细胞生物学细胞核和染色体

1、细胞生物学细胞核和染色体 细胞核(nucleus)真核细胞内最大、最重要的细胞器，体积占细胞的10% 核直径：- 高等动物：510m - 高等植物：520m- 低等植物：14m 细胞遗传与代谢的调控中心- 遗传信息的贮存- DNA复制、转录和转录初 产物的加工 组成- 核被膜- 染色质- 核仁- 核骨架核被膜与核孔复合体 核被膜 核孔复合体核被膜(nuclear envelope)结构组成 由内外两层平行但不连续的单位膜构成，位于间期细胞核的最外层，是细胞核与细胞质之间的界膜 外核膜(outer nuclear membrane)，表面常附有核糖体颗粒，且常常与糙面内质网相通连 内核膜(inn

2、er nuclear membrane)，表面光滑，无核糖体颗粒附着，但紧贴其内表面有一层致密的纤维网络结构核纤层(nuclear lamina)。内核膜上有一些特有的蛋白成分，如核纤层蛋白B受体(lamin B receptor, LBR) 两层膜厚7.5 nm，其间为20-40 nm的透明空隙，即核周间隙(perinuclear space)或核周池(perinuclear cisternae) 内、外膜常在某些部位融合形成环状开口，称核孔(nuclear pore)，即核孔复合体(nuclear pore complex)核被膜功能，崩解与装配 功能：核被膜构成了核、质之间的天然选择性屏

3、障，将细胞分成核与质两大结构与功能区域，使细胞的生命活动更加秩序井然，同时保护核内的DNA分子免受由于细胞骨架运动所产生的机械力的损伤；通过核被膜上的核孔复合体进行核质之间的物质交换与信息交流 在真核细胞的细胞周期中，核被膜有规律地解体与重建- 解体：分裂期，双层核膜崩解成单层膜泡，核孔复合体解 体，核纤层去装配- 重建：分裂末期，核被膜开始围绕染色体重新形成，某些 部位内外膜融合，形成核孔复合体- 解体与重建的动态变化受细胞周期调控因子调节，可能与 核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化有关核被膜崩解与装配核孔复合体 所有的真核细胞，从酵母到人，间期细胞核普遍存在核孔复合体(nucle

4、ar pore complex, NPC) 核孔复合体在核被膜上的数量、分布密度与分布形式随细胞类型、细胞核的功能状态而有很大的差异，转录功能活跃的细胞核孔复合体数量较多。典型3000-4000个，10-60个/m2核孔复合体结构模型 胞质环(cytoplasmic ring)，外环，上有8条短纤维对称分布，伸向胞质 核质环(nuclear ring)，内环，连有8条细长的纤维，末瑞形成一个直径为60 nm的小环(由8个颗粒构成)捕鱼笼(fish trap)样的结构，也称为核篮(nuclear basket) 辐(spoke)：由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称- 柱状亚单位(column

5、subunit)- 腔内亚单位(luminal subunit)- 环带亚单位(annular subunit) 中央栓(central plug)，位于核孔的中心，呈颗粒状或棒状，中央颗粒(central granule)，transporter核孔复合体结构模型核孔复合体成分 主要由蛋白质构成，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1000多个蛋白质分子 gp210：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“孔 膜区”，从而为核孔复合体装配提供一个起始位点- 在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用- 在核孔复合体的核质交换功能活动中起一

6、定作用 p62：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域- 疏水性N端区，可能在核孔复合体功能活动中直接参与核质 交换- C端区，可能通过与其它核孔复合体蛋白相互作用，从而将 p62分子稳定到核孔复合体上，为其N端进行核质交换活动 提供支持核孔复合体功能 核孔复合体可以看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道 双功能性：被动扩散、主动运输 双向性：介导蛋白质的入核转运，介导RNA、核糖核蛋白颗粒(RNP)的出核转运 核孔复合体作为被动扩散的亲水性通道，有效直径为9-10 nm，长约15 nm 离子、小分子及直径10 nm以下的物质原则上可以自由通过 但有些

