（精选）第八章 细胞核与染色体.ppt

细胞生物学CellBiology 课件制作与讲授 杨谷良 Pleasebequiet 上课了 Nucleus Chromosome 细胞核与染色体 1781年Trontana发现于鱼类细胞 1831年 Brown发现于植物 大小 低等植物1 4 m 高等植物5 20 m 动物5 10 m 常以核质比来估算核的大小 形状 圆形 胚乳细胞 网状 蝶类丝腺细胞 分支状 位置 细胞中央 成熟植物细胞的边缘 数目 通常一个 成熟的筛管和红细胞 0 肝细胞 心肌细胞 1 2 破骨细胞 6 50 骨骼肌细胞 数百 植物毡绒层细胞 2 4 1 结构 核被膜 核仁 核骨架 染色质 功能 遗传 发育 2 1NuclearEnvelope NuclearEnvelope 位于间期细胞核的最外层 是细胞核和细胞质之间的界膜 生物学意义 一方面构成核 质之间的天然选择性屏障 避免生命活动的彼此干扰 保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤 另一方面介导核质之间的物质交换与信息交流 3 1 1核被膜是双层膜结构 1 1 1Structure 外核膜outernuclearmembrane 附有核糖体颗粒 内核膜innernuclearmembrane 有特有的蛋白成份 如LBR 核纤层nuclearlamina 核周间隙perinuclearspace 核孔nuclearpore 4 主要有以下三方面的意义 基因表达的时空隔离 核膜作为保护性屏障 使核处于一微环境中 染色体的定位和酶分子的支架 核被膜的形成对细胞生命活动的意义 5 核孔运输的特点 1 既有被动运输 又有主动运输2 核孔运输的双向性3 核孔运输的信号指导 核孔的运输作用 从细胞核向细胞质运输需要5 帽子结构的试验证明 5 1 1 2核被膜在细胞周期中的崩解与装配 新核膜来自旧核膜 且核被膜的去组装是非随机的 具有区域特异性domain specific 7 1 2NuclearPoreComplex NPC 内外核膜在某些部位相互融合 形成环状开口 称为核孔Nuclearpore 在核孔上镶嵌着由多种蛋白质构成的复杂结构 称为核孔复合体NuclearPoreComplex NPC 一般哺乳动物细胞平均有3000个核孔 细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多 反之较少 8 1 2 1ThestructuralmodelofNPC 核孔直径80 120nm NPC的直径120 150nm 研究NPC形态结构的经典方法 超薄切片技术 负染色技术 冷冻蚀刻技术 20世纪80年代后 SEM技术和快速冷冻 冷冻干燥技术的应用 为NPC结构研究提供条件 在电镜下观察 核孔是呈圆形或八角形 现在一般认为其结构如fish trap 捕鱼笼 鱼篮模型 model 9 高分辩率扫描电镜观察的核孔复合物照片 10 抽提后核孔核质面的结构 SEM 11 1 胞质环cytoplasmicring 外环 2 核质环nuclearring 内环 3 辐spoke 可分三个结构域 柱状亚单位 columnsubunit 腔内亚单位 luminalsubunit 环带亚单位 annularsubunit 4 中央栓centralplug 又称transporter FishTrapModel 呈八重对称分布 核孔复合物的结构模型中央运输蛋白伸出的8个辐条与胞质环和核质环相连 另有8个篮和8个细胞质颗粒在核孔复合物中呈现8重对称分布 12 1 2 2ThecompositionofNPC 构成核孔复合体的蛋白统称为 核孔蛋白 nucleoporin Nup 核孔复合体主要由蛋白质构成 其总相对分子质量约为125 106 推测可能含有100余种不同的多肽 共1000多个蛋白质分子 13 14 1 2 3ThefunctionofNPC NPC的功能 核质交换的双向 双功能 选择性亲水性通道 双向 入核 出核 双功能 被动运输 主动运输 15 一 通过NPC的被动运输 根据资料推测 NPC的中央通道在介导被动运输时直径约为9nm 相当于可以允许60kDa以下的球形蛋白自由通过 由于各种因素的影响 并不是所有直径10nm以下的分子在核被膜两侧均匀分布 16 二 通过NPC的主动运输 1 选择性和双向性 对运输颗粒大小的限制 有效功能直径可被调节约10 20nm 甚至可达26nm 是一个信号识别与载体介导的过程 需要消耗能量 并表现出饱和动力学特征 具有选择双向性 即选择性地对不同的物质进行核输入或核输出 17 NPC主动运输的双向性 18 2 亲核蛋白与核定位信号 亲核蛋白 karyophilicprotein 在细胞质内合成后 需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质 