细胞生物学-细胞核与染色体省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件

CellNucleusandChromosome第八章细胞核与染色体第1页间期细胞核形态结构经典真核生物细胞核结构由4个主要组成部分：核被膜、染色质、核仁及核骨架。第2页◆外核膜◆内核膜◆核纤层◆核周间隙◆核孔复合体（一）核被膜结构(StructureoftheNuclearEnvelope)第3页◆外核膜◆内核膜◆核纤层◆核周间隙◆核孔复合体（一）核被膜结构(StructureoftheNuclearEnvelope)第4页核纤层

核纤层由核纤肽（lamin）组成，是一类中间纤维。核纤层作用有以下两个方面：1．保持核形态2．参加染色质和核组装第5页（二）核被膜在细胞周期中崩解与装配

◆新核膜来自旧核膜

核膜装配机制及其与核孔复合体、核纤层关系，当前尚无定论◆核被膜解体与重建动态改变受细胞周期调控因子调整，调整作用可能与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白磷酸化与去磷酸化修饰相关。在真核细胞细胞周期中，核被膜有规律地解体与重建。

第6页核孔由最少50种不一样蛋白质组成。

核孔在核膜上密度很大，一个经典哺乳动物细胞核膜上有3000-4000个核孔。转录功效活跃细胞，其核孔复合体数量较多。核孔复合体（nuclearporecomplex，NPC）已知全部真核细胞，间期细胞核普遍存在核孔复合体。

第7页电镜下显示核孔复合体第8页Cytoplasmicface－cytoplasmicparticles两栖类卵细胞分离NPC细胞质面,细胞质颗粒覆盖在NPC胞质环上;第9页Nuclearface－basketinnercomplex当观察NPC核质面时,能够看到与核孔复合物相连篮第10页（1）从横向上看，核孔复合体由周围向核孔中心依次可分为环、辐、栓三种结构亚单位；（2）从纵向上看，核孔复合体由核外（胞质面）向核内（核质面）依次可分为胞质环、辐（＋栓）、核质环三种结构亚单位。

综合起来，核孔复合体主要有以下4种结构组分：①胞质环②核质环③辐④中央栓

核孔复合体结构模型

核孔蛋白”（nucleoporin，Nup）第11页第12页

核孔复合体主要由蛋白质组成，其总相对分子质量约为125×106，推测可能含有100余种不一样多肽，共1000多个蛋白质分子。

gp210：结构性跨膜蛋白

p62：功效性核孔复合体蛋白，含有两个功效结构域（二）核孔复合体成份研究第13页蛋白名称对应NPC结构功效与特征gp210Pom121Nup153

Nup180

Nup155P62

P58P54P45Nup84（大鼠）或Nup88（人）Nup214/CANNup107pNup98pNup155p260/Tpr孔膜区，跨膜蛋白孔膜区，跨膜蛋白“fish-trap”

胞质环及其纤维

核质面与胞质面中央颗粒

胞质环纤维

胞质环纤维能与ConA结合；N端位于膜间腔，C端将NPC锚定在核膜上。能与WGA结合；C端有FXFG重复序列。能与WGA结合；N端有FXFG重复序列；含有锌指结构，能够结合DNA（invitro）。不能与WGA结合；其抗体对核质交换没有抑制作用；介导NPC与胞质骨架联络。不能与WGA结合。能与WGA结合；含有FXFG重复序列；其抗体对核质交换有抑制作用；能与p58，p54，p45形成p62复合体；与酵母Nsp1p同源。含有FG重复序列；与酵母Nup49p同源。含有FG重复序列；与酵母Nup57p同源。含有FG重复序列。

能与WGA结合。酵母Nup84p同源。含有GLFG重复序列；与酵母Nup116p同源。与酵母Nup170同源。不能与WGA结合。已知脊椎动物核孔复合体蛋白成份简表第14页gp210：结构性跨膜蛋白

