第十一章 细胞核与染色体-细胞生物学

1、第十一章第十一章 细胞核与染色体细胞核与染色体 THE CELL NUCLEUS AND CHROMOSOME主要内容主要内容:第一节第一节 核被膜与核孔复合体核被膜与核孔复合体第二节第二节 染色质染色质第三节第三节 染色质的复制与表达染色质的复制与表达第四节第四节 染色体染色体第五节第五节 核仁与核体核仁与核体第六节第六节 核基质核基质1831年，Brown发现于植物。大小：形状：位置：数目：结构：功能：第一节 核被膜与核孔复合体一、核被膜1、结构核纤层内质网膜核周隙核被膜（内外）2、核被膜周期性变化、核被膜周期性变化二、核孔复合体（二、核孔复合体（nuclear pore complex，

2、NPC） 1、“滴漏样模型滴漏样模型” 示意图示意图辐核孔复合体电镜图核孔复合体电镜图核膜的内外膜和膜孔的薄层切片电镜图核膜的内外膜和膜孔的薄层切片电镜图（从侧面观察）（从侧面观察）分离的核膜孔电镜图分离的核膜孔电镜图（从胞质溶胶方向观察）（从胞质溶胶方向观察）分离的核膜孔电镜图（从细胞核内向外方向观察）2、核孔复合体成分的研究v核孔蛋白：vgp210 ：vp62 ：3、核孔复合体的功能v亲水性核质交换通道v 双功能性、双向性双功能性不同大小的蛋白质以不同方式通过核膜孔1 1、通过、通过自由扩散自由扩散进入细胞核进入细胞核的蛋白质大小（的蛋白质大小（ 9 nm 9 nm）2 2、通过、通过主动

3、转运主动转运进入细胞核进入细胞核的蛋白质大小的蛋白质大小 ( 9 - 26 nm)( 9 - 26 nm)双向性3、通过核孔的主动运输具有选择性、通过核孔的主动运输具有选择性 入核转运 亲核蛋白： 核定位信号（nuclear localization signal，NLS）： 正常的正常的SV40SV40病毒病毒T T抗原（几抗原（几乎乎100%100%进入细胞核）进入细胞核）SV40SV40病毒病毒T T抗原核定位信号序列发生抗原核定位信号序列发生突突变变（T-T-抗原滞留在胞质溶胶中）抗原滞留在胞质溶胶中）核输入受体：importin，一个蛋白在进入细胞核之前必须被位于胞质溶一个蛋白在进入

4、细胞核之前必须被位于胞质溶胶的胶的“核输入受体核输入受体” (nuclear import receptor)(nuclear import receptor)识别并结合。识别并结合。Ran蛋白：小型GTP结合蛋白GTP结合蛋白结合蛋白Ran参与参与“货物蛋白质货物蛋白质”的装载和卸的装载和卸载载核输入受体核输入受体货物蛋白质货物蛋白质的核定位信的核定位信号号释放的货物释放的货物蛋白质蛋白质货物蛋白质货物蛋白质释放的释放的Ran-GDPRan-GDP装货装货卸货卸货出核转运蛋白质和RNA的输出需要“核输出受体” （nuclear export receptor). 它们识别蛋白质上的“核输出信

5、号（nuclear export signal)”其输出过程和输入过程相似，只是方向相反一、染色质是细胞生命活动的基础、染色质是细胞生命活动的基础 概念概念: 化学组成化学组成:DNA、组蛋白、非组蛋白、少量、组蛋白、非组蛋白、少量RNA。（一）染色质（一）染色质DNA的类型的类型1、 3种序列：单一序列、中度重复序列、高度重复序列。种序列：单一序列、中度重复序列、高度重复序列。第二节 染色质DNA多态性 概念： DNA序列上碱基的变异 种类：序列多态性、长度多态性 序列多态性：不同个体DNA其碱基的排列顺序不同。Analyze Analyse 长度多态性：重复序列的重复次数的不同。车厢串联（

6、头尾相同，而车厢的重复次数不同）。分为小卫星DNA，微卫星DNA144 Variation sites in COI geneAmino acid sequences alignment of COI geneNucleotide sequence alignment of partial 28S rRNA geneDNA长度多态性长度多态性分为 小卫星DNA 微卫星DNA(STR) 重复单位 10100bp 26bp 重复次数 几百几千次 几十次 存在部位 染色体近端粒、着丝点 任何部位DNA二级结构的二级结构的3种构象种构象 ：B-DNA、Z-DNA、A-DNA（二）、基因组：（二）、基因

7、组：基因在染色体上二、染色质蛋白质（一）组蛋白：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。（二）非组蛋白（二）非组蛋白 序列特异性DNA结合蛋白。 带负电，属酸性蛋白。 整个细胞周期都合成，组蛋白只在S期合成。 能识别特异DNA序列，结合借助于氢键和离子键。 特性：多样性；特异性；功能多样性 功能：帮助DNA折叠、复制；调节基因表达。序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式（P250)：u 螺旋转角螺旋u 锌指模式u 亮氨酸拉链模式u 螺旋环螺旋模式u HMG框结

8、构模式 几种主要序列特异性DNA结合蛋白的结构特征三、染色质的基本结构单位三、染色质的基本结构单位核小体核小体 核小体是一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线核小体是一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成两部分组成结构要点：结构要点：在低盐亲水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体（在低盐亲水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体（JA，Gall 1981）30nm10nm Evidence: (3)X-ray diffraction studies3-D of nucleosomeNature 389:251, 1997四、染色质组装的模型四、染色质组装的模型-从从DNA到染色体到染色体

