第8章细胞核与染色体

1、第八章第八章 细胞核与染色体细胞核与染色体n细胞核是真核细胞内最大、最细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是细胞遗传与重要的细胞器，是细胞遗传与代谢的调控信息中心代谢的调控信息中心n17811781年年 trontanatrontana发现于鱼类细发现于鱼类细胞；胞；18311831年，年，brownbrown发现于植物。发现于植物。n大小：植物大小：植物14m14m，动物，动物510510（8 8）mm。常以核质比来估算。常以核质比来估算核的大小。核的大小。n形状：圆形，网状形状：圆形，网状 ( (胚乳细胚乳细胞），分支状胞），分支状( (蝶类丝腺细胞蝶类丝腺细胞) )。n位置：细胞中央

2、位置：细胞中央 ，成熟植物细，成熟植物细胞的边缘。胞的边缘。n数目：通常一个，成熟数目：通常一个，成熟的红细胞（的红细胞（0 0）、肝细胞、）、肝细胞、心肌细胞心肌细胞(1-2(1-2）、破骨）、破骨细胞细胞(650(650）、骨骼肌细）、骨骼肌细胞胞( (数百）、植物毡绒层数百）、植物毡绒层细胞细胞(24)(24)。n结构：结构：核被膜、核被膜、核核仁、仁、核基质、核基质、染色染色质、质、核纤层。核纤层。第一节第一节 核被膜与核孔复合体核被膜与核孔复合体n核被膜核被膜(nuclear envelope)(nuclear envelope)的结构的结构外核膜外核膜(outer nuclear

3、membrane):(outer nuclear membrane):内质网的一部分，内质网的一部分，胞质面附有核糖体。胞质面附有核糖体。内核膜内核膜(inner nuclear membrane)(inner nuclear membrane)核周间隙核周间隙(perinuclear space (perinuclear space ，核周池、核周腔，核周池、核周腔) )：两层核膜之间的空隙两层核膜之间的空隙, , 宽宽15-30nm,15-30nm,其中充满无定形物其中充满无定形物质质, ,与内质网腔相通与内质网腔相通核纤层核纤层(lamina):(lamina):位于内核膜的内表面的纤维

4、网络，可位于内核膜的内表面的纤维网络，可支持核膜，并与染色质及核骨架相连支持核膜，并与染色质及核骨架相连核孔核孔(nuclear pore(nuclear pore）一、核被膜一、核被膜核 被 膜核被膜核被膜n核被膜的功能核被膜的功能核、质之间的选择性屏障核、质之间的选择性屏障核膜成为保护性屏障核膜成为保护性屏障, , 使核处于一微环境；基因使核处于一微环境；基因表达的时空隔离表达的时空隔离染色体的定位和酶分子的支架染色体的定位和酶分子的支架调控核内外物质运输和信息交流调控核内外物质运输和信息交流核被膜核被膜n核被膜的解体与重建核被膜的解体与重建新核膜来自旧核膜新核膜来自旧核膜核被膜的解体与重

5、建的动态变化受细胞周期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白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关饰有关其中其中b b型核纤肽与核膜残余小泡结合，型核纤肽与核膜残余小泡结合，a a型溶于胞质中。型溶于胞质中。二、核孔复合体二、核孔复合体（nuclear pore complex, npcnuclear pore complex, npc）n胞质环胞质环(cytoplasmic ring),外环外环n细胞质颗粒细胞质颗粒(cytoplasmic granular)n核质环核质环

6、(nucleoplasmic ring),内环内环n中央栓中央栓(central plug),中央运输蛋中央运输蛋白白(central transporter)n辐辐(spoke)柱状亚单位柱状亚单位(column subunit)腔内亚单位腔内亚单位(luminal subunit):外辐条环外辐条环环带亚单位环带亚单位(annular subunit）：内辐条环）：内辐条环n笼状体笼状体(basket)核孔复合体模型核孔复合体模型核孔复合体核孔复合体n核孔复合体的功能核孔复合体的功能核质物质交换的双向核质物质交换的双向性亲水通道性亲水通道主动运输主动运输被动运输被动运输核孔复合体核孔复合体

7、n通过核孔复合体的主动运输通过核孔复合体的主动运输生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的主动运输生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的主动运输完成的，具有高度的选择性，并且是双向的。包括：完成的，具有高度的选择性，并且是双向的。包括：亲核蛋白的入核转运亲核蛋白的入核转运核内蛋白质的输出核内蛋白质的输出转录产物转录产物rnarna的核输出的核输出几个概念几个概念亲核蛋白（亲核蛋白（karyophilic proteinkaryophilic protein）：在细胞质内合）：在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质质核定位

