第八章细胞核与染色体.doc

第八章 细胞核与染色体Nucleus & chromosome 教学目的：1 、掌握细胞核的结构与功能2 、掌握染色体的结构与功能教学重点：1 核膜及核孔复合体2 、染色体的空间结构教学难点：核孔复合体与核仁的结构与功能讲授法一、形态、大小、数目、分布1形态 间期细胞核形态多样，一般为圆形或卵形。其形态与生物的种类、细胞的形状、细胞类型、发育时期以及机能状态有关。2大小 多数细胞核在530m。小的不到1m，大的可达500600m（苏铁科某植物的卵细胞核）。通常：低等生物14m高等动物510m高等植物520m3数目 通常一个细胞只有一个核，也有两个以上的多核现象及在某一发育时期的无核现象。4分布 细胞核多位于细胞中央，但也有各种不同情况，如上皮细胞的核偏于基底侧；横纹肌的细胞核靠近质膜；植物细胞成熟后若有较大液泡，核则被挤在一边。二、细胞核的结构在固定和染色的细胞中，可观察到细胞有下列结构：核被膜、染色质、核仁、核液（质）四部分。第一节 核被膜与核孔复合体一、核被膜（nuclear envelope）亦称核膜（nuclear membrane），由此使遗传物质DNA与细胞质分开。电镜下证实为双层单位膜呈同心性排列。除两膜之间有间隙外，膜上还有些特化结构。所以，认为核被膜含义深刻，包括内容多，并执行重要的生理功能。（一）核被膜结构1 外层核被膜（ONE）（外核膜） 膜厚6.57.5nm，相邻细胞质的一面常有核糖体附着，并有时与内质网（RER）相连，因此显得粗糙不平。2 内层核被膜（INE）（内核膜）：膜厚度基本同ONE，膜上无核糖体附着，显得比ONE平滑。但在其内表面常附有酸性蛋白质分子的聚合物组成的纤维网状结构（密电子物质），称纤维层（fibrous Lamina）或核纤层（nuclear lamina），又有内致密层之称。其厚度约在1020nm（30160nm），是位于细胞内核膜下的纤维蛋白或纤维蛋白网络。3 核周隙（perinuclear space）又有核围腔或核围池之称。指两膜之间的空隙，宽约2040nm（1050nm），内充满液态无定形物质（蛋白质、酶类、脂蛋白、分泌蛋白、组蛋白等），它是核质之间活跃的物质交换渠道（有些部位直接与ER或Golgi池相通）。4 核孔（nuclear pore）核膜并不完全连续，在许多部位，核膜内外两层常彼此融合，形成环状孔道，称为核孔，它们是核质之间的重要通道。（二）核被膜在细胞周期中的崩解与装配核膜在细胞周期的不同时期，有相应的变化方式。在S期：表面积有增大趋势；在间期：表现出周期性崩解（前期末）消失，重建（末期）过程。二、核孔（nuclear pore）现多称核孔复合体（nuclear pore complex）核孔直径通常在7080nm或更大（80120nm），70nm为常见，通道直径只有9nm。核孔数目在各细胞有所不同，一般占膜面积的8%。代谢旺盛，分化程度低，转录活动强的细胞，数目多，密度大。如两栖类处于灯刷染色体阶段和卵母细胞，密度可达3565/m2，总数达30106个，而同一个体（两栖类）的成熟红细胞密度只有3个/m2，总数只有150300个。（一）结构模型对核孔复合体结构的解释有：纤丝模型、捕鱼笼式模型、圆柱状模型等。1 纤丝模型（Franke & Scheer 1974） 在内外口边周有密电子的环状物质存在，称为环带，环带不是匀质的，其结构包括孔环颗粒（annular granules）：在内、外口周缘各排列有8个对称的、直径约1025nm的球状颗粒，即孔环颗粒。孔环颗粒本身是由微细粒子和纤丝相盘绕而成。纤丝可分别在核被膜的核质面和胞质面与细胞核、细胞质中的基质蛋白相连甚至可以伸出很多（2060nm）。中央颗粒（central granules）中央栓：在核孔中央有一粒状或棒状的颗粒，称中央颗粒，直径约530nm，并不充满整个核孔。中央颗粒有纤丝与孔环颗粒及周围孔壁相连，推测它与核孔的开闭有关。由于它具有核糖核蛋白体性质，在核质交换中起一定作用。所有人认为可能是由核内向胞质移动的核糖体前体一时附着于核孔，尚无定论。此外，还有辐（8个）、伸向核质，胞质的纤维等。2捕鱼笼式模型（滴漏样模型）：此模型从横向看，从周边到核孔中心依次为环、辐、栓。从纵向看，由核外到核内依次为胞质环、辐（+栓）、核质环（核蓝），以及与核篮相连的“caber”网络。胞质环，又称外环。核质环则称为内环，向内形成捕鱼笼式的核篮。