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1、THE CELL NUCLEUS AND THE CHROMOSOME,第八章 细胞核与染色体,提要,细胞核概述 核被膜与核孔复合体功能 染色质 染色体 核仁,第十章 细胞核与染色体,第一节 细胞核概述,1781年 Trontana发现于鱼类细胞。 真核细胞中，除高等植物成熟的筛管和哺乳类成熟的红细胞外，都有细胞核。在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核（nucleiod）。,第十章 细胞核与染色体 第一节 细胞核概述,真核细胞大多具细胞核,原核细胞的拟核,第十章 细胞核与染色体 第一节 细胞核概述,一般呈圆球状与卵圆形。在旺盛分裂的组织中，核呈圆形，在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状，在

2、胚乳细胞中呈网状。,一 形态与大小,第十章 细胞核与染色体 第一节 细胞核概述,1 形态,最小的核直径不足1m，而最大的核如苏铁科某些植物卵细胞核直径可达500600m。 植物细胞核的直径通常在14m左右，动物为10m左右。 同一种生物，由于遗传物质的含量是恒定的，核的大小也比较恒定。,第十章 细胞核与染色体 第一节 细胞核概述 一 形态与大小,2 大小,成熟细胞NP0.5，幼稚细胞NP0.5，衰老细胞NP0.5。,第十章 细胞核与染色体 第一节 细胞核概述,核大小参数,核质比,NP值增大，就会促使细胞分裂。,第十章 细胞核与染色体 第一节 细胞核概述,3 数目,肝细胞和心肌细胞可有双核,哺乳

3、类成熟红细胞无细胞核,植物成熟筛管细胞无细胞核,破骨细胞可有6-50个细胞核, 核被膜 核纤层 核基质 染色质 核仁,第十章 细胞核与染色体 第一节 细胞核概述,1 结构,二 基本结构与功能,NUCLEUS STRUCTURE,第十章 细胞核与染色体 第一节 细胞核概述,表现为通过调节基因表达的时空顺序，控制细胞的分化完成个体发育的使命。,2 功能,遗传,发育,表现为通过DNA染色体的复制和细胞分裂，维持物种的世代连续性。,第十章 细胞核与染色体 第一节 细胞核概述 二 基本结构与功能,第二节 核被膜与核孔复合体,第十章 细胞核与染色体 第一节 细胞核概述,三部分构成,第十章 细胞核与染色体

4、第二节 核被膜与核孔复合体,第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体,一 核被膜 Nuclear envelope,1 核被膜结构,内核膜 inner nuclear membrane,外核膜 outer nuclear membrane,核周隙 perinuclear space,第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体 一 核被膜,核被膜上有核孔。内外核膜均为单位膜。 外核膜胞质面附有核糖体，核周隙与内质网腔相通，外核膜是内质网的一部分。 内核膜的内表面的纤维网络叫核纤层，可支持核膜，并与染色质及核骨架相连。 核周隙宽2040nm，腔内电子密度低，一般不含固定的结构。,

5、第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体 一 核被膜,The nuclear envelope,第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体 一 核被膜,A 将DNA和细胞质分隔开，使细胞核成为细胞的指令中心。使DNA分子免受机械损伤， DNA的复制和RNA的翻译表达在时空上分隔开来。形成细胞的多样性。 B 形成核内特殊微环境。 C 成为染色体定位和酶分子的支架，染色体定位于核膜上，有利于在新时期解旋伸展，复制和转变，在分裂期有利于染色体的平均分配。 D 核内外物质和信息的交流通道。,第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体 一 核被膜,2 核被膜功能,二 核 孔 N

6、uclear pore,核被膜上内外核膜融合和贯通形成的环行孔道，不均匀分布于核膜上，常呈簇成行排列。 细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。如蛙卵细胞每个核可有37.7106个核孔，但其成熟后细胞核仅150300个核孔。 哺乳动物的核孔一般为核被膜面积的5%-15%。,第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体 二 核孔,1 形态结构,第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体 二 核孔,The Nuclear Pore,The nuclear pore (arrow). H-condensed heterochromatin, E-euchromatin. Basa

