医学细胞生物学：07 细胞核

1、 细胞核细胞核 1 细胞核概述 1 核膜 1染色质与染色体 1 核仁与核糖体的发生 1 细胞核的功能 细胞核概述 v 真核细胞内最大的细胞器 v 遗传物质储存、复制和转录的场所 v 细胞生命活动的控制中心 v 细胞核是真核生物区别于原核生物的根本所在， 在生命进化历程中具有重要意义 细胞核概述 v细胞核在不同的生物细胞具有异质性 v 形态上，各不相同，与细胞形状、类型 和发育时期相关 v 大小上，生长旺盛的细胞核体积较大， 直径通常5-10um v 数量上，通常为单核，有些细胞双核甚 至多核 嗜中性粒细胞嗜中性粒细胞 表皮细胞表皮细胞 成纤维细胞成纤维细胞 肌细胞肌细胞 细胞核概述 v 细胞核

2、随细胞的增殖行为发生周期性变化 v分裂期，核被膜裂解，无明显核形态 v间期，细胞核具完整形态 v 间期细胞核包括核被膜、核仁、染色质以 及核基质等结构 核膜的化学组成 v 蛋白质 l65%-75% l20多种蛋白，酶类与ER极相似 l包括组蛋白、基因调节蛋白、DNA/RNA聚合酶、 RNA酶、电子传递相关酶类等 v 脂类 l含卵磷脂和磷脂酰乙醇胺、胆固醇、甘油三酯等 l与ER相似，但含量不同 v 少量DNA 和 RNA 电镜下核膜的结构 核膜与核孔 外核膜外核膜(outer Nuclear Membrane) 形态及生化行为上与粗面内质网相近，与粗 面内质网膜连续 表面结合核糖体，粗面内质网的

3、特化区域 外表面有细胞骨架(cytoskeleton)形成的骨架 网络，与细胞核在细胞质内的定位有关 内核膜内核膜(inner Nuclear Membrane) 表面无核糖体粘附 内侧衬以核纤层蛋白(lamina)形成的骨架网络体系 特有蛋白成分，如核纤层蛋白B受体，可与lamin B 结合，将核膜固定在核纤层上 内外核膜在局部区域融合形成核孔(nuclear pore) 核周间隙核周间隙(perinuclear space) 内外核膜之间的部分 宽度 20-40nm 宽度随细胞种类及功能状态 而不同 与粗面内质网腔相连通 内含多种蛋白质和酶 核孔核孔(nuclear pore) 密度 35

4、-65个/um2 哺乳动物细胞 3000-4000个 其数量、分布和密度因细胞类型、核功能状 态不同 核孔具有复杂的结构，是由多个蛋白质颗粒 以特定方式排列而成的复合物，称为核孔复 合体(nuclear pore complex，NPC) Cytoplasmic Ring Nuclear Ring 核孔复合体核孔复合体 (nuclear pore complex, NPC) 普遍存在于所有真核细胞中 主要由30多种不同的蛋白质构成 所有的核孔复合体蛋白统称为核孔蛋白 （nucleoporin，Nup） Nup在进化上高度保守 多含有FG重复序列，可与入核素结合，介 导亲核蛋白的主动运输 核孔复

5、合体的结构：核孔复合体的结构： 捕鱼笼式（捕鱼笼式（fish-trap）模型）模型 横向上，由周边向核孔中心依次为：环、辐、栓 纵向上，由核外（胞质面）向核内（核质面） 胞质环：环上有8条短纤维伸向胞质 辐：柱状亚单位、腔内亚单位、环带亚单位 核质环：环上有8条长纤维伸向核内，末端形成小 环 核篮 栓：中央颗粒？ 胞质环胞质环 核质环核质环 幅幅柱状亚单位柱状亚单位 腔内亚单位腔内亚单位 环带亚单位环带亚单位 中央栓中央栓 ？ 核篮核篮 核纤层(nuclear lamina) 内层核膜下由蛋白质纤维所形成的网络状片 层结构 在细胞分裂期中调节核膜的破裂和重建 厚度因细胞而异，通常10-20nm