辐由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称，进一步分为柱状亚单位、腔内亚单位和环带亚单位。栓（中央栓或中央颗粒）“transporter”。3 圆柱状模型（1992）。（二）化学成分 核孔蛋白（nucleoporin,Nup）（三）核被膜的主要功能1 屏障作用 核被膜为内膜系统的组成部分，是将DNA局限在细胞核的关键结构，使细胞功能区域化。2 核质间物质和信息的通道通过膜的物质运输：（1）部分离子、水分子、100道尔顿以下的小分子（单糖、双糖、核酸、组蛋白、RNA聚合酶、DNA聚合酶等）可以自由通过核膜；（2）有些大分子物质常以小泡形式排出核外（内膜局部先形成小泡，移向外膜，融合后排出，另外方式是物质先进入核周腔，然后经外膜外排或进入与核周腔相通的内质网腔。通过核孔复合体的物质运输：核孔复合体可看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，构成核质间双功能、双向选择性运输的通道，双功能分为被动运输和主动运输。双向性为介导入核和出核转运。被动扩散：功能直径约910nm，甚至12.5nm，允许离子、水溶性分子、代谢物小蛋白分子穿梭于核质之间，进行自由扩散和协助扩散。主动运输：对进出核的物质具高度选择性。表现在（1）对运输颗粒大小的选择，有效直径可调节；（2）是一个信号识别与载体介导的过程，需要ATP；（3）具有双向性。进核物质（核输入）：复制、转录、染色体构建、核糖体组装等所需因子及酶运至核内。亲核蛋白的核输入：此类蛋白质一般含有特殊的氨基酸信号序列，称为核定位信号（NLS），存在于亲核蛋白的功能区域，对蛋白质进入核起“定向”“定位”的作用，从而保证整个蛋白质通过核孔的核输入。NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，可以是连续的或不连续的，指导进入核后也不被切除。出核物质（核输出）：各种RNA、核糖体亚单位。RNA的核输出是一种具有高度选择性的信号指导的过程。例mRNA及U1snRNA的5端m7G帽子结构是二者核输出的关键，此现象称作帽结合活性。此外，RNA无论在核内还是核外，都是以RNA 蛋白质复合体形式存在，RNA的出核实际上是RNA-蛋白质的出核，蛋白质分子上可能有出和出核信号，称核输出信号（NES）。3 作为酶分子的支架核膜上富集大量酶系（约50种），以膜蛋白形式镶嵌在核膜的磷脂分子层中，彼此保持一定的间距和组合，使各种生化反应有序进行，并进行彼此间的正、负反馈调节。4 作为基因调控的阀门核膜可能参与DNA的合成及RNA前体的修饰。由于三种RNA分子要通过核孔进入 胞质，所以核孔的启闭和孔径的变化，能直接有效地调节转录信息的流量。5 在染色质（体）的定位及细胞分裂时发挥作用染色质的终未细丝常常连接在核孔上，这有助于解释为何非常复杂的染色质在异常活跃的细胞核内不致紊乱。6 具有某些生物合成之功能 核膜上附有核糖体，可进行蛋白质的合成。第二节 染色质（Chromatin）一、概念及化学组成（一）概念 1 染色质 这个概念最初是在1879（1882）年由Flemming提出的，其含义是指细胞核内易被碱性染料染色的物质。2染色体 1888年，Waldeyer提出。染色质在有丝分裂时高度螺旋化形成染色体，所以染色体是指在细胞分裂时，由染色质凝集而成的棒状结构。即由DNA、组蛋白、非组蛋白等所形成的特定形态结构。可见，染色质和染色体不存在成分上的差异，只是构型不同。它们是同一物质在细胞周期中不同阶段的运动形态。（二）化学组成通过分离的染色质生化分析与放射性同位素掺入的研究说明染色质的主要成份是DNA与组蛋白，同时还有非组蛋白和少量的RNA：1 染色质DNA是生物遗传信息的载体，是染色质的主要成分。真核细胞中每条染色单体只包装一条线性DNA分子，即一个DNA分子与染色体蛋白质等一起形成染色质纤维，经过多次螺旋卷曲，最后形成染色单体。一个DNA分子中有基因活性的区段只占10%左右。（1）三种DNA序列（一级结构的多样性）（1）高度重复的DNA（highly repetitive DNA）重复次数在数百万次（105以上），如小鼠随体DNA可达107，重复序列短，这种DNA不能转录，多分布在着丝粒区、端粒区及异染色质区。（2）中等重复DNA（middle repetitive DNA）重复次数在几十次几千次（10105），重复序列较长，这种DNA多数是不编码的，但有些区段能转录，多分布于次缢痕区。 （3）单一DNA（unique DNA）其顺序在基因组中只有一次或少数几个拷贝，多是结构基因顺序，能转录mRNA，是最终合成蛋白质的密码。（2）三种构型的DNA（二级结构的多型性）生物界物种的多样性寓于DNA分子4种核苷酸千变万化的不同排列之中。DNA一级结构具多样性；二级结构具有多型性。DNA二级结构具有多形性 2 染色质蛋白质（1）组蛋白：与DNA非特异性结合。这种蛋白质种类不多，都含有较多的碱性氨基酸，如精、赖氨酸，依所含这两种氨基酸的比率不同将组蛋白分为五类。（2）非组蛋白：指染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质，故又称序列特异性DNA结合蛋白。3 序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式序列特异性DNA结合蛋白，在与DNA结合时，其结构域可有以下几种不同的模式。（1）螺旋转角螺旋模式 （2）锌指模式 （3）亮氨酸拉链模式 （4）螺旋-环-螺旋结构模式 （5）HMG框结构模式三、染色质的基本结构单位核小体（一）实验证据1、用温和方法使核破碎，将染色质铺在钢网上在电镜下观察，间期染色质呈纤丝状结构，直径约在2030nm，称染色质粗纤维。2、进一步用盐溶液处理，则显示10nm串珠状结构，称染色质细纤维，实际上是由核小体串连成的丝状结构核小体丝。3、再用微球菌核酸酶消化10nm的染色质细纤维后进行电泳，则得到200个bp或其倍数的DNA片段。据此，Olins等提出了核小体结构模型。也曾称钮体（body）和核粒。其结构要点包括：（1）每个核小体包括200bp左右的DNA和一个组蛋白八聚体分子及一分子组蛋白H1；（2）H2A、H2B、H3、H42 组成球形组蛋白的八聚体；【H2AH2B(H3)2?(H4)2H2AH2B】（3）166bp的DNA（核心DNA）以左手方向盘绕八聚体2圈，不含H1时，为146个bp的DNA缠绕1.75周。（组蛋白H1和166bpDNA的核小体结构称为染色质小体）（4）H1锁封DNA进出口，附在八聚体上（5）34bp（080）左右DNA连接两核心结构连接区DNA（Linker DNA）Olins & Kornberg认为：多个核小体连接而成10nm的形似念珠的染色质丝（核小体丝）是染色质的一级结构。四、染色体包装的结构模型（一）多级螺旋模型1 螺线管（体）（粗纤维）（二级结构，间期存在形式）2超螺线体（管）（超粗纤维）（三级结构，是染色质在有丝分裂前期的存在形式）美人Bak（1977）观察到，由30nm的螺线体再进一步螺旋化，便形成一条直径为400nm（0.4m）的圆简状结构，即为超螺线体。3 染色（单）体（Chromosome）（四级结构，是染色质在有丝分裂中期的存在形式）由超螺线体再经折迭螺旋，形成长210m直径约2000nm（2m）的染色单体，由于在间期已经复制，故这时观察到的染色体，应包括两条染色单体。（二）染色体骨架一放射环模型主要解释30nm的螺线管如何进一步包装成染色体的。由Leammli等报道，认为：30nm螺旋管折叠成环，沿染色体纵轴由中央向四周伸出，构成放射环。纵轴的中央为非组蛋白构成的染色体骨架，由30nm的螺线管折叠形成的DNA侧环（18个）从骨架向四周伸出形成“微带”，大约106个微带纵向排列构成子染色体。五、常染色质和异染色质常染色质（euchromatin）：指间期核内染色质丝折叠压缩程序低，处于伸展状态，染色较浅的染色质。染色质丝折迭疏松，含有单一的或中等重复顺序的DNA，大多数能进行转录，（是具有活动功能的染色质）。但并非所以基因都具转录活性。其位置常远离核内膜。异染色质（heterochromatin）：指间期核中染色质丝折叠压缩程度高，处于凝集状态，染色较深的染色质，实际上是染色质丝未伸展开的部分，又称为染色中心和假核仁。这部分染色质很少转录，处于不活动状态，其位置近核被膜。（1）结构异染色质、组成型异染色质（constitutive heterochomatin）：又称恒定型异染色质，指在各种类型细胞，除复制时期以外的整个细胞周期都保持浓缩状态的染色质，最后复制。（2）兼性异染色质（Facultative heterochromatin）：又称功能型异染色质，指在某些细胞类型或一定发育时期和生理条件下，由原来的常染色质凝缩，并丧失基因活性变成的异染色质。