第八讲 细胞核、核糖体与基因表达

1、2015. 11. 19细胞核细胞核基因（基因（gene）与基因组（）与基因组（genome） 遗传基本单位，携带某种蛋白质或RNA分子的遗传信息。具有特定功能的连续的(脱氧)核糖核酸(DNA/RNA)，是染色体(chromosome)的组成部分。 一个生物储存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该物种的基因组。包括所有基因和基因间序列。人类基因组约30亿碱基对(base pairs，bp)。基因如何控制形状？基因如何控制形状？ 等位基因（allele）：同源染色体（ homologous chromosomes ）的相同位置上，控制相对性状的一对基因。非编码区（非编码区（non-coding

2、DNA）生物种类生物种类基因组（基因组（M）基因总数基因总数蛋白质总数蛋白质总数大肠杆菌4.73,0004,300线虫10020,00019,000拟南芥12529,00025,000河豚36538,000-家鼠3,00034,000-人类3,00034,00050,000 细胞核结构细胞核结构细胞核结构 核膜 核周间隙 核孔复合体 核纤层 核仁 核基质 染色质细胞核功能1、遗传物质贮存、复制、表达的场所。2、细胞的控制中心，对细胞的分裂、生长、分化有重要的作用。 结构与功能对应结构与功能对应 （一）核被膜（一）核被膜（nuclear envelope） 核膜：双层膜，外膜延伸与粗面内质网相连

3、控制蛋白质合成 核周间隙（perinuclear space） 核纤层（nuclear lamina）：纤维蛋白，紧贴内层膜 核孔（nuclear pore complex, NPC） 核被膜核被膜功能功能l保护“司令部”l分隔核质l物质信息交流核孔复合体NPC在核被膜上非随机地分布，穿过双层核膜，构成核质之间亲水性的物质转运通道。 核孔在核膜分布数目变化较大，和细胞转录活性有关核孔在核膜分布数目变化较大，和细胞转录活性有关 哺乳类细胞平均约哺乳类细胞平均约1111个个m m2 2； 人淋巴细胞人淋巴细胞3-43-4个个m m2 2， HelaHela细胞细胞46468 8个个m m2 2；

4、爪蟾卵母细胞高达爪蟾卵母细胞高达5151个个m m2 2NPC分子量？分子量？核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为125106，推测可能含有100余种不同的多肽，共1 000多个蛋白质分子。胞质环(cytoplasmic ring)：外环，环上8条短纤维对称分布伸向胞质；核质环(nuclear ring) ：内环，8条细长的纤维末端形成一个直径为60 nm的小环；与核质“cable”的网络通道相连通。 辐(spoke)：呈辐射状八重对称。分为三个结构域：柱状亚单位(column subunit)、腔内亚单位(luminal subunit)、环带亚单位(annular subuni

5、t)；栓：或称中央栓(central plug)，呈颗粒状或棒状，又称为中央颗粒(central granule)。核蓝(nuclear basket) / 捕鱼笼(fish-trap)fish-trap末端小环8个颗粒上又发出8条细长的纤维(cable)，相互交叉使cable成为遍布核质、相互贯通的复杂网络核纤层（核纤层（nuclear laminanuclear lamina）的功能）的功能 1.1.为核被膜、核孔复合体及染色质提供结构支持。为核被膜、核孔复合体及染色质提供结构支持。 2.2.分裂期中核纤层的可逆性解聚与重新装配对核分裂期中核纤层的可逆性解聚与重新装配对核膜的崩解与装配有调

6、节作用。膜的崩解与装配有调节作用。 分裂前期核纤层的解聚为核膜崩解形成膜泡提供了必要的微环境。 分裂中期核纤层蛋白结合在核膜小泡上。 分裂末期，当核纤层蛋白去磷酸化与重装配时，直接介导了核膜围绕染色体的重装配。 （核）仁（核）膜消失双体（染色体、纺垂体）现 核膜在细胞周期中崩解与装配核膜在细胞周期中崩解与装配（二）染色质（二）染色质（chromatin）染色质是细胞间期细胞核内能被碱性染料染色的物质。染色质是细胞间期细胞核内能被碱性染料染色的物质。由由DNA、蛋白质（组蛋白和非组蛋白）和少量蛋白质（组蛋白和非组蛋白）和少量RNA组成。组成。染色质类型：染色质类型：常染色质常染色质、 异染色质异

