分子细胞生物学——细胞核与染色体.ppt

第六章细胞核与染色质 云南农业大学动物科技学院2003 9 2010 9 李莲军博士 第一节核被膜 第二节染色质与染色体 第三节核仁 第四节核基质与核骨架 细胞核 主要功能 遗传 通过染色体DNA的复制和细胞分裂 维持物种的世代连续性 发育 通过调节基因表达的时空顺序 控制细胞的增殖分化 完成个体发育使命 细胞核是细胞最重要的结构 是细胞生命活动的调控中心 一个细胞通常有一个核 但也有双核 多核甚至数百个核的细胞 核被膜 nuclearenvelope 核纤层 nuclearlamina 染色质 chromatin 核仁 nucleolus 核基质 nuclearmatrix 间期细胞核的主要结构 第一节核被膜 核被膜是真核细胞包在核外的双层膜结构 核被膜将DNA与细胞质分隔开 形成核内特殊的微环境以保护DNA分子免受损伤 使DNA的复制和RNA的翻译在时空上分隔开来 将染色质定位于核膜上 有利于解旋 复制 凝缩 核被膜还是核与细胞质物质交换的通道 核被膜 一 核被膜的结构 核被膜由内核膜 innernuclearmembrane 外核膜 outernuclearmembrane 和核周隙 perinuclearspace 三部分构成 核被膜上有核孔与细胞质相通 外核膜胞质面附有核糖体 并与内质网相连 内核膜上附着有中间纤维 核纤层 故核是被内质网和中间纤维相对固定的 核周隙与内质网腔相通 可以说核膜是内质网的一部分 核纤层 nuclearlamina 是位于内核膜内侧的一层纤维纵横排列整齐的网络状纤维蛋白质片层 厚度随细胞不同而异 核纤层与中间纤维 核骨架相互连结 形成贯穿于细胞核与细胞质的骨架结构体系 它位于内层核膜与染色质之间 与核膜 染色质及核孔复合体在结构上有密切联系 二 核纤层 核纤层在某些细胞中形成连续的层 而在有些细胞中则形成一段一段的网络结构 核纤层蛋白向外与内层核膜上的蛋白结合 向内与染色质的特定区段结合 核纤层由核纤肽 lamin 构成 核纤肽是一类中间纤维蛋白 多肽 有laminA laminB和laminC三种类型 分子量60 80KD laminA的C末端比laminC的C末端多133个氨基酸残基 laminB在羧基端多了疏水的异丙基 异丙基能帮助laminB插入到核膜的内脂层 核纤层结构 三种类型的核纤肽都以二聚体的形式存在 有球形的头部和尾部结构域及一个杆状的 螺旋中心 这些核纤肽二聚体以头 头 尾 尾相接的方式形成纵横排列整齐的纤维网络状 1维持细胞核的形态核纤层是核被膜的支架 此外 核纤层与核骨架以及穿过核被膜的中间纤维相连 使胞质骨架和核骨架形成一连续网络结构 核纤层的作用 2提供染色质附着位点在间期核中核纤层提供染色质 异染色质 在核周边锚定的位点 核纤层能与染色质的特定区段结合 内核膜上具有laminB的受体 为8次跨膜蛋白 以及emerin蛋白 为单次跨膜蛋白 等膜整合蛋白 能与核纤层蛋白结合 3参与染色质和核的组装核纤层在细胞分裂时呈现出周期性的变化 在前期结束时 核纤层被磷酸化 介导核膜解体 其中laminB与核膜残余小泡结合 A型溶于胞质中 在分裂末期 核纤肽去磷酸化重新组装 介导核膜的重建 三 核孔复合体 核孔是细胞核与细胞质之间物质交换的通道 一般哺乳动物细胞平均有3000个核孔 核孔由至少50种不同的蛋白质 nucleoporin 构成 称核孔复合体 nuclearporecomplex NPC 核孔复合体的成分 推测100余种不同的多肽 1000多个蛋白质分子 统称为核孔蛋白 nucleoporin Nup 已在酵母中鉴定到30余种 在脊椎动物中鉴定到10余种 Gp210位于孔膜区 功能包括 介导核孔复合体与核被膜连接 在介导核被膜融合形成复合体时起重要作用 在介导核质交换时起作用 p62是一类功能性的核孔蛋白 可能直接参与核质交换 核孔复合体呈圆形或八角形 主要包括 胞质环 cytoplasmicring 位于核孔复合体胞质一侧 环上有8条纤维伸向胞质 核质环 nuclearring 位于核孔复合体核质一侧 上面伸出8条纤维 纤维端部与端环相连 构成笼子状的结构 转运器 transporter 核孔中央的一个栓状的中央颗粒 辐 spoke 核孔边缘向核孔中央的伸出物 核孔复合体结构 核孔的功能 核孔是个特殊的跨膜运输蛋白复合体 具有双功能 双向性 亲核蛋白包括驻留性的和穿梭性的 1 被动扩散核孔有效直径10nm左右 