8.细胞核(曲志才).ppt

第八章细胞核(nucleus)与染色体(chromosome),CellBiology双语教材,真核细胞内最大、最重要的细胞器细胞遗传与代谢的调控信息中心,核被膜与核孔复合体染色质(chromatin)染色体(chromosome)核仁(nucleolus)染色质结构和基因转录,本章目录,第一节核被膜与核孔复合体,一.核被膜,1.结构组成,外膜(outer),附有核糖体颗粒内膜(inner),含特有的蛋白成份核纤层(nuclearlamina)核周间隙(perinuclearspace)核孔(nuclearpore),2.核被膜的功能,构成核、质之间的天然选择性屏障(1)避免生命活动的彼此干扰(2)保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤控制核质之间的物质交换与信息交流,核被膜在细胞有丝分裂中有规律地解体与重建(1)新核膜来自旧核膜(2)核被膜的去组装是非随机的,具有区域特异性(3)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(4)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,3.核被膜的特性,二.核孔复合体(NPC),(1)胞质环(cytoplasmicring),外环(2)核质环(nuclearring),内环(3)辐(spoke)(4)中央栓(centralplug):transporter,1.结构模型,在扫描电子显微镜下用场散射透镜显示的Xenopusoocytes的核被膜,核被膜的Cut-away模型,核被膜的三维模型,八个方向的对称结构,含有围绕中央通道的8根辐条状组合,辐条连接到核与细胞质界面上的环,NPC的电镜照片,2.核孔复合体的成份,由蛋白质构成,其分子质量约125106,推测有100余种多肽,1000多个蛋白分子,3.核孔复合体的功能,(1)核质交换的双向性亲水通道(2)通过核孔复合体的被动扩散(3)通过核孔复合体的主动运输,小分子通过核被膜的被动扩散,小分子和某些分子量小于50kD的蛋白质可以通过核被膜自由地双向运输。,分子通过核被膜的运输,大多数蛋白和RNAs通过核被膜是依靠主动过程,RNAs在核、质之间的转运,主动过程，依赖能量核蛋白复合体比裸RNAs更有效,亲核蛋白的入核转运机制,亲核蛋白(karyophilicprotein)核定位信号(nuclearlocalizationsignal,NLS),NLS核运输蛋白受体,蛋白质通过核被膜的运输按照其对能量供给的依赖性分为两步：,第一步：不需要能量，含有NLSs的蛋白质结合到核被膜上，但不通过核孔,第二步：需能过程，要求GTP水解,蛋白质通过核孔进入细胞核,Ran蛋白在核转运过程中的作用,RNA转录产物的核输出,polIrRNA分子:以RNP形式离开核,需能；polIII5SrRNA与tRNA的核输出由蛋白质介导；polIIhnRNA,在核内加帽和附加多聚A及剪接等；正调控信号保证mRNA出核,负调控防止hnRNA被错误运输,后者与剪接体有关;RNA分子的出核转运需要核输出信号;入核与出核转运之间有联系,可能需要某些共同因子,转录后的RNA需加工、修饰后被转运出核,第二节染色质,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)三.染色质包装的结构模型四.常染色质和异染色质,1.染色质的概念,(1)染色质(chromatin)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(2)染色体(chromosome)细胞分裂过程中,由染色质聚缩成的棒状结构,染色质与染色体的关系,两者具有相同的化学组成,但包装程度不同,构象不同细胞周期的不同阶段,可以相互转变,2.染色体DNA,具有细胞形态的所有生物其遗传物质都是DNA真核细胞中,每条未复制的染色体包装一条DNA分子,3.染色体蛋白质,组蛋白(histone)非组蛋白(nonhistone)非组蛋白的不同结构模式,(1)组蛋白(histone),组成及功能H2B、H2A、H3和H4,核小体的结构组分;H1:核小体之间的连接,赋予染色质以极性特点结构蛋白,富含Arg和Lys,碱性；无种属及组织特异性,进化上十分保守,小牛胸腺中5种组蛋白,N端共价修饰对于转录过程非常重要,(2)非组蛋白(nonhistone),具多样性与异质性对DNA具有识别特异性,又称序列特异性DNA结合蛋白(sequencespecificDNAbindingproteins)参与基因表达调控和染色质高级结构形成,非组蛋白的不同结构模式,螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix)锌指结构(zincfinger)亮氨酸拉链(leucinezipper,ZIP)螺旋-环-螺旋结构(helix-loop-helix,HLH)HMG-盒结构(HMG-boxmotif）,a.螺旋的3个平面形成motifb.同源域结合于DNA分子的主沟,Cys和His残基结合在Zn2+上突出的氨基酸环形成指状结构,a.两个螺旋间的Leu残基形成二聚体b.拉链以外的区域成Y状,以剪刀状构型与DNA结合,二.染色质的基本结构单位核小体(nucleosome),1.主要实验证据,(1)铺展染色质的电镜观察未处理染色质:30nm纤丝,盐处理:10nm串珠结构(2)微球菌核酸酶消化染色质(3)X射线晶体衍射:11nm、高6nm扁园柱体;核心颗粒:先形成(H3)2-(H4)2四聚体,再与两个H2A-H2B结合形成八聚体(4)SV40微小染色体分析与电镜观察,beadsonastring-nucleosomefrominterphasenucleus,RogerKornberg(1974):2006年诺贝尔化学奖得主,Beadsonastring,30nmfiber,由X衍射分析得到的核小体的三维结构模式图,Thehigh-resolutionstructureofanucleosomecoreparticle,Thenucleosomecoreparticle,asdeterminedbyX-raydiffractionanalysis,revealshowDNAistightlywrappedaroundadisc-shapedhistonecore,making1.65turnsinaleft-handedcoil.,K.LugerNature1997,389:251260,2.核小体结构要点,(1)核小体单位:200bpDNA,1个八聚体,1分子H1(2)组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构(3)146bpDNA盘绕八聚体1.75圈,H1在核心颗粒外锁住核小体DNA的进出端,稳定核小体(4)相邻核小体间以连接DNA相连,典型长度60bp(5)组蛋白与DNA间的相互作用无碱基序列特异性(6)核小体重塑影响基因表达,Nucleosomeremodelinginfluencestheexpressionofindividualgenes,三.染色质包装的结构模型,1.