W08细胞核与染色体.ppt

第八章细胞核与染色体 chr 一 间期核的性质 P247 一 形状 一般来说 间期核的形状是与细胞形状相关的 当细胞成等直径形 圆球形 立方形 对称多角形 核呈圆形 当细胞呈长形 柱形 管状 梭状 核则呈椭圆形 当细胞是扁平状 核呈扁盘形 亦有细胞核呈不规则形的 例如白血细胞 核呈多叶形 纤毛虫 核呈链珠形 蚕丝腺细胞 核呈分枝形 胚乳 核呈网状 二 大小 一般来说间期核体积与细胞体积成正比关系 但不同发育时间也有变化 三 数量 通常细胞中都是单核 但也有双核or多核的 例如菊科植物 乳管细胞及骨藻细胞中 核有几百个 动物横纹肌细胞及骨髓内的破骨细胞中 核也达一百个左右 这些多核细胞是由于核分裂次数多于胞质分裂所导致的 or是由于天然发生的细胞融合造成的 合胞体 此外 还有少数类型细胞是无细胞核的 例如人的成熟红细胞及plant的成熟筛管细胞 皆是特殊分化失去了核 故不能分裂增殖寿命亦有限 四 位置 胚胎细胞及幼龄细胞中 细胞核居中 但随着细胞生长与分化 有时核会移位和变形 例如成熟植物 matureplant 细胞中 细胞核常被中央液泡挤到一侧 二 间期核的结构 一 膜 nuclearenvelope 1 形态结构 电镜下观察核膜是由两层平行排列的单位膜组成 即核外膜和核内膜 每层膜的厚度约7 5nm 在内 外膜之间有宽为20 50nm的间隙 称为核周隙 核周腔 perinuclearspace 核外膜以外表面附有核糖体 其部分区域与糙面内质网膜相连 所以核周隙与内质网腔是连通的 核内膜上无核糖体附着 其内侧有一层纤维网状结构 称为核纤层 nuclearlamina 核纤层的厚度因细胞而异 一般在30nm以下 组成核纤层的蛋白纤维是由3种多肽 核纤层蛋白A B C MW60 75KD 装配而成 这种fiber可与核内膜中的核纤层B laminB 受体结合 又可与细胞中的染色质的特定区段 异染色质 连接 所以核纤层是核膜及染色质的结构支架 图12 1细胞核的结构 n为核仁 N为常染色质 图12 2核被膜的TEM照片 核被膜 核孔 核纤层 浓缩 异染色质 图12 3核被膜的结构 图12 4核纤层结构 2 核孔 核内 外膜在部分区域相互连接形成贯通内外的孔道 称为核孔 nuclearpore 核孔在核膜上的数量和密度因细胞类型 生理状态而异 凡代谢旺盛 转录活跃的细胞 则核孔多而密 核孔中有复杂结构故称为核孔复合体 nuclearporecomplex P251 动 植物细胞核模上都具有此结构 进化保守 其具体构型为 在核孔外缘 内缘各有一胞质环 核质环 由这两环分别朝核内 外各伸出8条纤维 胞质纤维短而卷曲 核质纤维细长伸入核内 末端又形成一小环 由8个颗粒组成 类似 捕鱼笼 此外 在核孔复合体内部还有一平面对称分布的8个颗粒及1个中央颗粒 or称中央栓transporters 这些结构物皆是核糖核蛋白构成 图12 3核被膜的结构 图12 6核孔结构模型 胞质纤维 中央栓 胞质环 轮辐 内腔 核质环 核篮纤维 末端环 总之 核孔复合体的结构特点是 对垂直于核膜的中心轴呈八重对称分布格局 而对核膜内外则是不对称分布 朝向胞质 核质两面不对称 应用电镜免疫测定 核孔复合体的标志蛋白是gp210 跨膜糖蛋白 是起锚定核孔复合体作用 另外 中央颗粒上还有一种p62蛋白 从yeast到man 各类生物细胞的核孔蛋白都具有同源性 说明核孔复合体在进化上高度保守 图12 4抽提后核孔胞质面的结构 图12 5抽提后核孔核质面的结构 3 核膜的主要功能 1 是核内外隔离屏障 使细胞核成为相对独立 稳定的生理功能系统 核内的渗透压 PH值 电位差 化学成分和电磁效应 均有别于细胞质且维持相对恒定 因而细胞核内的生理生化活动实现专门化 该屏障功能 除核内外膜之外还有核周隙 核纤层的作用不应忽视 