扩散速度与分子量成反比 小于5 103的可自由进入 大于60 103的球蛋白不能进入 2 主动运输主动运输的选择性 1 对颗粒大小的限制 一般可达10 20nm 表明核孔复合体的有效直径是可以调节的 2 主动运输是信号识别和载体介导的过程 需要ATP 3 具有双向性 核质蛋白 nucleoplasmin 的C端有一个信号序列 可引导蛋白质进入细胞核 称作核定位信号 nuclearlocalizationsignal NLS由4 8个氨基酸组成 含有Pro Lys和Arg 对其连接的蛋白质无特殊要求 并且完成核输入后不被切除 核孔选择性运输还需要一些胞质蛋白因子辅助 其中imporin负责将蛋白从细胞质运进细胞核 exportin负责相反方向的运输 通过核孔复合体的转运还涉及Ran蛋白 Ran是一种G蛋白 调节货物受体复合体的组装和解体 亲核蛋白入核的运输步骤 亲核蛋白与NLS受体 imporin 二聚体 识别并结合为复合物 转运复合物与核孔胞质环上的纤维结合 转运器构象发生改变 转运复合物通过核孔 转运复合体与核质中的Ran GTP结合 复合体解散释放出货物 与Ran GTP结合的imporin 输出细胞核 在细胞质中Ran GTP水解 Ran GDP返回细胞核重新转换为Ran GTP imporin 在核内exportin的帮助下运回细胞质 第二节染色质和染色体 一 染色质 染色质 chromatin 指间期细胞核内能被碱性染料染色的物质 它是由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 一 常染色质和异染色质 间期核中的染色质有两种状态 一种称常染色质 euchromatin 是进行活跃转录的部位 另一种称异染色质 heterochromatin 是处于凝缩状态 无转录活性的染色质 也叫非活动染色质 inactivechromatin 结构 恒定 异染色质 constitutiveheterochromatin 是呈固缩的染色质 多位于着丝粒区 端粒 次缢痕及染色体臂的某些节段 在间期聚集成多个染色质中心 chromocenter 由相对简单的高度重复序列构成 兼性 功能 异染色质 facultativeheterochromatin 异染色质类型 指不同的细胞类型或不同发育时期出现的异染色质 雌性哺乳动物细胞内有两个X染色体 其中一个常表现为兼性异染色质 称巴氏小体 barrbody 二 染色质的化学组成 染色质由DNA 组蛋白 非组蛋白及少量RNA组成 DNA与组蛋白的含量比较恒定 非组蛋白的含量变化较大 DNA DNA是遗传信息的携带者 凡是具有细胞形态的所有生物其遗传物质都是DNA 在真核细胞中 每条未复制的染色体包装1个DNA分子 一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息 称为该生物的基因组 基因组中有两类遗传信息 编码序列 调控序列 DNA3种结构序列 单一序列 中度重复序列 101 5 高度重复序列 105 DNA3种构像 B DNA Z DNA A DNA 组蛋白 组蛋白带正电荷 属碱性蛋白 其含量恒定 共有5种 分为两类 高度保守的核心组蛋白 corehistone 包括H2A H2B H3 H4 它们形成八聚体核心颗粒 可变的连接组蛋白 linkerhistone 即H1 H1不仅具有属特异性 而且还有组织特异性 所以H1是多样性的 非组蛋白 非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质 又称序列特异性DNA结合蛋白 非组蛋白为酸性蛋白 功能 帮助DNA分子折叠 以形成不同的结构域 从而有利于DNA的复制和基因的转录 协助启动DNA复制 控制基因转录 调节基因表达 三 染色质的结构 核小体 nucleosome 是染色质的基本结构单位 核小体构成直径约为11nm的染色质细丝 核小体经螺旋化后形成30nm的螺线管 solenoid 即染色质粗丝 核小体的结构要点 核小体由9个组蛋白和约200bp的DNA两部分组成 每个核小体包括约200bp的DNA 一个组蛋白核心颗粒和一个H1分子 由H2A H2B H3 H4各两分子形成盘状的八聚体 核心颗粒 DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面 每圈80bp 共1 