授课第十章 细胞核与染色体

1、第十章 细胞核与染色体, 核被膜与核孔复合体 染色质 染色质结构和基因活化 染色体 核仁 核基质,细胞核是真核细胞内最大、最明显也是最重要的细胞器，是细胞遗传与代谢的调控中心。 细胞遗传信息（DNA分子）的主要贮存库，在一定程度上控制着细胞的代谢、生长、分化和繁殖等生命活动。,结构： 核被膜、 核仁、 核基质、 染色质、 核纤层。 功能：遗传、发育。,细胞核的结构，n为核仁， N为常染色质,第一节 核被膜与核孔复合体,一、核被膜（nuclear envelope）,核被膜的结构组成,（一）结构组成 外核膜（outer nuclear membrane），胞质面附有核糖体， 是特殊的内质网（ER

2、） 内核膜（inner nuclear membrane），有特有的蛋白成分（核纤层蛋白B受体，lamina B receptor ，LBR） 核纤层（nuclear lamina），内核膜核质面的一层纤维蛋白 构成的网络状结构，支持核膜，并与染色质、核骨架相连。 核周间隙（perinuclear space），宽2040nm，与内质网相通 核孔（nuclear pore），内外膜融合的部位,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，使生命活动更加井然有序 保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤 核质之间的物质交换与信息交流 离子、水分子自由通过核膜（对某

3、些离子有屏障作用）。 单糖、双糖、氨基酸、核苷酸等小分子物质自由通过核膜。 生物大分子物质及小颗粒物质由核孔进行物质交换。 染色质定位染色质的终末细丝（23nm的染色质丝）通过端粒 （telomere）锚着定位在内层核膜上。 具有某些生物合成功能。 外层核膜上的核糖体所进行的蛋白质合成。 核周隙中存在的多种结构蛋白和酶。,（二）核被膜的崩解与组装,核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性。 从分裂期的HeLa细胞中分离出两种参与核膜构建的两种膜泡成分：一种富含半胱氨酸的重复序列(ligand-binding re-peats,LBR），LBR在内核膜上；一种富含gp210，gp210在孔膜区域

4、.在有丝分裂后期核被膜重新装配时，富含LBR的膜泡首先与染色质结合，而富含gp210的膜泡与染色质结合较晚。 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。,二、核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）。,（一）结构模型,核孔复合体主要有四种结构组分： 胞质环（cytoplasmic ring），外环，环上有 8条纤维伸向胞质。 核质环（nuclear ring），内环，上面伸出 8条纤维，纤维端部与端环相连，构成“捕鱼笼”（fish-trap）的结构。 辐（spoke）:核孔边缘伸向核孔中央

5、的突出物,呈辐射状八重对称. 柱状亚单位（column subunit） 腔内亚单位（luminal subunit） 环带亚单位（annular subunit） 中央栓（central plug，transporter）：核孔中央的一个栓状的中央颗粒。,（二）核孔复合体的成分,核孔复合体主要由蛋白质构成，推测有100余种不同的多肽，共1 000多个蛋白质分子。 迄今已鉴定的脊椎动物的核孔复合体蛋白成分也已达到十多种，其中gp210和p62是最具有代表性的两个成分，它们分别代表着核孔复合体蛋白的两种类型。它们在不同的物种中有很强的同源性；核孔复合体的整个结构在进化上是高度保守的。所有的核孔复

6、合体蛋白统一命名为“核孔蛋白”（nucleoporin，Nup）。 gp210：结构性跨膜蛋白 p62：功能性蛋白，具有两个功能结构域,gp210：结构性跨膜蛋白,功能： 介导核孔复合体与核被膜的连接，将核孔复合体 锚定在“孔膜区”，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重要作用 在核孔复合体的核质交换功能活动中起作用,p62：功能性的核孔复合体蛋白,疏水性N端区：在核孔复合体功能活动中直接 参与核质交换 C端区：可能通过与其它核孔复合体蛋白相互 作用，将p62分子稳定到核孔复合体上，为N 端进行核质交换活动提供支持。,（三）核孔复合体的功能：核质交换的双向选择性亲水

