专题七核基质的结构与组成课件

1、2021-12-11专题七核基质的结构与组成1专题七：专题七：核基质的结构与组成核基质的结构与组成肖尚英医学生物化学与分子生物学研究所2021-12-11专题七核基质的结构与组成2一、细一、细 胞胞 核核 简简 介介n细胞核是细胞进化的里程碑，它是发现最早、细胞核是细胞进化的里程碑，它是发现最早、认识最少的细胞器。认识最少的细胞器。16741674年发现，年发现，18311831年定年定名，认识逐步深入，但仍有许多谜团。名，认识逐步深入，但仍有许多谜团。n细胞核是细胞遗传信息（细胞核是细胞遗传信息（DNADNA）的贮存、复）的贮存、复制和转录的主要场所；真核生物都有一个形制和转录的主要场所；真

2、核生物都有一个形态完整，有核膜包裹的细胞核，对细胞的生态完整，有核膜包裹的细胞核，对细胞的生长、发育、繁殖和遗传、变异起着决定性的长、发育、繁殖和遗传、变异起着决定性的作用。作用。n细胞核由核被膜、染色质、核仁和核基质细胞核由核被膜、染色质、核仁和核基质 组成（图组成（图7-17-1）。）。2021-12-11专题七核基质的结构与组成3图图7-1：真核生物细胞核结构示意图：真核生物细胞核结构示意图 2021-12-11专题七核基质的结构与组成4n在真核细胞核内除染色质、核膜与核仁外，在真核细胞核内除染色质、核膜与核仁外，还有一个以非组蛋白为主的网架结构体系。还有一个以非组蛋白为主的网架结构体系

3、。n这一网架结构体系最初是由这一网架结构体系最初是由Berezney和和Coffey于于19741974年研究大鼠肝细胞核亚微结构时发现年研究大鼠肝细胞核亚微结构时发现的，并首次将之命名为的，并首次将之命名为核基质核基质(nuclear matrix)。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成5n核基质核基质是指真核细胞的细胞核依次去除膜脂、是指真核细胞的细胞核依次去除膜脂、可溶性蛋白及染色质后所残留下来的以非组可溶性蛋白及染色质后所残留下来的以非组蛋白为主的网架结构；蛋白为主的网架结构；n包括核纤层、内部纤维包括核纤层、内部纤维- -颗粒状网架结构体系颗粒状网架结构体系(the inn

4、er fibrogranular network)和核仁基质等和核仁基质等三部分。三部分。2021-12-11专题七核基质的结构与组成6n核基质主要成分除非组蛋白外，还含有少量的核基质主要成分除非组蛋白外，还含有少量的RNARNA和和DNADNA。n核基质蛋白具有组织、细胞特异性，大量研究核基质蛋白具有组织、细胞特异性，大量研究表明核基质不仅在维持细胞核的形态结构；而表明核基质不仅在维持细胞核的形态结构；而且在染色质且在染色质/ /染色体构建、染色体构建、DNADNA复制、基因表达复制、基因表达调控和调控和DNADNA的损伤修复等细胞生命活动中起重的损伤修复等细胞生命活动中起重要作用。要作用。

5、 2021-12-11专题七核基质的结构与组成7（一）核被膜：（一）核被膜：n核被膜是内膜系统一部分，由核被膜是内膜系统一部分，由核膜、核孔复合体核膜、核孔复合体和核纤层和核纤层组成，其上有许多核膜孔。核膜孔是细组成，其上有许多核膜孔。核膜孔是细胞核与细胞质进行物质交换的选择性通道。胞核与细胞质进行物质交换的选择性通道。n核膜由两层膜组成，两膜中间叫核周间隙。核纤核膜由两层膜组成，两膜中间叫核周间隙。核纤层位于核膜内侧，成分为核纤层蛋白。核被膜是层位于核膜内侧，成分为核纤层蛋白。核被膜是控制物质、信息交流的脂双层膜结构，分隔核与控制物质、信息交流的脂双层膜结构，分隔核与质，构成核、质之间的天然

6、选择性屏障质，构成核、质之间的天然选择性屏障（图（图7-27-2）。）。n核被膜可避免生命活动的彼此干扰，保护核被膜可避免生命活动的彼此干扰，保护DNADNA不受不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤。细胞骨架运动所产生的机械力的损伤。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成8图图7-2：核被膜结构示意图：核被膜结构示意图2021-12-11专题七核基质的结构与组成9n核被膜在细胞有丝分裂中有规律地解体与重核被膜在细胞有丝分裂中有规律地解体与重建，新核膜来自旧核膜。核被膜的去组装是建，新核膜来自旧核膜。核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性非随机的，具有区域特异性（domain-spec

7、ific）。以非洲爪蟾的卵提取物为基础的以非洲爪蟾的卵提取物为基础的非细胞核装配体系提供了实验模型。非细胞核装配体系提供了实验模型。n核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期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白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。饰有关。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成101、核膜、核膜 （nuclear membrane）n由内外两层单位膜构成，核周间隙（由内外两层单位膜构成，核周间隙（20-40 nm20-40 nm）充满液态物质；充满液

8、态物质；n核外膜的表面附着核糖体，可与核外膜的表面附着核糖体，可与RERRER相连；相连；n核内膜的内侧有致密纤维蛋白层（核纤层）的核内膜的内侧有致密纤维蛋白层（核纤层）的特异蛋白与核纤层相连，稳定核外形。特异蛋白与核纤层相连，稳定核外形。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成112、核孔复合体、核孔复合体（nuclear pore complex，NPC） n核孔是由核膜内外层局部融合形成，核孔是由核膜内外层局部融合形成，3000-3000-40004000个个/ /细胞。细胞。n核孔复合体结构模型称为核孔复合体结构模型称为fish-trap模型（图模型（图7-7-3 3）。）。20

