第四章 细胞核的结构 分子细胞与组织2015

DNA、RNA、蛋白质三者之间有什么关系？（它们在细胞各自具有什么作用？）人的体细胞中有多少个DNA分子？每个分子平均有多长？DNA存在于哪里？以何种形式存在？,细胞核nucleus,形形色色的细胞核,相差显微镜,荧光显微镜,普通光学显微镜,电子显微镜,细胞核的形状、数量与细胞的形态、性质以及发育阶段有关。,细胞核(电镜),细胞核是一个动态的结构,细胞核结构与形态在细胞周期中发生着动态变化,分裂间期分裂前期前中期中期后期末期,第四章细胞核nucleus,第五节遗传信息的表达,第一节核被膜,第二节染色质和染色体,第三节核仁,第四节遗传物质的复制,第一节核被膜(核膜)nuclearenvelope(nuclearmembrane),原核细胞,真核细胞,内膜（即各种细胞器的膜）的出现,核纤层,核孔,核被膜,细胞核（电镜）,return,细胞核（电镜）,核膜的出现给细胞带来什么样的好处和什么新的问题？,核膜的作用,在细胞进化的过程中出现新的区室核,1.分隔核、质，保护DNA分子不因细胞骨架的作用力而损伤；2.分隔核、质，使基因转录和蛋白质翻译发生在时间和空间上得以分离，转录后加工和修饰得以实现。,核孔（Nuclearpore）,核孔：核膜上由内、外层核膜融合形成的孔洞核孔是核质间物质交流的主要途径,细胞核（电镜冰冻蚀刻技术）,核孔（Nuclearpore）,核孔复合体：一组蛋白质颗粒以特定的排列方式在核孔周边的核膜上形成的复合体，可调节核孔的大小以及物质的进出。,核孔复合体（电镜）,负染色,超薄切片,核孔复合体（电镜）,？,腔内亚单位,柱状亚单位,预定在核内的蛋白质,核输入受体,核孔原纤维,胞质,胞核,核孔复合体的作用,使核质之间既有分隔又有沟通选择性的、双向通道,分子质量小于5,000Da(直径9nm),自由扩散进出核孔。2.更大的分子(直径9-25nm),依靠核孔复合体介导的主动运输进出,此过程消耗能量，并需要分子上的核输入/输出信号。,核纤层Nuclearlamina,高等真核细胞内层核膜下由纤维蛋白构成的网状壳层,核仁,核纤层（电镜）,核纤层,外层核膜,内层核膜,膜蛋白,染色质纤维,核纤层蛋白,核周间隙,细胞质,细胞核,核纤层的作用,1.在间期对核膜起支撑作用。2.在分裂期调控核膜的解离和重新装配。3.为间期染色质提供锚定位点，为分裂期染色体提供构建附着的位点。,核纤层蛋白或核纤层蛋白受体基因缺陷会影响染色质的结构、定位核基因表达。,18染色体（红色）和19染色体（青色）各两份拷贝在核内分别占据相对独立的区域,染色体上两个位点（染成黄色和红色）附着于核被膜内面的核纤层上（绿色显示核纤层蛋白）,第二节染色质和染色体chromatin&chromosome,支气管上皮（HE染色),染色质（透射电镜),纤维状的染色质(扫描电镜),一、染色质和染色体的形态,光镜下能被染料显示，但结构形态不能分辨染色质(chromatin)。透射电镜观察，超薄切片上呈点状、块状。异染色质（heterochromatin）：散在分布在核膜下、核仁周围，电子密度高。常染色质（euchromatin）：分布在异染色质之间的浅染区域，该区域内的DNA正在进行活跃的基因转录。如rRNA基因，mRNA和tRNA基因分布在不同部位的浅染区。,？,染色质在分裂间期以较为伸展的形式存在，在分裂期则以高度紧缩的染色体形式存在。两者之间的区别主要在于包装程度不同，反映了它们处于细胞周期不同阶段的典型形态。