医学细胞生物学：第八章 细胞核

1、医学细胞生物学医学细胞生物学 第八章第八章 细胞核细胞核 (nucleus)(nucleus) 细胞结构 细胞核结构 细胞核的功能: 遗传信息 贮存 复制 传（zhuan）递(lu) 主要内容 细胞核结构 核膜 染色质、染色体 核仁 核骨架 功能/组成/结构/ 特定结构与功能 核孔复合物 核定位信号肽 复制叉 端粒酶 生物信息的传递与 调控 组成、结构与功能 中性粒细胞中性粒细胞 肌细胞肌细胞 第一节第一节 细胞核的形态与结构细胞核的形态与结构 第一节第一节 细胞核的形态与结构细胞核的形态与结构 - 第一节第一节 细胞核的形态与结构细胞核的形态与结构 核核 膜膜 核核 仁仁 染色质染色质 核基

2、质核基质 间期细胞核间期细胞核 第二节第二节 核膜核膜 粗面内质网粗面内质网 核糖体核糖体 核孔复合体核孔复合体 蛋白质蛋白质 脂质脂质 1、核膜为基因表达提供了时空隔离屏障（区域化）、核膜为基因表达提供了时空隔离屏障（区域化） 2、参与、参与DNA复制复制 真核细胞：真核细胞：DNA复制、复制、RNA转录转录 在核内；蛋白质翻译在细胞质内在核内；蛋白质翻译在细胞质内 原核细胞：没有核膜，转录原核细胞：没有核膜，转录 没有结束就开始翻译没有结束就开始翻译 功功 能能 结结 构构 核孔核孔 复合体复合体 核糖体核糖体 核纤层核纤层 内核膜内核膜 外核膜外核膜 核周池核周池 核纤层核纤层 核纤层结

3、构核纤层结构 紧贴内核膜，紧贴内核膜， 厚厚10-100nm 内核膜内核膜 外核膜外核膜 核孔复合体核孔复合体 染色质染色质 核纤层蛋白核纤层蛋白 （1 1）支架作用）支架作用 （4 4）参与）参与DNADNA的复制的复制 （3 3）与染色质凝集成染色体相关）与染色质凝集成染色体相关 （2 2）与核膜的崩解和重建密切相关）与核膜的崩解和重建密切相关 与核膜的崩解和重建密切相关与核膜的崩解和重建密切相关 细胞间期核细胞间期核 分裂前期分裂前期 分裂末期分裂末期 分裂早末期分裂早末期 核纤层蛋白核纤层蛋白 磷酸化磷酸化 核纤层蛋白核纤层蛋白 去磷酸化去磷酸化 核膜小泡融合核膜小泡融合 核纤层与染色

4、质凝集成染色体相关核纤层与染色质凝集成染色体相关 细胞核转录旺盛，核孔细胞核转录旺盛，核孔 数目较多，反之较少数目较多，反之较少 核孔复合体核孔复合体(nuclear pore complex，NPC) 一般哺乳动物细胞有一般哺乳动物细胞有 3000-40003000-4000个核孔，约个核孔，约 5050个个/m2 核孔核孔 复合体复合体 电镜下核孔复合体形态电镜下核孔复合体形态 细胞核与细胞质之间的物质交换的通道细胞核与细胞质之间的物质交换的通道 功功 能能 双向双向选择性亲水通道选择性亲水通道 核孔直径可调节：核孔直径可调节：9nm 29nm 亲水小分子：水分子、单糖、亲水小分子：水分子

5、、单糖、 双糖、氨基酸、核苷、核苷酸双糖、氨基酸、核苷、核苷酸 是是信号识别信号识别与与载体介导载体介导的过程、的过程、耗能耗能 被动运输：被动运输： 主动运输：主动运输： 运输方式运输方式 捕鱼笼式（捕鱼笼式（fish-trap)结构模型结构模型 胞质环胞质环 核质环核质环 辐辐 中心颗粒中心颗粒 结构结构 亲核蛋白的核输入亲核蛋白的核输入RNA及核糖体亚基的核输出及核糖体亚基的核输出 核孔复合体的主动运输核孔复合体的主动运输 亲核蛋白质亲核蛋白质 细胞核细胞核 核转运蛋白核转运蛋白 核定位信号核定位信号 RNA、核糖体亚基、核糖体亚基 核转运蛋白核转运蛋白 细胞质细胞质 第三节第三节 染色