7、通道,核孔复合体是双功能（被动扩散和主动运输）、双向性（入核和出核）的亲水性核质交换通道。,对静止期核孔的有效大小是通过将标记的非核组成成分注射到细胞质中，计算它们向核内扩散的速率来研究的。将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）包被的胶体金颗粒，通过显微注射引入变形虫细胞质中内，然后在电镜下检查金颗粒的分布，结果发现它们是经过核孔复合体的中心进入细胞核的，估计中央通道的直径为12.5nm。通过核孔复合体的扩散速度与分子大小成反比，根据一些定量分析资料推断，核孔复合体是一个圆形亲水通道，其功能直径为9nm，长约15nm的通道。,1. 被动扩散 核孔复合体作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为9-10nm，即离

8、子、小分子以及直径在10nm以下的物质原则上可以被动运输的方式自由出入核孔复合体，有的则由于含有信号序列或者和其它的分子结合成大分子而不能自由出入核孔复合体。,金标记的核质素穿越核孔,2.主动运输（active transport）,通过核孔复合体的主动运输主要是指亲核蛋白的入核，RNA分子及核糖核蛋白颗粒（SNP）出核运输。 选择性： 对运输颗粒大小的限制。主动运输的功能直径约10-20nm，甚至可达26nm； 是信号识别和载体介导的过程，需要消耗ATP能量，并表现出饱和动力学特征； 双向性：蛋白质的入核；RNA和核糖体亚单位的出核。,入,Karyopherin是一类与核孔选择性运输有关的蛋

9、白家族，相当于受体蛋白。其中imporin负责将蛋白从细胞质运进细胞核，exportin负责相反方向的运输。 通过核孔复合体的转运还涉及Ran蛋白，Ran是一种G蛋白，调节货物受体复合体的组装和解体，在细胞核内Ran-GTP的含量远高于细胞质。 核质蛋白向细胞核的输入可描述如下：蛋白与核定位信号（nuclear localization signal，NLS）受体，即imporin /二聚体结合；货物与受体的复合物与NPC胞质环上的纤维结合；纤维向核弯曲，转运器构象发生改变，形成亲水通道，货物通过；货物受体复合体与Ran-GTP结合，复合体解散，释放出货物；与Ran-GTP结合的imporin

10、 ，输出细胞核，在细胞质中Ran结合的GTP水解，Ran-GDP返回细胞核重新转换为Ran-GTP；imporin 在核内exportin的帮助下运回细胞质,核质素输入细胞核的过程,对细胞核向细胞质的大分子输出了解较少，大多数情况下，细胞核内的RNA是与蛋白质形成RNP复合物转运出细胞核的。RNP的蛋白质上具有核输出信号（nuclear export signal, NES），可与细胞内的受体exportin结合，形成RNP-exportin-Ran-GTP复合体，输出细胞核后，Ran-GTP水解，释放出结合的RNA，Ran-GDP、exportin和RNP蛋白返回细胞核。,第二节 染色质,1

11、842年，Nali在植物细胞核中发现了杆状的染色体。 1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。 1879年，W. Flemming提出了染色质（chromatin）。 1888年，Waldeyer正式定名为Chromosome。,一、染色质是生命活动的基础,细胞核是生命活动的调控中心而这个中心最重要的成员则是染色质，与基因组相关的细胞活动都是在染色质水平上进行的，因此，它是细胞一切生命活动的基础。,染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白、RNA组成，各组分的含量比例为1：1：0.6：0.1。其中DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，非组蛋白和RNA的含量随细胞生理状态不同而发

12、生变化。,二、染色质DNA,凡是具有细胞形态的所有生物其遗传物质都是DNA. 真核细胞中，每条未复制的染色体包装一条DNA分子。 （一）基因组（genome）：一个生物储存在单倍染色体组中的全部遗传信息，成为该生物的基因组。 人的单倍体基因组为3109bp，平均基因长16.3kb，约有125 000个基因。,（二）染色质DNA的类型 1. 按DNA序列的重复性分： 非重复性的单一DNA序列（10)：负责蛋白质氨基酸组成的信息（编码序列），一般在基因组中只有一个或几个拷贝。 中度重复序列(10-105)：负责基因选择性表达的信息（调控序列） a.短散在重复元件（short intersperse

13、d elements，SINEs），如Alu家族 b.长散在重复元件（LINEs），如L1家族 高度重复序列（大于105） a.卫星DNA（satellite DNA)：主要分布在染色体着丝粒部位，如人类染色体着丝粒区的卫星DNA家族。 b.小卫星DNA（minisatellite DNA)：又称数量可变的串联重复序列，常用于DNA指纹技术做个体鉴定。 c.微卫星DNA(microsatellite DNA):重复序列单位最短，具高度多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标志，用于构建遗传图谱（genetic map）。,2. 按DNA二级结构的构型分：,三种构型DNA： B型DNA（右手双螺

