《细胞核整合》PPT课件.ppt

基因信息传递,细胞生物学教研室 方 瑾,转录,翻译,DNA,核苷酸顺序,RNA,蛋白质,氨基酸顺序,细胞核,DNA复制,RNA合成（转录）,蛋白质合成（翻译）,基因表达调控,细胞核的出现是细胞进化的重要标志，有无 细胞核是真核细胞与原核细胞的根本区别。 进化意义：,2.使基因表达的两步在不同的时间和空间进行,1.保护DNA，免受胞质机械运动影响,细 胞 核 The Cell Nucleus,(一）概述 双层膜结构 形状： 与细胞形态相适应 大小： 5-10 微米(10%) 数量： 通常一个 位置：通常位于细胞中央 只有处于间期的细胞中，才能观察到细胞核的完整结 构（核被膜、核仁、染色质、核基质）,一、细胞核的结构,（二）核被膜 nuclear envelop 化学成分： 蛋白质：20多种 酶类与内质网相似 脂类：与内质网种类相似，含量有差别,结构：外核膜 内核膜 核纤层 核周隙 核孔,1.外核膜： 面向胞质,与糙面内质网（rER）膜连续 有核糖体（Ri）附着 外表面分布有细胞骨架 - 中间纤维、微管 维持细胞核形态,2.内核膜： 面向核质，与外核膜平行 有特殊蛋白结合核纤层,3.核周隙 perinuclear space 内外核膜之间的腔隙，与rER连通 内外核膜之间的缓冲区,4.核孔(复合体) nuclear pore complex (1)概述 内外核膜融合产生的圆环状结构 细胞核内外物质转运的通道 代谢活跃细胞中数量多,哺乳动物细胞 30004000个/细胞,胞质面,核质面,(2) 结构组成 由多种蛋白颗粒组成 捕鱼笼模型 A 胞质环 面向胞质一侧的环形结构 对称分布有8条纤维，伸向胞质,B 核质环 面向核质一侧的环形结构 对称分布有8条纤维 末端形成小环 核篮,C 辐 由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称， 由三个结构域组成 柱状亚单位: 连接内、外环，起支撑作用,腔内亚单位 在内外核膜交汇处插入核周隙，锚定复合物,环状亚单位 靠近核孔复合体中心部分 8个颗粒成分环绕形成物质交换通道 D 中央栓 位于核孔复合体的中心,转录：聚合酶,蛋白合成：mRNA tRNA rRNA （6/min）Ri,（3）功能 转运各种物质进出细胞核,复制：DNA+Hp，酶 （106/3min）,水溶性通道 直径 9nm 长15nm 分子量5000 以下的分子可自由转运（被动自由扩散） 水、离子、单糖、核苷酸 大分子通过主动转运过程完成运输 蛋白质、RNA 选择性： 孔径大小可调 信号识别，消耗能量 双向性,A 亲核蛋白的核输入,被转运成分 核定位信号 NLS ： 4-8 碱性氨基酸序列 指导亲核蛋白入核 入核后不被切除,输入蛋白受体 输入蛋白 importin 定位: 细胞质基质 功能: 结合 核孔复合体 被转运成分 RanGTP：为转运提供能量,B RNA和核糖体亚基的核输出 识别受体：输出蛋白 exportin,5.核纤层 nuclear lamina (1)结构 内核膜内表面一层纤维状的蛋白网,外表面与内核膜的特殊部位结合 内表面与染色质的特殊位点结合,(2)分子组成 核纤层蛋白 A，B，C （中间纤维蛋白） (3)功能 A 在细胞核中起支架作用 处理后保留 与核骨架及中间纤维相连 B 通过磷酸化和去磷酸化参与核膜的崩解和 重建,C 与染色质凝集有关 间期：染色质与核纤层结合，染色质不能螺旋化 分裂期：染色质与核纤层蛋白解离，染色质凝集 D 参与DNA复制,6.核被膜功能 (1)为基因表达提供时空屏障 区域化功能分区 (2)核内外物质转运 (3)生物大分子合成,(三)染色质和染色体（chromatin，chromosome） 染色质是间期细胞核中由DNA和组蛋白构成的能被碱性染 料着色的物质 染色体是高度螺旋化的染色质 染色质和染色体是相同物质在细胞周期不同时相的不同 表现形式 核酸（DNA，少量RNA） 蛋白质（组蛋白，非组蛋白）,（1）染色体 DNA 一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信 息叫做一个基因组,1.