《医学细胞生物学》本科课件09章 细胞核

1、第九章 细胞核Cell Nucleus细胞核： 1 最大的细胞器 2 遗传物质储存、复制和转录的场所 3 生命活动的控制中心 4 真核生物与原核生物最大的区别 核质比正常细胞NP0.5；分裂期细胞NP0.5；衰老细胞NP0.5。 形态：随细胞的增殖过程呈现周期性的变化。间期可以 观察细胞核的完整结构。一般与细胞的形态相适 应, 圆形、椭圆形、杆状、分叶状。大小：10m数目：1个、2个（肝、肾细胞）、数百（破骨细胞）位置：细胞中央或偏于某一端组成部分：核被膜 核仁 染色质 核基质 染色质核仁中心体染色质微管内质网中间纤维核孔核纤层内核膜外核膜核膜Nucleus structure 第一节 核膜（

2、nuclear envelope）一、核膜的化学组成 蛋白质、脂类、少量DNA和RNA 核被膜的化学组成与内质网相似二、核膜的结构（电镜）构成： 内核膜（inner nuclear membrane） 外核膜（outer nuclear membrane） 核周隙（perinuclear space） The nuclear envelope1.外核膜： 面向胞质， 与粗面内质网膜连续 有核糖体附着 表面有中间纤维2. 内核膜： 面向核质 外表面无核糖体，内表面附有核 纤层（有核纤层蛋白B受 体，为核纤层蛋白B提供结合位点。） 3. 核周隙： 与粗面内质网腔相通 宽：20-40nm 4. 核

3、孔 ：内外核膜融合所致，3000-4000个/细胞Cytoplasmic face cytoplasmic particlesNuclear face basket inner complex核孔复合体（nuclear pore complex, NPC）：捕鱼笼式核孔复合体： 胞质环 核质环 辐 中央栓功能：介导细胞核与细胞质间的物质运输柱状亚单位: 连接支撑内外环腔内亚单位: 跨膜入腔固定环带亚单位: 核孔中心连辐的环5.核纤层 位于内核膜内侧与染色质之间的一层由高电子密度纤维蛋白质组成的网络片层结构。分三种核纤层蛋白（A、 B、C ）属于中间丝。 核纤层的功能：1）支持和固定核膜，稳定核

4、的形状 2）与染色质凝集成染色体相关 3）参与核膜的崩解和重建 4）参与DNA的复制三、核被膜的主要功能 1.区域化作用 为基因表达提供了时空隔离屏障 保证相对稳定的内环境 遗传信息的表达得到得到更为精确的控制2.合成生物大分子-蛋白质3.控制核质间的物质流和信息流 核膜双层 核孔复合体 核定位序列 核孔复合体介导核-质间的物质交换被动扩散：转运成分：无机离子、小分子及直径小于10nm的物质，如 水分子、K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、单糖、氨基酸等。转运特点：通过直径910nm的亲水性通道自由转运。 主动运输转运成分：大分子物质，如RNA、核糖体、蛋白质等。转运特点：具有选择性； 直径大小

5、是可调节； 信号识别与载体介导； 消耗能量； 双向性。亲核蛋白（karyophilic protein）：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。核定位信号（nuclear localization signal, NLS）：存在于亲核蛋白内的特殊氨基酸序列，可引导蛋白质通过核孔复合体被转运到核内。亲核蛋白通过核孔复合体转运入核转运条件： 核定位信号(nuclear localization signal, NLS)； 核转运受体(输入蛋白）：入核素存在于胞质中， 既可以与核孔复合体结合，又可以与被转运物质结合。 RanGTP酶：水解GTP，为核转运提供能量；激活入核 素

6、，使其释放亲核蛋白至核内。亲核蛋白的入核转运RNA及核糖体亚基的核输出核孔复合体除了把亲核蛋白输入核内以外，还要把新合成的核糖体大小亚基、mRNA和tRNA等输出到细胞质。核孔复合体上的受体识别被转运的RNA分子（输出蛋白，exportin）。大分子物质的出核转运与入核转运第二节 染色质(chromatin) 与染色体(chromosome)染色质（chromatin）是指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的能被碱性染料染色的物质，是间期遗传物质在细胞内的存在形式。染色质和染色体是同一物质在细胞周期的不同阶段的不同表现形态 染色质（间期） 染色体（分裂期） 一染色质的化学组

