第10章细胞核与染色体

1Chapter10

细胞核与染色体（NucleusandChromosome）细胞核是原核、真核细胞区别的最重要标志。细胞核是遗传物质的储存、复制、转录的场所，是生命活动的控制中心。细胞核是细胞内最大的细胞器。

大小：常用核质比NP=Vn/(Vc－Vn)表示，快分裂的细胞NP>0.5，胚胎细胞、肿瘤细胞核质比大，衰老、角质化细胞核质比小。形态：圆形、椭圆形、分叶型、肾形、杆状数目：单核、双核、多核（肝细胞和心肌细胞可有双核，破骨细胞可有6~50个细胞核，骨骼肌细胞可有数百个核）。

细胞核的形态随细胞增殖过程呈现周期性的变化，分裂期无明显的形态，只有处在间期的细胞才有完整的细胞核结构。

间期细胞核结构：核被膜、核仁、染色质、核基质、核液核被膜—双层膜，具有保护核内物质，控制核与细胞质之间物质运输和信息交换的功能。染色质—核内遗传物质的存在形式，分裂中期可凝缩为染色体。核仁—核内浓密小体，核糖体合成场所。核基质—无定形的液体和复杂的网络结构，即

核骨架。

蓝：染色质；白：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9第一节核被膜（nuclearenvelope）

(308页）外核膜（outernuclearmembrane）内核膜（innernuclearmembrane）核周间隙（perinuclearspace）核孔（nuclearpore)核纤层（nuclearlamina）1组成10核孔复合物

核纤层

核周间隙

外核膜

内核膜

核仁

染色质

11核被膜的TEM照片细胞核

核纤层

核孔复合物

核膜

染色质

12外核膜(outernuclearmembrane)外核膜胞质面附有核糖体，并与内质网相连，核周腔与内质网腔相通，可以说是内质网膜的一个特化区。外核膜常常与细胞骨架成份相连。核是被内质网和中间纤维相对固定的。13内核膜(innernuclearmembrane)内核膜面向核基质，与外核膜平行排列，内表面没有核糖体。14核周间隙（perinuclearspace)又称核周腔，宽15~30nm，腔内电子密度低，充满不定型物质，与ER腔相通。15核纤层(lamina)16核纤层在脊椎动物中，核纤层由3种多肽混合而成。分别称为核纤层蛋白A、B、C。17核纤层蛋白（核纤肽）：分子量约60~70kDa，是一类中间纤维，直径约10nm。在一些细胞中核纤层在内核膜的内侧是连续的层，而在有些细胞中核纤层蛋白形成一段一段的网络结构。组成网络的核纤层蛋白A和C交联在一起，然后通过核纤层蛋白B与核内膜上的受体结合，使核纤层附着在核被膜上。18核膜、核仁消失20核纤层的周期性变化（309页）

a在间期核中，核纤层提供了染色质（异染色质）在核周边锚定的位点。

b在前期结束时，核纤层被磷酸化，核纤层解裂为核纤层蛋白单体，核膜解体。

c在分裂末期，核纤层蛋白去磷酸化重新组装,介导了核膜的重建。21核被膜崩解与装配在真核细胞的细胞周期中，核被膜有规律地解体与重建。

解体：前期结束时，双层核膜崩解成单层膜泡，核孔复合物解体，核纤层去装配。

重建：分裂末期，核被膜开始围绕染色体重新形成。某些部位内外膜融合，形成核孔复合体。解体与重建的动态变化可能与核纤层蛋白的磷酸化与去磷酸化有关。222核被膜功能1）基因表达的时空隔离

真核生物的结构复杂,而且大多数基因都有内含子,转录后需要经过复杂的加工,所以核膜的出现,为基因的表达提供了时空隔离的屏障,便于DNA在核内活动的多样性,DNA转录形成RNA的多样性,从而导致细胞的多样性。