6、质与染色体染色质与染色体 核核 膜膜 核核 仁仁 染色质染色质 核基质核基质 间期细胞核间期细胞核 粗面内质网粗面内质网 核糖体核糖体 核孔复合体核孔复合体 染色质与染色体染色质与染色体 间期：染色质间期：染色质 分裂期：染色体分裂期：染色体 一种物质的两种形态一种物质的两种形态 （一）染色质（一）染色质DNADNA 一、染色质的化学组成一、染色质的化学组成 单位长度单位长度重复次数重复次数数量数量 高度重复序列高度重复序列100bp100bp几十至几千次几十至几千次10%10%60%60% 中度重复序列中度重复序列500bp1000bp1000bp 几十至几千次几十至几千次20%20% 单拷

7、贝序列单拷贝序列7507502000bp2000bp一个或几个一个或几个404080%80% 表：真核细胞基因组表：真核细胞基因组DNADNA的种类的种类 DNA分子分子 DNA分子分子 一条功能性的染色质一条功能性的染色质DNA分子必须能够进行自我复制分子必须能够进行自我复制 多个复制源序列多个复制源序列 DNA分子分子 多个复制源序列多个复制源序列 一个着丝粒序列一个着丝粒序列 一条功能性的染色质一条功能性的染色质DNA分子必须能够进行自我复制分子必须能够进行自我复制 DNADNA分子分子 两个端粒序列两个端粒序列 多个复制源序列多个复制源序列 一个着丝粒序列一个着丝粒序列 一条功能性的染

8、色质一条功能性的染色质DNA分子必须能够进行自我复制分子必须能够进行自我复制 DNADNA分子分子 两个端粒序列两个端粒序列 多个复制源序列多个复制源序列 一个着丝粒序列一个着丝粒序列 一条功能性的染色质一条功能性的染色质DNA分子必须能够进行自我复制分子必须能够进行自我复制 （二）染色质蛋白质（二）染色质蛋白质 一、染色质的化学组成一、染色质的化学组成 1 1、组蛋白质、组蛋白质 2 2、非组蛋白质、非组蛋白质 3 3、核糖核酸、核糖核酸 可与酸性可与酸性DNA非特异性紧密结合。非特异性紧密结合。 特特 点点 分分 类类 1 1、组蛋白、组蛋白 真核细胞特有的结构蛋白质，是构成染色质的主要成

9、分真核细胞特有的结构蛋白质，是构成染色质的主要成分 含有赖氨酸、精氨酸，带含有赖氨酸、精氨酸，带正正电荷，属电荷，属碱碱性蛋白性蛋白 1 1、组蛋白、组蛋白 组蛋白核心八聚体组蛋白核心八聚体 DNA H1组蛋白组蛋白 核小体核小体 连接连接DNA：60bp 组蛋白的修饰组蛋白的修饰 Me：甲基化：甲基化 Ac：乙酰基化：乙酰基化 组蛋白甲基化组蛋白甲基化 甲基化：无转录活性甲基化：无转录活性 去甲基化：有转录活性去甲基化：有转录活性 组蛋白乙酰基化组蛋白乙酰基化 乙酰基化：有转录活性乙酰基化：有转录活性去乙酰基化：无转录活性去乙酰基化：无转录活性 2 2、非组蛋白、非组蛋白 H1 核小体核小体