7、成 组成： DNA 组蛋白 非组蛋白 RNA 比例： 1 1 (0.5-1.5) 0.05 1染色体（质）DNA基因组（genome）: 真核细胞单倍染色体组中所含有的全 部遗传信息为1个基因组 。人基因组：22条常染色体+2条性染色体单一序列（unique sequence) 中度重复序列（middle repetitive sequence）在基因组中仅有一个或几个拷贝，负责蛋白质氨基酸组成的信息，以三联体密码方式进行编码。大多数编码蛋白质(酶)的结构基因属这种结构形式 。 重复次数在10-105之间。多数是不编码的序列，构成基因的间隔序列，在基因调控中起重要作用。有一些是有编码功能的基因

8、，如rRNA基因，tRNA基因，组蛋白的基因、核糖体蛋白的基因等。高度重复序列（highly repetitive sequence) 由一些短的DNA序列呈串联重复排列，一般为几个、十几个或几十个bp，但重复拷贝数超过105，在染色体的端粒、着丝粒，构成结构基因的间隔，维系染色体结构，与减数分裂中同源染色体联会配对有关。染色质DNA的三类功能序列 1) 复制源 (replication origin)：DNA复制的起点有多个 不同区域多点同时进行。 2) 着丝粒（centromer ): 两条染色单体连接部位， 分裂期与纺锤丝相连，保证染色体平均分配。 3) 端粒（telomere )：染色

9、体末端富含G重复序列， 保证 DNA分子的完整性。 酵母人工染色体(YAC )：含上述3种成分，用于转基因2染色体（质）蛋白（1）组蛋白（histone） 1) 碱性蛋白,共5种 核小体组蛋白（core histone）： H2A、H2B、H3、H4 高度保守, 与DNA盘绕形成核小体 连接组蛋白（linker histone）：H1 具有种属和组织特异性 2) 构建染色体的高级结构。 3) 合成于S期，与DNA合成同时进行， 4) 合成后立即进入核内与DNA装配成染色质。 5) 与DNA紧密结合可抑制DNA的复制和RNA的转录。（2）非组蛋白( nonhistone ) 酸性蛋白, 序列特异

10、性DNA结合蛋白,有种属或组织特异性，整个周期都能合成 。 功能： 1）帮助DNA分子折叠以维持染色质的结构 2）协助启动DNA的复制 3）控制基因的转录和调节基因的表达3RNA：含量很低组蛋白与非组蛋白非组蛋白组蛋白有种属和组织的特异性核心组蛋白没有组织特异性活动的染色质中含量高含量恒定在整个细胞周期中都可合成在S期合成与DNA结合，对基因表达有正调控作用与DNA结合，有抑制基因表达的作用二、 染色质的种类 常染色质 异染色质Euchromatin heterochromatin结构松散 结构紧密着色较浅 着色较深螺旋化程度低 螺旋化程度高有功能，可活跃 转录不活跃地进行复制和转录均匀分布在

11、核内 位于核的边缘 多位于中央 部分与核仁结合组成性异染色质: 在所有的细胞中,在整个细胞周期中都处于凝集状 态，既不转录也不编码蛋白，为高度重复序列， 见于着丝粒、端粒、次缢痕等部位，在S期合成。 兼性异染色质：只在特定阶段凝集而成（由原来的常染色质因丧失 基因转录活性而来）常/异染色质的化学本质相同， 但以不同的状态存在而已， 一定条件下可互相转化。巴氏小体（barr body）三染色体的组装 6109DNA碱基对 / 细胞 / 46条染色体 / 人 5/DNA/染色体/条 总长度174cm 5m/核直径 需要包装、压缩、折叠染色单体（几微米）（一）染色质的一级结构核小体(nucleoso

12、me) 基本结构单位 八聚体/组蛋白（H3 H4和H2A H2B） + 140bpDNA分子 （缠绕1.75圈） 核心颗粒 之间为60bp的连接DNA片段 直径11nm圆盘状颗粒核小体(压缩1/7) 多级螺旋结构模型（二）染色质的二级结构 螺线管 H1参与下，核小体紧密连接、螺旋缠绕（6个/圈）染 色质纤维（30nm） (压缩1/6) 30nm（三）染色质的三级结构超螺线管(压缩1/40) 进一步盘绕形成，直径400nm（四）染色质的四级结构染色单体(压缩1/5) 再次折叠而成chromatid （长2-10uM） 5/DNA2-10m/染色单体长度压缩了近万倍四级结构螺旋模型DNA核小体螺线