232）核膜作为保护性屏障,使核处于一微环境中

核膜的出现，为细胞遗传信息的保存、复制、传递及发挥其对细胞代谢和发育的指导作用创造了特定的微环境，提高了上述各项活动的效率；避免直接受细胞内其它各种生命活动的干扰，并防止细胞中这个调度中枢的功能轻易地随环境条件的变化而变化，以保持其相对的稳定性，这些都是核膜出现的进化意义。24区室化作用原核细胞真核细胞253）染色体的定位和酶分子的支架

核内的一些酶是以膜蛋白的形式存在的,这就有利于核内生化反应的区域化,从而发挥高度的催化活性。所以核膜是染色体和酶分子的支架和固着部位。

4）控制核-质间物质和信息的交流

通过核被膜上的核孔复合体进行核质之间的物质交换与信息交流。26核纤层(lamina)第二节染色质染色质：光学显微镜下可见间期核中一种嗜碱性很强的物质，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：常染色质：伸展开的呈电子透亮状态异染色质：卷曲凝缩。（Giemsa染，常浅异深）染色体：和染色质是遗传物质在细胞周期不同阶段的存在形式，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。

一、染色质的化学组成染色质的化学组成及质量比核酸蛋白质DNARNA组蛋白非组蛋白10.05~0.110.5~1.5二、常染色质和异染色质：间期核中染色质可分为：常染色质——是进行活跃转录的部位，呈疏松的环状，电镜下表现为浅染，易被核酸酶在一些敏感的位点降解。（伸展开的染色质）异染色质——在间期核中处于凝缩状态，无转录活性，也叫非活动染色质(inactivechromatin)；是遗传惰性区；在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩，即异固缩现象(heteropycnosis)。存在部位：着丝粒、端粒和核仁组织区附近。（凝缩状态的染色质）异染色质的特异性：（1）间期凝缩；（2）遗传惰性区；(3)复制晚。异染色质分类：(A)恒定型异染色质：在所有细胞内都呈异固缩的染色质，多定位于着丝粒区，端粒，次缢痕及染色体臂的某些节段，在间期聚集成多个染色中心，由相对简单的高度重复序列构成。

荧光原位杂交显示的着丝粒DNA（黄）(B)兼性异染色质（仅在某些细胞的特定发育阶段出现）：是指不同细胞类型或不同发育时期出现的异染色质区。由常染色质形成。巴氏小体（barrbody）。雌性哺乳动物细胞中如有两个X染色体，其中一条异固缩化的X染色体。barrbody34人的女性胚胎发育到16天以后，每个细胞中两条X染色体中随机的一条转变为巴氏小体，呈块状紧靠核膜，染色反应表现为深染。因此通过检查羊水中胚胎细胞的巴氏小体可预测胎儿的性别。小鼠的胚胎发育到第3-6天之间，一条X染色体开始转变为巴氏小体。父方母方父方母方随机选择集缩在早期雌性胚胎中的细胞此克隆只有母方的X染色体具有活性此克隆只有父方的X染色体具有活性36在大多数的组织和器官中大约一半的细胞是X（母）发生异固缩，另一半的细胞将是X（父）染色体发生异固缩，形成嵌合体。受精卵37三、中期染色体结构3839中部亚中部近端端部次缢痕(secondaryconstriction)421着丝粒（centromere)着丝粒是染色体中连接两个染色单体,并将染色单体分为两臂:短臂(p)和长臂(q)的部位。中期染色体上一个染色较浅而缢缩的部位，所以亦称主缢痕（primaryconstriction）。两个功能：结合姐妹染色单体动粒装配的结合点43着丝粒的结构着丝粒（centromere）和着丝点（kinetochore）是两个不同的概念。着丝粒，染色体主缢痕中比较宽阔的区域，是由富含重复序列的DNA的异染色质所组成。着丝点指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构，它与纺锤体微管相接触。又称动粒。主要成分是蛋白质。44b45着丝粒（结构域）着丝点结构域（kinetochoredomain）又称动粒区成分：蛋白（主）含少量DNA/RNA中心结构域（centraldomain）又称着丝粒中部区成分：含有高度重复的α卫星DNA构成的异染色质。