10、 非组蛋白非组蛋白 DNA 组蛋白核心组蛋白核心 可与染色体上特异的可与染色体上特异的DNA序列结合，序列结合， 协助协助DNA分子折叠分子折叠 参与维持染色体的结构，催化酶促反应参与维持染色体的结构，催化酶促反应 参与启动参与启动DNA复制，调控基因转录复制，调控基因转录 （一）一级结构（一）一级结构核小体核小体 二、染色质的结构二、染色质的结构 组蛋白核心八聚体组蛋白核心八聚体 核小体核小体 （146bp碱基对）碱基对） 连接者连接者DNA （60bp碱基对）碱基对） =10nm 压缩压缩7倍倍 （二）二级结构（二）二级结构3030nmnm纤维纤维 二、染色质的结构二、染色质的结构 组蛋白

11、核心组蛋白核心 H1 DNA 核小体核小体 30nm 纤维纤维 组蛋白核心组蛋白核心 H1 DNA 30nm 10nm 压缩压缩7倍倍 压缩压缩6倍倍 二、染色质的结构二、染色质的结构 DNADNA 核小体核小体 30nm30nm纤维纤维 （三）三级结构（三）三级结构超螺线管超螺线管 二、染色质的结构二、染色质的结构 组蛋白组蛋白 30nm纤维纤维 核小体核小体 超螺线管超螺线管 染色体染色体 （三）三级结构（三）三级结构袢环结构袢环结构 二、染色质的结构二、染色质的结构 30nm纤维纤维 30nm 纤维纤维 由非组蛋白构成染色体骨架由非组蛋白构成染色体骨架 由螺线管形成由螺线管形成 DNA放

12、射环。放射环。 约约106微带沿纵轴排列微带沿纵轴排列 形成染色单体。形成染色单体。 一个平面上有一个平面上有18个放射环，个放射环， 结合在核骨架上形成微带。结合在核骨架上形成微带。 染色体骨架染色体骨架- -放射环模型放射环模型 DNA总共压缩了总共压缩了8400倍倍 染色质压缩成染色体的过程染色质压缩成染色体的过程 一级结构一级结构 核小体核小体 压缩压缩7倍倍 二级结构二级结构 30nm纤维纤维 压缩压缩6倍倍 三级结构三级结构 超螺线管超螺线管 压缩压缩40倍倍 四级结构四级结构 染色单体染色单体 压缩压缩5倍倍 常染色质常染色质(euchromatin(euchromatin） 异

13、染色质异染色质(heteochromatin)(heteochromatin) 三、常染色质和异染色质三、常染色质和异染色质 常染色质常染色质 异染色质异染色质 三、常染色质和异染色质三、常染色质和异染色质 异染色质异染色质 结构异染色质：结构异染色质： 指在整个细胞周期中都指在整个细胞周期中都 处于凝缩状态的染色质，处于凝缩状态的染色质， 不具有转录活性不具有转录活性 。 兼性异染色质：兼性异染色质： 指在特定细胞的一定发育指在特定细胞的一定发育 阶段所具有的凝缩状态的阶段所具有的凝缩状态的 染色质。如染色质。如 X染色质。染色质。 三、常染色质和异染色质三、常染色质和异染色质 形态：形态：

14、 姐妹染色单体姐妹染色单体 （sister chromatid） 姐妹染色单体姐妹染色单体 着丝粒着丝粒 结构：结构： 着丝粒（主缢痕）着丝粒（主缢痕） 端粒端粒 染色体臂染色体臂 次级缢痕次级缢痕 随体随体 端端 粒粒 长长 臂臂 短短 臂臂 端端 粒粒 姐妹染色单体姐妹染色单体 染色体染色体 形态与结构形态与结构 形态：形态： 姐妹染色单体姐妹染色单体 （sister chromatid） 姐妹染色单体姐妹染色单体 着丝粒着丝粒 次缢痕次缢痕 结构：结构： 着丝粒（主缢痕）着丝粒（主缢痕） 端粒端粒 染色体臂染色体臂 次级缢痕次级缢痕 随体随体 长长 臂臂 短短 臂臂 形态与结构形态与结构

