第10章 细胞核与染色体

第8章细胞信号转导第9章细胞骨架第11章核糖体第12章细胞增殖及其调控第13章程序性细胞死亡与细胞衰老第14章细胞分化与基因表达调控第15章细胞社会的联系,第1章绪论第2章细胞的统一性与多样性第3章细胞生物学研究方法第4章细胞质膜第5章物质的跨膜运输第6章细胞的能量转换第7章真核细胞内膜系统,第10章细胞核与染色体,细胞生物学,.,第10章:细胞核与染色体,第一节核被膜与核孔复合体第二节染色质第三节染色质结构与基因活化第四节染色体第五节核仁第六节核基质（略）,.,.,细胞核(nucleus),是细胞内储存遗传物质的场所。真核生物的细胞都有细胞核,只有成熟的红细胞和植物成熟的筛管没有细胞核。细胞核主要有两个功能:一是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);二是通过基因的选择性表达,控制细胞的活动。,.,细胞核,.,第一节核被膜与核孔复合体,一、核被膜(nuclearenvelope),.,核被膜的结构,.,核被膜的功能,核质之间天然选择性屏障细胞核内外物质交换和信息交流,.,二、核孔(nuclearpore),核被膜上有许多孔，称为核孔，是细胞核膜上沟通核质与胞质的开口，由内外两层膜的局部融合所形成，核孔的直径为80-120nm,.,二、核孔复合体nuclearporecomplex,.,扫描电镜观察的核孔复合物照片,.,（三）核孔复合体的功能,进行物质运输:包括主动运输和被动运输,.,被动运输主动运输信号引导双向性,核孔运输特点,.,nuclearporecomplexs,定义：核孔复合体，是一组蛋白质颗粒以特定的方式排布形成的轮形结构，呈现8面对称，是核质交换的双向选择性亲水通道。,.,细胞核外核膜常常与下列的那个细胞器相连通,A光面内质网B高尔基体C糙面内质网D溶酶体,.,下列哪种细胞器的外膜表面常附着有核糖体颗粒,a.线立体b.细胞核c.光面内质网d.叶绿体,.,真核细胞中下列哪种细胞器或细胞结构上不可能有多聚核糖体存在。,A.内质网B.细胞质基质C.细胞核膜D.细胞质膜,.,Whichofthefollowingorganelleshaveadoublemembranewithpores?,A.peroxisomeB.golgiapparatusC.lysosomeD.nucleus,.,自学，下节课提问,第十章细胞核与染色体：第二节染色质,.,翻译并名称解释,ChromatinkrumtinChromosomekrumsumGenomedi:nummicrosatelliteDNAHistonehistunNucleosomenju:klisumeuchromatinju:krumtinHeterochromatin.hetrkrumtin,.,问答题,1简述核小体的结构模型。2哪些试验证据支持该结构模型？,.,可作为重要的遗传标志，用于构建遗传图谱的DNA序列是：,A、微卫星DNAB、小卫星DNAC、卫星DNAD、短散在重复元件,.,非组蛋白能识别特异的DNA序列，识别位点存在于：,A、DNA核苷酸序列本身B、DNA双螺旋的大沟部分C、DNA双螺旋的小沟部分D、富含AT的DNA片段,.,迄今发现的最简单、最普遍的序列特异性DNA结合蛋白的结构模式是：,A、螺旋-转角-螺旋模式B、锌指模式C、亮氨酸拉链模式D、螺旋-环-螺旋模式,.,用非特异性微球核酸酶消化裸露的DNA时，将产生：,A、大约200bp的片段B、大约200bp整数倍的片段C、随机大小的片段群体D、大约146数倍的片段,.,染色质包装的一级结构是：,A、DNA双螺旋B、核小体串珠结构C、螺线管结构D、超螺线管结构,.,组蛋白八聚体是由（）组成,A、H2A、H2B、H3、H4各两个分子B、H2A、H2B各四个分子C、H3、H4各四个分子D、H2A、H2B、H3、H4各1分子以及4分子H1,.,ThehistoneproteinthatattachestoDNAstrandsbetweennucleosomesis_.,A.H2AB.H3C.H1D.H2BE.H4,.,Dataareconsistentwithamodelthatshowsnucleosomespackingtogethertoformacoil.Thisiscalleda_.,A.ChromatidB.ChromosomeC.SolenoidsulinidD.30nmfiber,.,Ifasmallchromosomeconsistsof500,000,000nucleotides,howmanynucleosomeswillattachtothatchromosome?,A.500,000,000B.2,500,000C.noneD.1000,.,ThehistoneproteinthatjoinswithH2Btoformonetetramer（tetrm四聚体）subunitofanucleosomeis_.,A.H4B.H2AC.H1D.H3E.H2B,.,ThehistoneproteinthatjoinswithH3toformanothertetramersubunitofanucleosomeis_.,A.H4B.H2BC.H2AD.H3E.H1,.,a.