第九章 细胞核

第九章

细胞核Nucleus第一节核被膜

第二节染色质与染色体

第三节核仁

第四节核基质

第五节细胞核的功能

第六节细胞核与疾病

细胞核（nucleus）是真核细胞中由双层单位膜包围核物质而形成的多态性结构。

是细胞生命活动的调控中心：

贮存遗传信息进行DNA复制进行RNA转录

形态：与细胞形态相适应数目、位置与细胞类型相关大小：有差异，动物一般5~10μm被双层膜包被含有控制细胞生命活动的遗传物质

间期时细胞核结构完整，主要包括：核膜（nuclearmembrane）、核仁（nucleolus）、核骨架（nuclearscaffold）、染色质（chromatin）分裂期细胞核崩解，无完整结构。

一、核被膜的超微结构

也叫核膜（nuclearmembrane

），是包在核外的双层膜结构，属于内膜系统，是真核细胞的标志。部分化学组分与内质网类似，但含量有差别。第一节核被膜（nuclearenvelope）

（一）内外膜与核周间隙内外膜

核膜的外膜与内质网相连，外表面附着有核糖体，还附着有中间纤维等细胞骨架成分。内侧核膜表面光滑，与核膜内侧的核纤层相互关联。核周间隙内外膜之间存在的腔隙称为核周间隙（perinuclearspace），与内质网腔连通，含多种蛋白。

（二）核孔及核孔复合体

内外核膜在很多区域相互融合，形成了内外相通的核孔（nuclearpore）。核孔呈圆环形，电镜下是由多个蛋白质颗粒特定排列成的复合体（nuclearporecomplex，NPC），其中央是含水通道。核孔复合体的结构胞质环（cytoplasmicring）：又称外环，位于核孔边缘的胞质面一侧，与外核膜相连。环上有8条长约30∼50nm的细纤丝，对称分布伸向胞质。核质环（nuclearring）：又称内环，位于核孔边缘的核质面一侧，与内核膜相连。环上也对称地向核内伸入8条长约100nm的细纤丝，被一直径约60nm的端环连接在一起，核篮。

中央栓（centralplug）：位于核孔中央的一粒状或棒状颗粒，推测其在核质交换中起重要作用。

轮辐（spoke）：位于核孔内，将胞质环、核质环和中央栓连接在一起。

（三）核纤层

内核膜的内表面有一层网架状纤维蛋白质，叫核纤层（nuclearlamina）。

◆

核纤层由核纤层蛋白（lamin）组成。

◆核纤层蛋白是一类中间纤维，分为A、B、C型。

◆组装完成后的核纤层纤维有较大刚性。

◆细胞间期时，核纤层蛋白与核膜镶嵌蛋白相连，能保持核的形态与核孔复合体的位置；蛋白形成的网架还可以和染色质结合，为染色质提供附着点。

◆细胞分裂时，核纤层蛋白被磷酸化，发生解聚，核膜随之崩解，染色质开始凝集。B型核纤层蛋白与核膜残余小泡结合，帮助分裂末期核膜重建。

二、核被膜功能

●核膜将DNA与细胞质分隔开，保护DNA分子免受损伤；使DNA的复制和RNA的翻译表达分隔开。

●是物质交换的通道。

●参与生物大分子合成。●小分子物质经核孔自由进出。●大分子及颗粒物质以特殊方式转运。

核转运受体（imporin，exportin），入核信号NLS/出核信号NES、Ran。●转运时核孔孔径可暂时性扩大，允许超过孔径的颗粒通过。●经核孔的运输是双向的。●

RNA一般以RNP形式经核孔运出核。●入核蛋白的信号肽不被切除。第二节染色质与染色体

一、染色质和染色体化学组成

由DNA、蛋白质、RNA组成，易被碱性染料染色。间期时染色质（chromatin）成细丝状，弥散；细胞分裂时则高度凝缩形成染色体（chromosome）。（一）DNA、RNADNA：遗传信息的携带者，性质稳定。序列可分为单一序列、重复序列。

RNA：含量少，主要为新合成的前体RNA。

（二）组蛋白组蛋白：属碱性蛋白，富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸，分为H1、H2A、H2B、H3、H4五种，与带负电荷的DNA紧密结合，构成染色质，抑制DNA的复制与转录。