7、小分子并不能随意进出细胞核- 具信号序列的小分子蛋白，籍主动运输入核，如组蛋白H1- 与具信号序列结合的小分子蛋白- 与其他大分子结合，或与不溶性结构成分结合的核孔复合体功能核孔复合体功能核孔复合体主动运输 生物大分子的核质分配主要通过核孔复合体的主动运输完成 典型的哺乳类细胞的核被膜上有3000-4000个核孔。如果细胞正在合成DNA，为了确保染色质包装，则需要每个核孔每分钟运进100个组蛋白分子；如果细胞在迅速生长，则需要每个核孔每分钟从细胞核向细胞质输出三对核糖体大小亚基，以确保蛋白质合成的需要核孔复合体主动运输 主动运输具有高度的选择性，表现在以下三个主动运输具有高度的选择性，表现在以

8、下三个方面：方面： - 对运输颗粒大小的限制：有效功能直径可被调对运输颗粒大小的限制：有效功能直径可被调节，约节，约10-20 nm，甚至可达，甚至可达26 nm - 主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗能量，并表现出饱和动力学特征需要消耗能量，并表现出饱和动力学特征- 主动运输具有双向性，即亲核蛋白的核输入、主动运输具有双向性，即亲核蛋白的核输入、RNA分子及分子及 RNP颗粒的核输出颗粒的核输出核孔复合体亲核蛋白的入核转运 亲核蛋白(karyophilic protein)是指在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质

9、通过研究核质蛋白(nucleoplasmin)在非洲爪蟾卵母细胞的入核转运，发现了核定位信号(nuclear localization signal, NLS)核孔复合体亲核蛋白的入核转运核定位信号(NLS) NLS是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基，如Lys、Arg，此外还常含有Pro NLS的氨基酸残基片段可以是一段连续的序列(T抗原)，也可以分成两段，两段之间间隔约10个氨基酸残基(核质蛋白) 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不被切除 NLS只是亲核蛋白入核的一个必要条件而非充分条件，已发现带有NLS的蛋白质滞留在胞质内，原因：NLS

10、的活性被封闭，如磷酸化修饰；由于与“胞质滞留因子”结合，如与细胞骨架的结合导致亲核蛋白不能自由活动 核孔复合体亲核蛋白的入核转运亲核蛋白入核转运的步骤 结合(binding)：需NLS识别并结合importin，不需要能量 转移(转运, translocation)：需GTP水解提供能量，还需要Ran(一种GTP结合蛋白，分子开关) 核孔复合体转录产物RNA的核输出 RNA通常需加工、修饰成成熟RNA分子后才被转运出核- RNA聚合酶I转录的rRNA分子，以RNP形式离核，需能量- RNA聚合酶III转录的5S rRNA与tRNA的核输出由蛋白介导- RNA聚合酶II转录的hn RNA，经5端

11、加帽、3端附加polyA 序列、剪接等形成成熟的mRNA出核，5端的m7GpppG“帽 子”结构对mRNA的出核转运是必要的 核中有正调控信号保证mRNA的出核转运，也有负调控信号防mRNA前体被错误运输，后者与剪接体(spliceosome)有关 mRNA的出核转运过程有极性，5端在前，3端在后 RNA分子的出核转运实际上是RNA-蛋白复合体的转运，这些蛋白因子本身含有核输出信号(nuclear export signal, NES) 入核转运与出核转运之间有某种联系，它们可能需要某些共同的因子染色质与染色体 基本概念 染色质化学组成 核小体 染色质包装结构模型 常染色质和异染色质 中期染色

12、体的形态结构 染色体DNA的三种功能元件 核型与染色体显带 巨大染色体基本概念 1879年，Flemming提出了染色质这一术语，用以描述细胞核中能被碱性染料强烈着色的物质。1888年，Waldeyer正式提出染色体的命名 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(chromosome)，指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中, 由染色质聚缩而成的棒状结构 染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构 染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同、构象不同染色质化学组成DNA

13、 具有细胞形态的所有生物的遗传物质都是DNA，真核细胞的每条未复制的染色体包装一条DNA分子，一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组(genome) 基因组大小通常随物种的复杂性而增加物种 基因组大小 平均基因长 基因数目大肠杆菌 4.2106 bp 1.2 kb 约2 350酵母 1.3107 bp 1.4 kb 约6 100 果蝇 1.4108 bp 11.3 kb 约8 750人 3109 bp 16.3 kb 约125 000 必需基因(essential gene)与非必需基因(nonessential gene) 基因组中两类遗传信息- 编码序列：负责蛋白质氨