14、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,三种构型中，沟特别是大沟的特征在遗传信息表达过程中起关键作用。大沟携带的信息比小沟多。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处于一种动态转变之中。DNA二级结构的变化与高级结构的变化是相互关联的，这种变化中DNA复制与转录中具有重要的生物学意义。,DNA构型的生物学意义,三、染色质蛋白,染色质DNA结合蛋白负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读。这些DNA结合蛋白分为两类： （一）组蛋白 1. 特性 与D

15、NA非特异性结合。带正电荷，含精氨酸（Arg），赖氨酸（Lys），属碱性蛋白 。只在S期合成。 2. 分类 核心组蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4； 连接组蛋白（linker histone）：H1。赋予染色质以极性。 3.结构： 核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量Arg和Lys，为转译后修饰的部位，如乙酰化、甲基化、磷酸化等。 H1多样性，具有属和组织特异性。 4.功能： 参与染色体的构建，维持染色体结构 抑制 DNA的复制和转录。,（二）非组蛋白,是与特异性DNA序列结合

16、的蛋白。 1. 特性 含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷带负电，属酸性蛋白。 整个细胞周期都合成。 具有多样性和异质性。 能识别特异DNA序列（大沟），结合靠氢键和离子键，与DNA螺旋区结合，并具有蛋白二聚化的能力。,2. 序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式： 1）螺旋-转角- 螺旋模式（helix-turn-helix motif）：最简单、最普遍的DNA结合蛋白的结构模式。结合时，形成对称的同型二聚体（symmetric homodimer）结构模式。 2）锌指模式（Zinc finger motif）：RNA聚合酶所必需的转录因子TF A，含9个有规律的锌指重复单位，每个单位30

17、个氨基酸残基，其中一对半胱氨酸和一对组氨酸与Zn2+形成配位键。 3）亮氨酸拉链模式（Leucine zipper motif，ZIP):形成二聚体是识别特异DNA序列蛋白的相互的共同原则。,4）螺旋-环-螺旋结构模式（helix-loop-helix motif，HLH):具有螺旋-环-螺旋结构的蛋白家族成员之间形成同源或异源二聚体是这类蛋白与DNA结合的必要条件，却少螺旋的二聚体不能牢固结合DNA。 5)HMG3-羟基-3-甲基戊二酰(3-hydroxy-3-methylglutaryl,HMG)框结构模式（HMG-box motif）：有三个螺旋组成的结构模式，具有弯曲DNA的能力，因此

18、，具有HMG框结构的转录因子又称“构件因子”（architectural factors），它们通过弯曲DNA、促进与邻近位点相结合的其他转录因子的相互作用而激活转录。如SRY（SRY基因，雄性的性别决定基因，指Y染色体上具体决定生物雄性性别的基因片段。人的SRY基因位于Yp11.3，只含有一个外显子，没有内含子，转录单位长约1.1kb，编码一个204氨基酸的蛋白质。由于SRY蛋白含有一个典型的DNA结合结构域：高泳动类非组蛋白（high mobility group，HMG）盒基序，类似于已知的转录因子，所以推测SRY编码一个转录因子）。 3.功能 参与染色体的构建； 启动基因复制； 调控基

19、因转录,四、染色质的基本结构单位核小体,（一）主要实 验 证 据,1.电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，经盐溶液处理后解聚的染色质呈现一系列核小体彼此连接的串珠状结构，念珠的直径为10nm。 2.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，发现绝大多数DNA被降解成大约200bp的片段；如果部分酶解，则得到的片段是以200bp为单位的单体、二体（400bp）、三体（600bp）等。如果用同样的方法处理裸露的DNA，则产生随机大小的片段群体。提示染色体DNA除某些周期性位点之外均受到某种结构的保护，避免酶的接近。 3.应用X射线衍射、中子散射和电

20、镜三维重建技术研究染色质结晶颗粒发现，核小体颗粒是直径为11nm、高6nm的扁圆柱体，具有二分对称性，核心组蛋白的构成是先形成（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。 4.SV40微小染色体分析。,自然结构,盐处理后,30nm 和 11nm 染色质纤维,在低盐亲水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体,（二）核小体的结构要点, 1.每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋、一个组蛋白八聚体和一分子H1。 2.由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒。 3. DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约14