15、 染色体染色体 随随 体体 形态与结构形态与结构 染色体染色体 均匀、无包膜的球体均匀、无包膜的球体 一般一般1-21-2个，有时多个，有时多 个蛋白质合成旺盛细个蛋白质合成旺盛细 胞核仁较大和数目较胞核仁较大和数目较 多，反之核仁很小或多，反之核仁很小或 缺如。缺如。 位置通常不固定位置通常不固定 “核仁趋边核仁趋边”现象现象 第四节第四节 核仁核仁 核核 仁仁 染色质染色质 核基质核基质 间期细胞核间期细胞核 光学显微镜下细胞核仁形态光学显微镜下细胞核仁形态 核仁核仁 电镜下细胞核仁形态电镜下细胞核仁形态 核仁核仁 功能功能 （一）（一）rRNArRNA的合成、加工和成熟的合成、加工和成熟

16、 小亚基小亚基大亚基大亚基 （二（二）核糖体亚）核糖体亚单位的组装单位的组装 核仁随细胞周期的进行而呈现周期性变化（形成和消失）。核仁随细胞周期的进行而呈现周期性变化（形成和消失）。 间间 期期 细胞有细胞有12个个 或多个核仁。或多个核仁。 分分 裂裂 前前 期期 染色质浓缩、染色质浓缩、 rRNA合成停止，合成停止， rDNA袢环逐渐缩袢环逐渐缩 回到染色体，核仁回到染色体，核仁 缩小继而消失。缩小继而消失。 细胞分裂末期细胞分裂末期 核仁组织者染色体解旋，核仁组织者染色体解旋， rDNA伸展成袢环，在酶伸展成袢环，在酶 的作用下合成的作用下合成rRNA，经，经 积累和包装积累和包装rDN

17、A袢环周袢环周 围又组建成新的核仁。围又组建成新的核仁。 核仁核仁 (有有)核仁核仁 (消失消失)核仁核仁(再现再现) 核仁周期核仁周期 当细胞受损伤时，会导致当细胞受损伤时，会导致rRNA的转录受抑制，的转录受抑制， 进而减少核糖体的装配，使细胞活动停止或引起进而减少核糖体的装配，使细胞活动停止或引起 细胞凋亡，所以核仁可作为细胞应激感受器，使细胞凋亡，所以核仁可作为细胞应激感受器，使 受损细胞停止增值，否则将会癌变受损细胞停止增值，否则将会癌变 核仁与细胞应激核仁与细胞应激 主要成分主要成分 3 3、DNADNA： 占占8%8%，主要为，主要为 rDNArDNA （编码（编码rRNArRN

18、A的基因）的基因） 2 2、RNARNA：占：占10% 10% rRNArRNA，与蛋白质结合成核糖核蛋白，与蛋白质结合成核糖核蛋白 1 1、蛋白质：、蛋白质： 占占80%80%，组蛋白、非组蛋白、核糖体，组蛋白、非组蛋白、核糖体 蛋白、与蛋白、与DNADNA、RNA RNA 合成有关的酶类合成有关的酶类 核仁的超微结构核仁的超微结构 致密纤维组分致密纤维组分 颗粒成分颗粒成分 纤维中心纤维中心 核周边异染色质核周边异染色质 核仁基质核仁基质 核被膜核被膜 低电子密度低电子密度 （一）纤维中心（一）纤维中心 圆形结构体圆形结构体 是是rDNA存在部位存在部位 核仁的超微结构核仁的超微结构 纤维

19、中心纤维中心 致密纤维组分致密纤维组分 颗粒成分颗粒成分 核仁周围染色质核仁周围染色质 (NAC) ： 包围在核仁周围的异染色包围在核仁周围的异染色 质。质。 核仁内染色质核仁内染色质 (INC) ： 伸入核仁内的常染色质，伸入核仁内的常染色质， 载有载有rRNA基因（基因（rDNA） 核仁相随染色质核仁相随染色质 核膜核膜 核仁核仁 核仁相随染色质核仁相随染色质 核仁的超微结构 核膜核膜 核仁核仁 核仁相随染色质核仁相随染色质 rDNA（rRNA基因）基因） 的袢环的袢环 核仁的超微结构 是核仁内电子密度最高是核仁内电子密度最高 的区域的区域 是活跃的进行是活跃的进行rRNA合合 成的区域，

