第11章细胞核与染色质

第十一章2012细胞核与染色质细胞核（nuleus）概述（P308，227）1781年Trontana发现于鱼类细胞；1831年，Brown发现于植物。细胞核大小：植物5~20μm，动物5～10μm。形状、数目不等。细胞核的组成核被膜染色质核仁核骨架核体本章内容第一节核被膜第二节染色质第三节染色质的复制与表达第四节染色体第五节核仁与核体第六节核基质第一节核被膜nuclearenvelope一、核膜（nuclearenvelop）分布：位于间期细胞核的最外层，是细胞核与细胞质之间的界膜。功能：1、基因表达的时空隔离；2、为遗传信息的保存、复制和转录提供特定的环境；3、染色质和酶分子的支架和固着部位。（一）核膜结构（P309，228）双层核膜核被膜核孔复合体（核纤层）？1、双层核膜两层平行的单位膜构成，厚度7.5nm；两层膜间为相距20～40nm的空间，称为核周间隙或者核周池。①外核膜通常附有核糖体颗粒，且常常与糙面内质网（rER）相连，使核周隙与内质网腔彼此相通。②内核膜表面光滑，无核糖体附着，但内表面附着有致密的核纤层和特有蛋白质成分【如核纤层蛋白B受体（LBR）】（二）核被膜的崩解与装配(P309，228)分裂期：双层核膜崩解为单层膜泡，核孔复合体解体，核纤层去装配；分裂末期：核被膜围绕染色质重新生成。新核膜的成分来自于旧核膜；核被膜的去装配、重建受细胞周期调控因子的调节，该过程可能通过对核纤层蛋白、核孔复合体蛋白磷酸化、去磷酸化修饰来实现。二、核孔复合体（NPC）

nuclearporecomplex

是间期细胞核表面普遍存在的结构；转录越活跃的细胞，NPC越多。一般在3k～4k个。（一）结构模型（P310，229）NPC镶嵌于核孔上，直径略大于核孔；横向结构：从外向内依次分为环－辐－栓三种结构亚单位；纵向结构：从核外向核内依次分为胞质环－辐－核质环三种结构亚单位。a.胞质环（cytoplasmicring）又称外环，环上有8条短纤维伸向胞质；b.核质环（nuclearring）又称内环，环上也有8根较长纤维（50－70nm）的纤维伸入核内，并在末端连接一个直径60nm的小环（8个颗粒组成）——核篮（nuclearbasket）c.辐（spoke）核孔边缘伸向中心，8重对称结构。进一步分为三个结构域：柱状亚单位——位于核孔边缘，连接内外环，支撑作用；腔内亚单位——伸入核间腔；环带亚单位——在柱状亚单位之内，靠近NPC中心。d.栓（plug）又称中央栓、中央颗粒，位于核孔中央。与物质运输有关，又称transporter。(二)组成成分（P312）主要由蛋白质组成，约30余种，1000多个蛋白质分子，统一命名为核孔蛋白（nucleoporin，Nup）；其中以gp210和p62最具代表性。（三）功能（P313，231）——核质交换的双向选择性亲水通道NPC可视为特殊的跨膜运输蛋白复合体双功能：被动扩散和主动运输；双向性：核→质质→核1、通过NPC的被动扩散NPC作为亲水通道（有效直径9～10nm），离子、小分子、直径10nm以下的物质理论上都可自由通过；物质的扩散速度和分子大小成反比；并非所有的小分子都能经过NPC运输，如有的蛋白的运输需要信号序列；有的被限制在细胞核或者细胞质内不能移动。2、NPC的主动运输（P315，231）主动运输的对象：（特点：双向性)质→核：DNA聚合酶、RNA聚合酶、组蛋白、核糖体蛋白等；核→质：RNA、核糖体亚单位等主动运输特征：运输颗粒可以大于NPC直径；运输需要信号识别、载体介导、耗能和表现出饱和动力学特征；NPC怎样进行主动运输？（P315）亲核蛋白（karyophilicprotein）的转运机制亲核蛋白都含有特殊的氨基酸序列——核定位序列（信号）（NLS），保证了蛋白质能通过NPC运输到核内。核定位序列（nuclearlocalizationsequence，NLS）（P256中）：又称核定位信号，是存在于亲核蛋白内的一段（几段）氨基酸序列，富含碱性氨基酸Arg、Lys、Pro等。