21、6bp，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。包括组蛋白H1和166bpDNA的核小体结构又称染色质小体（chromotosome）。, 4.相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp。 5. 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，核小体具有自装配的性质。 6.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 。 如非组蛋白与DNA特异性位点的结合，可以向邻近核小体的相位（positioning）；DNA盘绕组蛋白核心的弯曲也是核小体相位的影响因素，因为富含AT的D

22、NA片段优先存在于DNA双螺旋的小沟，面向组蛋白八聚体，而富含GC的DNA片段优先存在于DNA双螺旋的大沟，背向组蛋白八聚体，结构核小体倾向于形成富含AT和富含GC区的理想分布，从而通过核小体相位改变影响基因表达。,。,核小体和螺线管的结构,五、染色质组装的结构模型,（一）染色质组装的前期过程 1. 两个以H3 H4形成的异二聚体结合成四聚体； 2. 两个H2A H2B二聚体形成； 3. H3 H4和H2A H2B各2个分子结合成8聚体为核心DNA缠绕形成核小体，H1在2个核小体之间的DNA连接处。,在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径 30nm的纤维，这种纤维的形成有两种解释：由核小体螺

23、旋化形成，每 6个核小体绕一圈，构成外径 30nm、内径10nm，螺距11nm的螺线管。长度压缩 6倍；由核小体纤维 Z字形折叠而成，长度压缩 40 倍。30nm 纤维的形成与核小体之间蛋白质的相互作用有关连接组蛋白H1和核心组蛋白尾部均参与这种相互作用，去除组蛋白H1的染色质中30nm 纤维解体为更细的纤维。螺线管是染色质包装的二级结构。螺线管进一步螺旋化形成直径为0.4m的圆筒状结构，称为超螺线管，这是染色体包装的三级结构。这种超螺线管进一步螺旋折叠，形成长2-10m的染色单体，即染色质包装的四级结构。,（二）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)

24、 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 染色体 经过四级螺旋包装形成的 染色体结构，共压缩了8400倍。,染色质包装,（三）染色体的骨架-放射环结构模型, 用盐溶液去除组蛋白和大部分非组蛋白，在电镜下可以看到非组蛋白构成的染色体骨架(chromsomal scaffold)和由骨架伸出的无数的DNA侧环。 模型认为，30nm的染色线折叠成环，沿染色体纵轴，由中央向四周伸出，构成放射环。 由螺线管形成DNA复制环，每18个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带

25、(miniband)。微带是染色体高级结构的单位，大约106个微带沿纵轴构建成子染色体。,六、常染色质和异染色质,1. 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（典型包装率750倍）, 用碱性染料染色时着色浅的染色质。 组成：单一序列 DNA 和中度重复序列DNA 常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件 。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（hypersensitive sites）降解。,异染色质（核内深染部分）和常染色质（核内浅染部分）,2.异染色质(heterochromat

26、in),概念：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度高, 处于聚缩状态, 用碱性染料染色时着色深的染色质部分。 异染色质的特点是：在间期核中处于凝缩状态，无转录活性，也叫非活动染色质(inactive chromatin)，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)。 类型 结构异染色质（组成型异染色质） (constitutive heterochromatin) 兼性异染色质(facultative heterochromatin), 结构（恒定）异染色质,概念： 指各种类型的细胞，除复制期以外，在整个细胞周期均 处于聚缩状态，DNA包装比在整个

27、细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。在间期聚集成多个染色中心chromocenter），由相对简单的高度重复序列构成。 特征： 位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段； 由相对简单、高度重复的DNA序列构成； 有显著的遗传惰性，不转录也不编码蛋白质； 在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制、早聚缩； 在功能上参与染色质高级结构的形成，导致染色质区 间性，作为核DNA的转座元件，引起遗传变异。, 兼性（功能）异染色质,概念：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。 异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。雌性哺乳类动物的 X染色体就是

28、一类特殊的兼性异染色质。在哺乳动物细胞内如有两个 X 染色体（通常为雌性），则其中的一个染色体常表现为异染色质称巴氏小体（barr body）。人的胚胎发育到 16天以后，一条 X染色体转变为巴氏小体，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和性染色体异常的患者。,白细胞中的巴氏小体（鼓槌状结构）,barr body,常染色质与异染色质异同：,相同点：化学组成相同，都是由核酸和蛋白质结合形成的染色体纤维丝，是DNA分子在间期核中的贮存形式，可进行复制和转录，在结构上常染色质和异染色质是连续的，且在一定条件下常染色质可以转变为异染色质。 不同点：常