8、信号（核定位信号（nuclear localization signalnuclear localization signal，nlsnls）nextnext：引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列，具有：引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列，具有定向、定位作用。受体为定向、定位作用。受体为importinimportin。输入蛋白输入蛋白(importin)(importin)：仅有核定位信号的蛋白质自身：仅有核定位信号的蛋白质自身不能通过核孔复合体，它必须与水溶性的不能通过核孔复合体，它必须与水溶性的nlsnls受体结合受体结合才可穿过才可穿过npcnpc，这种受体称为输入蛋白，这种受体称为输入

9、蛋白ranran蛋白，一类蛋白，一类g g蛋白，调节货物复合体的解体或形成蛋白，调节货物复合体的解体或形成nlsnls序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指导完成核输入后并不被切除指导完成核输入后并不被切除nlsnls是存在于亲核蛋白内的一些短的是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基，如基，如lyslys、argarg，此外还常含有，此外还常含有propro。nlsnls的氨基酸残基片段可以是一段连的氨基酸残基片段可以是一段连续的序列（续的序列（t t抗原），也可以分成两抗原），也可以分成两段，两段之间间隔

10、约段，两段之间间隔约1010个氨基酸残基个氨基酸残基（核质蛋白）（核质蛋白）亲核蛋白的入核亲核蛋白的入核转运：结合转运：结合（bindingbinding）与转）与转移移（translocationtranslocation）结合：需结合：需nlsnls识别识别并结合并结合importinimportin转运：需转运：需gtpgtp水解水解提供能量提供能量gef: guanine nucleotide exchange factor gap: gtpase activating proteins核内蛋白质的输出核内蛋白质的输出核输出信号核输出信号(nuclear export signals,

11、 nes(nuclear export signals, nes），受体为），受体为exportinexportin输出蛋白输出蛋白(exportin)(exportin)：存在于细胞核中，能够识别输出信号并与之结合：存在于细胞核中，能够识别输出信号并与之结合的蛋白质。的蛋白质。第二节第二节 染染 色色 质质 一、染色质的概念及化学组成一、染色质的概念及化学组成n染色质（染色质（chromatin）:指间期细胞核内由指间期细胞核内由dna、组蛋白、非组蛋白及少量组蛋白、非组蛋白及少量rna组成的线性复合结组成的线性复合结构构, 是间期细胞遗传物质存在的形式是间期细胞遗传物质存在的形式n染色体染

12、色体(chromosome):指细胞在有丝分裂或减数指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中分裂过程中, 由染色质聚缩而成的棒状结构由染色质聚缩而成的棒状结构n染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构以相互转变的的形态结构n染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同装程度不同,构象不同构象不同n染色质染色质dnadna基因组（基因组（genomegenome）：）：真核细胞中，每条未真核细胞中，每条未复制的染色质包装一条复制的染色质包装一条dnadna分子，一个分子，一个生物贮存在单倍

13、染色体组中的总遗传信生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组。息，称为该生物的基因组。人人3 310109 9bpbp；基因数；基因数2 25 5万（万（2.532.53万）万）一、染色质的概念及化学组成一、染色质的概念及化学组成n染色质蛋白质：负责染色质蛋白质：负责dnadna分子遗传信息的组分子遗传信息的组织、复制和阅读。织、复制和阅读。组蛋白组蛋白(histone)(histone)：真核生物染色体的基本结：真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的构蛋白，富含带正电荷的 arg arg 和和lyslys等碱性氨等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的基酸，属碱性蛋白质

14、，可以和酸性的dnadna紧密紧密结合（非特异性结合）；没有种属及组织特异结合（非特异性结合）；没有种属及组织特异性，在进化上十分保守。性，在进化上十分保守。非组蛋白非组蛋白(nonhistone):(nonhistone):细胞核中组蛋白以细胞核中组蛋白以外的蛋白质外的蛋白质一、染色质的概念及化学组成一、染色质的概念及化学组成n非组蛋白非组蛋白: : 特性特性: :非组蛋白具多样性和异质性非组蛋白具多样性和异质性对对dnadna具有识别特异性，又称序列特异性具有识别特异性，又称序列特异性dnadna结合蛋白结合蛋白 (sequence (sequence specific dna bindi

