细胞生物学翟中和编-第十章-细胞核与染色体--PPT

1、多数细胞的核质比约为多数细胞的核质比约为10% 细胞核改变是病理状况下细胞坏死的主要标志，与正常细胞相比，肿瘤细胞核质比增高肿瘤细胞核质比增高，大小形态参差不齐，呈现异型性，表现为核外形不规则。细胞核结构的电镜照片细胞核结构的电镜照片细胞核结构模式图细胞核结构模式图 核被膜又称核膜，是包围核质，不对称的双层膜，是整个核被膜又称核膜，是包围核质，不对称的双层膜，是整个内膜系统的一部分。内膜系统的一部分。包被在核外的包被在核外的双层膜结构双层膜结构，形成核内特殊，形成核内特殊的微环境，保护的微环境，保护DNA分子免受损伤，使分子免受损伤，使 DNA的复制和的复制和RNA的的翻译表达在时空上分隔开来

2、，染色体定位于核膜上，有利于解翻译表达在时空上分隔开来，染色体定位于核膜上，有利于解旋、复制、凝缩、平均分配到子核，核被膜还是核质物质交换旋、复制、凝缩、平均分配到子核，核被膜还是核质物质交换的通道。的通道。外核膜外核膜核周隙核周隙内核膜内核膜核孔复合体核孔复合体抽提后的核孔复合抽提后的核孔复合体体胞质面胞质面结构结构抽提后的核孔复抽提后的核孔复合体合体核质面核质面结构结构 在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，结构似在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，结构似fish-trap，主要包括以下几，主要包括以下几个部分：个部分：胞质环：位于核孔复合体胞质一侧，环上有胞质环：位于核孔复合体胞质一侧，环

3、上有8条纤维伸向胞质；条纤维伸向胞质；核质环：位于核孔复合体核质一侧，上面伸出核质环：位于核孔复合体核质一侧，上面伸出8条纤维，纤维端部与端环相连，条纤维，纤维端部与端环相连，构成笼子状的结构；构成笼子状的结构；栓：核孔中央的一个栓状的中央颗粒；栓：核孔中央的一个栓状的中央颗粒；辐：核孔边缘伸向核孔中央的突出物辐：核孔边缘伸向核孔中央的突出物。 推测推测100余种不同的多肽，余种不同的多肽，1000多个蛋白质分子，统称为多个蛋白质分子，统称为核孔蛋白核孔蛋白(nucleoporin,Nup)。已在酵母中鉴定到。已在酵母中鉴定到30余种，在余种，在脊椎动物中鉴定到脊椎动物中鉴定到10余种。余种。

4、 核核 内内核核 外外既介导蛋白质的入核入核转运，又介导RNA,核糖核蛋白颗粒出核出核转运。被动扩散被动扩散主动运输主动运输特殊的跨膜运输蛋白复合体，具有双功能，双向性。特殊的跨膜运输蛋白复合体，具有双功能，双向性。一、被动扩散一、被动扩散 是指通过自由扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方是指通过自由扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。向的跨膜转运。 转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量。供代谢能量。 胶体金颗粒穿越核孔，胶体金颗粒穿越核孔，估计核孔中央通道的估计核孔中央通道的直径为直径为12.5nm 核孔复合体作

5、为被动扩散的亲水通道，其有效直径为9-10nm，有的可达12.5nm，即离子，小分子以及直径在10nm以下的物质原则上可以自由通过。核孔复合体的物质运输-被动扩散特殊的跨膜运输蛋白复合体，具有双功能，双向性。特殊的跨膜运输蛋白复合体，具有双功能，双向性。一、被动扩散一、被动扩散二、主动运输二、主动运输 是由是由载体蛋白载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式。浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式。 爪蟾卵母细胞核质蛋白注射试验爪蟾卵母细胞核质蛋白注射试验核定位信号：核定位信号： 亲核蛋白一般都含有特殊的氨基酸序

6、列，这些内含的特殊短肽保证了整个蛋白质能够够通过核孔复合体被转运至细胞核内。这段特殊的氨基酸序列被命名为核定位序列（nuclear localization sequence，NLS）。 第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，它在胞质中合成后很快积累在核中。其NLS为：pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val，即使单个氨基酸被替换，亦失去作用。 NLS由4-8个氨基酸组成，含有Pro、Lys和Arg。对其连接的蛋白质无特殊要求，并且完成核输入后不被切除。 转运复合物转运复合物与与Ran-GTP（小分小分子的子的GTP酶酶）结结合，复合体解散，合，复合体解散，释放出亲