14、基酸组成的信息，非重复序列- 调控序列：关于基因选择性表达的信息，中度重复序列染色质化学组成DNA 非重复DNA序列 中度重复DNA序列，在物种进化过程中是基因组中可移动的遗传元件，并且影响基因表达- 短散在重复元件(short interspersed elements, SINEs)- 长散在重复元件(long interspersed elements, LINEs) 高度重复DNA序列- 卫星DNA(satellite DNA)，主要分布在染色体着丝粒部位- 小卫星DNA(minisatellite DNA)，又称数量可变的的串联重 复序列，常用于DNA指纹技术(DNA finger-

15、printing)作个体 鉴定- 微卫星DNA(microsatellite DNA)，重复单位序列最短，具高 度多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标志DNA分子一级结构具有多样性染色质化学组成DNA DNA二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕生成的双螺旋结构，三种构型：- B型DNA，右手螺旋，活性最高的DNA构象- A型DNA，右手螺旋， B型DNA的重要变构形 式，仍有活性- Z型DNA，左手螺旋， B型DNA的另一种变构 形式，活性明显降低 DNA双螺旋能进一步扭曲盘绕形成特定的高级结构，主要形式为正、负超螺旋DNA二级结构具有多形性(polymorphism) B-DNA A-

16、DNA Z-DNA染色质化学组成DNA 沟(特别是大沟)的特征在遗传信息表达过程中起关键作用 沟的宽窄及深浅影响调控蛋白对DNA信息的识别 三种构型的DNA处于动态转变之中 DNA二级结构的变化与高级结构的变化是相互关联的，这种变化在DNA复制与转录中具有重要的生物学意义DNA构型的生物学意义 染色质化学组成蛋白质 DNA结合蛋白负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读- 组蛋白(histone)，与DNA非特异性结合- 非组蛋白(nonhistone)，与DNA特异性相结合 组蛋白特点：是真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA

17、紧密结合(非特异性结合) 组蛋白分为两组：核小体组蛋白(nucleosomal histone)， H2B、H2A、H3、H4，帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结 构，没有种属及组织特异性，在进化上十分保守H1组蛋白，在构成核小体时H1起连接作用，赋予染色质以 极性，在进化上不如核小体组蛋白保守，有一定的种属和 组织特异性染色质化学组成蛋白质 非组蛋白主要是指染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质，又称序列特异性DNA结合蛋白(sequence specific DNA binding proteins) 非组蛋白的特性：非组蛋白具多样性和异质性，占60-70%，包括多种酶类等对DNA具有识别特

18、异性，对DNA双螺旋的大沟进行识别具有多种功能，包括基因表达调控和染色质高级结构形成 非组蛋白的不同结构模式：螺旋-转角-螺旋模式(helix-turn-helix motif)锌指模式(Zinc finger motif)亮氨酸拉链模式(Leucine zipper motif，ZIP)螺旋-环-螺旋结构模式(helix-loop-helix motif，HLH)HMG-盒结构模式(HMG-box motif)染色质化学组成蛋白质核小体结构要点 每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1 组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构 146bp的DNA分子超螺旋盘

19、绕组蛋白八聚体圈, 组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bp DNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。包括组蛋白H1和166bp DNA的核小体结构又称染色质小体核小体结构要点 两个相邻核小体之间以连接DNA 相连，典型长度60bp，不同物种变化值为080bp 组蛋白与DNA之间的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，核小体具有自组装(self-assemble)性质 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改变影响基因表达 核小体主要实验证据 铺展染色质的电镜观察：未经处理染色质自然结构为30 nm的纤丝，经盐溶液处理后解聚的染色质呈现10 nm串

20、珠状结构 用非特异性微球菌核酸酶消化染色质，部分酶解片段分析结果核小体主要实验证据 应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究，发现核小体颗粒是直径11nm、高6nm的扁园柱体，具有二分对称性(dyad symmetry)，核心组蛋白的构成是先形成(H3)2(H4)2四聚体，然后再与两个H2AH2B异二聚体结合形成八聚体 SV40微小染色体(minichromosome)分析与电镜观察染色质包装的多级螺旋模型 一级结构：核小体，直径约10 nm的串珠结构 二级结构：螺线管(solenoid)，由核小体串珠结构螺旋盘绕而成，每圈6个核小体，外径30 nm，内径10 nm，螺距11 nm 三级

