专业课细胞核与染色体

1、第第11章章 细胞核与染色质细胞核与染色质v 1781年年 Trontana发现于鱼发现于鱼类细胞；类细胞；1831年年Brown发发现于植物细胞并命名为细现于植物细胞并命名为细胞核。胞核。v 细胞核细胞核(nucleus)是真核细是真核细胞内最大、最重要的细胞胞内最大、最重要的细胞结构，是细胞遗传与代谢结构，是细胞遗传与代谢的调控中心。的调控中心。v 形态：一般呈圆球状与卵圆形。在旺盛分裂的组织中，核形态：一般呈圆球状与卵圆形。在旺盛分裂的组织中，核呈圆形，在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状，在胚乳细胞中呈圆形，在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状，在胚乳细胞中呈网状。呈网状。v 大小：细胞核直径依物种不

2、同而变化；核质比大致约大小：细胞核直径依物种不同而变化；核质比大致约1:9v ，被认为是制约细胞最大体积的主要因素之一。，被认为是制约细胞最大体积的主要因素之一。细胞核直径细胞核直径D（um）高等动物高等动物高等植物高等植物低等植物低等植物51052014核质比核质比NP=Vn/(Vc-Vn)幼嫩细胞幼嫩细胞成熟细胞成熟细胞衰老细胞衰老细胞NP0.5NP0.5NP0.5v 数目：所有真核细胞，除极少数例外，通常都含有一数目：所有真核细胞，除极少数例外，通常都含有一个细胞核。一般真核细胞失去细胞核会导致细胞的死亡。个细胞核。一般真核细胞失去细胞核会导致细胞的死亡。肝细胞肝细胞和心肌和心肌细胞可细

3、胞可有双核有双核哺乳类哺乳类成熟红成熟红细胞无细胞无细胞核细胞核植物成植物成熟筛管熟筛管细胞无细胞无细胞核细胞核破骨细破骨细胞可有胞可有6-506-50个细胞个细胞核核v 主要结构主要结构v 核被膜核被膜 核纤层核纤层 核核v 基质基质 染色质染色质 核仁核仁v 功能功能v遗传遗传 通过通过DNA染色染色体的复制和细胞分裂，维体的复制和细胞分裂，维持物种的世代连续性。持物种的世代连续性。v发育发育 通过调节基因通过调节基因表达的时空顺序，控制细表达的时空顺序，控制细胞的分化，完成个体发育胞的分化，完成个体发育的使命。的使命。 第一节第一节 核核 被被 膜膜 2/44962/405/nucleu

4、s.htmlv概念：位于细胞核的最外层，是核与质之间的界膜。概念：位于细胞核的最外层，是核与质之间的界膜。v功能：功能：v构成核、质之间的天然选择性屏障构成核、质之间的天然选择性屏障v避免生命活动的彼此干扰避免生命活动的彼此干扰v保护保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤v核、质之间的物质交换与信息交流核、质之间的物质交换与信息交流 一、核膜一、核膜 特点特点:外核膜的胞质面附有核糖体，与粗面内质网相通连。外核膜的胞质面附有核糖体，与粗面内质网相通连。内核膜的内表面有核纤层与其紧密接触。内核膜上有核纤层内核膜的内表面有核纤层与其紧密接触。内核膜上有核

5、纤层蛋白蛋白B受体（受体（LBR）。）。内、外核膜在某些部位融合成核孔。在核孔上镶嵌有核孔复内、外核膜在某些部位融合成核孔。在核孔上镶嵌有核孔复合体。合体。v构成：构成：外核膜外核膜 胞质面附有核糖体，约胞质面附有核糖体，约7.5nm。内核膜内核膜 与外核膜平行，厚度相同与外核膜平行，厚度相同核周间隙核周间隙 宽宽2040nm，与内质网腔相通，与内质网腔相通（一）核膜结构（一）核膜结构（二）核膜的崩解与组装（二）核膜的崩解与组装v 在真核细胞的细胞周期中，核被膜有规律地解体与重建。在真核细胞的细胞周期中，核被膜有规律地解体与重建。v 在分裂期，双层核膜崩解成单层膜泡，核孔复合体解体，在分裂期，

6、双层核膜崩解成单层膜泡，核孔复合体解体，核纤层去组装；核纤层去组装；v 在分裂末期，核被膜开始围绕染色体重新形成。在分裂末期，核被膜开始围绕染色体重新形成。v 3H-胆碱标记实验证明旧核膜参与膜新核的形成：胆碱标记实验证明旧核膜参与膜新核的形成：3H-胆胆碱标记核膜碱标记核膜标记的细胞核移植正常去核变形虫标记的细胞核移植正常去核变形虫原原有的标记全部平均分配到子细胞的核被膜中有的标记全部平均分配到子细胞的核被膜中v 核被膜及核孔复合体的装配是一个有序的、受细胞周期调核被膜及核孔复合体的装配是一个有序的、受细胞周期调控因子调控的过程。控因子调控的过程。二、核孔复合体二、核孔复合体v1959年命名