可位于蛋白的不同部位，序列并不保守；亲核蛋白完成输入后，NLS不被切除；NLS只是亲核蛋白入核的必要条件之一，还存在多种综合调节因素。c、亲核蛋白的主动运输过程（运入核）（P317）：Ⅰ结合（binding）——亲核蛋白首先结合到NPC的胞质面，依赖NLS；Ⅱ亲核蛋白与importinα/importinβ形成转运复合物；Ⅲ转运复合物和NPC的胞质纤维结合；ⅣNPC改变构象，转运复合体从胞质面被转到核质面；Ⅴ转运复合体与Ran-GTP结合，导致复合体解散，亲核蛋白释放；Ⅵ亚基和Ran-GTP返回胞质，Ran-GTP水解成Ran-GDP，并与inprotinβ解离，Ran-GDP返回核内，转换成Ran-GTPd、RNA的主动运输（运出核）（P318）：rRNA（RNA酶Ⅰ转录）以核糖核蛋白颗粒（RNP）的形式运出核；5SrRNA、tRNA（RNA酶Ⅲ转录）的转运由蛋白质介导；hnRNA（RNA酶Ⅱ转录）需要5’加帽、3’加多聚A尾、剪接，形成成熟的mRNA运出核。RNA的核输出都需要蛋白质的参与，这些蛋白质带有特殊的序列——核输出信号。三、核纤层（nuclearlamina）（P304，233）（一）形态结构存在于间期细胞核中，是位于内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络，介于内层核膜和染色质之间，厚度约30－100nm，可支持核膜，并与染色质及核骨架相连。核纤层纤维的直径约10nm，纵横排列成网络，在分裂期，核纤层解体为蛋白单体形式。（二）成分（P304，233）由核纤层蛋白（laminprotein）构成，同属一个蛋白家族。A型核纤层蛋白：laminA、laminCB型核纤层蛋白：laminB具有中间纤维的所有结构特征直径10nm；耐高盐和非离子去垢剂处理；具有相同的抗原决定簇；结构上密切联系B型核纤层蛋白与核膜结合能力最强，修饰结构稳定，在细胞周期中保持与核膜结合；A型核纤层蛋白与染色质结合能力较强，修饰后结构不稳定，在分裂期以可溶性蛋白形式释放于细胞质中；（三）功能（P304，234）1．机构支撑功能；2．调节基因表达；3.调节DNA修复；4.与细胞周期的关系。（四）核纤层在细胞分裂过程中的变化（P305）分裂前期，核膜崩解，核纤层解聚，A型核纤层蛋白以可溶性单体形式弥散于胞质中，B型核纤层蛋白则与核膜小泡保持结合状态；分裂末期，核膜重现，核纤层在染色体周围重新装配；核纤层蛋白的磷酸化和去磷酸化可能是核纤层结构动态变化的调节因素。细胞核装配的模型（P304）：Theend第二节染色质chromatin染色质的概念和化学组成（P318）定义：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。染色质的化学组成染色质DNA√组蛋白√非组蛋白√少量RNA一、染色质DNA

（一）基因组大小比较（二）基因组DNA类型（自学）二、染色质蛋白（P322，237）组蛋白（histone）——与DNA非特异结合；非组蛋白（nonhistone）——与DNA特异结合。（一）组蛋白（histone）1、组成：富含Arg和Lys等碱性氨基酸，带正电荷，可与DNA紧密结合，对核苷酸通常无选择性。2、分类：经过电泳分成5种组分——H1、H2A、H2B、H3和H4；分为两组：核小体组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）H1组蛋白核小体组蛋白：H2A、H2B、H3、H4组装成核小体（nucleosome），进化上十分保守（H3、H4是已知最为保守的蛋白质）?H1组蛋白变异较大，有种属、组织特异性。功能：连接核小体。