经常存在的染色质b.染色很深的染色质c.不呈异固缩的染色质d.呈现异固缩的染色质,常染色质是()。,.,下列哪项代表了染色体结构中由最低至最高的压缩过程？,a.核小体30nm纤维超螺旋管染色单体b.核小体超螺旋管30nm纤维染色单体c.核小体30nm纤维染色单体超螺旋管d.染色单体30nm纤维超螺旋管核小体,.,Eachchromosomeconsistsoftwoidentical:,A.genesB.nucleiC.chromatidsD.bases,.,第二节染色质(chromatin),染色质的概念及化学组成染色质的基本结构单位核小体(nucleosome)染色质包装的结构模型常染色质和异染色质,.,一、染色质的概念,染色质(Chromatin):指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构,是间期细胞遗传物质存在的形式。染色体(chromosome):指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质紧密包裹而成的棒状结构。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。,.,二、染色质DNA,基因组（genome）：一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组。基因组大小通常随物种的复杂性而增加基因组中两类遗传信息编码序列调控序列,.,物种基因组大小平均基因长（bp）基因数目大肠杆菌4.2106bp，1.2Kb约2350酵母1.3107bp1.4Kb约6100果蝇1.4108bp11.3Kb约8750人3109bp16.3Kb约3-4万?？,几种生物基因组比较,.,染色质DNA的类型,非重复序列DNA(单一序列或1-5个拷贝):编码序列中度重复DNA序列（拷贝数在10个以上的序列称为重复序列，重复次数在102-105为中度重复序列）短散在重复元件（shortinterspersedelements，SINEs）长散在重复元件（longinterspersedelements，LINEs）高度重复DNA序列（重复次数在105以上）,.,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）作个体鉴定；微卫星DNA（microsatelliteDNA）重复单位序列最短（16个核苷酸），由1050个重复单位串联组成。在整个基因组中分布广且密度高，具高度多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标志，用于构建遗传图谱,.,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,.,DNA构型的生物学意义,沟（特别是大沟）的特征在遗传信息表达过程中起关键作用沟的宽窄及深浅影响调控蛋白对DNA信息的识别三种构型的DNA处于动态转变之中DNA二级结构的变化与高级结构的变化是相互关联的，这种变化在DNA复制与转录中具有重要的生物学意义。,.,负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读。分成两类：组蛋白与非组蛋白,三、染色质蛋白,.,组蛋白(histone),定义：是真核生物染色体的基本结构蛋白,是一类小分子碱性蛋白质，有5种类型,即H1、H2A、H2B、H3、H4，它们富含带正电荷的碱性氨基酸，能够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用。,.,.,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。,组蛋白的功能,.,概念:是指细胞核中组蛋白以外的蛋白质。