王金发细胞生物学第11章_(PPTminimizer)

CHAPTER11 CellNucleusandChromosome OUTLINE 1 NUCLEARENVELOPE2 TRANSPORTTHROUGHNUCLEARPORECOMPLEXE3 MOLECULARCHAPERONE4 CHROMATIN5 CHROMOSOME6 NUCLEOLUS 细胞核 如何理解细胞核 遗传学 生物化学 细胞生物学 结构 功能 通过遗传物质的复制和细胞分裂 保持细胞世代间的连续性 遗传 通过基因的选择性表达 控制细胞的代谢活动 以适应外界环境 11 1NuclearEnvelope 11 1 1StructureoftheNuclearEnvelope 一般结构 Outernuclearmembrane Innernuclearmembrane Perinuclearspace两层核膜之间的空隙 宽15 30nm 其中充满无定形物质 核纤层 lamina 核孔 由内外两层膜的局部融合而成 核孔的直径为80 120nm 一个典型的哺乳动物的核膜上有3000 4000个核孔 相当于每平方微米的核膜上有10 60个 合成功能旺盛的细胞 核孔的数量较多 电镜观察的核孔 11 1 2FunctionsoftheNuclearEnvelope 基因表达的时空隔离 核膜成为保护性屏障 使核处于一微环境 染色体的定位和酶分子的支架 物质运输 核孔复合体的结构 鱼笼模型 胞质环 cytoplasmicring 细胞质颗粒 cytoplasmicgranular 核质环 nucleoplasmicring 中央运输蛋白 辐条 spoke 核被膜网格 NuclearEnvelopelattice 笼状体 basket 11 2核孔复合体的结构与功能 NuclearPoreComplexes Modelofthenuclearporecomplex Modelofthenuclearporecomplex 核孔运输特点 被动运输 主动运输 信号引导 双向性 核孔的运输作用 核孔的被动运输 核孔的双向运输 核孔运输的信号引导 mRNA的输出 11 2 1核蛋白运输机制 基本概念 核蛋白 nuclearprotein 核定位信号 nuclearlocalizationsignals NLS 核输出信号 nuclearexportsignals NES 输入蛋白 importin 输出蛋白 exportin 核定位信号 Nuclearlocalizationsignals 核蛋白的输入 核质蛋白 nucleoplasmin 实验 核蛋白输入机理 输入蛋白 Ran蛋白 RCC1 核质蛋白的标记与注射实验 核质素的核定位信号及其作用 核蛋白输入机理 核内RNA与蛋白质输出 mRNA的输出 异质核糖核蛋白 heterogeneousribonucleoprotein hnRNP 信使RNP messengerRNP mRNP mRNA的输出 核内蛋白质输出 snRNA的输出 mRNA的输出 核内蛋白质的输出 snRNA的输出 11 3分子伴侣 chaperones 11 3 1分子伴侣的发现及种类 Theterm chaperone wasfirstusedbyRonLaskeyandhiscolleaguestodescribeaprotein nucleoplasmin thatisrequiredfortheassemblyofnucleosomesfromhistonesandDNA Nucleoplasminbindstohistonesandmediatestheirassemblyintonucleosomes butnucleoplasminitselfisnotincorporatedintothefinalnucleosomestructure Chaperonesthusactascatalyststhatfacilitateassemblywithoutbeingpartoftheassembledcomplex 分子伴侣的概念及其特点 1991年Ellis等人提出 由不相关类的蛋白质组成的一个家系 它们介导其它蛋白质的正确装配 但自己不成为最后功能结构中的组分 该概念有以下特点 凡具有 介导 功能的蛋白 都称为分子伴侣 可以是完全不同的蛋白质 作用机理尚不清楚 故用 介导 二字 伸缩性较大 分子伴侣一定不是最终结构的组成部分 但不一定是一个分离的实体 装配的涵意比较广 包括 帮助新生肽的折叠 越膜定位 亚基组装等 Itisimportanttonotethat Chaperonesdonotconveyadditionalinformationrequiredforthefoldingofpolypeptidesintotheircorrectthree dimensionalconformations Thefoldedconformationofaproteinisdeterminedsolelybyitsaminoacidsequence Rather chaperonescatalyzeproteinfoldingbyassistingtheself assemblyprocess Theyappeartofunctionbybindingtoandstabilizingunfoldedorpartiallyfoldedpolypeptidesthatareintermediatesalongthepathwayleadingtothefinalcorrectlyfoldedstate 分子伴侣的基本功能 分子内伴侣 intromolecularchaperones 分子伴侣的分布 从细菌到人 从动物到植物 细胞质 线粒体 叶绿体和微体 分子伴侣结构上的共同特点 家族成员具有高度保守性 家族成员结构上具有相似性 大部分在体内为组成型表达 在刺激条件下会被进一步诱导 Hsp60的电镜三维镜象照片 11 3 2functionsofchaperones 帮助蛋白质折叠和装配 蛋白质的转运和定位 参与细胞器和细胞核结构的发生 应激反应 参与信号转导 Actionofchaperonesduringtranslation ActionsofchaperonesGroEL GroESofE coliinproteinfolding SequentialactionsofHsp70andHsp60chaperones Actionofchaperonesinsignaling