H2A、H2B、H3、H4

属核小体组蛋白，有相互聚合倾向，进化上极为保守。

H1组蛋白有一定组织特异性。

（三）非组蛋白非组蛋白：属酸性蛋白，带负电荷，富含天冬氨酸、谷氨酸。多数非组蛋白能识别特异性的DNA序列。控制基因复制与转录，调节基因表达。

（四）组蛋白乙酰化与去乙酰化对基因表达的调控

组成核小体的组蛋白可以被多种化学加合物所修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为染色质构型重塑。组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型常染色质（euchromatin）和有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与浓缩的异染色质（hetero-Chromatin）和表达受抑的基因相关联。

染色质构型重塑受专一性的酶系调制，并和DNA甲基化相互作用，形成了个体发育中调控基因表达的所谓组蛋白密码（histonecode）。

组蛋白H3的第9位氨基酸赖氨酸的乙酰化修饰是和基因活性表达相关联的，一旦经组蛋白脱乙酰酶（histonedeacetylase,HDAC）作用而脱去乙酰基，又经组蛋白甲基转移酶（histonemethyltransferase）作用在同一位置加合上甲基，则会形成一个异染色质蛋白HI（heterochromatinprotein1,HP1）或其他抑制性染色质因子的结合位点。HP1的结合转而会导致DNA分子上特定CpG岛的甲基化和稳定的基因沉默。所以，染色质蛋白并非只是一种包装蛋白，而是在DNA和细胞其他组分之间构筑了一个动态的功能界面。二、染色质的结构与组装一级结构：染色质的基本结构单位——核小体（nucleosome）串珠样结构二级结构：串珠样结构螺旋化，形成每6个核小体绕一圈，构成外径30nm螺线管。灯刷染色体

支架－袢环模型：多级螺旋化模型：

30nm的螺线管进一步螺旋化形成超螺线管，再进一步螺旋、折叠形成染色单体。30nm的染色质纤维折叠为一系列的袢环（loop）结合在染色体骨架上

微带

染色单体。染色体骨架：由非组蛋白构成的纤维网络骨架。染色体的组装三、常染色质和异染色质间期时根据染色质折叠压缩及形态功能的不同可分为异染色质（heterochromatin）和常染色质（euchromatin）。常染色质能进行活跃复制转录，呈疏松状态，碱性染料染色后着色较浅，有时以袢环形式伸入核仁。异染色质在间期的细胞核中处于高度缠绕的凝缩状态，无转录活性，碱性染料染色后着色较深，多靠近核膜内表面。异染色质（核内深染部分）和常染色质（核内浅染部分）常染色质与异染色质的特性比较特征常染色质异染色质数量分布一般占染色体的极大部分一般占染色体的少部分,位于着丝粒区、端粒、核仁形成区，染色体的中间、末端及整个染色体臂染色反应正常染色反应特有染色反应DNA

复制正常复制晚复制凝缩程度折叠疏松折叠紧密固缩行为间期解螺旋，分裂时形成螺旋，分裂中期达到高峰异固缩（正、负异固缩）组成特性含单一和重复序列，能进行转录结构异染色质含重复和非重复DNA，不能转录；兼性异染色质含有活动基因，有转录活性化学性质无差别无差别巴尔小体着丝粒（centromere）主缢痕（primaryconstriction）动粒（kinetochore）副缢痕（secondaryconstriction）随体（satellite）

端粒（telomere）核仁组织区（nucleolarorganizingregion，NOR）核型（karyotype）

四、染色体

中期染色体形态比较稳定，是观察染色体形态和计数的最佳时期。

人类染色体非显带核型图

Humankaryotype46,XX;46,XYAbnormalkaryotypes47,+21,45,X一、核仁的分子组成位于间期的细胞核内，呈球形，数目、位置、大小不固定，随细胞种类和功能而异。第三节核仁（nucleolus）二、核仁的结构核仁呈裸露的海绵状，有3个特征性的区域：

致密纤维组分：呈环形或半月形，由rRNA、核糖体蛋白和少量RNA结合蛋白构成的致密网架结构构成。

纤维中心：是被致密纤维包围的一个或几个低电子密度的圆形结构，主要成分为RNA聚合酶和rDNA。

颗粒组分：位于纤维结构外侧，由直径15～20nm的颗粒构成，可能是不同加工和成熟阶段的核糖体亚基前体。核仁由核仁组织者（nucleolarorganizingregion，NOR）组织形成，NOR由人13、14、15、21、22号染色体伸出的带有rRNA基因的袢环构成。