13、管超螺线管染色单体压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍一级结构二级结构三级结构四级结构染色体多级螺旋模型染色体四级结构模型 染色质纤维（30nm）折叠袢环结构域（沿染色体纵轴 向中央四周伸出，形成放射环）再多次折叠盘曲染色单体染色体骨架-放射环结构模型放射环模型（loop model）染色体支架（非组蛋白）袢环（ 30nm螺线管）123456789101112131415161718四染色体的形态特征1中期染色体的形态结构 （1）染色单体： （2）着丝粒和主缢痕：主缢痕：指中期染色体的两条姐妹染色单体的连接处， 一向内凹陷、着色较浅的缢痕。着丝粒： 两条染色单体相连的中心部位，一段高度重复的 D

14、NA序列，不与组蛋白结合，而与纺锤丝结合参与 染色体向两极的移动。动粒（着丝点） ： 位于主缢痕两侧的特化的圆盘状结构，由蛋白质构 成，是纺锤丝微管的附着部位，参与分裂后期染色 体向两极的迁移。 动粒域-外，支配染色体的运动和分离着丝粒-动粒复合体 中央域-中，高度重复的DNA序列 配对域 -内，连接姐妹染色单体 中央着丝粒染色体（1/25/8） 分类 亚中着丝粒染色体（5/87/8） 长臂（q）, 短臂（p） 近端着丝粒染色体（7/81） 端着丝粒染色体（末端）（3）次缢痕和随体： 次缢痕：指染色体上除主缢痕之外的缢缩部位，数量、 位置和大小可作鉴别染色体的标记。 近端着丝粒染色体（13，1

15、4，15，21，22） 的短臂上，与核仁的形成有关的染色体次缢痕部 位核仁组织区（NOR） 。 随 体： 染色体末端、与次缢痕相连的棒状小体 （satellite）,由异染色质组成，是识别染色体 形态的重要特征之一 。（4）端粒（telomere） 染色体末端的特化部位 由高度重复序列组成（人：TTAGGG） 保证染色体复制的完整性 维持染色体结构的稳定性，防止末端的相互粘连 正常染色体每复制一次丢失50-100bp 细胞的生命钟，衰老的标志 肿瘤细胞因具有端粒酶活性而自行合成端粒细胞无限繁殖 stop端 粒 长 度原位杂交实验显示位于人染色体末端的端粒（以含有TTAGGG序列的DNA作为探针

16、） 五、染色体的核型与带型核型（karyotype）： 一个体细胞中的全部染色体，按其大小和每条染色体 的形态特征顺序排列所构成的图像。 核型分析： 对待测细胞的核型进行染色体数目、形态特征的分析。 正常人核型：46，XX（女）；46XY（男）带型指将染色体经过一定处理、用特定的染料染色后，使染色体沿其长轴显示深浅各异、宽窄不等的带纹。 第三节 核仁（nucleolus）在间期细胞的核中最明显，光镜下为均匀、海绵状的球体1-2个/细胞，与蛋白质的合成密切相关在核中的位置不固定 无膜包裹一. 核仁的形态结构和化学组成 组成： 蛋白质占80% RNA占11% DNA占8% 形态结构： （电镜下）1

17、纤维中心： 浅染的低电子密度的圆形结构， 是 rRNA基因的rDNA存在部位， 位于5对染色体上（13、 14、 15、21、22）， 共同构成核仁组织区（次缢痕部位）。2致密纤维成分： 核仁内电子密度最高的的区域， 位于浅染区的周围 含有正在 转录 的rRNA分子 含有一些特异性的RNA结合蛋白（核 仁素 nucleolin ：可使核仁被特征性地银染） rDNArRNA转录单位3nm间隔片段转录的起点转录的终点RNA聚合酶蛋白质颗粒rDNA转录rRNA(45S rRNA前体、纤维状)颗粒状（18s 5.8s 28srRNA、蛋白质颗粒）剪切、加工加工、包装核糖体的亚基 3. 颗粒成分： 核仁

18、的外周，致密的颗粒成熟核糖体亚单位前体核糖体大、小亚基的组装二核仁的功能 1）合成rRNA；2）装配核糖体的大、小亚基三核仁周期（nucleolar cycle）： 在进行有丝分裂的细胞中，核仁出现一系列结构与功能的周期性变化。前期：核仁变小，染色质凝集，RNA合成停止；中期和后期：核仁消失；末期：rRNA重新开始合成，形成小核仁；极小的核仁进一步合并最终形成核仁。 第四节 核骨架（核基质）除核被膜、染色质和核仁以外的网架系统，又称核骨架 (nuclea skeleton)。是非组蛋白构成的纤维状结构。 (一)核基质的形态结构和化学组成 纤维蛋白成分构成的纤维网架结构， 分布于核空间， 与核纤

