第11章__细胞核与染色质

1、翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第细胞生物学（第4版）版）第第11章章 细胞核与染色质细胞核与染色质细胞核概述细胞核概述真核细胞中，除高等植物成熟的筛管和哺乳类成熟的红细胞外，都有细胞核。真核细胞中，除高等植物成熟的筛管和哺乳类成熟的红细胞外，都有细胞核。在原核细胞中，在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核（集中，但无核膜包围，故称拟核（nucleiod）。）。真核细胞真核细胞大多大多具细胞核具细胞核原原核核细细胞胞的的拟拟核核 分布：分布：所有真核细胞（高等植物韧皮部成熟的筛管和哺乳所有真核细胞（高等植物韧皮部成熟的筛管和哺乳动物成熟的红细胞除外）动物成熟的红细胞除外）

2、数量：数量：通常一个，成熟的筛管和红细胞（通常一个，成熟的筛管和红细胞（0 0）、肝细胞、）、肝细胞、心肌细胞心肌细胞(1-2(1-2）、破骨细胞）、破骨细胞(650(650）、骨骼肌细胞）、骨骼肌细胞( (数百数百) )、植物毡绒层细胞植物毡绒层细胞(24)(24)。 大小：大小：占总体积的占总体积的10%10%，高等动物一般，高等动物一般5-10 5-10 u um,m,高等植物高等植物5-20 5-20 u um,m,低等植物低等植物1-4 1-4 u umm。 形态：形态：一般呈圆球状与卵圆形，随物种和细胞类型不同有一般呈圆球状与卵圆形，随物种和细胞类型不同有很大变化。很大变化。 组成

3、：组成：核被膜、核纤层、染色质、核仁及核体组成。核被膜、核纤层、染色质、核仁及核体组成。 功能：功能：遗传遗传 发育。发育。细胞核特征细胞核特征肝细胞和肝细胞和心肌细胞心肌细胞可有双核可有双核哺乳类成哺乳类成熟红细胞熟红细胞无细胞核无细胞核植物成植物成熟筛管熟筛管细胞无细胞无细胞核细胞核aaaaa破骨细破骨细胞可有胞可有6-50个个细胞核细胞核本章主要内容本章主要内容 *核被膜 *染色质 染色质的复制与表达 *染色体 *核仁与核体 核基质第一节第一节 核被膜核被膜/djohnso2/44962/405/nucleus.html三部分构成三部分构

4、成核被膜结构核被膜结构双层核膜双层核膜核纤层核纤层 核孔复合体核孔复合体一、核膜一、核膜第一节第一节 核被膜核被膜核周间隙核周间隙核纤层核纤层核孔复合核孔复合物物外核膜外核膜内核膜内核膜异染色质异染色质(双层膜双层膜)(异染色质异染色质)电镜图电镜图l核被膜由内外两层平行但不连续的核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜单位膜构成。构成。l外核膜胞质面附有外核膜胞质面附有核糖体核糖体，与糙面内质网相联。核周隙与内质网，与糙面内质网相联。核周隙与内质网腔相通，外核膜是内质网的一部分。腔相通，外核膜是内质网的一部分。l核被膜内层光滑，内表面紧贴一层致密的核被膜内层光滑，内表面紧贴一层致密的核纤层核纤层

5、；可支持核膜，；可支持核膜，并与染色质及核骨架相连。并与染色质及核骨架相连。l 核周间隙核周间隙宽宽20-40nm20-40nm，腔内电子密度低，一般不含固定的结构，腔内电子密度低，一般不含固定的结构，与内质网腔相通。与内质网腔相通。l双层核膜在某些部位相互融合，形成环状开口，称为双层核膜在某些部位相互融合，形成环状开口，称为核孔核孔。在核在核孔上镶嵌着一种复杂的结构叫做孔上镶嵌着一种复杂的结构叫做核孔复合体核孔复合体。（一）核膜结构（一）核膜结构（二）核膜的崩解与组装（二）核膜的崩解与组装间期存在，分裂期解体间期存在，分裂期解体核膜的动态特点：核膜的动态特点：在真核细胞中，核膜伴随着细胞周期

6、进行有规律的解体与在真核细胞中，核膜伴随着细胞周期进行有规律的解体与重建。重建。分裂期：双层核膜崩解成单层泡膜，核孔复合体解体，分裂期：双层核膜崩解成单层泡膜，核孔复合体解体， 核纤层去装配；核纤层去装配；分裂末期：核被膜开始围绕染色体重新形成。分裂末期：核被膜开始围绕染色体重新形成。二、核孔复合体二、核孔复合体核孔复合体核孔复合体 (Nuclear pore complex, NPC)一般哺乳动物细胞平均有一般哺乳动物细胞平均有30003000个核孔。个核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。核被膜上由内外两层膜局部融合形成的许多核孔