6、 其化学组成为核纤层蛋白(lamin)，是一种特 殊的中间纤维(intermediate filament)蛋白 电镜下的核纤层 核纤层(nuclear lamina) 核纤层的化学组成为核纤层蛋白(lamin)，是一种特 殊的中间纤维(intermediate filament) 哺乳类细胞中，核纤层蛋白A、B、C Lamin A和Lamin C是同一基因编码的不同产物 Lamin B与核纤层蛋白B受体 核纤层蛋白在细胞分裂周期中的变化 核纤层结构及作用 核纤层蛋白核纤层蛋白 B受体受体 核纤层蛋白核纤层蛋白B 核纤层与细胞周期 核纤层的功能 核纤层与核基质 v核纤层(nuclear lam

7、ina)是内层核膜下由蛋白质纤维 所形成的网络状片层结构。 v核基质(nuclear matrix)是核内由蛋白质纤维所构成 的立体网络状结构，由于在形态上与细胞质内的骨 架成分具有相似性，且两者存在一定联系，故又称 为核骨架 。 v 核纤层和核基质与细胞骨架中的中间纤维在化学组 成上具有一定的同源性。 核基质 真核细胞间期核内除核膜、染色质和核仁以外的 部分，是由非组蛋白为主构成的纤维网架结构， 又称为核骨架 广义上包括核纤层、残留的核孔复合体、核仁残 网以及残留的染色质支架等。 由核基质蛋白、功能性的核基质结合蛋白和少量 RNA组成 核基质、染色体支架、核孔复合体、细胞质骨架、 膜骨架与细

8、胞外基质的统一性。 核基质(核骨架) 核基质的功能 核膜的功能 v 真核细胞内的区室化作用 v 控制细胞质细胞核之间的物质交换 v 参与蛋白质合成 核膜的区室化作用 核膜作为细胞核与细胞质的界膜，使 细胞核有了相对稳定的内环境进行核内代 谢，且核膜的出现，还将DNA复制、RNA 转录以及蛋白质翻译合成分开进行，对真 核细胞的进一步演化具有重要意义。在真 核细胞中，因核膜的出现，RNA转录和蛋 白质翻译得以在时间和空间上分开来，即 细胞核内转录的RNA前体必须进行加工修 饰成熟后，才能输入细胞质中指导和参与 蛋白质的合成。实现了基因表达的精确性 和多样性。 核膜与核质间物质运输 NPC的双向运输

9、 核膜与核质间物质运输 核膜与核质间物质运输 核孔复合体介导核核孔复合体介导核-质间物质运输质间物质运输 核孔复合体介导的主动运输 爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验 NLS 核质蛋白核质蛋白 (nucleoplasmin): 亲核蛋白，与组蛋亲核蛋白，与组蛋 白结合，协助核小白结合，协助核小 体的装配。由体的装配。由5个单个单 体组成，分子量体组成，分子量 165,000 ，可被蛋，可被蛋 白水解酶水解为头、白水解酶水解为头、 尾两个结构域。尾两个结构域。 核孔复合体介导物质运输 GTPGDP NLS输入蛋白（importin） RanGTP酶 成熟mRNA分子通过核膜运输 输出蛋白（输出蛋白（e

10、xportin）NES 染色质与染色体 v 染色质与染色体的化学组成 v 常染色质与异染色质 v 染色体的构建 v 染色体的形态结构 v 染色体的核型 染色质（染色质（chromatin) 间期核间期核 染色体（染色体（chromosome) 分裂期分裂期 一、染色质和染色体的主要化学组成 组组蛋白与蛋白与DNA含量较稳定，含量较稳定， 98% ，1:1 非组蛋白和非组蛋白和RNA随细胞生理状态变化随细胞生理状态变化 （一） DNA是携带遗传信息的生物大分子 染色体DNA序列可分为： 单一顺序 中度重复顺序 高度重复顺序 （一） DNA是携带遗传信息的生物大分子 染色体DNA序列可分为： 单一

