细胞生物学细胞核与染色体

1、cell nucleus and chromosome第八章第八章 细胞核与染色体细胞核与染色体间期的细胞核的形态结构间期的细胞核的形态结构典型的真核生物细胞核的结构由4个主要组成部分：核核被膜、被膜、染色质染色质、核仁、核仁及核骨及核骨架架。外核膜外核膜内核膜内核膜核纤层核纤层核周间隙核周间隙核孔复合体核孔复合体（一）（一） 核被膜的结构核被膜的结构(structure of the nuclear envelope)外核膜外核膜内核膜内核膜核纤层核纤层核周间隙核周间隙核孔复合体核孔复合体（一）（一） 核被膜的结构核被膜的结构(structure of the nuclear envelop

2、e)核纤层核纤层 核纤层由核纤肽（lamin）构成，是一类中间纤维。核纤层的作用有以下两个方面：1保持核的形态2参与染色质和核的组装（二）核被膜在细胞周期中的崩解与装配（二）核被膜在细胞周期中的崩解与装配 新核膜来自旧核膜新核膜来自旧核膜核膜装配的机制及其与核孔复合体、核纤层的关系，目前核膜装配的机制及其与核孔复合体、核纤层的关系，目前尚无定论尚无定论 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。与去磷酸化修饰有关。

3、 在真核细胞的细胞周期中，核被膜有规律地解体与重建。在真核细胞的细胞周期中，核被膜有规律地解体与重建。 核孔由至少50种不同的蛋白质构成。 核孔在核膜上的密度很大，一个典型的哺乳动物细胞核膜上有3000-4000个核孔。转录功能活跃的细胞，其核孔复合体数量较多。核孔复合体核孔复合体（nuclear pore complexnuclear pore complex，npcnpc）已知所有的真核细胞，间期细胞核普遍存在核孔复合体。已知所有的真核细胞，间期细胞核普遍存在核孔复合体。 cytoplasmic face cytoplasmic particles两栖类卵细胞分离的两栖类卵细胞分离的npc

4、的细胞质面的细胞质面, 细胞质颗粒覆盖在细胞质颗粒覆盖在npc的胞质环上的胞质环上;nuclear facebasket inner complex当观察当观察npc核质面时核质面时, 可以看到与核孔复合物相连的篮可以看到与核孔复合物相连的篮（1）从横向上看，核孔复合体由周边向核孔中心依次可分为环、辐、）从横向上看，核孔复合体由周边向核孔中心依次可分为环、辐、栓三种结构亚单位；栓三种结构亚单位；（2）从纵向上看，核孔复合体由核外（胞质面）向核内（核质面）依）从纵向上看，核孔复合体由核外（胞质面）向核内（核质面）依次可分为胞质环、辐（栓）、核质环三种结构亚单位。次可分为胞质环、辐（栓）、核质环三

5、种结构亚单位。 综合起来，核孔复合体主要有以下综合起来，核孔复合体主要有以下4种结构组分：种结构组分：胞质环胞质环核质环核质环辐辐中央栓中央栓 核孔复合体结构模型核孔复合体结构模型 核孔蛋白核孔蛋白”（nucleoporin，nup）已知的脊椎动物核孔复合体的蛋白成份简表已知的脊椎动物核孔复合体的蛋白成份简表核孔复合体的功能核孔复合体的功能 从功能上讲，核孔复合体可以看作是一种特殊的跨膜运从功能上讲，核孔复合体可以看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，并且是一个双功能、双向性的亲水性核质交输蛋白复合体，并且是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道。换通道。 双功能表现在它有两种运输方式：被动扩散

6、与主动运输。双功能表现在它有两种运输方式：被动扩散与主动运输。 双向性表现在既介导蛋白质的入核转运，又介导双向性表现在既介导蛋白质的入核转运，又介导rna、核糖核蛋白颗粒（核糖核蛋白颗粒（rnp）的出核转运）的出核转运 1. 通过核孔复合体的被动扩散通过核孔复合体的被动扩散 核孔复合体作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为核孔复合体作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为910nm，有的可达，有的可达12.5nm，离子、小分子以及直径在，离子、小分子以及直径在10nm以下的物质原则上可以自由通过。以下的物质原则上可以自由通过。10nm2. 通过核孔复合体的主动运输通过核孔复合体的主动运输 生物大分子