75圈 约146bp 两端被H1锁合 相邻核心颗粒之间为一段60bp 物种间变化值0 80bp 的连接线DNA 螺线管由核小体螺旋化形成 每6个核小体绕一圈 构成外径30nm的中空管 长度约压缩6倍 螺线管 solenoid 四 从DNA到染色体 一级结构 核小体 nucleosome 二级结构 螺线管 solenoid 三级结构 超螺线管模型染色体骨架 放射环模型四级结构 染色单体 chromatid 共压缩8000 10000倍 染色体结构研究的一个中心问题是 如此长的线状DNA怎样组装成高度有序的染色体高级结构 从DNA 核小体 30nm螺线管的组装过程已基本清楚 组蛋白起主要作用 而从30nm螺线管到染色单体 以及大量非组蛋白在染色体高级结构的形成和维持中起何作用则是很不清楚的 从30nm螺线管到染色单体的组装模型有 多级螺旋模型 coiledcoilmodel 染色体骨架 放射环模型 scaffold radialloopmodel 等 染色体的组装 DNA螺旋缠绕组蛋白形成核小体 直径为10nm的纤维 长度压缩了7倍 每6个核小体绕一圈 构成外径30nm 内径为10nm的中空的螺线管 长度压缩6倍 由外径30nm 螺距11nm的螺线管再盘绕形成中空的直径400nm的圆筒状结构 长度为11 60 m 称超螺线管 也称单位线 长度压缩40倍 超螺线管进一步折叠形成染色单体 长度又压缩5倍 1 多级螺旋模型 非组蛋白构成染色体骨架 chromsomalscaffold 及从骨架伸出无数的DNA侧环 30nm的染色质线折叠成环 沿染色体纵轴 由中央向四周伸出 构成放射状的复制环 loops 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染色单体 2 染色体骨架 放射环结构模型 近年来又提出了放射环和螺旋共存模型 认为多级螺旋模型和放射环模型都把染色体的结构过于简单化了 染色体的螺旋结构与骨架假说并不是不相容的 相反 螺旋结构需要另外的结构成分使之稳定 二 染色体 间期染色质呈纤维状分散于细胞核 但在分裂期 染色质通过盘旋折叠压缩近万倍 包装成大小不等 形态各异的短棒状染色体 自主复制DNA序列 autonomouslyreplicatingDNAsequence 是DNA复制的起点 复制起点每隔30 40Kb均匀分布在每条染色体上 着丝粒DNA序列 centromereDNAsequence CEN 由大量串联的重复序列组成 其功能是参与形成着丝粒 使细胞分裂中染色体能够准确地分离 端粒DNA序列 telomereDNAsequence TEL 由长5 10bp的重复单位串联而成 端粒序列是高度重复的短序列 在进化上高度保守 染色体的三要素 关键序列 同一物种的染色体数目是相对稳定的 性细胞染色体为单倍体 haploid 用n表示 体细胞为2倍体 diploid 以2n表示 还有一些物种的染色体成倍增加成为4n 6n 8n等 称为多倍体 一 染色体数目 染色单体 Chromatid 中期染色体由两条染色单体组成 两者在着丝粒部位相互结合 每一条染色单体是由一条DNA双链经过螺旋和折叠而形成的 到后期 着丝粒分裂 两条染色单体分离 染色单体 核型分析中采用的染色体类型 中着丝粒染色体 metacentricchromosome 亚中着丝粒染色体 submetacentricchromosome 亚端着丝粒染色体 subtelocentricchromosome 端着丝粒染色体 telocentricchromosome 随体染色体 satellitechromosome 三 染色体的主要结构 主缢痕 primaryconstriction 次缢痕 secondaryconstriction 着丝粒 centromere 与动粒 kinetochore 核仁组织区 nucleolarorganizingregion NOR 随体 satellite 端粒 telomere 主缢痕 primaryconstriction 中期染色体上一个染色较浅而缢缩的部位 把姊妹染色体单体连接在一起 并把染色体分成两个臂 主缢痕处有着丝粒 所以也称着丝粒区 主缢痕和次缢痕 次缢痕 secondaryconstriction 除主缢痕外 染色体上第二个呈浅缢缩的部分称次缢痕 次缢痕的位置相对稳定 是鉴定染色体个别性的一个显著特征 着丝粒 着丝粒是细胞有丝分裂和减数分裂过程中 