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第八章 间期细胞核和染色体P340教学目的:掌握细胞核及染色体的结构和功能教学重点:核孔复合体、核小体、染色体教学难点:核孔复合体、染色质蛋白、染色体教学方式:讲叙、幻灯、多媒体课件细胞核是细胞内最大最重要的细胞器,是细胞进行生命活动的指挥控制中心,核内有遗传物质染色体。不同生物中细胞核的大小有所不同,高等动物细胞核直径一般为510um,高等植物细胞核直径一般为520um。细胞核一般为圆形或椭圆形,也有多叶形、裂片状、铁饼状、分枝状的。细胞核主要由核被膜、染色质及核仁组成。核仁一般一个或多个。过去认为核内充满了核质,其中悬浮差大量颗粒物质及蛋白质分子,近年研究证明,核内充满非组蛋白组成的网络状的核基质,染色质纤维、核仁悬挂在网络上,才能维持正常的DNA复制,RNA转录及各种酶活动的正常进行。 第一节 核被膜及核孔复合体一、核被膜核被膜由内外两层单位膜组成,每层单位膜厚7.5nm,其中面向细胞质的一层膜为外核膜,外核膜表面常常附着有大量的核糖体颗粒,外核膜经常与内质网相通;面向核质的一面为内核膜,内核膜表面没有附着核糖体颗粒,紧贴内核膜表面有一层致密的纤维网络状结构,该纤维状结构称为核纤层,这是一层电子密度较高的蛋白层。内外核膜之间是一透明的腔,为核周池(核周间隙),宽度2040nm。内核膜与外核膜常在某些部位相互融合,形成一环形开口核孔。二、核孔复合体核孔复合体普遍存在于所有真核细胞(单细胞酵母菌、高等哺乳动物)中。(一)核孔复合体的结构模型核孔复合体镶嵌在核孔上,直径120150nm,核孔直径80120nm。近年来,通过一些高新技术的应用,对核孔复合体的研究日趋深入,综合已有资料,提出了新的核孔复合体结构模型。1、环:1)胞原环(外环)位于胞质面一侧,由8个对称亚单位组成,每亚单位 具有一短纤维伸向胞质一面。 2)核原环(内环)位于核质面一侧,由8个对称亚单位组成。每亚单位 具有一长纤维,并收拢形成一个小环核篮。2、辐:从核孔边缘向着中心,呈辐射状八重对称的结构。 1)柱状亚单位,位于核孔边缘。 2)环带亚单位,位于柱状亚单位之内,由8个颗粒结构围绕核孔形成一个通道。 3)腔内亚单位,在柱状亚单位之外。3、栓:位于核孔中心,呈棒状或颗粒状,一般认为,它对核质交换中起作用。(二)核孔复合体成分研究核孔复合体成分研究近几年进展很快,研究发现,构成核孔复合物的主要是蛋白质,推测至少含有100多种不同的多肽,其分子量达12.5万KDa,目前已鉴定出的脊椎动物的核孔蛋白有十几种。其中,蛋白gP210、P62比较具有代表性,这两类蛋白,在酵母、哺乳动物及人类细胞中均有发现,它们在不同的物种中有极强的同源性,表明这两类蛋白在进化上是高度保守性蛋白。(三)核孔复合体的功能核孔复合体是一个双向性的、双功能、亲水性的核质交换通道,其双向性表现在,既可介导入核转运,又可介导出核转运;双功能表现在,被动扩散和主动运输。1、通过核孔复合体的被动扩散根据资料分析推断,核孔复合体是一个园形的亲水通道,通道的有效功能直径为910nm,长约15nm。因此作为被动扩散的亲水通道,核孔复合体原则上只允许直径在10nm以下的一些离子、分子、小分子多肽自由通过。2、通过核孔复合体的主动运输实验表明,亲核蛋白的入核转运,RNA及核糖核蛋白颗粒(RNP颗粒)的出核转运主要是通过主动运输来进行的。核孔复合体主动运输的特点:运输颗粒大小有限制,运输的有效直径1020nm;运输是一个信号识别与载体介导的过程,需耗能;运输有双向性,即有核输入,又有核输出。1)核输入典型例子是亲核蛋白的入核转运 亲核蛋白指一类在胞质合成后,又进入核内发挥功能的蛋白。例如组蛋白、核纤层蛋白,它们在胞质合成后,被一次性地转运到核内,并停留在核内行使功能。入核信号(NLS)指导亲核蛋白,通过核孔复合体进入核内的一般特定的氨基酸序列,一般由68氨基酸残基组成。亲核蛋白被运到核内,是因带有入核的信号。这段具有“定向”、“定位”作用的特殊的氨基酸序列,又称为核定位序列或核定位信号。例如猴肾病毒(SV40)的T抗原的NLS是由7个氨基酸基构成的。试验表明7个氨基酸中如果有一个发生突变, T抗原就不能入核,如果将这段序列连接到其他非亲核蛋白上,其他非亲核蛋白也将被转运到细胞核内。亲核蛋白通过核孔复合体的转运过程分为二步:结合,转移。其中结合过程不耗能,只需要亲核蛋白自身NLS识别,转运过程需要GTP水解供能,同时还需要一些胞质蛋白因子,如输入受体a亚基、输入受体亚基及一种GTP结合蛋白Ran的帮助。