特性:非组蛋白具多样性和异质性对DNA具有识别特异性，又称序列特异性DNA结合蛋白。识别的信息来源于DNA核苷酸序列的本身,识别位点存在于DNA双螺旋的大沟部分具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。呈酸性、带负电荷。,非组蛋白(nonhistoneproteins),.,除了一些酶的特殊功能外，非组蛋白还具有以下功能参与染色体的构建;启动DNA的复制;调控基因的表达。,非组蛋白的功能,.,非组蛋白参与染色体构建,.,序列特异性DNA结合蛋白的结构特征,螺旋-转角-螺旋模式(helix-turn-helixmotif)最简单、最普遍锌指模式(Zincfingermotif)亮氨酸拉链模式(Leucinezippermotif，ZIP)螺旋-环-螺旋结构模式(helix-loop-helixmotif，HLH)HMG-框结构模式（HMG-boxmotif）,.,结构特征,.,四、核小体（nucleosome）,核小体的结构要点：由200bp左右的DNA超螺旋和组蛋白结合而成；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1.75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相连,长度为0-80bp不等。,.,核小体的结构模型,.,在20世纪70年代初期,发现用非特异性的核酸酶处理染色质,大多数DNA都会形成长度为200bp的片段。如果用同样的核酸酶处理裸露的DNA,产生随机大小的DNA片段。据此推测染色体DNA中除了某些位点外,受到了保护,使核酸酶不能随机切割,并推测这种保护作用与DNA结合的蛋白质有关。1974年,美国哈佛大学的KornbergR提出:DNA和组蛋白组成重复的亚单位:核小体。,证据,.,用低离子浓度的溶液处理染色质，可选择性地除去组蛋白H1。在电子显微镜下观察用盐处理的染色质时，可见到核小体核心颗粒和连接DNA是分开的，为串珠状结构。,.,核小体的三维结构,.,SV40minichromosome,.,.,核小体(nucleosome),定义：是染色质的基本结构单位。由200个(160-240)左右碱基对的DNA和五种组蛋白结合而成。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包绕在小圆盘外面绕11.75圈。每一分子的H1与DNA结合,锁住核小体DNA的进出口,起稳定核小体结构的作用。两相邻核小体之间以连接DNA相连,连接DNA的长度变化不等,因不同的种属和组织而异,但通常是60个碱基对。,.,五、染色体的组装（chromosomepacking）,核小体(nucleosome)（一级）螺线管(solenoid)（二级）超螺线管(supersolenoid)（三级）染色体(chromosome)（四级）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,.,染色质30nm螺线管装配,核小体通过自身形成螺旋的方式形成致密的、外径为30nm的管状结构，称为螺线管。从核小体到螺线管压缩了6倍。,.,从螺线管到超螺线管的包装30nm的染色质纤维沿染色体骨架蛋白形成直径为300nm的放射环，然后进一步压缩成直径为700nm的超螺线管。,.,染色体组装（视频）,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,.,DNA包装成染色体的比例：一般为10000倍左右,因有丝分裂期的1m长度的染色体通常含有1cm长度的DNA,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。,.,常染色质(euchromatin)定义：指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浅的那些染色质。特征:DNA包装比约为1000-2000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,常染色质和异染色质,.,概念：指在整个间期，仍然保持折叠压缩,处于聚缩状态，碱性染料染色时着色较深的染色质组分。类型结构异染色质（或组成性异染色质）兼性异染色质,异染色质(heterochromatin),.,N和n分别表示细胞核和核仁,核仁外染色深的区域是异染色质。