细胞生物学-第九章 细胞核

1,Chapter 9 nucleus细胞核,刘晓影,2,双层单位膜,3,形态、大小、数目和位置多样,圆形、椭圆形、杆状、分叶状、马蹄状。幼稚细胞的细胞核最大，成熟细胞的细胞核最小。通常一个细胞一个核，肝细胞和心肌细胞可有双核，破骨细胞可有650个细胞核，骨骼肌细胞可有数百个核。正在生长的细胞中，核位于细胞中央，在分化成熟的细胞中，常因细胞内含物或特殊结构的存在，核被挤到边缘。,4,骨骼肌纵切片,中性粒细胞,5,细胞核的功能和结构,功能：贮存遗传信息，进行DNA复制和RNA转录，是生命活动的调控中心。,6,学习内容,一、核被膜二、染色质与染色体三、核仁四、核基质五、细胞核的功能六、细胞核与疾病,7,第一节 核被膜nuclear envelope,8,一、核被膜的超微结构,外层核膜,内层核膜,核周间隙,核 孔,核纤层,9,（一）双层膜结构和核周间隙,外层核膜：其表面附核糖体，形似粗面内质网,并与其相通故为粗面的内质网一部分，膜可与胞质中的某些MT、IF相连起固定核位置的作用。,10,双层膜结构和核周间隙,内层核膜：其特异蛋白质与核质一侧的核纤层蛋白发生作用。两层核膜被各自特化，分别与胞质或核质的组分发生相互作用。,11,双层膜结构和核周间隙,核周间隙：隙宽20-40nm；看不到有形物质，充满液态物质为各种蛋白质和酶此间隙与内质网有临时通道，可进行核质物质交换。,核周间隙,12,（二）核孔复合体nuclear pore complex，NPC,核孔（ nuclear pore ）：由内外核膜局部融合形成的开口， 直径70nm，不与核周隙相通，沟通细胞核与细胞质间物质交流的通道。,核孔,13,核孔复合体,核孔复合体(nuclear pore complex，NPC):一组蛋白质颗粒以特定方式排列形成的复杂的环状结构，核孔与这些环状结构成为核孔复合体。,NPC功能：1.允许水溶性物质运输。 2.选择性运输大分子物质。,14,核孔复合体,核质环（八个）,核孔复合体捕鱼笼式模型,轮辐,核蓝,15,16,（三）核纤层,核纤层（nuclear lamina）：内层核膜靠核质侧的纤维状网络结构。成分：包括A、B、C型核纤层蛋白，其中A型与染色质结合，B型与内层核膜的整合蛋白结合。功能：核纤层与中等纤维、核骨架相连，形成贯穿于细胞质与细胞核的骨架结构； 维持核被膜形状及固定核孔位置的作用； 为染色质提供附着位点； 在细胞周期中与核膜的裂解和重建有关。,17,核纤层,18,19,二、核被膜的主要功能,主要功能：核膜既是核的界膜,维持核内稳定,又是核内外物质交换、信息交流的屏障与调节通道。,20,物质运输的方式,小分子物质及部分离子通过被动运输的方式穿过核膜自由穿过核孔。大分子物质（蛋白质、RNA）要需要信号介导通过核孔复合体进行运输门控转运。,21,（一）参与门控转运的蛋白,核转运受体：可与配体结合，转运配体进出细胞核。分子接头蛋白：介导配体与受体的结合。RanGTP：其中RanGTP可以特异性的与核转运受体结合，从而调控受体与配体的结合；,22,RanGTP调控受体与配体的结合,入核受体上配体的结合位点与RanGTP的结合位点部分重合，所以RanGTP可与配体竞争结合入核受体。出核受体：RanGTP可与配体协同结合出核受体,23,核内外的RanGTP梯度,由于核中GTP浓度高，所以在核内鸟苷酸交换因子使得RanGDP 转变为RanGTP ，RanGTP浓度较高。RanGTP酶活化蛋白和Ran结合蛋白只存在于细胞质，可协同使RanGTP水解为RanGDP，在细胞质中RanGTP浓度较低,RanGDP浓度较高。形成核内外的RanGTP梯度。,24,（二）核定位信号,25,核定位信号,核定位信号（nuclear localization signal，NLS）：亲核蛋白上的短肽序列，具有定向或定位作用，并可保证与之相连的蛋白质通过核孔复合体，进入细胞核。出核信号（ nuclear Export signal，NES): 出核蛋白上的短肽序列，具有定向或定位作用，并可保证与之相连的蛋白质通过核孔复合体，运出细胞核。,26,（三）门控转运的机制,27,门控转运的机制,入核受体在胞质中与有核定位信号的配体结合（分子接头蛋白介导），入核后由于RanGTP结合到入核受体上，配体释放到核内，实现入核。出核受体在核内与配体及RanGTP协同结合，转到胞质，RanGTP水解脱离，配体也释放到胞质中，实现出核。,28,第二节 染色体与染色质chromosome and chromatin,29,概念,染色质（chromatin）：在间期细胞核中能被碱性染料着色的物质，处于伸展、弥散状态，是遗传信息的载体。