细胞核与染色体

二、细胞核的形态、大小、数目形态：大多呈球形或卵圆形（特列：细长的肌细胞呈杆状，在胚乳中呈网状）

大小：高等动物为5-10μm，高等植物为5-20μm，低等植物为1-4μm。

数目：通常一个，成熟的筛管和哺乳动物红细胞（0）、肝细胞、心肌细胞(1-2）、破骨细胞(6~50）、骨骼肌细胞(数百）、植物毡绒层细胞(2~4)。第一页，共一百零五页。核被膜（nuclearenvelope)核仁（nucleolus)核基质（nuclearmatrix)间期核染色质（chromatin)三、间期核的典型形态结构第二页，共一百零五页。第三页，共一百零五页。第一节核被膜与核孔复合体●核被膜

（nuclearenvelope)●核孔复合体（nuclearporecomplex,NPC）

第四页，共一百零五页。核被膜●结构组成●核被膜的功能●核被膜在细胞周期中的崩解与组装第五页，共一百零五页。一、结构组成

◆外核膜（outernuclearmembrane），附有核糖体颗粒，与糙面内质网相连续

内核膜（innernuclearmembrane），有特有的蛋白成份（如核纤层蛋白B受体） ◆核周间隙（perinuclearspace）

核孔（nuclearpore）第六页，共一百零五页。NuclearEnvelope第七页，共一百零五页。（一）外核膜与粗面内质网相连，其外表面附着核糖体（二）内核膜无核糖体附着，有核纤层蛋白受体，从而固定到核纤层上（三）核周间隙核、质交流的通道第八页，共一百零五页。核孔：内外两层核膜融合形成环状开口，称为核孔。

一般来说，合成功能旺盛的细胞，核孔数目较多（其数量主要是与细胞核的转录水平有关，密度大约10—20个/μm2）（四）核孔第九页，共一百零五页。核孔第十页，共一百零五页。二、核被膜的功能

构成核、质之间的天然选择性屏障

避免生命活动的彼此干扰

保护DNA分子免受损伤

核质之间的物质交换与信息交流

第十一页，共一百零五页。三、核被膜在细胞周期中的崩解与组装

新核膜来自旧核膜

核被膜的去组装是非随机的，具有 区域特异性（domain-specific）。◆核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调控因子的调节，调节作用可能与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。规律性第十二页，共一百零五页。核孔复合体

（nuclearporecomplex,NPC）●结构模型●核孔复合体的功能第十三页，共一百零五页。核孔复合体在核孔上镶嵌由一组蛋白质颗粒和纤维物质以特定方式排列形成的复合结构，称为核孔复合体。(nuclearporecomplex，NPC)第十四页，共一百零五页。结构模型---捕鱼笼模型

胞质环（cytoplasmicring），外环

核质环（nuclearring），内环

辐（spoke）

柱状亚单位（columnsubunit）:连接内、外环，支撑作用

腔内亚单位(luminalsubunit)，伸入核周间隙中

环带亚单位（annularsubunit）

中央栓（centralplug）：transporter第十五页，共一百零五页。胞质环中央栓辐胞质纤维核质环核纤层捕鱼笼式模型第十六页，共一百零五页。②核质环内核膜外核膜核周间隙③辐①胞质环④中央栓核孔复合体模型--捕鱼笼式第十七页，共一百零五页。核孔复合体的功能

核质交换的双向选择性亲水通道

第十八页，共一百零五页。第十九页，共一百零五页。核孔运输特点◆被动扩散◆主动运输●双向性●信号引导第二十页，共一百零五页。入核：DNA聚合酶、RNA聚合酶、组蛋白、核糖体蛋白出核：RNA、组装好的核糖体亚单位1.被动扩散离子、小分子2.主动运输第二十一页，共一百零五页。核质蛋白注射实验实验1实验2，3实验4第二十二页，共一百零五页。实验结论实验1：表明核质蛋白为亲核蛋白，可以进入细胞核内；实验2和实验3：核质蛋白不是自由进入细胞核，而是有选择性的，受到一定信号的控制，只有带有核定位信号（NLS）的蛋白才能进入细胞核内。实验4：核质蛋白是通过核孔摄入细胞核内第二十三页，共一百零五页。亲核蛋白与核定位信号

亲核蛋白（karyophilicprotein）在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质

核定位信号(nuclearlocalizationsignal，NLS)