7、为核孔复合体（年命名为核孔复合体（NPC），核孔由至少），核孔由至少50种种不同的蛋白质构成。一个典型的哺乳动物细胞核被膜不同的蛋白质构成。一个典型的哺乳动物细胞核被膜上的核孔复合体总数为上的核孔复合体总数为34千个，相当于千个，相当于1020/um。v细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。v在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如为其结构如fish-trap。 示胞质面结构示胞质面结构示核质面结构示核质面结构（一）结构模型（一）结构模型 “fish-trap” 综合起来核孔复合

8、体主要有以下综合起来核孔复合体主要有以下4种结构组分：种结构组分： 1）胞质环：位于核孔边缘的胞质面一侧，又称外环，环上有）胞质环：位于核孔边缘的胞质面一侧，又称外环，环上有8条条短纤维对称分布伸向胞质；短纤维对称分布伸向胞质； 2）核质环：位于核孔边缘的核质面一侧，又称内环，环上也对）核质环：位于核孔边缘的核质面一侧，又称内环，环上也对称的连有称的连有8条细长的纤维，向核内伸入条细长的纤维，向核内伸入5070nm，在纤维的，在纤维的末端形成一个直径为末端形成一个直径为60nm的一个小环，小环由的一个小环，小环由8个颗粒构成（核个颗粒构成（核蓝）蓝） 3）辐：由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对

9、称。由柱状亚单）辐：由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称。由柱状亚单位、腔内亚单位和环带亚单位组成位、腔内亚单位和环带亚单位组成 4）中央栓：位于核孔中心，呈颗粒状或棒状）中央栓：位于核孔中心，呈颗粒状或棒状Nature Reviews Molecular Cell Biology 11, 490-501 (July 2010) | doi:10.1038/nrm2928核孔蛋白核孔蛋白 （nucleoporin，Nup） 核孔复合体主要由蛋白质构成核孔复合体主要由蛋白质构成。其中。其中 gp210与与p62是最具代是最具代表性的两个成分，分别代表表性的两个成分，分别代表着核孔蛋白的两种类型：

10、着核孔蛋白的两种类型：gp210代表一类结构性跨膜蛋白代表一类结构性跨膜蛋白 ，主要有三方面的功能：，主要有三方面的功能：介导核孔复合体与核被膜的连接介导核孔复合体与核被膜的连接；在内外核膜融合形成核孔中起重在内外核膜融合形成核孔中起重要作用；要作用；在核孔复合体的核质交换功能活在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定作用。动中起一定作用。p62代表一类功能性的核孔蛋代表一类功能性的核孔蛋白，主要有两方面的功白，主要有两方面的功能：能：N端区功能：可能在核孔复合端区功能：可能在核孔复合体功能活动中直接参与体功能活动中直接参与核质交换；核质交换；C端区功能：将端区功能：将p62分子稳定分子稳定到核

11、孔复合体上，为其到核孔复合体上，为其N端进行核质交换活动提端进行核质交换活动提供支持。供支持。通过核孔复合体的物质运输通过核孔复合体的物质运输1.通过核孔复合体的被动扩散通过核孔复合体的被动扩散10nm直径直径9-10nm2.核孔复合体的主动运输核孔复合体的主动运输v 亲核蛋白（亲核蛋白（karyophilic proteinkaryophilic protein）在细胞质内合成后，需）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质要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质v NLSNLS是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富

12、含碱性氨基酸残基，如碱性氨基酸残基，如LysLys、ArgArg，此外还常含有，此外还常含有ProPro。v NLSNLS可以是一段连续的序列可以是一段连续的序列(SV40T(SV40T抗原抗原) )，也可以分成两段，也可以分成两段，两段之间间隔约，两段之间间隔约1010个氨基酸残基（核质蛋白）。个氨基酸残基（核质蛋白）。v NLSNLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，指导完成核输入后序列可存在于亲核蛋白的不同部位，指导完成核输入后不被切除。不被切除。v 核定位信号（核定位信号（nuclear localization signalnuclear localization signal，NLS

13、NLS）Nuclear localization signals NLS of SV40s亲核蛋白通过核孔复合体的转运过程可分为两步：结合与转移。亲核蛋白通过核孔复合体的转运过程可分为两步：结合与转移。 亲核蛋白结合到核孔复合体的胞质面，该步不需要能量，但依赖正常的亲核蛋白结合到核孔复合体的胞质面，该步不需要能量，但依赖正常的NLS ； 在一些胞质蛋白因子的帮助下，利用在一些胞质蛋白因子的帮助下，利用GTP水解供能，亲和蛋白被转运到细水解供能，亲和蛋白被转运到细胞核。胞核。Ran蛋白：属蛋白：属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NPC mediates bidi

14、rectional nucleocytoplasmic traffickingScience 30 November 2007: Vol. 318 no. 5855 pp. 1412-1416三、核纤层三、核纤层 3 种核纤层蛋白：lamin A、B 、C 核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构laminA和和laminC是同一是同一个基因的不同的个基因的不同的拼接体，前拼接体，前566个氨基酸完全相个氨基酸完全相同，但羧基端的同，但羧基端的序列不同。序列不同。laminA/laminC的表达具有组织的表达具有组织与发育时期的特与发育时期的特异性，但异性，但laminB在哺乳在哺乳动物的所有细胞动物