真核生物核糖体含有4种rRNA：

5.8SrRNA18SrRNA28SrRNA5SrRNA

核仁的功能是：进行rRNA（5SrRNA除外）的转录、加工和核糖体亚单位的组装。

45SrRNA转录前三种rRNA的基因组成一个转录单位

三、核仁的功能

在

RNA聚合酶I

的作用下，rRNA基因进行快速的转录。在展开的核仁染色质标本中可观察到，一根长DNA纤维上有一系列重复的箭头样结构单位。rRNA前体的加工45SrRNA20S32S剪接加工28S5.8S45SrRNA是18S、5.8S和28S三种rRNA的前体。负责rRNA前体加工的酶是RNA酶。

45SrRNA的剪切加工是以核糖核蛋白复合体（RNP）的形式进行的。过程是：18S

核糖体亚基的组装

18SrRNA+33种蛋白质小亚基5.8SrRNA28SrRNA

5SrRNA（由核染色质转录后运至核仁）+

49种蛋白质大亚基

大、小亚基经核孔运输到细胞质，最终在胞质内形成成熟的核糖体。核仁在核糖体合成与组装中的作用四、核仁周期

核仁周期：核仁的结构呈周期性动态变化。Nucleolarfusionofhumanfibroblastincultrue第四节核基质（NuclearMatrix）

核基质也叫核骨架，指除核被膜、染色质、核纤层及核仁以外的由纤维蛋白组成的核内网架体系。与DNA复制，RNA转录和加工，染色体组装等生命活动密切相关。一、细胞核的基本功能储存有完整的人类基因组（humangenome）细胞内遗传信息的流动（theflowofgeneticinformation第五节细胞核的功能（FunctionsofNucleus）二、遗传信息的复制与传递DNA分子中不同的碱基排列顺序构成信息，通过DNA的复制不断传递给子细胞，构成遗传信息。所以遗传信息的传递是由DNA的复制开始的。

1953年，Watson和Crick在提出DNA双螺旋模型时就指出，由于互补碱基的配对原则，在DNA复制时，只要双链DNA解开，以每一条链为模板以合成其互补链，即可形成两个与亲代完全一样的DNA分子。DNA复制要从DNA分子上特定位置开始。这个特定位置被称为复制起始点。DNA复制从起点开始双向进行直到终点为止，每一个这样的DNA单位称为复制子或复制单元。在原核生物中，每个DNA分子上就有一个复制子；而在真核生物中，每个DNA分子有许多个复制子，因此，真核细胞DNA的复制是由许多个复制子共同完成的。(一)复制的起始——引发DNA复制的起始就是引物的合成。DNA链的生成依靠DNA聚合酶，而由于DNA聚合酶不能引发DNA新生链的合成，只能在已存在的DNA链或RNA链上延长DNA，因此必须先由引物酶催化引物RNA的合成。DNA聚合酶的特性决定了DNA复制时先在复制起始区合成一段RNA引物。DNA的复制过程大体上可以分为复制的启动，复制的延伸，和复制的终止三个阶段：先由DNA螺旋酶将起始点处的DNA双链解开，引发体与特定序列结合，形成复制叉，再由引物酶合成一小段RNA引物，DNA聚合酶再将第一个脱氧核苷酸加在引物3’端开始链的延伸。（二）复制的延伸在RNA引物的3’-OH端由DNA聚合酶III按碱基互补规则延伸。因此DNA的合成是具有方向性的。前导链：以3’→5’方向的DNA链做模板链的新链合成可以随着复制叉向前移动，连续合成（5’→3’）。后随链：以5’→3’