,着丝粒,染色体（扫描电镜）,核分裂相,带型荧光或其他染料显示特异的明暗相间的条带，用以逐一识别染色体并排序,核型全套染色体按序排列，用以分析染色体数目和形态,chemicalcomponents&doublehelex,DNA（双螺旋）染色体蛋白质,染色质或染色体,非组蛋白,DNA49组蛋白49非组蛋白少量RNA极少量,组蛋白,DNA(脱氧核糖核酸),与DNA分子间形成大量氢键分子量小，含大量带正电荷氨基酸（精氨酸/赖氨酸），能中和DNA的负电荷分成5种：核小体组蛋白H2A，H2B，H3，H4H1组蛋白组蛋白主要功能：参与染色质、染色体的构建调节基因的转录,组蛋白,非组蛋白总量远少于组蛋白，但种类繁多与组蛋白结合DNA的方式不同，能识别特异DNA序列并与之结合序列特异性DNA结合蛋白功能各异:-参与染色体构建-启动和推进DNA复制-调控基因转录,作为遗传物质必须具备怎样的条件？,储存遗传信息,能复制，平均分配给子代细胞,指导其他分子的合成，控制性状,能够突变,染色质与基因,基因概念的发展,Mendel1886在植物杂交试验中提到的遗传因子20世纪初发现的遗传因子与染色体的平行关系1909年丹麦学者Johannsen将遗传因子改称基因1926年Morgen发表基因论：基因直线排列于染色体上，既是遗传信息的结构单位，又是控制一种特定性状的功能单位20世纪50年代揭示了基因的分子基础是核酸，核苷酸序列中蕴藏着指导蛋白质合成的遗传信息基因的概念还在不断地丰富,基因是指DNA分子中编码一个有功能蛋白质或结构RNA分子所必须的全部核苷酸序列。遗传信息的表达是以基因(gene)为单位的。一个生物体的DNA所携带的全套信息叫做它的基因组。,真核细胞蛋白质编码基因的组成：外显子(exon)是基因中用于编码的序列内含子(intron)是间隔在外显子之间的非编码序列调控序列(regulatorysequence)是能结合基因调节蛋白的序列,两类基因：指导合成蛋白质的基因，转录成mRNA指导合成功能RNA（tRNA、rRNA等）的基因,translation,外显子,内含子,调控序列,初级RNA转录物,RNA拼接,染色体分子复制的必需元件,着丝粒和端粒：染色质上高度螺旋的区域，为异染色质,复制起始位点:多个,DNA序列特殊,复制起始蛋白识别结合后解开DNA双链,启动复制。着丝粒:主要由着丝粒DNA和着丝粒蛋白质组成，其作用是使染色体在分裂中期连接于纺锤丝上,保证分裂后的两个细胞各得到一份DNA。端粒：真核细胞染色体两末端的富含G碱基的重复序列，其作用是保证DNA分子的两个末端的完全复制。,DNA、染色质和染色体,？,？,卡通,30nm染色质纤维,串珠状纤维(核小体),核小体核心粒,核心DNA,连接段DNA,核小体组成：组蛋白八聚体核心(H2A,H2B,H3,H4)2+核心DNA链1.75圈(146bp)+连接段DNA(0-80bp)平均DNA长度=200bp,DNA分子经核小体形式的组装长度由5cm缩短至2cm,核小体包装成30nm纤维的两种可能模式,1.组蛋白H1帮助把相邻核小体拉在一起的可能方式,H1核心结合于核小体DNA上,两臂与相邻核小体上的H1作用,2.核小体核心组蛋白尾部帮助把相邻核小体拉在一起的推断模型,H2A、H2B、H3、H4四个亚基的肽链尾部伸出，与相邻核小体发生作用,肽链的尾部容易受到多种共价修饰,影响染色体的构建和基因的表达。,将核小体结构包装成30nm纤维,1.H1组蛋白2.核小体组蛋白的尾部两种力量均使得相邻核小体被拉在一起,并折叠成直径30nm的规则结构,DNA分子经此包装缩短（2cm0.1cm）,核心组蛋白修饰的含义,修饰状态意义,不修饰基因沉默乙酰化基因表达,或组蛋白加入甲基化基因沉默,异染色质状态磷酸化有丝分裂,减数分裂磷酸化+乙酰化基因表达高级组合不详,将30nm纤维包装成更高级结构的方式：襻环和螺旋,DNA分子经此包装缩短（0.1cm5m）,30nm纤维以非组蛋白为骨架，折叠成一系列袢环，特定的襻环总是含有相同的DNA序列。