7、l lamina of the Schwann cell-empty arrow.,电镜下，核孔是呈圆形或八角形的复合体结构,核孔复合体作为被动扩散的亲水通道，其功能直径约9-10nm，允许离子、水溶性小分子穿梭于核质之间。实验证明5KD蛋白质小分子可以自由扩散，17KD蛋白质在2分钟内可达到核质间的平衡，44KD的蛋白质需30分钟达到平衡，而大于60KD的蛋白质不能通过自由扩散进入细胞核。 核孔复合体行选择性主动运输时，孔其功能直径10-20nm，甚至达孔26nm。,第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体 二 核孔,2 核孔复合体功能物质运输,A 对运输颗粒大小的限制 B 是一个

8、信号识别与载体介导的过程复合体，表现出饱和动力学特征 C 有核输出与核输入双向性,第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体 二 核孔,核孔具选择运输机制的表现,核质蛋白具有头尾两个不同的结构域，用蛋白酶可以把它切成头尾两段，通过胶体金标记后注射于爪蟾卵母细胞，发现完整的核质蛋白及其尾部可进入细胞核，而头部却不能被摄入，说明尾部带有某种信号序列核定位信号（nuclear localization signal, NLS）。 NLS由48个氨基酸组成，含有Pro、Lys和Arg。完成核输入后不被切除。 第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原（92KD），其序列为：Pro-Pro-Ly

9、s-Lys-Lys-Arg-Lys-Val。,第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体 二 核孔,A 亲核蛋白的核输入,mRNA Transport,Nucleoplasmin was linked to colloidal gold. then injected into an oocyte. The gold particles marks showed that it was transported into the nucleus.,第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体 二 核孔,将金标记的5SrRNA或tRNA注射入细胞核，它们很快会被转运到细胞质，却不能反向

10、进行转运。另外，成熟的rRNA和mRNA都是以核蛋白复合物（RNP）颗粒的形态进行转运的。 mRNA的m7GpppN的帽子结构是一种高度选择性的输出信号，没有m7GPPPN帽子的RNA则会滞留于核中。,第十章 细胞核与染色体 第二节 核被膜与核孔复合体 二 核孔,B RNA及核糖体亚单位的输出,第三节 染色质,1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。 1888年，Waldeyer正式定名为Chromosome。 1879年，W. Flemming提出了染色质chromatin这一术语，用以描述染色后细胞核中强烈着色的细丝状物质。,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色

11、质,一 染色质的化学组成,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质,1 概念、组成,染色质是间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构。,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 一 染色质化学组成,2 染色质DNA,A 两类信息, 编码信息（10-15） 调控信息（如何时表达、表达强度）, 单一序列 绝大多数结构基因。 中度重复序列（1015） 平均大小300bp；大多起调控作用；少数编码，如组蛋白基因簇、rRNA基因簇。 高度重复序列（105） 数个bp，如卫星DNA。,B 三类序列组织形式,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 一 染色质化学组成,C 二级结构3种

12、类型,A-DNA B-DNA Z-DNA,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 一 染色质化学组成,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 一 染色质化学组成,电性 碱性蛋白，带正电荷，含精氨酸，赖氨酸,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 一 染色质化学组成,3 组蛋白,类型,H2A，H2B，H3，H4,核心组蛋白 core histone,连接组蛋白 linker histone,H1,5种 两类,组蛋白作用,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 一 染色质化学组成,核心组蛋白球形部借精氨酸残基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。,非组蛋白是染色体上

13、与特异DNA序列结合的蛋白质，又称序列特异性DNA结合蛋白。,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 一 染色质化学组成,4 非组蛋白,A 含有较多天冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质。,非组蛋白特性,B 整个细胞周期都进行合成，组蛋白只在S期与DNA复制进行。,帮助DNA折叠； 协助DNA复制； 调节基因表达。,C 能识别特异的DNA序列，识别与结合借氢键和离子键。,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 一 染色质化学组成,D 在不同基因组之间，序列特异性结合蛋白所识别的DNA序列在进化上是保守的。,非组蛋白功能,二 染色质的结构,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 二 染色质的结