7、核蛋白；释放出亲核蛋白；亲核蛋白从细胞质向细胞核输入的过程示意图亲核蛋白从细胞质向细胞核输入的过程示意图 亲核蛋白通过亲核蛋白通过NLS与与NLS受体受体结合，即结合，即importin /二二聚体结合；形成聚体结合；形成转运复合物。转运复合物。转运转运复合复合物与核孔复物与核孔复合体胞质环合体胞质环上的纤维结上的纤维结合；合；与与Ran-GTP结合结合的的importin ，输出，输出细胞核，在细胞质细胞核，在细胞质中中Ran结合的结合的GTP水解形成水解形成Ran-GDP并与并与importin 解离，解离，Ran-GDP返回细胞返回细胞核重新转换为核重新转换为Ran-GTP；转运复合转运

8、复合物通过改变物通过改变构象的核孔构象的核孔复合体从胞复合体从胞质面被转移质面被转移到核质面。到核质面。 A：细胞核的功能 B：核被膜核被膜与核孔复合体核被膜与核孔复合体 知识框架知识框架：结构结构功能功能外核膜外核膜核周隙核周隙内核膜内核膜核孔复合体核孔复合体BCA外核膜外核膜内核膜内核膜核纤层核纤层蛋白蛋白染色质纤维染色质纤维胞质胞质受体受体核纤层结构模式图核纤层结构模式图染染 色色 质质染色质是细胞生命活动的基础染色质是细胞生命活动的基础染染 色色 质质-成分成分 DNA 组蛋白组蛋白 非组蛋白非组蛋白 少量少量RNADNA 与组蛋白是染色质的稳定成分非组蛋白与RNA的含量随细胞生理状态

9、的不同而变化染染 色色 质质-成分成分-DNA 凡是具有细胞形态的生物其遗传物质都是DNA 只有少数病毒的遗传物质是RNA人类人类基因组基因组计划计划(human genome project, HGP) 人类基因组计划人类基因组计划 曼哈顿原子弹计划曼哈顿原子弹计划 阿波罗计划阿波罗计划 并称为三大科学计划并称为三大科学计划人类基因组计划简介人类基因组计划简介 人类基因组计划(human genome project, HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法兰西共和国、德国 、日本和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。按照这个

10、计划的设想，在2005年，要把人体内约10万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的谱图。换句话说，就是要揭开组成人体10万个基因的30亿个碱基对的秘密。人类基因组计划简介人类基因组计划简介人类基因组计划自1990年启动至2003年结束，历时共13年。最新研究结果显示:研究显示,黑猩猩和人类基因组的DNA序列相似性达到99%环球科技2009封面：人为什么能成为人DNA的分子结构的分子结构磷酸和脱氧核糖DNA构成分子的基本骨架,与其连接的碱基对为随机分布排列，因而形成了DNA分子结构的复杂性和多样性。在这复杂多样的DNA分子中蕴藏着生物界无数的遗传信息。 DNA分子上的每一个片段都是基因吗？分

11、子上的每一个片段都是基因吗？ DNA的分子结构的分子结构三种不同构象的三种不同构象的DNA双螺旋双螺旋人类人类基因组基因组DNA人类基因组高度重复顺序 （ 10%）中度重复顺序 （ 30%）单一或低拷贝顺序 （ 60%）基因及基因有关序列 10%人的每个体细胞中有2套染色体（2n）,故所含的DNA是由两个基因组（genome）构成。每个单倍体基因组约含3.2109bp。人类基因的平均长度为1-1.5kb，所以基因组以足以编码1.5106蛋白质，但实际上编码蛋白质的结构基因只不过2万万2.5万万个，仅占总基因组的2-3。 高度重复顺序 每个基因组中至少含105拷贝 ，每个重复单位的长度大约是10

