第八章 细胞核

.,第八章细胞核nucleus,.,细胞核,真核细胞内最大、最重要的细胞器细胞遗传与代谢的调控信息中心,.,第一节核膜,一、核膜的化学组成1.蛋白质：部分与内质网相似，内核膜含有核纤层蛋白2.脂类：与内质网相似,.,第一节核膜,二、核膜的结构与区域化作用1.双层但不连续的非对称性膜单位1)外核膜：与内质网相连，附着有核糖体颗粒及中间纤维，参与蛋白质合成及细胞核定位。2)内核膜：表面光滑，紧密附着核纤层3)核周间隙：内外核膜之间的腔隙，与内质网联通。4)核孔：内外核膜融合形成，由蛋白质构成复杂结构，负责核内外物质运输。数目与细胞代谢状态有关。,.,.,第一节核膜,.,第一节核膜,2.核膜将核质与胞质限定在各自区域并控制着核-质间的物质交换1)核膜的区域化作用使转录和翻译在空间上分离DNA复制、RNA转录和加工在核内，蛋白质合成在胞质，避免相互干扰。2)核膜控制着细胞核与细胞质间的物质交换,.,第一节核膜,三、核孔复合体与核-质间物质运输1.核孔复合体的捕鱼笼结构模型：(1)胞质环(cytoplasmicring),外环(2)核质环(nuclearring),内环(3)辐(spoke)(4)中央栓(centralplug):transporter,.,第一节核膜,.,第一节核膜,八个方向的对称结构含有围绕中央通道的8根辐条状组合辐条连接到核与细胞质界面上的环NPC电镜照片：,.,第一节核膜,NPC经典研究手段:树脂包埋超薄切片，负染色技术，冷冻蚀刻。,.,第一节核膜,在扫描电子显微镜下用场散射透镜显示的Xenopusoocytes的核被膜,.,第一节核膜,2.核孔复合体介导细胞核与细胞质间的物质交换主动运输和被动运输介导双向物质转运,.,第一节核膜,亲核蛋白依靠本身核定位序列与核转运受体蛋白结合形成复合体，从核孔依靠GTP水解产能进入细胞核，核转运受体被分离回到胞质重复使用。第一步：不需要能量，含有NLSs的蛋白质结合到核被膜上，但不通过核孔第二步：需能过程，要求GTP水解,.,第一节核膜,.,第一节核膜,Ran蛋白在核转运过程中的作用,.,AtypicalNLScontainsseveralconsecutivebasicaminoacids(thepositivelychargedAA:Lys,Arg),Normalpyruvatekinase:incytosol,ChimericpyruvatekinasecontainingSV40NLS:innucleus,.,第一节核膜,四、核纤层的结构与功能1、核纤层是一层紧贴内核膜的纤维蛋白网核纤层蛋白ABC组成，属于中间纤维蛋白，在内核膜与染色体之间形成笼型网络2.功能：细胞核支架与核膜重建及染色体凝集密切相关参与细胞核构建与DNA复制,.,第一节核膜,.,核纤层蛋白（Lamins）,.,薄层网状结构的核纤层：,.,第二节染色质与染色体,“染色质”由Flemming（1882年）首次提出，是指间期细胞核内能被碱性染料着色的物质。,染色质和染色体是同一种物质在细胞周期不同阶段的表现形式。,.,第二节染色质与染色体,一、染色质的组成成分（染色质与染色体）1.DNA（必须的三个功能序列）端粒：富含G的简单重复序列，维持DNA复制的完整性和稳定性着丝粒：姐妹染色单体的连接部位复制起始序列：多个，复制时同时激活,.,第二节染色质与染色体,.,第二节染色质与染色体,2.组蛋白：碱性蛋白质核小体组蛋白:H2A,H2B,H3,H4，高度保守，参与构成八聚体。H1，具有特异性，稳定核小体进出DNA序列。参与染色体折叠包装，保护DNA；通过氨基酸修饰调控基因转录。3.非组蛋白：与DNA序列特异性结合，调控转录,.,第二节染色质与染色体,二、常染色质与异染色质1.常染色质(1)概念: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较浅的染色质(2)组成:单一序列和中度重复序列(3)DNA包装比约为1/20001/1000(4)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,.,第二节染色质与染色体,2.异染色质(1)概念:间期细胞核中,折叠压缩程度高,处于聚缩状态的染色质组分(2)类型组成型异染色质(constitutive)除复制期以外,整个细胞周期均处于聚缩状态,形成多个染色中心兼性异染色质(facultative)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,如哺乳类X染色体失活,.,第二节染色质与染色体,TheinactiveXchromosome:anexampleoffacultativeheterochromatin,.,第二节染色质与染色体,.,第二节染色质与染色体,.,第二节染色质与染色体,三、染色质组装为染色体1.核小体：DNA片段缠绕组蛋白八聚体形成的基本结构单位。