细胞核与染色质

1、Medicai molecular biology 细胞核与染色体 The cell nucleus 主要内容 一、核膜（Nuclear envelope） 二、核骨架(Nuclear scaffold) 三、染色质与染色体 (Chromatin and chromasome) 四、核仁（Nucleolus） 五、核糖体（Ribosome） 1781年 Trontana发现于鱼类细胞； 1831年，Brown发现于植物。 大小：植物14m，动物10m。常以核质比来 估算核的大小。正常细胞NP0.5，分裂期细胞 NP0.5，衰老细胞NP105）。 3种构像：B-DNA、Z-DNA、A-DNA。

2、Three key regions of a chromosome 2.DNA结构稳定遗传的功能序列 自主复制序列(ARS)，是DNA复制的起点。 着丝粒序列(CEN) ，含卫星DNA。 端粒序列(TEL)。 带正电荷，含Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为： 核心组蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4； 连接组蛋白（linker histone）：H1。 结构：高度保守，尤其是H3和H4。 核心组蛋白由球形部和尾部构成， 球形部借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。 H

3、1多样性，具有属(genus)和组织特异性。 （二）组蛋白（histone） H4 H3 H4 H3 H2A H2A H2B H2B 10nm 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期合成。 3.能识别特异的DNA序列，识别与 结合靠氢键和离子键，特异性识别的序 列在进化上是保守的。 （三）.非组蛋白 非组蛋白的功能 功能： 1.参与染色体的构建； 3.调控基因转录。 2.启动基因复制； 非 组 蛋 白 的 不 同 结 构 模 型 二、常染色质和异染色质 间期核中染色质可分为异染色质 （heterochromatin） 常染色

4、质（enchromatin）。 异染色质的特点： 在间期核中处于凝缩状态，无转录活性、 是遗传惰性区。 在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩（异 固缩现象）。 分为两类：结构（恒定）异染色质 （constitutive heterochromatin）、兼性（功能） 异染色质（facultative heterochromatin） 巴氏小体（barr body）。 雌性哺乳动物细胞中一条 异固缩化的X染色体。 人的胚胎发育到16天以后， 出现巴氏小体。 barr body 2.常染色质（伸展的、功能性染色质） 无明显的螺旋和盘曲、染色浅、功能 上很活跃、均匀分布于核内。 1.异染色质 (浓缩的、

5、非功 能性染色质)高度螺旋和盘 曲、染色深、功能上不很活 跃、位于核的边缘。 三、染色质的结构及染色体的组装 人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色 体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内 全部DNA连结起来约1.72.0m。 nucleosomes (10 nm)condensed form (30 nm) 1.1.核小体（nucleosome）： 核小体：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分 组成，通过酶消化实验建立。 每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心 和一个H1； 由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心 颗粒； DNA分子以左

6、手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈83bp， 共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合； 相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。 核小体是染色质的基本组成单位，为染色质 的一级结构， 10nm。将DNA分子长度压缩1/7。 球状组蛋白核心 H4 DNA双螺旋 H3 H4 H3 H2A H2A H2B H2B H4 H3 H3H4 H2A H2A H2B H2B 10nm 连接DNA（ 50-60bp） 核小体 核 心 部 连 接 部 DNA分子：140 160bp、1.75圈 组 蛋 白：2（H2A、 H2B、H3、H4）八聚体 组 蛋 白：H1 DNA分子：5060bp 核小体 形成1

7、1nm的纤维 2.螺线管（solenoid）：在电镜下观察用温和方法分离 的染色质是直径30nm的纤维： 由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈（螺线 管），长度压缩6倍； solenoid 3.染色体的构建：目前多认为30nm的纤维折叠为一 系列的环（loop,袢环）结合在核骨架上（或称染 色体骨架），结合点是富含AT的区域 。 Chromatin Packing 四、染色体形态特征 随体 次缢痕 主缢痕 端 粒 长 臂 短 臂 染色单体 着丝粒 短臂 长臂 DNA 是两个不同的概念，前者指中期染色单体相互联 系在一起的特殊部位，后者指主缢痕处两个染色 单体外侧与纺锤体微管连接的部位。 着丝

8、粒包含3个结构域 1）动粒（着丝点）结构域（kinetochore domain） 2）中心结构域（central domain ） 3）配对结构域(pair domain) （一）着丝粒（centromere）和动粒 （kinetochore） OP interzone IP 1）动粒结构域（kinetochore domain） 位于着丝粒的外表面，包括三层板状 结构和围绕外层的纤维冠(fibrous corona)。 2）中心结构域（central domain ） 位于动粒结构域的下方。其中含有高度重复的 卫星DNA。 3）配对结构域(pair domain) 位于中心结构域的内层，中

9、期两条染色单体在 此处相互连结。 荧光原位杂交（ Fluorescence in situ hybridization, FISH ）显示的着丝粒卫星DNA （二）次缢痕(secondary constriction) （有丝分裂中期染色体上的结构） 核仁组织区（nucleolar orgnizing regions NORs），间期核仁的结构，构成核仁，位于染色 体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。 （三）随体(satellite)： 某些染色体的短臂末端呈球形或棒状结构。 （四）端粒（telomere） 由高度重复的短序列组 成，高度保守。 端粒核苷酸复制和基因 DNA不同，每复

