运的步骤 通过核孔复合体的被动扩散通过核孔复合体的被动扩散通过核孔复合体的扩散速率与分子大小成反比； 允许相对分子质量在40×103 －60×103 以下的蛋白质分子自由穿过核孔。核孔复合体的主动运输核孔复合体的主动运输 生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的 主动运输完成的，具有高度的选择性，并且是双向的。 主动运输的选择性表现在以下三个方面： 对运输颗粒大小的限制，功能直径比被动运输大，为10～20nm，甚至可达26nm。 主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗ATP能量，并表现出饱和动力学特征。 主动运输具有双向性，即核输入与核输出。 亲核蛋白与核定位信号亲核蛋白与核定位信号亲核蛋白（karyophilic protein）:在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。 核质蛋白（nucleoplasmin）的入核转运 核定位信号 (nuclear localization signal，NLS) NLS是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基，如Lys、Arg，此外还常含有Pro。 这些氨基酸残基片段可以是一段连续的序列（T抗原），也可以分成两段，两段之间间隔约10个氨基酸残基。 在不同的NLS之间尚未发现共有的特征序列。 NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，并在指导亲核蛋白完成核输入后并不被切除。 NLS只是亲核蛋白入核的一个必要条件而非充分条件 。亲核蛋白入核转运的步骤亲核蛋白入核转运的步骤结合：需NLS识别并结合importin； 转移：需GTP水解提供能量 第二节、染 色 质 第二节、染 色 质 一、染色质是细胞生命活动的基础 二、染色质DNA和蛋白质 三、染色质的基本结构单位—核小体 五、染色质组装的模型 六、常染色质和异染色质 一、染色质是细胞生命活动的基础一、染色质是细胞生命活动的基础染色质（chromatin）:指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构, 是间期细胞遗传物质存在的形式。 染色体(chromosome): 指细胞在有丝分裂或减数分裂特定阶段, 由染色质聚缩而成的棒状结构。 染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同，反映了它们在细胞周期不同的功能阶段中所处的不同的结构状态。 细胞内基因存在与发挥功能的结构基础是染色质 二、染色质 DNA和蛋白质二、染色质 DNA和蛋白质基因组 三种构型的DNA 组蛋白基因组（genome）基因组（genome）凡是具有细胞形态的生物其遗传物质都是DNA。 某一生物的细胞中储存于单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组。 基因组大小通常随物种的复杂性而增加 三种构型的 DNA三种构型的 DNAB型DNA（右手双螺旋DNA）：活性最高DNA构象； A型DNA，B型DNA的重要变构形式，仍有活性； Z型DNA，是左手螺旋，是B型DNA的另一种变构形式，活性明显降低 组蛋白(histone)组蛋白(histone)真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）。在功能上分为两组： 核小体组蛋白(nucleosomal histone)： H2A 、H2B、H3和H4，没有种属及组织特异性，在进化上十分保守。 H1组蛋白：在构成核小体时H1起连接作用, 它赋予染色质以极性。有一定的种属和组织特异性，成熟的鱼类和鸟类的红细胞中H1为H5取代。 合成在S期，与DNA复制同步。null 4种组蛋白具有相互作用形成复合体的趋势，帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构。三、染色质的基本结构单位— 核小体(nucleosome)三、染色质的基本结构单位— 核小体(nucleosome)主要实验证据 核小体结构要点 主要实验证据 主要实验证据 铺展染色质的电镜观察；  用非特异性微球菌核酸酶消化染色质，部分酶解片段结果； 应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究，发现核小体颗粒是直径为11nm、高6.0nm的扁园柱体，具有二分对称性（dyad symmetry），核心组蛋白的构成是先形成（H3）2﹒（H4）2四聚体，然后再与两个H2A﹒H2B异二聚体结合形成八聚体。 SV40微小染色体的分析核小体结构要点核小体结构要点每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1。 组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。 146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈, 组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bp DNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。 