第三节 染色体一、中期染色体的形态结构1染色单体 分裂中期由着丝粒相连在一起的，含一个DNA分子的一条棒状结构，互称为姐妹染色单体。2着丝粒（Centromere） 是主缢痕处中期两条染色单体相互联系在一起的特殊部位。也是两臂染色质连续的部分，是染色体上DNA高度重复的序列形成的染色质复合结构，属于染色体的正常组成成分。在中期染色体上，着丝粒染色很浅或不染色，包括三个结构域：（1）着丝点（动粒）结构域；（2）中央结构域；（3）配对结构域。2 着丝点（动粒）（Kinetochore） 是在主缢痕处两个染色单体的外侧表面部位的特殊结构，是附加上去的，它与纺锤丝微管接触，每条染色单体上有一个着丝点，多为盘状，故有着丝盘之称。依着丝粒在染色体上的位置，可将染色体划分为四类：染色体类型 臂指数 （q / p）中间着丝粒染色体（M） 1.01.69（1.01.67）亚中间着丝粒染色体（SM） 1.72.99（1.683.00）近端着丝粒染色体（ST） 3.06.99（3.017.00）端着丝粒染色体（T） 7.017.0，只有一条臂。4 染色体臂（arm） 由着丝粒将染色体分为两臂，短臂P和长臂q，臂比（指数）（arm ratio=q/p）5 次缢痕（付缢痕或次级缢痕secondary）是主缢痕以外的浅染内缢节段，不是所有染色体都有，具有次缢痕的染色体称核仁组织染色体。在次缢痕上、下两端的染色体片段仍保持成一直线，无角度差，以此与主缢痕区别。核仁组织区（NOR）：是rRNA基因（rDNA）存在部位，与间期形成核仁有关。6随体（satellite） 某些借助次缢痕相连的球形小体，但不是所有与次缢痕相连的部位都是随体。如人类第13，14，15，21，22对染色体有随体。带有随体的染色体称sat染色体。7 端粒（telomere） 指染色体两端部的特化结构，通常是由富含G的短串联重复序列DNA组成。具有极性，断裂的染色体在此处不能连接，而其他部位可以随机连接。其生物学作用在于维持染色体的完整性和个体性。二、染色体DNA的关键序列（功能元件）为确保染色体在细胞世代中的稳定性，起码应具备3个结构要素，被称为染色体DNA的关键序列。ARS 自主复制DNA序列DNA复制起点，保证自我复制；CEN 着丝粒DNA序列使两组子染色体平均分配到子细胞中去；TEL 端粒DNA序列保证染色体的独立性和稳定性。三、核型与染色体显带四、两种巨大染色体（giant chromorome）（一） 灯刷染色体（lampbrush chromosome）（二） 多线腺染色体（polyrene chromosome）第四节 核仁（Nucleoli，Nucleolus）核仁是真核细胞间期核中最显著的细胞器，在活细胞用普通光学显微镜便可看到，这是由于核仁的折光性强，与细胞其他结构可显出明显的界限。在细胞核内呈浓密的球状小体。据报道，这个细胞器最早是有Fontana于1881年首次发现。一、核仁超微结构电镜下可明显地区分出三种基本结构组分：1 纤维中心（fibrillar centers ，FC）是包埋在颗粒组分内部的一个或几个浅染的低电子密度的圆形结构，实质是rDNA（可通过电镜细胞化学和放射自显影验证）。通常认为FC是染色体NORS的间期核副本。2 致密纤维成分（dense fibrillar component ，DFC）是核仁结构中电子密度最高的组分，呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，实质是rDNA进行活跃转录合成rRNA的区域。3 颗粒组分（granular component，GC）是正在加工成熟的核糖体亚单位前体颗粒，直径约在1520nm，实质为rRNAPro性质。4 核仁相随染色质 核仁周染色质：包绕在上述三种结构外围；核仁内染色质：深入到核仁内部。5 核仁基质（nucleoplasm）是上面几种成分的存在环境，应用Rnase和Dnase处理核仁后的残余结构组分，又称核仁骨架。在间期核非染色或染色很浅，主要由蛋白质构成，悬浮各种酶类及大分子。这部分实际上与核基质（核液）相通，故有人认为它们属同一物质。二、核仁的主要功能是制造核糖体，更确切的说，是核糖体主要成份rRNA的合成加工及核糖体大、小亚单位装配的场所。1 rRNA的合成 2 rRNA前体的加工 在不同生物，初始转录产物（rRNA前体）大小不同，哺乳类为45srRNA（13000个核苷酸）、果蝇为38s rRN