染色体（chromosome）：细胞分裂期，染色质高度折叠盘曲而凝缩成棒状的结构。,30,染色质,D N A,蛋 白 质,少量RNA,组 蛋 白：H1、H2A、H2B、H3、H4,非组蛋白,组蛋白 : DNA1:1,一、染色质（染色体）化学组成,31,1、DNA,DNA：染色质中重要的化学成分，为遗传物质的分子基础。人类体细胞中有46个DNA分子就有46条细丝染色质细丝。,功能： 参与染色体的构建；维持染色体结构。 抑制 DNA的复制和转录。,H1 20 富含赖氨酸 广泛,H2A 137 精、赖氨酸含量中等 相当保守,H2B 137 精、赖氨酸含量中等 相当保守,H3 157 富含精氨酸 高度保守,H4 112 富含精氨酸 高度保守,2、组蛋白,组蛋白特点：碱性带正电，多数没有种属与组织特异性,33,非组蛋白：酸性蛋白，种类繁多，功能各异。功能：1.参与染色体的构建（结构蛋白等） 2.启动基因复制（核酸合成酶等） 3.调控基因转录（转录因子等）,3、非组蛋白,34,4、RNA,tRNA、rRNA、mRNA、前体RNA；含量不到DNA量的10%。,35,二、染色体的组装,36,（一）一级结构核小体,核小体是染色质的基本组成单位，为染色质的一级结构， 10nm。将DNA分子长度压缩1/7,37,核小体,球状组蛋白核心,DNA双螺旋(146bp、1.75圈）,H2A,H2A,H2B,H2B,连接DNA（60bp）,核小体,核心部,连接部,DNA分子：146bp、1.75圈,组 蛋 白：2（H2A、H2B、H3、H4）八聚体,组 蛋 白：H1,DNA分子：60bp,39,螺旋管是染色质的二级结构，6个核小体缠绕一圈形成的中空性管. 外30nm; 内10nm,组蛋白H1位于螺旋管内侧。DNA分子长度压缩1/42，螺旋管即为30nm的染色质纤维。,内10nm,组蛋白H1,（二）二级结构螺线管,染色体支架（非组蛋白）,袢环（ 30nm螺旋管）总长520nm 30 000100 000万个bp,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,微 带,一条染色单体约有106个微带。,染色单体,着丝点,着丝点丝,(三）袢环模型（loop model）染色体构建,41,袢环模型（loop model）,42,染色质,异染色质heterochromatin（浓缩染色质、非功能性染色质）：高度螺旋和盘曲、染色深、功能上不很活跃。,常染色质enchromatin（伸展染色质 、功能性染色质）：无明显螺旋和盘曲、染色浅、功能上活跃。,三、常染色质与异染色质,43,异染色质分类,结构异染色质（或组成型异染色质）(constitutive heterochromatin) 兼性异染色质 (facultative heterochromatin),44,结构异染色质（或组成型异染色质）(constitutive heterochromatin), 除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态， 形成多个染色中心 结构异染色质的特征： 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, 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。,45,兼性异染色质 (facultative heterochromatin),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，如X染色体随机失活 异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径,46,X染色体随机失活巴氏小体,47,48,染色单体,主缢痕（初级缢痕）,次缢痕（核仁组织区）,着丝粒centromere,短臂（p）,长臂（q）,主要成分蛋白质,含高度重复DNA,外层,中层,内层,纺锤体微管,姐妹,着丝点（动原粒）,随体,常染色质区,异染色质区-端粒,动粒kinetochore：是两条染色单体外表面在初缢痕处的特殊附加结构，为染色体的运动中心，也是微管聚集中心之一。,四、染色体,49,染色体端粒,50,端粒,端粒是真核生物染色体末端由许多简单重复序列和相关蛋白组成的复合结构，具有维持染色体结构完整性和解决其末端复制难题的作用。细胞每有丝分裂一次，就有一段端粒序列丢失，当端粒长度缩短到一定程度，会使细胞停止分裂，导致衰老与死亡。 端粒酶是一种逆转录酶，由RNA和蛋白质组成，是以自身RNA为模板，合成端粒重复序列，加到新合成DNA链末端。