第十一章 细胞核与染色体

null第十一章 细胞核(nucleus)与 染色体(chromosome) 第十一章 细胞核(nucleus)与 染色体(chromosome) null一、主要内容 1． 核被膜 2． 核孔复合物的运输作用 3． 分子伴侣 4． 染色质 5． 染色体 6． 核仁 7． 核基质null ●细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是细胞遗传与代谢的调控信息中心。null●典型的真核生物细胞核的结构由 五个主要组成部分： 核被膜(nuclear envelope)与核孔复合体(NPC） DNA纤维：染色质（chromatin）或染色体 核质(nucleoplasm) 核仁(nucleolus) 核基质(nuclear matrix)null 间期的细胞核的形态结构 11.1 核被膜与核孔复合体11.1 核被膜与核孔复合体●核被膜 ●核孔复合体 （nuclear pore complex,NPC） 11.1 核被膜11.1 核被膜●结构组成 ●核被膜的功能 结构组成结构组成 ◆外核膜（outer nuclear membrane） 内核膜（inner nuclear membrane） ◆核纤层（nuclear lamina） ◆核周间隙（perinuclear space） 或核周腔 核孔复合物 null核被膜的结构 核被膜的功能核被膜的功能基因表达的时空间隔 构成核、质之间的天然选择性屏障 染色体的定位和酶分子的支架11.2 核孔复合物 （nuclear pore complex,NPC）11.2 核孔复合物 （nuclear pore complex,NPC）●结构模型 ●核孔运输的一般特点 ●核孔运输的信号引导 ●核蛋白、核定位信号、输入输出蛋白 ●核运输系统结构模型结构模型 胞质环（cytoplasmic ring）：外环 核质环（nuclear ring）：内环 辐（spoke） 中央运输蛋白nullnullnullnull核孔运输的一般特点核孔运输的一般特点核孔复合物的主要功能就是进行物质运输。null核孔运输作用的一般特点 核孔复合物作为运输通道既有被动运输,又有主动运输。 被动运输是通过简单扩散； 主动运输是一个信号识别与载体介导的过程, 需要ATP, 并表现出饱和动力学特征。 具有选择性,而且具有双向性。null 核孔运输的信号指导 RNA聚合酶Ⅱ指导下合成的RNA(mRNA和snRNA)： 当其5‘端具有m7 GpppG帽子结构时, 即被定位于细胞质； 没有帽子结构的snRNA则定位在细胞核。 亲核蛋白与核定位信号亲核蛋白与核定位信号核蛋白（nuclear protein） 概念：指在细胞质中合成, 然后运输到核内起作用的一类蛋白质。null 核定位信号 (nuclear localization signal, NLS) 核定位信号是另一种形式的信号肽, 这种信号肽序列可以位于多肽序列的任何部分。一般含有 4～8个氨基酸, 且没有专一性, 作用是帮助亲核蛋白进入细胞核。nullnull①由含水的核孔通道来鉴别; ②入核信号是蛋白质的永久性部分,在引导入核过程中,并不被切除, 可以反复使用, 有利于细胞分裂后核蛋白重新入核。 ● 入核信号与导肽的区别在于:null几种核定位信号的结构 null 核运输系统(nuclear-transport system)■ 输入蛋白(importin) 仅有核定位信号的蛋白质自身不能通过核孔复合物, 它必须在水溶性的NLS受体的帮助下才可进入核孔复合物, 这种受体称为输入蛋白, 分布在胞质溶胶。null■ 输出蛋白(exportin) 存在于细胞核中识别并与输出信号结合的蛋白质, 帮助核内物质通过核孔复合物输出到细胞质, 而后快速通过核孔回到细胞核中。null核输入模型转录产物RNA的核输出转录产物RNA的核输出转录后的RNA通常需加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。 mRNA的出核转运过程是有极性的，其5’端在前，3’端在后。 核输出信号 (Nuclear Export Signal，NES)null核输出模型null11.3 分子伴侣自 学11.4 染 色 质 11.4 染 色 质 ●染色质的概念及化学组成 ●染色质的基本结构单位—核小体(nucleosome) ●染色质包装的结构模型 ●常染色质和异染色质 11.4.1染色质的概念及化学组成11.4.1染色质的概念及化学组成●染色质概念 ●染色质DNA 染色质蛋白质 染色质和染色体概念染色质和染色体概念 ◆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。 