12、300个bp卫星卫星DNA，重复单位长度，重复单位长度5-100bp.小卫星DNA,重复单位长度12-100bp.高度重复高度重复DNA序列序列 （占脊椎动物基因组（占脊椎动物基因组10%）微卫星DNA,重复单位长度1-5bp.单一顺序单一顺序 高度重复和中度重复约占基因组的高度重复和中度重复约占基因组的60-65仅约仅约10%为基因及基因相关序列为基因及基因相关序列 基因及基因相关序列基因及基因相关序列基基 因因基因相关序列基因相关序列断裂基因断裂基因侧翼序列（启动子，侧翼序列（启动子， 增强子，增强子， 多聚腺苷酸多聚腺苷酸化附加信号）化附加信号）染染 色色 质质-成分成分 DNA 组蛋白

13、组蛋白 非组蛋白非组蛋白 少量少量RNA染染 色色 质质-成分成分 DNA 组蛋白组蛋白 基本结构蛋白，富含带正电荷的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg 和和 Lys 等碱性氨基酸，可以和酸性的等碱性氨基酸，可以和酸性的DNA紧密结合。紧密结合。 与与DNA结合没有序列特异性。结合没有序列特异性。染染 色色 质质-成分成分 DNA 组蛋白组蛋白 非组蛋白非组蛋白 少量少量RNA非组蛋白主要是指与特异DNA序列相结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白。非组蛋白则大多是酸性的酸性的。凝胶延滞实验非组蛋白的特性非组蛋白的特性螺旋-转角-螺旋 锌指 Leu拉链 螺旋-环-螺旋 非组蛋白特异性结

14、合非组蛋白特异性结合DNA的不同结构模式的不同结构模式常染色质和异染色质常染色质和异染色质 间期染色质按其形态特征，活性状态和染色质性能区分为两种类型：常染色质和异染色质。常染色质：指间期细胞核内染色质纤维折叠压缩程度低，相对处于伸展状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。1.构成常染色质的DNA主要是单一序列DNA和中度重复序列DNA。2.处于常染色质状态是基因转录的必要条件，而不是充分条件。异染色质：指间期细胞核内染色质纤维折叠压缩程度高，相对处于聚缩状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质。异染色质又可以分为结构异染色质：结构异染色质：各个类型的细胞中，除复制期以外，在整个细胞周期均处

15、于聚缩状态，DNA组装比在整个细胞周期中基本没有较大变化的染色质。兼性异染色质：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。雌性哺乳类体细胞的核内，两条X染色体之一在发育早期随机发生异染色质化而失活，形成巴氏小体（Barr body）兼性异染色质的总量随不同细胞类型而变化，一般胚胎细胞含量很少，而高度特化的细胞含量较多，说明随着细胞分化，较多的基因渐次以聚凝缩状态关闭，从而再也不能接近基因活化蛋白。如何在一个网球内包含有2km长的细线？人的每个体细胞所含DNA约6x109bp分布在46条染色体中，总长可达2m，平均每条染色体DNA分子长约5

16、m，而细胞核直径只有5-8um，这就意味着从染色质DNA组装成染色体要压缩近万倍，相当于一个网球内包含有2km长的细线。染色质的基本结构单位染色质的基本结构单位核小体核小体盐处理前后的染色质丝的电镜照片A: 自然结构：30nm的纤丝B：解聚的串珠状结构核小体-念珠模型核小体-念珠模型核小体-念珠模型核小体-念珠模型核小体-念珠模型核小体 核小体和螺线管的结构核小体和螺线管的结构DNA 核小体 螺线管 ？ 染色体染色质组装的前期过程被大多科学家认可染色质组装的前期过程被大多科学家认可DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色体一级结构二级结构进一步螺旋化三级结构四级结构染色体骨架示意图染色体骨架示意

17、图非组蛋白构成的染色体非组蛋白构成的染色体骨架和由骨架伸出的无骨架和由骨架伸出的无数的数的DNA侧环侧环染色体的骨架-放射环结构模型： 30nm的螺旋管形成DNA复制环，每18个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质（核骨架）上形成微带（三级结构三级结构），大约106个微带沿纵轴构成子染色体。DNA 核小体 螺线管 （放射环）微带（放射环）微带 染色体第三节第三节 染色质结构与基因活化染色质结构与基因活化按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染色质。活性染色质活性染色质：具有转录活性的染色质。占基因总数的10%左右。非活性染色质：非活性染色质：没有转录活性的染色质。占基因总数的90%左