9、21-12-11专题七核基质的结构与组成12从横向上看，从横向上看，核孔复合体由核孔复合体由周边向核孔中周边向核孔中心依次可分为心依次可分为环、辐、栓三环、辐、栓三种结构亚单位；种结构亚单位；2021-12-11专题七核基质的结构与组成13 从纵向上看，从纵向上看，核孔复合体由核核孔复合体由核外（胞质面）向外（胞质面）向核内（核质面）核内（核质面）依次可分为胞质依次可分为胞质环、辐（十栓）、环、辐（十栓）、核质环三种结构核质环三种结构亚单位，形成亚单位，形成“三明治三明治”式的式的结构。结构。2021-12-11专题七核基质的结构与组成14n核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子核孔复合体主

10、要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为质量约为1-51-510106 6，推测可能含有，推测可能含有100100余种不余种不同的多肽，共同的多肽，共10001000多个蛋白质分子。多个蛋白质分子。n如：如：gp210gp210是一种结构性跨膜蛋白，介导核孔是一种结构性跨膜蛋白，介导核孔复合体与核被膜的连接，将核孔复合体锚定在复合体与核被膜的连接，将核孔复合体锚定在“孔膜区孔膜区”，从而为核孔复合体装配提供一个，从而为核孔复合体装配提供一个起始位点；起始位点；np62p62是一种功能性的核孔复合体蛋白，具有两是一种功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域，可能在核孔复合体功能活动中个功能结构域，

11、可能在核孔复合体功能活动中直接参与核质交换。直接参与核质交换。2021-12-11专题七核基质的结构与组成15n核孔复合体的功能：核孔复合体的功能：n核质与胞质间物质交换通道具有双向选择性；核质与胞质间物质交换通道具有双向选择性；n离子和水溶性小分子通过自由扩散出入，核蛋离子和水溶性小分子通过自由扩散出入，核蛋白运进（具核定位信号白运进（具核定位信号NLSNLS）、）、RNARNA和和RNPRNP颗粒、颗粒、核糖体亚基等物质的通过主动运输运出核糖体亚基等物质的通过主动运输运出。2021-12-11专题七核基质的结构与组成163、核纤层、核纤层（Nuclear lamina） n内核膜内表面有一

12、层电子密度高的蛋白质网络内核膜内表面有一层电子密度高的蛋白质网络结构，称为核纤层（厚度为结构，称为核纤层（厚度为10-20 nm10-20 nm），其化），其化学成分为中间纤维。切面观呈片层结构，整体学成分为中间纤维。切面观呈片层结构，整体观为球形网络。构成核纤层中间纤维的蛋白有观为球形网络。构成核纤层中间纤维的蛋白有3 3种：分别称：种：分别称：lamin A、lamin B、 lamin C。分子量在分子量在60-75 kD60-75 kD之间（图之间（图7-47-4）。）。2021-12-11专题七核基质的结构与组成17图图7-4：核纤层结构示意图：核纤层结构示意图2021-12-11专

13、题七核基质的结构与组成18n一般认为核纤层为核膜与染色质提供了结构支架，一般认为核纤层为核膜与染色质提供了结构支架，并介导核膜及染色质之间的相互作用。并介导核膜及染色质之间的相互作用。n如：如：维持核孔的位置和在有丝分裂间期对细胞维持核孔的位置和在有丝分裂间期对细胞核膜起支撑作用以维持核被膜的形状；核膜起支撑作用以维持核被膜的形状；n为间期染色质提供锚定位点，为分裂期染色体为间期染色质提供锚定位点，为分裂期染色体提供构建附着的位点，介导核膜与染色质之间的提供构建附着的位点，介导核膜与染色质之间的相互作用；相互作用；n与在分裂期调控核膜的解离和重新装配有关。与在分裂期调控核膜的解离和重新装配有关

14、。2021-12-11专题七核基质的结构与组成19n在有丝分裂间期细胞核是分区的，每条染色体在在有丝分裂间期细胞核是分区的，每条染色体在核中各自占据一定的区域，有特定的位置，染色核中各自占据一定的区域，有特定的位置，染色体相对分隔的位置是通过染色体上特异位点附着体相对分隔的位置是通过染色体上特异位点附着于内层核膜（核纤层）来维持的。于内层核膜（核纤层）来维持的。n核纤层存在于内核模和染色质之间，是核形的决核纤层存在于内核模和染色质之间，是核形的决定性因素，与细胞核的各种功能相关，包括定性因素，与细胞核的各种功能相关，包括DNADNA复复制，制，RNARNA转录，细胞核和染色质构建，细胞周期调转

15、录，细胞核和染色质构建，细胞周期调节，细胞发育和分化，凋亡等。节，细胞发育和分化，凋亡等。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成20n新近的研究还表明，核纤层基因的突变可引起多新近的研究还表明，核纤层基因的突变可引起多种遗传病。种遗传病。n核纤层蛋白核纤层蛋白(Lamin)(Lamin)是核被膜内层的纤维蛋白网状是核被膜内层的纤维蛋白网状结构，构成被膜的骨架，是形成核纤层的关键成结构，构成被膜的骨架，是形成核纤层的关键成分，包括分，包括Lamin A/C、Lamin B和一些相关蛋白。和一些相关蛋白。Lamin A/C是其两种不同的剪接体。是其两种不同的剪接体。Lamin A/CLam