11、顺序： 单拷贝序列，单一拷贝或少数几个拷贝，据编码功能的结构基因。 中度重复顺序： 重复次数在101-105之间，长度在几百至几千个bp，多为不编码序 列，参与基因调控，亦包含rRNA基因、tRNA基因、组蛋白基因、 核糖体蛋白基因等。 高度重复顺序： 重复拷贝超过105，长度仅几个至几十个bp，散在或串联重复，均 不转录，构成结构基因间隔，分布于端粒、着丝粒区。 （一） DNA是携带遗传信息的生物大分子 染色体DNA序列可分为： 单一顺序 中度重复顺序 高度重复顺序 一条功能染色体DNA分子必须含有： 一个着丝粒序列 (centromere DNA sequence) 、两个端粒序列(tel

12、omere DNA sequence )和多个复制起点序列(DNA replication origins sequence) 染色体中DNA序列功能示意图 组蛋白为碱性蛋白(精氨酸和赖氨酸），带正电荷，与DNA 非特异性结合，包括： H2A、H2B、H3和H4，核小体组蛋白，具高度保守性 H1 ，连接组蛋白，具种属及组织细胞特异性 非组蛋白为酸性蛋白，带负电荷，具种属及组织细胞特异 性，与DNA特异性结合，主要功能是协助染色体组装、调节 基因表达等。 （二） RNA是携带遗传信息的生物大分子 （三） 组蛋白和非组蛋白 染色质中的RNA含量极少，含量在不同物种中的变化也 大，可能是新合成的各种

13、RNA前体 DNA与组蛋白 组蛋白组蛋白(histone): 在在S期与期与DNA同时合同时合 成。成。H2A、H2B、H3和和 H4是核小体组蛋白，是核小体组蛋白， 聚合形成八聚体核心，聚合形成八聚体核心， DNA缠绕形成核心颗缠绕形成核心颗 粒。粒。 H1 为连接组蛋白，为连接组蛋白， 锁定核小体锁定核小体DNA进出进出 端。组蛋白与端。组蛋白与DNA的的 结合可以抑制结合可以抑制DNA的的 复制与转录。组蛋白的复制与转录。组蛋白的 修饰影响染色质的活性，修饰影响染色质的活性， 如乙酰化、磷酸化和甲如乙酰化、磷酸化和甲 基化等。基化等。 二、常染色质与异染色质 常染色质常染色质 异染色质异

14、染色质 常染色质常染色质 异染色质异染色质 常染色质与异染色质 v 常染色质和异染色质在螺旋化程 度、DNA序列和功能上有明显不 同，但是化学本质相同 v 常染色质和异染色质在一定条件 下可相互转化 v 组成性异染色质和兼性异染色质 v 兼性异染色质总量变化与细胞分 化有关 v 剂量补偿效应与Bar小体 莱昂假说与巴氏小体 Barr小体小体 Barr小体小体 莱昂假说与巴氏小体 电镜下的染色质结构 30nm 10nm 自然结构自然结构 盐溶液处理盐溶液处理 碱性蛋白(富含精氨酸和赖氨酸），带正电荷， 与DNA非特异性结合 核小体组蛋白： H2A、H2B、H3和H4，具高度 保守性；通过C端疏水

15、氨基酸相互结合形成八聚 体核心颗粒；N端带正电氨基酸向外伸出与 DNA结合； H1 组蛋白，具种属及组织细胞特异性；在构 成核小体（染色体一级结构）时起连接作用， 赋予染色体极性。 组蛋白 染色体的构建 l直径11nm的圆盘状颗粒； l由约200bp的DNA及组蛋白八聚体构成； l组蛋白核心颗粒由H2A、H2B、H3和H4各2分子构成； l约146bp DNA盘绕核心颗粒1.75圈； l核小体间为连接DNA，长度为0-80bp，平均60bp； l每200bp出现一个核小体，并沿着染色质纵轴紧密排 列，形成串珠状结构。 染色体的一级结构： 核小体 l组蛋白核心颗粒由H2A、H2B、H3和H4各2

