细胞生物学-9间期细胞核和染色体.ppt

间期细胞核,真核细胞:均具有细胞核，失去细胞核后，很快就要死亡。 少数细胞:无细胞核的状态下可以继续进行生命活动。如哺乳动物的成熟红细胞；植物韧皮部的筛管(营养输导细胞)。 一个细胞只有一个细胞核。 特殊的细胞:同时含多个核。如:白细胞中多核细胞，可含有多个核。,结构：核膜、核仁、染色质（染色体） 和核基质 功能：遗传信息储存、复制和转录的场所； 细胞功能、代谢、生长等的 控制中心。,细胞核的形态结构,一、核被膜与核孔复合体 （一）核被膜 内外两层平行膜 膜厚:7.5nm。 胞质侧核膜(核外膜):胞质面上附有大量核糖体颗粒,常与粗面内质网相连。 核质侧核膜（核内膜）：表面光滑，含有一些特异性的蛋白质，如核纤层蛋白B受体。 核膜间隙：内外层核膜之间，20-40nm 与粗面内质网腔相通,内、外核被膜在一定部位相互融合，形成一些环形开口，为核孔。 核孔规则排列 核孔：由100多种蛋白质分子构成 相对分子质量：0.5x105 1x105kDa 结构复杂 称核孔复合体(nuclear complex) 孔膜区：靠近核孔处的核膜在化学组成上与其他处的核膜不同 特征性蛋白：跨膜糖蛋白gp210。,（二)核孔复合体 胞质与核质之间物质运输的通道，普遍存在 直径80-120nm，其中间通道大小9X15nm 数量随细胞种类、生理状态改变。 与基因的转录活性有关：旺盛时数量增加；转录低时数量减少,1核孔复合体的结构 大小和组成复杂，分离纯化困难， 形态结构至今没有一个统一模型 1974年Franke、Boberts等提出核孔复合体模型以来，先后出现多种模型，著名的有： 纤丝模型(Franke and Scheer 1974) 滴漏样模型(HRis，1991) 圆柱模型(Akey，C. W.， 1993) 其中，1974年Franke和Scheer所提出的纤丝模型广为引用。,纤丝模型 核孔复合体由核孔和孔环构成的复合丝状结构，在核膜上非随机分布，穿越双层核膜形成通道。 核孔中心：一颗粒状或棒状的中央颗粒，称为中央栓(central plug)。 核孔的内、外膜开口的边缘上均有环状物质存在，称为环带。环带为非匀质结构，核孔的内、外开口处均有一个由8个直径为10-25nm的环状颗粒。 每个环带的环状颗粒上还分别向核质与胞质中伸出丝状物。胞质环向胞质中伸出的丝状物短而卷曲；核质环向核质中伸出的丝状物长而直。,核孔复合体主要由蛋白质组成，50100多种 核孔蛋白：常含有以二肽(FG)结尾的重复区段，可能是与转运受体发生相互作用的位点； 已识别两类核孔蛋白：gp210和一组O-连接的糖蛋白。 Gp210：跨膜N-连接糖蛋白，具有信号肽和两个疏水性序列，作用：将核孔复合体铆连到核膜上，稳定核孔复合体。 O-连接的糖蛋白：8-10种，作用：可能构成胞质和核质的丝状物，直接参与胞质和核质之间的物质交换。,2核孔复合体的功能 核质与胞质之间进行物质交换的通道 运输具有双向选择性 主要：被动运输(自由扩散)和主动运输 核孔复合体通道：充满液体的柱状通道， 只允许离子和水溶性小分子自由扩散,严格的双向选择性，均是载体介导的过程。 对被运输物质大小上加以限制：核孔在主动运输中的功能直径是可以调节的； 核孔的主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗ATP来提供能量； 具有运进核和运出核的双向性，如DNA聚合酶、RNA聚合酶、组蛋白和核糖体蛋白等物质的运进，RNA和核糖体亚单位等物质的运出。,(1)核蛋白的运进 核蛋白均含有一段特殊的氨基酸序列，称为核输入信号(nuclear import signal) 4-8个氨基酸构成的一个短肽，富含带正电的氨基酸 NLS与信号肽区别：定位在亲核蛋白的不同部位，进入核后也不被切除。 已鉴定出多种不同核输入信号，没有共同的特征性序列,(2)RNA和核糖体亚单位的运出 选择性受体介导的主动运输过程 选择性表现在: RNA只有转录后加工成熟后才能被运出 成熟小胞质RNA （scRNP） 运出需要特异性信号 成熟mRNA和scRNA的运出需要依赖于其5-端的m7G帽 成熟rRNA在核内变成核糖体亚单位，以RNP的形式依赖于受体介导被运出细胞核 核糖体亚单位较大(直径15nm)，运出机理不清。