16、in A/C可可以和以和pRbpRb相互作用，防止相互作用，防止pRbpRb的降解。的降解。n细胞凋亡时，核纤层蛋白被细胞凋亡时，核纤层蛋白被Caspase-3降解，这是降解，这是凋亡时细胞核结构改变的基础。有研究发现转录凋亡时细胞核结构改变的基础。有研究发现转录活化因子活化因子P300P300的表达能直接改变细胞核的形态。的表达能直接改变细胞核的形态。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成21n在转染在转染P300P300的前列腺癌细胞中，细胞核的形态的前列腺癌细胞中，细胞核的形态发生显著改变的同时发生显著改变的同时Lamin A/C的的mRNAmRNA和蛋白和蛋白量显著增加，说明量

17、显著增加，说明P300P300通过通过Lamin A/C引起细引起细胞核形的改变。胞核形的改变。n核纤层的改变和核型的改变或许会影响染色质核纤层的改变和核型的改变或许会影响染色质的基因位点，进而改变基因表达模式及诱导细的基因位点，进而改变基因表达模式及诱导细胞的恶性转化。胞的恶性转化。2021-12-11专题七核基质的结构与组成22（二）染色质（二）染色质n处于分裂间期的真核细胞，其染色质是由处于分裂间期的真核细胞，其染色质是由DNADNA、组蛋白、其它蛋白和少量的组蛋白、其它蛋白和少量的RNARNA组成的一种线组成的一种线性的复合构造，性的复合构造，19741974年，年，R. Kornbe

18、rg，染色染色质结构的念珠模型，其基本组成单位是核小体质结构的念珠模型，其基本组成单位是核小体（图（图7-57-5）。）。n染色质是遗传物质在间期细胞的存在形式，常染色质是遗传物质在间期细胞的存在形式，常呈网状不规则结构。呈网状不规则结构。n染色体是在真核细胞分裂过程中由染色质丝盘染色体是在真核细胞分裂过程中由染色质丝盘绕螺旋、折叠、聚缩而成的棒状结构。染色质绕螺旋、折叠、聚缩而成的棒状结构。染色质可被苏木精等碱性染料染色，故称染色质。可被苏木精等碱性染料染色，故称染色质。2021-12-11专题七核基质的结构与组成23图图7-5：核小体结构模型：核小体结构模型 2021-12-11专题七核基

19、质的结构与组成241、染色质组成、染色质组成n染色质主要成分是染色质主要成分是DNADNA。n组蛋白：碱性蛋白。分为组蛋白：碱性蛋白。分为H1H1、H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4，其中其中H1H1与染色质高级结构形成有关；其余四种参与染色质高级结构形成有关；其余四种参与核小体的构成，维持染色体结构。组蛋白对与核小体的构成，维持染色体结构。组蛋白对DNADNA复制、转录活性有抑制作用。复制、转录活性有抑制作用。n非组蛋白：酸性蛋白。非组蛋白能解除组蛋白对非组蛋白：酸性蛋白。非组蛋白能解除组蛋白对DNADNA活性的抑止作用，促进活性的抑止作用，促进DNADNA复制和转录。复制和转录

20、。nRNARNA：数量少，来源功能不清。：数量少，来源功能不清。2021-12-11专题七核基质的结构与组成252、染色质的存在形式、染色质的存在形式 n间期的间期的染色质染色质有利于遗传信息的复制和表达，有利于遗传信息的复制和表达，分裂期的分裂期的染色体染色体有利于遗传物质的平均分配。有利于遗传物质的平均分配。染色质和染色体是同一种物质在间期和分裂期染色质和染色体是同一种物质在间期和分裂期的不同存在形式的不同存在形式 。n根据染色后形态的不同，染色质又分常染色质根据染色后形态的不同，染色质又分常染色质和异染色质。和异染色质。2021-12-11专题七核基质的结构与组成26n常染色质一般位于核

21、的中央，是间期核中处于常染色质一般位于核的中央，是间期核中处于伸展状态的伸展状态的DNADNA分子部分，由于其螺旋化程度分子部分，由于其螺旋化程度低，所以着色较浅，具有转录活性，是经常处低，所以着色较浅，具有转录活性，是经常处于功能活跃状态的染色质。于功能活跃状态的染色质。n异染色质多分布在核周缘，紧靠核内膜，少数异染色质多分布在核周缘，紧靠核内膜，少数与核仁相结合或散在于核中。是间期核中高度与核仁相结合或散在于核中。是间期核中高度螺旋化的螺旋化的DNADNA分子部分，由于其螺旋化程度高，分子部分，由于其螺旋化程度高，所以着色很深，很少转录，功能上处于静止状所以着色很深，很少转录，功能上处于静

22、止状态，是低活性的染色质。态，是低活性的染色质。2021-12-11专题七核基质的结构与组成27n结构异染色质结构异染色质：在各种细胞和细胞发育的任何：在各种细胞和细胞发育的任何时期，都为异染色质。常见于染色体的着丝粒、时期，都为异染色质。常见于染色体的着丝粒、端粒。端粒。n兼性异染色质兼性异染色质：仅在某些类型的细胞中或细胞：仅在某些类型的细胞中或细胞发育的某个时期为异染色质。如：女性的发育的某个时期为异染色质。如：女性的X X染染色质。色质。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成283、染色体的结构、染色体的结构nLaemmli提出了染色体提出了染色体“袢环袢环”模型，模型的结构为

23、模型，模型的结构为：（图：（图7-67-6）n非组蛋白构成的纤维网架形成染非组蛋白构成的纤维网架形成染色体支架；色体支架；n螺线管一端与支架结合，另一端螺线管一端与支架结合，另一端向周围呈环状迂回后再回到结合向周围呈环状迂回后再回到结合处形成袢环，每个袢环含处形成袢环，每个袢环含315315个个核小体；核小体；n1818个袢环呈放射平面排列形成微个袢环呈放射平面排列形成微带；带；n微带沿染色体纵轴建成染色体。微带沿染色体纵轴建成染色体。DNADNA袢环袢环非组蛋白非组蛋白（ （核基核基质 质） ）DNADNA袢环袢环非组蛋白非组蛋白（ （核基核基质 质） ）图图7-6：染色体结构模型：染色体结