16、分子构成； l两个H3、H4 二聚体位于核心结构中央； l两个H2A、H2B二聚体位于两侧； l约146bp DNA盘绕核心颗粒1.75圈； l组蛋白核心颗粒上特定位点与DNA双螺旋小沟A-T富含区 结合，介导DNA的弯曲盘绕。 染色体的二级结构： 螺线管 核小体串珠螺旋缠绕，每个核小体以 窄的一面向外，6个核小体绕成一个螺旋， 形成外径30nm，内径10nm，螺距11nm的 螺线管。一般认为H1组蛋白位于螺线管内 部，对螺线管的形成和稳定起重要作用。 DNA与组蛋白 l组蛋白H1由一个球形中心及两个 氨基酸臂组成，位于螺线管内部， 球形中心与核小体特异位点结合， 两臂与相邻核小体组蛋白核心颗

17、粒 结合，协助核小体包装成螺线管的 稳定结构。 电镜下的染色质结构 30nm 10nm 自然结构自然结构 盐溶液处理盐溶液处理 染色体的高级结构： WHAT？ 人胎儿分裂细胞染色体经温和处理后，电 镜下观察到直径0.4um的圆筒状结构，称为超 螺线管。 染色体的高级结构： WHAT？ 染色体的高级结构： WHAT？ 2mol/L NaCl或硫酸葡聚糖加肝素处理 HeLa细胞中期染色体，去除组蛋白后，电镜 下可观察到非组蛋白构成的染色体骨架，及 由骨架伸出的无数DNA袢环。 染色体的高级结构： WHAT？ 染 色 体 的 构 建 着丝粒与动粒着丝粒与动粒 主缢痕与次缢痕主缢痕与次缢痕 核仁组织区

18、核仁组织区 随体随体 端粒端粒 巨大染色体巨大染色体 四、染色体的形态结构 端粒端粒 主缢痕主缢痕 次缢痕次缢痕 短臂短臂 （p） 长臂长臂 （q） 随体随体 常染色质区常染色质区 异染色质区异染色质区 染色体的形态结构 染色体四种类型 （一）着丝粒与动粒一）着丝粒与动粒 着丝粒着丝粒(centromere) 是主缢痕内部高度重复的异染色质结构。是主缢痕内部高度重复的异染色质结构。 动粒动粒(kinetochore) 位于主缢痕两侧的特化圆盘状结构，由蛋位于主缢痕两侧的特化圆盘状结构，由蛋 白质构成，是细胞分裂时纺锤丝动粒微管的附着部位，参与白质构成，是细胞分裂时纺锤丝动粒微管的附着部位，参与

19、 细胞分裂后期染色体向两极的移动。细胞分裂后期染色体向两极的移动。 着丝点着丝点： 着丝粒着丝粒-动粒复合体动粒复合体 着丝粒着丝粒 含高度重复含高度重复DNA 纺锤体微管纺锤体微管 动粒动粒 主要成分蛋白质主要成分蛋白质 （一）着丝粒与动粒一）着丝粒与动粒 （二）次缢痕是某些染色体特有的形态表现二）次缢痕是某些染色体特有的形态表现 着丝粒着丝粒(centromere) 是主缢痕内部高度重复的异染色质结构。是主缢痕内部高度重复的异染色质结构。 动粒动粒(kinetochore) 位于主缢痕两侧的特化圆盘状结构，由蛋位于主缢痕两侧的特化圆盘状结构，由蛋 白质构成，是细胞分裂时纺锤丝动粒微管的附着