7、，核被膜上由内外两层膜局部融合形成的许多核孔，核孔是由一组蛋白质（至少核孔是由一组蛋白质（至少5050种不同的蛋白质）以种不同的蛋白质）以一定方式排布形成的复杂结构，可沟通核质和胞质。一定方式排布形成的复杂结构，可沟通核质和胞质。在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如为其结构如fish-trapfish-trap（鱼笼）鱼笼）。 （一）结构模型（一）结构模型 “fish-trap”(鱼笼鱼笼)胞质面核质面（一）结构模型（一）结构模型 “fish-trap”(鱼笼鱼笼) 胞质环（cytoplasmic ring） 核质环（nucle

8、ar ring） 辐（spoke）：柱状亚单位；腔内亚单位；环带亚单位 中央栓（central plug），中央颗粒 （central granule）（二）组成成分（二）组成成分Nature Reviews Molecular Cell Biology 11, 490-501 (July 2010) | doi:10.1038/nrm2928核孔蛋白核孔蛋白 （nucleoporin，Nup）核孔蛋白（核孔蛋白（nucleoporin，Nup） Gp210：结构性跨膜蛋白：结构性跨膜蛋白 介导NPC与核被膜连接 在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用 在核质交换中起作用 p62：功能性：功能性

9、Nup 疏水性N 端区： 具有FXFG重复序列 C 端区：具有疏水性的7肽重复序列http:/npd.hgu.mrc.ac.uk/user/?page=nuc_pore 从功能上讲，可看作一种特殊的跨膜运输蛋白复合体（一个双从功能上讲，可看作一种特殊的跨膜运输蛋白复合体（一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道）功能、双向性的亲水性核质交换通道） 双功能双功能有两种运输方式：被动扩散与主动运输。有两种运输方式：被动扩散与主动运输。 双向性双向性既介导蛋白质的入核转运，又介导既介导蛋白质的入核转运，又介导RNARNA、核糖核蛋、核糖核蛋白颗粒（白颗粒（RNPRNP）的出核转运。）的出核转运。（图（

10、图P P232232：通过核孔复合体物质运输的功能示意图）通过核孔复合体物质运输的功能示意图） （三）功能（三）功能v主动运输主动运输 通过通过转运受体转运受体把大分子把大分子 运入和运出核孔运入和运出核孔从胞质运入核的转运受从胞质运入核的转运受 体为体为importins,importins,从核运从核运 入胞质的转运受体为入胞质的转运受体为 exportinsexportins。v被动运输被动运输 简单扩散简单扩散 运输离子、小分子及运输离子、小分子及 直径在直径在10nm 10nm 以下的以下的 物质。物质。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10nm直径直径9-10nmN

11、PCNPC作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为9 910nm10nm，有的可，有的可达达12.5nm12.5nm，即离子、小分子以及直径在，即离子、小分子以及直径在10nm10nm以下的物质原则上以下的物质原则上可以自由通过。扩散速度与分子大小成反比。可以自由通过。扩散速度与分子大小成反比。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 这种有效直径相当于允许相对分子质量在这种有效直径相当于允许相对分子质量在404010103 3606010103 3以以下的蛋白质分子自由穿过核孔。下的蛋白质分子自由穿过核孔。 实际上并不是所有符合此条件的蛋白质都可随意

12、出入细胞核。实际上并不是所有符合此条件的蛋白质都可随意出入细胞核。有许多小分子量的蛋白质，如组蛋白有许多小分子量的蛋白质，如组蛋白H1H1，是通过主动运输进入，是通过主动运输进入细胞核的。细胞核的。（其相对分子质量虽只有（其相对分子质量虽只有2.12.110103 3，它本身带有具，它本身带有具信号功能的氨基酸序列）信号功能的氨基酸序列）有的小分子量蛋白质本身虽然没有信有的小分子量蛋白质本身虽然没有信号序列，但可以与其它有信号序列的成份结合，一起被主动运号序列，但可以与其它有信号序列的成份结合，一起被主动运输到核内。输到核内。2核孔复合体的主动运输核孔复合体的主动运输A A 对运输颗粒对运输颗

13、粒大小的限制。大小的限制。主动运输的功能直径（约主动运输的功能直径（约101020nm20nm）比被动运输大，核孔复合体的有效直径的大小是）比被动运输大，核孔复合体的有效直径的大小是可被调节的；可被调节的；B B 是一个信号识别与载体介导的过程复合体，需要消耗是一个信号识别与载体介导的过程复合体，需要消耗ATPATP能量，表现出能量，表现出饱和动力学特征；饱和动力学特征；C C 有核输出与核输入有核输出与核输入双向性。双向性。1）亲核蛋白的入核转运）亲核蛋白的入核转运 （karyophilic protein） 亲核蛋白：亲核蛋白：指在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞指在细胞质内合成后，需要

14、或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。核内发挥功能的一类蛋白质。 大多数的亲核蛋白往往在一个细胞周期中一次性地被转大多数的亲核蛋白往往在一个细胞周期中一次性地被转运到核内，并一直停留在核内行使功能活动，典型的如运到核内，并一直停留在核内行使功能活动，典型的如组组蛋白、核纤层蛋白蛋白、核纤层蛋白等；等； 有一些亲核蛋白需穿梭于核质之间进行功能活动，如有一些亲核蛋白需穿梭于核质之间进行功能活动，如importinsimportins。 核定位序列或核定位信号（核定位序列或核定位信号（ NLS ） 亲核蛋白一般都含有特殊的氨基酸序列，这些内亲核蛋白一般都含有特殊的氨基酸序列，这些内含的特殊短肽保证

