细胞核与染色体资料.ppt

三 细胞核 核被膜与核孔复合体 染色质与染色体 核仁 核基质 细胞核概况 1781年Trontana在鱼类细胞首次发现细胞核 1831年 Brown在植物中也发现了细胞核 成熟的植物筛管和哺乳类红细胞没有细胞核 原核细胞中 DNA集中 但无核膜包围 故称拟核 nucleiod 形状 形态多样 与细胞形态相适应 位置 细胞中央 成熟植物细胞边缘数目 通常一个细胞一个核 成熟的筛管和红细胞0个 破骨细胞6 50个肝细胞 心肌细胞1 2个 绒毡层2 4个骨骼肌细胞数百个结构 核膜 核仁 染色质 核基质 核纤层功能 细胞内遗传信息贮存 复制和转录的场所 也是细胞功能及代谢 生长 增殖 分化 衰老的控制中心 细胞核概况 间期的细胞核的形态结构 一 核被膜 包在核外的双层单位膜结构 为整个内膜系统的一部分 是细胞区域化的结果 它将DNA与细胞质分隔开 形成核内特殊的微环境 保护DNA分子免受损伤 使DNA的复制和RNA的翻译表达在时空上分隔开来 核被膜的结构组成 外核膜 outernuclearmembrane 内质网的一部分 胞质面附有核糖体 内核膜 innernuclearmembrane 靠向核质 外表面光滑 核间隙 perinuclearspace 与粗面内质网相通 核孔 nuclearpore 将细胞核内外膜融合形成的小孔 核纤层 nuclearlamina 位于内核膜的内表面的纤维网络 可支持核膜 并与染色质及核骨架相连 核孔复合体 NPC 核孔是核膜上沟通核质与胞质的孔 由至少50种不同的蛋白质构成 称为核孔复合体 数目和分布密度可随细胞的种类及功能状态的不同呈现出较大的变化 在代谢旺盛的细胞 如肝 肾 脑细胞中 核孔数为12 20个 平方微米 而一些代谢低 增殖不活跃的核红细胞及淋巴细胞的核孔数为1 3个 平方微米电镜下观察核孔呈圆形或八角形 现在一般认为其结构为fish trap作用 介导细胞核与细胞质间的物质运输 核孔复合物的结构模型 核孔为圆环形 孔径在40 150nm 核纤层 核纤层是由核纤层蛋白 lamina 构成 核纤层蛋白属于中间纤维的一种 分为A B C三种 厚10 20nm 为核膜 核孔复合体与染色质提供结构支架 介导核膜与染色质之间的相互作用 影响核膜解体与构建 二 核仁 核仁的化学组成 蛋白质80 RNA10 11 DNA8 脂类 光镜下核仁为均质折光性很强的球形小体 电镜下核仁为一种无膜包被的海绵状网络结构 一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁 反之核仁很小或缺失 核仁在分裂前期消失 分裂末期又重新出现 人成纤维细胞中核仁的电子显微镜照片 核仁由3部分组成 纤维中心 FC 是被致密纤维包围的一个或几个低电子密度的圆形结构 主要成分为RNA聚合酶和rDNA 这些rDNA是裸露的分子 致密纤维组分 DFC 呈环形或半月形包围FC 由致密的纤维构成 通常见不到颗粒 是rDNA进行活跃转录的区域 颗粒组分 GC 由直径15 20nm的颗粒构成 由不同加工阶段的核糖核蛋白 RNP 颗粒构成 核仁周期 间期 核仁组织区上的rDNA快速进行rRNA转录 典型核仁结构 前期 核仁消失末期 核仁重现 核仁的功能 核仁的主要功能是合成rRNA和装配核糖体 这一过程包括rRNA的合成 加工和核糖体亚单位的装配 整个过程从核仁纤维中心开始 向致密纤维组分延伸 最后到达颗粒组分 rRNA的基因rDNA的位置 核基质 nuclearmatrix 或称核骨架 为真核细胞核内的网络结构 狭义核骨架是指除核被膜 染色质 核纤层及核仁以外的核内网架体系 广义核骨架包括核基质 染色体骨架 核纤层 核孔复合体形成的结构体系 三 核基质 核基质 小鼠成纤维细胞的核基质 首先用去垢剂 高盐提取 然后用核酸酶和低盐处理除去染色质镶嵌DNA 可见由残存的纤维状基质构成的细胞核 N 和细胞骨架基质构成的细胞质 C 区 四 染色质与染色体 1842年 Nali在植物细胞核中发现了杆状的染色体 1848年 Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体 1879年 W Flemming提出了染色质 chromatin 1888年 Waldeyer正式定名为Chromosome 