细胞核医学PPT

细胞核(nucleus),细胞遗传与代谢的调控信息中心；真核细胞的重要标志；其结构和功能异常经常会导致各种疾病。,间期核,核被膜染色质核仁核基质(核骨架),核膜(nuclear membrane),一、结构组成,双层膜核周间隙核孔复合体(nuclear pore complex，NPC),外核膜与rER相连内核膜内表面有核纤层(主要成分 是核纤层蛋白lamin),核被膜的TEM照片,核被膜的结构,1.核纤层(nuclear lamina) (p174),(有丝分裂促进因子),核纤层蛋白磷酸化及去磷酸化调节参与核膜的解聚和重组,核膜在细胞有丝分裂中有规律地解体与重建 其动态变化受细胞周期调控因子(MPF等)的调节，与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。,2.核孔复合体 结构模型：fish-trap,胞质环、8条纤维及颗粒核质环、8条纤维形成核篮辐，8根中央栓,功能直径9nm，长约15nm的亲水通道。,幅：柱状亚单位 腔内亚单位 环带亚单位,Cytoplasmic face, cytoplasmic particles,Nuclear face,basket inner complex,1. 区域化作用 构成核、质之间的天然选择性屏障 避免核质间生命活动的彼此干扰； 保护核内DNA不受损伤。2. 核质之间的物质流与信息流,二、核膜的主要功能,3. 合成生物大分子4. 在细胞分裂中参与染色体的定位与分离,(1)通过核孔复合体的被动运输,离子、小分子(5kD)及直径10nm的物质原则上可自由通过。,(2)通过核孔复合体的主动运输,具有高度的选择性，并且是双向的对运输颗粒大小的限制：有效功能直径可被 调节约920nm，甚至可达26nm 。是一个分选信号识别与受体介导的过程，耗能。核输入与核输出。,核孔复合体的核质物质交换：双功能、双向性,亲核蛋白(入核蛋白)核定位序列(nuclear localization sequence，NLS)或核输入信号(nuclear import signal，NIS)：引导蛋白质进入细胞核的一段4-8个氨基酸的信号序列，富含带正电荷的赖氨酸和精氨酸，一般还含有脯氨酸。受体为importin。核输出信号(nuclear export signal，NES)：引导RNA、RNP如核糖体亚基等输出细胞核，受体为exportin。,核蛋白质的运输,爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验,第一个被确定的NLS是猴肾病毒(SV40)的T抗原,核质蛋白的核定位信号，为信号斑,(GTPase 激活蛋白),亲核蛋白通过NPC转运：结合，依赖正常的NLS。转移，需GTP水解供能。还需要一些胞质蛋白因子的帮助，有importin/importin二聚体(本质是NLS受体)、Ran(一种GTP结合蛋白)。蛋白质入核受到多种因素的综合调节。,注意Ran-GTP及Ran-GDP的循环使用,蛋白质的核输入与核输出,注意核输入受体及核输出受体的循环使用,核定位序列与蛋白质入核,小核RNA(snRNA)是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体（spilceosome）的主要成分，参与mRNA前体的加工过程。在天然状态下它们均与蛋白质相结合，称为snRNP。,mRNA的出核转运过程是有极性的，其5端首先通过核孔复合体，3端最后离开细胞核。,真核细胞中RNA一般要经过转录后加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能核输出。 snRNA、mRNA、tRNA以RNP颗粒的形式存在，即RNA的出核转运实际上是RNA-蛋白质复合体的转运，这些蛋白质因子本身含有出核信号。,核骨架(nuclear skeleton)或核基质 (nuclear matrix)与核纤层、胞质中间纤维相互连接形成贯穿于核与质的一个独立结构系统。其主要成分是由非组蛋白的纤维蛋白构成的，还含有多种蛋白成分及少量RNA、DNA。核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的包装与构建有密切关系。 ,核骨架上结合有DNA复制所需要的酶 。还有RNA聚合酶的结合位点，RNA的合成在核骨架上进行的。一般认为核骨架与染色体骨架为同一类物质，30nm的染色质纤维就是结合在核骨架上而形成袢环的结构，在分裂期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体。,Chromosome Structure,(染色体骨架或核骨架),染色质和染色体 (chromatin and chromasome),DNA少量RNA组蛋白(histone)非组蛋白(nonhistone),一、化学组成,DNP(核蛋白),3种序列：单一序列；中度重复序列（1015）；高度重复序列（105）。3种构型：B-DNA； A-DNA； Z-DNA。3种关键序列(功能元件)： (p180)复制源序列着丝粒序列端粒序列 酵母人工染色体(YAC )：含上述3种成分，可用于转基因等研究。,1. 染色体(质)DNA,Three DNA conformations,B型DNA(右手双螺旋DNA)，活性最高的DNA构象； A型DNA，B型DNA的重要变构形式，仍有活性； Z型DNA，左手螺旋，B型DNA的另一种变构形式，活性明显降低。,2. histone non-histone,H1、核小体组蛋白（H2A、H2B、H3、H4），富含带正电荷的精氨酸、赖氨酸等碱性氨基酸，属碱性蛋白。H1具种属和组织特异性。核小体组蛋白在进化上高度保守。可与带负电荷的DNA结合，并抑制其复制和转录。,富含带负电荷的天冬氨酸、谷氨酸等酸性氨基酸，属酸性蛋白。能识别特异的DNA序列，又称序列特异性DNA结合蛋白。具有多种功能，包括作为染色体结构支架；协助DNA复制；调节基因表达。,二、染色体的组装,1. 核小体 (nuclesome) ：直径10nm，包括200bpDNA、核小体组蛋白(组蛋白八聚体)及一分子H1。,核心：(H2A、H2B、H3、H4)2； 146bpDNA缠绕其1.75圈； H1在核心颗粒外与DNA结合，锁住 核心DNA的进出端。连接DNA：平均长度60bp,多个核小体形成核小体链(串珠链)，染色质的一级结构,2. 染色体袢环结构模型,1) 核小体链2) 螺线管：外径30nm，内径10nm，每6个核小体绕成一个螺旋而成。染色质的二级结构 。 3) 袢环：直径300nm，螺线管折叠形成，其基部与非组蛋白的染色体骨架连接。染色质的三级结构。4) 微带：每18个袢环呈放射平面排列绕成。染色质的高级结构或四级结构。5) 染色单体：直径700nm，每一个单体约含106个微带。DNA链被压缩近10000倍,solenoid,示螺线管结构,电镜下的30nm和10nm染色质纤维,(染色体纵轴或支架),示染色质袢环,HeLa细胞中期的染色体骨架（DNA放射环的根部结合在染色体骨架上）,染色体支架,袢环（直径30nm螺旋管）,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,1号染色体中的DNA包装倍数 1号染色体中的双螺旋DNA总长88,000m，包装成染色体后只有10m长。,三、常染色质(euchromatin)和异染色质(heterochromatin),位于核中央，有一部分伸入核仁为核仁内染色质。结构松散，直径10nm，着色浅。早复制(S期早、中期)。可转录，参与蛋白质合成。,紧贴核纤层内面，也伸入核仁为核仁周围染色质。结构紧密， 直径30nm，着色深。晚复制(S期晚期)，早凝缩(异固缩现象)。一般无转录活性。,组成性异染色质：位于染色体端粒、着丝粒、次镒痕处，终生为异染色质。兼性异染色质：在某些细胞类型或一定的发育阶段，原来的常染色质转变为异染色质，或相反。,雌性哺乳类体细胞核内，胚胎发育前16-18天，两条X染色体都有转录活性。之后，其中一条X染色体异染色质化(异固缩)，失活。实现剂量补偿，如G6PD基因(位人Xq28)。染色质通过紧密折叠压缩可能是关闭基因活性的一种途径。,X染色质(barr body，巴氏小体)：,荧光原位杂交显示的着丝粒卫星DNA和端粒,barr body,多形核白细胞的核内，X染色质形成特殊的“鼓槌”结构。,口腔粘膜上皮细胞中，X染色质紧贴在细胞核膜内表面，深染。,其它兼性异染色质：,如血红蛋白链基因在胎儿期是异染色质，在成人期是常染色质。