15、了整个蛋白质能够通过核孔复含的特殊短肽保证了整个蛋白质能够通过核孔复合体被转运到细胞核内。合体被转运到细胞核内。 这段具有这段具有“定向定向”、“定位定位”作用的序列被命名作用的序列被命名为核定位序列或核定位信号。为核定位序列或核定位信号。受体为受体为importinimportin。 NLSNLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，并且在指序列可存在于亲核蛋白的不同部位，并且在指导亲核蛋白导亲核蛋白完成核输入后并不被切除完成核输入后并不被切除。Nuclear localization signals Normal pyruvate kinase: in cytosolChimeric pyruv

16、ate kinase containing SV40 NLS: in nucleusNuclear localization signals亲核蛋白的入核转运过程亲核蛋白的入核转运过程 亲核蛋白除了本身具有亲核蛋白除了本身具有NLSNLS外，其入核转运还需外，其入核转运还需要一些胞质蛋白因子的帮助。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： importin importin、importinimportin：核定位信号受体。核定位信号受体。 Ran Ran：一类一类G G蛋白，调节货物复合体的解体或形蛋白，调节货物复合体的解体或形成。成。1. 1. 带有核定位信

17、号带有核定位信号(NSL)(NSL)片段的蛋白质与受体片段的蛋白质与受体importinimportin / / 结合；结合；2.2. 复合体与胞质内的纤丝结合；复合体与胞质内的纤丝结合；3.3. 复合体被送入核内；复合体被送入核内；4. 4. 与与Ran-GTPRan-GTP相互作用相互作用, ,复合体解散；复合体解散；5. importin5. importin 被被Ran-GTPRan-GTP送回胞质送回胞质,Ran-GTP ,Ran-GTP 水解成水解成Ran-GDP, Ran-Ran-GDP, Ran-GDPGDP返回核内返回核内,importin,importin 回到胞质。回到胞

18、质。蛋白质从细胞质经核孔向细胞核的运输蛋白质从细胞质经核孔向细胞核的运输2） RNA及核糖体亚基的出核转运及核糖体亚基的出核转运 真核细胞中真核细胞中RNARNA一般要经过转录后加工、修饰成为成熟的一般要经过转录后加工、修饰成为成熟的RNARNA分子后才能被转运出核。分子后才能被转运出核。 核输出信号（核输出信号（nuclear export signal, NESnuclear export signal, NES）：引导）：引导RNPRNP输出细胞核，对蛋白的出核转运起决定作用的氨基酸序列输出细胞核，对蛋白的出核转运起决定作用的氨基酸序列，受体为受体为exportinexportin。 由

19、RNA聚合酶I转录的rRNA分子。由RNA聚合酶转录的5s rRNA与 tRNA由RNA聚合酶转录的核内异质RNA （hn RNA ）核纤层核纤层(lamina)(lamina)核骨架核骨架为核膜内表面由核纤层蛋白构成的一为核膜内表面由核纤层蛋白构成的一层连续致密的网状结构。层连续致密的网状结构。核膜核膜核孔核孔核纤层核纤层核膜与核膜与内质网内质网相连处相连处染色质染色质三、核纤层三、核纤层功能：功能：对核被膜起支撑作用，为染色体提供支架；调节基对核被膜起支撑作用，为染色体提供支架；调节基因表达；调节因表达；调节DNA DNA 修复；与细胞周期有关。修复；与细胞周期有关。组成：组成：3 3 种

20、核纤层蛋白：种核纤层蛋白：lamin Alamin A、B B 、C C核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构动态特点：动态特点：在分裂期，核纤层解体，以蛋白单体形式存在于在分裂期，核纤层解体，以蛋白单体形式存在于胞质中。胞质中。三、核纤层三、核纤层第二节第二节 染色质染色质 染色质是间期细胞核内由DNA、组蛋组蛋白白、非组蛋白非组蛋白及少少量量RNA 组成的线性复合结构一、染色质一、染色质DNA 染色质和染色体是在细胞周期不同阶段可以互相转变的形态结构（一）基因组大小比较（一）基因组大小比较（二）基因组（二）基因组DNA类型类型A A型是另一种右手双螺旋型是另一种右

21、手双螺旋DNADNA，与，与B B型的差别在于型的差别在于DNADNA的大小沟有所不的大小沟有所不同，同，A A型的更紧密。型的更紧密。Z(zig-zag)Z(zig-zag)型是左手螺旋型是左手螺旋DNADNA，在结构上与，在结构上与B B型很不同。发生在高盐型很不同。发生在高盐浓度下的浓度下的CGCGCGCGCGCG短链中，生物功能不详。体现短链中，生物功能不详。体现DNADNA双螺旋结构的可塑性。双螺旋结构的可塑性。DNA 3 种构型种构型 三种三种DNADNA构型中构型中, ,大沟的特征在遗传信息表大沟的特征在遗传信息表达过程中起关键作用达过程中起关键作用, ,调控蛋白都是通过其分调控