介导核孔复合体与核被膜连接，将核孔复合体锚定在“孔膜区”，从而为核孔复合体装配提供一个起始位点

在内、外核膜融合形成核孔中起主要作用

在核孔复合体核质交换功效活动中起一定作用第15页p62：功效性核孔复合体蛋白，具有两个功效结构域

疏水性N端区：可能在核孔复合体功效活动中直接参加核质交换

C端区：可能经过与其它核孔复合体蛋白相互作用，从而将p62分子稳定到核孔复合体上，为其N端进行核质交换活动提供支持。第16页核孔复合体功效

从功效上讲，核孔复合体能够看作是一个特殊跨膜运输蛋白复合体，而且是一个双功效、双向性亲水性核质交换通道。双功效表现在它有两种运输方式：被动扩散与主动运输。双向性表现在既介导蛋白质入核转运，又介导RNA、核糖核蛋白颗粒（RNP）出核转运

第17页1.经过核孔复合体被动扩散核孔复合体作为被动扩散亲水通道，其有效直径为9～10nm，有可达12.5nm，离子、小分子以及直径在10nm以下物质标准上能够自由经过。10nm2.经过核孔复合体主动运输

生物大分子核质分配如亲核蛋白核输入，RNA分子及RNP颗粒核输出，在细胞核功效活性控制中起非常主要作用。

被动运输（passivetransport）小于10nm分子自由出入主动运输（activetransport）含有入核信号蛋白入核RNA分子核糖核蛋白颗粒出核第18页主动运输选择性表现在以下三个方面：（1）对运输颗粒大小限制。主动运输功效直径比被动运输大，约10～20nm，甚至可达26nm。核孔复合体有效直径大小是可被调整；（2）经过核孔复合体主动运输是一个信号识别与载体介导过程，需要能量；（3）经过核孔复合体主动运输含有双向性，即核输入与核输出，它既能把复制、转录、染色体构建和核糖体亚单位组装等所需要各种因子运输到核内；同时又能将翻译所需RNA、组装好核糖体亚单位从核内运输到细胞质。第19页核蛋白运输机制

基本概念

亲核蛋白(nuclearprotein)：在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功效一类蛋白质。核定位信号(nuclearlocalizationsignals,NLS)：

NLS是存在于亲核蛋白内一些短氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基，如Lys、Arg，另外还常含有Pro,含有定向,定位作用。

NLS序列可存在于亲核蛋白不一样部位，在指导完成核输入后并

不被切除。

亲核蛋白入核转运还需要一些胞质蛋白因子帮助。当前比较确定因子有importinα、importinβ、Ran(一个GTP结合蛋白)。第20页核定位信号(nuclearlocalizationsignals,NLS)第21页核蛋白输入机理（1）亲核蛋白经过NLS识别importinα，与可溶性NLS受体importinα/improtinβ异二聚体结合，形成转运复合物；（2）在importinβ介导下，转运复合物与核孔复合体胞质纤维结合；（3）转运复合物经过改变构象核孔复合体被转移到核质面；（4）转运复合物在核质面与Ran-GTP结合，并造成复合物解离，亲核蛋白释放；（5）受体亚基与结合Ran返回胞质，在胞质内Ran-GTP水解形成Ran-GDP并与importinβ解离，Ran-GDP返回核内再转换成Ran-GTP状态。第22页NLS只是亲核蛋白入核一个必要条件，某种亲核蛋白是否被转运入核还受到其它原因影响。第23页染色质概念◆染色质（chromatin）指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少许RNA组成线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在形式。◆染色体(chromosome)

指细胞在分裂过程中,由染色质聚缩而成棒状结构。◆染色体与染色质

二者之间区分主要并不在于化学组成上差异，而在于包装程度不一样，反应了它们处于细胞周期中不一样功效阶段。

第24页DNA分子一级结构含有多样性

非重复序列DNA(单一序列或1-5个拷贝)：编码序列

中度重复DNA序列（拷贝数在10个以上序列称为重复序列，重复次数在102-105为中度重复序列）有些是调控序列有些是编码rRNA和

tRNA以及组蛋白基因。但多数是不编码任何产物

高度重复DNA序列（重复次数在105以上）卫星DNA:是高度重复序列中AT含量很高简单高度重复序列。因为AT段浮力密度小,所以在DNA片段进行CsCl密度梯度离心时,常会在DNA主带上有一个次要带相伴随,所以称为卫星DNA。第25页DNA二级结构多样性DNABhelixrighthanded