20、还存在一些成的区域，还存在一些 特异的特异的RNA结合蛋白结合蛋白 由致密的纤维构成环形由致密的纤维构成环形 或半圆形或半圆形 核仁的超微结构核仁的超微结构 （二）致密纤维组分（二）致密纤维组分 纤维中心纤维中心 致密纤维组分致密纤维组分 颗粒成分颗粒成分 核仁的超微结构核仁的超微结构 （三）颗粒成分（三）颗粒成分 纤维中心纤维中心 致密纤维组分致密纤维组分 颗粒成分颗粒成分 核仁的超微结构核仁的超微结构 （四）核仁基质（四）核仁基质 核周边异染色质核周边异染色质 核仁基质核仁基质 核被膜核被膜 第五节第五节 核基质核基质/ /核骨架核骨架 核基质的结构和化学组成核基质的结构和化学组成一一 核

21、基质的生物学功能核基质的生物学功能二二 间期细胞核间期细胞核 核核 仁仁 染色质染色质 核基质核基质 核基质的生物学功能核基质的生物学功能 1、参与、参与DNA复制：复制： 是是DNA复制基本位点和空间支架复制基本位点和空间支架 2. 参与参与RNA转录和加工：转录和加工： 基因只有结合到核基质上才能被转录，基因只有结合到核基质上才能被转录， 3. 参与染色体的构建：参与染色体的构建：30nm纤维结合在核纤维结合在核 基质上折叠成袢环结构基质上折叠成袢环结构 核基质的结构和化学组成核基质的结构和化学组成 1、核基质蛋白：核基质上、核基质蛋白：核基质上DNA袢环的结合蛋白袢环的结合蛋白 2、Nu

22、c2+蛋白：在染色体分离有关蛋白：在染色体分离有关 3、核内肌动蛋白：与、核内肌动蛋白：与RNA合成有关合成有关 4、附着区结合蛋白：与、附着区结合蛋白：与DNA袢环的基质锚定区袢环的基质锚定区 （MAR）特异地结合）特异地结合 ? ? 细胞核与肿瘤细胞核与肿瘤 Cancer cell: 2003, 3: 89-95 Cancer cell: 2003, 3: 89-95 DNA 甲基化甲基化 抑癌基因转录抑癌基因转录 肿瘤肿瘤 医学细胞生物学医学细胞生物学 第九章第九章 生物信息的传递生物信息的传递 Revised Central Dogma RNA processing Gene regu

23、lation 基基 因因 组组 的的 保保 持持 基基 因因 组组 的的 表表 达达 hnRNA mRNA tRNA rRNA DNA 复 制 的 基 本 过 程 DNA复制复制 端粒酶端粒酶 复制叉复制叉 GCAGTACATGTC 5 5 3 3 DNA CGTCATGTACAG 编码链 模板链 GCAGUACAUGUCmRNA 转录 转录方向转录方向 5 3 3 5 模板链模板链编码链编码链 编码链编码链模板链模板链 转录方向转录方向 图 12-5 E.coli RNA 聚合酶的亚基组成 大肠杆菌为例大肠杆菌为例 全酶 =核心酶 +因子 a a a a b b b b w w Active

24、 center cleft 转转 录录 复复 合合 物物 41-44bp 原核生物启动子结构原核生物启动子结构 大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区 T85T83G81A61C69A52 T89A89T50A65A100 TATA区：酶紧密区：酶紧密结合结合位点（富含位点（富含AT，利于双链打开），利于双链打开） TTGACA区：提供了RNA聚合酶全酶识别的信号 编码链编码链 AACTGTATATTA 模板链模板链 TTGACATATAAT 3 5 DNA 转录起始点转录起始点 Probnow盒子盒子 启动子启动子 35 10 +1 转录区转录区 53 RNA 转录起点转录起点 与新生RN

25、A链第一个核甘酸 相对应DNA链上的碱基。 核心启动子（core promoter） 上游启动子元件（upstream promoter element，UPE） 1. 核心启动子核心启动子： TATA 常在-25bp左右，相当于原核的-10序列 T85A97T93A85A63A83A50 2. 上游启动子元件：上游启动子元件：包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒 （GGGCGG）等 控制转录起始频率 选择正确的转录起始位点，保证精确起始 TATAGC增强子 SV40 特点：特点： 远距离效应，无方向性，顺式调节，无物质和基因远距离效应，无方向性，顺式调节，无物质和基因 的特异性，具有相对组织