核周隙是介于核质与胞质之间的生理缓冲区 核纤层能配合核膜维持核的完整性 纤层蛋白对分裂时核膜解体及分裂后核膜重建起调控作用 2 控制核内外的物质 信息变换以核孔复合体通道进行的双向选择性物质运输 方式有2种 被动扩散 主动运输 经微量注射胶体金测试 核孔通道有效直径约9nm 离子小蛋白分子代谢物皆由此通道进行自由扩散 对大分子物质则需主动运输 但也有些直径小于9nm的物质也不能自由扩散过膜 反而直径达26nm的物质主动运输却顺利通过 这是因为核孔复合体有效通道直径会调节 能有选择性地控制穿过核孔的物质双向运输 例如 输出膜外的物质有在核内组装的核糖体亚单位 RNP颗粒 的mRNA tRNA前体 在核内加工完毕的mRNA可通过核孔输到细胞质中 而核内不均一RNA hnRNA 即mRNA的前体 却不能穿过 这是由于mRNA的5 端加上3m7GPPPG帽子的选择信号 还有些蛋白有核输出信号NES 图12 30核糖体的组装 再例如 输入核内的物质 有在细胞质中合成的DNA聚合酶 RNA聚合酶以及组装染色质的组蛋白 非组蛋白 组装核糖体的蛋白质 还有激素受体复合体蛋白等等亲核蛋白质 它们之所以都能被选择性地主动运输进入核内 是由于皆含有一段核定位信号 nuclearlocalizationsignal NLS序列 这是定向进入核孔 在核内定位的信号序列 NLS序列与信号肽及导肽不相同 它可存在亲核蛋白质的不同部位 不一定是在N端或C端 并且在引导蛋白质输入后不会被切除 NLS序列是被核孔复合体中的NBPs受体蛋白所识别 结合及介导穿过核孔的 总之核孔复合体上主动运输的特点可归纳为 信号识别 载体介导 需GTP供能 双向选择 具饱合动力学规律 饱合曲线 图12 7金标记的核质素穿越核孔 线粒体 图12 8核质素输入细胞核的过程 图12 30核糖体的组装 3 蛋白质合成作用 核外膜外表附着核糖体 其合成产物由核周隙与内质网腔相连通的管道输走 二 核仁 nucleolus 核仁无膜包围 无规则形的 核仁是细胞核中的重要结构之一 其形状 数目 大小在不同生物细胞中表现不同 一般是圆球形 也有呈不规则形的 有的是单个 也有的是多个的 凡蛋白质合成旺盛的细胞中核仁明显偏大 而蛋白质合成差的细胞中核仁小 此外 核仁在细胞周期过程中表现出周期性的消失 重现规律 这是进行rRNA合成 加工及核糖体亚单位装配的动态表现 核仁中 蛋白质占80 RNA占10 15 另外还有5 10 的DNA 微量脂类 核仁无膜包围 纤维中心FC 其内大致分为三种区域 致密fibre组分DFC 颗粒组分GC 纤维中心区域有10nm粗的纤丝 是含有rRNA基因的染色质纤丝 在此区域外围的致密纤维组分区域 由大量2 5nm的细纤丝交织成海绵状 这些细纤丝是结合了蛋白质的45srRNA前体 而在颗粒组分区域则含有许多直径10 20nm的颗粒 这是正在装配中的成熟程度不同的核糖体亚单位 主要是大亚单位 细纤丝 颗粒皆是核糖核RNP 除去这些结构物剩下的是以可溶性蛋白质组成的核仁基质 图12 28核仁结构 纤维中心 fibrillarcenters FC 致密纤维组分 densefibrillarcomponent DFC 颗粒组分 granularcomponent GC 核仁组织区 NOR 是指某一对 or某几对 同原染色质上的一种specialregion 含有许多rRNA基因copies 在间期核当中 染色质解螺旋时 NOR的染色质fibre是插入FC区的10nm粗纤丝 而到分裂期 核仁 nucleolus 中的染色质丝螺旋化 形成染色质上的核仁组织区region 有些生物的核仁组织区是位于染色质的次缢痕 例如玉米的核仁组织区在第6对染色质短臂的次缢痕上 人的核仁组织区在第13 14 15 21 22这五对染色质的次缢痕处 不过 也有生物核仁组织区nor不在染色质次缢痕位置 