10.5residues/turn

diameter2nm

DNAZhelixlefthanded

12residues/turn

diameter1.8nmDNAAhelixrighthanded

11residues/turn

diameter28nm第26页(二)染色质蛋白质

染色质DNA结合蛋白负责DNA分子遗传信息组织、复制和阅读。这些DNA结合蛋白包含两类：

一是组蛋白（histone），与DNA非特异性结合；另一类是非组蛋白（nonhistone），与DNA特异性相结合。组蛋白(histone)：是真核生物染色体基本结构蛋白,是一类小分子碱性蛋白质,有5种类型,即H1、H2A、H2B、H3、H4，它们富含带正电荷碱性氨基酸，能够同DNA中带负电荷磷酸基团相互作用。染色质中组蛋白与DNA含量之比为：1∶1。第27页五种组蛋白在功效上分为两组：

◆核小体组蛋白：

包含H2A、H2B、H3和H4,作用是与DNA组装成核小体,相对分子质量较小(102～135个氨基酸残基),它们作用是将DNA分子盘绕成核小体。它们没有种属及组织特异性,在进化上十分保守。

◆H1组蛋白：

不参加核小体组建,在组成核小体时起连接作用,并赋予染色质以极性。H1有一定组织和种属特异性。H1相对分子质量较大,有215个氨基酸残基,在进化上也较不保守。组蛋白功效:第28页DNA聚合酶DNA合成RNA聚合酶RNA合成核酸酶切割DNA和/或RNADNA连接酶在DNA复制和修复时进行DNA连接Poly-A聚合酶在mRNA3＇添加polyA尾DNA甲基化酶DNA甲基化拓扑异构酶将超螺旋DNA转变成松弛型螺旋去稳定酶DNA解旋,形成稳定单链蛋白酶蛋白质切割组蛋白乙酰化与去乙酰化酶组蛋白乙酰化和去乙酰化蛋白激酶组蛋白和非组蛋白磷酸化组蛋白甲基化酶组蛋白甲基化以核酸作为底物酶

作用于染色质蛋白酶

非组蛋白(nonhistone)指染色体上与特异DNA序列相结合蛋白质。第29页特征:

非组蛋白具多样性和异质性。包含各种参加核酸代谢与修饰酶类如DNA和RNA聚合酶、核质蛋白、染色体骨架蛋白、肌动蛋白和基因表示调控蛋白等。

对DNA含有识别特异性,识别信息起源于DNA核苷酸序列本身，识别位点存在于DNA双螺旋大沟部分。识别与结合靠氢键和离子键。

呈酸性、带负电荷。第30页●参加染色体构建:

这方面作用与组蛋白相辅佐。组蛋白把DNA双链分子装配成核小体串珠结构后,非组蛋白则帮助折叠、盘曲,以形成在复制和转录功效上相对独立结构域●开启基因复制:

以复合物形式结合在一段特异DNA序列上,复合物中包含开启蛋白、DNA聚合酶、引物酶等,开启和推进DNA分子复制。●调控基因转录:

普通为基因调控蛋白它们往往以竞争性或协同性结合方式,作用于一段特异DNA序列上,以调整相关基因表示非组蛋白功效第31页

第32页二、染色质基本结构单位—核小体1974年Kornberg等人依据电镜观察和染色质酶切降解，发觉核小体（nucleosome）是染色质包装基本结构单位，并提出染色质结构“串珠“模型。第33页

用温和方法裂解细胞核，将染色质铺展在电镜铜网上，经过电镜观察，未经处理染色质自然结构为30nm纤丝，经盐溶液处理后解聚染色质展现一系列核小体彼此连接串珠状结构，念珠直径为10nm

（1）电镜试验证据第34页（2）核酸酶水解从大鼠肝细胞中分离染色质用非特异性微球菌核酸酶消化染色质时，经过蔗糖梯度离心及琼脂糖凝胶电泳分析，发觉绝大多数DNA被降解成大约200bp片段；假如部分酶解，则得到片段大小是200bp整数倍。第35页GelelectrophoresisafterremovalofchromatinproteinsAnalyzedbyelectronmicroscopyThebasicrepeatunit,containinganaverageof200bpofDNAassociatedwithaproteinparticle,isthenucleosome第36页（3）应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术，研究染色质结晶颗粒