染色体（质）的组成,人类基因组计划,Human Genome Project, HGP,1986年由美国生物学家杜伯克首次提出 1990年10月美国投资30亿美元启动计划,预计15年完成 主要内容 1.用5-10年的时间绘制23对染色体的图谱 2.用15年时间测定所有染色体的DNA序列 国际化研究项目 美国、英国、日本、法国、德国,1993 我国启动“中华民族基因组中若干位点基因 结构的研究”项目 1997 我国启动“重大疾病相关基因的定位、克隆、 结构与功能研究”项目 1999.7 我国注册承担人类基因组1%测序任务 2000.3 我国科学家完成3号染色体测序 2000.6 美国、英国宣布人类基因组草图完成 2001.2 SCIENCE、NATURE杂志正式发表 人类基因组工作框架图,2003.4.14 美国联邦国家人类基因组研究项目负责人 弗朗西斯柯林斯博士在华盛顿宣布，六国 科学家经过年努力共同绘制完成了人 类基因组序列图，人类基因组计划的所有 目标全部实现。,人类基因组是全人类的共同财富。国内外专家普遍认 为，基因组序列图首次在分子层面上为人类提供了一 份生命“说明书”，不仅奠定了人类认识自我的基石，推动了生命与医学科学的革命性进展，而且为全人类的健康带来了福音。,主要应用 疾病诊断、预测及治疗 疾病易感性的研究 癌症研究 基础研究 基因结构与功能的研究 新技术的开发 后续研究 功能基因组学 蛋白质组学 比较基因组学,染色质DNA序列 单一序列（unique sequence) 基因组中只有单一拷贝或几个拷贝 一般为具有编码功能的基因 重复序列 （repetitive sequence) 中度重复序列 重复次数101-105 非编码序列：基因调控 编码序列：rRNA,tRNA,组蛋白,核糖体蛋白 高度重复序列 重复次数 105， 非编码，维系染色体结构 - 端粒、着丝粒,功能性染色体 A 能够进行自我复制 复制源（replication origin）(多个) B 分裂时两拷贝分离 着丝粒（centromere）(1个) C 维持自身在传代中的完整 端粒（telomere） (2个),A 组蛋白 特性：碱性蛋白，带正电荷 分类：核小体组蛋白 H2A H2B H3 H4 102-135 aa 无种属和组织特异性 连接组蛋白 H1 215 aa 与染色体高级结构有关 (连接核小体) 有种属和组织特异性,（2）染色体蛋白 组蛋白（histone）：染色质的基本结构蛋白 非组蛋白,S期合成 与DNA结合，抑制复制、转录 组蛋白修饰影响染色质活性 磷酸化/乙酰化：激活 甲基化：抑制,B 非组蛋白 特性：酸性蛋白，带负电荷 有种属和组织特异性 识别特异的DNA序列 功能：多功能性 作为结构蛋白 参与基因表达调控,2.常染色质和异染色质 (enchromatin,heterochromatin) 异染色质 常染色质 碱性染料 着色深 着色浅 形态 螺旋化程度高 螺旋化程度低 卷曲成粗大颗粒 解旋的细纤维丝 序列特性 高度重复序列 单一序列、中度重复 功能 转录不活跃 转录活跃 部位 核被膜内表面 核中央,3.染色体的组装 一条染色体包含一个DNA分子，平均长度5cm 人体细胞含DNA 3109 bp （1个基因组） 分布在24条染色体上（单倍体） 细胞核平均直径 5m,(1)染色质一级结构-核小体 （nucleosome） 染色体的基本结构单位,组蛋白核心,H2A、H2B、H3、H4 构成圆盘状颗粒,核小体,组蛋白核心 DNA 146bp 60bp linker,（2）染色质二级结构 螺线管 在H1参与下完成 H1是螺线管形成和稳定的关键因素,马鞭草提取物诱导肿瘤细胞凋亡 （引自课题组相关工作）,（3）染色单体,骨架-放射环模型,多级螺旋模型,核小体 30nm染色质纤维 袢环 （18个袢环形成微带，106微带） 染色单体,一级结构 710 二级结构 螺线管 6 三级结构 超螺线管 40 四级结构 染色单体 45,4.