,(三)核纤层,内层核膜内表面、中间纤维相互交织而成，高电子密度的蛋白质网络结构 核纤层在内层核膜和染色质之间形成一层网络状结构。 三种多肽：核纤层蛋白(lamins)A、B和C 近核膜侧：B与内层核膜中的特定受体结合，其受体蛋白为内层核膜中的整合膜蛋白，分布在核孔复合体的附近，以一定部位与核孔复合体的核质环相连； 近染色质侧：核纤层蛋白A和C可与染色质上的特殊位点相结合，为染色质提供附着位点。,核纤层的功能： 维持核孔的位置和核被膜的形状 为间期染色质提供附着位点，是染色质的结构支架。 在有丝分裂过程中，核纤层还与核被膜的解体和重建有关。在分裂前期末，核纤层蛋白被磷酸化，核纤层解体，进而使核被膜发生解体；而在分裂末期，核纤层蛋白去磷酸化，重新组装成核纤层，导致核被膜的重建。,间期核中，染色质两种状态： 伸展开的呈电子透亮状态，为常染色质； 卷曲凝缩的，为异染色质。 染色质和染色体是遗传物质在细胞周期不同阶段的存在形式，二者的化学组成没有多大差异。 染色质：间期细胞，网状不规则， 有利于复制和表达 染色体：细胞分裂过程中，棒状结构， 利于平均分配,二、染色质和染色体的分子结构,（一）染色质的分子结构 1. 染色质的基本结构单位核小体 R. Kornberg于1974年提出染色质结构的念珠模型。 染色质的基本结构单位：核小体 200bpDNA、5种组蛋白 核心：4种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4） 各2个分子成8聚体核心颗粒； 约140bpDNA缠绕1.75圈； 直径11nm，圆盘形 相邻核小体：H1组蛋白结合60bp连接DNA H1锁住DNA分子进出口，稳定结构,由核小体重复单位靠拢排列组成10nm粗的核小体丝，即染色质丝。 核小体核心颗粒的DNA分子双螺旋同4种组蛋白有一定的相互作用部位，只有H3和H4才能同DNA结合成类似的核小体; 只有H2AH2B则形不成核小体颗粒。 核小体的核心较稳定，而连接区易被核酸酶所消化。连接区具有柔性，为染色质丝的进一步折曲提供了方便。 各种组织的核小体核心部分的DNA长度很恒定；连接区的DNA长度各个物种有所不同，所以不同细胞中，每一个核小体DNA基本单元长度有差异。,DNA的复制和RNA的转录均涉及核小体结构的变化。 DNA复制时，要发生核小体的局部解体和组蛋白八聚体的全保留式组装(即新旧组蛋白不相互混合)。 离子强度的变化对染色质纤维的结构有明显的影响。 低离子强度(1molL)，染色质展开成l0nm核小体丝，为一串松散的核小体。 随着离子强度的升高。H1组白分子间的相互作用面积增大，核小体丝逐渐折屈成锯齿形，进而卷曲成螺旋管，即30nm染色质粗纤维。螺旋管的每圈由6-8个核小体围成H1组蛋白位于螺旋管腔的内表面。 去掉H1组蛋白，核小体丝不能卷曲成30nm纤维。,2、常、异染色质的区别,2. 常染色质与异染色质 一条染色体：有常染色质区段， 也有异染色质区段 异染色质分两种类型 结构异染色质： 各种细胞中总处于凝缩状态 高度重复序列、不转录 染色体着丝粒、端粒 功能：染色体结构形成及染色体配对,兼性异染色质： 某些细胞或发育阶段呈浓缩状态 如：哺乳动物的X染色体 雄性动物：1个染色体，完全是常染色质 雌性动物：2个X染色体， 1个是常染色质， 另1个在胚胎发育到一定时间 (人为第16天)变为凝缩的异染色质 所以，间期核中有1个X染色体呈现为浓染小体，位于核周缘，称X染色质（巴氏小体）,(二)中期染色体的结构 在细胞周期的大部分时间内，遗传物质是以染色质的形式存在的。 在整个细胞周期中，染色体进行着凝缩和松展的周期性变化。 在细胞有丝分裂的中期，形成高度凝缩的染色体。在中期具有特定形态结构的染色体称为中期染色体。,染色质一级结构： 核小体连接而成，形似一串念珠 染色质二级结构：螺线管，外经30nm 核小体串珠链螺旋盘绕，每圈6个核小体 螺线管到染色体：观点不同 染色体“袢环”模型 Laemmli提出 染色体支架：非组蛋白构成的纤维网架 袢环：螺线管一端与支架结合 另一端向周围呈环状迂回后再回到结合处 含315个核小体 微带：18个袢环呈放射平面排列 微带沿染色体纵轴建成染色体,染色体是由30nm粗纤维经过几级卷曲而成。