14、构,请计算人类细胞中DNA长度,分析DNA在细胞中存在形式的问题,人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内全部DNA连结起来约1.72.0m。,从DNA到染色体：DNA包装,包装的意义,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 二 染色质的结构,1 染色质基本结构单位核小体 nucleosome,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 二 染色质的结构,1974年，Kornberg提出染色质结构的核小体模型。,每个核小体单位包括200bp左右的DNA和一个组蛋白核心及一个H1。 组蛋白核心由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体,核小体模型要

15、点,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 二 染色质的结构,核小体模型要点,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146bp。 相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA，连接线上有组蛋白H1和非组蛋白。 在核小体中DNA长度压缩了7倍，其直径为1012nm。,？,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 二 染色质的结构,30nm和11nm染色质纤维,串珠结构,螺线管,2 染色质包装的多级螺旋模型,包装形式,多级螺旋,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 二 染色质的结构,每6个核小体绕一圈，构成外径30nm，螺距为11nm的中空管。经过这一压缩，DNA长

16、度缩短6倍。,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 二 染色质的结构,螺线管,超螺线管,染色单体,30nm螺线管再螺旋，形成直径400nm的圆筒状染色单位纤维，在光镜下可观察到。此时DNA又压缩了40倍。,超螺线管进一步螺旋化和折叠形成染色单体，压缩5倍。,DNA（7 ）核小体（6 ）螺线管（40）超螺线管（5）染色单体 共计压缩8400倍，实际500010000倍,螺线管,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 二 染色质的结构,染色体,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 二 染色质的结构,多级螺旋模型,三 染色质类型,异染色质 heterochromatin 常染色质 enchrom

17、atin,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 三 染色质类型, 结构（恒定）异染色质 constitutive heterochromatin 兼性（功能）异染色 facultative heterochromatin,间期核中染色质可分两类,异染色质核内深染部分,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 三 染色质类型,常染色质核内浅染部分, 在间期核中处于凝缩状态，无转录活性。 是遗传惰性区，含永不表达的基因。 在细胞周期中表现为晚复制，早凝缩。,异染色质的特点,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 三 染色质类型,兼性异染色质中了解最多的是雌性哺乳类动物的X染色体。两个X染色体中的一

18、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， 出现巴氏小体。,第十章 细胞核与染色体 第三节 染色质 三 异染色质和常染色质,Barr body,第四节 染色体,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体,一 染色体形态结构,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 一 染色体形态结构,1 染色体 2 染色单体 3 同源染色体,据着丝粒位置将染色体分为4类：中着丝粒染色体，亚中着丝粒染色体，亚端着丝粒染色体，端着丝粒染色体。 划分标准 臂比值r，着丝粒指数i， 短臂长臂比。,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 一

19、 染色体形态结构,4 主缢痕 prinary constriction,中期染色体上着色较浅而缢缩的部位，主缢痕处有着丝粒，DNA含量少，染色很浅或不着色。,r=长臂长/短臂长 i=短臂长/染色体长100%,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。,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 一 染色体形态结构,5 次缢痕 secondary constriction,位于染色体次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 一 染色体形态结构,6 核仁组织区 nucleolar orgnizin

20、g regions NORs,位于染色体末端的节段，通过次缢痕区与染色体主体部分相连。,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 一 染色体形态结构,7 随体 satellite,8 端粒 telomere,高度重复的短核苷酸序列组成。不同生物端粒序列相似，人的序列为GGGTTA。端粒起细胞分裂计时器作用，解决末端DNA每复制一次减少50100bp的困惑；从而维持染色体稳定性。,Human metaphase chromosomes hybridised in situ with the telomere repeat sequence (TTAGGG)n.,Telomere sequeece,

21、第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 一 染色体形态结构,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，用n表示；体细胞为2倍体 ，以2n表示；还有一些物种的染色体成倍增加成为4n、6n、8n等，称为多倍体。,二 染色体数目,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 二 染色体数目,染色体数目含义,染色体组数,每染色体组的染色体个数,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 二 染色体数目,染色体最少的植物是菊科的Haplopapus gracillis ，仅2对染色体；最多的是瓶尔草属phioglossum的一些物种，可达400600对。 动物中极端例子是介壳虫steatococc