NLS是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段。

NLS的可以是一段连续的序列（T抗原），也可以分成两段，两段之间间隔约10个氨基酸残基（核质蛋白）。

NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指导完成核输入后并不被切除。(与信号肽的区别）

第二十四页，共一百零五页。通过核孔复合体的主动运输

对运输颗粒大小的限制

主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗能量

主动运输具有双向性，即核输入与核输出

生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的主动运输完成的，具有高度的选择性，并且是双向的。选择性表现在以下三个方面：第二十五页，共一百零五页。亲核蛋白入核转运的步骤

结合：需NLS识别并结合importin；

转移：需GTP水解提供能量第二十六页，共一百零五页。第二十七页，共一百零五页。mRNA和核糖体的核输出核内异质RNA需在核内进行5’加帽和3’加尾以及剪接等加工过程，形成成熟的mRNA出核；

mRNA的出核转运过程是有极性的，其5’端在前，3’端在后。核糖体则相反，前体核糖体出核后，在细胞质内组装形成成熟的核糖体。第二十八页，共一百零五页。第二节

染

色

质

●染色质的概念及化学组成●染色质的基本结构单位—核小体●染色质包装的结构模型●常染色质和异染色质第二十九页，共一百零五页。一、染色质的概念及化学组成●染色质概念

●染色质DNA

染色质蛋白质

第三十页，共一百零五页。染色质概念

染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构

染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同，构象不同。

◆染色质（chromatin）:间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构,是间期细胞遗传物质存在的形式。◆染色体(chromosome):指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质聚缩而成的棒状结构。第三十一页，共一百零五页。染色质DNA

基因组（genome）

DNA分子一级结构具有多样性

DNA二级结构具有多形性(polymorphism)第三十二页，共一百零五页。基因组（genome）

概念一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组。

基因组大小通常随物种的复杂性而增加

基因组中两类遗传信息

编码序列

调控序列

第三十三页，共一百零五页。物种 基因组大小平均基因长（bp）基因数目大肠杆菌4.2×106bp，1.2Kb 约4228酵母1.3×107bp1.4Kb约6000果蝇1.4×108bp11.3Kb约13600人3×109bp16.3Kb约30000第三十四页，共一百零五页。DNA分子一级结构具有多样性蛋白编码序列（非重复序列DNA）串联重复序列（中度重复DNA序列）

高度重复DNA序列

卫星DNA（satelliteDNA），主要分布在染色体着丝粒部位；

小卫星DNA（minisatelliteDNA），又称数量可变的的串联重复序列，常用于DNA指纹技术（DNAfinger-printing）作个体鉴定；

微卫星DNA（microsatelliteDNA）重复单位序列最短，具高度多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标记。第三十五页，共一百零五页。DNA二级结构具有多形性(polymorphism)

三种构型DNA：

B型DNA（右手双螺旋DNA）；活性最高的DNA构象；

A型DNA，B型DNA的重要变构形式，仍有活性；

Z型DNA，Z型DNA是左手螺旋，B型DNA的另一种 变构形式，活性明显降低

DNA构型的生物学意义

第三十六页，共一百零五页。DNA构型的生物学意义

沟（特别是大沟）的特征在遗传信息表达过程中起关键作用

沟的宽窄及深浅影响调控蛋白对DNA信息的识别

三种构型的DNA处于动态转变之中

DNA二级结构的变化与高级结构的变化是相互关联的，这种变化在DNA复制与转录中具有重要的生物学意义。第三十七页，共一百零五页。三种不同构型的DNA第三十八页，共一百零五页。染色质蛋白质 负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读◆组蛋白(histone)：染色质的主要结构蛋白 ◆非组蛋白(nonhistone)：影响染色质结构和功能◆非组蛋白的不同结构模式第三十九页，共一百零五页。组蛋白(histone)

核小体组蛋白(nucleosomalhistone)：H2B、H2A、H3和H4，帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构

H1组蛋白：在构成核小体时H1起连接作用,它赋予染色质以极性。

特点：真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）。第四十页，共一百零五页。非组蛋白

非组蛋白具多样性和异质性

对DNA具有识别特异性，又称序列特异性DNA结合蛋白(sequencespecificDNAbindingproteins)

具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。第四十一页，共一百零五页。非组蛋白的不同结构模式

α螺旋-转角-α螺旋模式(helix-turn-helixmotif)

锌指模式(Zincfingermotif)