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的存在形式 染色体 chromosome 指细胞在分裂过程中 由染色质聚缩而成的棒状结构 1 染色质的概念及化学组成 染色质由DNA 组蛋白 非组蛋白 RNA组成 各组分的含量比例为1 1 0 6 0 1 DNA与组蛋白是染色质的稳定成分 非组蛋白和RNA的含量随细胞生理状态不同而发生变化 染色质的化学组成 染色质DNA 真核细胞中 每条未复制的染色体包装一条DNA分子 DNA序列可分为三种类型 单一序列 在一个基因组中只出现一次或少数几次 多数为编码蛋白质和酶类的基因 中度重复序列 由长度300 7000bp的序列重复而成 重复次数102 105 一般作为单拷贝基因的间隔序列 少数在基因组中成串排列 高度重复序列 由很短的碱基序列重复而成 长度2 200bp 重复次数106 108 组蛋白 带正电荷 含Arg Lys 属碱性蛋白 是染色质的主要结构成分 共五种H2A H2B H3 H4和H1结构 高度保守 尤其是H4 它们富含带正电荷的碱性氨基酸 能够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用 H1是多样性 有种属和组织特异性 五种主要类型的组蛋白 组蛋白的功能 5种组蛋白在染色质中的分布及功能上分为两组 核小体组蛋白 nucleosomalhistone 包括H2A H2B H3和H4 它们的作用是将DNA分子盘绕成核小体 H1组蛋白 它不参加核小体的组建 在构成核小体时起连接作用 并赋予染色质以极性 非组蛋白 染色质中除组蛋白之外的蛋白质的总称 数量少 但种类多 又称序列特异性DNA结合蛋白 特性1 含有较多天冬氨酸 谷氨酸 带负电荷 呈酸性 2 整个细胞周期都进行合成 组蛋白只在S期与DNA复制同步进行 3 能与特异性的DNA序列发生识别及结合 与启动蛋白 DNA聚合酶 引物酶等结合成复合体 进而启动并促进基因的复制及转录 调控基因的转录 非组蛋白的功能 参与染色体的构建组蛋白把DNA双链分子装配成核小体串珠结构后 非组蛋白则帮助折叠 盘曲 以形成在复制和转录功能上相对独立的结构域 非组蛋白在染色体构建中的作用 启动基因的复制非组蛋白往往以复合物的形式 启动蛋白 DNA聚合酶 引物酶等 结合在一段特异DNA序列上 作用在于启动和推进DNA分子的复制 调控基因的转录非组蛋白一般为基因调控蛋白 generegulatoryprotein 它们往往以竞争性或协同性结合的方式 作用于一段特异DNA序列上 以调节有关基因的表达 非组蛋白的功能 染色质包装的多级螺旋模型 multiplecoilingmodel 染色体的骨架 放射环结构模型 scaffoldradialloopstructuremodel 2 染色质的超微结构与组装 2 1染色质包装的多级螺旋模型 一级结构 核小体 nucleosome 二级结构 螺线管 solenoid 三级结构 超螺线管 supersolenoid 四级结构 染色单体 chromatid 压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍DNA核小体螺线管超螺线管染色单体 染色质的一级结构 核小体 1974年Kornberg等人根据染色质的酶切降解和电镜观察 发现核小体 nucleosome 是染色质包装的基本结构单位 并提出染色质结构的 串珠 模型 自然结构 盐处理后 X射线衍射 中子散射和电镜三维重建 核小体的结构要点 每个核小体包括200bp左右的DNA 一个组蛋白八聚体和一分子H1 H2A H2B H3 H4各两分子形成八聚体 构成核心颗粒 DNA分子缠绕在核心颗粒表面 每圈80bp 1 75圈 约146bp 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 相邻核心颗粒之间以一段0 80bp的线连接 染色质的二级结构 螺线管 染色质的三级结构 超螺线管 30nm的染色质纤维沿染色体骨架蛋白形成直径为300nm的放射环 然后进一步压缩成直径为700nm的超螺线管 超螺线管进一步螺旋化 形成直径为1 2 m 长度为2 10 m的中期染色体 压缩7倍压缩6倍DNA核小体螺线管压缩40倍压缩5倍超螺线管染色单体 从超螺线管到染色体 1号染色体中的DNA包装倍数 2 2染色体的骨架 