中国海洋大学细胞生物学课件间期细胞核

染色体可根据着丝粒的位置分为四种类型中央着丝粒染色体亚中央着丝粒染色体近端着丝粒染色体端着丝粒染色体主缢痕次缢痕2.中期染色体的分子结构第一节细胞核的形态结构当前1页，总共52页。四类染色体的分类标准相对长度(relativelength):单条染色体的长度/(单倍常染色体+X染色体)的总长度×100%；臂指数(armindex):指染色体长臂与短臂的比率（长臂/短臂）；着丝粒指数(centromereindex):短臂/整个染色体长度×100%（短臂占整条染色体长度的比率）第一节细胞核的形态结构染色体类型相对长度臂指数着丝粒指数染色体的臂数中央着丝粒染色体对于不同染色体，该数值不同1.0~1.750.0~37.52亚中央着丝粒染色体1.7~3.037.5~25.02亚端部着丝粒染色体3.0~7.025.0~12.52端部着丝粒染色体7.0~12.5~01当前2页，总共52页。(1)着丝粒(centromere)第一节细胞核的形态结构位于染色体主缢痕处当前3页，总共52页。着丝粒：

着丝粒DNA序列

特异性着丝粒蛋白当前4页，总共52页。染色体的着丝粒、动粒的电镜图像与动粒结构模型(a)显示着丝粒的扫描电镜照片(自JeromeB.Rattner,1991);(b)动粒的透射电镜图像(自J.D.Pickett-HeapsandL.C.Fowke,1970);(c)示动粒的三层式结构(自B.R.Brinkleyetal,1985).动粒为动粒微管的组织中心：组织形成动粒微管，参与姊妹染色单体向细胞两极的分离第一节细胞核的形态结构当前5页，总共52页。第一节细胞核的形态结构有些昆虫(如蜜蜂、马蜂)、某些显花植物(如非洲罗兰)和酵母没有明显的动粒结构，微管直接和染色质相连。(a)非洲紫罗兰(Saintpaliaionantha)细胞有丝分裂时，微管(MT)插入到界限模糊的着丝粒区;(b)中国仓鼠细胞有丝分裂时，微管与着丝粒的动粒(K)结合，动粒在电镜下呈三层式结构(箭头所指)。染色体周围存在着一些膜碎片(M).动物与植物细胞有丝分裂时着丝粒的形态差异当前6页，总共52页。染色体的着丝粒-动粒复合体结构的模式图解示复合体的三个结构域为两条染色单体相互连接的区域，目前在此域中发现了内着丝粒蛋白INCENP和染色单体连接蛋白CLIPs，对染色体的配对连接和分离有重要作用Plata(1990)将哺乳动物细胞中染色体的主缢痕区域称为着丝粒-动粒复合体，并提出了着丝粒-动粒复合体的结构模型，将其分为动粒域(kinetochoredomain)、中心域(centraldomain)和配对域(pairingdomain)三个结构域。动粒纤维冠(主要是马达蛋白)动粒域与动粒微管连接，是支配染色体运动和分离的重要结构含有高度重复DNA，对着丝粒—动粒复合体结构的形成和正常功能的维持有重要作用第一节细胞核的形态结构当前7页，总共52页。(2)端粒(telomere)由端粒DNA与端粒蛋白构成第一节细胞核的形态结构维持染色体的稳定性；保证DNA的完全复制；参与染色体在核内的分布。功能：端粒酶的表达：端粒长：细胞分裂和存活端粒短：不能分裂甚至不能存活当前8页，总共52页。与核仁的形成有关(3)核仁组织区(nucleolus-organizingregion,NOR)第一节细胞核的形态结构位于次缢痕处可活跃合成18S、5.8S和28SrRNA——拥有核仁组织区的染色体核仁组织染色体：人类有5对同源染色体均为核仁组织染色体当前9页，总共52页。3.染色体DNA的关键序列(keysequence)自主复制DNA序列(autonomouslyreplicatingsequence,ARS)：DNA的自主复制；着丝粒DNA序列(centromereDNAsequence,CEN)：DNA的平均分配；端粒DNA序列