26、特异性，有相位性，部分可以的特异性，具有相对组织特异性，有相位性，部分可以 对外部信号产生反应对外部信号产生反应 强终止子内部终止子强终止子内部终止子 弱终止子弱终止子 需要需要因子（因子（rho factor） 又称为又称为依赖性终止子（依赖性终止子（Rho-dependent terminator） 结构基因结构基因 Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 Y： 透过酶透过酶 A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶 ZYAOP DNA 5 端存在“帽子”结构 多数mRNA 3 端具有poly（A ）尾巴 （组蛋白除外） 几乎都以单顺反子的形式存在 在在5端加帽端加帽 mRNA5端的这种结构称为帽子（Cap）

27、 m7Gppp mRNA从细胞核从细胞核 向细胞质运转，向细胞质运转， 翻译起始翻译起始 鸟嘌呤-7-甲基转移酶 2-O-甲基转移酶 鸟甘酸转移酶 在在3端加尾端加尾 多聚腺苷酸尾巴 AAUAAA： 准确切割 加poly（A） 提高了mRNA在细胞质中的稳定性 转录终止， 翻译起始和 mRNA降解 RNA的剪接的剪接 5.AAGUAAGU .CURAY.(10-40)(U/C)11NCAG G.3 Intron exon exon Polyprimidine CAG = UAG AAG GAG GU-AG类内含子类内含子 GU-AG 类（主要内含子）：类（主要内含子）： 细胞核，pre-mRN

28、A（真核） AU-AG类类 （次要内含子）：（次要内含子）： 细胞核，pre-mRNA（真核） I类内含子：类内含子： 细胞核，pre-mRNA（真核），细胞器RNA，少数细菌RNA II类内含子：类内含子： 细胞器RNA，部分细菌RNA（主要存在于真核生物的线粒体和 叶绿体rRNA基因中） III类内含子：类内含子：细胞器RNA 双内含子：双内含子：细胞器RNA pre-tRNA中的内含子：中的内含子：细胞核，pre-tRNA（真核） 类内含子的自我剪接 内含子的变位剪接 ApoB 基因有 29 个外显子 CAA 第 2153 个密码子编码 Glu 编辑 CAA UAA 翻译 翻译 在肝中剪

29、接后的 mRNA 肠中的 mRNA 经编辑 编码了 4563aa 的载脂蛋白 产生了终止密码子，在 2153aa 处终止合成 图 13-42 载脂蛋白的基因 ApoB 在肠中经过编辑， 引入终止密码子，不能翻译成完整的载脂蛋白。 (参考 B.Lewin:GENES,1997，Fig31.14) T UAUAUGUUUUGUUGUUUAUUAUGUGAUUAUGGUUUUGUUUUUUAUUGGUAUUUUUUAUAUUUA UUUAAUUUGUUGAUAAAUACAUUUUAUUUGUUUGUUAAUUUUUUUGUUUUGUGUUUUUGGUU TT TTTT UAGGUUUUUUUGUUG

30、UUGUUGUUUUGUAUUAUGAUUGAGUUUGUUGUUUGGUUUUUUGUUUU TT TTTT UUGUGAAACCAGUUAUGAGAGUUUGCAUUGUUAUUUAUUACAUUAAGUUGGUGUUUUUGGUUC 图13-44 锥虫 (T.brucei) cox基因的部分RNA顺序。很多U(红色)在DNA中未编码，而另一些在 DNA中编码的T(紫色)在mRNA中被删除了。(参考B.Lewin:GENES ,1997，Fig31.16) 1 frame-shift reading for codon 蛋白质合成终止的释放因子（蛋白质合成终止的释放因子（RF2) 的自体调控的自体调控 当当RF2充足时充足时 当当RF2不足时不足时 RF2-p 自