7、的核质分配如亲核蛋白的核输入，生物大分子的核质分配如亲核蛋白的核输入，rna分子及分子及rnp颗粒的核输出，在颗粒的核输出，在细胞核功能活性的控制中起非常重要的作用。细胞核功能活性的控制中起非常重要的作用。 被动运输（被动运输（passive transport）小于小于10nm的分子自由出入的分子自由出入主动运输（主动运输（active transport）具有入核信号的蛋白的入核具有入核信号的蛋白的入核rna分子分子核糖核蛋白颗粒出核核糖核蛋白颗粒出核主动运输的选择性表现在以下三个方面：主动运输的选择性表现在以下三个方面：（1）对运输颗粒大小的限制。主动运输的功能直径比被动运）对运输颗粒大

8、小的限制。主动运输的功能直径比被动运输大，约输大，约1020nm，甚至可达，甚至可达26nm。核孔复合体的有效直。核孔复合体的有效直径的大小是可被调节的；径的大小是可被调节的；（2）通过核孔复合体的主动运输是一个信号识别与载体介导）通过核孔复合体的主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要能量；的过程，需要能量；（3）通过核孔复合体的主动运输具有双向性，即核输入与核）通过核孔复合体的主动运输具有双向性，即核输入与核输出，它既能把复制、转录、染色体构建和核糖体亚单位组输出，它既能把复制、转录、染色体构建和核糖体亚单位组装等所需要的各种因子运输到核内；同时又能将翻译所需的装等所需要的各种因子运输

9、到核内；同时又能将翻译所需的rna、组装好的核糖体亚单位从核内运送到细胞质。、组装好的核糖体亚单位从核内运送到细胞质。核蛋白运输机制核蛋白运输机制 基本概念基本概念 亲核蛋白亲核蛋白(nuclear protein)：在细胞质内合成后，需要在细胞质内合成后，需要 或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。 核定位信号核定位信号(nuclear localization signals ,nls)： nls是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基，如氨基酸残基，如lys、arg，此外还

10、常含有，此外还常含有pro,具有定向具有定向, 定位作用定位作用 。 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 不被切除不被切除。 亲核蛋白入核转运还需要一些胞质蛋白因子的帮助。亲核蛋白入核转运还需要一些胞质蛋白因子的帮助。目前比较确定的因子有目前比较确定的因子有importinimportin、importinimportin、ran(ran(一一种种gtpgtp结合蛋白结合蛋白) ) 。核蛋白输入机理核蛋白输入机理（1）亲核蛋白通过）亲核蛋白通过nls识别识别importin，与可溶性，与可溶性nls 受体受体impor

11、tin/ improtin异二聚体结合，形成转运复合物；异二聚体结合，形成转运复合物；（2）在）在importin的介导下，转运复合物与核孔复合体的胞质纤的介导下，转运复合物与核孔复合体的胞质纤维结合；维结合；（3）转运复合物通过改变构象的核孔复合体被转移到核质面；）转运复合物通过改变构象的核孔复合体被转移到核质面；（4）转运复合物在核质面与）转运复合物在核质面与ran-gtp结合，并导致复合物解离，结合，并导致复合物解离，亲核蛋白释放；亲核蛋白释放；（5）受体的亚基与结合的）受体的亚基与结合的ran返回胞质，在胞质内返回胞质，在胞质内ran-gtp 水水解形成解形成ran-gdp并与并与im

12、portin解离，解离，ran-gdp 返回核内再转换返回核内再转换成成ran-gtp 状态。状态。nls只是亲核蛋白入核的一个必要条件，某种亲核蛋白是否被转运入核还受到其它因素的影响。染色质的概念染色质的概念 染色质（染色质（chromatin） 指间期细胞核内由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。 染色体染色体(chromosome) 指细胞在分裂过程中, 由染色质聚缩而成的棒状结构。染色体与染色质染色体与染色质 二者之间的区别主要并不在于化学组成上的差异，而二者之间的区别主要并不在于化学组成上的差异，而在于包装程度不同，反映了它们处于细胞