Actionofchaperonesduringproteintransport MolecularChaperones 应激反应 Molecularchaperoneswereinitiallyidentifiedasheat shockproteins agroupofproteinsexpressedincellsthathavebeensubjectedtoelevatedtemperaturesorotherformsofenvironmentalstress Theheat shockproteins abbreviatedHsp whicharehighlyconservedinbothprokaryoticandeukaryoticcells arethoughttostabilizeandfacilitatetherefoldingofproteinsthathavebeenpartiallydenaturedasaresultofexposuretoelevatedtemperature However manymembersoftheheat shockproteinfamilyareexpressedandhaveessentialcellularfunctionsundernormalgrowthconditions Theseproteinsserveasmolecularchaperones whichareneededforpolypeptidefoldingandtransportundernormalconditionsaswellasincellssubjectedtoenvironmentalstress 11 4Chromatin 染色质 Chromatin 染色体 chromosome 染色体与染色质比较 在化学本质上没有差异 在构型上不同 是遗传物质在细胞周期不同阶段的不同表现形式 11 4 1DNA DNA的三种构型三种DNA构型中 沟的特征在遗传信息表达过程中起关键作用 调控蛋白都是通过其分子上氨基酸侧链与沟中碱基对两侧潜在的氢原子供体 NH 或受体 O和N 形成氢键而识别DNA遗传信息的 另外 Z型DNA同细胞癌变有一定的关系 三种不同构型的DNA DNA结构稳定遗传的功能序列 ARS autonomousreplicatingsequence CEN centromericsequence Thecentromereisaspecializedregionofthechromosomethatplaysacriticalroleinensuringthecorrectdistributionofduplicatedchromosomestodaughtercellsduringmitosis TEL telomericsequence Thesequencesattheendsofeukaryoticchromosomes calledtelomeres playcriticalrolesinchromosomereplicationandmaintenance 不同生物端粒序列特征 DNA稳定遗传的三种功能位点 端粒的形成 人工染色体 artificialchromosome 人工构建的含有稳定染色体的天然结构序列 即ARS CEN TEL序列的微小染色体 可以象天然染色体一样在寄主细胞中稳定复制和遗传 称为人工染色体 Yeastartificialchromosome 11 4 2Histone 组蛋白的性质和类型 Thehistonesaresmallproteinscontainingahighproportionofbasicaminoacids arginineandlysine thatfacilitatebindingtothenegativelychargedDNAmolecule Therearefivemajortypesofhistones calledH1 H2A H2B H3 andH4 whichareverysimilaramongdifferentspeciesofeukaryotes 精细胞中是由精蛋白代替组蛋白 成熟的鱼类和鸟类的红细胞中H1则被H5所取代 染色质中的组蛋白与DNA的含量之比为 1 1 组蛋白的功能 核小体组蛋白 nucleosomalhistone 包括H2A H2B H3和H4 作用是与DNA组装成核小体 H1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 组蛋白的化学修饰虽然组蛋白分子的氨基酸序列是高度保守的 也会进行一些化学修饰 如酰基化 甲基化 磷酸化 以及ADP核糖化等 组蛋白的化学修饰 组蛋白的化学修饰 11 4 3Nonhistoneproteins Nonhistonechromosomalproteinsincludealargenumberofwidelydiversestructural enzymatic andregulatoryproteins 11 4 3Nonhistoneproteins 非组蛋白的种类与性质 序列特异性DNA结合蛋白 sequence specificDNA bindingprotein 其他蛋白 以DNA作为底物的酶 作用于组蛋白的一些酶 调节基因表达的蛋白因子等 非组蛋白的特性 呈酸性 带负电荷 非组蛋白的功能除了一些酶以外 非组蛋白还具有以下功能 参与染色体的构建 参与DNA复制 调控基因的表达 非组蛋白参与染色体构建 TranscriptionFactorMotifs TranscriptionFactorMotifs 锌指结构基序 模体 zincfingermotif Thezincionofeachfingeriscoordinatedtotwocysteinesandtwohistidines 有两种主要的锌指结构 Cys2 His2指和Cys2 Cys2的锌指结构 锌指结构基序 Thehelix turn helixmotif 由两个 螺旋组成的同型二聚体 两个 螺旋之间被一段转动的肽隔开 一个螺旋为识别螺旋 recognitionhelix 负责识别DNA大沟的特异碱基序列 另一个螺旋没有碱基特异性 与DNA磷酸戊糖链骨架接触 Thehelix turn helixmotif Theleucinezippermotif Theleucinezippercontainsfourorfiveleucineresiduesspacedatintervalsofsevenaminoacids