第11章--细胞核与染色质

第11章细胞核与染色质,本章主要内容,核被膜染色质染色质的复制与表达染色体核仁与核体核基质,第一节核被膜,/djohnso2/44962/405/nucleus.html,一、核膜,/content/318/5855/1408/F1.large.jpg,（一）核膜结构,（二）核膜的崩解与组装,Breakdownandreformationofnuclearenvelopeduringmitosis,二、核孔复合体,（一）结构模型“fish-trap”,胞质环（cytoplasmicring）核质环（nuclearring）辐（spoke）：柱状亚单位；腔内亚单位；环带亚单位中央栓（centralplug），中央颗粒（centralgranule）,（二）组成成分,NatureReviewsMolecularCellBiology11,490-501(July2010)|doi:10.1038/nrm2928,核孔蛋白（nucleoporin，Nup）,核孔蛋白（nucleoporin，Nup）,Gp210：结构性跨膜蛋白介导NPC与核被膜连接在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用在核质交换中起作用p62：功能性Nup疏水性N端区：具有FXFG重复序列C端区：具有疏水性的7肽重复序列,http:/npd.hgu.mrc.ac.uk/user/?page=nuc_pore,（三）功能,双功能、双向性的亲水性核质交换通道PassivetransportActivetransportSignalBidirectionaltraffic,通过核孔复合体的物质运输,1通过核孔复合体的被动扩散,10nm,直径9-10nm,2核孔复合体的主动运输,入核是否由分子大小决定呢？,爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验（1）,核质蛋白哪部分负责其在核内定位？该实验如何证明其入核是由核定位信号指导的主动运输，而不是被动扩散？,爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验（1）,信号与Ran蛋白,核定位信号（NLS）：引导蛋白进入细胞核，受体为importin，4-8个氨基酸组成，含Pro、Lys和Arg。完成核输入后不被切除第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，其NLS为：Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val核输出信号（NES），引导RNP输出细胞核，受体为exportinRan蛋白，属G蛋白，调节货物复合体的解体或形成,Nuclearlocalizationsignals,Wild-type:T-antigeninnucleus,Mutant-type:T-antigenincytosol,Figure12-11MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),NLSofSV40sT-antigen,Normalpyruvatekinase:incytosol,ChimericpyruvatekinasecontainingSV40NLS:innucleus,Nuclearlocalizationsignals,2核孔复合体的主动运输,对运输颗粒大小的限制信号识别与载体介导需要消耗ATP能量具有双向性，即核输入与核输出,RanGTP/GDP,NPCmediatesbidirectionalnucleocytoplasmictrafficking,Science30November2007:Vol.318no.5855pp.1412-1416,亲核蛋白通过核孔复合体的转运,三、核纤层,3种核纤层蛋白：laminA、B、C核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构,核纤层蛋白,Genes&Dev.2008.22:832-853,核纤层的功能nuclearlamina,结构支撑功能调节基因表达调节DNA修复与细胞周期有关,/wiki/Nuclear_lamina,Hutchinson-GilfordProgeriaSyndrome(HGPS),InHGPSpatientsthecellnucleushasdramaticallyaberrantmorphology(bottom,right)ratherthantheuniformshapetypicallyfoundinhealthyindividuals(top,right),第二节染色质,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,一、染色质DNA,染色质和染色体是在细胞周期不同阶段可以互相转变的形态结构,（一）基因组大小比较,Figure1-37MolecularBiologyoftheCell,FifthEdition(GarlandScience2008),（二）基因组DNA类型,ClassificationofeukaryoticDNA,/books/NBK21791/,DNA3种构型,二、染色质蛋白,组蛋白（histone）与DNA结合没有序列特异性非组蛋白（nonhistone）与特定DNA序列或组蛋白相结合,NatureReviewsNephrology6,332-341(June2010),（一）组蛋白,属碱性蛋白质，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，可以和酸性DNA紧密结合，一般不要求特殊核苷酸序列核小体组蛋白H2A、H2B、H3和H4没有种属及组织特异性，进化上十分保守H1组蛋白有一定的种属和