细胞生物学课件：第9章间期细胞核和染色体1-2节

第九章间期细胞核和染色体间期动物细胞间期植物细胞细胞核的数量、大小一般一个细胞只有一个核，特殊细胞可多核，如肌细胞里，横纹肌多核，平滑肌1个核，心肌1个或多核。大小：高等动物10-15μm

，高等植物5-20μm

，低等植物1-4μm

。细胞核在生命活动中的地位：极为重要，是细胞遗传物质的集中区，对细胞的结构和生命活动具有调控作用。（核外也有遗传物质，如mit、chl）细胞核在细胞周期中的变化变化显著，解体和重建*细胞核的形态、结构：

球形、卵圆形、分枝状、带状、杆状*间期细胞核的结构：核被膜—双层膜，将细胞分成细胞质和细胞核两个区域，控制细胞核与细胞质之间物质运输和信息交换，以及各种生命活动的时空化。染色质—间期核内遗传物质的存在形式，分裂中期可凝缩为染色体。核仁—核内浓密的球形小体，核糖体组装的场所。核液（质）

—间期细胞核中，在染色质和核仁周围的无定形的液体。核骨架—核质中广泛存在的由蛋白质构成的网架结构。广义包括核纤层、残存的核仁、染色体支架和核基质；狭义上指核基质，以非组蛋白为主的精密的纤维状结构。蓝：染色质；白：核质和核基质DNA及其结合蛋白核仁中心粒微管核纤层核被膜核孔中间丝内质网核纤层核孔核周隙第一节核被膜与核孔复合体一、核被膜

（一）核被膜的结构外核膜（outernuclearmembrane）:上有核糖体,与糙面内质网相连,厚7.5nm。内核膜（innernuclearmembrane）:表面光滑，与核纤层（内层核膜内表面存在的一层由中间丝交织成的蛋白质网络结构）相连，厚7.5nm。核周隙（perinuclearspace）：20-40nm，与糙面内质网腔相通，腔内电子密度低，一般不含固定的结构。有人认为核被膜系由内质网延伸而成。

核被膜上有核孔：是贯通核被膜的细胞质与核质间的环形通道，在核被膜上规则排列，内外膜融合，形成环形开口，由结构精密的核孔复合体构成。靠近核孔的核膜在化学组成上与其它处的不同，称为孔膜区,特征性蛋白为一种跨膜糖蛋白gp210（N-连接糖蛋白，将核孔复合体锚链到核膜上）。

核被膜的电镜照片

核被膜的结构（二）核被膜的功能将细胞分隔成细胞质和细胞核两个区域，使遗传物质的复制和转录与蛋白的生物合成在时间和空间上分隔开来，保证各种生命活动之间的互不干扰而又有条不紊地协调进行。核膜上存在核孔复合体，可控制细胞核与细胞质之间物质运输和信息交换。二、核孔复合体：核孔复合体的数量和大小随细胞种类和生理状态的变化而变化。代谢旺盛，则多。（一）核孔复合体的结构NPC的结构模型：比较著名的四个假说纤丝模型（Franketal.,1974）；滴漏样模型（Ris,1991）；圆柱模型（Akey,1993）；核篮模型（ohno,1998）。核篮模型的内容：八重对称辐射状的结构（辐）；胞质环；核质环；8根细纤丝；核篮；脊椎动物中，核环直接与核纤层相连，与核孔复合体的定位和分布有关。胞质丝核篮端环核孔结构模型

之核蓝模型胞质丝端环核质环胞质环中央运输体核膜外核膜内核膜核篮篮丝辐（二）组成核孔复合体的蛋白

NPC的组成：主要蛋白质，50-100多种蛋白质；酵母大约50种，脊椎动物中可达100种不同蛋白组成。有一类核孔蛋白的C端域含有以二肽（FG苯丙氨酸+甘氨酸)组成的重复区段，衬在NPC的中央运输体的内壁上，以及核篮和胞质丝上。FG重复序列是短的疏水性序列，在核孔运输功能中起重要作用。已了解的两类核孔蛋白：（1）gp210,跨膜的N-连接糖蛋白；将核孔复合体锚链到核膜上。（2）O-连接糖蛋白：构成胞质和核质的丝状物，直接参与胞质和核质之间的物质交换。（三）核孔复合体的功能核孔复合体——跨膜运输蛋白复合体物质运输

物质运输方式：被动运输（自由扩散），核孔为亲水通道，离子和水溶性小分子可自由扩散。主动运输：具有严格双向选择性。

(1)分子大小的选择：功能直径：10~20nm，最大26nm

(2)信号识别与载体介导性的选择,须消耗ATP(3)具有运入与运出核的双向性选择。核转运蛋白（核运输受体蛋白）是一类参与核孔运输的蛋白家族，既可与运载物结合，也可被核孔蛋白所识别和结合。核转运蛋白的功能是协调运输物被运进或运出细胞核。