具有核仁组织区nor的染色质可统称为核仁染色质 图12 18核仁组织者中心形成核仁 间期核内核仁明显 是编码rRNA基因的10nm粗的染色质纤丝解螺旋 helix 在活跃转录指导核仁内rRNA合成 加工及核糖体大 小亚单位装配 分裂期时 rRNA转录停止 那段10nm粗的染色质纤丝螺旋化 卷到核仁染色质上去 原已合成及装配的核糖体亚单位都从核孔输出到细胞质中 所以核仁变小而消失 核仁的主要功能有 是rRNA前体的转录合成及加工场所 是核糖体亚单位的组装场所 以染色体 chromation 铺展技术在电镜下观察rDNA转录情况 非洲爪蟾蝾源 伞藻等的核仁中 伸展的DNA纤维上间隔分布有若干段 由平行细丝组成 圣诞树 状结构 这每一段都是rDNA的一个转录单位而那些细丝即是由RNA聚合酶I附着在DNA上的新转录合成rRNA链 RNA聚合酶从基因起始端开始边读码转录边向基因终止端移动 每段上约有100 200个RNA聚合酶I在依次移动工作 因此形成顺转录方向细丝逐渐增长的 圣诞树 在RNA细丝的游离域可见球状的RNP颗粒 在基因终止端完成转录的RNA细丝即脱离DNA链 游离至核仁基质 图12 29rRNA的转录 rRNA基因属于中等重复序列DNA 非洲爪蟾的含600个copies 人的有200个copies 这种串联重复排列的rRNA基因可保证RNA聚合酶能连续高效大量转录 以便大量装配核糖体 因为每个细胞需有107个核糖体才能确保其蛋白质合成运转 注意 上述在核仁中的rRNA基因转录单位 仅包含18S 5 8S和28SrRNA 而5SrRNA基因不在核仁组织区域 其转录不在核仁之中 人约有2000个5SrRNA基因copy 也是成簇串联排列 由RNA聚合酶 转录 转录后经加工进入核仁颗粒区参与核糖体大亚单位组成 rRNA前体 45S 合成后 须经过一系列加工修饰如甲基化 切割降解才能分成18S 5 8S和28S 注意 此加工的对象都不是游离状态的rRNA 而是RNP复合物 经过多步骤剪切 加工组装成核糖体的大小亚单位 由核孔复合物输出到细胞质中去 小亚单位组装快 大亚单位组装较缓慢 所以颗粒区所见到的主要是大亚单位 三 染色质 chromatin 1 概念及类型 染色质 是分裂期染色体的组成物质 也是间期核内能被碱性染料 即胞核染料 如苏木精 卡红 甲绿 碱性品红等 染色的物质 是由DNA 组蛋白 非组蛋白以及少量的RNA所组成的串珠状复合物 通常分为2种type 常染色质 euchromatin 是在分裂间期能正常解螺旋而被染色较淡的染色质部分 这种状况是其中基因进行转录的必需条件 异染色质 heterochromatin 是分裂间期保持凝缩状态而被浓染的chromatin部分 无转录活性 且DNA复制行为比常染色质的复制较晚 凝缩较早 分2种type 图12 14异染色质 核内深染部分 和常染色质 核内浅染部分 结构异染色质 constitutiveheterochromatin 是在各种细胞类型 发育阶段都是凝缩状态的异ch质 分布于chr的着丝粒区 微粒区次缢痕及某些chr的特定区段 兼性异染色质 chromatinfacultativeheterochromatin 是在某种特定组织细胞里or某个发育阶段 由常染色质转变成的异染色质 丧失转录活性 例如 正常女性的体细胞中2条X染色体的染色质都是具转录活性的常染色质 追逆来源 分别来自父母双亲 但受精后16 18天时 其中一条随机性失活凝缩为异染色质 即成为体细胞间期核呈现的巴氏小体 Lyon理论 1960年 解释X染色体失活是剂量补偿效应 活性染色质 具转录活性的常染色质 非活性染色质 是不能转录的染色质 即包括异染色质 也包括基因处于暂时关闭状态的常染色质 所以分裂期染色质上都是非活性的 2 染色质的组分 1 DNA 单一序列 