29、染色质是解旋的疏松的染色体纤维，折叠盘曲度小，分散度大，代表在间期核中处于伸展状态的DNA分子部分，以核中央分布为主，在一定条件下，可复制和转录，经常处于功能活跃状态，在进入分裂期后，常染色质位于染色体臂。而异染色质是低活性的，与组蛋白紧密结合的DNA部分，主要分布在核的周围，由于螺旋缠绕紧密，很少转录，功能上处于静止状态，在分裂期异染色质位于着丝粒、端粒或在染色体臂的常染色体之间。,第三节 染色质结构和基因活化,一、活性染色质和非活性染色质 按功能不同将染色质分为活性染色质和非活性染色质 （一）活性染色质具有DNase超敏感位点 （DNasehypersensitive site，DHS）

30、活性染色质是具有转录活性的染色质染色质上无核小体的DNA片段，通常位于5-启动子区，长度几百bp,（二）活性染色质在生化上具有特殊性 活性染色质很少有组蛋白H1与其结合； 活性染色质的组蛋白乙酰化程度高； 活性染色质的核小体组蛋白H2B很少被磷酸化； 活性染色质中核小体组蛋白H2A在许多物种少有变异形式； HMG14和HMG17只存在于活性染色质中。 （三）活性染色质在组蛋白修饰上的特异性 组成核小体的组蛋白八聚体的N端都暴露在核小体之外，某些特殊的氨基酸残基会发生乙酰基化、甲基化、磷酸化或ADP核糖基化等修饰。 （四）非活性染色质是没有转录活性的染色质,二、染色质活化与基因激活,1.DNA局

31、部结构的改变与核小体相位的影响 当调控蛋白与染色质DNA的特定位点结合时，染色质易被引发二级结构的改变；进而引起其它的一些结合位点与调控蛋白的结合。 基因关键控制元件位于核小体颗粒之外，便于与转录因子结合 2.组蛋白的修饰 组蛋白的修饰改变染色质的结构，直接或间接影响转录活性（磷酸化、甲基化、乙酰化，泛素化（uH2A）/Arg，His，Lys，Ser，Thr） 组蛋白赖氨酸残基乙酰基化（acetylation），影响转录 3. DNA甲基化：A/C甲基化/去甲基化（特别是5-mC） 4. HMG结构域蛋白等染色质变构因子的影响 HMG结构域可识别某些异型的DNA结构，与DNA 弯折和DNA-蛋

32、白质复合体高级结构的形成有关,（一）疏松染色质结构的形成,（二）染色质的区间性,1.基因座控制区（locus control region,LCR） 染色体DNA上一种顺式作用元件，具有稳定染色质疏松结构的功能； 与多种反式因子的结合序列可保证DNA复制时与启动子结合的因子仍保持在原位。 2.隔离子（insulator） 防止处于阻遏状态与活化状态的染色质结构域之间的结构特点向两侧扩展的染色质DNA序列，称为隔离子。 作用：作为异染色质定向形成的起始位点；提供拓扑隔离区 。,（三）染色质模板的转录,基因转录的模板不是裸露的DNA，染色质是否处于活化状态是决定转录功能的关键 转录的“核小体犁”（

33、nucleosome plow）假说,通过核小体核心结构的转录的模型（引自C.C.Adams等） 第一步：RNA聚合酶使核小体不稳定，撤掉2个（H2A-H2B）,形成H3-H4四聚体复合物； 第二步：组蛋白核心的另一半（H3-H4四聚体）被移开并转到聚合酶后面自由DNA上； 第三步：2个H2A-H2B二聚体重新结合到DNA上，又形成一个完整的核小体核心结构。,第四节 染色体（chromosome）,中期染色体的形态结构 染色体DNA的三种功能元件 核型与染色体显带 特殊染色体,间期染色质分散于细胞核，但在分裂期，染色质通过盘旋折叠压缩近万倍，包装成大小不等、形态各异的短棒状染色体。中期染色体由