15、的所有细胞中表达中表达核纤层的功能核纤层的功能 nuclear lamina 结构支撑功能结构支撑功能 调节基因表达调节基因表达 调节调节DNA 修复修复 与细胞周期有关与细胞周期有关 一一 染色质染色质DNA二二 染色质蛋白染色质蛋白 三三 染色质的基本结构单位染色质的基本结构单位核小体核小体四四 染色质包装的结构模型染色质包装的结构模型 五五 染色质类型染色质类型 v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、非组蛋白及组蛋白、非组蛋白及少量少量RNA组成的线性复组成的线性复合结构，是间期细胞合结构，是间期细胞 遗传物质存在的形式。遗传物质存在

16、的形式。v v 真核生物染色质由真核生物染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，比例约为组成，比例约为1：1：0.6：0.1 。vDNA是染色质的主要成分，储存遗传信息，含量是染色质的主要成分，储存遗传信息，含量稳定；每条染色体只含稳定；每条染色体只含1个纵向贯穿的个纵向贯穿的DNA分子分子；v某一生物的细胞中储存于单倍染色体组中的总遗某一生物的细胞中储存于单倍染色体组中的总遗传信息，组成该生物的基因组；真核生物基因组传信息，组成该生物的基因组；真核生物基因组DNA的含量比原核生物高得多。的含量比原核生物高得多。已测序的基因组比较已测序的基因组比较1. 1.

17、蛋白质编码序列：在人类基因组中，这一比例为蛋白质编码序列：在人类基因组中，这一比例为1%1.5%1%1.5%。这类编码序列是单拷贝序列。这类编码序列是单拷贝序列。2. 2. 编码编码rRNArRNA、tRNAtRNA、snRNAsnRNA和组蛋白的串联重复序列：有和组蛋白的串联重复序列：有2020300300个拷贝，人类基因组中约含个拷贝，人类基因组中约含0.3%0.3%。3. 3. 含有重复序列的含有重复序列的DNADNA：在基因组中占有很大部分。包括简：在基因组中占有很大部分。包括简单序列单序列DNADNA和散在重复序列。和散在重复序列。4.4.未分类的间隔未分类的间隔DNADNA：5.5

18、.高度重复高度重复DNADNA序列：卫星序列：卫星DNADNA、小卫星、小卫星DNADNA、微卫星、微卫星DNADNA3种构型种构型DNA 类类型型螺旋螺旋方向方向螺距螺距(nm)每圈每圈bp数数螺旋螺旋直径直径骨架骨架走行走行存在条件存在条件A型型右手右手螺旋螺旋2.311变宽变宽平滑平滑体外脱水体外脱水B型型右手右手螺旋螺旋3.4102nm平滑平滑随机随机DNA生理条件下生理条件下Z型型左手左手螺旋螺旋4.512变窄变窄锯齿型锯齿型CG间隔间隔排列区段排列区段三种类型三种类型DNADNA双螺旋的比较双螺旋的比较二、染色质蛋白二、染色质蛋白 组蛋白（组蛋白（histone） 与与DNA 结合

19、没有序列特异结合没有序列特异性性 非组蛋白（非组蛋白（nonhistone） 与特定与特定 DNA 序列或组蛋白序列或组蛋白相结合相结合Nature Reviews Nephrology 6, 332-341 (June 2010) 组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白 ，富含带正电荷，富含带正电荷的碱性氨基酸的碱性氨基酸(如如Lys)，可与，可与DNA的酸性磷酸基团紧密结合。的酸性磷酸基团紧密结合。5种组蛋白在功能上分为两类：种组蛋白在功能上分为两类： 核心组蛋白：核心组蛋白：H2A、H2B、H3、H4帮助帮助DNA卷曲形成核小体卷曲形成核小体的稳定结构，

20、没有种属及组织特异性，进化上十分保守。的稳定结构，没有种属及组织特异性，进化上十分保守。连接组蛋白：连接组蛋白：H1，在构成核小体时，在构成核小体时H1起连接作用起连接作用, 它赋予染色它赋予染色质以极性，质以极性，H1有一定的种属和组织特异性。有一定的种属和组织特异性。（一） 组蛋白 属碱性蛋白质，富含带正电荷的Arg 和Lys 等碱性氨基酸，可以和酸性DNA 紧密结合，一般不要求特殊核苷酸序列 核小体组蛋白 H2A、H2B、H3 和H4 没有种属及组织特异性，进化上十分保守 H1 组蛋白 有一定的种属和组织特异性 非组蛋白是染色体上与特异非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，又称

21、序列结合的蛋白质，又称序列特异性序列特异性DNA结合蛋白。非组蛋白呈酸性，带负电荷。结合蛋白。非组蛋白呈酸性，带负电荷。非组蛋白的特性：非组蛋白的特性：非组蛋白具有多样性：占染色质蛋白的非组蛋白具有多样性：占染色质蛋白的60-70%，不同组织细，不同组织细胞中其种类和数量都不相同，代谢周转快。胞中其种类和数量都不相同，代谢周转快。识别识别DNA具特异性：通过氢键和离子键识别并结合在具特异性：通过氢键和离子键识别并结合在DNA双双螺旋的大沟部分。螺旋的大沟部分。具有功能多样性：参与基因表达调控和染色质高级结构形成具有功能多样性：参与基因表达调控和染色质高级结构形成。序列特异性序列特异性 DNA结