不重复 即单copy 序列长度 103bp 能转录大多数结构基因 都是单一序列 中度重复序列 重复概率为10 105重复单位平均长度为300bp 多数是不编码序列 起基因调控作用 例 人基因组中的Alu序列家族 也有部分中度重复序列是能转录的 例 编码5种组蛋白的组蛋白基因 rRNA基因 5sRNA基因和tRNA基因 高度重复序列 重复率为105 107 重复单位长度为5 300bp 皆不能转录 主要分布在染色的着丝粒区 端粒区 构成结构异染色质 heterdchrcmatin 大多数高度重复序列由于富含AT碱基 因此在氯化铯密度梯度离心中会在DNA主带附形成次要带 所以称为卫星DNA satelliteDNA 但也有些高度重复序列不能形成次要带 根据串联重复单位长度 还可分出小卫星DNA minisatelliteDNA 和微卫星 microsatellite DNA 可用于遗传谱系分析和亲子鉴定的DNA指纹分析 图12 9三种不同构象的DNA双螺旋 2 组蛋白 是染色质中与DNA结合的碱性蛋白质 所有真核细胞中都含有5种组蛋白类型 即H1 H2A H2B H3 H4 只有2个例外 鱼类精子中的鱼精蛋白替代组蛋白 鱼类 鸟类红细胞中H1被H5所替代 原核细胞中没有组蛋白 而且各种真核细胞中组蛋白成分 含量都相似 所以组蛋白无种属和tissue特异性 H1除外 略有差异 是遗传进化保守的物质 3 非组蛋白 是能与chr上特异DNA序列相结合的酸性蛋白质 具有种属和tissue特异性 非组蛋白种类众多 其功能为 控制基因转录 复制 协助DNA分子折叠成结构域 调节表达 组成染色体骨架 组蛋白 非组蛋白都由细胞质之中合成 经核孔进入细胞核内 但不同之点 组蛋白仅在细胞周期的S期合成 与DNA合成时间吻合 而非组蛋白则在多个时期都能合成 序列特异性DNA结合蛋白的结构模式 P263 helix 转角 helix 锌指 leu拉链 helix 环 helix HMG 高速泳动族蛋白 框 3 染色质 chromatin 的结构 1 解聚的染色质结构 电镜下观察 未经处理的染色质自然结构为30nm的纤丝 但经盐溶液处理的染色质呈现直径10nm的串珠状纤丝 用微球菌核酸酶消化染色质 若完全酶解 片段是200bp 若不完全酶解 片段是200 400 600 800bp 1974年Korngerg把这种小球颗粒定为核小体 mucleosome 2 核小体结构 a 包括200bp左右的DNA组蛋白八聚体及一个组蛋白H1分子 b H2A H2B H3 H4各2个分子构成扁粒状的核小体核心颗粒 组蛋白八聚体 c 146bp的DNA片段在核心颗粒外盘绕1 75圈 d 组蛋白质H1位于核心颗粒侧边与DNA结合 锁住DNA进出端 遮盖20bp e 相邻核小体之间的连接DNA长度为0 yeast 80bp 海鞘 不等 图12 11核小体和螺线管的结构 核小体 Solenoid螺线管 图12 1230nm和11nm染色质纤维 3 DNase超敏感位点 hypersensitivesite 与核小体分布的关系 用微量DNaseI处理染色质时 切割将首先发生在少数特异位点上 被称为DNase超敏感位点 它只出现在基因活跃表达的细胞中 是活性染色质区段的特征 现已知这些位点region缺少核小体结构 即该region的DNA序列不受组蛋白八聚体所保护 所以对核酸酶的敏感性是其它染色质region的100倍以上 活性基因的超敏感位点常在其启动子附近 可能是为RNA聚合酶 转录因子或其它调控因子提供了结合位点 4 核小体结构与DNA复制及转录的关系 核小体是染色的基本结构 那么当DNA复制时核小体是否解体 DNA复制时核小体的组蛋白八聚体又是如何复制的 现已知 复制期 S期 核小体的组蛋白八聚体并不解聚 而是以全保留方式组装 也就是当DNA半保留复制的同时 