34、于形态比较稳定是观察染色体形态和计数的最佳时期。 同一物种的染色体数目是相对稳定的，性细胞染色体为单倍体（haploid），用n表示，体细胞为2倍体（diploid）以2n表示，还有一些物种的染色体成倍增加成为4n、6n、8n等多倍体。,染色体的数目因物种而异，如人类2n=46，黑猩猩2n=48，果蝇2n=8，家蚕2n=56，小麦2n=42，水稻2n=24，洋葱2n=16。在植物中染色体最少的是一种菊科植物Haplopapus gracillis 仅2对染色体，最多的是瓶尔草属phioglossum的一些物种，可达400-600对。在动物中染色体最少的是一种介壳虫的雄虫steatococcus

35、 tuberculatus仅有2条染色体，最多的是灰蝶，有217-223对染色体。,1.染色单体（Chromatid）：中期染色体由两条染色单体组成，两者在着丝粒的部位相互结合，每一条染色单体是由一条DNA双链经过螺旋和折叠而形成的。 2.染色线（Chromonema）：前期或间期核内的染色质细线，代表一条染色单体。 3.染色粒（Chromomere）：前期染色体上呈线性排列的念珠状颗粒，是DNA局部收缩形成的，异染色质的染色粒一般较大，而常染色质的染色粒较小，在染色体上位于着丝粒两边的染色粒一般较大，而向染色体端部的染色体较小，呈梯度排列。,一、中期染色体的形态结构,中期染色体类型 染色体的

36、主要结构,中期染色体的类型,划分的标准有：臂比值r（长臂长/短臂长），着丝粒指数i(短臂长/染色体长)100%， 短臂长臂比。 中部着丝粒染色体（m，1.07-1.70），水稻、玉米染色体 近中部着丝粒染色体（sm，1.71-3.00），小麦染色体 近端部着丝粒染色体（st，3.01-7.00） 端部着丝粒染色体（t，大于7.01）,根据着丝粒位置进行的染色体分类图示,染色体的主要结构,着丝粒(centromere) 次缢痕(secondary constriction) 核仁组织区(NOR) 随体(satellite) 端粒(telomere),着丝粒(centromere) ：将两个染色单

37、体连接在一起，并把染色体分成两个臂。 动粒（kinetochore）：位于着丝粒两侧由蛋白质构成的三层盘状或球状结构。动粒与纺锤体自然相连，与染色体的移动有关。 着丝粒（centromere）和着丝点（kinetochore）是两个不同的概念，前者指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位，后者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。,着丝粒与着丝点(动粒),着丝点结构域(kinetochore domain) ：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(fibrous corona)。 内板(inner plate) 中间间隙(middle space),

38、interzone 外板(outer plate) 纤维冠(fibrouscorona) 中央结构域(central domain)：位于着丝粒结构域的下方，含卫星DNA。 CENP-B盒与动粒蛋白 配对结构域(pairing domain)：位于着丝粒内层，中期连结染色单体。 内部着丝粒蛋白INCENP(inner centromere protein) 染色单体连接蛋白clips(chromatid linking proteins),着丝粒包含3个结构域：,着丝粒的 3 个结构域,OP,interzone,IP,Centromere,次缢痕（secondary constriction）

39、：除主缢痕外，染色体上第二个呈浅缢缩的部分称次缢痕，次缢痕的位置相对稳定，是鉴定染色体个别性的一个显著特征。 核仁组织区（nucleolar organizing regions, NORs）：是细胞核特定染色体的次缢痕处，含有核糖体RNA基因的一段染色体区域，与核仁的形成有关，故称为核仁组织区。其精细结构呈灯刷状。能够合成核糖体的28S、18S和5.8S rRNA。核仁是NOR中的gene活动而形成的可见的球体结构，具有NOR的染色体数目依不同细胞种类而异，人有5对染色体即13、14、15、21、22号染色体上有NOR. 随体（satellite）：指位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢

40、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。,核仁组织者中心形成核仁,核仁组织区（NORs） 构成核仁，位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。,端粒（telomere）：是染色体端部的特化部分，位于染色体的端部来维持染色体的稳定性。端粒由高度重复的短序列串联而成，在进化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似。端粒起到细胞分裂计时器的作用，端粒核苷酸复制和基因DNA不同，每复制一次减少50-100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶（telomerase）来完成，正常体细胞缺乏此酶，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。,荧光原位杂交