（二）非组蛋白（nonhistone）（P323，237）又称序列特异性DNA结合蛋白（sequencespecificDNAbindingproteins），是染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质；1、非组蛋白的特性（P323）：①多样性：占染色质蛋白的60～70％，不同组织细胞中种类、数量不同；包括：参与核酸代谢修饰的酶、HMG蛋白、染色体支架蛋白、肌动蛋白、基因调控表达蛋白等。②识别的DNA具有特异性识别特异DNA序列、靠氢键、离子键结合于DNA大沟；③功能多样基因表达的调控和染色质高级结构的形成。2、非组蛋白的结构模式：模式一：α螺旋-转角-α螺旋（helix-turn-helixmotif）最简单最普遍；两个α螺旋组成一个β转角；羧基端的螺旋负责识别DNA序列模式二：锌指模式；模式三：亮氨酸拉链模式；模式四：螺旋-环-螺旋模式；模式五：HMG框结构模式（P264）。SRY三、染色质的基本结构单位——核小体核小体（necleosome）染色质包装的基本结构单位，是由核心颗粒和连结线DNA组成的“串珠”状结构。（一）核小体的发现

（二）核小体的结构：P327（1）每个核小体单位包括：200bp左右的DNA；1个组蛋白八聚体；1个组蛋白H1（2）组蛋白八聚体构成核心盘状颗粒：2H2A、2H2B、2H3、2H4构成核小体的核心，通过离子键和氢键和DNA结合。（3）146bp的DNA绕核心1.75圈；H1组蛋白锁住DNA进出端20bp。（4）相邻核小体之间以60bp左右的连接DNA（linkerDNA）相连；随物种不同而变：0～80bp（5）核小体具有自装配性质（self-assemble）组蛋白同DNA之间的结合与DNA序列无关。（6）（P328）核小体在DNA上的定位受到不同因素的影响，如非组蛋白的结合；碱基组成。补充：组蛋白密码组蛋白密码（histoncode）组蛋白尾的翻译后修饰包括lys乙酰化、lysArg甲基化，Ser磷酸化，单多泛素化及ADP核糖基化等。这些组蛋白尾巴的不同修饰相互作用，构成了对其DNA活性进行调节的“组蛋白密码”，从而大大地扩展了遗传密码的潜在信息。组蛋白尾巴的转录后修饰很大程度上决定了染色质的高级组装，同时影响到真核生物遗传信息的组织结构。增加的H3、H4的乙酰化总是和转录激活偶联，而去乙酰化往往导致转录抑制。异染色质和组蛋白修饰组蛋白H3和H4的低乙酰化，是异染色质的特征。如H3Lys9甲基化（受到乙酰化的抑制）促进异染色质的形成，它是异染色质装配的保守性标致，是异染色质蛋白（如HP1、SWi6）的特异结合位点；H3Lys4甲基化抑制异染色质的形成。Whilethepurposeofthesemodificationsremnsunclearinmanycase，correlativeevidencesuggestslinkageofcertnmodificationstospecificchromatincompartments(i.e.euchromatinversusheterochromatin)ortospecificeventssuchastranscriptionorDNArepr.四、染色质组装DNA：总长约2米细胞核直径：5～8微米（一）多级螺旋模型1、DNA在组蛋白的介导下，形成核小体串珠结构——一级结构；2、核小体以6个/圈进行螺旋盘绕，形成螺线管（solenoid）——二级结构；3、螺线管进一步螺旋化，形成超螺线管（supersolenoid）——三级结构。4、超螺线管进一步螺旋折叠，形成染色单体（chromatid）——四级结构。DNA↓核小体（一级结构）压缩7倍↓螺线管（二级结构）压缩6倍↓超螺线管（三级结构）压缩40倍↓染色单体（四级结构）压缩5倍总压缩：7×6×40×5＝8400（倍）（二）放射环结构模型（P331）一级、二级结构同多级螺旋模型；螺线管形成DNA复制环，每18个环呈放射状平面排列，形成微带（miniband）；106个微带构建成染色单体。细胞核是高度有序的细胞器一条染色体浓缩于特定的区域，不与其他染色体重叠。