,.,定义除复制期以外，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,呈现C带染色；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。,结构异染色质,.,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,兼性异染色质,.,Barrbody,在哺乳动物体细胞核中，除一条X染色体外，其余的X染色体常浓缩成染色较深的染色质体，此即为巴氏小体。又称X小体，通常位于间期核膜边缘。1949年，美国学者巴尔（M.L.Barr）等发现雌猫的神经细胞间期核中有一个深染的小体而雄猫却没有。在人类，男性细胞核中很少或根本没有巴氏小体，而女性则有1个。以后研究表明，巴氏小体就是性染色体异固缩的结果。,.,巴氏小体-性别鉴定,.,活性染色质与非活性染色质染色质活化与基因激活,第三节染色质结构和基因转录(略),.,活性染色质是具有转录活性的染色质非活性染色质是没有转录活性的染色质活性染色质的核小体发生构象改变，具有疏松的染色质结构，从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。,活性染色质与非活性染色质,.,活性染色质具有DNaseI超敏感位点活性染色质在生化上具有特殊性活性染色质在组蛋白修饰上的特异性,活性染色质主要特征,.,疏松染色质结构的形成染色质的区间性染色质模板的转录,染色质活化与基因激活(略),.,DNaseI超敏感位点的存在，是下列哪种物质的显著特征,A.异染色质B.游离DNAC.组蛋白D.活性染色质,.,第四节染色体(chromosome),.,中期染色体的形态结构染色体DNA的三种功能元件（functionalelements）核型与染色体显带巨大染色体（giantchromosome）,第四节染色体(chromosome),.,(一)中期染色体的形态结构,四种不同位置着丝粒的染色体,.,中期染色体的形态结构,.,着丝粒(centromere)与动粒(kinetochore)(主缢痕,Primaryconstriction)次缢痕(secondaryconstriction)核仁组织区(nucleolarorganizingregion,NOR)随体(satellite)端粒(telomere),染色体各部的主要结构,.,有丝分裂中的着丝粒和动粒结构,.,次缢痕与核仁组织区,次缢痕(secondaryconstriction)是染色体上的一个缢缩部位,它的数量、位置和大小是某些染色体的重要形态特征。每种生物染色体组中至少有一条或一对染色体上有次缢痕。核仁组织区(nucleolarorganizingregion,NOR)是细胞核特定染色体的次缢痕处，含有rRNA基因的一段染色体区域，与核仁的形成有关，故称为核仁组织区。具有核仁组织区的染色体数目依不同细胞种类而异，人有5对染色体即13、14、15、21、22号染色体上有核仁组织区。,.,随体(satellite),随体是位于染色体末端圆形或圆柱形的染色体片段，通过次缢痕与染色体主要部分相连。它是识别染色体的主要特征之一。根据随体在染色体上的位置，可分为两大类：随体处于末端的，称为端随体；处于两个次缢痕之间的称为中间随体。,.,端粒(telomere),是真核细胞染色体末端的特殊结构，有重要的生物学功能：维持染色体的稳定性和个体性，与染色体在核内的空间排布及减数分裂时同源染色体配对有关。,.,分裂钟,在正常细胞中，可随着细胞分裂而逐渐缩短。随着年龄的增长，它越来越短，直到最后由于它过短了，无法分裂了，生命就死亡了。故有人称端粒为正常细胞的“分裂钟”(Mitosisclock)。,.,端粒,自主复制序列,着丝粒,二、染色体DNA的三种功能元件,.,自主复制DNA序列(复制起点,ARS)：具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的区域,是维持ARS功能所必需的。着丝粒DNA序列(CEN)：两个相邻的核心区：80-90bp的AT区；11bp的保守区。端粒DNA序列(telomereDNAsequence,TEL)：端粒序列的复制端粒酶，在生殖细胞和部分干细胞中有端粒酶活性，端粒重复序列的长度与细胞分裂次数和细胞衰老有关。,二、染色体DNA的三种功能元件,.,末端复制问题,DNA双螺旋的两条链是反向平行的.因此，以这两条链为模板进行DNA复制时，复制链延伸的方向一条为35，另一条是53。但生物细胞内催化DNA复制的所有DNA聚合酶都只能催化53的延伸，这是一个矛盾。冈崎片段的发现使之得以解决。