22、蛋白都是通过其分子上氨基酸侧链与沟中碱基对两侧潜在的氢子上氨基酸侧链与沟中碱基对两侧潜在的氢原子供体原子供体(=NH)(=NH)或受体或受体(O(O和和N)N)形成氢键而识别形成氢键而识别DNADNA遗传信息的。遗传信息的。 另外另外, Z, Z型型DNADNA同细胞癌变有一定的关系。同细胞癌变有一定的关系。DNA 3 种构型种构型二、染色质蛋白二、染色质蛋白 组蛋白（组蛋白（histone） 与DNA 结合没有序列特异性 非组蛋白（非组蛋白（nonhistone） 与特定 DNA 序列或组蛋白相结合Nature Reviews Nephrology 6, 332-341 (June 2010

23、)（一）组蛋白（一）组蛋白 属碱性蛋白质碱性蛋白质，富含带正电荷的Arg 和Lys 等碱性氨基酸，可以和酸性DNA 紧密结合，一般不要求特殊核苷酸序列 核小体组蛋白核小体组蛋白 H2A、H2B、H3 和H4 没有种属及组织特异性，进化上十分保守 H1 组蛋白组蛋白 有一定的种属和组织特异性（二）非组蛋白（二）非组蛋白 序列特异性 DNA结合蛋白 特性 多样性多样性 识别识别DNA具有特异性具有特异性 具有功能多样性具有功能多样性锌指模式亮氨酸拉链模式螺旋-转角-螺旋模式凝胶延滞实验（凝胶延滞实验（gel retardation assay）/course

24、s/biol350/Transcriptome17/Review.html 序列特异性序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式：结合蛋白的不同结构模式： 1）螺旋螺旋-转角转角- 螺旋模式（螺旋模式（helix-turn-helix motif）：）：最简单、最普遍的最简单、最普遍的DNA结合蛋白的结构模式。结合蛋白的结构模式。结合时，形成结合时，形成对称的同型二聚体对称的同型二聚体（symmetric homodimer）结构模式。）结构模式。 2）锌指模式（锌指模式（Zinc finger motif）：）：RNA聚合酶聚合酶所必需的转录因子所必需的转录因子TF A，含，含9个有规律的锌指重

25、个有规律的锌指重复单位，每个单位复单位，每个单位30个氨基酸残基，其中个氨基酸残基，其中一对半胱一对半胱氨酸和一对组氨酸与氨酸和一对组氨酸与Zn2+形成配位键。形成配位键。 3）亮氨酸拉链模式（亮氨酸拉链模式（Leucine zipper motif，ZIP):形成二聚体形成二聚体是识别特异是识别特异DNA序列蛋白的相互的共同序列蛋白的相互的共同原则。原则。染色质蛋白染色质蛋白螺旋螺旋- -转角转角-螺旋模式螺旋模式 这类蛋白质在与这类蛋白质在与DNADNA结合结合的结构域形成对称的同型的结构域形成对称的同型二聚体二聚体； 二聚体的每个单体由二聚体的每个单体由2020个个氨基酸组成，氨基酸组成

26、，2 2个单体各个单体各构成一个构成一个螺旋螺旋，由中间，由中间的的转角转角相连相连, ,组成了组成了螺螺旋旋- -转角转角-螺旋结构；螺旋结构； 其中其中C C端端的的螺旋为识别螺旋为识别螺旋，负责识别螺旋，负责识别DNADNA大沟大沟的特异碱基信息。的特异碱基信息。 三、染色质蛋白三、染色质蛋白锌指模式锌指模式（Zinc-finger motifZinc-finger motif） 如转录因子如转录因子（TFATFA）。）。 这类这类蛋白在与蛋白在与DNADNA结合的结构域结合的结构域由多个有规律的由多个有规律的重复单位重复单位构成；构成； 每个单位有每个单位有3030个氨基酸和个氨基酸和

27、1 1个个ZnZn2+2+, ,中间的中间的ZnZn2+2+与周围的与周围的1 1对对CysCys和和1 1对对HisHis形成配位键，从而形成形成配位键，从而形成一个手指状结构一个手指状结构锌指单位锌指单位； 每个锌指单位是一个每个锌指单位是一个DNADNA结合结结合结构域，每个锌指的构域，每个锌指的C C末端形成末端形成螺旋负责与螺旋负责与DNADNA结合。结合。 在有些锌指模式中，含有在有些锌指模式中，含有2 2对对CysCys，而不含有，而不含有HisHis。 三、染色质蛋白三、染色质蛋白亮氨酸拉链模式亮氨酸拉链模式 这类蛋白质在与这类蛋白质在与DNADNA结合的结结合的结构域附近形成