30nm粗纤维的进一步卷曲，需有结构非组蛋白参加，形成支架。 去掉组蛋白的染色体周围布满了松展开的裸露DNA丝。由非组蛋白构成的支架仍保持着染色体的基本轮廓，特称为染色体骨架。 染色体骨架是染色体中真实存在的结构，为核骨架的成员之一。中期染色体含有2个骨架，每个染色单体占有1个骨架。展开的DNA丝为长25um (75 000bp)袢，袢的两端连接到骨架上相靠近的部位。,2. 中期染色体的分子结构 中期染色体上有高度分化的区域，比较细的区域称为缢痕(constriction)，着丝粒处的缢痕称为主缢痕。 除了着丝粒处的主缢痕外，其他处的缢痕均称为次缢痕。 有的染色体在一末端附近有一次缢痕，是核仁组织区(nucleolus-organizing region，NOR)所在部位，这种具有核仁组织区的染色体称为核仁组织染色体。,染色体由着丝粒划分为两部分，即两个臂。染色体组中各对染色体的着丝粒位置不同，故各染色体两臂的长度不同。 根据着丝粒的位置不同，将染色体分为四种： (1)中央着丝粒染色体 (2)亚中央着丝粒染色体 (3)近端着丝粒染色体 (4)端着丝粒染色体,染色体代表性结构： (1)着丝粒(centromere)： 有丝分裂时纺锤丝附着的部位。着丝粒处的染色体较细，称为主缢痕。着丝粒是染色体的一个组成部分， 电镜下可以看到，纺锤丝并不直接和着丝粒相连，而是连接在着丝粒一侧的一个盘状蛋白质结构上，这一结构称为动粒(kinetochore)。 动粒在电镜切片上呈三层式结构，中间层密度小，而两侧两层密度大。内层同着丝粒紧密相连，每一动粒上可连接有440条微管，外层连有纺锤丝微管。绝大部分染色体微管连接于动粒的外层。,动粒和着丝粒无论是在空间位置，还是在结构和功能上均具有密不可分的关系。Plata(1990)将哺乳动物细胞中染色体的主缢痕区域称为着丝粒-动粒复合体，并提出了着丝粒动粒复合体的结构模型，将其分为动粒结构域、中心结构域和配对结构域三个结构域(图1228)。 用抗微管蛋白抗体显示，动粒中也含有微管蛋白，动粒具有微管组织中心的作用，当把中期染色体分离出来，同微管蛋白溶液(适当缓冲液)一起培育时，所有染色体的动粒上均重组成微管。,(2)端粒(telomere) 端粒为染色体端部的特化部分，位于染色体的端部，由端粒DNA与端粒蛋白构成，功能与维持染色体的稳定性、保证DNA的完全复制和染色体在核内的分布有关。 在同源染色体配对时，端粒能结合在核膜上；端粒长时，细胞能分裂和存活；端粒短时，细胞不能分裂甚至不能存活。这与端粒酶的表达与否有关。,(3)次缢痕(secondary constriction) 除着丝粒区主缢痕以外的其他缢痕。由于此部分DNA发生松解，故而变细。每种生物的染色体组中至少有一条或一对染色体有次缢痕，可作为鉴定某条染色体的标志。有些次缢痕可形成核仁组织区。,(4)核仁组织区(nucleolus-organizing region, NOR)：核仁组织区位于染色体次缢痕部位(并非所有的次缢痕都是NOR)，此处伸出DNA袢环(含有rRNA的基因，可活跃合成18S 、5.8s和28S rRNA rRNA ，与核仁的形成有关。 (5)随体(satellite)：指染色体末端部分的球形或圆柱形的片段结构，通过次缢痕与染色体的主要部分相连。为识别染色体的重要特征之一。其中，端随体位于染色体末端；中间随体位于两个次缢痕之间。,3染色体的关键序列 染色体要确保在细胞世代中保持稳定， 必须具有自主复制、保证复制完整性、能够平均分配到2个子细胞中的能力， 即必须要具有能发挥这些能力的结构序列。,(1)自主复制DNA序列,20世纪70年代末首次在酵母DNA序列中发现。 都具有一段11-14bp、富含AT的高度保守序列。 这段序列及其上游和下游约200bp 的区段均对自主复制序列的功能是必需的。 自主复制DNA序列具有一复制起点，能确保染色体在细胞周期中能够自我复制，从而保证染色体在世代传递中具有稳定性和连续性。,(2)着丝粒DNA序列 着丝粒DNA序列与染色体的分离有关。 通过对不同来源着丝粒DNA序列的分析，发现它们均含有2个紧密相连的核心区： 一个是80-90bp的AT区，另一个是11bp的保守区。 