7、染色质染色质成分：染色质成分：DNA分子分子+蛋白蛋白 蛋白质：蛋白质：组蛋白组蛋白、非、非组蛋白组蛋白染色质结构：染色质结构： 念珠状细丝念珠状细丝 核小体：核小体：4对组蛋白（对组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）构成核心，）构成核心，DNA分子分子链缠绕在核心外链缠绕在核心外 H1组蛋白起连接作用，赋予染色质以极性，推测在染色质活化过组蛋白起连接作用，赋予染色质以极性，推测在染色质活化过程中起作用程中起作用chromosome 常染色质常染色质(euchromatin) 概念：在有丝分裂完成之后概念：在有丝分裂完成之后, 能够转变成间期松散状态能够转变成间期松散状态的染色体部分。的染色体

8、部分。 常染色质在分裂期染色常染色质在分裂期染色深深, 但在间期染色但在间期染色浅浅。一般而言。一般而言, 常染色质是常染色质是具有转录活性区具有转录活性区, 是基因区是基因区 。 异染色质异染色质(heterochromatin) 概念概念：在：在有丝分裂完成之后有丝分裂完成之后, 大多数高度压缩的染色体大多数高度压缩的染色体要转变成间期的松散状态。但是，大约有百分之十的染要转变成间期的松散状态。但是，大约有百分之十的染色质在整个间期仍然保持色质在整个间期仍然保持压缩状态压缩状态，将这种染色质称为，将这种染色质称为异染色质异染色质。组蛋白组蛋白(histone) 真核生物染色体的基本结构蛋白

9、，是一类小分子碱性蛋真核生物染色体的基本结构蛋白，是一类小分子碱性蛋白质白质, 有五种类型：有五种类型：H1 、H2A 、H2B 、H3 、H4，它们富，它们富含带正电荷的碱性氨基酸，能够同含带正电荷的碱性氨基酸，能够同DNA中带负电荷的磷中带负电荷的磷酸基团相互作用。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DNA的含量之比为的含量之比为1:1。 组蛋白的基因非常保守。亲缘关系较远的种属中，四种组蛋白的基因非常保守。亲缘关系较远的种属中，四种组蛋白组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)氨基酸序列都非常相似氨基酸序列都非常相似, 如如海胆组织海胆组织H3的氨基酸序列与来自小牛胸腺的的

10、氨基酸序列与来自小牛胸腺的H3的氨基酸序列间只的氨基酸序列间只有一个氨基酸的差异有一个氨基酸的差异, 小牛胸腺的小牛胸腺的H3的氨基酸序列与豌豆的的氨基酸序列与豌豆的H3也只也只有有4个氨基酸不同。个氨基酸不同。 不同生物的不同生物的H1序列变化较大，在某些组织中，序列变化较大，在某些组织中，H1被特殊被特殊的组蛋白所取代。如成熟的鱼类和鸟类的红细胞中的组蛋白所取代。如成熟的鱼类和鸟类的红细胞中H1 则则被被H5 所取代，精细胞中则由精蛋白代替组蛋白。所取代，精细胞中则由精蛋白代替组蛋白。非组蛋白非组蛋白(nonhistone proteins) 非组蛋白是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质。非

11、组蛋白是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质。 非组蛋白包括非组蛋白包括: DNA作为底物的酶。作为底物的酶。 作用于组蛋白的一些酶作用于组蛋白的一些酶, 如组蛋白甲基化酶。如组蛋白甲基化酶。 DNA结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白。结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白。 非组蛋白常常与非组蛋白常常与DNA或组蛋白结合，所以在染色质或染色或组蛋白结合，所以在染色质或染色体中也有非组蛋白的存在，如染色体骨架蛋白。体中也有非组蛋白的存在，如染色体骨架蛋白。DNA与染色质小体、染色质、染色体的关系 组蛋白H1和核小体结构又称染色质小体(chromotosome)染色体染色体DNA的的3种功能元件种功能元

12、件（functionnal elements） DNADNA复制起点，自主复制序列（复制起点，自主复制序列（autonomously autonomously replicating sequencereplicating sequence，ARSARS）：自我复制，细）：自我复制，细胞世代传递连续性胞世代传递连续性 着丝粒（着丝粒（centromerecentromere，CENCEN）：已复制染色体平）：已复制染色体平均分配到子细胞均分配到子细胞 端粒（端粒（telomeretelomere，TELTEL）：）：“末端复制问题末端复制问题”，telomerasetelomerase巨大染色

13、体（巨大染色体（giant chromosome） 多线染色体（多线染色体（ployteneploytene chromosome chromosome） 灯刷染色体（灯刷染色体（lamp-brush chromosomelamp-brush chromosome）核型（核型（karyotype）分析）分析 核型核型/ /染色体组型，染色体组在有丝分裂中期的染色体组型，染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征等。表型，包括染色体数目、大小、形态特征等。 将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘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制