核小体颗粒是直径为11nm、高6.0nm扁园柱体，关键组蛋白组成是先形成（H3）2,（H4）2四聚体，然后再与两个H2A﹒H2B异二聚体结合形成八聚体。3-DofnucleosomeNature389:251,1997第37页

用SV40病毒感染细胞，病毒DNA进入细胞后，与宿主组蛋白结合，形成串珠状微小染色体，电镜观察SV40DNA为环状，周长1500nm，约5.0kb。若200bp相当于一个核小体，则可形成25个核小体，实际观察到23个，与推断基本一致。（4）

SV40微小染色体（minichromosome）分析。第38页1.每个核小体单位包含200bp左右DNA超螺旋、一个组蛋白八聚体和一分子H1。核小体结构关键点:第39页2.由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，组成关键颗粒。(H2A-H2B)-(H3-H4)-(H3-H4)-(H2A-H2B)第40页15-50bp3.DNA分子以左手螺旋缠绕在关键颗粒表面，共1.75圈，约146bp，组蛋白H1在关键颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA进出端，起稳定核小体作用。Coreparticle4.两个相邻核小体之间以连接DNA（linkerDNA）相连

第41页5.组蛋白与DNA之间相互作用主要是结构性，基本不依赖于核苷酸特异序列。

Richinpositivelychargedbasicaminoacids,whichinteractwiththenegtivelychargedphosphategroupsinDNA6.核小体沿DNA定位受不一样原因影响，进而经过核小体相位改变影响基因表示

如非组蛋白与DNA特异性位点结合，可影响邻近核小体相位；第42页球状组蛋白关键H4DNA双螺旋(140-160bp、1.75圈）H3H4H3H2AH2AH2BH2BH4H3H3H4H2AH2AH2BH2B

10nm连接DNA（50-60bp）H1H1核小体关键部连接部DNA分子：140-160bp、1.75圈组蛋白：2（H2A、H2B、H3、H4）组蛋白：H1DNA分子：50—60bp八聚体核小体DNA被压缩7倍染色质结构第43页

染色质包装多级螺旋模型

(multiplecoilingmodel)●染色体骨架-放射环结构模型

(scaffoldradialloopstructuremodel)三、染色质包装结构模型第44页核小体装配是染色体装配第一步,DNA包装成核小体,大约压缩了7倍。（一）染色质包装多级螺旋模型

◆一级结构：核小体每个碱基对长度为0.34nm,200个碱基正确核小体DNA伸展开来长度是70nm一个核小体直经是10nm第45页◆二级结构：螺线管(solenoid)螺旋管是染色质二级结构，6个核小体缠绕一圈形成中空性管.

外30nm;

内10nm,组蛋白H1位于螺旋管内侧。将DNA分子长度压缩6倍，螺旋管即为30nm染色质纤维。组蛋白

内10nm

外30nm第46页第47页螺线管深入螺旋化形成直径为0.4μm圆筒状结构，称为超螺线管，这是染色体包装三级结构。这种超螺线管深入螺旋折叠，形成长2～10μm染色单体，即染色质包装四级结构。第48页依据多级螺旋模型，从DNA到染色体经过四级包装：螺线管超螺线管染色单体DNA核小体第49页该模型认为30nm染色线折叠成环，沿染色体纵轴由中央向四面伸出，组成放射环。染色体骨架-放射环结构模型非组蛋白组成染色体骨架2nmDNA–11nmnucleosome–30nmfiber–Loop–Metaphasechromosome第50页第51页EvidenceforScaffoldRadialLoopModel第52页第53页中期染色体染色质串珠结构DNA双螺旋染色质纤维（螺旋管）一段伸展染色体中期染色体致密区第54页染色质分类

是指间期细胞内染色质丝折叠压缩程度高，处于凝集状态，用碱性染料染色时着色深那些染色质。异染色质又分为结构异染色质