21、结构：超螺线管(supersolenoid)，螺线管进一步螺旋化而成的直径400 nm的圆筒状结构 四级结构：染色单体(chromatid)，超螺线管进一步螺旋折叠而成 根据多级螺旋模型(multiple coiling model)，从DNA到染色体经过四级包装，共压缩了8400倍DNA核小体螺线管超螺线管染色单体压缩40倍压缩5倍压缩7倍压缩6倍染色质包装的骨架-放射环结构模型 对于直径30 nm螺线管至染色体的包装，骨架-放射环结构模型(scaffold radial loop structure modle)认为： 非组蛋白构成染色体骨架(chromsomal scaffold) 螺线

22、管折叠形成DNA复制环，每18个复制环沿染色体骨架纵轴呈放射状平面排列， 由中央向四周伸出，结合在核基质上形成微带(miniband) 微带是染色体高级结构的单位，大约106个微带沿纵轴构建成子染色体染色质包装的结构模型染色质包装的结构模型常染色质和异染色质 常染色质(euchromatin)：是指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态(典型包装率750倍)，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质 常染色质的DNA实际长度为染色质纤维长度的10002 000倍，主要是单一序列DNA和中度重复序列DNA(如组蛋白基因和tRNA基因)，常染色质状态是基因转录的必要条件而非充分条件 异染色质(h

23、eterochromatin)：是指间期核中染色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质，分为：- 结构异染色质或组成型异染色质(constitutive heterochromatin)- 兼性异染色质(facultative heterochromatin)常染色质和异染色质 结构异染色质：除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，DNA包装比在整个细胞周期中基本没有变化的异染色质。在间期核中，聚集形成多个染色中心(chromocenter) 结构异染色质的特征：在中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色 体臂的某些节段由相对简单、高度重复的DNA序

24、列构成，如卫星DNA具有显著的遗传惰性，不转录也不编码蛋白质在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩占有较大部分核DNA，在功能上参与染色质高级结构的形 成，导致染色质的区间性，作为核DNA的转座元件，引起 遗传变异常染色质和异染色质 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 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缩状态而关闭，从而再也不能接近基因活化蛋白 因此，染色质通过紧密折叠压缩可能是关闭基因活性的一种途径 哺乳类细胞的X染色体随机失活巴尔氏小体(Barr body)，胎儿性别预报

25、中期染色体的形态结构形态由两条相同的姐妹染色单体(sister chromatid)构成，彼此以着丝粒相连中期染色体的形态结构类型 中着丝粒染色体(metacentric chromosome) 近中着丝粒染色体(submetacentric chromosome) 近端着丝粒染色体(acrocentric chromosome) 端着丝粒染色体(telocentric chromosome)中期染色体的形态结构结构 着丝粒(centromere)与着丝点(动粒，kinetochore)，连接两个染色单体，并将染色单体分为两臂短臂(p)和长臂(q)，也叫主缢痕(primary constric

26、tion) 次缢痕(secondary constriction)，可作为鉴定染色体的标记 核仁组织区(nucleolar organizing region, NOR)，rRNA基因所在部位，与间期核仁形成有关 随体(satellite)，位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区与主体相连 端粒(telomere)，染色体端部的特化部分，其生物学作用在于维持染色体的稳定性中期染色体的形态结构着丝粒 外表面的动粒结构域(kinetochore domain)- 与中央结构域相联系的内板(inner plate)- 中间间隙(middle space)，电子密度低，半透明区- 外板(oute

27、r plate)- 纤维冠(fibrouscorona) 中央结构域(central domain)，着丝粒的主体，由串联重复的卫星DNA组成，物种专一 内表面的配对结构域(pairing domain)- 内部着丝粒蛋白INCENP (inner centromere protein)- 染色单体连接蛋白clips (chromatid linking proteins) 染色体DNA的三种功能元件 染色体复制与稳定遗传所必需的三种功能元件(functional elements) ：DNA复制起点；着丝粒；端粒染色体DNA的三种功能元件 DNA复制起点，自主复制DNA序列(autonomo