在复制起点DNA的两条链解开形成复制泡,DNA向两侧复制形成复制叉。,.,末端复制问题,以复制叉移动的方向为基准，以35模板链的复制在可沿53方向连续进行，所形成的DNA复制链称为前导链.而以53模板链的复制只能分段进行复制形成一系列DNA片段，即冈崎片段.冈崎片段随后由DNA连接酶连接成完整的另一条DNA复制链，又称为滞后链。,.,这种前导链的连续复制和滞后链的不连续复制称为DNA的半不连续复制，是生物界最基本和普遍的DNA复制方式。,末端复制问题,.,末端复制问题,然而，这种方式在环状DNA的复制中表现的似乎完美，但在染色体线形DNA的复制中却存在着一些问题：已知的DNA复制都需RNA引物的参与，其势必占据滞后链末端的一段DNA序列而使之无法复制；DNA连接酶的作用是连接两条紧邻的冈崎片段，必须是两条紧邻的DNA片段才能被其催化形成磷酸二酯键，显然在滞后链的末端是不具备这个条件的。,.,这意味着在滞后链末端的一段DNA序列最终未被复制，或换句话说每次所复制的子代DNA都将较其亲本DNA丢失一段末端DNA序列，所丢失的DNA序列长约50bp100bp。这也就是所谓的末端复制问题（End-replicationproblem）。,末端复制问题,.,.,末端复制问题,.,末端复制问题,但问题并未到此为止，随之而来并令人长期困惑不解的问题是这种“不精确”DNA复制的动因和意义是什么，其在生物体中的作用和机制是什么?端粒的研究开始使人们对上述问题有所了解，但真正较好的回答和理解上述问题在于端粒酶的发现。,.,端粒酶(Telomerase),端粒长短和稳定性决定了细胞寿命，并与细胞衰老和癌变密切相关。端粒酶是使端粒延伸的反转录DNA合成酶,是由RNA和蛋白质组成的核糖核酸-蛋白复合物。其功能是合成染色体末端的端粒，使因每次细胞分裂而逐渐缩短的端粒长度得以补偿，进而稳定端粒长度。,.,端粒酶,端粒酶自身蛋白组分具有催化活性，用它自身RNA组分为模板，以端粒3末端为引物,反转录成DNA，使DNA链不断加长，然后在DNA聚合酶的作用下将DNA双链中的未合成的缺口填补。,.,端粒酶的作用（视频）,.,端粒和端粒酶,.,核型(karyotype)kri.taip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。,三、核型与染色体显带,.,人的染色体核型,.,Apictureofapersonschromosomesiscalleda(n):,A.karyotypeB.syndromeC.chromatinD.fingerprint,.,染色体显带技术,Q带(Q-banding)G带(Giemsa-banding)C带(C-banding)N带(N-banding)R-带(Reverse-banding)T-带(terminal-banding),.,多线染色体（polytenechromosome）灯刷染色体（lampbrushchromosome）,四、巨大染色体Giantchromosome,.,存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞、某些植物细胞多线染色体的来源：核内有丝分裂多线染色体的带及间带：带和间带都含有基因，可能“管家”基因(housekeepinggene)位于间带,“奢侈”基因(luxurygene)位于带上。多线染色体与基因活性：胀泡是基因活跃转录的形态学标志,多线染色体,.,多线染色体,.,多线染色体的带与胀泡,.,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。灯刷染色体的形态与卵母细胞发生过程中营养物储备密切相关。,灯刷染色体lampbrushchromosome,.,灯刷染色体,.,灯刷染色体的形成的生物学意义何在?,答:灯刷染色体的形态与卵子发生过程中营养物储备是密切相关的。大部分DNA以染色粒形式存在,没有转录活性,而侧环是RNA转录活跃的区域,一个侧环往往是一个大的转录单位,有的是由几个转录单位构成的。灯刷染色体侧环上的RNA主要是mRNA,mRNA与蛋白质结合形成无活性的RNP颗粒,这些颗粒贮存在卵母细胞中,以便受精之后使用。与DNA结合并贮存起来的蛋白主要是转录因子,在卵母细胞生长过程可选择性地调节基因表达。,.,灯刷染色体的形成的生物学意义(续),灯刷染色体除了具有合成和贮存的作用外，对于卵子发生期的核糖体合成有重要作用。在卵子发生的生长期，需要大量的核糖体。细胞核必须供给大量的核糖体RNA给细胞质体积已经很大的卵母细胞，势必