22、合蛋白结合蛋白 特性特性多样性多样性识别识别DNA具有特异性具有特异性具有功能多样性具有功能多样性 组蛋白组蛋白 非组蛋白非组蛋白 碱性蛋白质碱性蛋白质 酸性蛋白质酸性蛋白质(Asp,Glu) 带正电荷带正电荷 带负电荷带负电荷 有五种类型有五种类型 种类繁多种类繁多（H1、 H3、H4、H2A、H2B） （有（有500多种）多种） 只在只在S期合成期合成 在整个周期在整个周期中均能合成中均能合成 抑制抑制DNA的转录的转录 促进促进DNA复复制和转录制和转录 氨基酸序列保守氨基酸序列保守（一）主要实验证据（一）主要实验证据1. 温和法裂解细胞核电镜观察温和法裂解细胞核电镜观察2. 非特异性微

23、球菌核酸酶消化染色质）。非特异性微球菌核酸酶消化染色质）。3. 应用应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究。术研究。4. SV40病毒微小染色体分析。病毒微小染色体分析。1. 用温和的方法裂解细胞核用温和的方法裂解细胞核B. nucleosomes (10 nm)A. condensed form (30 nm)A. 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30nm的纤丝；的纤丝；B. 经盐溶液处理后解聚的染色质呈现经盐溶液处理后解聚的染色质呈现10nm的串珠状结构的串珠状结构 2. 用非特异性微球菌核酸酶消化染色质用非特异性微球菌核酸酶消

24、化染色质3. 由由X射线晶体衍射所揭示的核小体三维结构射线晶体衍射所揭示的核小体三维结构A B CA. 通过通过DNA超螺旋中心轴所显示的核小体核心颗粒超螺旋中心轴所显示的核小体核心颗粒8个组蛋白分子的位置；个组蛋白分子的位置；B. 垂直于中心轴的角度所见到的核小体核心颗粒的盘状结构；垂直于中心轴的角度所见到的核小体核心颗粒的盘状结构；C. 半个核小体核心颗粒的示意模型，一圈半个核小体核心颗粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（超螺旋（73bp）和）和4种核心种核心 组蛋白分子，每种组蛋白由组蛋白分子，每种组蛋白由3个个螺旋和一个伸展的螺旋和一个伸展的N端尾部组成。端尾部组成。4. SV40微小染色

25、体分析与电镜观察微小染色体分析与电镜观察vSV40 DNA为环状双链，周长为环状双链，周长1500nm，约，约5kb；v核小体颗粒直径为核小体颗粒直径为11nm，则外围的，则外围的7/4圈圈DNA长约长约60nm，约，约200bp；v理论推断：理论推断：SV40病毒进入细胞后，与宿主细胞组蛋病毒进入细胞后，与宿主细胞组蛋v 白结合可形成串珠状微小染色体约白结合可形成串珠状微小染色体约25个。个。v观察结果：电镜下实际观察到观察结果：电镜下实际观察到23个，与推断基本一致个，与推断基本一致。 SV40 微小染色体（minichromosome）分析Virology, 2009, 384(2):

26、352-359 （二）核小体的结构（二）核小体的结构 1. 包括200 bp 左右的DNA 超螺 旋和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白H1 2. 组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心颗粒，由4 个异二聚体组成，包括两 个H2A H2B 和两个H3 H43.146bp的的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈。组蛋白圈。组蛋白H1在核心颗粒外结合额外在核心颗粒外结合额外20bp DNA, 锁住核心锁住核心DNA的进出端，的进出端，起稳定核小体的作用；起稳定核小体的作用；4.两个相邻核小体之间以连接两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度相连，典型长度60bp，不

27、同物，不同物种变化值为种变化值为080bp不等。不等。5. 组蛋白与组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列，实验表明，核小体具有自组装的性质于核苷酸的特异序列，实验表明，核小体具有自组装的性质6. 核小体沿核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，通过核小体相位改的定位受不同因素的影响，通过核小体相位改变进而影响基因的表达。变进而影响基因的表达。 四、染色质组装四、染色质组装 人体细胞46条染色体含DNA约6109 bp，总长如何计算？ （一）染色质组装的前期过程（一）染色质组装的前期过程 裸露DNA 组装直径30 nm 螺

28、线管 H3 H4 两个异二聚体结合 两个H2A H2B 异二聚体加入 组蛋白的去乙酰化，H1组蛋白结合伴随着核小体的折叠 6 个核小体组成一个螺旋 进一步的折叠事件核小体（核小体（10nm）螺线管（螺线管（30nm）超螺线管（超螺线管（300nm）染色单体染色单体压缩压缩6倍倍压缩压缩40倍倍压缩压缩5倍倍DNADNA压缩压缩7倍倍组蛋白组蛋白+ +一级一级二级二级三级三级四级四级Chromatin has highly complex structure with several levels of organization （三）染色质组装的放射环结构模型（三）染色质组装的放射环结构模型