组蛋白也组装完整的八聚体颗粒与DNA新链构成核小体 其结果显示一条DNA链上全部是新核小体 而另一条DNA链上全部是老核小体 两者不出现混杂现象 至于DNA转录过程中 活性染色质结构形成原因 核小体相位改变 核心组蛋白乙酰化 H1Pi化 HMG 高速泳动族蛋白 影响 核小体型 四 核基质 间期核中除了核被膜 核纤层 染色质 核仁之外的基质部分称为核基质 现已知其中有 以蛋白质纤维构成的网络结构 故又称为核骨架 muclearskeleton 这是由10多种非组蛋白fibre蛋白及少量RNA构成 该结构外形大小与细胞核基本一致 其外缘与核纤层相连接 核骨架的功能是 维持细胞核形状 对DNA染色质fibre的核内空间排列 起支撑附着作用 与DNA复制 转录以及核内大分子物质加工 运输等动能有关 另外 新近还发现 核体 nuclearbodies 可能是核组分的 分子货仓 三 染色体 chromosome 一 中期染色体的形成 由间期核中核小体组成的染色质基本结构 在分裂期是如何浓缩形成染色体的 现普遍公认的理论explain是四级helix模型 该模型可用简式表示 由DNAhelix浓缩染色质单体 其长度总共被压缩了8400倍 人类体细胞单倍体基因组含3 104bp的DNA 所以相邻碱基间距离为0 34nm 其DNA总长度约1米 压缩后约100um 按23个染色质平均 则为4um 那就是光镜下所见的 人类染色体平均长度 图12 13染色体的包装方式 图12 31染色质结合在核骨架 染色体骨架上 关于染色体的内部结构 现已知每条染色体中都有一个由非组蛋白构成的染色质骨架 scaffold 即对中期染色体标本采用硫酸葡聚糖加肝素处理 除掉组蛋白 部分非组蛋白后 在电镜下可发现一个形态长度都与原染色体相似的网状纤维骨架 经凝胶电泳分析表明其中有30多种非组蛋白 主要分三种 例如DNA拓扑异构酶 电镜下还可见染色体骨架上有许多松展裸露的DNA侧环 侧环基部固定在骨架内 由此有人提出 玫瑰花环 的放射环模型 关于这种染色体骨架 放射环的发现解释了染色体空间构型的支撑 也解释了染色体中非组蛋白的结构作用 现在一般认为 四级helix模型中 所说的二级结构的30nm染色体fibre进一步helix折叠 就是在这种非组蛋白支架上卷曲完成的 但对3 4级结构的认识尚未统一 二 染色体的外形结构 中期染色体是由2条染色质单体所组成 它们互称为姐妹染色单体 在着丝粒处不相连 每条染色体从着丝粒处分两个臂 两臂等长的称为等臂 两臂尺度不等则分别称为长臂 q 短臂 p 染色体着丝粒处的缢痕称为主缢痕 而其它部位的缢痕都称为次缢痕 有少数染色体在短臂末端附近有一次缢痕 次缢痕外端连有一球形结构 称为 染色质 随体 在有些animal细胞中 这种带随体的次缢痕是核心组织区 NOR 所在部位 这种具NOR的染色体也可称为核仁染色体 例如人的13 14 15 21 22号chr 每条染色体臂的末端区域称为端粒 起维持染色体稳定作用 着丝粒的英文名称是centromereorkindetochore 通常以前者表示姐妹染色质单体连接部位 后者表示上述部位两侧附着纺锤丝微管区域 现把前者仍译为着丝粒 后者翻译为着丝点or动粒 电镜下观察着丝点是由蛋白质构成的三层盘状结构 外层和内层的电子密度深而中层较浅 染色体上有环形的染色质纤维伸入中层 纺锤丝微管与外层相连接 图12 17染色体各部分的名称1 随体 satellite 2 次缢痕 secondaryconstriction 3 短臂 shortarm 4 主缢痕 primaryconstriction 5 长臂 longarm 6 端粒 telomere 图12 20着丝粒的3个结构域着丝点结构域 kinetochoredomain 中心结构域 centraldomain 配对结构域 