mRNA剪接位点集中在20－50个区域。补充：染色体领域（chromosometerritory，CTs）染色质在间期核中并不是散乱分布的，而是各自占据一块特定的区域——染色体领域。这些区域的排列与定位是有严格组织的，并具有一定的动力学特征，与基因的表达调控密切相关。越来越多的证据表明，核建构（nucleararchitecture）和基因组的空间组织对单个基因的调节和基因表达程序起重要作用，因此染色质和染色体高度有序的组织在基因表达中是非常重要的调节因素。CT－IC模型主要观点：染色质主要以不同层次的染色质纤维分布于核中，以区域状分布，且相互不重叠——领域；领域之间为间隔区；领域与间隔区并没有严格的界限；带有活性基因的大染色质环有可能伸进间隔区内，可能与基因的表达调控有关。在间隔区内包含了转录、拼接、复制、修复等相关的因子。一般认为活性基因定位于领域的表面及靠近核孔的部位，而无活性的基因定位于领域的内部，这对于基因的表达调控有重要的意义。五、染色质类型（P332，241）（一）常染色质和异染色质（euchromatin&heterochromatin）1、常染色质：特点：间期核中处于伸展状态，对碱性染料着色浅，包装比1/2000～1/1000；组成：单一序列、中度重复序列DNA（组蛋白基因、tRNA基因）；是基因转录的必要条件。2、异染色质（heterochromatin）特点：间期核中，处于聚缩状态，对碱性染料着色深；分类：结构异染色质（组成型异染色质）兼性异染色质①结构/组成型异染色质（constitutiveheterochromatin）除复制期外，在整个细胞周期中均处于聚缩状态。特点：①多定位于中期染色体上着丝粒区、端粒、次缢痕、染色体臂某些节段；②DNA序列相对简单，高度重复；③遗传惰性，不转录、不编码蛋白质；④复制过程中晚复制、早聚缩；⑤参与染色质高级结构形成、染色质区间性、转座等。②兼性异染色质（facultativeheterochromatin）在某些细胞类型或一定发育阶段，原来的常染色质聚缩，丧失基因转录活性，变为异染色质。特点：总量随不同细胞类型而变化，胚胎细胞含量少，高度特化的细胞含量多。是关闭基因的途径之一。举例：雌性哺乳动物中X染色体失活——巴氏小体。（二）常/异染色质间的转变（自学）（三）活性染色质和非活性染色质（自学）第三节染色质的复制与表达（自学）第十一章第四节染色体chromosome一、染色体的形态结构

（P344，253）

染色体的电子显微镜照片染色体的主要结构1、着丝粒和主缢痕√2、次缢痕3、核仁组织区4、随体5、端粒√（1）动粒结构域位于着丝粒的外表面；包括：内板（innerplate）中间间隙（middlespace）外板（outerplate）(纤维冠)（fibrouscorona）（2）中央结构域（centraldomn）P345着丝粒的主体，由串连重复的卫星DNA组成。往往具有物种专一性；DNA能与动粒蛋白结合（3）配对结构域位于着丝粒内表面，是姐妹染色单体相互作用的位点;成分：INCENP和CLIPS;与染色体配对有关.（二）次缢痕（三）核仁组织区（四）随体（五）端粒（telomere）（P346）染色体末端特化结构，3’DNA为富含G串连重复序列——TELDNA。一个基因组内的所有端粒序列相同，但是物种之间的序列不同。脊椎动物保守序列：TTAGGG重复：500－3000次长：2k－20k作用：维持染色体的完整和独立，参与同源染色体配对。起细胞分裂计时器的作用，控制细胞的衰老。二、染色体的功能元件DNA复制位点着丝粒DNA序列端粒DNA序列1、自主复制DNA序列（ARS）（P347）真核细胞的染色体上含有多个复制起点，确保全染色体的快速复制。2、着丝粒DNA序列（CEN）（P347）确保复制的染色体在有丝分裂时平均分配到子细胞中去。3、端粒DNA序列（TEL）（P348）①端粒酶（telomerase）：一种核糖核蛋白复合物，具有逆转录酶活性。