29、一条染色单体约有一条染色单体约有106个微带。个微带。染色体支架染色体支架（非组蛋白）（非组蛋白）袢环（袢环（ 30nm螺线管）螺线管）123456789101112131415161718微微 带带着丝点着丝点染色单体染色单体间期核中染色质可分为异染色质和常染色质。间期核中染色质可分为异染色质和常染色质。常染色质：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展常染色质：指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浅的那些染色质状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质 。异染色质：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩异染色质：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度高，

30、处于聚缩状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质。状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质。 结构异染色质：整个细胞周期内都处于聚缩状态的染色质。结构异染色质：整个细胞周期内都处于聚缩状态的染色质。兼性异染色质：指在某些细胞类型或一定的发育阶段原来的常兼性异染色质：指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。染色质聚缩，并丧失基因转录活性，变为异染色质。 在中期染色体上，在中期染色体上，结构异染色质多定位结构异染色质多定位于着丝粒区、端粒、于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的次缢痕及染色体臂的某些节段。某些节段。 结构异染色质特征：结构异染色质特征：

31、1.在中期染色体上多定位于着丝粒、端粒、在中期染色体上多定位于着丝粒、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段；次缢痕及染色体臂的某些节段； 2.由相对简单、高度重复的由相对简单、高度重复的DNA序列构成序列构成 3.具有显著的遗传惰性，不转录不编码蛋白具有显著的遗传惰性，不转录不编码蛋白质质 4.在复制行为上表现为晚复制、早聚缩在复制行为上表现为晚复制、早聚缩 5.占有较大部分核占有较大部分核DNA 雌性哺乳类体细胞核内，两条X染色体之一在发育早期随机发生异染色质化而失活。在上皮细胞核内，这个异固缩的X染色体称为性染色体或巴氏小体。（二）常染色质与异染色质间的转变（二）常染色质与异染色质间的转变 异

32、染色质或常染色质之间随着发育时期或细胞周期的变化异染色质或常染色质之间随着发育时期或细胞周期的变化可能相互转化可能相互转化 异染色质与常染色质之间的转变异染色质与常染色质之间的转变 常常需要组蛋白与常常需要组蛋白与DNA 修饰修饰A.H3K10 的磷酸化、的磷酸化、H3K9 的乙酰化的乙酰化 B.H3K9、H3K27 及及H4K20 的甲基化的甲基化 及及H3K4 的甲基化。的甲基化。 活性染色质活性染色质(active chromatin) 具有转录活性具有转录活性 具有疏松的染色质结具有疏松的染色质结构构 非活性染色质非活性染色质(inactive chromatin) 没有转录活性没有转

33、录活性1. 有基因表达活性的染色质有基因表达活性的染色质DNA对对DNase I的降解作用比的降解作用比 没有转录活性的染色质没有转录活性的染色质DNA敏感得多。敏感得多。2. 正在转录或具有潜在转录活性而未转录的基因对正在转录或具有潜在转录活性而未转录的基因对DNase I 同样敏感。同样敏感。 说明活化染色质对说明活化染色质对DNase I的优先敏感性不是由于转录过程的优先敏感性不是由于转录过程中中RNA聚合酶的作用，而是可转录染色质的一个基本特征。聚合酶的作用，而是可转录染色质的一个基本特征。1. 活性染色质很少有组蛋白活性染色质很少有组蛋白H1与其结合；与其结合；2. 活性染色质的组蛋

34、白乙酰化程度高；活性染色质的组蛋白乙酰化程度高；3. 活性染色质的核小体组蛋白活性染色质的核小体组蛋白H2B很少被磷酸化；很少被磷酸化；4. 活性染色质中核小体组蛋白活性染色质中核小体组蛋白H2A很少有变异形式存在；很少有变异形式存在；5. 组蛋白组蛋白H3的变种的变种H3.3只在活跃转录的染色质中出现；只在活跃转录的染色质中出现；6. HMG14和和HMG17只存在于活性染色质中。只存在于活性染色质中。 活性染色质标志：活性染色质标志：H3 N 端第端第4 个赖氨酸的甲基化，第个赖氨酸的甲基化，第9 和和14 个赖氨酸的乙酰化以及第个赖氨酸的乙酰化以及第10 个丝氨酸个丝氨酸 的磷酸化；的磷

35、酸化； 非活性染色质标志：非活性染色质标志：H3 N 端第端第9 个赖氨酸甲基化而不是个赖氨酸甲基化而不是乙酰化乙酰化第三节第三节 染色质的复制与表达染色质的复制与表达 一、染色质的复制与修复一、染色质的复制与修复 （一）染色质复制（一）染色质复制DNA复制和染色质的组装复制和染色质的组装 1.在复制叉的移动期间，父代的核小体核心颗在复制叉的移动期间，父代的核小体核心颗粒与粒与DNA分离，到该段分离，到该段DNA复制完成，父代的核复制完成，父代的核小体核心颗粒直接转移到两条子链小体核心颗粒直接转移到两条子链DNA的一条上的一条上； 2.染色质组装因子利用刚合成的经乙酰化的组染色质组装因子利用刚