两个相邻核小体之间以连接DNA 相连，典型长度60bp，不同物种变化值为0～80bp。 组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列，实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质 。 nullnull五、染色质组装的模型五、染色质组装的模型 人的细胞核直径为5-8微米，但DNA的长度在2米左右， 相当于在一个网球中安放20公里长的细线，需要包装。 染色质组装的多级螺旋模型 染色体的骨架-放射环结构模型 染色体组装的不同组织水平 染色质组装的多级螺旋模型染色质组装的多级螺旋模型一级结构：核小体 二级结构：螺线管(solenoid) 三级结构：超螺线管(supersolenoid) 四级结构：染色单体（chromatid） 压缩7倍 压缩6倍 压缩40倍 压缩5倍 DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 染色体的骨架-放射环结构模型染色体的骨架-放射环结构模型非组蛋白构成的染色体骨架(chromsomal scaffold)和由骨架伸出的无数的DNA侧环 30nm的染色线折叠成环, 沿染色体纵轴, 由中央向四周伸出,构成放射环。 由螺线管形成DNA复制环，每18个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带(miniband)。微带是染色体高级结构的单位，大约106个微带沿纵轴构建成子染色体。 六、常染色质和异染色质六、常染色质和异染色质常染色质(euchromatin)：指间期细胞核染色质纤维折叠压缩程度低，相对处于伸展状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。 异染色质(heterochromatin)：指间期细胞核中, 折叠压缩程度高, 处于聚缩状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质。常 染 色 质常 染 色 质DNA组装比约为1 000～2 000分之一。 由单一序列 DNA 和中度重复序列DNA(如组蛋白基因和tRNA基因)组成。 并非所有基因都具有转录活性，处于常染色质状态只是基因转录的必要条件而不是充分条件 。异 染 色 质异 染 色 质 结构型异染色质(constitutive heterochromatin) 兼性异染色质(facultative heterochromatin) 结构型异染色质 结构型异染色质 除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，DNA组装比在整个细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。在间期核中聚集形成多个染色中心 结构型异染色质的特征： 在中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段； 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； 在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩； 在功能上参与染色质高级结构的形成，导致染色质区间性，作为核DNA的转座元件，引起遗传变异。 兼性异染色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, 变为异色质，如X染色体随机失活 染色质通过紧密折叠压缩可能是关闭基因活性的一种途径。 X染色体的失活与一种非编码RNA有关（在人类中是称为XIST（X –inactivation specific transcript)基因的产物）。 nullnull第四节、染色体 第四节、染色体 一、中期染色体的形态结构 二、染色体DNA的三种功能元件 三、巨大染色体（多线染色体和灯刷染色体） 一、中期染色体的形态结构一、中期染色体的形态结构中期染色体的形态 中期染色体的类型 染色体各部的主要结构 根据着丝粒位置进行染色体分类 根据着丝粒位置进行染色体分类 ①长臂长度／短臂长度; ②短臂长度／染色体总长度 染色体各部的主要结构染色体各部的主要结构着丝粒(centromere)与动粒（kinetochore) 次缢痕(secondary constriction) 核仁组织区(nucleolar organizing region,NOR)——位于染色体的次缢痕部位，是rRNA基因所在的部位，与间期细胞核仁形成有关。 随体(satellite)——位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕与染色体主体部分相连。 端粒(telomere) —染色体两个端部特化结构，由富含G的短的串联重复序列DNA组成，伸展导染色体的3’端，其生物学作用在于维持染色体的完整性和独立性。