细胞生物学教学课件第10章 间期细胞核和染色体

第十章间期细胞核和染色体,Chapter10InterphaseNucleusandchromosome,一般，真核细胞均具有细胞核，失去核后、很快就要死亡,哺乳动物的成熟红细胞(120天)植物韧皮部的筛管(若干年),特例：,纤毛虫：两个核(生殖核，营养核),高等动物的细胞核：1015m高等植物的细胞核：520m低等植物的细胞核：14m,细胞核的大小因物种不同而不同：占到细胞总体积的10%,细胞核数量：,一般，一个细胞只有一个细胞核,特殊细胞,多核白细胞：多个核,细胞核的结构,细胞核由核被膜、核纤层、染色质、核仁及核体组成。,第一节细胞核的结构,一、核被膜与核孔复合体,二、染色质和染色体的分子结构,三、核仁,第二节细胞核的化学组成,第三节核骨架,三、染色体骨架,二、核纤层与核孔复合体系统,一、核基质,四、核液,讲授提纲,一、核被膜与核孔复合体,外核膜（outernuclearmembrane）：附有核糖体颗粒，与糙面内质网相连。内核膜（innernuclearmembrane）：有特有的蛋白如核纤层蛋白B受体核纤层（nuclearlamina）核周间隙（perinuclearspace）核孔（nuclearpore）,核被膜的结构组成,核被膜的功能,构成核、质之间的天然选择性屏障避免生命活动的彼此干扰保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤核质之间的物质交换与信息交流,核被膜在细胞在有丝分裂中有规律地解体与重建,新核膜来自旧核膜：变形虫标记的核膜的移植试验核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性（domain-specific）。以非洲爪蟾卵提取物为基础的非细胞核装配体系提供了实验模型。两种膜泡组分:LBR，gp210.核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调控因子的调节，调节作用可能与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。,核孔复合体（nuclearporecomplex,NPC）,核孔直径80-120nm，核孔复合体直径120-150nm。,经典研究方法：超薄切片技术负染色技术冷冻蚀刻技术新技术：电镜图像技术高分辨率场发射扫描电镜技术快速冷冻-冷冻干燥制样技术,胞质环（cytoplasmicring），外环：有8条短纤维对称分布核质环（nuclearring），内环：有8条短纤维对称分布向核内伸入50-70nm，在末端形成直径为60nm的小环，小环由8个颗粒成分构成-核蓝。辐（spoke）：由核边沿伸向中心，呈辐射状8重对称。柱状亚单位：连接内外环腔内亚单位：接触核膜部分进入核周间隙环带亚单位：靠近核孔中心，8颗粒成分形成核质交换通道中央栓（centralplug）：transporter,结构模型,核孔复合体成份的研究：分子质量1.25108，约有1000多蛋白分子,gp210：结构性跨膜蛋白,介导核孔复合体与核被膜的连接，将核孔复合体锚定在“孔膜区”，从而为核孔复合体装配提供一个起始位点在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定作用,p62：功能性的核孔复合体蛋白,疏水性N端区：具有FXFG重复序列，可能形成叠片，可能在核孔复合体功能活动中直接参与核质交换C端区：具有7肽重复序列，形成螺旋，可能通过与其它核孔复合体蛋白相互作用，从而将p62分子稳定到核孔复合体上，为其N端进行核质交换活动提供支持。,核孔复合体的功能,核质交换的双向性亲水通道,通过核孔复合体物质运输的功能（a）自由扩散；（b）协助扩散；（c）信号介导的核输入；（d）信号介导的核输出。,通过核孔复合体的主动运输,生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的主动运输完成的，具有高度的选择性，并且是双向的。选择性表现在以下三个方面：对运输颗粒大小的限制：有效功能直径可被调节约1020nm，甚至可达26nm，主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗能量，并表现出饱和动力学特征主动运输具有双向性，即核输入与核输出,爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验,亲核蛋白与核定位信号,亲核蛋白（karyophilicprotein）在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质核质蛋白（nucleoplasmin）的入核转运核定位信号(nuclearlocalizationsignal，NLS)NLS是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基，如Lys、Arg，此外还常含有Pro。NLS的氨基酸残基片段可以是一段连续的序列（T抗原），也可以分成两段，两段之间间隔约10个氨基酸残基（核质蛋白）。NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指导完成核输入后并不被切除。NLS只是亲核蛋白入核的一个必要条件而非充分条件,第一节细胞核的形态结构,亲核蛋白进入核内的途径及其入核机制,具有核输入信号序列的蛋白质,亲核蛋白的输入,Ran蛋白，一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。,核输出信号(NuclearExportSignal，NES)：RNA分子的出核转运需要蛋白分子的帮助，这些蛋白因子本身含有出核信号。引导RNP输出细胞核，受体为exportin。