28、构域附近形成螺旋，每两螺旋，每两圈（圈（7 7个氨基酸残基）有一个个氨基酸残基）有一个leuleu，共含有，共含有4 4或或5 5个个leuleu，在，在螺旋一侧的螺旋一侧的leuleu排成一排。排成一排。 两个蛋白质分子两个蛋白质分子螺旋之间螺旋之间靠靠LeuLeu之间的疏水作用形成一之间的疏水作用形成一条条拉链拉链，故名亮氨酸拉链模，故名亮氨酸拉链模式。式。螺旋螺旋- -环环- -螺旋模式螺旋模式HMGHMG框模式框模式 4）螺旋螺旋-环环-螺旋结构模式（螺旋结构模式（helix-loop-helix motif，HLH):具有螺旋具有螺旋-环环-螺旋结构的蛋白家族螺旋结构的蛋白家族成员之

29、间形成成员之间形成同源或异源二聚体同源或异源二聚体是这类蛋白与是这类蛋白与DNA结合的必要条件，却少结合的必要条件，却少螺旋的二聚体不能螺旋的二聚体不能牢固结合牢固结合DNA。 5)HMG框结构模式（框结构模式（HMG-box motif）：）：有三个有三个螺旋组成的结构模式，具有螺旋组成的结构模式，具有弯曲弯曲DNA的能力，的能力，因此，具有因此，具有HMG框结构的转录因子又称框结构的转录因子又称“构件因构件因子子”（architectural factors），它们通过弯曲），它们通过弯曲DNA、促进与邻近位点相结合的其他转录因子的、促进与邻近位点相结合的其他转录因子的相互作用而激活转录。

30、如相互作用而激活转录。如SRY。三、核小体三、核小体（一）核小体的发现（一）核小体的发现 透射电镜显示串珠状11 nm 的核小体结构Figure 4-22 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)串珠结构螺线管30nm在在20世纪世纪70年代初期年代初期, 发现用非特异性的核酸酶处理染色质发现用非特异性的核酸酶处理染色质, 大多数大多数DNA都会形成长度为都会形成长度为200bp的片段的片段。如果用同样的核酸酶处理裸露。如果用同样的核酸酶处理裸露的的DNA, 产生随机大小的产生随机大小的DNA片段。据此推测染色体片段。据此推测染

31、色体DNA中除了某中除了某些位点外些位点外, 受到了保护受到了保护, 使核酸酶不能随机切割使核酸酶不能随机切割, 并推测这种保护作并推测这种保护作用与用与DNA结合的蛋白质有关。结合的蛋白质有关。 1974年年, 美国哈佛大学的美国哈佛大学的Kornberg R提出提出:DNA和组蛋白组成重复的亚单位和组蛋白组成重复的亚单位:核小体。核小体。证证据据（一）核小体的发现（一）核小体的发现 X 射线晶体衍射揭示核小体三维结构（一）核小体的发现（一）核小体的发现 SV40 微小染色体（minichromosome）分析Virology, 2009, 384(2): 352-359http:/ 包括2

32、00 bp 左右的DNA 超螺 旋和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白H1 组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心颗粒，由4 个异二聚体组成，包括两 个H2A H2B 和两个H3 H4（二）核小体的结构（二）核小体的结构 146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75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。 两个相邻核小体之间以连接DNA（linker DNA）相连，典型长度60bp，不同物种变化值为080bp不等。（二）核小体的结构（二）核小体的结构 组蛋白与组蛋白与DNA 之间的相之间的相互作用主要是结构性的互作用主要是结构性的，

33、基本不依赖于核苷酸，基本不依赖于核苷酸的特异序列的特异序列 核小体沿核小体沿DNA 的定位受的定位受不同因素的影响不同因素的影响,进而通进而通过核小体相位改变影响过核小体相位改变影响基因表达基因表达 。Figure 4-27 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)DNA盘绕组蛋白核心的弯曲盘绕组蛋白核心的弯曲也是核小体相位的影响因素，也是核小体相位的影响因素，因为富含因为富含AT的的DNA片段优先片段优先存在于存在于DNA双螺旋的双螺旋的小沟小沟，面向组蛋白八聚体，而富含面向组蛋白八聚体，而富含GC的的DNA片段优先存在于片段

34、优先存在于DNA双螺旋的双螺旋的大沟大沟，背向组，背向组蛋白八聚体，结构核小体倾蛋白八聚体，结构核小体倾向于形成富含向于形成富含AT和富含和富含GC区的理想分布，从而通过核区的理想分布，从而通过核小体相位改变影响基因表达。小体相位改变影响基因表达。四、染色质组装四、染色质组装 人体细胞46条染色体含DNA约6109 bp，总长如何计算？http:/www.chromatintoronto.ca/projects.html（一）染色质组装的前期过程（一）染色质组装的前期过程 裸露DNA 组装直径30 nm 螺线管 H3 H4 两个异二聚体结合 两个H2A H2B 异二聚体加入 组蛋白的去乙酰化，

35、H1组蛋白结合伴随着核小体的折叠 6 个核小体组成一个螺旋 进一步的折叠事件（二）染色质组装的多级螺旋模型（二）染色质组装的多级螺旋模型Nature Structural & Molecular Biology 12, 6 (2005) 核小体核小体 基本结构单位基本结构单位螺线管螺线管 染色质二级结构染色质二级结构超螺线管染色质三级结构超螺线管染色质三级结构染色单体染色质四级结构染色单体染色质四级结构 根据多级螺旋模型从DNA到染色体经过四级 包装：DNADNA核小体核小体螺线管螺线管超螺线管超螺线管染色单体染色单体压缩压缩7 7倍倍压缩压缩6 6倍倍压缩压缩4040倍倍压缩压缩5