13、周期中不同的功在于包装程度不同，反映了它们处于细胞周期中不同的功能阶段。能阶段。 dna分子一级结构具有多样性分子一级结构具有多样性非重复序列非重复序列dna(单一序列或单一序列或1-5个拷贝个拷贝)：编码序列编码序列中度重复中度重复dna序列序列 （拷贝数在10个以上的序列称为重复序列，重复次数在102-105为中度重复序列） 有些是调控序列有些是调控序列有有些是编码rrna和 trna以及组蛋白的基因。但多数是不编码任何产物高度重复高度重复dna序列序列 （重复次数在（重复次数在105以上）以上）卫星卫星dna:是高度重复序列中是高度重复序列中at含量很高的简单的高度重含量很高的简单的高度

14、重复序列。由于复序列。由于at段浮力密度小段浮力密度小, 所以在所以在dna片段进行片段进行cscl密度梯度离心时密度梯度离心时, 常会在常会在dna主带上有一个次要的带主带上有一个次要的带相伴随相伴随, 因此称为卫星因此称为卫星dna。dna二级结构的多样性二级结构的多样性dna b helixright handed10.5 residues/turndiameter 2nmdna z helixleft handed12 residues/turndiameter 1.8nmdna a helixright handed11 residues/turndiameter 28 nm(二二)

15、染色质蛋白质染色质蛋白质 染色质染色质dna结合蛋白负责结合蛋白负责dna分子遗传信息的组织、分子遗传信息的组织、复制和阅读。这些复制和阅读。这些dna 结合蛋白包括两类：结合蛋白包括两类： 一是组蛋白一是组蛋白（histone），与），与dna非特异性结合；另一类是非组蛋白非特异性结合；另一类是非组蛋白（nonhistone），与），与dna特异性相结合。特异性相结合。组蛋白组蛋白(histone)：是真核生物染色体的基本结构蛋白：是真核生物染色体的基本结构蛋白, 是一是一类小分子类小分子碱性碱性蛋白质蛋白质,有有5种类型种类型, 即即h1、h2a、h2b、h3、h4，它们富含，它们富含带正

16、电荷带正电荷的碱性氨基酸，能够同的碱性氨基酸，能够同dna中带负中带负电荷的磷酸基团相互作用。电荷的磷酸基团相互作用。染色质中的组蛋白与染色质中的组蛋白与dnadna的含量之比为：的含量之比为：1111。五种组蛋白在功能上分为两组：五种组蛋白在功能上分为两组： 核小体组蛋白核小体组蛋白： 包括包括h2ah2a、h2bh2b、h3h3和和h4, h4, 作用是与作用是与dnadna组装成核小体组装成核小体,相对相对分子质量较小分子质量较小(102135个氨基酸残基个氨基酸残基), 它们的作用是将它们的作用是将dna分子盘绕成核小体。它们没有种属及组织特异性分子盘绕成核小体。它们没有种属及组织特异

17、性, 在进在进化上十分保守。化上十分保守。 h1h1组蛋白：组蛋白： 不参加核小体的组建不参加核小体的组建, ,在构成核小体时起连接作用在构成核小体时起连接作用, ,并赋予并赋予染色质以极性。染色质以极性。h1有一定的组织和种属特异性。有一定的组织和种属特异性。h1的相对的相对分子质量较大分子质量较大, 有有215个氨基酸残基个氨基酸残基, 在进化上也较不保守在进化上也较不保守。dna聚合酶dna合成rna聚合酶rna合成核酸酶切割dna和/或rnadna连接酶在dna复制和修复时进行dna连接poly-a聚合酶在mrna3添加poly a尾dna甲基化酶dna甲基化拓扑异构酶将超螺旋dna转