只在生殖系细胞和部分干细胞发挥功能；以物种专一的内在的RNA作模板，把合成的端粒重复DNA序列加到染色体3’端。②端粒和细胞分裂计时体细胞每分裂一次，端粒重复序列就缩短一些，端粒重复序列的长度与细胞分裂的次数和细胞的衰老有关；肿瘤细胞具有表达端粒酶活性的能力，使癌细胞可以无限制增殖。三、染色体显带p349，256四、特殊染色体（P351，257）（一）多线染色体（polytenechromosome）发现：Balbiani(1881)发现于摇蚊幼虫唾腺细胞；分布：双翅目昆虫的幼虫组织细胞（唾液腺、气管、肠、马氏管）以及植物的部分胚珠细胞中。产生：核内有丝分裂，DNA多次复制，而细胞不分裂。特点：①形态：多线性，体积巨大；②时相：细胞处于永久间期；③”体细胞联会”；④横带纹——数目、大小、形态、位置固定⑤胀泡和环——在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成胀泡（puff），或巴氏环（Balbianiring）——胀泡是基因活跃转录的区域。（二）灯刷染色体（lampbrushchromosome）（P354）发现：最早发现于鱼类、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期。普遍存在于动物卵母细胞中。由于染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。图10-32灯刷染色体灯刷染色体的特点：①时相：卵母细胞第一次减数分裂，染色体停留于双线期，维持数月（年）；②形态：具有轴和侧环结构；③侧环是RNA活跃转录的区域；④转录产物为前体mRNA（hnRNA）。第十一章第五节

核仁与核体2012Nucleolus&Nuclearbody核仁（nucleolus）概述分布：间期的细胞核内；形状、数量：呈圆球形，1个或多个；蛋白质合成旺盛、活跃生长的细胞有较大、较多的核仁，反之核仁很小或无。周期性：核仁在有丝分裂前期消失，末期重建。功能：合成、加工rRNA、装配核糖体亚单位的场所。一、核仁的结构1、纤维中心(FC)√2、致密纤维组分(DFC)√3、颗粒组分(GC)√4、核仁基质（核仁骨架）。1、纤维中心(fibrillarcenters，FC)是被致密纤维组分包围的一个或几个低电子密度的圆形结构，呈浅染区；主要成分为RNA聚合酶Ⅰ、rDNA、转录因子。代表染色体NORs在间期核的副本。2、致密纤维组分(densefibrillarcomponent，DFC)呈环形或半月形包围FC，电子密度高，由致密的纤维构成。是新合成的rRNA和一些特异结合性蛋白。3、颗粒组分(granularcomponent，GC)是核仁的主要结构区域，由直径15～20nm的颗粒构成；是不同加工阶段的核糖核蛋白颗粒（RNP），是核仁大小差异的主要体现者。二、核仁的功能主要功能：核糖体的生物发生。该过程包括：rRNA的转录rRNA的加工核糖体亚单位的装配（一）rRNA基因转录的特征染色体的NORs区域中的rDNA是rRNA的信息来源；100～500个rRNA基因拷贝在少数染色体的NORs区串联重复排列；转录时，新生的rRNA链依次增长，形成“圣诞树”样结构；转录产物的5’端形成RNP颗粒。（二）rRNA前体的加工5.8S、18S、28SrRNA基因一起转录，生成45S（哺乳类）、38S（果蝇）或37S（酵母）的转录产物，经过加工，得到41S、32S、20S中间产物；5SrRNA基因不分布于NORs区，但也串联重复排列于染色体上，在核仁外转录，转录产物也需要经过加工，可得到5SrRNA片段。（三）核糖体亚单位的装配45S产物与蛋白质结合，形成80S的RNP复合体，随后被加工，逐渐失去一些RNA和蛋白质，形成两种大小不同的核糖体亚单位前体（含18S、含5.8、28S），运出细胞核；核糖体的成熟作用发生于亚单位被运送至细胞质后。三、核仁的动态周期变化