10、制一次减 少50100bp，其复制要 靠具有反转录酶性质的 端粒酶来完成，正常体 细胞缺乏此酶，故随细 胞分裂而变短，细胞随 之衰老。 作用： 维持染色体的稳定性。 起细胞分裂计时器的作用。 DNADNA（ a a） 5 5 TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGOH-3OH-3 3 3 AACCCCAA-5 AACCCCAA-5 端粒酶结合 3 3 AACCCCAA AACCCCAA（5 5 ） (b)(b) 移位再杂交 进一步聚合作用 端粒酶催化端区TG链的合成 端粒特点 富含T、G碱基 的短序列多次重 复端粒复制不 依赖模板DNA； 端粒酶：

11、RNA蛋白质 复合物 作用：维持染色体的 稳定性和DNA复制的完 整性。 膜板 ACCCCAACACCCCAAC 端粒酶端粒酶RNARNA 5 5 TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGOH-3OH-3 五、核型与染色体带型 （一）核型(Karyotype)即细胞分裂中期染色体 特征的总和。包括染色体的数目、大小和形态、 着丝粒的位置、随体的有无等特征。 性细胞染色体为单倍体（haploid），用n表示; 正常核型：23,Y; 23,X。 体细胞为2倍体（diploid）以2n表示，如人类 2n=46，23对，分为AG7组,

12、122常染色体； (X,Y)为性染色体 正常核型：46,XY; 46,XX。 18三体综合征患三体综合征患儿儿 核型为：核型为：47，XY，18+ （二）染色体分带 第四节 核仁（nucleolus） 核仁（nucleolus）见于间期的细胞核内， 呈圆球形，一般12个，有时多达35个。 主要功能是转录rRNA和组装核糖体单位。 一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细 胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很 小或缺失。 一、核仁的形态结构和化学组成 (一)核仁的化学组成 主要是核酸和蛋白质,少量的糖类。 蛋白质：占80%,核糖体蛋白、组蛋白和 非组蛋白、酸性磷酸酶、ATP酶、RNA聚 合酶。 RN

13、A:占10%;以RNP的形式存在 DNA:占8%；存在于核仁染色质部分 (二)核仁的亚显微形态 1.核仁相随染色质：核仁周围染色质和核仁内染 色质（功能活性）0 后者是是深入 核仁内的核仁 组 织 者 区 (NOR)，具有 r R N A 基 因 (rDNA) 核仁相随染色质、纤维结构、颗粒成分和核仁基质核仁相随染色质、纤维结构、颗粒成分和核仁基质 .纤维结构(fibrillar centers，FC)：是电子 密度致密部分，呈圆形或半圆形分布在浅染区周 围纤维包围的一个或几个高电子密度的圆形结构， 主要有正在转录的rRNA组成，此外还包括RNA聚合 酶和蛋白质。 .颗粒成分(granular

14、 component，GC)：由直径 15-20 nm的颗粒构成，是不同加工阶段的RNP，是 核糖体亚基的前体物。 .核仁基质 ：无定形的蛋白质性液体物质环境。 电子显微镜下观察到的核仁形态 二、核仁周期 (nucleolus cycle) 周期性变化 间期：核明显 分裂期：核仁组织区的染色体浓缩，rRNA合成停止，核 仁逐渐缩小，最后消失； 末期：子细胞形成时，合成重新开始，核仁又重新出现。 三、核仁的功能 1.合成rRNA，并进行加工 2.装配核糖体的大、小亚基 （一）核糖体的成分 含40%的蛋白质、60%的RNA，由两个亚单体构成。 分为70S、80S和55S三种类型。 由大小两个亚基构

15、成，只在以mRNA为模板合成蛋白 质时才结合在一起，肽链合成终止后，大小亚单位 又解离。 核糖体并不是单独工作的，而是由多个甚至几十个 串 连 在 一 条 m R N A 分 子 上 ， 称 多 聚 核 糖 体 （polyribosome）。 第五节 核糖体ribosome 核糖体的组成 60S 结 构 大亚基大亚基 小亚基小亚基 柄 中心突中心突 嵴嵴 平台平台 头部头部 裂沟裂沟 基部基部 50S 30SmRNA 40S mRNA tRNA 多肽多肽 中央管中央管 5 ， 3， ， mRNA A 部部 位位 P 部部 位位 G 因因 子子 T因子因子 核糖体的四个核糖体的四个 活性部位活性

16、部位 (二)核糖体的结构 .氨酰基位点，氨酰- tRNA 结合 部位，也称A位。 .肽酰基位点，肽酰-tRNA结合 部位，也称P位。 .肽酰基转移酶位点（T因子）形成肽键。 .GTP酶位点（G因子）使肽酰-tRNA由A位转 到P位 活 性 部 位 Protein Synthesis AP （三）核糖体组装 rRNA基因是重复的多拷贝基因。人的一个细胞中 约有200个拷贝，相邻基因之间为非转录的间隔 DNA。 转录时，RNA聚合酶沿DNA分子排列，此酶由基因头 端向末端移动，转录好的rRNA分子从聚合酶处伸出， 愈近末端愈长，从左右两侧均可伸出，呈羽毛状。 rRNA首先出现在纤维部，而后转向颗粒部。 纤维部的纤维状物质是