利用着丝粒DNA序列的缺失损伤或插入突变实验发现，一旦改变这两个核心区中的序列，着丝粒DNA序列便会丧失其生物学功能。 着丝粒DNA序列能确保染色体在细胞分裂时能被平均分配到2个子细胞中去。,(3)端粒DNA序列 一段短的正向重复序列，在四膜虫中，为一段重复20-70次的3-GGGGTT-5序列。 功能：保证染色体的独立性和遗传稳定性。 末端DNA的复制，由端粒酶(telomerase)来负责。 端粒酶：一种RNP分子，由RNA和蛋白质构成，具有反转录酶的功能。 催化合成端粒DNA的机制是：端粒酶沿后随链以3-OH为引物，合成端粒DNA重复序列。然后，新合成的端粒DNA重复序列折回成袢，再以T2G4为模板合成DNA，以保证DNA的完全复制。,4. 特殊染色体 多线染色体和灯刷染色体两类。 (1)多线染色体： 双翅目昆虫(如果蝇)幼虫的唾腺细胞等，以及植物的胚珠细胞； 细胞永远处于间期阶段，不再进行有丝分裂。 在幼虫发育期间，染色体要进行4-15次复制，复制后新、老链不分离，因而一个染色体中有24215条DNA分子，这种现象称为核内有丝分裂。这种只复制不分离的巨大染色体就称为多线染色体。,多线染色体比一般染色体粗得多。由于多线染色体中平行排列的染色质纤维各段凝缩紧密程度不同，因而呈现出横行带纹现象，有的带可含多个基因。 多线染色体的带可保持静息状态，但有的带发生蓬松现象，出现蓬突。有一些大的蓬突命名为巴氏环。 多线染色体出现的蓬突是基因活动区，是正在进行转录的表现。转录的产物绝大部分是mRNA。 多线染色体的某些蓬突中也能掺入3H-胸腺嘧啶核苷，说明这些区段进行DNA外复制，是一种基因扩增现象。,(2)灯刷染色体(lampbrush chromosome) 动物卵母细胞在双线期中普遍发生，染色体伸出大量侧环的现象。 染色体外形类似于灯刷(或试管刷) 。两栖类动物的灯刷染色体十分明显，而且很长。 灯刷染色体出现于减数分裂的双线期，为二价体，两条同源染色体通过几处交叉而相连。,灯刷染色体的每一同源染色体轴表现为由1行颗粒组成，这种颗粒称为染色粒。 染色粒是染色单体紧密折叠的区域，为不进行转录的片段，侧环是进行转录的区段。侧环部分的DNA约占DNA总量的5。 侧环均成对存在，染色体中的两个侧环染色单体在各个对应部位都各松展出1个侧环。 每条染色体上可伸出5,000-10,000个侧环。,侧环是由DNA分子外被以基质所组成，基质的成分是RNA和蛋白质。 每1个侧环是1个转录单位。侧环两端粗细不等，由细端逐渐向另一端增粗。 侧环上伸出的不同长度核糖核蛋白丝是DNA轴的转录产物。转录的RNA为mRNA前体物，供卵细胞生长和胚胎时期发育之用。 由于转录活动是由侧环一端开始，向着另一端进行，而且转录出的RNA链与DNA主轴垂直，因此随着DNA链的不断延长而使侧环加粗，呈现为雪松形。,三、核仁 1个或几个浓密的球形小体，称为核仁(nucleolus)。 生理活动旺盛的细胞，核仁大；不太活动的细胞，核仁就小。 电镜下：核仁无膜包围，由四部分组成，即颗粒区、原纤维区、核仁染色质和基质。颗粒区和原纤维区最明显。 核仁4种成分的比例随细胞的生理活动而有所变化，细胞代谢旺盛时，颗粒区明显，反映出正在活跃地合成核糖体亚单位的状态。,颗粒区往往位于核仁的边缘部分，由直径约15-20nm的颗粒(略小于核糖体)所组成。颗粒系处于不同成熟程度的核糖体亚单位体。 原纤维区是由直径约为5-10nm的原纤维所组成。用核糖核酸酶和蛋白质水解酶处理超薄切片，即显示出颗粒区和原纤维区显著减小，这说明此两种成分的性质为核糖核蛋白。 核仁成分是悬浮在无结构的蛋白质溶液中，此溶液即为核仁基质。,核仁染色质包括两部分： 核仁周边染色质：核仁周边 核仁内染色质：核仁内，rDNA rDNA含有为核糖体RNA(rRNA)编码的基因，核仁组织染色体中含有核糖体RNA基因，具有组织形成核仁的能力的染色质区称为核仁组织区(nucleolar organizing region，NOR)。,核仁的功能： 转录rRNA和组装核糖体亚单位 核仁的原纤维区纤维状物质：新合成的rRNA结合蛋白质所组成的核糖核蛋白(RNP)。RNP进一步装配成核仁颗粒，即成熟程度不同