14、下来，再按长短、形态等特征排列起来的图像称为核型模式图（像称为核型模式图（idiogramidiogram）。）。 核型分析对于探讨人类遗传病的机制、物种亲核型分析对于探讨人类遗传病的机制、物种亲缘关系与进化、远缘杂交的鉴定等具有重要意缘关系与进化、远缘杂交的鉴定等具有重要意义。义。（三）核基质（三）核基质（nuclear matrix）形态：纤维网状形态：纤维网状成分：蛋白质成分：蛋白质功能：对核有支持作用，功能：对核有支持作用，染色质附着点，与染色质附着点，与DNA复制和基因表达密切相关。复制和基因表达密切相关。核基质是由蛋白质组成的细胞核内的网络结构，分布在整个细胞核内，参与和支持DNA

15、的各种功能, 包括DNA复制、转录、加工、接收外部信号以及维持染色质的结构等，作用方式主要是提供作用位点。这种结构又称为核骨架（nuclear skeleton）。 高等细胞的间期核内除染色质与核仁外，还发现许多形态上不同的亚核结构域（subnuclear domain），统称核体（nuclear bodies，NBs）。（四）核仁（四）核仁（nucleolus） 真真核细胞间期核细胞间期核中最明显的结核中最明显的结构。构。 是是细胞核内细胞核内rRNA转录、加工，转录、加工，并组装成核糖体亚基的功能结并组装成核糖体亚基的功能结构区域构区域。 核仁的大小、形状和数目随生核仁的大小、形状和数目随

16、生物的种类、细胞类型和细胞代物的种类、细胞类型和细胞代谢状态而变化。谢状态而变化。 核仁中主要含蛋白质核仁中主要含蛋白质(80%)、RNA(10%) 、少量、少量DNA和脂类。和脂类。 结构特点：结构特点：(1)(1)没有膜包被没有膜包被； (2) (2)具核仁周期具核仁周期。 核仁分布、数量及功能核仁分布、数量及功能蛋白质合成旺盛、代谢活跃的细胞，如分泌细胞、卵母细胞的核仁大，可占核体积的25%。不具蛋白质合成能力的细胞如肌肉细胞、休眠的植物细胞，其核仁很小。大多数细胞只含有一个或两个核仁，但也有少数细胞含有多个甚至上千个核仁。核仁的主要功能是进行核糖体RNA的合成。核糖体的生物发生核糖体的

17、生物发生(ribosome biogenesis)是一个向量过程是一个向量过程(vetorical process)：从核仁纤维组分开始，再向颗粒组分延续。：从核仁纤维组分开始，再向颗粒组分延续。 这一过程包括这一过程包括rRNA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。 核糖体（核糖体（ribosome）古老而复杂、高效而精巧“微型机器” 核糖体的产生？ 核糖(核酸)核蛋白体(ribonucleoprotein particle, RNP)，简称核糖体或核蛋白体 核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器：惟一功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链 原核细胞、线粒

18、体、叶绿体均含有核糖体； 目前仅发现极少特化细胞(无核红细胞)无核糖体 核糖体类型分布核糖体类型分布 结合核糖体(membrane) bound ribosome) 糙面内质网(rough endoplasmic reticulum, ER) 游离核糖体(free ribosome) 滑面内质网(smooth ER) 分布在细胞内蛋白质合成旺盛的区域。 在指数生长的细菌中，数以万计ribosome/cell，可达细胞 干重的_%；饥饿细胞中，几百个ribosome/cell。 40 核糖体组成结构核糖体组成结构 prokaryotic / eukaryotic (cell)S: Svedber

19、g, sedimentation rate/coefficient 沉降系数 核糖体组成结构核糖体组成结构Atomic structure:50S Subunit from Haloarcula marismortui, 30S Subunit from Thermus thermophilus. Proteins are shown in blue and the single RNA chain in orange.The small patch of green in the center of the subunit is the active site.rRNA、rDNA在物种鉴定中

20、的作用在物种鉴定中的作用核糖体小亚单位rRNA的二级结构(a) E.coli 16S rRNA；（红色为高度保守区）(b) Yeast 18S rRNA，它们都具有类似的40个臂环结构，其长度和位置往往非常保守。prokaryote：16S rRNA eukaryote：18S + 5.8S + 28S rDNA中心法则中心法则genetic central dogmaDNA replication, transcription, translationOkazaki fragment冈崎片段DNA的半保留复制(semi-conservative replication)DNA的半连续复制(semi-disconti