配对结构域（paringdomain）位于着丝粒结构的内层，成分：异染色质

。46着丝粒的3个结构域配对结构域中心结构域着丝点结构域动粒区47动粒结构域动粒微管动粒染色质纤丝内板外板中间区48外板（outerplate，OP）：电子密度高，与动粒微管结合。中间区（interzone）：电子密度低.。内板（innerplate,IP）：电子密度高，与中心结构域的着丝粒异染色质结合。外板上有动粒微管。492次缢痕（secondaryconstriction）次缢痕：是染色体上的一个缢缩部位,由于此处DNA松解，形成核仁组织区，故此变细。它的数量、位置和大小是某些染色体的重要形态特征。每种生物染色体组中至少有一条或一对染色体上有次缢痕。

３、染色质凝缩的结构模型（1）染色质通过凝缩形成染色体，四级结构：DNA双螺旋10纳米核小体丝（一级结构）30纳米粗纤维（二级结构）大于1000倍（三级结构）超粗中期染色体,大于10000倍（四级结构）压缩7倍压缩6倍

压缩7倍

压缩6倍

压缩40倍

DNA———→核小体———→螺线管———压缩5倍→超螺线管———→染色单体非组蛋白的染色体支架和袢环（2）中期染色体骨架：中期染色体将组蛋白去掉后，染色体周围布满了松展开的裸露的DNA丝，由非组蛋白构成的支架仍可保持着染色体的基本轮廓，特称为染色体骨架，为核骨架成员之一。染色质结合在核骨架/染色体骨架上

55一个典型的有丝分裂中期的染色体近末端区域的扫描电镜照片去掉组蛋白染色单体的透射电镜照片604、核仁组织区（nucleolarorganizingregions,NORs）形成核仁。是核糖体rRNA基因（rDNA)所在的区域，能够合成核糖体的28S、18S和5.8SrRNA。核仁组织区位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。次缢痕部分DNA松解形成

NORs。61625

随体（satellite)指位于染色体末端的圆形或圆柱形染色体片段，通过次缢痕区与染色体主体部分相连。位于染色体末端的随体称为端随体。位于两个次缢痕中间的称中间随体。是识别染色体的主要特征之一。636端粒（telomere）荧光原位杂交显示的端粒（上）和端粒序列（下）四膜虫拟南芥64是染色体两个端部的特化结构，由富含G的短的串联重复序列DNA组成，伸展到染色体的3，端。生物学作用：

a.维持染色体的稳定性如果用X射线将染色体打断，不具端粒的染色体末端有粘性，会与其它片段相连或两端相连而成环状。形成双着丝粒染色体或环状染色体。

b.与染色体在核内的空间排布及减数分裂时，同源染色体配对有关。当同源染色体配对时，端粒可粘到核被膜内的核纤层上。65第三节核仁

（nucleolus）（355页）核仁见于间期的细胞核内，呈圆球形一般1-2个，也有多达3-5个的。核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近内核膜核仁的数量和大小因细胞种类和功能而异。一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很小或缺失。66在细胞周期中，核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。核仁的主要功能是转录rRNA和组装核糖体单位。67一、

核仁的超微结构核仁周围没有界膜包围有3个特征性的区域：纤维中心(fibrillarcenters，FC)：呈浅染区,位于核仁的中央部位，直径2-3nm，能被RNA酶消化，由DNA和RNA组成。68致密纤维组分(densefibrillarcomponent，DFC)：呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，直径为5-10nm，含有正在转录的RNA分子。近年研究认为转录主要发生在FC与DFC的交界处。69颗粒组分(granularcomponent，GC)：由直径15-20nm的颗粒构成，致密纤维部分的外侧直到核仁边缘。主要成分为RNA和蛋白质，可能是不同加工阶段的RNP。70FCDFCGC71核仁结构