19、层和核孔复合体相连。 (二)核基质的功能1. 为DNA的复制提供支架2. 是基因转录加工的场所3. 与染色体构建、核膜的重建有关4.与细胞分化相关细胞核与疾病一 、 细胞核形态异常与肿瘤 肿瘤细胞：高核/质比；异型核结构；染色质近核 膜处，颗粒状；核仁rRNA高转录活性， 体积大，数目多；组蛋白磷酸化高， 结合 DNA能力下降；核孔数目增多显著。二、 染色体异常与肿瘤 数目异常： 超二倍体、亚二倍体和多倍体 结构异常：易位、重复、缺失、倒位、环状 慢粒：费城小体22号、长臂与9号长臂部分区段异 位标记染色体（95%） 视网膜母细胞瘤：13号长臂中间缺失 Wilms瘤：11号染色体短臂中间缺失

20、Down syndromeCriduchatsyndrome（5p） 基因突变引起基因病 由基因突变引起的疾病称为基因病，包括单基因病、多基因病。 Three key regions of a chromosome随体（3）次缢痕和随体： 次缢痕：近端着丝粒染色体（13，14，15，21，22）的 .Nucleolus 形态结构： （电镜下）Summary of Chapter 8 The nucleus is a spherical, sometimes elongated structure that contains the genetic material, the DNA of th

21、e cell. The highly organized chromatin is enveloped by a nuclear membrane that contains numerous pores for the transport of large macromolecules and ribosomal subunits to the cytoplasm. The nuclear envelope is actually two parallel unit membranes with an intervening space. Ribosomes are often attach

22、ed to the outside membrane and it is sometimes continuous with the rough ER.Functional aspects of nuclearIt is the largest organelle in the cell and the place for genetic storage, replication and transcription. It is the control center of living activity and the hallmark to distinguish eucaryotic ce

23、lls from prokaryotic ones. Chromatin consists of coiled DNA bound to basic proteins called histones and non-histone proteins. The degree of coiling of the chromatin varies during cell activity. From microscopic examination, two types of chromatin can be seen: 1) dark, dense heterochromatin and 2) li

24、ght euchromatin. Cells with light nuclei / uncoiled chromatin are more active than those with condensed, dark nuclei. Lightly coiled DNA facilitates transcription because there is more surface area available. A DNA molecule is an enormously long, unbranched, linear polymer that can contain many mill

25、ions of nucleotides arranged in an irregular but nonrandom sequence. The genetic information is contained in the linear order of the nucleotides. Each DNA molecule is packaged in a separate chromosome, and the total genetic information stored in the chromosomes of an organism is said to constitute i

26、ts genome. Each chromosome is formed from a single long DNA molecule. Each DNA molecule that forms a chromosome must contain a centromere, two telomeres and replicating origins. Most chromosomal DNA does not code for essential proteins or RNAs. Therefore, only a few percent of mammalian genome can b

27、e involved in regulating or encoding essential proteins. Besides these nonessential DNA sequences, even the essential coding regions are often interrupted by long stretches of noncoding DNA. Chromosomes contain a variety of proteins bound to specific DNA sequences. Histones are the principal structu

28、ral proteins of eucaryotic chromosomes. 200bp of DNA wraps around a core of histone proteins, the structure is referred to as a nucleosomes, a “bead-on-a-string” unit particle of chromatin. Nucleosomes are usually packed together to form regular higher-order structures. rRNA synthesis can proceed th

29、rough nucleosomes. Chromatin is a complex of DNA, histones and nonhistone proteins. Condensation of chromatin during mitosis yields the visible metaphase chromosomes. Chromatrin is divided into two forms: heterochromatin and euchromatin. 1) Euchromatin: is a lightly packed form of chromatin and is o

30、ften under active transcription. It generally appears as light-colored bands when stained and this lighter staining is due to the less compact structure of euchromatin. Heterochromatin: It is a tightly packed form of DNA. Its major characteristic is that transcription is limited. It stains intensely

31、, indicating tighter packing. It is usually localized to the periphery of the nucleus and mainly consists of genetically inactive satellite sequences and many genes are repressed to various extents. Both centromeres and telomeres are heterochromatic, as is the Barr body of the second inactivated X c

32、hromosome in a female. Organization of chromosome 1) Nucleosome: the basic units of chromatin structure. An individual nucleosome core particle consists of a complex of eight histone proteins-two molecules each of histones H2A, H2B, H3, H4-and a double-stranded DNA of about 146bp that winds around this histone