paringdomain 图12 21着丝粒结构域 三 染色体的类型 根据着丝粒所处位置不同可将染色体分为四类 中部着丝粒染色质 SM 亚中着丝粒chr sm 亚端着丝粒染色质 sT 端部着丝粒染色质 T 决定性别分化的染色质称为性染色质 而其他染色质相应为常染色质 四 染色体数目变化 在真核生物的体细胞 即非生殖细胞 中 染色体组为二倍体diploid 2n 即染色体都是成对存在 每对互称为同源染色体 即追溯来源其一来自父方 另一来自母方 而在成熟的生殖细胞中由于经过了减数分裂 染色体组为单倍体 monoploid 如果某物种的染色体数是在基数 n 上整倍数增加 则称为整倍体 例如三倍体 3n 4倍体 4n 等 凡超过二倍以上均可称为多倍体 多倍体中又有同源多倍体和异源多倍体之分 例如前者可是AAAAorBBBB 而后者是AABB 另外还有非整倍体存在 例如单体2n 1 三体2n 1 缺体2n 2 五 染色体的半保留复制DNA是半保留复制的 而染色体也同样半保留复制的 有一种BudR Giemsa实验能证明 BudR是5 溴脱氧尿苷 它能替代胸腺嘧啶核苷参与DNA复制 然后对染色体用Giemsa染色时 凡DNA双链都含BudR的染色线 而若DNA双链中仅单股含BudR的则染色深 因此依据染色单体上着色深浅便清楚看出半保留复制的特征 其原因是因为每条ch单体实质都由一条DNA双链经过helix浓缩而成 六 染色体DNA的关键序列 染色体结构和行为能保证细胞分裂中遗传物质传递的稳定性和连续性 现已知染色体中有三个必备的结构要素 自主复制DNA序列 ARS 是一段富含AT的序列 是DNA复制的起点 能确保染色体的自我复制 维持细胞上下世代的遗传物质完全一致 着丝粒DNA序列 CEN 是染色体着丝粒中关键序列 能确保染色体遗传物质在细胞分裂是均等分配到2个子细胞中去 端粒DNA序列 TEL 端粒由TEL序列和端粒蛋白 即端粒酶telomerase 所构成 TEL序列是含 T2G4 n的重复序列 它的存在能避免核酸酶对染色体末端DNA序列的切割 而端粒酶则是由RNA和蛋白质组成的逆转录酶 它能以其内含的RNA为模板 合成 T2G4 nDNA序列 去填补染色体端粒序列复制时与5 端RNA引物切除所留下的缺口 Threekeyregionsofachromosome 自主复制序列 ARS 着丝粒序列 CEN 端粒序列 TEL 复制泡 着丝粒 图12 10染色体的三种基本序列 自主复制序列 autonomouslyreplicatingDNAsequence ARS 着丝粒序列 centromereDNAsequence CEN 端粒序列 telomereDNAsequence TEL 12 15荧光原位杂交显示的着丝粒卫星DNA 图12 19荧光原位杂交显示的端粒 上 和端粒序列 下 根据对染色体上这种关键序列的认识 现成功构建了酵母人工染色体YAC 用它作为外源DNA的载体 可clone很大的DNA分子 这是应用细胞生物学知识来解决分子生物学研究手段的一个典型例子 七 多线染色体和刷形染色体 对染色体结构和功能研究中 常遇到一个难题 染色体结构与表达功能的时期不一致的矛盾 即当分裂期染色体形态结构清晰时 偏偏无转录活性 而到分裂时期转录活跃时 染色体却又处在解helix的阶段 幸好科学家找到多线染色体和刷线染色体这两种巨大的染色体 它们的结构与其转录功能是同时显现的 所以为染色体研究提供了大量有意义的资料 至今他们仍不失为研究基因表达的好材料 1 多线染色体 存在于双翅目昆虫幼虫的唾腺 气管 肠和马氏管细胞唾腺细胞中 又称为唾腺染色体 多线染色体的体积比体细胞的常染色体大1000倍 在其幼虫生长时 其多线染色体的细胞数目不增加 仅增大体积 其内的多线染色体也随之变大 多线染色体的生理特征为 是长期处于永久性编码状态