36、5倍倍（二）染色质组装的多级螺旋模型（二）染色质组装的多级螺旋模型五、染色质类型五、染色质类型 常染色质（euchromatin） 异染色质 （heterochromatin） 结构异染色质或组成型异染色质结构异染色质或组成型异染色质（constitutive heterochromatin） 兼性异染色质兼性异染色质 （facultative heterochromatin）（一）常染色质与异染色质（一）常染色质与异染色质 常染色质常染色质是指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸是指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。展状态，用碱性染料染色

37、时着色浅的那些染色质。 异染色质异染色质是指间期核中，染色质纤维折叠压缩程度高，处于是指间期核中，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。聚缩状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质。结构异染色质或组成型异染色质结构异染色质或组成型异染色质指的是各种类型的细胞，除复制指的是各种类型的细胞，除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，DNADNA包装比在整个包装比在整个细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。兼性异染色质兼性异染色质是指在某些细胞类型或一定的发育阶段，原来的常染是指在某些

38、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。色质聚缩，并丧失基因转录活性，变为异染色质。结构异染色质特征：结构异染色质特征： 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，导致染色质区间性，作为核DNA的转座元件，引起遗传变异。 （一）常染色质与异染色质（一）常染色质与异染色质异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。异染色质化可能是关闭基

39、因活性的一种途径。兼性异染色质中了解最多的是雌性哺乳类动物的X染色体。两个X染色体中的一个染色体常表现为异染色质，称巴氏小体（Barr body）。人的胚胎发育到16天以后， 出现巴氏小体。一条一条 X染色体转变为巴染色体转变为巴氏小体，呈块状紧靠核膜，染色反应表现为深染。因此通过检氏小体，呈块状紧靠核膜，染色反应表现为深染。因此通过检查羊水中胚胎细胞的巴氏小体可预测胎儿的性别和性染色体异查羊水中胚胎细胞的巴氏小体可预测胎儿的性别和性染色体异常的患者。常的患者。 Barr bodyBarr body（一）常染色质与异染色质（一）常染色质与异染色质（二）常染色质与异染色质间的转变（二）常染色质与

40、异染色质间的转变 异染色质或常染色质之间随着发育时期或细胞周期的变化可能相互转化 异染色质与常染色质之间的转变 常常需要组蛋白与DNA 修饰（三）活性染色质与非活性染色质（三）活性染色质与非活性染色质 活性染色质活性染色质(active chromatin) 具有转录活性 具有疏松的染色质结构 非活性染色质非活性染色质(inactive chromatin) 没有转录活性活性染色质的标志是：活性染色质的标志是：H3 N 端第端第4 个赖氨酸的甲个赖氨酸的甲 基化，第基化，第9 和和14 个赖氨酸的个赖氨酸的乙酰化以及第乙酰化以及第10 个丝氨酸个丝氨酸 的磷酸化；的磷酸化；非活性染色质的标志是

41、：非活性染色质的标志是：H3 N 端第端第9 个赖氨酸甲基化而不是乙酰化个赖氨酸甲基化而不是乙酰化1活性染色质对活性染色质对DNase 超敏感超敏感2活性染色质的蛋白组成与修饰变化活性染色质的蛋白组成与修饰变化 活性染色质很少有组蛋白H1 与其结合 与非活性染色质相比，活性染色质上组蛋白乙酰化程度高 与非活性染色质相比，活性染色质核小体组蛋白H2B很少被磷酸化 核小体组蛋白H2A 在活性染色质中很少有变异形式存在 组蛋白H3 变种H3.3 只在活跃转录的染色质中出现 HMG14 和HMG17 只存在于活性染色质中，与DNA 结合2活性染色质的蛋白组成与修饰变化活性染色质的蛋白组成与修饰变化 活

42、性染色质标志：活性染色质标志：H3 N 端第4 个赖氨酸的甲基化，第9 和14 个赖氨酸的乙酰化以及第10 个丝氨酸 的磷酸化； 非活性染色质标志：非活性染色质标志：H3 N 端第9 个赖氨酸甲基化而不是乙酰化 核被膜生物学意义：一方面构成核、质之间的天然选择性屏障；另一方面介导核质之间的物质交换与信息交流 。 核孔复合体：1.胞质环；2.核质环；3.辐；4.中央栓。 NPC的功能：核质交换的双向、双功能、选择性亲水性通道。 核小体结构要点 染色质组装模型：多级螺旋模型、骨架-放射环模型小结小结本章主要内容本章主要内容 *核被膜 *染色质 染色质的复制与表达 *染色体 *核仁与核体 核基质第三