,(2)RNA和核糖体亚单位的运出,RNA聚合酶I转录的rRNA分子：以RNP的形式离开细胞核，需要能量；RNA聚合酶III转录的5srRNA与tRNA：由蛋白质介导输出；RNA聚合酶II转录的hnRNA：在核内进行5端加帽和3端附加多聚A序列以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA出核，5端的m7GpppG“帽子”结构对mRNA的出核转运是必要的；,mRNA的出核转运过程是有极性的，其5端在前，3端在后。,核孔复合体对亲核蛋白的运进和各种RNA和核糖体亚单位的运出均具有高度选择性，运输过程既涉及主动运输又存在有被动运输。其主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗ATP来提供能量。,小结,第一节细胞核的形态结构,染色质和染色体的分子结构,染色质在细胞周期中会发生周期性变化：,中期染色体,化学组成,存在形式,染色质和染色体的化学组成,二、重复DNA顺序,高度重复顺序,中等重复顺序,一、化学组成,DNA分子一级结构具有多样性,编码蛋白质的DNA：单一序列或低拷贝的重复编码rRNA、tRNA、mRNA和组蛋白的串联重复DNA序列重复序列的DNA：简单重复序列散在重复序列DNA转座子LTR反转座子非LTR反转座子短散在重复元件（shortinterspersedelements，SINEs）长散在重复元件（longinterspersedelements，LINEs）假基因间隔DNA高度重复DNA序列卫星DNA（satelliteDNA），主要分布在染色体着丝粒部位；小卫星DNA（minisatelliteDNA），又称数量可变的的串联重复序列，常用于DNA指纹技术（DNAfinger-printing）卫星DNA（microsatelliteDNA）重复单位序列最短，具高度多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标志。,DNA二级结构具有多形性(polymorphism),三种构型DNA：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，Z型DNA是左手螺旋，B型DNA的另一种变构形式，活性明显降低,组蛋白,带正电荷，含Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为：核心组蛋白（corehistone）：H2A、H2B、H3、H4；连接组蛋白（linkerhistone）：H1。结构：高度保守，尤其是H4。核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量Arg和Lys，为组蛋白转译后进行修饰的部位。H1是多样性，具有属(genus)和组织特异性。,非组蛋白（序列特异性结合蛋白）,多样性和特殊性：6070，包括多种参与核酸代谢与修饰的酶类，如DNA和RNA聚合酶，HMG蛋白、核质蛋白、染色体骨架蛋白、肌动蛋白和基因表达调控蛋白等。特性：1.含有较多天冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质。2.整个细胞周期都进行合成，组蛋白只在S期与DNA复制同步进行。3.能识别特异的DNA序列，识别与结合籍氢键和离子键。功能：帮助DNA折叠；协助DNA复制；调节基因表达。序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式：螺旋转角螺旋模式、锌指模式、亮氨酸拉链模式、螺旋环螺旋结构模式、HMG框结构模式,染色质的分子结构,1.染色质的基本结构单位核小体,第一节细胞核的形态结构,(盐溶液）,染色质经微球菌核酸酶的逐步消化降解,由200个碱基对的DNA链结合有9个组蛋白分子组成的重复亚单位.,核小体(nucleosome)：,165bp双链DNA,第一节细胞核的形态结构,X-射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构a.通过DNA超螺旋中心轴所显示的核小体核心颗粒8个组蛋白分子的位置；b垂直于中心轴的角度所见到的核小体核心颗粒的盘状结构；c半个核小体核心颗粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4种核心组蛋白分子，每种组蛋白由3个螺旋和一个伸展的N-端尾部组成。N-端尾部有序排列，参与核小体之间的相互作用，以形成螺线管等高级结构。,(a)核小体中DNA与组蛋白核心的空间位置关系图解，示DNA缠绕在组蛋白核心的外围；,(a),第一节细胞核的形态结构,核小体中DNA与组蛋白核心在空间和结构上的关系图解,(b)缠绕在组蛋白核心上的DNA的结构特点，示DNA中AT丰富区靠近组蛋白核心、而GC丰富区背向组蛋白核心。,SV40微小染色体（minichromosome）分析与电镜观察,核小体结构要点,每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈,组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。包括组蛋白H1和166bpDNA的核小体结构又称染色质小体。两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化值为080bp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，实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达,染色质包装的结构模型,染色质包装的多级螺旋模型(multiplecoilingmodel),一级结构：核小体二级结构：螺线管(solenoid)三级结构：超螺线管(supersolenoid)四级结构：染色单体（chromatid）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,染色质包装的多级螺旋模型,10nm染色质丝经过4级压缩，形成了高度浓缩的中期染色体,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,第一节细胞核的形态结构,染色质经逐级凝缩形成染色体的模式图解,染色体的骨架-放射环结构模型,非组蛋白构成的染色体骨架(chromsomalscaffold)和由骨架伸出的无数的DNA侧环）30nm的染色线折叠成环,沿染色体纵轴,由中央向四周伸出,构成放射环。