24、构模型核基质核基质2021-12-11专题七核基质的结构与组成29（三）核仁（三）核仁（necleolus）n核仁是细胞核中没有膜包裹的圆形或椭圆形核仁是细胞核中没有膜包裹的圆形或椭圆形小体。是细胞核中染色最深的部分。是真核小体。是细胞核中染色最深的部分。是真核生物细胞合成生物细胞合成rRNArRNA和装配核糖体的部位。和装配核糖体的部位。n核仁见于间期的细胞核内，呈圆球形，一般核仁见于间期的细胞核内，呈圆球形，一般1-21-2个，也有多达个，也有多达3-53-5个的。个的。n核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近内核膜，核仁的数量和大小因细胞种类和功内核

25、膜，核仁的数量和大小因细胞种类和功能而异能而异。2021-12-11专题七核基质的结构与组成301、核仁的化学组成与形态结构、核仁的化学组成与形态结构n核仁由蛋白质、核仁由蛋白质、RNARNA、DNADNA、少量脂类组成。、少量脂类组成。n核仁没有界膜包围、呈海绵状网络形态，可核仁没有界膜包围、呈海绵状网络形态，可分为四部分：分为四部分：纤维成分：纤维丝，纤维成分：纤维丝，RNARNA和蛋白质；和蛋白质；颗粒成分：高电子密度颗粒，是不同成熟度颗粒成分：高电子密度颗粒，是不同成熟度的核糖体亚单位前体；的核糖体亚单位前体；核仁区染色质：包括核仁周边染色质、核仁核仁区染色质：包括核仁周边染色质、核仁

26、内染色质两部分；内染色质两部分；核仁基质：无结构的蛋白质溶液。核仁基质：无结构的蛋白质溶液。2021-12-11专题七核基质的结构与组成31核仁在电子显微镜下可辨认出有核仁在电子显微镜下可辨认出有3个特征性的区域个特征性的区域（图（图7-7） ：纤维中心纤维中心(fibrillar centers，FC)：是被：是被致密纤维包围的一个致密纤维包围的一个或几个低电子密度的或几个低电子密度的圆形结构，主要成分圆形结构，主要成分为为RNARNA聚合酶和聚合酶和rDNArDNA（rRNArRNA基因），这些基因），这些rDNArDNA是裸露的分子。是裸露的分子。2021-12-11专题七核基质的结构与

27、组成32图图7-7：核仁结构示意图：核仁结构示意图 致密纤维组分致密纤维组分(dense fibrillar component，DFC)：呈环形或：呈环形或半月形包围半月形包围FCFC，由致密的纤维，由致密的纤维构成，是新合成的构成，是新合成的RNPRNP（指结合（指结合蛋白质的蛋白质的rRNArRNA），转录主要发），转录主要发生在生在FCFC与与DFCDFC的交界处。的交界处。颗粒组分颗粒组分(granular component，GC)：由直径：由直径15-15-20nm20nm的颗粒构成，是不同加工的颗粒构成，是不同加工阶段的阶段的RNPRNP。是核糖体亚单位成。是核糖体亚单位成熟和

28、储存的位点。熟和储存的位点。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成332、核仁相随染色质、核仁相随染色质(nucleolar associated chromatin)：n核仁相随染色质分为两部分：核仁相随染色质分为两部分：n一部分位于核仁周围，称为核仁周染色质，属一部分位于核仁周围，称为核仁周染色质，属异染色质；异染色质；n一部分位于核仁内，为常染色质即一部分位于核仁内，为常染色质即核仁组织区核仁组织区（NORNOR），具有组织形成核仁的能力，是），具有组织形成核仁的能力，是rDNArDNA所在的位置。所在的位置。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成343、rRNA基因转录

29、的形态及组织特征基因转录的形态及组织特征 nrRNArRNA基因转录的组织特征，即基因转录的组织特征，即rRNArRNA的信息的信息来源是位于来源是位于NORsNORs的的rDNArDNA。基因转录的形态。基因转录的形态特征呈特征呈“圣诞树圣诞树”样结构。样结构。rRNArRNA前体需加前体需加工和修饰。工和修饰。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成354、核糖体亚单位的组装、核糖体亚单位的组装 n核糖体的生物发生核糖体的生物发生(ribosome biogenesis)过程过程包括包括rRNArRNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配。的合成、加工和核糖体亚单位的装配。n核仁的功能状

30、态：与蛋白质合成有关，一个合核仁的功能状态：与蛋白质合成有关，一个合成蛋白旺盛的细胞，核仁大而明显。成蛋白旺盛的细胞，核仁大而明显。2021-12-11专题七核基质的结构与组成36（四）核基质（四）核基质（nuclear matrix） n核基质旧称核液或核骨架核基质旧称核液或核骨架(nuclear skeleton)，由蛋白纤维组成的网状结构，具有支撑细胞核由蛋白纤维组成的网状结构，具有支撑细胞核和提供染色质附着点的作用。染色质和核仁都和提供染色质附着点的作用。染色质和核仁都被液态的核基质所包围。被液态的核基质所包围。n狭义概念仅指核基质，即细胞核内除了核被膜、狭义概念仅指核基质，即细胞核内