保证染色体正常分裂 分离到子细胞的结构和功能元件 位于主缢痕处 包含两种重要成份 着丝粒DNA centromereDNA 主要由大量的高度串联的 卫星DNA重复序列组成 着丝粒蛋白质 centromereprotein 一部分位于着丝粒DNA外表部 并形成动粒 另一部分与着丝粒DNA结合 共同行使同源染色体的配对 姊妹染色单体的连接及复制 分离等功能 着丝粒和动粒在结构和功能上密不可分 又把它们合称为着丝粒 动粒复合体 centromerekinetochorecomplex 着丝粒三层结构模型将其分成3个结构域 动粒结构域 kinetochoredomain 中心结构域 centraldomain 配对结构域 pairingdomain 动粒结构域位于着丝粒的外表面 主要由蛋白质和少量DNA构成 与纺锤体微管连接 是使染色体运动和分离的重要结构 中心结构域位于动粒结构域的内侧 是由高度重复的 卫星DNA构成的异染色质 配对结构域中期两条染色单体的连结处 对染色体的配对 连接和分离有重要作用 此区域有内着丝粒蛋白 innercentromereprotein 和染色单体连接蛋白 chromatidlinkingprotein 动粒 kinetochore 过去多称为着丝点 centromericdots 是真核细胞着丝粒区域一个复杂的多层蛋白质结构 动粒可分为内动粒区域与含有许多微管结合和信号转导分子的板状外动粒区域 动粒是纺锤体微管的附着位点 具有捕获及稳定微管 调节染色体运动 确保染色体正确分离 监控细胞周期的功能 动粒也是微管组织中心之一 动粒 组成动粒的蛋白质可分为基本蛋白和过客蛋白两大类 基本蛋白在整个细胞周期中都位于着丝粒区 对动粒的结构形成具有重要作用 主要包括CENP A CENP B CENP C CENP G CENP H等 过客蛋白通常在细胞周期的G期末和前期之间暂时地与着丝粒相结合 由Mad家族 Bub家族 动粒马达蛋白 CENP F等许多不同的蛋白质组成 核仁组织区 nucleolarorganizingregions NORs 是核糖体RNA基因所在的染色质区域 与核仁的形成有关 其精细结构呈灯刷状 能够合成核糖体的28S 18S和5 8SrRNA 核仁是NOR中的基因活动而形成的可见的球体结构 核仁组织区位于染色体的次缢痕区 但并非所有的次缢痕都是NORs 具有核仁组织区的染色体称核仁染色体 核仁组织区定位在核仁染色体次缢痕部位 核仁组织区 端粒 telomere 是染色体端部的特化部分 由端粒DNA与端粒蛋白构成 作用是维持染色体的稳定性 端粒起到细胞分裂计时器的作用 端粒核苷酸复制和基因DNA不同 每复制一次减少50 100bp 其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶 telomerase 来完成 正常体细胞缺乏此酶 故随细胞分裂而变短 细胞随之衰老 端粒 四 特殊染色体 多线染色体是DNA多次复制而多次复制后所产生的子染色体整齐排列 紧密结合所形成的多条染色体合并在一起的结构 多线染色体化的细胞停止了分裂 处于永久间期 但体积不断增大 DNA继续进行复制 以维持细胞的高分泌活性 1 多线染色体 多线染色体是由于细胞周期被阻断在G2期 染色质浓集程度只在1级和2级结构 而不再继续形成染色单体 DNA继续多次核内复制 endomitosis 产生平行的染色质纤维 而且出现体细胞染色体配对 这样就形成了有多条染色质丝平行成束的多线化巨大染色体 在果蝇唾液腺细胞中连续进行10次核内复制 产生210 1024条染色质丝组成的巨大唾腺染色体 光镜下观察 多线染色体有一系列交替分布的带和间带 多线染色体条带的数目 形态 大小及分布位置都很稳定 灯刷染色体是动物卵母细胞进行第一次减数分裂时 停留在双线期的二价染色体 是一类处于伸展状态具有正在转录的环状突起的巨大染色体 灯刷染色体的两条细线状染色单体分别向两侧伸出许多侧环 侧环长5 50 m 多达5000 10000个 这样 整个二价体形似一个灯刷 故名灯刷染色体 卵母细胞发育中所需的全部mRNA和其他物质都是从灯刷染色体转录下来合成的 2 灯刷染色体 a 左侧可见灯刷染色体 每条主轴向外辐射伸出形态相似的袢环 右侧可见形态相似的侧伸袢环由主轴发出 主轴由2条染色单体组成 b 当向两端牵引时可见袢环和主轴是相连续的 环消失形成2条桥和主轴相连 