18、变成松弛型螺旋去稳定酶dna解旋, 形成稳定的单链蛋白酶蛋白质切割组蛋白乙酰化与去乙酰化酶组蛋白乙酰化和去乙酰化蛋白激酶组蛋白和非组蛋白的磷酸化组蛋白甲基化酶组蛋白甲基化以核酸作为底物的酶以核酸作为底物的酶 作用于染色质蛋白的酶作用于染色质蛋白的酶 非组蛋白非组蛋白(nonhistone)(nonhistone)指染色体上与特异指染色体上与特异dna序列相结合的蛋白质序列相结合的蛋白质。特性特性: 非组蛋白具多样性和异质性。非组蛋白具多样性和异质性。包括多种参与核酸代谢包括多种参与核酸代谢与修饰的酶类如与修饰的酶类如dna和和rna聚合酶、核质蛋白、染色体骨聚合酶、核质蛋白、染色体骨架蛋白、肌

19、动蛋白和基因表达调控蛋白等。架蛋白、肌动蛋白和基因表达调控蛋白等。 对对dna具有识别特异性具有识别特异性, , 识别信息来源于识别信息来源于dna核苷核苷酸序列本身，识别位点存在于酸序列本身，识别位点存在于dna双螺旋的大沟部分。识双螺旋的大沟部分。识别与结合靠氢键和离子键。别与结合靠氢键和离子键。 呈酸性、带负电荷。呈酸性、带负电荷。 参与染色体的构建参与染色体的构建: 这方面的作用与组蛋白相辅佐。组蛋白把dna双链分子装配成核小体串珠结构后, 非组蛋白则帮助折叠、盘曲, 以形成在复制和转录功能上相对独立的结构域 启动基因的复制启动基因的复制: 以复合物的形式结合在一段特异dna序列上,

20、复合物中包括启动蛋白、dna聚合酶、引物酶等, 启动和推进dna分子的复制。 调控基因的转录调控基因的转录: 一般为基因调控蛋白它们往往以竞争性或协同性结合的方式, 作用于一段特异dna序列上,以调节有关基因的表达非组蛋白的功能非组蛋白的功能 二、染色质的基本结构单位二、染色质的基本结构单位核小体核小体19741974年年kornbergkornberg等人根据电镜观察和染色质的酶切降解，发现等人根据电镜观察和染色质的酶切降解，发现核小体（核小体（nucleosomenucleosome）是染色质包装的基本结构单位，并提出）是染色质包装的基本结构单位，并提出染色质结构的染色质结构的“串珠串珠“

21、模型。模型。 用温和的方法裂解细胞核，将染色质铺展在电镜铜网上，通过电用温和的方法裂解细胞核，将染色质铺展在电镜铜网上，通过电镜观察，未经处理的染色质自然结构为镜观察，未经处理的染色质自然结构为30nm的纤丝，经盐溶液处理后的纤丝，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，念珠的直径为为10nm （1）电镜）电镜实验证据实验证据（2）核酸酶水解从大鼠肝细胞中分离的染色质核酸酶水解从大鼠肝细胞中分离的染色质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用非特异性微球菌核酸酶消化染色质时，经过蔗糖

22、梯度离心及琼脂糖凝胶电泳分析，发现绝大多数泳分析，发现绝大多数dna被降解成大约被降解成大约200bp的片段；如果部分酶解，则的片段；如果部分酶解，则得到的片段的大小是得到的片段的大小是200bp的整数倍。的整数倍。gel electrophoresis after removal of chromatin proteinsanalyzed by electron microscopythe basic repeat unit, containing an average of 200bp of dna associated with a protein particle, is the nu

23、cleosome（3 3）应用）应用x x射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术，研究染色质结晶颗射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术，研究染色质结晶颗粒粒 核小体颗粒是直径为核小体颗粒是直径为11nm11nm、高、高6.0nm6.0nm的扁园柱体，核心组蛋白的构成是先形的扁园柱体，核心组蛋白的构成是先形成（成（h3h3）2,2,（h4h4）2 2四聚体，然后再与两个四聚体，然后再与两个h2ah2ah2bh2b异二聚体结合形成八聚体。异二聚体结合形成八聚体。3-d of nucleosomenature 389:251, 1997 用sv40病毒感染细胞，病毒dna进入细胞后，与宿主的组蛋白结合