30nm纤维在DNA转录和复制时，以襻环为单位发生松解，伸展成串珠状纤维或DNA双螺旋。,襻环-间期染色质包装成染色体的方式,非组蛋白骨架,中期染色体经特殊处理显示襻环,分裂中期染色体:在襻环基础上进一步折叠、紧缩和螺旋化，需要condensin等许多蛋白质,三、染色体分子的包装Thepackageofachromosome,多个层次的包装串珠样结构-核小体(nucleosomes)30nm纤维(30nmfiber)球状结构(globalstructure)意义1.使纤长的DNA双螺旋分子经反复折叠而大大缩短（5cm5m）2.有利于转录和复制的高效准确进行,常染色质区域DNA复制与转录活跃，而异染色质的基因表达活性很低。a.大部分异染色质的DNA中不含基因；b.异染色质结构极其紧缩，基因被包装进异染色质通常就不能表达。,异染色质与基因表达,如果将一个在常染色质中正常表达的基因用技术手段移到异染色质中，该基因就停止表达。这种现象被称为基因沉默(silenceofgene)。,雌性动物所有细胞中都仅有1条X染色体。可能因双倍X染色体是致死的，在胚胎发育过程中1条X染色体通过随机变成异染色质而永久失活。此后，这条失活X染色体遗传给后代细胞，但在细胞受精后会重新活化为常染色质,整条染色体异染色质化，X染色体浓缩成为巴氏小体,Barr小体,决定黑毛和黄毛的基因分别位于两条X染色体。胚胎发育早期，不同细胞中整条X染色体异染色质化，造成不同色素细胞只含黑毛或黄毛基因。黑斑或黄斑分别来源于这两种色素细胞。,Calico猫的奇丽皮毛：,雌性的细胞核中巴氏小体,这是一只雄猫还是雌猫？,当基因转录变得活跃，异染色质减少，常染色质增多,异染色质与常染色质两种形式的转换是一个动态的过程,因此,染色体可以被看作是不同染色质形式的混合,不同的染色质形式对基因表达有不同的影响,异染色质的重要特性:异染色质的分布是活动的,它可以扩散至染色质的某个区域然后又撤退。异染色质和常染色质的分布状态可以遗传给子代细胞。,着丝粒形成异染色质的可能意义：有助于在有丝分裂期动粒的装配和纺锤丝的附着以及染色体分开。,端粒形成异染色质的意义：它使末端染色体不致被细胞修复装置误认为受损染色体；它有助于调控端粒长度，还有助于在有丝分裂期染色体准确配对和分开。,异染色质区域的特殊结构,第三节核仁nucleolus,一、核仁的形态结构二、核仁的化学成分和功能,核仁虽然与核内其他区域没有明显分隔，但是形态、化学组成和功能上确实不同于核内其他部分。,核仁的形态结构,电镜下核仁包括互相不完全分隔的3个部分：1）纤维中心（fibrillarcenter）从数条染色体上伸出的DNA袢环，上有核糖体RNA（rRNA）基因。2）纤维成分（fibrilarcomponent）该处含正在转录的rRNA分子。3）颗粒成分（granularcomponent）为已合成的核糖体前体颗粒，因此这些颗粒比细胞质中的核糖体颗粒略小些。,纤维中心,致密纤维成分,颗粒成分,核仁的组成成份,核仁的化学组成虽然也是核酸和蛋白质，但是与染色质相比，蛋白质含量甚高，两种核酸的比例也与染色质不同。蛋白质80RNA11DNA8,核仁内的DNA上是以串联方式重复排列的rRNA基因，各个基因拷贝之间由一段间隔DNA非转录区隔开。人类细胞中共有约200个rRNA基因拷贝,分布在第13、14、15、21、22号染色体上。也就是说有10条染色体上存在着rRNA基因。每条染色体上含rRNA基因的DNA部分形成一个大袢环。每条袢环上的一连串rRNA基因叫做一个“核仁组织者”（nucleolarorganizer），简称为NOR。,人类细胞中含有rRNA基因的10条染色体的襻环伸入核仁中示意图（含200个拷贝rRNA基因）,