,.,第二节染色质与染色体,(1)核小体单位:200bpDNA,1个八聚体,1分子H1(2)组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构(3)146bpDNA盘绕八聚体1.75圈,H1在核心颗粒外锁住核小体DNA的进出端,稳定核小体(4)相邻核小体间以连接DNA相连,典型长度60bp(5)组蛋白与DNA间的相互作用无碱基序列特异性,.,球状组蛋白核心,DNA双螺旋(146bp、1.75圈）,H2A,H2A,H2B,H2B,连接DNA（50-60bp）,核小体,核心部,连接部:,DNA分子：146bp、1.75圈,组蛋白：2（H2A、H2B、H3、H4）,DNA分子：60bp,八聚体,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。,.,螺线管是染色质的二级结构。每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。将串珠状小体长度压缩5/6；DNA分子长度压缩1/42，螺线管即为30nm的染色质纤维。,10nm,组蛋白,2.二级结构,.,第二节染色质与染色体,beadsonastring-nucleosomefrominterphasenucleus,.,第二节染色质与染色体,螺线管,.,3.三级结构：,超螺线管为染色质的三级结构，它是由螺线管进一步盘曲而形成。将螺线管长度压缩3940倍。,超螺线管进一步折叠又被压缩46倍成为四级结构染色单体。,经过染色体的四级结构，DNA分子长度压缩了800010000倍。,4.四级结构：,.,第二节染色质与染色体,(1)一级结构:核小体(2)二级结构:螺线管(solenoid)(3)三级结构:超螺线管(supersolenoid)(4)四级结构:染色单体(chromatid)76405DNA核小体螺线管超螺线管染色单体,.,第二节染色质与染色体,四、染色体的形态结构1.着丝粒：主缢痕处的染色质部分，连接两个姐妹染色单体，由高度重复的异染色质组成。动粒：主缢痕两侧的特化圆盘状结构，由蛋白质构成，是细胞分裂时纺锤丝动粒微管的附着部位，参与染色体向两级移动。着丝粒动粒复合体：动粒结构域；中心结构域和配对结构域。,.,第二节染色质与染色体,.,第二节染色质与染色体,(1)中着丝粒染色体(metacentricCS)(2)亚中着丝粒染色体(submetacentricCS)(3)亚端着丝粒染色体(subtelocentricCS)(4)端着丝粒染色体(telocentricCS),.,第二节染色质与染色体,2.次缢痕：除主缢痕之外的缢缩部位。至少有一条染色体上有次缢痕，但并非所有染色体上都有。可用作鉴别染色体的标记。3.端粒：位于染色体两端的特化结构，相同的短串联重复序列和蛋白质构成。维持染色体稳定与完整，参与染色体核内排布和同源染色体配对，与衰老凋亡相关。4.随体：染色体末端球形或棒状结构，由异染色质构成，通过次缢痕与主体相连，是识别染色体的重要形态特征。5.核仁组织区rRNA基因转录活跃区域，与核仁形成有关。,.,主缢痕(初级缢痕),次缢痕,着丝粒,短臂（p）,长臂（q）,随体,常染色质区,异染色质区,端粒,中期染色体的形态结构,.,第二节染色质与染色体,多线染色体：一条染色体含有多条染色单体而不分离，光镜下表现为沿染色体纵轴一系列深浅交替的带与间带。(1)双翅目昆虫幼虫组织细胞(2)来源:核内有丝分裂(3)带及间带(4)袢环:基因活跃转录的形态学标志,.,第二节染色质与染色体,灯刷染色体：同源染色体交叉相连，染色粒串联为主轴，向两侧伸出成对侧环。(1)普遍见于动物卵母细胞(2)来源:停留在双线期的染色体。,.,第二节染色质与染色体,五、核型与染色体带型核型：个体细胞全部染色体在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小和形态特征。,.,第二节染色质与染色体,带型：染色体经特定染料染色后，沿长轴显示深浅各异、宽窄不等的带纹，是鉴别染色体和易位片段的重要手段。,.,第三节核仁,一、核仁的形态和化学组成1.基因：纤维中心是分布有rRNA基因的染色质区2.转录：致密纤维含有处于不同转录阶段的rRNA分子3.加工：颗粒分子由正在加工和成熟的RNA及蛋白质构成,.,rDNA是染色体上伸展出的DNA袢环，在袢环上rRNA基因串联排列，进行高速转录，产生rRNA，组织形成核仁。每一个rRNA基因的袢环称为一个核仁组织者。rRNA基因通常分布于几条不同的染色体上，人类rRNA基因位于5条染色体上，即13、14、15、21、22号染色体。在二倍体的46条染色体上，就有10条分布有rRNA基因，它们共同构成的区域称为NOR。核仁组织区定位在核仁染色体的次缢痕部位。,核仁组织区（NOR）,.,人间期细胞核仁组织区含有rRNA基因的10个染色体袢环延伸进入并簇集在核仁（引自Alberts）,.,第三节核仁,二、核仁的功能1.rRNA基因转录加工的场所2.rRNA与核糖体蛋白组装,.,第三节核仁,三、核仁周期与细胞周期相关联，有丝分裂时结构和功能的周期性变化1.变形变小2.RNA合成停止，袢环收缩3.核仁消失4.DNA解聚，重新组成前核仁体5.融合为核仁,.,第四节核骨架,一、核骨架的形态结构与化学组成1.形态结构：细胞核内广泛分布的以纤维蛋白构成的交错排列