31、除了核被膜、核纤层、染色质与核仁以外的网架结构体系。核纤层、染色质与核仁以外的网架结构体系。n广义概念应包括核基质、核纤层广义概念应包括核基质、核纤层( (或核纤层或核纤层- -核核孔复合体结孔复合体结 构体系构体系) )，以及染色体骨架。，以及染色体骨架。2021-12-11专题七核基质的结构与组成37二、核二、核 基基 质质 概概 述述2021-12-11专题七核基质的结构与组成38n长期以来，对细胞核的研究主要集中于染色质、长期以来，对细胞核的研究主要集中于染色质、核仁和核膜，尤其是注重对核仁和核膜，尤其是注重对DNADNA、RNARNA、组蛋白、组蛋白和核酸酶的研究。和核酸酶的研究。n

32、核骨架曾长期被人们所忽视，直到核骨架曾长期被人们所忽视，直到7070年代中期，年代中期，Berezney和和Coffey等等(1974)(1974)才首次将核骨架才首次将核骨架(nuclear matrix)作为细胞核内独立的结构体系作为细胞核内独立的结构体系进行研究，用非离子去垢剂、核酸酶与高盐缓进行研究，用非离子去垢剂、核酸酶与高盐缓冲液对大鼠肝细胞进行处理，当核膜、染色质冲液对大鼠肝细胞进行处理，当核膜、染色质与核仁被抽提后，发现核内仍存留有一个以纤与核仁被抽提后，发现核内仍存留有一个以纤维蛋白成分为主的网架结构。维蛋白成分为主的网架结构。n19911991年，年，Coffey提出核骨架

33、模型（图提出核骨架模型（图7-87-8）。）。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成39图图7-8：核基质结构示意图：核基质结构示意图 （自Ward & Coffey 1991） 呈网络状的核基质呈网络状的核基质纤维充满核空间，与核纤维充满核空间，与核纤层和核孔复合体相连，纤层和核孔复合体相连，核仁被网络在核基质纤核仁被网络在核基质纤维的网架中。维的网架中。 核基质、核纤层和核基质、核纤层和中等纤维形成一个贯穿中等纤维形成一个贯穿于核质间的统一网架结于核质间的统一网架结构体系。核基质纤维的构体系。核基质纤维的直径为直径为3 33030毫微米。毫微米。2021-12-11专题七核

34、基质的结构与组成40 核基质的主要成分是核基质的主要成分是纤维蛋白，其中相当部纤维蛋白，其中相当部分是含硫蛋白，并含有分是含硫蛋白，并含有少量核糖核酸（少量核糖核酸（RNARNA），），是以蛋白质为主并含有是以蛋白质为主并含有少量少量RNARNA的复合物。的复合物。 是否含有少量脱氧核是否含有少量脱氧核糖核酸（糖核酸（DNADNA），尚属争），尚属争论问题。论问题。2021-12-11专题七核基质的结构与组成41n核基质的功能不仅仅依靠核基质本身的蛋核基质的功能不仅仅依靠核基质本身的蛋白质完成，更重要的是要通过多种核基质白质完成，更重要的是要通过多种核基质结合蛋白的共同参与，完成核基质复杂多结

35、合蛋白的共同参与，完成核基质复杂多样的生物学功能。样的生物学功能。n长期以来人们对此进行了大量的研究并证长期以来人们对此进行了大量的研究并证实一些与实一些与DNADNA、RNARNA代谢合成密切相关的酶代谢合成密切相关的酶类，细胞信号识别和细胞周期的调控因子类，细胞信号识别和细胞周期的调控因子以及病毒特异的调控蛋白等能够紧密结合以及病毒特异的调控蛋白等能够紧密结合在核骨架结构上。在核骨架结构上。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成42核基质具有广泛生物学效应核基质具有广泛生物学效应n它可能参与染色体它可能参与染色体DNADNA有序包装和构建；有序包装和构建；n对于有丝分裂间期核内对于

36、有丝分裂间期核内DNADNA有规律的空间构有规律的空间构型起着维系和支架作用；型起着维系和支架作用；n可能是可能是DNADNA复制的基本位点；复制的基本位点；n与基因表达密切有关，可能是细胞核中与基因表达密切有关，可能是细胞核中RNARNA转录位点和核不均一转录位点和核不均一RNARNA（hnRNAhnRNA）加工场所。）加工场所。n由于核基质与由于核基质与DNADNA复制，复制，RNARNA转录和加工，染转录和加工，染色体组装及病毒复制等生命活动密切相关，色体组装及病毒复制等生命活动密切相关，故日益受到重视。故日益受到重视。2021-12-11专题七核基质的结构与组成43（一）核基质的形态结

37、构（一）核基质的形态结构n近年来，核骨架的研究取得很大进展，成为细近年来，核骨架的研究取得很大进展，成为细胞生物学研究的一个新的生长点。胞生物学研究的一个新的生长点。n由于细胞核内物质密度较大，且有大量染色质由于细胞核内物质密度较大，且有大量染色质纤维，直接在原位研究核骨架的形态结构及成纤维，直接在原位研究核骨架的形态结构及成分相当困难。分相当困难。n在核骨架研究中，一般首先分离核骨架，然后在核骨架研究中，一般首先分离核骨架，然后研究其结构成分及功能。研究其结构成分及功能。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成44n最早是最早是Coffey等用非离子去垢剂、核酸酶与高盐缓冲液等用非离子

38、去垢剂、核酸酶与高盐缓冲液(2 mol/L NaCl) )处理细胞核，分离核骨架。处理细胞核，分离核骨架。nPenmanPenman等建立的细胞分级抽提方法等建立的细胞分级抽提方法, ,先用非离子去垢剂处先用非离子去垢剂处理细胞，溶解膜结构系统，胞质中可溶性成分随之流失，理细胞，溶解膜结构系统，胞质中可溶性成分随之流失，主要存留细胞骨架体系。再用主要存留细胞骨架体系。再用Tween 40Tween 40和脱氧胆酸钠处理，和脱氧胆酸钠处理，胞质中的微管、微丝与一些蛋白结构被溶去，胞质中只有胞质中的微管、微丝与一些蛋白结构被溶去，胞质中只有中间纤维网能完好存留。然后用核酸酶与中间纤维网能完好存留。