组织特异性,（二）非组蛋白,序列特异性DNA结合蛋白特性多样性识别DNA具有特异性具有功能多样性,凝胶延滞实验（gelretardationassay）,/courses/biol350/Transcriptome17/Review.html,三、核小体,（一）核小体的发现,透射电镜显示串珠状11nm的核小体结构,Figure4-22MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),（一）核小体的发现,非特异性微球菌核酸酶消化染色质,（一）核小体的发现,X射线晶体衍射揭示核小体三维结构,（一）核小体的发现,SV40微小染色体（minichromosome）分析,Virology,2009,384(2):352-359,（二）核小体的结构,包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白H1组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心颗粒，由4个异二聚体组成，包括两个H2AH2B和两个H3H4,（二）核小体的结构,146bp166bp200bpLinkerDNA,（二）核小体的结构,组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列核小体沿DNA的定位受不同因素的影响,Figure4-27MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),四、染色质组装,人体细胞46条染色体含DNA约6109bp，总长如何计算？,http:/www.chromatintoronto.ca/projects.html,（一）染色质组装的前期过程,裸露DNA组装直径30nm螺线管H3H4两个异二聚体结合两个H2AH2B异二聚体加入组蛋白的去乙酰化，H1组蛋白结合伴随着核小体的折叠6个核小体组成一个螺旋进一步的折叠事件,（二）染色质组装的多级螺旋模型,一级结构：核小体二级结构：螺线管三级结构：超螺线管四级结构：染色单体,Figure4-72MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),NatureStructural&MolecularBiology12,6(2005),（三）染色质组装的放射环结构模型,/Heidi/chapter12/chp12.htm,Chromatinhashighlycomplexstructurewithseverallevelsoforganization,CondensationofDNAintochromatinandchromosome,五、染色质类型,常染色质（euchromatin）异染色质（heterochromatin）结构异染色质或组成型异染色质（constitutiveheterochromatin）兼性异染色质（facultativeheterochromatin）,（一）常染色质与异染色质,BarrBodies:heterochromatinizedX-chromosomes,Nucleosomearrangementintranscriptionallyinactiveheterochromatinandactiveeuchromatin,http:/www.mun.ca/biology/scarr/Barr_Bodies.html,（二）常染色质与异染色质间的转变,异染色质或常染色质之间随着发育时期或细胞周期的变化可能相互转化异染色质与常染色质之间的转变常常需要组蛋白与DNA修饰,（三）活性染色质与非活性染色质,活性染色质(activechromatin)具有转录活性具有疏松的染色质结构非活性染色质(inactivechromatin)没有转录活性,1活性染色质对DNase超敏感,2活性染色质的蛋白组成与修饰变化,活性染色质很少有组蛋白H1与其结合与非活性染色质相比，活性染色质上组蛋白乙酰化程度高与非活性染色质相比，活性染色质核小体组蛋白H2B很少被磷酸化核小体组蛋白H2A在活性染色质中很少有变异形式存在组蛋白H3变种H3.3只在活跃转录的染色质中出现HMG14和HMG17只存在于活性染色质中，与DNA结合,2活性染色质的蛋白组成与修饰变化,活性染色质标志：H3N端第4个赖氨酸的甲基化，第9和14个赖氨酸的乙酰化以及第10个丝氨酸的磷酸化；非活性染色质标志：H3N端第9个赖氨酸甲基化而不是乙酰化,第三节染色质的复制与表达,http:/www.scottishchromatin.co.uk/SCG7%20Glasgow%20June%202010/Image1.gif,四、染色质与表观遗传,（一）表观遗传与遗传,遗传学变化通过DNA序列突变实现的，通过生殖细胞得以遗传表观遗传变化通过组蛋白和DNA不同修饰实现，只在体细胞中出现。,CellResearch(2006)16:742749,（二）表观遗传的工作模型,（三）表观遗传的问题,表观遗传密码子是什么？表观遗传是如何传代的？表观遗传记忆本质是什么？生殖细胞中有没有表观遗传印记来保持它的全能性？非编码RNA在表观遗传调控中的作用是什么？表观遗传如何控制干细胞的全能或多能性？