43、节第三节 染色质的复制与表达染色质的复制与表达http:/www.scottishchromatin.co.uk/SCG7%20Glasgow%20June%202010/Image1.gif四、染色质与表观遗传四、染色质与表观遗传 P251影响基因表达的遗传变异因素影响基因表达的遗传变异因素l基因突变（错义突变）基因突变（错义突变）l基因缺失基因缺失/倍增倍增l染色体结构及数目变异染色体结构及数目变异问题：问题：基因表达的变化（或性状的变化）一定是基因表达的变化（或性状的变化）一定是DNA序列变异的结果吗？序列变异的结果吗？xx马骡驴骡骡子更象谁？同卵双生的双胞胎虽然具有相同的DNA序列，却

44、存在表型的差异和疾病易感性的差异。可以在不影响可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修饰这种改变序列的情况下改变基因组的修饰这种改变不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。（一）表观遗传与遗传（一）表观遗传与遗传 遗传学变化遗传学变化通过DNA 序列突变实现的，通过生殖细胞得以遗传 表观遗传变化表观遗传变化通过组蛋白和DNA 不同修饰实现，只在体细胞中出现。Cell Research (2006) 16: 742749概念：指基因的概念：指基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，

45、并产生可遗传表型的遗传学分支学科。与功能发生改变，并产生可遗传表型的遗传学分支学科。表观遗传学的研究内容：表观遗传学的研究内容：l 基因选择性转录表达基因选择性转录表达的调控的调控uDNA甲基化u基因印记u组蛋白共价修饰u染色质重塑l 基因转录后的调控基因转录后的调控u基因组中非编码RNAu微小RNA（miRNA）u反义RNAu内含子、核糖开关等表观遗传学机制 DNA甲基化 组蛋白修饰 染色质重塑 RNA调控 其他表观遗传机制遗传印记X染色体失活DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5碳位以共价键结合一个甲基基团。染色质重塑是指在能量驱动下核小体的置换或重

46、新排列。它改变了核小体在基因启动子区的排列，增加了基础转录装置和启动子的可接近性。基因组印记（Genomic imprinting）：又称遗传印记，是指基因的表达与否取决于它们是在父源染色体上还是在母源染色体上。是通过生化途径，在一个基因或基因组域上标记其双亲来源信息的生物学过程。有些印记基因只从母源染色体上表达，而有些则只从父源染色体上表达。第四节第四节 染色体染色体http:/ 由两条相同的姐妹染色单体（chromatid）构成，彼此以着丝粒 （centromere）相连 根据着丝粒在染色体上所处的位置，分为4 种类型一、染色体形态结构一、染色体形态结构着丝粒与动粒着丝粒与动粒着丝粒着丝粒

47、指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位；指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位；动粒动粒指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构，它与指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构，它与纺锤丝微管相接触。纺锤丝微管相接触。着丝粒着丝粒中央结构域中央结构域动粒结构域动粒结构域配对结构域配对结构域外板外板内板内板中间间隙中间间隙围绕外层的纤维冠围绕外层的纤维冠荧光原位杂交显示着丝粒卫星荧光原位杂交显示着丝粒卫星DNA一、染色体形态结构一、染色体形态结构着丝粒与动粒着丝粒与动粒一、染色体形态结构一、染色体形态结构 次缢痕 核仁组织区 随体 端粒次缢痕（次缢痕（secondary constrict

48、ionsecondary constriction） 除主缢痕外，染色体上第二个呈浅缢缩的部分称次缢除主缢痕外，染色体上第二个呈浅缢缩的部分称次缢痕，次缢痕的位置相对稳定，数目、位置和大小是鉴定染痕，次缢痕的位置相对稳定，数目、位置和大小是鉴定染色体个别性的一个显著特征。色体个别性的一个显著特征。核仁组织区（核仁组织区（nucleolar organizing regions, NORsnucleolar organizing regions, NORs） 核糖体核糖体RNARNA基因（基因（5SrRNA5SrRNA基因除外）所在的区域。核基因除外）所在的区域。核仁组织区位于染色体的次缢痕区，

49、但并非所有的次缢痕都仁组织区位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是是NORsNORs。一、染色体形态结构一、染色体形态结构随体（随体（satellitesatellite） 指位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区指位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区与染色体主体部分相连。与染色体主体部分相连。端粒（端粒（telomeretelomere） 染色体端部的特化部分，作用是维持染色体的完整性染色体端部的特化部分，作用是维持染色体的完整性和个体性。端粒由高度重复的短序列串联而成，在进化和个体性。端粒由高度重复的短序列串联而成，在进化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似，哺乳类的

50、上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似，哺乳类的序列为序列为TTAGGGTTAGGG，500-3000500-3000次重复。端粒起次重复。端粒起细胞分裂计时细胞分裂计时器器作用。作用。一、染色体形态结构一、染色体形态结构Chromosome centromere and telomere shown by Fluorescence In situ Hybridization一、染色体形态结构一、染色体形态结构The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009for the discovery of how chromosomes are protec