39、然后用核酸酶与0.25 mol/L0.25 mol/L硫酸硫酸铵处理，染色质中铵处理，染色质中DNADNA、RNARNA和组蛋白被抽提，最终核内呈和组蛋白被抽提，最终核内呈现一个精细发达的核骨架网络，结合非树脂包埋现一个精细发达的核骨架网络，结合非树脂包埋- -去包埋去包埋剂电镜制样方法，可清晰地显示核骨架剂电镜制样方法，可清晰地显示核骨架- -核纤层核纤层- -中间纤维中间纤维结构体系结构体系( (图图7-9)7-9)。n此后，又有更接近于生理条件的核骨架制备方法出现，如此后，又有更接近于生理条件的核骨架制备方法出现，如用用3,5-3,5-二碘水杨酸锂二碘水杨酸锂(LIS)(LIS)处理细胞

40、核来分离核骨架。处理细胞核来分离核骨架。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成45图图7-9：核基质电镜图：核基质电镜图 核骨架的形态结构根据不同核骨架的形态结构根据不同报道有所差异，报道有所差异，Berezney与与Coffey(1974)974)等采用高盐溶液等采用高盐溶液2 molL NaCl处理，在核内显示处理，在核内显示一个以纤维蛋白成分为主的核一个以纤维蛋白成分为主的核基质基质(nuclear matrix)；Penman等采用比较温和的细胞分级抽等采用比较温和的细胞分级抽提方法，在核内显示出精细发提方法，在核内显示出精细发达的核骨架纤维网络，核骨架达的核骨架纤维网络，核骨

41、架纤维直径为纤维直径为3-30 nm3-30 nm，估计单丝，估计单丝直径约直径约3-4 nm3-4 nm，粗纤维可能是，粗纤维可能是单纤维的复合体；单纤维的复合体；2021-12-11专题七核基质的结构与组成46o也有报道认为核也有报道认为核骨架核心纤维骨架核心纤维(core filament)的直径为的直径为9nm9nm。核仁与染色。核仁与染色质网络位于核骨架质网络位于核骨架纤维网络中，核内纤维网络中，核内骨架与核纤层有丰骨架与核纤层有丰富的纤维联络，构富的纤维联络，构成统一的核骨架网成统一的核骨架网络。络。2021-12-11专题七核基质的结构与组成47(二二)核基质的成分核基质的成分

42、n核基质的组成较为复杂，主要组分有三类：核基质的组成较为复杂，主要组分有三类：n非组蛋白性纤维蛋白，分子量非组蛋白性纤维蛋白，分子量40-60KD40-60KD，占，占96%96%以上，其中相当一部分是含硫蛋白，其二硫键具以上，其中相当一部分是含硫蛋白，其二硫键具有维持核骨架结构完整性的作用；除纤维蛋白外，有维持核骨架结构完整性的作用；除纤维蛋白外，还有还有1010多种次要蛋白质，包括肌动蛋白和波形蛋多种次要蛋白质，包括肌动蛋白和波形蛋白，后者构成核骨架的外罩；核骨架碎片中还存白，后者构成核骨架的外罩；核骨架碎片中还存在三种支架蛋白在三种支架蛋白（scaffold proteins，SC、SC

43、、SC)，SC、III的功能尚不明确，的功能尚不明确，SCSC是是DNADNA拓朴异构酶拓朴异构酶。2021-12-11专题七核基质的结构与组成48n少量少量RNARNA和和DNADNA，RNARNA对维持核骨架的三维结对维持核骨架的三维结构是必需的，而构是必需的，而DNADNA称为基质或支架附着区称为基质或支架附着区（matrix/scaffold associated region, MAR或SAR），通常为富含通常为富含ATAT的区域。的区域。n少量磷脂（少量磷脂（1.6%1.6%）和糖类（）和糖类（0.9%0.9%）。）。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成49n核骨架纤维粗

44、细不等，直径为核骨架纤维粗细不等，直径为3-30 nm3-30 nm，形成，形成三维网络结构与核纤层，与核孔复合体相接，三维网络结构与核纤层，与核孔复合体相接，将染色质和核仁网络在其中。将染色质和核仁网络在其中。n核骨架核骨架- -核纤层核纤层- -中间纤维三者相互联系形成一中间纤维三者相互联系形成一个贯穿于核、质间的统一网络系统。这一系统个贯穿于核、质间的统一网络系统。这一系统较微管、微丝具有更高的稳定性。较微管、微丝具有更高的稳定性。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成50n核骨架不象胞质骨架，诸如：微丝、微管和中核骨架不象胞质骨架，诸如：微丝、微管和中间纤维那样，由非常专一的蛋

45、白成分组成，不间纤维那样，由非常专一的蛋白成分组成，不同类型细胞核骨架成分可能有较大差别。同类型细胞核骨架成分可能有较大差别。n目前已测定的核骨架蛋白有数十种，这些蛋白目前已测定的核骨架蛋白有数十种，这些蛋白可以分为两类：一类是各种类型的细胞共有的；可以分为两类：一类是各种类型的细胞共有的；另一类则与细胞类型及分化程度相关。另一类则与细胞类型及分化程度相关。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成51n目前关于核骨架蛋白的确切组分尚未取得共识，目前关于核骨架蛋白的确切组分尚未取得共识，这也是核骨架研究中争议较多之处。这也是核骨架研究中争议较多之处。n分离鉴定功能性的核骨架蛋白是目前核骨架