36、合成的经乙酰化的组蛋白介导核小体在复制蛋白介导核小体在复制DNA组装。组装。（二）染色质的修复与基因组稳定性（二）染色质的修复与基因组稳定性 基因组的稳定性：基因组的稳定性： （1）染色质或高度浓缩的染色质高级结）染色质或高度浓缩的染色质高级结构的形成对基因组构的形成对基因组DNA有保护作用。有保护作用。 （2）细胞中存在一整套）细胞中存在一整套DNA修复机器来修复机器来应对各种各样的应对各种各样的DNA突变。突变。 真核生物细胞核内的DNA盘绕组蛋白核心形成核小体，以非裸露状态存在，限制了RNA聚合酶、转录因子等非组蛋白与组蛋白核心紧密结合的DNA的相互作用。染色质结构改变与基因活化的关系的

37、研究主要集中在3个方面（1）如何形成活性染色质，一便RNA聚合酶能起始转录；（2）具有转录活性的染色质结构域如何与周围的非活性区域隔离；（3）RNA聚合酶如何通过与染色质模板结合进行转录。（一）染色质的激活（一）染色质的激活 1.DNA结构与核小体相位的变化结构与核小体相位的变化染色质是一个动态、可塑的蛋白质与染色质是一个动态、可塑的蛋白质与核酸组成的复合物。当一个调控蛋白核酸组成的复合物。当一个调控蛋白结合到染色质结合到染色质DNA的特定位点时，染的特定位点时，染色质都很容易被引发二级结构的改变。色质都很容易被引发二级结构的改变。如，特定转录因子与增强子的结合有如，特定转录因子与增强子的结合

38、有利于转录起始复合物的装配利于转录起始复合物的装配核小体变构因子通过改变核小体的相位而调核小体变构因子通过改变核小体的相位而调节染色质的活性不同的拓扑异构酶能调整节染色质的活性不同的拓扑异构酶能调整DNADNA双螺旋的局部结构和高级结构的变化，使双螺旋的局部结构和高级结构的变化，使之超螺旋化或松弛之超螺旋化或松弛B B型型DNADNA变成变成Z Z型型DNADNA会导会导致核心蛋白八聚体与致核心蛋白八聚体与DNADNA的亲和力下降的亲和力下降修饰的意义：修饰的意义： （1）改变染色质的结构，直接影响转录活性）改变染色质的结构，直接影响转录活性 （2）使核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染

39、色质接触，间接影响转录）使核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质接触，间接影响转录活性活性核心组蛋白赖氨酸残基乙酰化核心组蛋白赖氨酸残基乙酰化A.Lys的乙酰化修饰：组蛋白与的乙酰化修饰：组蛋白与DNA的亲和力下降，核小体聚合受阻；同时促进的亲和力下降，核小体聚合受阻；同时促进H2A与泛素结合，导致蛋白质选择性降解与泛素结合，导致蛋白质选择性降解B.H3和和H4的乙酰化修饰：使核小体间的的乙酰化修饰：使核小体间的DNA产生过多的负超螺旋，易于从核小体产生过多的负超螺旋，易于从核小体上脱离，有利于转录因子的结合上脱离，有利于转录因子的结合C.辅激活子具有组蛋白乙酰转移酶的功能：将组蛋白的

40、赖氨酸乙酰化，还能将辅激活子具有组蛋白乙酰转移酶的功能：将组蛋白的赖氨酸乙酰化，还能将DNA上游的转录因子同基础装置连接起来，使特定启动子部位的核小体解体上游的转录因子同基础装置连接起来，使特定启动子部位的核小体解体2. 组蛋白的修饰 乙酰化、甲基化、磷酸化、ADP核糖基化组蛋白组蛋白H3的甲基化的甲基化组蛋白组蛋白H3K9的甲基化在的甲基化在调节基因表达、染色质组装和异染色质的形成过调节基因表达、染色质组装和异染色质的形成过程中发挥重要作用；而程中发挥重要作用；而H3S10短暂磷酸化足以使短暂磷酸化足以使H3K9甲基化引起的染色质浓缩变得疏松甲基化引起的染色质浓缩变得疏松组蛋白组蛋白H1的磷

41、酸化的磷酸化H1的磷酸化必然导致染的磷酸化必然导致染色质疏松，直接影响染色质的活性。色质疏松，直接影响染色质的活性。不同组蛋白修饰之间的关系：乙酰化一般是活性不同组蛋白修饰之间的关系：乙酰化一般是活性染色质的标志，而甲基化和磷酸化则在活性染色染色质的标志，而甲基化和磷酸化则在活性染色质和非活性染色质都存在质和非活性染色质都存在 3. HMG蛋白的影响蛋白的影响 具有一个或多个具有一个或多个HMG结构域的蛋白质结构域的蛋白质称为称为HMG结构域蛋白结构域蛋白 HMG结构域蛋白结合在结构域蛋白结合在DNA栓螺旋的小沟栓螺旋的小沟中，以中，以40倍的优势选择富含嘧啶的核苷酸倍的优势选择富含嘧啶的核苷