resultingintheirhydrophobicsidechainsbeingexposedatonesideofahelicalregion Thisregionservesasthedimerizationdomainforthetwoproteinsubunits whichareheldtogetherbyhydrophobicinteractionsbetweentheleucinesidechains Theleucinezippermotif Helix loop helix HLH motif Thismotifischaracterizedbytwo helicalsegmentsseparatedbyaninterveningloop 它与螺旋 转角 螺旋结构的差别在于 两个螺旋的一侧还有一段疏水链 这样当螺旋 环 螺旋结构位于两个多肽之间时 这两个疏水的侧链就会将两个多肽链连在一起形成类似亮氨酸拉链的结构 Thehelix loop helix HLH motif Trans actingfactorandcis actingelement 反式作用因子 trans actingfactor Theycanaffecttheexpressionofgeneslocatedonotherchromosomeswithinthecell 顺式作用元件 cis actingelement TheyaffecttheexpressionofonlylinkedgenesonthesameDNAmolecule Trans actingfactorandcis actingelement 金属硫蛋白基因的调控区 11 4 4染色质的类型 异固缩 heteropythosis 常染色质 euchromatin 异染色质 heterochromatin 结构性异染色质 activechromatin 兼性异染色质 inactivechromatin X失活 X inactivation 11 4 5Nucleosome 核小体的结构特点Nucleosomeisbasicstructuralunitofchromatin 由200个左右碱基对的DNA和四种组蛋白结合而成 其中四种组蛋白 H2A H2B H3 H4 各2分子组成八聚体的小圆盘 是核小体的核心结构 146个碱基对的DNA绕在小圆盘外外面13 4圈 每一分子的H1与DNA结合 起稳定核小体结构的作用 两相邻核小体之间以连接DNA linkerDNA 相连 长度为 80bp不等 Theorganizationofchromatininnucleosomes 核小体 Structureofachromatosome A Thenucleosomecoreparticleconsistsof146basepairsofDNAwrapped1 65turnsaroundahistoneoctamerconsistingoftwomoleculeseachofH2A H2B H3 andH4 AchromatosomecontainstwofullturnsofDNA 166basepairs lockedinplacebyonemoleculeofH1 B Modelofthenucleosomecoreparticle TheDNAbackbonesareshowninbrownandturquoise Thehistonesareshowninblue H3 green H4 yellow H2A andred H2B 核酸酶超敏感位点 nuclease supersensitivesite 核小体与DNA的复制 八聚体的组蛋白进行部分解离 其中 H3 H4 2四聚体在一起 并且在两条子代双链上随机分布 原核小体中的H2A H2B则是以两个二聚体存在 并相互分离 随机与子代双链上原或新合成的 H3 H4 2四聚体结合组成核小体 核小体与DNA的转录即使正在转录的基因仍然有核小体结构 表明转录并不要求整个基因都处于无核小体状态 核小体与DNA的转录 核小体与基因转录 组蛋白乙酰化与基因转录 11 5 1Chromosomepacking 核小体 nucleosome 螺线管 solenoid 超螺线管 supersolenoid 染色体 chromosome 从核小体开始到染色体 DNA总共压缩 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 染色体的四级结构 30nm纤维 11 5 2中期染色体 形态和类型中期染色体是以两条姐妹染色体 chromatid 构成 彼此以着丝粒相连 11 5染色体 chromosome Chromatinfibersarethoughttofolduponthemselvesfurthertoformthecompactmetaphasechromosomesofmitoticcells inwhichtheDNAhasbeencondensednearly10 000 fold 色体的电镜照片 染色体的主要结构 着丝粒 centromere 主缢痕 Primaryconstriction 次缢痕 secondaryconstriction 动粒 kinetochore 核仁组织区 nucleolarorganizingregion NOR 随体 satellite 端粒 telomere 四种不同位置着丝粒的染色体 着丝粒与动粒 Centromereandkinetochore 主缢痕与主缢痕 11 5 3Giantchromosone 多线染色体 polytenechromosome 概念 时相 间期 存在的组织 双翅目昆虫的幼虫组织内 如唾液腺 气管等 体积也相应增大 产生的原因 Polytenechromosome 灯刷染色体 lampbrushchromosome 灯刷染色体是卵母细胞进行减数第一次分裂时 停留在双线期的染色体 它是一个二价体 含4条染色单体 它由轴和侧丝组成 形似灯刷 灯刷染色体 11 5Nucleolus Themostprominentsubstructurewithinthenucleusisthenucleolus whichisthesiteofrRNAtranscriptionandprocessing andofribosomeassembly 11 6 1核仁的结构与核仁周期 核仁的基本结构 纤维中心 fibrillarcentersFC 致密纤维组分 d