41、显示的端粒（上）和端粒序列（下）,二、染色体DNA的三种功能元件,在细胞世代中确保染色体的复制和稳定遗传，染色体起码应具备三种功能元件（functional elements）： 自主复制DNA序列（ARS） 具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列及其上 下游各200bp左右的区域是维持ARS功能所必需的。确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性。,着丝粒DNA序列（CEN） 共同点是两个相邻的核心区：80-90bp的AT区；11bp的保守区。使细胞分裂时已完成复制的染色体能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

42、。 端粒序列的复制 端粒酶 构成染色体DNA的这三种关键序列称为染色体DNA的功能元件。,近年来采用分子克隆技术把真核细胞染色体的复制起点、着丝粒和端粒这三种DNA关键序列分别克隆成功，并把它们互相搭配或改造而构成所谓“人造微小染色体”（artificial minichromosome）。,1983年，A. W. Murray等人首次成功构建了包括ARS、CEN、TEL和外源DNA，总长度为55kb的酵母人工染色体(yeast artificial chromosome, YAC)。YAC可用于转基因和构建基因文库，容纳插入片段的能力远高于质粒。 端粒酶：是一种核糖核蛋白复合物，具有逆转录酶

43、的性质，以物种专一的内在的RNA作模板，把合成的端粒重复序列再加到染色体的3端。,三、核型与染色体显带,核型(karyotype) 是指染色体组在有丝分裂中期特征的总和，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。 染色体显带技术,。,一种蝉（Platypleura kaempferi）的有丝分裂核型,核型分析是指对生物某一个体或某一分类单位的体细胞的染色体按一定特征排列起来的图象的分析。分析方法有：常规的形态分析、带型分析、着色区段分析、

44、定量细胞化学方法等。 染色体显带技术：是指经过物理、化学因素处理后，再用 染料对染色体进行染色，使其呈现特定的深浅不同带纹的技术。 根据产生的带在染色体上的分布分两类： 带分布在整条染色体上，如G、Q、R带等 带局部分布在染色体上，如C、T、N带等。,人类G带核型，G带显示的是染色体上富含AT的区域,G带即Giemsa带，将中期染色体制片经胰酶或碱、热、尿素、去污剂等处理后再用Giemsa染料染色后所呈现的染色体区带。一般来说，G带与Q带相符，但也有例外，如Q带显示的人Y染色体的特异荧光，在G带带型上并不出现。 C带主要显示着丝粒结构异染色质，及其他染色体区段的异染色质部分。 高分辨显带技术：

45、1975年，美国细胞遗传学家Yunis等建立了染色体高分辨显带技术，用氨甲喋呤使培养的细胞同步化后，再用秋水仙胺短暂处理，获得大量晚前期和早中期分裂相，这些时期的染色体比典型中期染色体长，显带后可得到更多更细的带纹。,人类Q带核型，Q带显示的带纹与G带相似,一般富含AT碱基的DNA区段表现为亮带，富含GC碱基的DNA区段表现为暗带。,人类C带核型，C带显示的是着丝粒异染色质,四、特殊染色体,多线染色体（polytene chromosome） 灯刷染色体（lampbrush chromosome）,多线染色体,多线染色体是1881年意大利细胞学家Balbiani发现的，存 在于双翅目昆虫的幼虫

46、组织细胞和某些植物细胞中。 来源：核内的DNA多次复制但细胞不分裂，产生的子染色体并行排列，且在体细胞内同源染色体配对，紧密结合在 一起形成。 特征：体积巨大，比其它体细胞染色体长100-200倍， 体积大1000-2000倍。多线性，每条多线染色体由500- 4000条解旋的染色体合并在一起形成。体细胞联会，同 源染色体紧密配对，并合并成一个染色体。横带纹，染 色后呈现出明暗相间的带纹。膨突和环，在幼虫发育的 某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成膨突 （puff），或巴氏环（Balbiani ring）。,灯刷染色体,灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，两栖类卵母细胞的灯刷染色体最典型 灯刷染色体的来源：卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体。 灯刷染色体的超微结构 灯刷染色体的转录功能,B染色体,1928年，伦道夫把生物的正常染色体称为A染色体，而把存在于许多动植物中，形态和行为不同于A染色体的超数染色体称为B染色体。,第五节 核 仁(nucleolus),核仁的超微结构 核仁的功能 核仁周期,一、核仁的超微结构,纤维中心(fibrillar centers, FC) 致密纤维组分(dense fibrillar component, DFC) 颗粒组分(granular component, GC) 核仁相随染色质（核仁内染色质