42、酸元件。元件。 HMG结构域蛋白的功能之一是与结构域蛋白的功能之一是与DNA弯折弯折和和DNA-蛋白质复合体高级结构的形成有关蛋白质复合体高级结构的形成有关。HMG结构域蛋白识别某些异型的结构域蛋白识别某些异型的DNA结结构，使构，使DNA产生产生90o130o的弯折的弯折 （二）染色质的失活（二）染色质的失活 1.X染色质的失活染色质的失活Xic：X染色体失活中心；染色体失活中心； XistRNA：X染色体失活特异性转录本染色体失活特异性转录本RNAXistRNA覆盖于覆盖于某一某一X染色质的染色质的表面并使之失活表面并使之失活机制不清机制不清 2.位置花斑效应位置花斑效应有的活性基因转位到

43、异染色有的活性基因转位到异染色质区附近时会失活，这一现象叫花斑效应质区附近时会失活，这一现象叫花斑效应三、染色质与基因表达调控三、染色质与基因表达调控 （一）以染色质为模板的转录（一）以染色质为模板的转录 真核细胞基因转录的模板是染色质而不真核细胞基因转录的模板是染色质而不是是DNA，染色质是否处于活化状态是决定，染色质是否处于活化状态是决定RNA聚合酶能否行使转录功能的关键。聚合酶能否行使转录功能的关键。 在转录过程中，在转录过程中，RNA聚合酶被认为是聚合酶被认为是用用“核小体犁核小体犁”来解除组蛋白和来解除组蛋白和DNA间的间的相互作用。相互作用。一一中期染色体的形态结构中期染色体的形态

44、结构 二二染色体染色体DNA的三种功能元件的三种功能元件三三核型与染色体显带核型与染色体显带 四四特殊染色体特殊染色体一、染色体形态结构一、染色体形态结构 由两条相同的姐妹染色单体（由两条相同的姐妹染色单体（chromatid）构成，彼此以着丝）构成，彼此以着丝粒粒 （centromere）相连）相连 根据着丝粒在染色体上所处的位置，分为根据着丝粒在染色体上所处的位置，分为4 种类型种类型（一）着丝粒与动粒（一）着丝粒与动粒动粒结构域（动粒结构域（kinetochore domain） 内板（内板（inner plate）中间间隙）中间间隙 （middle space）外板）外板 （outer

45、 plate）纤维冠（纤维冠（fibrouscorona）中央结构域（中央结构域（central domain）配对结构域（配对结构域（pairing domain）着丝粒与动粒着丝粒与动粒 着丝粒和动粒是两个不同的概念。着丝粒和动粒是两个不同的概念。着丝粒是连接两个染色单体形成有丝分裂染色体的主着丝粒是连接两个染色单体形成有丝分裂染色体的主缢痕缢痕,其将染色单体分为：短臂和长臂其将染色单体分为：短臂和长臂(q)。动粒是由着丝粒结合蛋白在有丝分裂期间特别装配起动粒是由着丝粒结合蛋白在有丝分裂期间特别装配起来的、附着于主缢痕外侧的圆盘状的结构，分三来的、附着于主缢痕外侧的圆盘状的结构，分三个结构

46、域。个结构域。v 次缢痕：除主缢痕外，染色体上第二个呈浅缢缩的部分称次缢痕：除主缢痕外，染色体上第二个呈浅缢缩的部分称次缢痕。次缢痕。 v 核仁组织区：位于染色体的次缢痕处（但并非所有次缢痕核仁组织区：位于染色体的次缢痕处（但并非所有次缢痕处都是核仁组织区），含有处都是核仁组织区），含有rRNA基因的一段染色体区域，基因的一段染色体区域，与核仁的形成有关，故名核仁组织区。与核仁的形成有关，故名核仁组织区。v概念：是位于染色体概念：是位于染色体末端的、圆形或圆柱末端的、圆形或圆柱形的染色体片段形的染色体片段, 通过通过次缢痕与染色体主要次缢痕与染色体主要部分相连。部分相连。v有随体的染色体称为有

47、随体的染色体称为 v sat染色体。染色体。v 概念：是染色体两个端部的特化部分，概念：是染色体两个端部的特化部分，通常由富含通常由富含G 的短的重复的短的重复DNA 序列组成序列组成, 伸展到染色体伸展到染色体3末端。末端。v 其作用是：其作用是：v 维持染色体的完整性和独维持染色体的完整性和独 立性。立性。v 起细胞分裂计时器的作用。起细胞分裂计时器的作用。 v 端粒核苷酸复制和端粒核苷酸复制和DNA复复 制不同，制不同，每复制一次减少每复制一次减少 50100bp，其复制，其复制 要要靠具靠具 v 有反转录酶性质的端粒酶来完成。有反转录酶性质的端粒酶来完成。端粒端粒 1. 自主复制序列（