,第四节染色体,一、染色体形态结构,由两条相同的姐妹染色单体（chromatid）构成，彼此以着丝粒（centromere）相连根据着丝粒在染色体上所处的位置，分为4种类型,一、染色体形态结构着丝粒与动粒,动粒结构域（kinetochoredomain）内板（innerplate）中间间隙（middlespace）外板（outerplate）纤维冠（fibrouscorona）中央结构域（centraldomain）配对结构域（pairingdomain）,着丝粒与动粒,一、染色体形态结构,次缢痕核仁组织区随体端粒,核仁组织区（nucleolarorganizingregion，NOR）,http:/www.nenno.it/phaseolus-polytene-chromosomes/nor,B:SchematicdrawingofacollectingnucleolusmadeupbytheNORsof5chromosomes.C:DrawingofthedifferentformsofcondensationoftheNOR.i:partoftheNORcondensed,andtheotheronedecondensedii:alltheNORcondensedincompactedchromatiniii:alltheNORdecondensedinloosechromatin,端粒,端粒,/content/123/15/1650.full,structureoftelomeres,NatureReviewsGenetics11,319330(1May2010)|doi:10.1038/nrg2763,a|VertebratetelomerescontainrepetitiveDNAwiththesequence(5-TTAGGG-3)n.MostofthisDNAisdouble-strandedapartfromtheterminus,whichconsistsonlyoftheTTAGGG(orG-rich)strand.b|Thetelomerecanfoldbackonitself,andthesingle-strandedterminuscaninvadeduplextelomericDNA.Thisresultsintheformationofatelomereloop(t-loop).c|TelomericDNAisboundbythesix-subunitshelterincomplex.d,e|Twoshelterinproteins(telomericrepeat-bindingfactor1(TRF1,alsoknownasTERF1)andTRF2(alsoknownasTERF2)binddirectlytodouble-strandedtelomericDNA,andone(protectionoftelomeres1(POT1)bindssingle-strandedtelomericDNAdirectly.POT1,TPP1(alsoknownasACD),TRF1-interactingnuclearprotein2(TIN2,alsoknownasTINF2)andRAP1(alsoknownasTERF2IP)alsointeractindirectlywithdouble-strandedtelomericDNAthroughtheirinteractionswithothershelterinproteins.,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2009,forthediscoveryofhowchromosomesareprotectedbytelomeresandtheenzymetelomerase,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2009,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2009,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2009,二、染色体的功能元件,DNA复制起点着丝粒端粒,（一）自主复制DNA序列,亮氨酸合成酶基因质粒,（二）着丝粒DNA序列,（三）端粒DNA序列,端粒酶,三、染色体带型,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、形态特征的总和核型模式图(idiogram)将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来,再按长短、形态等特征排列起来的图象染色体显带技术经物理、化学因素处理后，再用染料对染色体进行分化染色，使其呈现特定的深浅不同带纹（band）的方法一类是产生的染色带分布在整过染色体长度上如：G、Q和R带，一类是局部性显带，它只能使少数特定区域显带，如C、T和N带,人类细胞中期染色体显带及染色体大小示意图,四、特殊染色体多线染色体,存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞内来源于核内有丝分裂多线化的细胞处于永久间期染色中心,四、特殊染色体多线染色体,多线染色体的带和间带都含有基因darkly-stainingbands(b)lighterinterbands(ib),四、特殊染色体灯刷染色体,几乎普遍存在于动物界的卵母细胞中，其中两栖类卵母细胞的灯刷染色体最典型卵母细胞进行减数分裂第一次分裂时停留在双线期的染色体形态与卵子发生过程中营养物储备密切相关,Figure4-54MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),四、特殊染色体灯刷染色体,大部分DNA以染色粒形式存在，没有转录活性侧环是RNA活跃转录的区域合成的RNA主要为前体mRNA,Figure4-55MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),第五节核仁与核体,Nucleoli（nucleolus的复数）HeLacell,GFP-ribosomalprotein,一、核仁的结构,纤维中心致密纤维组分颗粒组分,一、核仁的结构,纤维中心(fibrillarcenters，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(densefibrilla