28、usly replicating DNA sequence, ARS)，具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列，上下游各200bp左右的区域为维持ARS功能所必需 着丝粒，着丝粒DNA序列(centromere DNA sequence, CEN)，由大量串联的重复序列组成，如卫星DNA，包括两个相邻的核心区：80-90bp的AT区、11bp的保守区。功能是参与形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离 端粒，端粒DNA序列(telomere DNA sequence, TEL)，不同生物的端粒序列都很相似，由长5-10bp的重复单位串联而成，人的重复序列为GGGTTA，保持

29、染色体的独立性和稳定性 “人造微小染色体”(artificial minichromosome)核型与染色体显带 核型(karyotype)是指染色体组在有丝分裂中期的表型，即染色体数目、大小、形态特征的总和。核型分析是在对染色体进行测量计算的基础上，进行分组、排队、配对及形态分析的过程 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象称为核型模式图(idiogram)，它代表一个物种的核型模式 染色体显带技术巨大染色体 在某些生物的细胞中，特别是在发育的某些阶段，可以观察到一些特殊的、体积很大的染色体，称为巨大染色体(giant chromosome)，包括

30、多线染色体(polytene chromosome)和灯刷染色体(lampbrush chromosome) 1881年意大利细胞学家Balbiani首先在双翅目摇蚊幼虫的唾腺细胞中发现多线染色体，存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞唾腺、气管、肠等，在植物不同类型的细胞中也发现巨大染色体 多线染色体来源于核内有丝分裂(endomitosis)，即核内DNA多次复制而细胞不分裂，产生的子染色体并行排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密结合在一起，从而阻止染色质纤维进一步聚缩，形成体积很大的多线染色体。多线化细胞处于永久间期，体积也相应增大 光镜下，可见一系列交替分布的带和间带(interbands)，

31、每条带和间带代表了由 1024个拷贝并行排列的染色质环状结构域彼此对应包装的结果。带和间带都含有基因，持家基因(housekeeping gene)可能位于间带，奢侈基因(luxury gene) 位于带上巨大染色体 多线染色体与基因活性：在果蝇个体发育的某个阶段，多线染色体的某些带区变得疏松膨大而形成胀泡(puff)，胀泡是基因活跃转录的形态学标志巨大染色体 灯刷染色体几乎普遍存在于动物界的卵母细胞中，其中两栖类卵母细胞的灯刷染色体最典型。植物中也有报道 来源：是卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体，它是一个二价体，包含4 条染色单体，此时同源染色体尚未完全解除联会，因此可见到几

32、处交叉。这一状态在卵母细胞中可维持数月或数年之久巨大染色体 灯刷染色体的转录功能- 灯刷染色体形态与卵子发生过程中营养物储备密切相关- 大部分DNA以染色粒形式存在，没有转录活性；而侧环是 RNA活跃转录的区域核 仁 核仁的结构 核仁的功能 核仁周期核仁的结构 核仁(nucleolus)是真核细胞间期核中最显著的结构，通常表现为单一或多个匀质的球形小体，其大小、形状和数目随生物的种类、细胞类型和细胞代谢状态而变化 在细胞周期过程中，核仁是一个高度动态的结构，在有丝分裂期间表现出周期性的消失与重建核仁的结构超微结构 纤维中心(fibrillar centers, FC) 致密纤维组分(dense

33、 fibrillar component, DFC) 颗粒组分(granular component, GC) 核仁相随染色质(nucleolar associated chromatin)- 核仁内染色质 (interanucleolar chromatin)- 核仁周边染色质 (perinucleolar chromatin) 核仁基质(nucleolar matrix)核仁的结构超微结构 纤维中心(FC)，包埋在颗粒组分内部的一个或几个浅染的低电子密度的圆形结构小岛，包含rDNA(rRNA基因)、RNA聚合酶、转录因子，通常认为FC代表染色体NORs在间期核的副本 致密纤维组分(DFC)，呈环形或半月形包围FC ，是电子密度最高的部分，由致密的纤维构成，通常见不到颗粒，包含rRNA、特异性结合蛋白如fibrillarin、核仁素、Ag-NOR蛋白 颗粒组分(GC)，是核仁的主要结构，由直径15-20 nm的核糖核蛋白(RNP)颗粒构成 上述组分和rRNA的转录与加工形