20、部位，参与白质构成，是细胞分裂时纺锤丝动粒微管的附着部位，参与 细胞分裂后期染色体向两极的移动。细胞分裂后期染色体向两极的移动。 除主缢痕外，染色体上其他的浅染缢缩部位称次缢痕。它的数除主缢痕外，染色体上其他的浅染缢缩部位称次缢痕。它的数 目、位置和大小是某些染色体所特有的形态特征，可作为鉴定目、位置和大小是某些染色体所特有的形态特征，可作为鉴定 染色体的标记。染色体的标记。 （三）三）核仁组织区（核仁组织区（NOR） 是含有是含有rRNA基因（基因（5SrRNA基因除外）的一段染色体区域，基因转录基因除外）的一段染色体区域，基因转录 活跃，染色质凝集程度低，表现为浅染的次缢痕，与间期核仁形成

21、有关，活跃，染色质凝集程度低，表现为浅染的次缢痕，与间期核仁形成有关， 但并非所有次缢痕都是但并非所有次缢痕都是NOR。 （五）端粒（五）端粒 (telomere) （四）随体四）随体 (satellite) 是位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区与染色是位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区与染色 体主体部分相连。它是识别染色体的重要形态特征之一，有体主体部分相连。它是识别染色体的重要形态特征之一，有 随体的染色体称为随体的染色体称为sat染色体。如人类的染色体。如人类的13 14 15 21 22 号染色体。号染色体。 是染色体两个端部特化结构，是染色体两个端部特化结构， 通

22、常由富含通常由富含G的短串联重复序的短串联重复序 列组成，不同物种序列不同。列组成，不同物种序列不同。 端粒维持了染色体复制与结端粒维持了染色体复制与结 构的完整性。构的完整性。 端粒酶端粒酶 （五）巨大染色体（五）巨大染色体 （giant chromosome） 多线染色体多线染色体 (polytene chromosome) 染色单体多次复制而染色单体多次复制而 细胞不分裂，产生的子染色体平行排列，且同源染色体配对细胞不分裂，产生的子染色体平行排列，且同源染色体配对 紧密结合，从而阻止染色质进一步聚缩，形成体积很大的多紧密结合，从而阻止染色质进一步聚缩，形成体积很大的多 线染色体。光镜下表

23、现为深浅交替的带与间带。线染色体。光镜下表现为深浅交替的带与间带。 果蝇多线染色体： 含有210=1024条同 源DNA拷贝；膨松的区域 为RNA转录活性区。 （五）巨大染色体（五）巨大染色体 （giant chromosome） 灯刷染色体灯刷染色体 (lampbrush chromosome) 是普遍存在于鱼类、是普遍存在于鱼类、 两栖类等动物卵母细胞中的一类形似灯刷的特殊巨大染色体。两栖类等动物卵母细胞中的一类形似灯刷的特殊巨大染色体。 通常出现在卵母细胞减通常出现在卵母细胞减I双线期。染色粒串联形成主轴，向两双线期。染色粒串联形成主轴，向两 侧伸出成对侧环，侧环是转录活性区。侧伸出成对

24、侧环，侧环是转录活性区。 五、染色体的核型和带型 （一）核型（一）核型（karyotype) 是一个体细胞的全部染色体在有丝分裂中期的表型，是一个体细胞的全部染色体在有丝分裂中期的表型， 包括染色体的数目、大小和形态特征。包括染色体的数目、大小和形态特征。 （二）核型分析二）核型分析 人类染色体观察 正常男性：正常男性：46，XY正常女性：正常女性：46，XX 人类染色体分组及形态特征 五、染色体的核型和带型 （一）核型（一）核型（karyotype) 是一个体细胞的全部染色体在有丝分裂中期的表型，是一个体细胞的全部染色体在有丝分裂中期的表型， 包括染色体的数目、大小和形态特征。包括染色体的数