放射环结构模型 非组蛋白构成的染色体骨架 chromsomalscaffold 和由骨架伸出的无数的DNA侧环 30nm的染色线折叠成环 沿染色体纵轴 由中央向四周伸出 构成放射环 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子染色体 ChromatinPacking 袢环 ChromatinPacking 袢环 微带 常染色质 euchromatin 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 组成 单一序列DNA和中度重复序列DNA 常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件 异染色质 heterochromatin 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 结构异染色质 概念 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中基本没有较大变化的异染色质 特征 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 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 兼性异染色质 概念 在某些细胞类型或一定的发育阶段 原来的常染色质聚缩 并丧失基因转录活性 变为异染色质 异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径 巴氏小体用于检测胎儿性别和性染色体异常的患者 X染色质 X chromatin 1949年 Barr在雌猫神经元细胞核发现一种浓缩小体 后来在其它雌性哺乳动物也发现这种显示性别差异的结构 称为性染色质 Barr小体 sexchromatin 性染色质 X染色体失活假说 雌性哺乳动物体内仅有一条X染色体有活性 另一条在遗传上是失活的 在间期细胞核中异固缩为X染色质 失活发生在胚胎早期 人胚第16天 此前2条X染色体都有活性 X染色体的失活是随机的 但是是恒定的 Lyon假说 1961 由于雌性细胞中的两条X染色体中的一条发生异固缩 失去转录活性 这保证了雌雄两性细胞中都只有一条X染色体保持转录活性 使两性X连锁基因产物的量保持在相同水平上 这种效应称为X染色体的剂量补偿 dosagecompensation 剂量补偿 Y染色质 Y chromatin 性染色质 sexchromatin 正常男性的间期细胞用荧光染料染色后 细胞核内出现的一个强荧光小体 人类染色体 染色体 chromosome 染色单体 chromatid 着丝粒 centromere 主缢痕 primaryconstriction 短臂 p 长臂 q 一 中期人类染色体的形态结构 端粒 telomere 随体 satellite 副缢痕 secondaryconstriction 二 人类染色体分类 Denver体制确定正常人核型 karyotype 的基本特点 是识别和分析人类染色体和各类染色体畸变的基础 丹佛体制 三 丹佛体制 丹佛体制 Denver体制将人类体细胞的46条染色体按其相对长度和着丝粒位置分为23对 7个组 A G组 其中22对为男女共有 称常染色体 autosome 以其长度递减和着丝粒位置依次编为1 22号 另一对与性别形成有关 随性别而异 称为性染色体 sexchromosome XX代表女性 XY代表男性 人类染色体分组及形态特征 核型 一个体细胞中的全部染色体即构成其核型 核型分析 将待测细胞的全套染色体按照Denver体制配对 排列后 分析确定其是否与正常核型的异同 称为核型分析 karyotypeanalysis 四 核型与核型分析 核型分析 是指经过物理 化学因素处理后 再用染料对染色体进行染色 使其呈现特定的深浅不同带纹的技术 根据产生的带在染色体上的分布分两类 带分布在整条染色体上 如Q G R带等带局部分布在染色体上 如C T N带等 染色体显带技术 人类的染色体显带核型 Q带 氮芥喹吖因 QM Caspersson Q带 氮芥喹吖因 QM G带 胰酶 Giemsa 人类的染色体显带核型 Q带 氮芥喹吖因 QM G带 胰酶 Giemsa R带 经盐