中期染色体形态特征 由姐妹染色单体构成,着丝粒处相连,(1)着丝粒 姐妹染色单体的连接部位 (2)主缢痕 primary constriction 着丝粒存在部位向内的凹陷,(3)动粒 kinetochore 着丝粒两侧由蛋白质构成的特化部位,动粒域：连接微管 中心域：着丝粒区主体 配对域：染色单体相互作用,(4)次缢痕 secondary constriction 部分染色体上存在的着色较浅的缢痕 可作为染色体鉴定标志,(4)随体 satellite 部分染色体上存在的末端球形结构 通过次缢痕与染色体主体部分相连 核仁组织区,(5)端粒 保证染色体末端复制的完整性 保证染色体末端稳定,5.染色体核型 一个体细胞中的全部染色体，按大小、数目、形 态特征顺序排列所构成的图像,A-T G 带,G-C R 带,(四) 核仁 nucleolus 是真核细胞间期核中最明显的结构 光镜下为均质、无包膜的球形小体 成分：蛋白质、DNA、RNA 大小：蛋白合成旺盛的细胞中较大 数目：1-2,1.结构特点 (1)纤维中心 电镜下为浅染的低电子密度区域 所含主要成分为rDNA 核仁组织者：rDNA rRNA 核仁 （nucleolus organizer）,一个核仁组织者 由一个DNA袢环 组成，人类rRNA 基因位于5条不同 染色体上（13、 14、15、21、22） 的次缢痕部位,核仁变小,rRNA合成停止 核仁消失,rRNA合成重新开始,(2)致密纤维组分 是核仁内电子密度最高的区域 所含主要成分为正在转录的rRNA(+RNA结合蛋白) (3)颗粒组分 镜下呈致密的颗粒结构，在核仁中占比例最大 所含主要成分为核糖体前体颗粒（rRNA前体颗粒）,核仁基质：核仁中无定形的蛋白质液体,2.功能 (1)rRNA的合成和加工 rDNA的初级产物为45SrRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA,45SrRNA,(2)核糖体的装配 核糖体组成：蛋白质+rRNA 由胞质输入,(五)核基质 nuclear matrix （核骨架）,1.组成 间期核中，除染色质、核仁、核被膜以外的 精密的网架系统 2.成分 纤维蛋白、少量RNA 3.分类 核基质蛋白 (共有) 核基质结合蛋白（功能性） 与细胞类型、分化程度及病理、生理状态有关,4.功能,(1)参与DNA复制 DNA聚合酶结合位点 DNA复制起始点结合 新合成的DNA 结合提高复制效率,(2)参与基因转录和加工 A 参与RNA合成 RNA聚合酶结合位点 新合成RNA结合 转录活性基因结合位点 B 参与RNA加工,(3)参与染色体构建,(4)与细胞分化相关,二、细胞核的功能 1.储存遗传信息，完成遗传信息的传代 复制 2.RNA的合成 转录、加工,三、细胞核与疾病 1.细胞核形态结构异常与肿瘤 细胞核具有高核质比 形状异形性 核孔数量增加 核仁体积大，数目多 组蛋白磷酸化加强,2.染色体异常 数目异常： 结构异常： 染色体发生结构畸变的基础是断裂及断裂后 的重接 缺失、重复、倒位、易位,核被膜 外核膜 结构：与内质网膜连续,Ri 表面有骨架成分分布 功能：与蛋白合成有关 内核膜 核纤层 组成：核纤层蛋白 功能：支架、核膜崩解与重建、染色体凝集 DNA复制 核周隙 核孔 结构：核孔复合体-胞质环、核质环、辐 功能：核内外物质转运 小分子：自由扩散 大分子：主动运输 NLS、受体、RanGTP,染色体 染色体DNA 染色体序列（单一、重复） 复制源：DNA复制起始点 使染色体能够进行复制 着丝粒：姐妹染色单体连接部位 细胞分裂时使两拷贝分离 端 粒：染色体末端 保证DNA复制的完整性 染色体蛋白 组蛋白 H2A H2B H3 H4核小体 H1 染色体高级结构 非组蛋白 染色体组装：两个模型 中期染色体特点 染色质的种类：常染色质和异染色质的区别,核基质 结构组成： 功能：DNA复制、基因转录加工、染色体构建 核仁 结构：三