2)、核输出典型例子是RNA及核糖体亚单位的出核转运。真核细胞中的RNA转录后,一般要经过加工修饰为成熟的RNA分子之后,才能被转运出核。目前研究认为出核时亦有信号引导。 第二节 染 色 质一、染色质的概念及化学组成染色质指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构,构成染色质的成分主要包括DNA、组蛋白、非组蛋白及RNA。(一)染色质DNA除少数RNA病毒外,DNA几乎是所有生物的遗传物质。在真核细胞中,每个DNA分子经蛋白质包装折叠形成一条染色单体。一个生物储存在单倍染色体组中的总遗传信息,称为该生物的基因组。DNA二级结构的构型: B型,右手双螺旋 A型,右手双螺旋 Z型,左手螺旋(二)染色质蛋白质1、组蛋白组蛋白富含Arg、Lys等碱性氨基酸,属于碱性蛋白质,可以和酸性DNA紧密结合。采用聚丙烯酰胺凝胶电泳可将组蛋白分离为5种组分:H1、H2A、H2B、H3、H4,其中H2A、H2B、H3、H4被称为核小体组蛋白,其作用是帮助DNA卷曲的核小体的稳定结构。2、非组蛋白非组蛋白指染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质。1)非组蛋白的特性:具多样性和异质性;识别特异性;多种功能。2)非组蛋白的结构模式: a螺旋转角a螺旋模式;锌指模式;Leu拉链模式;螺旋环螺旋结构模式;HMG框结构模式。二、染色体的基本结构单位核小体采用核酸内切酶消化、分离,电泳及电镜观察研究,Kornberg提出了染色质的基本结构由一系列的核小体,相互连接形成了一种念铢状结构。串联细线为DNA,每一球状颗粒为一核小体,每个核小体是由200bp的DNA双螺旋和9个组蛋白分子所组成的。其后Olins夫妇用温和的方法破坏鸡红细胞的核,然后将染色质铺展后电镜铜网上,放在电镜下观察,发现染色质的基本结构是由无数小珠串连起来形成的,小珠直径10nm。研究发现,核小体是由核小体核心,加1条含有H1组蛋白的连接DNA(Linker DNA)构成的。每个核小体单位由:200个bp的DNA双螺旋和一个组蛋白八聚体(2 H2A、2 H2B、2 H3、2 H4)及1个H1组蛋白组成。三、染色质包装的结构模型(一)四级螺旋模型由DNA双链包装成核小体结构,是染色质包装的一级结构,根据大量的观察和计算,人们认为,该一级结构是在H1存在的情况下,每个核小体紧密接触,形成直径为10nm的细线。10nm细线基本结构是200bp双链DNA原来68nm长度的1/7,即压缩了7倍。10nm染色线再进行螺旋缠绕,每个核小体以窄的一面向外,每圈6个,这样便形成了一个中空的螺线管,螺线管是染色质包装的二级结构,螺线管螺距11nm,外径30nm,内径10nm,H1位于中空的螺线管的内部,它对螺线管的稳定性起着重要的作用。螺线管再进行螺旋化形成超螺线管,超螺线管是染色质包装的三级结构,再进一步螺旋化形成染色单体,为四级结构。DNA核小体螺线管超螺线管染色单体(二)袢环模型袢环模型认为,直径30nm的螺线管折叠成环,沿染色体纵轴,由中央向四周绅出,构成放射状袢环,袢环高度300nm,袢环是染色体的三级结构,由袢环再构成染色单体。在原核细胞 两栖类细胞或昆虫细胞中均发现有染色体放射性袢环结构。DNA核小体螺线管袢环染色单体四、常染色质与异染色质1、常染色质常染色质指间期核内呈伸展状态的染色质,这种染色质包装松散,着色浅,有转录活性,构成常染色质的DNA主要是单一序列和中度重复序列。2、异染色质异染色质指细胞间期处于聚缩状态的染色质,这种染色质包装紧密,用碱性染料染色时着色深,转录不活跃或没有转录活性。异染色质可分为1)结构异染色质指在整个细胞周期内都处于聚缩状态的染色质。一般位于着丝粒、端粒、次缢痕等部位。2)兼性异染色质指某些细胞或一定的发育阶段,原来正常的染色质聚缩,丧失基因转录活性,变为异染色质。 第三节 染 色 体一、形态结构观察染色体形态一般采用中期染色体,因该时期它达到了最大收缩,形态最典型。中期染色体,由两条相同的姐妹染色单体所组成,它们以着丝粒相连。根据着丝粒在染色体上的位置,将染色体分为4种类型: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1、染色单体 中期染色体由两条相同的姐妹染色单体构成,两者在着丝粒部位相互结合。每一条单体是由一条DNA双链经过紧密盘旋折叠而成,分裂后期两条染色单体分开。