15、ng proteins)specific dna binding proteins)具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。呈酸性、带负电荷呈酸性、带负电荷功能功能: : 参与染色体的构建参与染色体的构建; ;启动启动dnadna的复制的复制; ;调控基因的表达。调控基因的表达。一、染色质的概念及化学组成一、染色质的概念及化学组成非组蛋白参与染色体构建非组蛋白参与染色体构建n核小体（核小体（nucleosomenucleosome）：一种串珠状结构，由核心）：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线颗粒和连结线dnadna两部分

16、组成，通过酶消化实验建立。两部分组成，通过酶消化实验建立。每个核小体单位包括约每个核小体单位包括约200bp200bp的的dnadna、一个组蛋白核心和一、一个组蛋白核心和一个个h1h1；由由h2ah2a、h2bh2b、h3h3、h4h4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；dnadna分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp80bp，共，共1.751.75圈，约圈，约146bp146bp，两端被，两端被h1h1锁合；锁合；相邻核心颗粒之间为一段相邻核心颗粒之间为一段60bp60bp的连接线的连接线dnadna。二、染色

17、质的基本结构单位二、染色质的基本结构单位核小体核小体用微球菌核酸酶降解染色质核小体的性质及结构要点示意图核小体的性质及结构要点示意图（引自b.alberts等）三、染色质包装的结构模型三、染色质包装的结构模型n一级结构：核小体一级结构：核小体n二级结构：螺线管二级结构：螺线管(solenoid)(solenoid)n未经处理的染色质自然结构为未经处理的染色质自然结构为30nm30nm的纤丝，经盐的纤丝，经盐溶液处理后解聚的染色质呈现溶液处理后解聚的染色质呈现10nm10nm串珠状结构串珠状结构30nm 30nm 纤维纤维n对于三、四级染色体包装方式，至今尚不对于三、四级染色体包装方式，至今尚不

18、明确。目前多认为明确。目前多认为30nm30nm的纤维折叠为一系的纤维折叠为一系列的环（列的环（looploop）结合在由非组蛋白构成的）结合在由非组蛋白构成的染色体骨架上。染色体骨架上。染色体的四级结构染色体的四级结构第三节第三节 染色体染色体n染色体的主要结构染色体的主要结构着丝粒着丝粒(centromere)(centromere)与动粒与动粒(kinetochore)(kinetochore) 主缢痕主缢痕(primary (primary constriction) constriction) 次缢痕次缢痕(secondary (secondary constriction)cons

19、triction)随体随体(satellite)(satellite)端粒端粒(telomere)(telomere)染色体染色体n着丝粒着丝粒(centromere)(centromere)与动粒与动粒(kinetochore) (kinetochore) 的结构的结构着丝粒（着丝粒（centromerecentromere）和动粒（着丝点，）和动粒（着丝点，kinetochorekinetochore）是两个不同的概念，前者指中期染）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。

20、痕处两个染色单体外侧与纺锤体微管连接的部位。染色体染色体着丝粒与动粒动粒包括三层板状结构和围绕外层的纤动粒包括三层板状结构和围绕外层的纤维冠维冠(fibrous corona)(fibrous corona)。dynein: dynein: 动力蛋白动力蛋白kinesinkinesin：驱动蛋白：驱动蛋白n端粒（端粒（telomeretelomere）：）：由高度重复、高度保守的由高度重复、高度保守的dnadna短序列和端粒蛋白组成。短序列和端粒蛋白组成。作用：作用：维持染色体的稳定性。维持染色体的稳定性。起细胞分裂计时器的作用。端粒核苷酸复制和基因起细胞分裂计时器的作用。端粒核苷酸复制和基因

21、dnadna不同，每复制一次减少不同，每复制一次减少50100bp50100bp，其复制要靠具有反转，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。细胞分裂而变短，细胞随之衰老。染色体染色体端粒复制问题第五节第五节 核仁核仁n亚核结构（亚核结构（nulcear substructure ）核仁（核仁（nucleolus）nuclear speckles（核斑）（核斑）cajal bodiespml bodies一、核仁一、核仁n核仁（核仁（nucleolusnucleolus）见于）见于间期间期的细胞核内，呈圆球形，的细胞核内，呈圆球形，一般一般1212个，有时多达个，有时多达3535个。个。主要功能主要功能是转录是转录rrnarrna和组装核糖体单位和组装核糖体单位( (核糖体的生物发生核糖体的生物发生) )。n一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较