方向的DNA链做模板链的新链合成则不能随着复制叉向前移动，即无法进行连续合成，只能分成许多小片段分段合成。

这一小段新合成的DNA链称冈崎片段。每一段新合成的DNA链前有一小段RNA引物，由DNA聚合酶I水解补平，最后由连接酶连接，形成完整的后随链。（三）复制的终止在DNA上也存在着复制终止位点，DNA复制将在复制终止位点处终止。若两个复制叉相遇时，复制也将终止。DNA复制方式的三大规律：半保留复制（semiconservativereplication）半不连续性（semidiscontinu）前导链（leadingstrand）后随链（laggingstrand）双向性（bidirection）（四）复制误差的校对原核生物中通常每复制109～1010个核苷酸便要出现一个误差。因而在细胞内除了碱基对原则外，必然还有其他因子的作用，来维持DNA复制的准确性。首先，DNA聚合酶本身具有校对作用，可以将不正确插入的核苷酸切除掉，重新加上正确的核苷酸。这样对每个核苷酸的掺入就有两次机会。另外，DNA合成起始时及冈崎片段合成开始时都有RNA引物。由于RNA最终也要被切除掉，这样就提高了DNA复制的准确性。因为DNA复制开始时掺入的核苷酸往往容易出错，加在RNA引物中可以被切除，不会影响DNA的准确性。由外界和环境因素引起的DNA损伤也可以通过细胞自身的修复机制加以改正。（五）复制后DNA的传递遗传信息（DNA）复制后，通过有丝分裂和减数分裂可以准确地实现遗传信息的在世代间的传递。三、遗传信息的转录转录是生物界RNA合成的主要方式，是遗传信息DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始。在DNA的两条链中只有其中一条链可作为模板，这条链叫做模板链（templatestrand），又叫做有义链。DNA双链中另一条不做为模板的链叫做编码链，又叫做反义链。各基因的模板链并不全在同一条DNA链上，转录时可选择不同链的不同区段，将它们转录到同一条RNA上。转录过程是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做依赖DNA的RNA聚合酶（DNA-dependentRNApolynerase，DDRP），需要Mg2＋或Mn2＋的参与。

20世纪60年代RobertRoeder首次发现了RNA聚合酶，可催化RNA链中核苷酸间形成磷酸二酯键。原核细胞和真核细胞中均具有RNA聚合酶。原核生物只有一种RNA聚合酶。真核生物细胞核中有3种RNA聚合酶，分别称为RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它们专一性地转录不同的基因，由它们催化的转录产物也各不相同。

RNA聚合酶Ⅰ：合成RNA的活性最高，它位于核仁中，负责转录编码rRNA的基因。细胞内绝大部分RNA是rRNA。

RNA聚合酶Ⅱ：位于核质中，负责核不均一RNA（hnRNA）和snRNA的合成，而hnRNA是mRNA的前体。

RNA聚合酶Ⅲ：负责合成tRNA和许多小分子量的核内RNAs。DNA转录合成RNA的过程分为三个阶段：识别与起始、延长和终止。RNA合成方向按5’→3’

进行，在3’-OH末端与加入的核苷酸形成磷酸二酯键。（一）识别与起始转录是从DNA分子的特定部位开始的，这个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部位，也就是启动子（promoter）。启动子处的核苷酸序列具有特殊性。转录的起始是基因表达的关键阶段。RNA聚合酶中的σ亚基识别并专一结合启动子部分的特殊序列，使双螺旋局部解旋，选择模板链并开始转录。在合成磷酸二酯键后，σ亚基解离，由聚合酶中的核心酶部分负责RNA链的延伸。解离后的σ亚基可与其他核心酶结合引导其他RNA合成。DNA双螺旋在转录时只是暂时局部解旋，转录完毕即恢复双螺旋结构。真核生物的转录过程往往还需要多种蛋白因子的协助，有一类叫做转录因子的蛋白质分子，它们能与RNA聚合酶Ⅱ形成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。（二）链的延长RNA链的延长靠核心酶的催化，在起始复合物上第一个核苷酸的3’-OH上与第二个三磷酸核苷起反应形成第一个磷酸二酯键。聚合后的核苷酸链又有核糖3’-OH游离，这样就可按模板DNA的指引，一个接一个地延长下去。因此RNA链的合成方面也是5’--3。由于DNA链与合成的RNA链具有反平行关系，所以RNA聚合酶是沿着DNA链3’--5’方向移动。整个转录过程是由同一个RNA聚合酶来完成的一个连续不断的反应。（三）转录的终止移动的RNA聚合酶到达终止子时转录终止（依赖ρ因子或RNA双链），RNA聚合酶脱落，合成的RNA释放，DNA恢复双螺旋结构。DNA链从启动子到终止子的一段长度即是一个转录单位，称为转录子（transcripton）。

RNA发夹结构（四）转录后加工刚合成的mRNA是初级转录物，称为核不均一RNA（hnRNA），必须经过加工才能变为成熟的RNA。原核生物转录生成的mRNA没有转录后加工修饰过程。真核生物转录产生初级转录物为RNA前体，它们必须经过加工过程变为成熟的RNA，才能表现其生物活性。

真核生物mRNA的加工修饰，主要包括对5’端和3’端的修饰以及对中间部分进行剪接。

5’端加帽：成熟的真核生物mRNA，其结构的5’端都有一个m7G-ppp结构，该结构被称为甲基鸟苷的帽子。

5’端帽子结构增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5’外切核酸酶的攻击，协助运输mRNA出核，这种帽子结构还能为核糖体对mRNA的识别提供信号。