核转运蛋白α，称为输入蛋白，负责将蛋白从细胞质运进细胞核

核转运蛋白β2-Ran，称为输出蛋白，负责将核内运载物转运到细胞质中。被动扩散<60KD主动运输<25-30MD1、核蛋白的运入：亲核蛋白类。亲核蛋白：在细胞质基质中合成、运到核内执行功能的蛋白质，如核质蛋白、DNA聚合酶、RNA聚合酶、组蛋白、核糖体蛋白等。核质素即核质蛋白（nucleoplasmin）,与核小体的装配有关，头尾两部分组成。大，但可入核。利用蛋白酶水解法可把核质蛋白分割为头部和细长的尾部。头部不能进入细胞核，尾部能够进入细胞核，原因在于此蛋白尾部含有核输入信号。金标记的核质素穿越核孔亲核蛋白的进核机制：A、核输入信号的作用：亲核蛋白上由4—8个带正电的氨基酸构成的、能使亲核蛋白进入核的短肽，可位于亲核蛋白的不同部位，称核输入信号（NLS)。无此信号时，亲核蛋白不能进入核。进入核后该信号不被切除。例子：第一个被证实具NLS的亲核蛋白是病毒SV40的T抗原，上有核输入信号，若突变，不能进入核。

B、核输入受体的作用：亲核蛋白经核孔复合体主动被运进核内，除要依赖核输入信号外，还是一个载体介导的过程。目前已发现的这类载体蛋白有4种：（1）Ran蛋白，存在两种形式：GTP-Ran;GDP-Ran.(2)核运输因子2（3）输入蛋白α（4）输入蛋白β两种输入蛋白构成一个核输入受体异二聚体，α亚基与运载物的核输入信号序列结合；β亚基与FG核孔蛋白的FG重复序列结合，其作用是协助亲核蛋白进入核，然后再返回细胞质，参与再循环。此过程需要能量，能量来自于核孔复合体上结合的Mg2+-GTPase对GTP的水解。核质蛋白输入细胞核的过程

（1）胞质中亲核蛋白与输入蛋白的αβ异二聚体结合（2）形成的亲核蛋白-受体复合物与核孔复合体的胞质丝结合（3）通过与FG重复的瞬时结合与分离，蛋白复合体穿过核孔复合体进入核内。（4）核内复合体与Ran-GTP互作，导致复合物解体，释放亲核蛋白。（5）输入蛋白β与Ran-GTP结合一起被运回胞质，结合在胞质丝上的GTP酶加速蛋白刺激Ran水解与其结合的GTP,随后Ran-GDP被转运回核；输入蛋白α在核内输出蛋白的帮助下运回胞质2、RNA和核糖体亚单位的运出具有选择性的受体介导的主动运输。RNA加工成熟后才能出核；mRNA和scRNA（小胞质RNA）依赖于5’端的m7G帽才能出核。成熟的rRNA在核内结合上核糖体蛋白而变成核糖体亚单位，以RNP的形式依赖于受体介导的主动运输过程被运出核。受体或是直接识别核糖体RNA或是识别核糖体结合蛋白。总之：亲核蛋白的入核，RNA和核糖体亚单位的出核均具有高度选择性，是一种信号识别和载体介导的耗能过程。核输入信号结合蛋白第二节染色质一、染色质的概念及化学组成染色质：光学显微镜下可见间期核中有一种嗜碱性很强的的物质，称为染色质，是遗传物质的存在形式。间期核中染色质以两种形式存在，有的是伸展开的呈电子透亮状态，称为常染色质，另一种是卷曲凝缩的，称为异染色质。染色质和染色体是遗传物质在细胞周期不同阶段的存在形式，染色体是在细胞分裂过程中由染色质凝缩而成的棒状结构，二者的化学组成没有多大差异。染色质由核酸和蛋白构成的复合物，其中含有DNA、组蛋白、非组蛋白和少量的RNA。不同的染色质RNA和非组蛋白的含量不同，但DNA和组蛋白的比例固定在1：1左右。（一）染色质DNA真核生物中，单根染色质纤维是一结合有蛋白质的线性DNA双螺旋分子，哺乳动物中DNA含量占13%-20%，其余部分主要为组蛋白、非组蛋白以及与DNA、RNA合成有关的酶。DNA由4种碱基组成，具有以下特点：1、嘌呤碱基的总和等于嘧啶碱基的总和；2、A+C=G+T;3、A=T,G=C.(二)重复DNA序列-基因组中有多个副本拷贝的序列

原核生物DNA分子小，核苷酸序列单一，无重复序列。真核生物DNA分子大，存在大量重复序列，所占比例因物种而异。根据其重复单元的重复次数可分为4类：1、非重复的单一序列仅出现一次

2、轻度重复序列2-10个副本

3、中度重复序列十几---几千如rRNA编码基因和组蛋白基因。真核生物有4种rRNA，28S,18S,5.8S称为主体RNA,位于核仁组织区，三种主体rRNA组成一个转录单元，转录成前体rRNA，经过进一步的处理，切除转录间隔区，生成28S,18S,5.8SrRNA。5SrRNA基因位于染色体长臂的端部。