null◆染色体(chromosome): 指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中, 由染色质聚缩 而成的棒状结构。 染色质和染色体的区别： 染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构 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,构象不同。染色质DNA染色质DNADNA的三种构型 DNA序列的复杂性 DNA结构稳定遗传的功能序列DNA的三种构型DNA的三种构型三种构型DNA： B型DNA：右手双螺旋DNA A型DNA：右手双螺旋DNA Z型DNA：左手双螺旋DNA 三种构型DNA的主要特征 DNA构型的生物学意义 nullDNA构型的生物学意义 DNA构型的生物学意义 沟（特别是大沟）的特征在遗传信息表达过程中起关键作用 沟的宽窄及深浅影响调控蛋白对DNA信息的识别 DNA序列的复杂性DNA序列的复杂性单一序列(unique sequence)： 又称非重复序列, 在一个基因组中一般只有一个拷贝。 重复序列(repetitive sequence) 拷贝数在10个以上的序列称为重复序列。null中度重复DNA序列 重复次数在102 ～105 之间; 高度重复DNA序列 重复次数在105 以上。 卫星DNA（satellite DNA）: 是高度重复序列中AT含量很高的简单的高度重复序列。 重复序列nullDNA结构稳定遗传的功能序列 DNA是遗传物质,它的稳定遗传依赖于复制和分离的准确性。 在染色体上必须具有三个功能单位, 即: 自主复制序列（ARS）; 着丝粒序列（CEN); 端粒序列 (TEL) null染色体稳定遗传的三种功能序列 null●ARS 序列(autonomous replicating sequence) 即自主复制序列, 又叫复制起点序列(replication origin sequence)。 ● CEN 序列(centromeric sequence) 即着丝粒序列，功能是形成着丝粒，均等分配两个子代染色单体。 ● 端粒顺序(telomeric sequence，TEL) 是线性染色体两端的特殊序列，功能是保持线性染色体的稳定，即不环化、不粘合、不被降解。null端粒酶介导的端粒合成 null酵母人工染色体的构建 11.4.2 组蛋白(histone)11.4.2 组蛋白(histone)H1 H2A H2B H3 H4null 五种主要类型的组蛋白 null核小体组蛋白(nucleosomal histone)：H2B、H2A、H3和H4,帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构 特点： 基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，可以和酸性的DNA紧密结合； 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。11.4.3非组蛋白11.4.3非组蛋白非组蛋白是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质。 非组蛋白不仅包括以DNA作为底物的酶，也包括作用于组蛋白的一些酶 非组蛋白特点非组蛋白具多样性和异质性； 对DNA具有识别特异性，又称序列特异性DNA结合蛋白 ； 识别与结合靠氢键和离子键,而非共价键 非组蛋白特点非组蛋白功能● 参与染色体的构建 ● 启动基因的复制 ● 调控基因的转录 非组蛋白功能null非组蛋白在染色体构建中的作用 非组蛋白的不同结构模式非组蛋白的不同结构模式锌指模式(Zinc finger motif) 螺旋-转角-螺旋模式(helix-turn-helix motif) 亮氨酸拉链模式(Leucine zipper motif，ZIP) 螺旋-环-螺旋结构模式(helix-loop-helix motif，HLH) nullnull反式作用因子和顺式作用元件11.4.4 常染色质和异染色质11.4.4 常染色质和异染色质常染色质(euchromatin) 异染色质(heterochromatin)： 常染色质(euchromatin)常染色质(euchromatin)◆概念：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(heterochromatin)异染色质(heterochromatin)◆概念：碱性染料染色时着色较深的染色质组分 ◆类型 结构性异染色质（或组成型异染色质） (constitutive heterochromatin) 兼性异染色质 ( facultative heterochromatin) nullnull11.4.5 染色质的基本结构——核小体1974年, 美国哈佛大学的Kornberg R. 