2、动粒着丝粒两侧由蛋白质构成的一种三层盘状或球状结构,它与纺锤体的纺锤丝连接,与染色体移动有关。长期以来,着丝粒和动粒作为染色体上纺缍体附着区域的同义词使用。一般遗传学文献中多用着丝粒,细胞学多用动粒一词。后来在电镜下研究哺乳类染色体超微结构时发现,主溢痕两侧为一对三层结构的特化部位,认为是非染色质性质的附加物,称为动粒。1990年Plata将哺乳动物染色体整个主缢痕区,称为动粒着丝粒复合体,该复合体包括三个结构域:动粒结构域、中央结构域和配对结构域。3、次溢痕除主溢痕外,染色体上其他溢缩的部位。此处部分DNA松解,形成核仁组织区变细。每种生物染色体组中,至少有一条或一对染色体上有次溢痕,次溢痕可作为鉴定某些染色体所特有的标志。4、 核仁组织区(NOR)又称核仁组织者,NOR位于染色体的次溢痕部位,并非所有的次溢痕都是NOR;NOR是rDNA(RRNA基因)所在部位,这个部位由rDNA可转录出5.8S、18S和28S RNA的前体45S RNA。NOR是染色体rDNA袢环插入核仁组织区的部位。 5、随体染色体末端的球形或圆柱形染色体节段,通过次缢痕与染色体主体部分相连,具有随体的染色体,称为Sat染色体。6、端粒染色体两个端部特化的结构。其生物学作用在于维持染色体的稳定性和完整性。一般情况下,端粒之间不能粘在一起,但当同源染色体配对时,端粒在核膜上可以相连。有人认为端粒具有细胞分裂计时器的作用,端粒DNA每复制一次,可减少50100bp。二、核型与染色体显带(一)核型是指把生物某一个体或类群的体细胞内整套染色体拍摄下来,按照它们相对恒定特征排列起来的图象。具体包括染色体的数目、大小、形态特征等。各种生物都有自己的核型,核型研究对于分类学、医学遗传学做出过重大贡献,如确定唐氏综合症为21染色体三体,毛里求斯型黑家兔起源于大洋州型黑家兔。(二)染色体显带技术 1、Q带(荧光带),用喹丫因染色后,在紫外线下呈现的荧光带。2、G带,中期染色体制片经盐溶液或胰酶,碱等处理后,用Giemsa染色呈现的带。3、R带(反带),暗色的带,与G带明暗相反。中期染色体经磷酸盐缓冲溶液处理后,用丫啶橙或Giemsa染色呈现的带。4、C带,主要用于显示着丝粒附近的结构异染色质,着丝粒部位色深。5、T带(末端分带法),是染色体端粒部位经丫啶橙染色后所呈现的带区。6、N带,又称Ag-As染色法,主要染核仁组织区的酸性蛋白。三、巨大染色体(一)多线染色体多线染色体存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞中,如唾液腺、气管、肠,在植物胚珠细胞(胚乳、胚柄)也发现有多线染色体。多线染色体较有丝分裂及减数分裂的染色体大上百倍。如果蝇唾腺细胞多线染色体比同种有丝分裂染色体长200倍以上,其4条配对的染色体全长达2mm。沿着多线染色体的纵向分化成深浅相间的带纹,深者为带,浅者为带间。多线染色体的主要特征:1)多线染色体来源于核内有丝分裂 2)多线染色体上有明暗相间的带 3)多线染色体的形态变化与基因表达相关。(二)灯刷染色体灯刷染色体是未成熟的卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体。1882年Flemming在观察美西螈卵巢组织切法时首次发现了灯刷染色体。灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞中。其中研究的最普遍深入的是两栖类。1、灯刷染色体的超微结构灯刷染色体是一个二价体,含有4条染色单体,每条染色单体的轴上分布有色深、高密度的染色粒,由染色粒向两侧各伸出二个类似的袢环,袢环长550um。灯刷染色体较长,蝾螈最长的一条灯刷染色体达5.9mm,是果蝇多线染色体长度的3倍。2、灯刷染色体的转录功能在显微照片中可以看到灯刷染色体的袢环厚度是不均一的,由轴心部位发出的一端很细,沿着环向前推进逐渐变粗,末端又返回到出发点的附近。有的袢环粗细变化不规则,一段由细变粗,一段由粗变细,研究表明这些是转录出的RNA及基质。进一步研究发现袢环的轴是DNA分子链,一个袢环是一个或几个RNA转录单位。用核酸酶及蛋白酶作用,基质被消化分解,说明基质由RNA和蛋白质组成;用DNA酶消化,袢环崩解消失,说明袢环由DNA组成。 第四节 核仁一、核仁的超微结构1、纤维中心(FC)由一个或几个浅染的低电子密度的圆形区域组成,包埋在颗粒组分内部。它是rRNA基因的贮存位点。2、致密纤维

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