核定位信号 nuclearlocalizationsignal NLS 引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列 受体为importin 输入蛋白 第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原 序列为 pro pro lyslys lys Arg Lys val NLS对连接的蛋白质无特殊要求 可存在于亲核蛋白的不同部位 完成输入后不被切除 Ran蛋白 一类G蛋白 调节货物复合体的解体或形成 19 T抗原NLS突变实验富含赖氨酸的核定位信号是输入蛋白的一个重要特征 进入细胞核保留在细胞质 20 核质蛋白输入细胞核的实验 这一实验结果说明尾部具有核定位信号 并且只要有一个尾部结构 就可将全部的头部带入细胞核 21 图亲核蛋白的入核转运 结合 需核定位信号识别并结合输入蛋白 转运 需GTP水解提供能量 22 3 出核转运和核输出信号 不同RNA的出核转运 RNApolI转录的rRNA分子 以RNP的形式离开细胞核 需要能量 RNApolIII转录的5srRNA与tRNA的核输出由蛋白质介导 RNApolII转录的hnRNA 在核内进行5 端加帽和3 端附加PolyA序列以及剪接等加工过程 然后形成成熟的mRNA出核 核输出信号 nuclearexportsignal NES 引导RNP输出细胞核 受体为exportin 23 mRNA的出核转运过程是有极性的 其5 端在前 3 端在后 24 2Chromatin 1848年 Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞 1879年 W Flemming提出Chromatin 1888年 Waldeyer提出Chromosome 25 染色质 chromatin 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 是间期细胞遗传物质存在的形式 染色体 Chromosome 指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中 由染色质聚缩而成的棒状结构 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 Chromatin Chromosome 26 2 1Chemicalcomposition 组成 DNA 组蛋白Histone 非组蛋白Nonhistone 少量RNA DNA Histone较为稳定 约1 1 DNA Nonhistone变化较大 DNA RNA约为10 1 27 2 1 1DNA 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一条DNA分子 Genome 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 28 一 DNA分子一级结构具有多样性 1 单一序列 2 中度重复DNA序列 短散在重复元件 shortinterspersedelements SINEs 长散在重复元件 longinterspersedelements LINEs 3 高度重复DNA序列 卫星DNA satelliteDNA 主要分布在染色体着丝粒部位 小卫星DNA minisatelliteDNA 又称数量可变的的串联重复序列 常用于DNA指纹技术 DNAfinger printing 作个体鉴定 微卫星DNA microsatelliteDNA 重复单位序列最短 具高度多态性 在遗传上高度保守 为重要的遗传标志 29 DNAfinger printing作个体鉴定 30 二 DNA二级结构具有多形性 B DNA Z DNA A DNA 31 2 1 2Histone 真核生物染色体的基本结构蛋白 带正电荷 富含Arg Lys 属碱性蛋白 共5种 分为 核心组蛋白 corehistone H2A H2B H3 H4 连接组蛋白 linkerhistone H1 结构 核心组蛋白高度保守 没有种属及组织特异性 尤其是H4 H1是多样性 具有一定的属 genus 和组织特异性 大多数细胞中都有部分组蛋白的某些碱性氨基酸侧链被磷酸化 乙酰化或甲基化以及ADP的核糖化等修饰 32 组蛋白的修饰作用 33 2 1 3Nonhistone 非组蛋白具多样性和异质性 对DNA具有识别特异性 又称序列特异性DNA结合蛋白 sequencespecificDNAbindingproteins 功能 帮助DNA折叠 协助DNA复制 调节基因表达 非组蛋白在染色体构建中的作用 34 非组蛋白和DNA不同的结合模式 1 螺旋 转角 螺旋模式 helix turn helixmotif 2 