46、研究分离鉴定功能性的核骨架蛋白是目前核骨架研究一个重要领域，比较确定的成分有：一个重要领域，比较确定的成分有：n(1)DNA(1)DNA拓扑异构酶拓扑异构酶：是间期细胞核骨架和分裂：是间期细胞核骨架和分裂期染色体骨架的重要成分之一；期染色体骨架的重要成分之一；n(2)(2)核基质蛋白核基质蛋白（nuclear matrin）：有：有matrin D，E，F，G和和4 4等，定位于核基质，且呈现纤维颗粒等，定位于核基质，且呈现纤维颗粒样分布，很可能是核基质上样分布，很可能是核基质上DNA-loop的结合蛋白；的结合蛋白； 2021-12-11专题七核基质的结构与组成52n(3)Nuc2+(3)N

47、uc2+蛋白：蛋白：Nuc2+Nuc2+蛋白是蛋白是S Spombe(pombe(一种酿酒用的一种酿酒用的酵母酵母) )的的Nuc2+Nuc2+基因编码的蛋白，分子量为基因编码的蛋白，分子量为76kD76kD。Nuc2+Nuc2+基因在有丝分裂染色体分离过程中起重要作用，基因在有丝分裂染色体分离过程中起重要作用，Nuc2+Nuc2+蛋白存在于核基质以及染色体骨架蛋白存在于核基质以及染色体骨架(chromosome scaffold)组分当中，而且与富含组分当中，而且与富含ATAT的的DNADNA序列有特异的序列有特异的亲和性；亲和性；n(4)(4)附着区结合蛋白附着区结合蛋白(attachme

48、nt region binding protein，ARBP)能够特异地与能够特异地与MARMAR序列结合，而且在各种组织序列结合，而且在各种组织中广泛存在，不具有组织特异性；中广泛存在，不具有组织特异性；n(5)(5)核内肌动蛋白核内肌动蛋白(actin)，肌动蛋白不仅存在于核基，肌动蛋白不仅存在于核基质组分中，而且很可能在质组分中，而且很可能在mRNAmRNA的合成过程中起重要的的合成过程中起重要的作用。作用。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成53n有丝分裂器蛋白有丝分裂器蛋白(nuclear mitotic apparatus protein，NuMA)是形成和维持有丝分裂纺

49、锤是形成和维持有丝分裂纺锤体极所必需的成分，属核基质的基础蛋白。体极所必需的成分，属核基质的基础蛋白。n分裂末期，分裂末期，NuMANuMA从纺锤体极中释放出并转移至从纺锤体极中释放出并转移至新形成的子核中。在细胞间期，新形成的子核中。在细胞间期，NuMANuMA的作用如的作用如何目前知之甚少。何目前知之甚少。n正常时，正常时，NuMANuMA在核内弥散分布。细胞凋亡时，在核内弥散分布。细胞凋亡时，其分布方式则发生明显的改变，首先变得浓缩、其分布方式则发生明显的改变，首先变得浓缩、集中在核的中央区，最终围绕在凋亡小体及核集中在核的中央区，最终围绕在凋亡小体及核碎片的周围，说明碎片的周围，说明N

50、uMANuMA是细胞凋亡的靶蛋白之。是细胞凋亡的靶蛋白之。2021-12-11专题七核基质的结构与组成54n肌动蛋白肌动蛋白(actin)是首先在细胞质中发现的一种是首先在细胞质中发现的一种收缩蛋白，近年的研究表明，肌动蛋白也存在收缩蛋白，近年的研究表明，肌动蛋白也存在于细胞核，是一种核基质蛋白。肌动蛋白有二于细胞核，是一种核基质蛋白。肌动蛋白有二种存在方式，即种存在方式，即G-G-肌动蛋白肌动蛋白(globular actin)和和F-F-肌动蛋白肌动蛋白(filamentous actin)，肌动蛋白以肌动蛋白以F-F-肌动蛋白方式完成其生理功能。肌动蛋白方式完成其生理功能。n在生理状态，

51、肌动蛋白维持细胞核的完整性，在生理状态，肌动蛋白维持细胞核的完整性，参与从染色质重组到剪切的多种功能。参与从染色质重组到剪切的多种功能。p53p53在在修复修复DNADNA损伤时，与肌动蛋白的动态结合增加。损伤时，与肌动蛋白的动态结合增加。细胞凋亡时，肌动蛋白重排，其收缩参与细胞细胞凋亡时，肌动蛋白重排，其收缩参与细胞核的碎裂和凋亡小体的形成。核的碎裂和凋亡小体的形成。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成55nDNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶II II ( Topoisomerase II，Topo II)是是生物体内广泛存在的一类核蛋白，通过调节核酸生物体内广泛存在的一类核蛋白，通

52、过调节核酸结构动态变化，在结构动态变化，在DNADNA复制、修复、转录、重组以复制、修复、转录、重组以及染色体分离等生命活动中发挥重要作用。此外，及染色体分离等生命活动中发挥重要作用。此外，Topo IITopo II与肿瘤发生、发展以及治疗和预后等方面与肿瘤发生、发展以及治疗和预后等方面有密切联系。有密切联系。n作为重要的核基质蛋白和染色体结构蛋白，作为重要的核基质蛋白和染色体结构蛋白，Topo Topo IIII能够作用于能够作用于DNADNA的核基质结合区的核基质结合区(Matrix association regions, MARs)，参与，参与DNADNA与细胞核基与细胞核基质和染色