4、高度重复序列百万次如随体DNA位于着丝粒区，重复序列大小差别很大，十几到几百个核苷酸。

（三）组蛋白与非组蛋白

组蛋白等电点大于10，带正电，碱性强，保守性强，很少有种和组织特异性。可中和DNA分子中的磷酸根的负电荷，起到消除DNA分子中的静电斥力，使DNA可以紧密折叠起来。

6种：H1,H2A,H2B,H3,H4,H5（H5只存在于鱼类、两栖类和鸟类的红细胞中）,结合有组蛋白的DNA不能表达遗传信息，有抑制基因表达的作用。

非组蛋白，从酸性到碱性都有（pH4-9）,有种和组织的特异性，种类繁多。对基因表达具有调控作用，结合有非组蛋白的DNA片段，基因即发生表达。二、染色质的基本结构单位---核小体核小体——染色质的基本结构单位。其结构目前研究已比较清楚。（一）核小体的结构和组分30nm(粗纤维）－10nm（细纤维）－2-4nm（DNA双螺旋）

螯合剂尿素用非特异性核酸酶（微球菌核酸酶）处理染色质，大多数情况下可得到大约200bp的片段。用非特异性核酸酶（微球菌核酸酶）处理裸露的DNA分子会得到随机降解的片段。上述结果表明核酸结合了蛋白而受到保护。以这个实验为基础，R.Kornberg1974年提出了核小体模型（念珠模型）。念珠模型的主要内容：染色质的基本结构是由DNA和蛋白质组成的重复单位，每个亚单位是由200bpDNA链+9个蛋白质分子组成，这种组蛋白DNA亚单位称为核小体。H2A、H2B、H3和H4组蛋白的8个分子构成核心蛋白，H1组蛋白结合在核小体之间，多个亚单位连成一串，形成染色质丝。核小体结构

核心组蛋白八聚体

核小体核心核心DNAH1连接组蛋白

连接区DNA（二）核小体的组装1、核心组蛋白八聚体（H3）2（H4）2——四聚体

+H2A、H2B——八聚体

2、DNA缠绕

147bpDNA绕核心组蛋白1.75圈，H1结合上去；共用166bp绕核心组蛋白2圈H1+166bpDNA+核心组蛋白八聚体=核小体2.0mol/LNacl,核心蛋白可以去掉，降低Nacl的浓度，DNA和组蛋白重新构成核小体。3、连接区DNA染色质小体之间——0-100bp核小体核心颗粒直径为10纳米，排成一串形成10纳米染色质丝。但是染色质不以这种状态存在，在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维。

核小体和螺线管的结构螺旋管的正面观螺旋管的侧面观（三）核小体中各组分的作用：A：（H3）2（H4）2规定了DNA缠在颗粒上的中心圈，只有H3和H4时能形成核小体；只有H2A和H2B时不能形成核小体颗粒。B：组蛋白疏水区不带正电荷，向着核心内部，带正电荷区分布在颗粒表面，可以与DNA紧密结合。C：H1组蛋白的作用：保持染色质粗纤维的高级结构，锁住DNA分子的进出口，保护核心上的166bpDNA不被核酸酶消化，在10纳米染色质丝进一步盘绕时起重要作用。D:染色质中的酶敏感区：

微球菌核酸酶；DNA酶Ⅰ（超敏感位点）。染色质的一些特异性位点，不形成核小体结构，含有几百个bp的特异性序列，为非组蛋白等DNA特异性结合蛋白所识别，在基因表达的调控中发挥重要作用E:离子强度对染色质纤维结构的影响：低离子浓度（1mol/L下），染色质丝为10纳米核小体丝，离子强度增加，H1分子间相互作用增大，10纳米的核小体丝卷曲为30纳米螺旋管状的染色质粗纤维。H1分子对10纳米丝盘绕成30纳米的粗纤维中发挥重要作用，去掉H1分子核小体丝不再卷曲成30纳米的粗纤维。三、染色质的逐级凝缩的结构模型

间期染色质一般压缩比接近1000倍；有丝分裂中期高度凝集的染色体压缩5000-10000倍。由30nm的纤维卷曲成中期染色体要经过进一步的卷曲。染色质的逐级凝缩过程：1、DNA与组蛋白组装成核小体，核小体在H1组蛋白的介导下彼此相连成10nm的纤维（染色质一级结构），DNA长度压缩了7倍。2、在组蛋白H1分子间的相互作用下，核小体卷曲成螺旋管，即30nm纤维（染色质二级结构），染色质的长度压缩6倍。3、30nm粗纤维进一步螺旋化形成直径0.3µm的超粗纤维(染色质三级结构），染色质的长度压缩40倍。4、超螺旋进一步螺旋折叠，长度压缩5倍，形成染色单体（染色质四级结构）。对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体支架，由非组蛋白构成），结合点是富含AT的区域，这种环状的结构散布于细胞核中。用盐溶液去除组蛋白，在电镜下可以看到，无论有丝分裂的染色体、灯刷染色体、间期的唾腺染色体上，都有大量的结合在骨架上的放射环，说明这种环并不是有丝分裂染色体所特有的。染色