锌指模式 Zincfingermotif 3 亮氨酸拉链模式 Leucinezippermotif ZIP 4 螺旋 环 螺旋结构模式 helix loop helixmotif HLH 5 HMG 盒结构模式 HMG boxmotif 35 多以 helix和DNA大沟识别并结合 进而影响复制和转录 36 2 2Nucleosome 染色质的基本结构单位 核小体 nucleosome 37 2 2 1Mainexperimentalproof 1 铺展染色质的电镜观察 38 2 用非特异性微球菌核酸酶消化染色质 部分酶解片段分析结果 39 3 应用X射线衍射 中子散射和电镜三维重建技术研究 核小体颗粒是直径为11nm 高6 0nm的扁园柱体 具有二分对称性 核心组蛋白的构成是先形成 H3 2 H4 2四聚体 然后再与两个H2A H2B异二聚体结合形成八聚体 图X 射线晶体衍射 2 8A 所揭示的核小体三维结构 40 2 2 2核小体结构要点 1 每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体核心 Core 及一个分子H1 2 由H2A H2B H3 H4各两分子形成八聚体 构成核心颗粒 3 146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1 75圈 组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA 锁住核小体DNA的进出端 起稳定核小体的作用 4 两个相邻核小体之间以连接DNA相连 典型长度60bp 不同物种变化值为0 80bp 41 5 组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的 基本不依赖于核苷酸的特异序列 6 核小体沿DNA的定位受不同因素的影响 进而通过核小体相位改变影响基因表达 42 2 3染色体的包装 人体的一个细胞核中有23对染色体 每条染色体的DNA双螺旋若伸展开 平均长为5cm 核内全部DNA连结起来约1 7 2 0m 43 2 3 1多级螺旋模型multiplecoilingmodel 一级结构 核小体Nucleosome 二级结构 螺线管 solenoid 在这一模型中 每一螺旋由6 8个核小体组成 并呈规则排列 44 三级结构 超螺线管 supersolenoid 四级结构 染色单体 chromatid DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 压缩7倍 压缩6倍 压缩40倍 压缩5倍 压缩8400倍 一级结构 核小体Nucleosome 二级结构 螺线管 solenoid 45 DNA 7 核小体 6 螺线管 40 超螺线管 5 染色单体 46 2 3 2骨架 放射环结构模型scaffoldradialloopstructuremodel 认为30nm的纤维折叠为一系列的环 loop 沿染色体纵轴结合在染色体骨架chromsomalscaffold 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 47 2 4Euchromatin Heterochromatin 间期核中染色质可分为常染色质 enchromatin 和异染色质 heterochromatin 2 4 1Enchromatin 概念 指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低 处于伸展状态 用碱性染料染色时着色浅的那些染色质 DNA包装比约为1000 2000分之一 主要由单一序列DNA和中度重复序列DNA构成 并非所有基因都具有转录活性 常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件 48 2 4 2Heterochromatin 概念 指间期核内染色质纤维折叠压缩程度高 处于聚缩状态 用碱性染料染色时着色深的那些染色质 类型 结构异染色质 组成型异染色质 constitutiveheterochromatin 兼性异染色质facultativeheterochromatin 49 结构异染色质constitutiveheterochromatin 概念 存在于各种细胞中 除复制期以外在整个细胞周期均处于聚缩状态 DNA包装比在整个细胞周期没有较大变化的异染色质 特点 在中期染色体上多定位于着丝粒区 端粒 次缢痕及染色体臂的某些节段 由相对简单 高度重复的DNA序列构成 如卫星DNA 具有显著的遗传惰性 不转录也不编码蛋白质 在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩 在功能上参与染色质高级结构的形成 导致染色质区间性 作为核DN