53、体骨架的连接。质和染色体骨架的连接。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成56nMARsMARs的功能十分重要，它不但是许多基因复制的功能十分重要，它不但是许多基因复制的起点，而且许多转录因子，以及基因表达也的起点，而且许多转录因子，以及基因表达也与其有密切联系。与其有密切联系。nMARsMARs的另一个特点是，其的另一个特点是，其DNADNA上富含上富含A-TA-T序列。序列。相对于相对于G-CG-C序列，序列，A-TA-T序列的表现为熔点低，物序列的表现为熔点低，物理性质不稳定，更容易受内在和外在因素影响理性质不稳定，更容易受内在和外在因素影响等特点。等特点。n研究表明研究表明:M

54、ARS:MARS是是DNaseDNase超敏感区和易解离点，超敏感区和易解离点，细胞凋亡早期，细胞凋亡早期，TopoIIaTopoIIa蛋白水解，可导致蛋白水解，可导致MARsMARs区从细胞核骨架脱落，区从细胞核骨架脱落，DNADNA断裂成断裂成50-300 50-300 kbkb大分子片段。因此，大分子片段。因此，Topo IIaTopo IIa与细胞凋亡的与细胞凋亡的关系甚为密切。关系甚为密切。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成57(三三)核基质结合蛋白核基质结合蛋白 n核基质的功能不仅仅依靠核基质本身的蛋白质完核基质的功能不仅仅依靠核基质本身的蛋白质完成，更重要的是要通过多

55、种核基质结合蛋白的共成，更重要的是要通过多种核基质结合蛋白的共同参与，完成核基质复杂多样的生物学功能。同参与，完成核基质复杂多样的生物学功能。n长期以来人们对此进行了大量的研究并证实一些长期以来人们对此进行了大量的研究并证实一些与与DNADNA、RNARNA代谢合成密切相关的酶类，细胞信号代谢合成密切相关的酶类，细胞信号识别和细胞周期的调控因子以及病毒特异的调控识别和细胞周期的调控因子以及病毒特异的调控蛋白等能够紧密结合在核骨架结构上。蛋白等能够紧密结合在核骨架结构上。n近年来已证实的核基质结合蛋白见表近年来已证实的核基质结合蛋白见表7-17-1。2021-12-11专题七核基质的结构与组成5

56、8表表7-1：核基质结合蛋白：核基质结合蛋白2021-12-11专题七核基质的结构与组成59(四四)核基质的功能核基质的功能n核基质具有细胞核骨架的功能：核基质具有细胞核骨架的功能：n为为DNADNA的复制提供支架，的复制提供支架，DNADNA是以复制环的形是以复制环的形式锚定在核骨架上的，核骨架上有式锚定在核骨架上的，核骨架上有DNADNA复制所复制所需要的酶，如：需要的酶，如：DNADNA聚合酶聚合酶、DNADNA引物酶、引物酶、DNADNA拓朴异构酶拓朴异构酶IIII等。等。2021-12-11专题七核基质的结构与组成60nDNADNA的自主复制序列（的自主复制序列（ARSARS）也是结

57、合在核骨）也是结合在核骨架上，是基因转录加工的场所，架上，是基因转录加工的场所，RNARNA的转录同的转录同样需要样需要DNADNA锚定在核骨架上才能进行，核骨架锚定在核骨架上才能进行，核骨架上有上有RNARNA聚合酶的结合位点，使之固定于核骨聚合酶的结合位点，使之固定于核骨架上，架上，RNARNA的合成是在核骨架上进行的。的合成是在核骨架上进行的。n新合成的新合成的RNARNA也结合在核骨架上，并在这里进也结合在核骨架上，并在这里进行加工和修饰。行加工和修饰。2021-12-11专题七核基质的结构与组成61n与染色体构建有关，现在一般认为核骨架与染与染色体构建有关，现在一般认为核骨架与染色体

58、骨架为同一类物质，色体骨架为同一类物质，30nm30nm的染色质纤维就是的染色质纤维就是结合在核骨架上，形成放射环状的结构，在分裂结合在核骨架上，形成放射环状的结构，在分裂期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体（图期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体（图7-107-10）。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成62n早在早在7070年代，人们即已能在分子水平上对年代，人们即已能在分子水平上对DNADNA进行操作，但对如此长的进行操作，但对如此长的DNADNA分子在细胞核这分子在细胞核这样小的空间内如何折叠组装知之甚少。样小的空间内如何折叠组装知之甚少。n核骨架的研究使人们对细胞核的结

59、构组装有了核骨架的研究使人们对细胞核的结构组装有了新的认识。一般认为，核骨架为细胞核内组分新的认识。一般认为，核骨架为细胞核内组分提供了一个结构支架，细胞核内许多重要的生提供了一个结构支架，细胞核内许多重要的生命活动与核骨架有关。命活动与核骨架有关。 2021-12-11专题七核基质的结构与组成631、核骨架与、核骨架与DNA复制复制 nJacob等等(1963)(1963)就曾设想真核细胞中就曾设想真核细胞中DNADNA复制可能复制可能需要一个结构支架需要一个结构支架(structure framework) )，原核细，原核细胞的胞的DNADNA复制是结合在细胞膜上进行的。复制是结合在细胞

60、膜上进行的。n在真核细胞中是否存在类似的支撑结构？在真核细胞中是否存在类似的支撑结构？DNADNA的复的复制是否结合在核膜上进行？研究表明真核细胞中制是否结合在核膜上进行？研究表明真核细胞中DNADNA复制与核膜没有直接的关系，更无专一的结合复制与核膜没有直接的关系，更无专一的结合位点。位点。n7070年代中期，染色质结构的研究取得了突破性进年代中期，染色质结构的研究取得了突破性进展，核小体作为染色体基本结构单位的发现具有展，核小体作为染色体基本结构单位的发现具有十分重要的意义，但并没有回答真核细胞中十分重要的意义，但并没有回答真核细胞中DNADNA复复制和基因表达的空间支架是什么的问题。制和基因表达