(telomereDNAsequence,TEL)：DNA复制的完整性。第一节细胞核的形态结构当前10页，总共52页。当前11页，总共52页。第一节细胞核的形态结构四膜虫染色体中端粒完整复制的机制图解当前12页，总共52页。酵母人工染色体(yeastartificialchromasome,YAC)：酵母人工染色体(YAC)的结构图解YAC载体人类DNA利用YAC载体克隆人类DNA的操作图解第一节细胞核的形态结构当前13页，总共52页。4.特殊染色体(1)多线染色体(polytenechromosome)第一节细胞核的形态结构(2)灯刷染色体(lampbrushchromosome)(3)B染色体(Bchromosome)当前14页，总共52页。(1)多线染色体(polytenechromosome)第一节细胞核的形态结构果蝇唾液腺细胞中的多线染色体当前15页，总共52页。第一节细胞核的形态结构一段果蝇多线染色体的电镜照片及多线染色体的形成机制图解(a)果蝇多线染色体的光镜照片，示带与间带相间排列；(b)多线染色体电镜图象，示一条染色体中的染色质纤维；(c)多线染色体形成机制示意图，多线染色体产生于核内有丝分裂

当前16页，总共52页。多线染色体中的蓬突现象，示巴氏环(a)多线染色体及其蓬突的电镜照片；(b)处于不同表达阶段的巴氏环；(c)巴氏环形成机制图解(a)(c)(b)第一节细胞核的形态结构当前17页，总共52页。(2)灯刷染色体(lampbrushchromosome)灯刷染色体显微镜图像(a)蝾螈(Triturusviridescens)双线期灯刷染色体的相差显微镜图像，一对同源染色体通过交叉相互连接在一起;(b)两栖类灯刷染色体的局部荧光显微镜图像，活跃表达的染色体区域被染成绿色第一节细胞核的形态结构当前18页，总共52页。蝾螈卵母细胞中灯刷染色体的结构图解(a)示一对同源染色体之间的两个交叉；(b)放大的侧环，示染色单体在染色粒处的折叠情况；(c)为(b)图中部分侧环的电镜图像，示核糖核蛋白细丝垂直连接到DNA轴上第一节细胞核的形态结构当前19页，总共52页。1925年，Kuwada在玉米细胞中发现了一些二倍体之外的额外染色体，它们在形态、数目、行为及功能方面都与通常的染色体(称为A染色体)不同。Randolph(1928)将这些染色体称为B染色体。也称额外染色体(extrachr.)、超数染色体(supernumerarychr.)或附属染色体(accessorychr.)。B染色体存在于自然界很多种动物和植物中。目前已在1000多种植物及300多种动物中发现了B染色体。(3)B染色体(Bchromosome)第一节细胞核的形态结构当前20页，总共52页。1.B染色体通常比A染色体小得多，且大多为端部或亚端部着丝粒，由大量的异染色质构成。2.它们与同一细胞中的任何一条A染色体都不同源，且在减教分裂过程中只在B染色体之间发生配对。3.B染色体的遗传不规则，一般不表现孟德尔式的遗传特征；当B染色体数量较多时，可表现出数量遗传的特性。4.偶尔也会见到B染色体可以形成核仁，但一般来说它们的遗传都是惰性的，其上不携带与主要性状相关的基因。5.在同一物种中，B染色体也以多种形态出现。B染色体的数目是可变的，在同一物种不同的组织、细胞、世代或个体之间，在有丝分裂和减数分裂中都常会有变化。B染色体区别于A染色体的显著特征当前21页，总共52页。油镜下的家蝇幼虫神经节细胞中期染色体箭头所指为:一对点状B染色体，旁边为A染色体第一节细胞核的形态结构当前22页，总共52页。第一节细胞核的形态结构在植物对环境的适应上，B染色体表现出积极的作用。在黑麦草属植物中，植株如果从播种到生长都在高密度的条件下，一部分植株就会被淘汰，而最后存活下来的往往是具有B染色体的植株。B染色体对动植物的遗传、生长和发育具有多重效应，其起源、作用机制等问题都有待于进一步研究。因此，在某些严峻的选择压力下，含有B染色体的植株具有更强的竞争力和适应能力。当前23页，总共52页。三、核仁