,51,染色体的四种类型：,1/25/8,中央着丝粒染色体,5/87/8,亚中着丝粒染色体,7/8,近端着丝粒染色体,中部,亚中部,近端部,端部,末端处,核型karyotype:染色体相对大小、数目、着丝粒的位置、臂的长短、次缢痕及随体有无构成的全套染色体的特征,52,人类体细胞的正常核型（Denver体制）,53,54,正常男性：46，XY,正常女性：46，XX,55,第三节 核仁nucleolus,56,概念,核仁（nucleolus）：细胞核内由特定染色体上的核仁组织区缔合而成的结构，是细胞内合成rRNA、装配核糖体亚基的部位。,57,学习内容,一、核仁的分子组成 二、核仁的超微结构 三、核仁的功能 四、核仁周期,58,一、核仁的分子组成,化学成分,蛋白质 ：80%，核糖体蛋白、组蛋白、非组蛋白,R N A : 10%，以核糖核蛋白复合体的形式存在,D N A : 8%，核仁染色质,59,二、核仁的超微结构,60,1 . 核仁染色质,核仁周围染色质(NAC) ：包围在核仁周围的染色质，高度螺旋，属异染色质。 核仁内染色质(INC) ： 伸入核仁内的染色质，处于非螺旋状态，属常染色质，载有rRNA基因（rDNA）此段DNA称核仁组织区（NOR）它是形成核仁的部位。,61,人类有5对染色体上存在核仁组织区，它们都是短臂上带有随体的染色体（D组：13、14、15；G组：21、22）这些染色体称核仁组织者染色体。其短臂末端与随体之间有染色质细丝相连（DNA袢环），上含转录rRNA基因它可指导rRNA的合成。,核膜,核仁,含有rDNA的10个伸展的间期染色质袢环进入核仁中,机械剪切,分离的含有不完整染色质袢环的核仁,核仁组织区（NOR）nucleolar-organizer region,62,纤维成份：细丝，可被RNA酶和蛋白酶消化故纤维成分是由NOR转录的rRNA前体与核糖体蛋白质构成的复合物，在浅染区周围呈海绵状网架。,2 . 纤维成份,63,3 . 颗粒成份,颗粒成份：位于核仁的周边部分，电子密度较高，颗粒 1520nm。主要成分为rRNA与核糖体蛋白质，是核糖体亚基的前体。,64,4 . 核仁基质,核仁基质：低电子密度、无定形的蛋白质液体物质，为上述三种结构的存在环境。,65,三、核仁的功能,核仁的主要功能：rRNA (5SrRNA除外）的转录、加工和核糖体亚基的组装。1、45SrRNA的转录 100-5000拷贝rRNA基因（rDNA）转录单位分布于NOR，RNA聚合酶I催化转录出45SrRNA。,rDNA,rRNA,转录的起点,转录的终点,RNA聚合酶,蛋白质颗粒,rDNA,rRNA(45S rRNA前体、纤维状),颗粒状（18s 5.8s 28srRNA、蛋白质颗粒）,核糖体的亚基,45SrRNA的转录,67,2、 rRNA前体的加工与核糖体亚基的组装,45SrRNA与核糖体蛋白质形成核糖核蛋白复合体（RNP），RNA酶开始加工RNP，分别加工出18S,5.8S和28SrRNA。 5SrRNA基因不定位于NOR，在人类1号染色体，由RNA聚合酶III催化转录，加工后直接参与核糖体大亚基的装配。,68,69,四、核仁周期,核仁周期：核仁随细胞周期的进行而呈现周期性变化（形成和消失）。,间 期,细胞有12个或多个核仁。,分 裂 期,染色质浓缩、rRNA合成停止，rDNA袢环逐渐缩回到染色体，核仁缩小继而消失。,细胞分裂期后末期,核仁组织者染色体解旋，rDNA伸展成袢样，在酶的作用下合成rRNA，经积累和包装rDNA袢环周围又组建成新的核仁。,核仁（有）,核仁（消失）,核仁（再现）,70,第四节 核基质nuclear matrix,71,核基质：指间期核除核被膜、核孔复合体、核纤层、染色质及核仁以外的由纤维蛋白构成的核内网架结构也称核骨架。,化学成分,蛋白质（90% ）：,少量RNA和DNA,主要是非组蛋白的纤维蛋白，相当部分为含硫蛋白，分子量4060KD.,概念,72,1 .对间期核内DNA的空间构型起着支撑和维系作用并参与 DNA包装和染色体的构建。,2 . 与DNA的复制有关。,3 . DNA转录RNA的落脚点在核基质上。,4 . 对转录下的RNA进行加工。,5 .病毒 DNA在核内复制与装配也与核基质有关。,核基质的功能,73,第六节 细胞核与疾病,74,一、染色体病,染色体数目或结构异常引起的疾病。Down综合征21三体核型：47，XX（XY），+21 46，XX（XY），-14，+t（14q21q） 46，XX（XY），-21，+t（21q21q）临床表现：智力低下，发育迟缓和特殊面容,75,76,77,78,79,活婴中发生率约1（600800），母亲年龄愈大，本病的