着丝粒与动粒着丝粒与动粒◆动粒结构域(kinetochore domain) 内板(inner plate) 中间间隙(middle space) 外板(outer plate) 纤维冠(fibrouscorona) ◆中央结构域(central domain)－由串联重复的卫星DNA组成，是着丝粒区的主体。 ◆配对结构域(pairing domain)： 内部着丝粒蛋白INCENP(inner centromere protein) 染色单体连接蛋白CLIPS(chromatid linking proteins) null二、染色体DNA的三种功能元件 二、染色体DNA的三种功能元件 自主复制DNA序列：具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的区域是维持ARS功能所必需的。 着丝粒DNA序列(CEN) ：两个相邻的核心区：80-90bp的AT区；11bp的保守区。 端粒DNA序列(telomere DNA sequence, TEL) 及端粒酶 ◆ 端粒序列的复制 ◆生殖细胞、部分干细胞和肿瘤细胞具有端粒酶活性，而所有体细胞中尚未发现端粒酶活性，端粒重复序列的长度与细胞分裂次数和细胞衰老有关。 nullnull端粒是染色体两个端部特化结构，由富含G的短的串联重复序列DNA组成；端粒的重复序列不是染色体DNA复制时连续合成的，而是由端粒酶合成后添加到染色体末端。 端粒酶是一种核糖核蛋白复合物，具有逆转录酶的性质。 三、巨大染色体三、巨大染色体多线染色体（polytene chromosome） 灯刷染色体（lampbrush chromosome） 多线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，体细胞内同源染色体配对，紧密结合在一起从而阻止染色质纤维进一步聚缩。 多线染色体的带及间带 多线染色体与基因活性：胀泡是基因活跃转录的形态学标志，胀泡的出现、发育和消失过程直接反映了基因转录的活性谱。 null 多线染色体带和间带都含有基因，可能“管家”基因(housekeeping gene) 位于间带, “奢侈”基因(luxury gene) 位于带上。带的数目、形态、大小及分布位置都很稳定。 灯刷染色体灯刷染色体灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，两栖类卵母细胞的灯刷染色体最典型； 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； 灯刷染色体的超微结构； 灯刷染色体的转录功能—与卵子发生过程中营养物储备密切相关。null第四节、核 仁(nucleolus) 第四节、核 仁(nucleolus) 一、核仁的超微结构 二、核仁的功能 三、核仁周期 一、核仁的超微结构一、核仁的超微结构 超微结构 纤维中心 致密纤维组分 颗粒组分 核仁相随染色质与核仁基质 三种基本核仁组分和rRNA的转录与加工形成RNP的不同事件有关 三种基本核仁组分和rRNA的转录 与加工形成RNP的不同事件有关三种基本核仁组分和rRNA的转录 与加工形成RNP的不同事件有关FCs是rRNA基因的储存位点； 转录主要发生在FC与 DFC的交界处，并加工初始转录本； 颗粒组分区（GC）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。二、核仁的功能二、核仁的功能 核糖体的生物发生是一个向量过程(vetorical process)：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。 rRNA基因的转录 rRNA前体的加工 核糖体亚单位的组装 rRNA基因的转录rRNA基因的转录形态特征：rRNA的基因在染色质轴丝上呈串联重复排列，位于少数染色体NOR上，沿转录方向形成“圣诞树”样结构。 真核生物核糖体含有4种rRNA，即5.8SrRNA、18SrRNA、28SrRNA及5SrRNA，前三种的基因组成一个转录单位，rRNA分子是rRNA基因的最终产物。 这种组织方式和高密度分布、专一性的RNA聚合酶Ⅰ，使rRNA基因的转录采取受控的级联放大机制。 nullrRNA前体的加工rRNA前体的加工rRNA前体的加工 修饰－小分子核仁RNA(snoRNAs)是长度为150bp的RNA，它可以与某些蛋白质组成小分子核仁核糖核蛋白（snoRNPs），做为引导RNA（guide RNA） 参与RNA的编辑加工过程。null核糖体亚单位的组装核糖体亚单位的组装rRNA前体的加工过程是以核蛋白而不是游离rRNA的方式进行的； 核糖体大小亚基的成熟时间不一致； 加工下来的蛋白质和小的RNA存留在核仁中,可能起着催化核糖体构建的作用； 核糖体的成熟作用只发生在转移到细胞质以后, 从而阻止有功能的核糖体与核内加工不完全的hnRNA分子接近； 核仁的另一个功能涉及mRNA的输出与降解。 三、核仁周期三、核仁周期核仁是一种高度动态的结构 核仁的动态变化是rDNA转录和细胞周期依赖性的。nullnullnullnull未经处理的染色质自然结构为30nm的纤丝 经盐溶液处理后解聚的染色质呈现10nm串珠状结构nullnull 两种关于染色体高级结构的组织模型，前者强调螺旋化，后者强调环化与折叠，也许在不同的组装阶段这些机制共同起作用。nullnullnull图解多线染色体上的带和间带的形成 多线染色体胀泡形成示意图 nullnull