(nucleolus)形状、大小、数目(生物种类/生理状态)生理活动旺盛的细胞：核仁大不太活动的细胞：核仁小第一节细胞核的形态结构核膜核仁致密纤维成分颗粒成分原纤维中心当前24页，总共52页。由直径15-20nm的RNP颗粒构成，为正在加工成熟的核糖体亚单位的前体颗粒核仁中rDNA所在的部位由致密的纤维构成,含有rRNA以及一些特异性的结合蛋白人成纤维细胞中的核仁电镜图，示三个不同的特征性结构区当前25页，总共52页。核仁在核糖体的合成与组装中的功能核仁功能：核仁功能活动的顺序：rRNA转录与加工;

组装核糖体亚单位.核仁DNA原纤维区颗粒区当前26页，总共52页。核仁除了作为“核糖体工厂”之外，近年来的研究表明核仁还有其它一些重要的调节功能，是一种多功能的结构。核仁调控许多细胞周期检验点控制蛋白的扣押(sequestration)，如Mdm2(与p53连接)，Cdc14(一个促进细胞退出有丝分裂的蛋白磷酸酶)和Pch2(为利用监控点点控制减数分裂周期进程暂停所必需)。此外的研究还表明，核仁在细胞增殖及存活方面也发挥着重要作用。当前27页，总共52页。在热、电离辐射、拟辐射药物喜数碱等特定胁迫条件下，核仁又具有与核仁蛋白(nucleolin)从核仁到核质重新定位的功能(依赖于p53-核仁蛋白复合体的形成)，结果引起了核仁蛋白库的主体向核质的迁移，并在核质中与复制蛋白A(replicationproteinA,RPA)相结合，从而抑制DNA复制的启动。此事件以及核仁ARF蛋白(有助于p53稳定性)对Mdm2的扣押，表明了核仁在细胞反应胁迫中具有重要作用。ARF,alternativereadingframe当前28页，总共52页。核仁的发生：在有丝分裂后期的核仁逐渐形成融合成大的核仁和间期核仁结构模式图(a)培养中的人成纤维细胞核分裂后核仁组织染色体的NOR区逐渐凝缩成一个个小的前核仁体(prenucleolarbodies,PNBs)，彼此融合后形成成熟的核仁;(b)示人间期细胞核仁结构的推想模式图.第一节细胞核的形态结构分裂后期人类：13,14,15,21,22对染色体小鼠：12,16,18对染色体当前29页，总共52页。四、核质及核体