18、右。活性染色质的主要特征如下活性染色质的主要特征如下：1.活性染色质具有具有DNaseI超敏感位点超敏感位点（指在对染色质进行低DNaseI处理，切割将先发生在少数特异性位点上，这些特异性位点叫做DNaseI超敏感位点），超敏感位点为染色质上无核小体的DNA片段，常位于5，-启动子区，长100-200bp，是起始转录的必要条件。可为RNA聚合酶，转录因子和调控因子提供结合位点。2.活性染色质很少与组蛋白H1结合。3.组蛋白乙酰化乙酰化程度高。4.核小体组蛋白H2B很少磷酸化磷酸化。5.H2A少有变异形式。6.H3的变种只在活性染色质存在。7.HMG14和HMG17（非组蛋白的一种）只存在于活性

19、染色质中。8.组蛋白存在泛素化泛素化修饰。组蛋白修饰组蛋白修饰是指组蛋白在相关酶作用下发生甲基化、乙是指组蛋白在相关酶作用下发生甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修核糖基化等修饰的过程。组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而饰的过程。组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而提供一种识别的标志，为其它蛋白与提供一种识别的标志，为其它蛋白与DNA的结的结 合产生合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转录调控成分，称为协同或拮抗效应，它是一种动态转录调控成分，称为组组蛋白密码蛋白密码。组蛋白赖氨酸残基乙酰化是核小体变构的一种重要方式。乙酰化后的组蛋白

20、赖氨酸侧链不再带有正电荷，这样就失去了与DNA紧密结合的能力，使相邻核小体的聚合受阻。染色体的包装方式染色体的包装方式 染色体是间期细胞染色质结构紧密组装的结果。 它由两条相同的姐妹染色单体构成，彼此以着丝粒。着丝粒（centromere）位于染色体主缢痕的染色质部位，具有保守的着丝粒DNA序列，在其上有特异的动粒（着丝点）蛋白与之相结合。Chapter 12 Cell Cycle 着丝粒着丝粒两侧各有一个由多种蛋白质装配成的3层盘状特化结构，为非染色体性质物质的附加物，称为动粒动粒（着丝着丝点）点）。动粒动粒与染色体的移动有关，纺锤体的纺锤丝（或星射线）微管就附着在着丝点上，并牵引染色体移动

21、 Cohesin (分子胶分子胶, 凝聚蛋白凝聚蛋白,整合素整合素)姐妹姐妹染色单体染色单体之间之间分离分离 APC（有丝分裂后期促进因子）（有丝分裂后期促进因子） 介导介导CyclinB降解，降解， CDK1 活性丧失活性丧失激活分离酶激活分离酶Separase活性活性Chapter 12 Cell Cycle 荧光原位荧光原位杂交显示杂交显示的端粒的端粒（上）和（上）和端粒序列端粒序列（下）（下） 染色体的三种基本序列染色体的三种基本序列特殊形态染色体（特定发育阶段）-巨大染色体多线染色体灯刷染色体来源于核内有丝分裂，核内核内DNA多次复制多次复制产生的子染色体平行排平行排列列，且体细胞内

22、同源染色体配对，紧密结合在一起，从而阻止了染色体纤维进一步聚缩，形成体积很大的由多条染色体组成的结构叫多线染色体。多线染色体上含有一系列交替分布的带和间带带和间带。带区的染色质组装程度比间带染色质高的多，所以带区呈现深染而间带浅染。灯刷染色体灯刷染色体1.核仁是真核细胞间期核仁是真核细胞间期核中最显著的结构。核中最显著的结构。2.没有被膜包裹。没有被膜包裹。核仁核仁核仁结构核仁结构 纤维中心纤维中心 致密纤维成分致密纤维成分 颗粒成分颗粒成分 核仁是一个核仁是一个高度动态高度动态的结构的结构核仁的大小，形态和数目随生物的种类，细胞类型和细胞代谢状态不同而变化不同而变化。蛋白质合成旺盛合成旺盛，活跃生长的细胞（如：分泌细胞，卵母细胞）的核仁大核仁大，可占总核体积的25%不具蛋白质不具蛋白质合成能力的细胞如：肌细胞，休眠的植物细胞，其核仁很小。核仁周期核仁周期：在细胞周期中，进入有丝分裂时期，核仁消失消失；有丝分裂末期，核仁重建重建。功能与核糖体的生物发生核糖体的生物发生相关。包括：rRNA 合成， rRNA加工，和