亮氨酸拉链模式(Leucinezippermotif，ZIP)

螺旋-环-螺旋结构模式(helix-loop-helixmotif，HLH)

HMG-盒结构模式（HMG-boxmotif）第四十二页，共一百零五页。第四十三页，共一百零五页。二、染色质的基本结构单位—

核小体(nucleosome)第四十四页，共一百零五页。盐溶液处理前后染色质丝的电镜照片A自然结构；30nm的纤丝；B解聚的串珠结构，10nm第四十五页，共一百零五页。非特异性微球菌核酸酶消化染色质，凝胶电泳图谱第四十六页，共一百零五页。核小体结构要点◆每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1◆组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构◆146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈,组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。◆两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化值为0～80bp◆组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列，实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质◆核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达第四十七页，共一百零五页。第四十八页，共一百零五页。核小体模型图解第四十九页，共一百零五页。三、染色质包装的多级螺旋模型

◆一级结构：核小体 ◆二级结构：螺线管(solenoid) ◆三级结构：超螺线管(supersolenoid) ◆四级结构：染色单体（chromatid）

压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍DNA———→核小体———→螺线管———→超螺线管———→染色单体第五十页，共一百零五页。（二）螺线管—二级结构由核小体构成的染色质细丝再螺旋化，形成中空的螺线管，每个螺旋内含6个核小体。第五十一页，共一百零五页。（三）超螺线管--三级结构单位线（电镜观察，圆筒状）以上即染色体的组装过程，均以螺旋方式实现，总称为多级螺旋模型（四）染色单体—四级结构第五十二页，共一百零五页。染色体组装的放射环模型第五十三页，共一百零五页。基因组结构和染色质组装第五十四页，共一百零五页。四、常染色质和异染色质

常染色质(euchromatin)

异染色质(heterochromatin)：

第五十五页，共一百零五页。常染色质(euchromatin)◆概念：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。◆单一序列DNA和中度重复序列DNA(如组蛋白基因和tRNA基因)◆并非所有基因都具有转录活性，常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件第五十六页，共一百零五页。异染色质(heterochromatin)◆概念：指间期细胞核中,折叠压缩程度高,处于聚缩状态的染色质组分。碱性染料染色时着色较深的染色质组分.◆类型

结构异染色质（或组成型异染色质） (constitutiveheterochromatin)

兼性异染色质(facultativeheterochromatin)第五十七页，共一百零五页。结构异染色质或组成型异染色质

除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心

结构异染色质的特征：①凝缩状态，无转录活性、是遗传惰性区。②在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩。第五十八页，共一百零五页。兼性异染色质

在某些细胞类型或一定的发育阶段,原来的常染色质聚缩,并丧失基因转录活性,变为异染色质，如X染色体随机失活

异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径第五十九页，共一百零五页。常、异染色质的区别常染色质

异染色质螺旋化程度低高染色较浅较深间期核中央核边缘分裂期染色体臂着丝粒区和端粒区活性常转录很少转录复制时间S早期S晚期第六十页，共一百零五页。第三节

染色体

●中期染色体的形态结构●染色体DNA的三种功能元件（functionalelements）

●核型与染色体显带●巨大染色体（giantchromosome）第六十一页，共一百零五页。中期染色体的形态结构中期染色体具有比较稳定的结构，它由两条相同的姐妹染色单体（chromatid)构成，彼此以着丝粒（centromere)相连。第六十二页，共一百零五页。染色体的形态特征第六十三页，共一百零五页。类型

中着丝粒染色体(metacentricchromosome)

亚中着丝粒染色体(submetacentricchromosome)

亚端着丝粒染色体(subtelocentricchromosome)

端着丝粒染色体(telocentricchromosome)。第六十四页，共一百零五页。染色体的类型第六十五页，共一百零五页。染色体的主要结构◆着丝粒(主缢痕centromere)与动粒（kinetochore)◆次缢痕(secondaryconstriction)◆核仁组织区(nucleolarorganizingregion,NOR)◆随体(satellite)◆端粒(telomere)第六十六页，共一百零五页。中期染色体模式图第六十七页，共一百零五页。着丝粒与动粒着丝粒（centromere）和着丝点（kinetochore）是两个不同的概念，着丝点又称动粒。着丝粒包含3个结构域：1.动粒结构域（kinetochoredomain）位于着丝粒的表面，包括三层板状结构和围绕外层的纤维冠(fibrouscorona)。第六十八页，共一百零五页。2.中央结构域（CENP-B盒与动粒蛋白）位于着丝粒结构域的下方，含α卫星DNA。3.配对结构域位于着丝粒内层，中期染色单体相互作用的位点。