48、自主复制序列（ARS ）：是）：是DNA复制的起点。复制的起点。 维持维持染色体在细胞世代传递中的连续性。染色体在细胞世代传递中的连续性。2. 着丝粒序列（着丝粒序列（CEN ）：由大量串联重复序列组成，）：由大量串联重复序列组成，保证染色体平均分配到子细胞中。保证染色体平均分配到子细胞中。3. 端粒序列（端粒序列（TEL）：是线性染色体两端的特殊序列，）：是线性染色体两端的特殊序列，由长由长5-10bp的重复单位串联而成。保证染色体独立的重复单位串联而成。保证染色体独立性和稳定性。性和稳定性。 确保染色体复制和稳定遗传的三种必备功能元件：确保染色体复制和稳定遗传的三种必备功能元件：DNA复制

49、的起点。确保染色体在细胞周复制的起点。确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性。代传递中的连续性。由大量串联重复序列组成，使细胞分裂时由大量串联重复序列组成，使细胞分裂时已复制的染色体平均分配到子细胞中。已复制的染色体平均分配到子细胞中。由由5-10bp的重复单位串联而成。位于染色的重复单位串联而成。位于染色体两个末端体两个末端,保证染色体独立性和稳定性。保证染色体独立性和稳定性。 1.自主复制序列自主复制序列（ARS ）2.着丝粒序列着丝粒序列（CEN ）3.3.端粒序列端粒序列（TELTEL）端粒酶的作用示意图端粒酶的作用示

50、意图v核型核型(karyotype) : 是指染色体组在有丝分裂中期的表型，是指染色体组在有丝分裂中期的表型， v 包括染色体数目、大小、形态特征的总和。包括染色体数目、大小、形态特征的总和。v核型模式图核型模式图(idiogram) : 将一个染色体组的全部染色体逐个将一个染色体组的全部染色体逐个v 按其特征绘制下来，再按长短、形态等特征排列起来的按其特征绘制下来，再按长短、形态等特征排列起来的图图 v 像称为核型模式图，它代表一个物种的核型模式。像称为核型模式图，它代表一个物种的核型模式。v染色体显带技术染色体显带技术: Q带、带、G带、带、R带、带、C带、带、T带、带、N带，各带，各 v

51、 带的染色试剂以及在染色体上所呈现的区带特征。带的染色试剂以及在染色体上所呈现的区带特征。Q-带：中期染色体经芥氮（或双盐酸）喹吖因染色后，在紫外线照带：中期染色体经芥氮（或双盐酸）喹吖因染色后，在紫外线照射下所呈现的荧光亮带（射下所呈现的荧光亮带（AT）和暗带（）和暗带（GC）。）。G-带：中期染色体制片经胰酶（或碱、热、尿素、去污剂）处理后带：中期染色体制片经胰酶（或碱、热、尿素、去污剂）处理后再用再用Giemsa染色后所呈现的染色体区带。一般染色后所呈现的染色体区带。一般G带与带与Q带相符。带相符。（一）多线染色体（一）多线染色体v 概念：核内概念：核内DNA多次复制而细胞不分裂，产生的

52、子染色体并多次复制而细胞不分裂，产生的子染色体并行行v 排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密结合在一起，从而排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密结合在一起，从而阻阻v 止染色质纤维进一步聚缩，这种只复制不分离、体积较大的止染色质纤维进一步聚缩，这种只复制不分离、体积较大的染染v 色体称为多线染色体。色体称为多线染色体。v来源：核内有丝分裂来源：核内有丝分裂(endomitosis)。 v 带及间带：带和间带都含有基因，可能带及间带：带和间带都含有基因，可能“管家管家”基因基因 位于间位于间带带, v “奢侈奢侈”基因位于带上。基因位于带上。v 多线染色体与基因活性：胀泡是基因活跃转录的形态学标

53、志。多线染色体与基因活性：胀泡是基因活跃转录的形态学标志。 果蝇唾腺细胞全套多线染色体果蝇唾腺细胞全套多线染色体果蝇幼虫唾液腺多线染色体果蝇幼虫唾液腺多线染色体 用用H3-UdR处理细胞，发现胀泡被标记处理细胞，发现胀泡被标记，说明胀泡是基因活跃转录的区域。，说明胀泡是基因活跃转录的区域。（二）灯刷染色体（二）灯刷染色体v 灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，两栖灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，两栖v 类卵母细胞的灯刷染色体最典型。类卵母细胞的灯刷染色体最典型。v 来源：卵母细胞停留在减数第一次分裂时双线期来源：卵母细胞停留在减数第一次分裂时双线期v 的染色体。的染色体。v 灯刷染色体

54、的超微结构灯刷染色体的超微结构v 转录功能转录功能:合成的合成的RNA主要为前体主要为前体mRNA( hnRNA)环环染色粒染色粒轴轴侧环中伸展侧环中伸展的染色质的染色质轴轴染色粒（体积虽小染色粒（体积虽小,但但高度螺旋化高度螺旋化,无活性）无活性）邻近染色粒邻近染色粒的染色质的染色质表示姐妹染色单表示姐妹染色单体的染色体小区体的染色体小区单条染色体区域单条染色体区域配对的灯刷染色体配对的灯刷染色体第五节第五节 核仁与核体核仁与核体Nucleoli （nucleolus 的复数）的复数）HeLa cell, GFP-ribosomal protein 间期的细胞核内，呈圆球形，一般间期的细胞核内，呈圆球形，一般12个，有个，有时多达时多达35个。一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较个。一般蛋白