72人类13、14、15、21、22号染色体短臂次缢痕部位，含有rRNA基因。73人成纤维细胞核仁的融合74二、核仁周期（nucleolarcycle）核仁是一种动态结构，随细胞周期的变化而变化，即形成-消失-形成,这种变化称为核仁周期。有丝分裂时，随着染色质凝集，核仁变形、变小，而消失；致使中期和后期细胞中没有核仁；进入末期，核仁分散成前核仁体，然后融合、发育成核仁。75三、核仁的功能核糖体含40%的蛋白质、60%的RNA

。蛋白按照一定的顺序与RNA结合，组成两个核糖体亚单体。

70S核糖体存在于细菌，线粒体和叶绿体中。80S核糖体存在于真核生物的细胞质中。

核糖体：

76所有的核糖体都是由大小两个亚基构成。核糖体的大小亚单位只有在以mRNA为模板合成蛋白质时才结合在一起，肽链合成终止后，大小亚单位又解离，游离于细胞质基质中。核糖体并不是单独工作的，而是由多个甚至几十个串连在一条mRNA分子上，称多聚核糖体（polyribosome），这样越长的mRNA可以结合更多的核糖体，提高了蛋白质合成的速度。77核仁的功能核仁的主要功能涉及核糖体的生物发生(ribosomebiogenesis)，包括rRNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配，从核仁纤维组分开始，再向颗粒组分延续。核仁的另一个功能涉及mRNA的输出。18SrRNA28SrRNA5.8SrRNA5SrRNA核糖体小亚基大亚基rDNA定位于NORsrDNA不定位于NORs781rRNA基因转录(357页）rRNA基因在染色质轴丝上呈串联重复排列，沿转录方向，新生的rRNA链逐渐增长，从左右两侧均可伸出，形成“圣诞树”样结构。79805.8、18、28SrDNA组成一个转录单位，100～5000个基因拷贝串联成重复序列，由专一性的RNA聚合酶Ⅰ进行转录。约2000个(人)5SrDNA(120bp)拷贝串联成重复序列，不定位在NORs，由RNA聚合酶Ⅲ进行转录。81RNA聚合酶I转录的rRNA分子RNA聚合酶III转录的5SrRNA与tRNARNA聚合酶II转录的hnRNA---mRNA822rRNA加工rDNA没有组蛋白核心，是裸露的DNA节段。两个相邻基因之间为一段非转录的间隔DNA。838445SrRNA甲基化以后经RNA酶裂解为2个分子，20SrRNA和32SrRNA前体。20SrRNA再裂解为18SrRNA;32SrRNA再裂解为28SrRNA和5.8SrRNA。成熟的rRNA仅为45SrRNA的一半，丢失的大部分是非甲基化和GC含量较高的区域。85纤维部的纤维状物质是新合成的45SrRNA，它与蛋白质形成RNP复合体。由RNA聚合酶Ⅰ转录生成的45SrRNA前体(哺乳类)很快与蛋白质结合，包装成80S的RNP复合体，再切割成小的5.8、18、28SrRNA-蛋白复合体865SrRNA的基因并不定位在核仁上，通常定位在常染色体。由RNA聚合酶Ⅲ转录生成的5SrRNA适当加工即参与装配核糖体大亚单位。873核糖体亚单位的装配88核糖体亚单位的装配18SrRNA及相关蛋白装配成小亚单位，速度较快(30min)。28S、5.8S、5SrRNA及相关蛋白装配成大亚单位,速度稍慢(1h)。加工下来的蛋白质和小的RNA存留在核仁中，可能起着催化核糖体构建的作用。核糖体转移到细胞质以后才成熟，从而阻止有功能的核糖体与核内加工不完全的hnRNA分子接近。89第四节核基质（nuclearmatrix）

核基质(nuclearmatrix)，是指在细胞核内，除核被膜、核纤层、染色质与核仁以外的网架结构体系。9091核酸酶消化DNA、高盐缓冲液