内部着丝粒蛋白INCENP(innercentromereprotein)

染色单体连接蛋白CLIPS(chromatidlinkingproteins)

第六十九页，共一百零五页。着丝粒Centromere纤维冠动粒结构域中央结构域配对结构域第七十页，共一百零五页。配对结构域中心结构域第七十一页，共一百零五页。SatelliteDNA(FISHimage)第七十二页，共一百零五页。（二）次缢痕染色体上除主缢痕之外的浅染缢缩部位，每种染色体组中至少有一条染色体上有次缢痕。第七十三页，共一百零五页。（三）随体指染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕与染色体部分相连，有随体的染色体称sat染色体随体柄部凹陷缩窄的次级缢痕与核仁的形成有关，称为核仁组织区（NOR)第七十四页，共一百零五页。

位于染色体次缢痕处，但不是所有的次缢痕都是NOR。含有主要rRNA(18S、28S、⒌8SrRNA)基因的染色体区段。（四）核仁组织区（NOR)具有组织形成间期核仁能力的染色质区第七十五页，共一百零五页。

染色体端部特化部位，由端粒DNA和端粒蛋白构成。

功能：1.维持染色体的完整性和独立性

2.保证染色体DNA的完全复制

3.参与染色体在核内定位（五）端粒第七十六页，共一百零五页。端粒（telomere）第七十七页，共一百零五页。端粒是一种特殊DNA聚合酶,具有逆转录酶的性质人的端粒序列为:TTAGGG可重复500~3000次四膜虫端粒序列为:TTGGGG端粒DNA序列的特点:串联重复高度保守性第七十八页，共一百零五页。染色体DNA的三种功能元件

（functionalelements）

自主复制DNA序列(ARS)：维持染色体在细胞世代传递中的连续性

着丝粒DNA序列(CEN)：使染色体平均分配到子细胞中。

端粒DNA序列(TEL)：保持染色体的独立性和稳定性。

◆端粒酶，在生殖细胞和部分干细胞中有端粒酶活性，端粒重复序列的长度与细胞分裂次数和细胞衰老有关。第七十九页，共一百零五页。间期有丝分裂间期第八十页，共一百零五页。端粒酶主要表达在：

生殖细胞

９０％癌细胞

开放端粒酶抑制剂，治疗癌症第八十一页，共一百零五页。核型与染色体显带

核型(karyotype) 是指染色体组在有丝分裂中期的表型, 包括染色体数目、大小、形态特征的总和。

核型模式图(idiogram) 将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来,再按长短、形态等特征排列起来的图象称为核型模式图，它代表一个物种的核型模式。

带型：是染色体中的非组蛋白和DNA碱基对呈现的特定带纹

显带技术染色体经过一定处理，并用特定染定料染色后，其长轴显现出明暗或深浅相间的横行带纹。第八十二页，共一百零五页。染色体制备中三项重要技术１.秋水仙素的应用：便于富集中期细胞分裂相２.低渗处理：使中期染色体分散良好，便于观察３.植物凝集素（ＰＨＡ）的应用：刺激细胞转化和分裂第八十三页，共一百零五页。第八十四页，共一百零五页。显带技术整条显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料G带：Giemsa染色R带：Q、G反带高分辨带C带：着丝粒等区的异染色质T带：端粒N带：NOR区酸性蛋白P350第八十五页，共一百零五页。第八十六页，共一百零五页。巨大染色体

多线染色体（polytenechromosome）

灯刷染色体（lampbrushchromosome）第八十七页，共一百零五页。多线染色体◆存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞、某些植物细胞◆多线染色体的来源：核内有丝分裂(endomitosis)◆多线染色体的带及间带：可能“管家”基因(housekeepinggene)位于间带,“奢侈”基因(luxurygene)位于带上。◆多线染色体与基因活性：胀泡是基因活跃转录的 形态学标志第八十八页，共一百零五页。Polytenechromosomes第八十九页，共一百零五页。第九十页，共一百零五页。灯刷染色体见于鱼类、两栖类、爬行类双线期卵母细胞，双线期是卵黄合成的旺盛期。染色粒轴丝两侧有侧环，状如灯刷，故名。侧环是转录活跃的