血红蛋白基因在红细胞中是常染色质，在其它细胞中是异染色质。,Hb 类型,成人Hb： Hb A 22 9798% Hb A2 22 23% Hb F 22 1%胎儿Hb： Hb F 22 胚胎Hb： Hb Gower 22 (妊娠12周内）Hb Gower 22 Hb Portland 22,四、中期染色体,次缢痕,姐妹染色单体,染色体的四种类型,两种黄麂的核型,核型(karyotype) 是指染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征的总和。,核仁组织区(nucleolar organizer，NOR)： 控制间期核仁形成的染色质部分，即rRNA基因(rDNA)，位于有随体染色体(人类13、14、15、21、22号)的次缢痕处。（p180）,核仁（nucleolus）,见于间期的细胞核内，海绵状球体, 无外界膜包围，一般1-2个，也有多达3-5个的。 核仁的形状、大小、数量、位置等因细胞种类和生理状态而异。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，反之核仁很小或缺如。 核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。 核仁的主要功能是转录rRNA和组装核糖体单位。,一、核仁的化学组成和亚微结构纤维中心(FC) ：主要成分为rDNA致密纤维区(DFC) ：rDNA rRNA RNP颗粒区(GC) ：不同加工阶段的RNP 核糖体亚基前体核仁相随染色质,核仁内染色质： rDNA，即NOR核仁周围染色质,转录,RNA结合蛋白,BHK-21细胞核仁的电镜照片，银颗粒示rRNA转录部位,二、核仁周期,1. 有丝分裂前期：染色质 染色体, RNA聚合酶磷酸化，rDNA停止转录，核仁逐渐消失。,2. 末期：染色体 染色质，rDNA转录为rRNA，核仁出现。,凝集,去凝集,三、核仁的功能,1. rRNA的合成、加工成熟 rDNA：每个转录单位包括5.8S、18S、 28S rRNA基因及间隔顺序，在染色质轴丝上呈串联重复，彼此以非转录间隔顺序相连，转录时呈“圣诞树”样结构串。,rDNA每个转录单位 前体rRNA (45S) 5.8S、18S、28S rRNA,转录,核酸酶,转录单位之rRNA基因的结构,（一个转录单位）,核仁致密纤维区,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,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B.Alberts）,人类有5对染色体(13、14、15、21、22号)含有核仁组织者,2. 核糖体的组装,18S rRNA+蛋白质小亚基前体,28S、5.8S rRNA+蛋白质大亚基前体,其它核DNA 5S rRNA,核孔运输,核糖体,转录,5SrRNA通常定位在常染色体，人的位于1号染色体长臂，转录后被转运至核仁区参与大亚基的装配,细胞核与病变,细胞核形态异常染色体异常、基因突变,三倍体(triploid)：3n69,染色体数目异常,双倍染色体(diplochromosome),染色体结构异常,相互易位(reciprocal translocation),环状染色体(ring chromosome，r),常染色体病,先天愚形(Down syndrome),发病率1/8001/600新生儿严重智力低下生长发育迟缓特殊面容眼距宽，外眼角上斜鼻根低平，舌大通贯手，小指内弯，一指褶纹男性不育、女性偶有生育能力,21三体型：占95，47, XX(XY), 21 主要原因是母亲卵细胞形成时减数分裂中21号染色体不分离。发病率随母亲年龄增高而增大。,椭园形红细胞增多症低磷酸酯酶症岩藻糖苷贮积病尿粪卟啉症肝红细胞生成卟啉症进行性神经性腓骨肌萎缩2型神经元型婴儿蜡样脂褐质沉积症神经-症1型补体8缺乏症1和2型酰基辅酶A脱氢酶缺乏症枫糖尿症2型Zellweger综合症2型糖元贮积症3型粉带状白内障高歇病磷酸激酶缺乏进行性神经性腓骨肌萎缩1B五因子缺乏抗凝血酶3缺乏慢性肉芽肿大泡性表皮松懈Herltz型糖元贮积症7型家族性肥大性心肌病低血钾周期性麻痹13B因子缺乏usher综合征2型V