提出:DNA和组蛋白组成重复的亚单位核小体。 nullnull核小体的结构特点 核小体是染色质的基本结构单位。 四种组蛋白各2分子组成八聚体的小圆盘，146个碱基对绕1.75圈。  H1与DNA结合, 锁住核小体DNA的进出口, 起稳定核小体结构的作用。 连接DNA (linker DNA)nullnullnullnull核小体转录的卷轴模型null核小体核心颗粒转录模型 11.5 染色体 11.5 染色体 ●染色体的包装 ●中期染色体的形态结构 ●核型与染色体分带 ●巨型染色体（giant chromosome） 11.5.1染色质包装的多级螺旋模型11.5.1染色质包装的多级螺旋模型 ◆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 null 染色质30nm螺线管装配模型 null从螺线管到超螺线管的包装null DNA经四级包装形成染色体 11.5.2中期染色体的形态结构11.5.2中期染色体的形态结构中期染色体的典型形态 类型 染色体的主要结构 nullnull中期染色体的形态结构 类型类型中着丝粒染色体 近中着丝粒染色体 近端着丝粒染色体 端着丝粒染色体null着丝粒在染色体中的不同位置染色体的主要结构染色体的主要结构◆着丝粒 ◆次缢痕 ◆核仁组织区 (nucleolar organizing region,NOR) ◆随体(satellite) ◆端粒着丝粒与动粒着丝粒与动粒11.5.3 核型与染色体分带11.5.3 核型与染色体分带 核型(karyotype) 是指染色体组在有丝分裂中期的表型, 包括染色体数目、大小、形态特征的总和。 染色体分带 null人的染色体核型nullnull常用的分带技术有以下几种: Q带(Q-banding) G带(Giemsa-banding) C带(C-banding) N带(N-banding) R-带(Reverse-banding) T-带(terminal-banding)。null人的染色体带型 11.5.4 巨型染色体11.5.4 巨型染色体多线染色体 （polytene chromosome） 灯刷染色体 （lampbrush chromosome） 多线染色体多线染色体 ◆分布：双翅目昆虫的幼虫组织细胞、某些植物细胞 ◆来源：核内有丝分裂 ◆带及间带 ◆胀泡是基因活跃转录的形态学标志。 null果蝇幼虫唾液腺多线染色体 null多线染色体的带与胀泡,(a) 带与间带;(b)胀泡灯刷染色体灯刷染色体◆分布：普遍存在于动物界的卵母细胞 ◆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。null 灯刷染色体的形态结构 11.6 核 仁(nucleolus) 11.6 核 仁(nucleolus) ●核仁的超微结构 ●核仁的功能 ●核仁周期 核仁的超微结构核仁的超微结构纤维中心(fibrillar centers,FC) 致密纤维组分 (dense fibrillar component,DFC) 颗粒组分(granular component,GC) null人成纤维细胞中核仁的电子显微镜照片 核仁的功能核仁的功能核仁是细胞合成核糖体的工厂, 涉及rRNA的转录加工和核糖体大小亚基的装配。 11.7 核基质(nuclear matrix)11.7 核基质(nuclear matrix)概念 化学组成 功能null概念 指用核酸酶和去垢剂处理细胞核所剩下的水不溶的纤维网络结构 。 广义包括核基质、核纤层以及染色体骨架。null核基质 null核基质的化学组成 核基质主要是由肌动蛋白和其他一些目前还不太了解的蛋白质组成。 null核基质的功能 ■ 染色体骨架(scaffold) ■ 核纤层蛋白的骨架作用 ■ DNA复制时的染色质附着位点null染色体支架 null核纤层蛋白及核纤层蛋白网络 null真核生物DNA通过在核骨架上的固定位点进行双向复制模型 null思考题：1. 核被膜的形成对细胞的生命活动具有什么意义? 2. 什么是非组蛋白?它有哪些特性和功能? 3. 简述染色体包装的四级压缩模型。 4. DNA结构稳定遗传的功能序列。