25、目、大小和形态特征。 （二）核型分析二）核型分析 （三）染色体显带技术（三）染色体显带技术 将染色体经过一定处理，用特定染料染色后，染将染色体经过一定处理，用特定染料染色后，染 色体沿长轴显示深浅各异、宽窄不等的条纹，构色体沿长轴显示深浅各异、宽窄不等的条纹，构 成染色体的带型。成染色体的带型。 染色体显带技术 显带染色体：显带染色体： 用特殊的染色方法使用特殊的染色方法使 染色体沿其长轴显示染色体沿其长轴显示 出深浅各异、宽窄不出深浅各异、宽窄不 等的条带，如等的条带，如Q带、带、G 带、带、C带、带、N带等。带等。 q p 3 2 1 1 2 3 4 正正 常常 人人 体体 细细 胞胞 染

26、染 色色 体体 带带 型型 模模 式式 图图 脆性X染色体综合症 frm1 CGG/CCG 携带脆性X 染色体的男性通常在年少的时候不表现出明显的症 状，随着年龄的增加 ，这些人通常表现为长条面型，耳朵外凸， 大睾丸，智力发育障碍，语言出现障碍，对外界刺激反映迟钝， 行为障碍等影响。 正常正常 患者患者 6-50 20-2000 真核细胞内形成核糖体的非膜相结构真核细胞内形成核糖体的非膜相结构 核仁随细胞分裂发生周期性变化核仁随细胞分裂发生周期性变化 单一或多个匀质的球形小体； 大小、形状和数目随生物种类、细胞类型和 代谢状态变化（代谢旺盛，核仁大）； 随细胞周期发生动态变化； “核仁趋边”现

27、象。 核仁主要化学组成为RNA、DNA、 蛋白质和酶类等； 电镜下核仁包括：纤维中心、致密 纤维组分、颗粒成分、核仁相随染色 质以及核仁基质； 核仁的超微结构 （一）由致密纤维包一）由致密纤维包围的纤维中心（围的纤维中心（FC）：）： FC是电镜下包埋于颗粒组分内部的低电子密度的圆形结构，是电镜下包埋于颗粒组分内部的低电子密度的圆形结构， rDNA存在部位。存在部位。 由由rRNA基因串联排列的基因串联排列的DNA袢环（袢环（rDNA） ，从染色体上伸展，从染色体上伸展 出来，高速转录产生出来，高速转录产生rRNA，组织形成核仁。这些，组织形成核仁。这些rRNA基因所共基因所共 同构成的区域称

28、为同构成的区域称为核仁组织区核仁组织区（nucleolar organization region， NOR）。）。 （二）由致密的细纤维构成的（二）由致密的细纤维构成的致密纤维组分（致密纤维组分（DFC） DFC是核仁内部电子密度最高的区域，由致密纤维形成环形或是核仁内部电子密度最高的区域，由致密纤维形成环形或 半月形包围半月形包围FC。主要含有正在转录的。主要含有正在转录的rRNA分子，核糖体蛋白和分子，核糖体蛋白和 特异的特异的RNA结合蛋白。结合蛋白。 （三）由核糖核蛋白构成（三）由核糖核蛋白构成的颗粒成分（的颗粒成分（GC） GC由正在加工、成熟的核糖体亚单位前体颗粒构成，多位于核由

29、正在加工、成熟的核糖体亚单位前体颗粒构成，多位于核 仁外周。仁外周。 （四）核仁相随染色质（四）核仁相随染色质（nucleolar-associated chromatin) 核仁周围染色质（包围在核仁周围的异染色质）与含核仁周围染色质（包围在核仁周围的异染色质）与含rDNA的常的常 染色质统称为核仁相随染色质。染色质统称为核仁相随染色质。 核仁相随染色质 人类rRNA基因位于13、14、 15、21、22号染色体 （三）由核糖核蛋白构成（三）由核糖核蛋白构成的颗粒成分（的颗粒成分（GC） GC由正在加工、成熟的核糖体亚单位前体颗粒构成，多位于核由正在加工、成熟的核糖体亚单位前体颗粒构成，多位于核 仁外周。仁外周。 （四）核仁相随染色质（四）核仁相随