3’端加尾：大多数真核mRNA都有3’端的多聚A尾（polyA)，多聚A尾大约有200bp。多聚A尾不是由DNA编码的，而是转录后在核内加上去的。受polyA聚合酶催化，该酶能识别mRNA游离的3’-OH端，并加上约200个A残基。多聚A尾可以保护mRNA免遭外切核酸酶的降解。剪接：结构基因中可以含有几十个内含子。经过核酸内切酶作用剪切掉内含子，然后在连接酶作用下将有编码意义的核苷酸片段即外显子首尾相连，才构成完整的mRNA，可送出核外。rRNA转录后加工（自我剪接）tRNA转录后加工：tRNA前体需进行tRNA前体的5’端前导序列特异性剪切；还要进行碱基修饰将正常核苷酸转变为特殊核苷酸；在核苷酸转移酶作用下，3’-末端除去个别碱基，换上tRNA分子统一的CCA-OH末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂结构。不论拼接过程如何，拼接必须极为精确，否则会导致遗传信息传递障碍，合成的蛋白质可能丧失其正常的功能。

我国南方广大地区是β-地中海贫血的高发区，这是由于β-珠蛋白链的合成受到部分或完全抑制所引起的一种血红蛋白病。实验表明β-珠蛋白基因中核苷酸的点突变改变了正常拼接部位的碱基顺序，结果造成错误部位的拼接。加工成熟的mRNA虽能翻译，但产物不是正常的β-珠蛋白，结果引起血红蛋白级结构和功能的改变。

内含子与剪接使外显子产生了多种组合方式，使进化不必只依靠点突变的缓慢积累，可以更快速地产生新的蛋白质。

细胞核作为细胞生命活动的调控中心，它既控制着细胞的生命活动，也接受着环境因素的调节。因此环境中的致病因子有可能直接作用于细胞核，成为细胞病变的靶点，而出现病理改变，如在肿瘤细胞中，细胞核发生了多种形式的改变；另一方面，细胞内的遗传物质发生突变后则可以直接导致疾病的发生，如染色体病、基因病等。第六节细胞核与疾病（Nucleusanddiseases）一、染色体病

染色体数目或结构异常引起的疾病称为染色体病（chromosomaldisorders）。这类疾病的实质是染色体上的基因或基因群的增减或变位影响了众多基因的表达和作用，破坏了基因的平衡状态，因而妨碍了人体相关器官的分化发育，造成机体形态和功能的异常。（一）染色体病的分类

染色体病按染色体种类和表型可分为三种：常染色体病性染色体病染色体异常的携带者（二）Down综合征DS患者有多种临床表现，其主要表现为智力低下（患者的IQ值在20～60之间，平均为40～50）、发育迟缓和特殊面容。一般情况下，DS患者都具有一些明显的、特殊的微小畸形特征。Down综合征的临床特征

特征频率（％）特征频率（％）斜眼裂82颈部皮肤松弛81腭窄76身材矮小75多动73鼻梁扁平68第1、2趾间距宽68手短而宽64颈短61齿畸形61内眦赘皮59第5指短58张口58第5指内弯57Brushfield斑56舌有沟55通贯掌53耳廓畸形50舌外伸47根据患者的核型组成不同，可将Down综合征分为三种遗传学类型：

①游离型：核型为47，XX（XY），+21；

②易位型：最常见的是D/G易位，如核型为46，XX（XY），-14，+t（14q21q），其次为G/G易位，如核型为46，XX（XY），-21，+t（21q21q）；③嵌合型（三）Turner综合征1938年Turner首先报道并命名为Turner综合征（Turnersyndrome），也称为女性先天性性腺发育不全或先天性卵巢发育不全综合征，又称为45，X或45，X综合征

1954年Polani证实患者细胞核X染色质阴性；1959年Ford证明其核型为45，X。1954年Polani证实患者细胞核X染色质阴性；1959年Ford证明其核型为45，X。典型患者以性发育幼稚、身材矮小（120～140cm左右）、肘外翻为特征。患者出生体重轻，新生儿期脚背有淋巴样肿，十分特殊；面容：内眦赘皮，上睑下垂，小颌；后发际低，约50％有蹼颈，乳间距宽，第四、五掌骨短，皮肤色素痣增多，性腺为纤维条