可见是1条DNA分子贯穿主轴和袢环 c 沿着DNA分子的袢环形成一层梯度分布的新生DNA 性染色体 sexchromosome 是指 1 在有雌雄分化的生物中 因雌雄的不同 而显示不同的形态和数目的染色体 2 与雌雄分化和生殖细胞的形成有关的染色体 性染色体由常染色体转化而来 亦即最初它们也是一对正常的染色体 后来逐渐演化使它们与常染色体分道扬骠 性染色体 三 核型与带型 核型 karyotype 是细胞分裂中期染色体特征的总和 包括染色体的数目 大小和形态特征等方面 核型分析是在对染色体进行测量计算的基础上 根据各染色体相对恒定的形态特征 进行分组 排列 配对并进行形态分析的过程 如果将成对的染色体按形状 大小依顺序排列起来叫核型图 karyogram 而染色体组型 idiogram 通常指核型的模式图 代表一个物种的模式特征 染色体经一定的显带技术 物理 化学因素处理后再用染料对染色体进行染色 使其呈现特定的宽窄和亮度不同的带纹 band 称染色体带型 带型可分为两大类 显色带分布在整个染色体的长度上 如G带 Q带和R带 局部性显带 只是少数特定的区域显带 如C带 Cd带 T带和N带 带型 G带 Giemsa染色显示出富含AT碱基对的DNA部分Q带 氮介喹吖因quinacrinemustard染色 紫外灯下显色C带 显示着丝粒异染色质和其他异染色质R带 显示出富含GC碱基对的DNA部分N带 Ag As染色法 主要染核仁组织区的酸性蛋白 染色体显带技术 第三节核仁 核仁 necleolus 是间期细胞核内由NOR内的基因活动而形成的可见的圆球形亚细胞结构 主要功能是转录rRNA和组装核糖体单位 核仁在分裂前期消失 末期又重新出现 蛋白质 80 RNA 10 DNA 8 rRNA基因 核仁的化学成分 电镜观察 核仁有3个特征性区域 纤维中心 fibrillarcenters FC 主要为RNA聚合酶和rDNA rDNA是裸露的分子 致密纤维组分 densefibrillarcomponent DFC 是新合成的RNP 结合蛋白质的rRNA 转录主要发生在FC与DFC的交界处 颗粒组分 granularcomponent GC 由 15 20nm的颗粒构成 是各加工阶段的RNP 核仁结构 与核仁相随的染色质分为两部分 一部分位于核仁周围 称为核仁周染色质 属异染色质 一部分位于核仁内 为常染色质 即核仁组织区 者 是rDNA所在的位置 核仁染色质 第四节核基质 核基质 nuclearmatrix 用核酶与高盐溶液对细胞核进行处理 将DNA 组蛋白和RNA抽提后核内残留的纤维蛋白网架结构 其基本形态与胞质骨架相似 也称核骨架 nucleoskeleton 即除核被膜 染色质 核纤层及核仁以外的核内网架体系 广义核骨架概念包括还包括核纤层 核孔复合体结构体系 以及染色体骨架 核骨架纤维粗细不等 形成三维网络结构 与核纤层和核孔复合体相接 将染色质和核仁网络在其中 核骨架 核纤层 中间纤维三者相互联系形成一个贯穿于胞核 胞质间的统一网络系统 染色体骨架是染色体中由非组蛋白构成的结构支架 染色体骨架与核骨架为同一类物质 一 核骨架的形态结构 二 核骨架的基本化学成分 主要组分 非组蛋白性的纤维蛋白占96 以上 少量RNA和DNARNA用于维持核骨架的三维结构 而DNA为基质 支架附着区 matrix scaffoldassociatedregion 通常为富含AT的DNA区域 少量磷脂 1 6 和糖类 0 9 核骨架的化学组成比较复杂 主要成分是约占90 以上的蛋白质和少量RNA及DNA 蛋白质可分为核骨架蛋白及核骨架结合蛋白两类 它构成了核骨架的主体结构 RNA的含量虽然很少 但它在核骨架结构之间起着某种联接和维系作用 对于维持核骨架三维网络结构的完整性是必要的 核骨架包含400多种核骨架蛋白成分 其中一部分是各种类型细胞共有的 另一部分是与细胞类型及分化程度相关 又称为MAR matrinassociationregion 结合蛋白 这类蛋白与富含AT的核骨架结合DNA序列结合 无严格的DNA序列特异性 通常与DNA放射环两端的MARDNA序列结合 将其锚定在核骨架上 以形成DNA放射环 1 核骨架蛋白 DNA拓扑异构酶II 核基质蛋白 nuclearmatrin D E F等 Nuc2 蛋白 ARBP attachmentregionbindingprotein 组蛋白H1 核纤肽A B 支架附着因子A scaffolda