(Nucleoplasm&Nuclearbodies)间期细胞核中，在染色质和核仁周围的无定形的着色浅的液体。较小的颗粒染色质周纤维(perichromatinfiber)染色质周颗粒(perichromatingranules)卷曲小体(coiledbody)颗粒状物质细丝状物质第一节细胞核的形态结构邻近染色质；直径40~45nm于染色质之间;直径20~25nm化学组成经分析，这些颗粒和纤维状物质都是由RNA复合以蛋白质所组成.但其功能尚不完全清楚。1、核质(nucleoplasm):当前30页，总共52页。核体是存在于核基质(骨架)中的一个异质性的核内(核质)结构集合体，主要是通过(超微)形态及抗原的标准来加以区分的。2、核体(Nuclearbodies,NBs):核体包括含有球形和纤维状物质的多个结构域，排列成“卷曲小体”、囊、球或救生圈样的结构，偶尔也可见一些泡状或脂样结构。一般认为核基质是核体的结构支架。当前31页，总共52页。如前体mRNA的合成、加工、剪接、包装、核内转运、向核孔的运送以及向胞质的运输。mRNA及rRNA的合成与加工过程，还涉及到了一些由不同RNA及多种蛋白质组成的大型多元复合体，他们或至少是部分出现在核体内的。核体参与多种不同的生命活动：当前32页，总共52页。卷曲小体(coiledbody,CBs)最早由RamónyCajal于1903年在银染的神经元中发现。为常与核仁相连的Φ0.5μm的球形结构，因在TEM下的结构类似于混乱的螺线卷，故而得名。直到最近，才被正式命名为Cajal小体，并发现其在结构上是由纤维状及球形结构组成的典型的薄片形卷曲结构(直径0.1-0.2μm)。当前33页，总共52页。人结肠癌上皮细胞系核仁电镜图，示Cajal小体箭头所示为两个核内卷曲小体,含有纤维及颗粒物质.大箭头所示为核膜。N：细胞核(标尺：0.8μm)(自AmaziaZimber等，2004)当前34页，总共52页。Cajal小体在多种不同的动植物细胞中均有发现，其数量与细胞周期进程、生理变化及疾病有关。它们包含RNA剪接所需要的许多因子。电镜免疫组化结果表明，Cajal小体含有核质性的核小RNP(snRNPs)、少量hnRNPs、m3G-帽snRNA和核仁纤维蛋白(fibrillarin)。此外，一种80kDa的卷曲蛋白(p80-coilin)常被用作Cajal小体的典型标记。当前35页，总共52页。同一个人细胞核分别经过不同处理其染色质与核体的免疫染色图像(a)示核仁纤维蛋白的定位分布，该蛋白在核仁与Cajal小体中均有分布，箭头所指为在Cajal小体中分布的核仁纤维蛋白；(b)示染色质间颗粒簇(小斑)的定位分布，结果由参与前体mRNA剪接的一个蛋白的抗体检测所得；(c)示大多数染色质；(d)示卷曲蛋白在Cajal小体中的定位分布(箭头所示)；(e)显示所有上述4个不同图像的放大叠合。当前36页，总共52页。Cajal小体是一种高度动态的结构，它们既能够相互聚集形成大的Cajal小体，又能分解成可快速移动(0.9μm/min)的小Cajal小体。目前，Cajal小体的功能还不甚清楚。但它却含有特异性核苷水解酶和snRNPs、snRNAs，故可能在转录后RNA的代谢中具有积极作用。当前37页，总共52页。因此，人们认为Cajal小体极可能与snRNP的贮存和/或前剪接复合体(pre-splicingcomplexes)的装配有关。Cajal小体很可能是作为一个含有snRNP修饰酶的核内空间在起作用，可根据需要随时释放snRNP至核仁中进行进一步修饰。一些特定的癌基因编码蛋白可能也定位于癌细胞的Cajal小体中，且在Cajal小体中确实鉴定出了一种名为“pigpen”的新的癌蛋白。当前38页，总共52页。双卷曲小体(Geminiofcoiledbodies,GEMs)及染色质间颗粒簇(又名小斑,speckle)也是重要的核体。双卷曲小体和Cajal小体相互间很类似，且在核内常配对存在，至今还不清楚它们是否真的属于不同结构。Cajal小体/双卷曲小体是snRNP和snoRNP的最终加工修饰部位。相反，染色质间颗粒簇被认为是完全成熟snRNP的贮存场所，以易于参加前体mRNA的剪接

当前39页，总共52页。亚核结构示意图

一个典型的脊椎动物细胞核含有多个Cajal小体和20-50个染色质间颗粒簇.完全成熟snRNP的贮存部位snRNP和snoRNP的最终加工修饰部位当前40页，总共52页。第二节细胞核的化学组成一、染色质的化学组成二、重复DNA顺序高度重复顺序中等重复顺序蛋白质染色质DNA单一顺序组蛋白非组蛋白当前41页，总共52页。核糖体RNA基因的重复单元示意图重复单元间存在有非转录间隔区H1H3H4H2AH2BH1103核苷酸对五种组蛋白基因首尾相接连而成的基因群单元第二节细胞核的化学组成重复单元重复单元当前42页，总共52页。含有5种组蛋白基因的DNA片断(一个重复单元)变性后的电镜图像A-T丰富区在较低温度下即发生变性,DNA链解离,未分离的部分为组蛋白的基因编码区第二节细胞核的化学组成当前43页，总共52页。网络纤维(3~5nm)颗粒状物质(8~10nm)第三节核骨架细胞核细胞分离核酸酶消化高盐缓冲液(2mol/LNaCl)非离子洗涤剂(TritonX-100或NP40)残余结构核骨架(nuclearskeleton)当前44页，总共52页。狭义核骨架=核基质核内的一个纤维蛋白质性质的网架结构体系广义核基质核纤层-核孔复合体体系残存的核仁染色体骨架核骨架为由中间丝蛋白构成的纤维网架，位于内层核膜的下方核内的一个纤维蛋白质性质的网架结构体系为由非组蛋白构成的支架第三节核骨架核骨架的概念：当前45页，总共52页。核基质纤维粗细不一，直径3~30nm。可能单纤维直径为3~4nm，粗纤维可能是由多根单纤维组成的复合体。一、核基质（一）形态结构：核骨架中核心纤维的电镜图像

LNuCC,细胞质;L,核纤层;Nu,核仁第三节核骨架当前46页，总共52页。(90%)维持核基质的三维网络结构核基质