22、us tuberculatus的雄虫，仅有两条染色体；而另一极端是一种灰蝶有217223对染色体。,人类2n=46,果蝇2n=8,小麦2n=42,水稻2n=24,洋葱2n=16,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 二 染色体数目,确保DNA在细胞周期中能自我复制，为富含AT的共有序列及其上下游各200bp。,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 一 染色体DNA关键序列,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 三 染色体DNA关键序列,三 染色体DNA关键序列（功能元件）,自主复制DNA序列 autonomously replicating DNA sequence, ARS,第十章 细

23、胞核与染色体 第三节 染色质 一 染色质化学组成,确保复制的DNA能平均分配到两个子细胞中去，为两个相邻的核心区：80-90bp的AT区和11bp的保守区。,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 三 染色体DNA关键序列,着丝粒DNA序列 centromere DNA sequence,CEN,端粒DNA序列 telomere DNA sequence,TEL,确保DNA（末端）复制完整，不同生物的端粒序列都很相似，人的序列为GGGTTA。,着丝点结构域 中央结构域 配对结构域,四 着丝粒结构,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 四 着丝粒结构,着丝粒 centromere,着丝点 ki

24、netochore,中期染色单体相互联系在一起的特殊部位。,主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构，它与仿锤丝微管相接触，是微管蛋白聚合中心。,着丝粒3个结构域,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 四 着丝粒结构,着丝点结构域 kinetochore domain,中央结构域 central domain,配对结构域 paring dornain,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。,位于着丝粒结构域的下方。其中含有高度重复的卫星DNA。,位于着丝粒结构的内层，中期两条染色单体在此处相互连结。,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 四 着

25、丝粒结构,Kinetochore,着丝粒的3个结构域,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 四 着丝粒结构,Kinetochore,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 四 着丝粒结构,细胞分裂中期染色体特征的总和。 包括染色体的数目、大小和形态特征等方面。,五 核型与带型,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 五 核型与带型,1 核型,将成对的染色体按形状、大小依顺序排列起来叫核型图karyogram。 染色体组型指核型的模式图，代表一个物种的模式特征。,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 五 核型与带型,图,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 五 核型与带型,染色体分带技术是

26、经物理、化学因素处理后，再用染料对染色体进行分化染色，使其呈现特定的深浅不同带纹（band）的方法。 分带技术可分为两大类，一类是产生的染色带分布在整过染色体的长度上如：Q、G和R带；另一类是局部性的显带，它只能使少数特定的区域显带，如C、Cd、T和N带。,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 五 核型与带型,2 带型,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 五 核型与带型,G带显示染色体上富含AT的区域,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 五 核型与带型,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 五 核型与带型,Q带显示的带纹与G带相似,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 五 核型与

27、带型,C带显示着丝粒异染色质, 巨大性，是其它染色体长100200倍，体积10002000倍。,六 几类特殊的染色体,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 六 特殊染色体,1 多线染色体,Polytene chromosome, 多线性，每由500 4000条解旋的染色体合并在一起。,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 六 特殊染色体, 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 pulf，或巴氏环 Balbiani ring。膨突是基因活跃转录的区域。,Polytene chromosome, 体细胞联会，同源染色体紧密

28、配对，并合并成一个染色体。,果蝇染色体,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 六 特殊染色体,鱼类、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期。双线期是卵黄合成的旺盛期。染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名。 由两条同源染色体组成，在交叉处结合，每条同源染色体含2条染色单体。轴上有一些染色粒，代表染色质紧密螺旋化的部位。同时两条染色单体向两边伸出许多侧环，侧环是RNA活跃转录的区域。,第十章 细胞核与染色体 第四节 染色体 六 特殊染色体,Lampbrush chromosome from Pleurodeles oocyte,2 灯刷染色体,第五节 核仁 nucleolus,间期的细胞核内，呈圆球形，一般12个，有时多达35个。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，反之核仁很小或缺无。核仁的主要功能是转录rRNA和组装核糖体亚单位。,第十章 细胞核与染色体 第五节 核仁,The pyramidal cell nucleus (N) with two nucleoli (arrows) and an apical dendrite (D).,第十章 细胞核与染色体 第五节 核仁,2 m,一 形态与结构, 颗粒部由直径1520nm的颗粒组成，内含核糖核蛋白，