染色质包装的多级螺旋模型,(1)一级结构:核小体(2)二级结构:螺线管(solenoid)(3)三级结构:超螺线管(supersolenoid)(4)四级结构:染色单体(chromatid)76405DNA核小体螺线管超螺线管染色单体,The30-nmfiber:ahigherlevelofchromatinstructure,2.染色体的骨架-放射环结构模型,(1)非组蛋白构成的染色体骨架和由骨架伸出的无数的DNA侧环(2)30nm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(3)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,约106个微带沿纵轴构建成子染色体,HeLa细胞去除组蛋白的中期染色体电镜照片,3.染色体包装的不同组织水平,四.常染色质和异染色质,1.常染色质(euchromatin),(1)概念: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较浅的染色质(2)组成:单一序列和中度重复序列(3)DNA包装比约为1/20001/1000(4)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,2.异染色质(heterochromatin),(1)概念:间期细胞核中,折叠压缩程度高,处于聚缩状态的染色质组分(2)类型组成型异染色质(constitutive)兼性异染色质(facultative),InterphaseChromatin,组成型异染色质或结构异染色质,除复制期以外,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;具有显著的遗传惰性,不转录;复制行为:晚复制早聚缩；功能:参与染色质高级结构的形成,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,如哺乳类X染色体失活异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径,TheinactiveXchromosome:anexampleoffacultativeheterochromatin,第三节染色体,中期染色体的形态结构,1.中期染色体的典型形态,2.类型,(1)中着丝粒染色体(metacentricCS)(2)亚中着丝粒染色体(submetacentricCS)(3)亚端着丝粒染色体(subtelocentricCS)(4)端着丝粒染色体(telocentricCS),3.染色体的主要结构,着丝粒与着丝点(动粒)(2)次缢痕(secondaryconstriction)(3)核仁组织区(NOR)(4)随体(satellite)(5)端粒(telomere),着丝粒的结构组成,(1)着丝点结构域(kinetochoredomain)内板(innerplate)中间间隙(middlespace)外板(outerplate)纤维冠(fibrouscorona)(2)中央结构域(centraldomain)CENP-E盒与动粒蛋白(3)配对结构域(pairingdomain)内部着丝粒蛋白INCENP染色单体连接蛋白clips,着丝粒结构示意图,动粒(kinetochore),TheDrosophilacentromereconsistsoftwosatellitesequences,transposableelements,andnonrepetitiveDNA,TheFunctionsofcentromeres,RequiredforchromosomestabilitySisterchromatidpairingMitoticandmeioticspindleattachmentChromosomemovementCellcyclecheckpointcontrol,Theimportanceoftelomeraseinmaintainingchromosomeintegrity,二.染色体DNA的三种功能元件,1.自主复制DNA序列(ARS)一段11-14bp富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的区域2.着丝粒DNA序列(CEN)两个核心区:80-90bp的AT区;11bp的保守区3.端粒DNA序列(TEL)端粒序列的复制端粒酶:存在于生殖细胞和部分干细胞,端粒的长度与细胞分裂次数和细胞衰老有关,DNA末端复制与端粒酶的作用,三.核型与染色体显带,1.核型(karyotype)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2.核型模式图(idiogram)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之,它代表一个物种的核型模式3.染色体显带技术,正常男性核型,1.多线染色体(polytenechromosome),(1)双翅目昆虫幼虫组织细胞(2)来源:核内有丝分裂(3)带及间带“管家”基因间带,“奢侈”基因带(4)胀泡:基因活跃转录的形态学标志,四.巨大染色体,果蝇唾腺染色体光镜图片,Thisseriesoftime-lapsephotographsshowshowpuffsariseandrecedeinthepolytenechromosomesofDrosophiladuringlarvaldevelopment.Aregionoftheleftarmofchromosome3isshown.Itexhibitsfiveverylargepuffsinsalivaryglandcells,eachactiveforonlyashortdevelopmentalperiod.Theseriesofchangesshownoccuroveraperiodof22hours,appearinginareproduciblepatternastheorganismdevelops.Thedesignationsoftheindicatedbandsaregivenattheleftofthephotographs.,多线染色体胀泡,2.灯刷染色体(lampbrushchromosome),(1)普遍见于动物卵母细胞,两栖类的LCS最典型(2)来源:停留在双线期的染色体(3)超微结构与转录活性,两栖类卵母细胞中的一个灯刷染色体A.普通光镜;B.荧光显微镜,Thesetoflampbrushchromosomesinmanyamphibianscontainsatotalofabout10,000chromatinloops,althoughmostoftheDNAineachchromosomeremainshighlycondensedinthechromomeres.EachloopcorrespondstoaparticularDNAsequence.Fourcopiesofeachlooparepresentineachcell,sinceeachofthetwochromosomesshownatthetopconsistsoftwocloselyapposed,newlyreplicatedchromosomes.Thisfour-strandedstructureischaracteristicofthisstageofdevelopmentoftheoocyte,thediplotenestageofme