24、，形成串珠状微小染色体，电镜观察sv40 dna为环状，周长1 500nm，约5.0kb。若200bp相当于一个核小体，则可形成25个核小体，实际观察到23个，与推断基本一致。（4） sv40微小染色体（微小染色体（minichromosome）分析。）分析。1.1.每个核小体单位包括每个核小体单位包括200bp200bp左右的左右的dnadna超螺旋、一个组蛋白八聚体和超螺旋、一个组蛋白八聚体和一分子一分子h1h1。核小体的结构要点核小体的结构要点:2.2.由由h2ah2a、h2bh2b、h3h3、h4h4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒。各两分子形成八聚体，构成核心颗粒。(h2a-h2b)

25、-(h3-h4)-(h3-h4)-(h2a-h2b)15-50bp3. dna3. dna分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，共分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，共1.751.75圈，约圈，约146bp146bp，组蛋，组蛋白白h1h1在核心颗粒外结合额外在核心颗粒外结合额外20bpdna20bpdna，锁住核小体，锁住核小体dnadna的进出端，起稳定核的进出端，起稳定核小体的作用。小体的作用。core particle4. 4. 两个相邻核小体之间以连接两个相邻核小体之间以连接dna（linker dna）相连）相连 5. 组蛋白与组蛋白与dna之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖之间的

26、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。于核苷酸的特异序列。 rich in positively charged basic amino acids, which interact with the negtively charged phosphate groups in dna6. 核小体沿核小体沿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改变影响基因表达 如非组蛋白与如非组蛋白与dna特异性位点的结合，可影响邻近核小体的相位；特异性位点的结合，可影响邻近核小体的相位； 染色质包装的多级螺旋模型染色质包装的多级

27、螺旋模型 (multiple coiling model) 染色体的骨架染色体的骨架-放射环结构模型放射环结构模型 (scaffold radial loop structure model)三、染色质包装的结构模型三、染色质包装的结构模型核小体的装配是染色体装配的第一步核小体的装配是染色体装配的第一步, dna, dna包装成核小体包装成核小体, , 大大约压缩了约压缩了7 7倍。倍。（一）（一）染色质包装的多级螺旋模型染色质包装的多级螺旋模型一级结构：核小体一级结构：核小体每个碱基对长度为每个碱基对长度为0.34nm ,200个碱基个碱基对的核小体对的核小体dna伸展开来的长度是伸展开来的

28、长度是70nm一个核小体的直经是一个核小体的直经是10nm二级结构：螺线管二级结构：螺线管(solenoid)螺旋管是染色质的二级结构，螺旋管是染色质的二级结构，6 6个核小体缠绕一圈形成的中空性管个核小体缠绕一圈形成的中空性管. . 外外30nm; 30nm; 内内10nm,10nm,组蛋白组蛋白h1h1位于螺旋管内侧。将位于螺旋管内侧。将dnadna分子长度压缩分子长度压缩6 6倍，螺旋倍，螺旋管即为管即为30nm30nm的染色质纤维。的染色质纤维。螺线管进一步螺旋化形成直径为螺线管进一步螺旋化形成直径为0.4m0.4m的圆筒状结构，称的圆筒状结构，称为超螺线管，这是染色体包装的三级结构。

29、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，形成长这种超螺线管进一步螺旋折叠，形成长2 21010m m的染色单体，的染色单体，即染色质包装的四级结构。即染色质包装的四级结构。根据多级螺旋模型，从根据多级螺旋模型，从dnadna到染色体经过四级包装：到染色体经过四级包装：螺线管螺线管超螺线管超螺线管染色单体染色单体dna核小体核小体该模型认为该模型认为30nm 的染色线折叠成环，沿染色体纵轴由中央的染色线折叠成环，沿染色体纵轴由中央向四周伸出，构成放射环。向四周伸出，构成放射环。染色体的骨架染色体的骨架-放射环结构模型放射环结构模型非组蛋白构成的染色体骨架非组蛋白构成的染色体骨架v2nm dna 11nm nucleosome 30nm fiber loop metaphase chromosomeevidence for scaffold radial loop model中期染色体染色质串珠结构dna双螺旋染色质纤维（螺旋管）一段伸展的染色体中期染色体致密区染色质的分类染色质的分类 是指间期细胞内染色质丝折叠是指间期细