由螺线管形成DNA复制环,每18个复制环呈放射状平面排列,结合在核基质上形成微带(miniband)。微带是染色体高级结构的单位,大约106个微带沿纵轴构建成子染色体。,常染色质与异染色质,在间期和早前期中，染色质仍处于凝缩状态的那些区段,Barrbody(巴氏小体),异染色体,第一节细胞核的形态结构,常染色质(euchromatin),概念：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态（典型包装率750倍）,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。DNA包装比约为10002000分之一单一序列DNA和中度重复序列DNA(如组蛋白基因和tRNA基因)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,结构异染色质或组成型异染色质,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,如卫星DNA；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，作为核DNA的转座元件，引起遗传变异。,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,分裂中期高度凝缩染色体的形态,（二）中期染色体的结构,第一节细胞核的形态结构,根据着丝粒位置进行的染色体分类,长臂长度短臂长度;短臂长度染色体总长度(根据Levan等,1964;Green等,1980),染色体的主要结构,着丝粒(centromere)与着丝点(动粒，kinetochore)次缢痕(secondaryconstriction)核仁组织区(nucleolarorganizingregion,NOR)随体(satellite)端粒(telomere),动粒区,配对区,中心区,动粒微管,动粒和着丝粒无论是在空间位置，还是在结构和功能上均具有密不可分的关系。故Plata(1990)将哺乳动物细胞中染色体的主缢痕区域称为着丝粒-动粒复合体(centromere-kinetochorecomplex)，并提出了着丝粒-动粒复合体的结构模型：该复合体可分为动粒结构域(kinetochoredomain)、中心结构域(centraldomain)和配对结构域(pairingdomain)三个结构域。,着丝粒与着丝点(动粒),动粒结构域(kinetochoredomain)内板(innerplate)中间间隙(middlespace),innerzone外板(outerplate)纤维冠(fibrouscorona)中央结构域(centraldomain)CENP-B盒与动粒蛋白配对结构域(pairingdomain)：内部着丝粒蛋白INCENP(innercentromereprotein)染色单体连接蛋白clips(chromatidlinkingproteins),动粒与动粒微管之间的关系图解,动粒为动粒微管的组织中心：,组织形成动粒微管，参与姊妹染色单体向细胞两极的分离,染色体DNA的关键序列(keysequence),自主复制DNA序列(autonomouslyreplicatingsequence,ARS)：DNA的自主复制；着丝粒DNA序列(centromereDNAsequence,CEN)：DNA的平均分配；端粒DNA序列(telomereDNAsequence,TEL)：DNA复制的完整性。,第一节细胞核的形态结构,酵母人工染色体(yeastartificialchromasome,YAC)：,酵母人工染色体(YAC)的结构图解,第一节细胞核的形态结构,核型与染色体显带,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称为核型模式图,它代表一个物种的核型模式。染色体显带技术,核仁(nucleolus),第一节细胞核的形态结构,核膜,核仁,致密纤维成分,颗粒成分,原纤维中心,由直径15-20nm的RNP颗粒构成，为正在加工成熟的核糖体亚单位的前体颗粒,核仁中rDNA所在的部位,由致密的纤维构成，含有rRNA以及一些特异性的结合蛋白，是新合成的RNP，转录主要发生在FC与DFC的交界处。,与核仁的形成有关,核仁组织区(nucleolus-organizingregion,NOR),第一节细胞核的形态结构,位于次缢痕处,可活跃合成18S、5.8S和28SrRNA,拥有核仁组织区的染色体,核仁组织染色体：,人类有5对同源染色体均为核仁组织染色体,形态特征:“圣诞树”样结构,rRNA前体的加工,核仁在核糖体的合成与组装中的功能,核仁功能：转录rRNA组装核糖体亚单位。,核仁功能活动的顺序：核仁DNA原纤维区颗粒区,核仁周期,四、核液(nucleoplasm),染色质和核仁周围的无定形的着色浅的液体,较小颗粒：于染色质之间/直径2025nm,RNP,染色质周纤维(perichromatinfiber),第一节细胞核的形态结构,网络纤维(35nm)颗粒状物质(810nm),第三节核骨架,核骨架(nuclearskeleton),狭义,核内的一个纤维蛋白质性质的网架结构体系,广义,为由中间丝蛋白构成的纤维网架，位于内层核膜的下方,核内的一个纤维蛋白质性质的网架结构体