9、 （一）染色质包装的多级螺旋模型（一）染色质包装的多级螺旋模型DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 （二）染色体的骨架（二）染色体的骨架放射环结构模型放射环结构模型五、染色质的类型1、常染色质（euchromatin） ： 2、异染色质（heterochromatin） 兼性异染色质结构异染色质异染色质的特点：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。分为两类：结构异染色质、兼性异染色质巴氏小体（barr body） 在哺乳动物体细胞核中，除一条X染色体外，其余的X染色体常浓缩成染色较深的染色质体，此即为巴氏小体。又称X小体，通常位于间期核膜边缘。1949年，

10、美国学者M.L.Barr等发现雌猫的神经细胞间期核中有一个深染的小体而雄猫却没有。在人类，男性细胞核中没有巴氏小体，而女性则有1个。 雌性哺乳动物细胞中一条异固缩化的X染色体。 人胚胎发育16天后出现巴氏小体。barr body巴氏小体巴氏小体活性染色质与非活性染色质活性染色质与非活性染色质（一）活性染色质具有（一）活性染色质具有DNase 超敏感位点超敏感位点用DNase 消化染色质检测敏感区 （二）活性染色质在生化上具有特殊性（二）活性染色质在生化上具有特殊性（三）活性染色质在组蛋白修饰上的特异性（三）活性染色质在组蛋白修饰上的特异性第三节第三节 染色质的复制与表达染色质的复制与表达一、染

11、色质的复制与修复一、染色质的复制与修复二、染色质的激活与失活二、染色质的激活与失活 疏松染色质结构的形成疏松染色质结构的形成 组蛋白的修饰组蛋白的修饰 位置花斑效应位置花斑效应 隔离子隔离子:三、三、 染色质与基因表达调控染色质与基因表达调控核小体犁核小体犁一、中期染色体的形态结构1、染色单体（Chromatid）：2、着丝粒 （centromere） 第四节 染色体动粒结构域动粒结构域中央结构域中央结构域配对结构域配对结构域外板中间间隙内板主缢痕有丝分裂中的着丝粒（有丝分裂中的着丝粒（centromere）和着丝点（）和着丝点（kinetochore）结构）结构 3、次缢痕（secondar

12、y constriction）：4、核仁组织区（nucleolar organizing regions, NORs）：核糖体的28S、18S和5.8S rRNA 基因所在部位，与间期细胞核仁形成相关 5、随体（satellite）： 6、端粒（telomere）： 二、染色体二、染色体DNA的三种功能元件的三种功能元件端端 粒粒复制起点复制起点着丝粒着丝粒复制泡复制泡端粒酶介导的端粒合成端粒酶介导的端粒合成端粒酶（telomerase） 三、核型与染色体显带三、核型与染色体显带1、核型(karyotype) ：染色体组在有丝分裂中期的表现，包括染色体数目、大小、形态特征等。2、核型分析和核型

13、模式图：p2563、染色体显带(chromosome banding)技术： G：富含AT碱基的DNA区段表现为亮带, 富含GC碱基的区段表现为暗带 Q：一般富含AT碱基的DNA区段表现为暗带 R ：同G-带明暗相间的带型正好相反, 故叫反带。 C：异染色质 T：对染色体末端区的特殊显带法 N：染核仁组织区的酸性蛋白质 四、巨大染色体四、巨大染色体（一）多线染色体 （polytene chromosome）1、1881年意大利的Balbiani发现于双翅目摇蚊幼虫的唾腺细胞2、特点：v 体积巨大，染色体多次复制而不分离。v 多线性 ，每条多线染色体由500-4000条解旋的染色体合并在一起形成

14、。v 体细胞中同源染色体紧密配对。 v 横带纹，染色后呈现出明暗相间的带纹 。v 胀泡和环，在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成胀泡（puff）或巴氏环（Balbiani ring）。果蝇幼虫唾液腺多线染色体多线染色体的带、间带与胀泡多线染色体的带、间带与胀泡 （二）、灯刷染色体 (lampbrush chromosome) v普遍存在于动物界的卵母细胞中。v是卵母细胞进行第一次减数分裂时停留在双线期的染色体。 配对的灯刷染色体染色体区域表示姐妹染色单体的染色体小区灯刷染色体的形态结构第五节 核仁与核体核仁的结构模式图 一、核仁的超微结构v 电子显微镜下可辨认出有3个特征性

15、的区域 ：1、纤维中心(fibrillar centers，FC)： RNA聚合酶和rDNA 2、致密纤维组分(dense fibrillar component，DFC) ：新合成 的RNP（指结合蛋白质的rRNA） 3、颗粒组分(granular component，GC)：不同加工阶段的RNP核仁周边染色质纤维中心 致密纤维组分 颗粒组分 （一） rRNA基因的转录、 rRNA前体的加工、核糖体亚单位的组装v核糖体的rRNA基因:重复的多拷贝基因 二、核仁的功能转录rRNA和组装核糖体亚单位 v核糖体rRNA基因的转录：28SrRNA、5.8SrRNA、18SrRNA 组成一个转录单位。 转录时，RNA产物沿DNA分子排列产物排列呈羽毛状 新合成的45SrRNA形成RNP。甲基化后经RNA酶裂解形成18s、28s、5.8srRNA。成熟的rRNA仅为45srRNA的一半，丢失的大部分是非甲基化和GC含量较高的区域。 5SrRNA定位在常染色体，合成后被转运至核仁区参与大亚基的装配 。核核糖糖体体亚亚单单位位的的组组装装三、核仁周期(nucleolar cycle) v有丝分裂时，染色质凝集，核仁消失，所有RNA合成停止v有丝分裂末期， rRNA合成重新开始，核仁重建 第六节 核基质一、核基质(nuclear matrix)：又称核骨架(nucleoskele