51、ted by telomeres and the enzyme telomerase 三名科学家，他们解决了生物学的一个重大问题：在细胞分裂时染色体如何完整地自我复制以及染色体如何受到保护以免于退化。这三位诺贝尔奖获得者已经向我们展示，解决办法存在于染色体末端端粒，以及形成端粒的酶端粒酶。 “携带基因信息的DNA线状长分子挤压形成染色体，端粒就像一顶高帽子置于染色体头上。”The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009二、染色体的功能元件二、染色体的功能元件 DNA 复制起点 着丝粒 端粒自主复制序列自主复制序列DNADNA复制的起点复制的起点具有

52、一个具有一个11-14 bp11-14 bp，富含，富含ATAT的共有序列的共有序列着丝粒序列着丝粒序列端粒序列端粒序列具有两个彼此相邻的核心区，一个是具有两个彼此相邻的核心区，一个是80-90 80-90 bpbp的的ATAT区，另一个是区，另一个是11 bp11 bp的保守区的保守区参与形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够参与形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离准确地分离大量串联的重复序列组成，如大量串联的重复序列组成，如卫星卫星DNADNA长长5-10 bp5-10 bp的重复单位串联而成的重复单位串联而成由端粒酶（由端粒酶（telomerasetelomerase）合成后添加到染

53、）合成后添加到染色体末端色体末端功能元件功能元件二、染色体的功能元件二、染色体的功能元件端粒酶端粒酶端端粒酶自身蛋白组分具粒酶自身蛋白组分具有催化活性，用它自身有催化活性，用它自身 RNA组分为模板，以端组分为模板，以端粒粒3末端为引物末端为引物,反转录反转录成成DNA，使，使DNA链不断链不断加长，然后在加长，然后在DNA聚合聚合酶的作用下将酶的作用下将DNA双链双链中的未合成的缺口填补。中的未合成的缺口填补。三、染色体带型三、染色体带型 核型核型 (karyotype) 是指染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征的总和 核型模式图核型模式图 (idiogram) 将一

54、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 染色体显带技术染色体显带技术 经物理、化学因素处理后，再用染料对染色体进行分化染色，使其呈现特定的深浅不同带纹（band）的方法 一类是产生的染色带分布在整过染色体长度上如：G、Q和R 带， 一类是局部性显带，它只能使少数特定区域显带，如C、T和N 带核型核型(Karyotype)(Karyotype)：染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色：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。体数目、大小、形态特征等。核型核型是物种特异的。是物种特异的。低渗处理低渗处理：中期：中期细胞的染色体分细胞

55、的染色体分散良好散良好秋水仙素秋水仙素的应用：的应用：富集中期细胞分富集中期细胞分裂相裂相植物凝集素植物凝集素：刺：刺激血淋巴细胞转激血淋巴细胞转化、分裂化、分裂三、染色体带型三、染色体带型核型分析：核型分析：l是对染色体进行测量计算的基础上，进行分组、排队、是对染色体进行测量计算的基础上，进行分组、排队、配对并进行配对并进行 形态分析的过程；形态分析的过程；l主要依据：染色体形态和着丝粒位置的差别主要依据：染色体形态和着丝粒位置的差别l对于探讨人类遗传病的机制，研究物种亲缘关系、进化，对于探讨人类遗传病的机制，研究物种亲缘关系、进化，研究人细胞癌变机理等都有重要意义研究人细胞癌变机理等都有重

56、要意义。三、染色体带型三、染色体带型果蝇唾涎细胞中全套多线染色体果蝇唾涎细胞中全套多线染色体四、特殊染色体四、特殊染色体多线染色体多线染色体存在于存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞内体积巨大，染色体比其它体细胞染色体长100-200倍，体积大1000-2000倍多线性，每条染色体由500-4000条解旋的染色体合并在一起形成体细胞联会，同源染色体紧密配对，并合并成一个染色体横带纹，染色后呈现出明暗相间的带纹膨突和环，在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成膨突（puff），或巴氏环（Balbiani ring）。用H3-TdR处理细胞，发现膨突被标记，说明膨突是基因活跃转录的形态学

57、标志。多线染色体是由于是由于核内有丝分裂核内有丝分裂的结果，即的结果，即染色体多次复制而不分染色体多次复制而不分离离的结果的结果四、特殊染色体四、特殊染色体多线染色体多线染色体Lampbrush Lampbrush chromosomechromosome( (两栖类卵两栖类卵母细胞中母细胞中) )光镜免疫组化四、特殊染色体四、特殊染色体灯刷染色体灯刷染色体发现于鱼类、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期卵母细胞进行减数分裂第一次分裂时停留在双线期的染色体，即由两条同源染色体组成，在交叉处结合，每条同源染色体含2条染色单体形态与卵子发生过程中营养物储备密切相关。灯刷染色体中大部分DNA以染色

58、粒形式存在，没有转录活性。侧环是RNA活跃转录的区域，侧环的粗细与转录状态有关。合成的RNA 主要为前体mRNA。四、特殊染色体四、特殊染色体灯刷染色体灯刷染色体第五节第五节 核仁与核体核仁与核体Nucleoli （nucleolus 的复数）的复数）HeLa cell, GFP-ribosomal protein 见于细胞核内的圆球状结构，见于细胞核内的圆球状结构，大小、形状、数目随物种大小、形状、数目随物种、细胞类型和代谢状态而变，、细胞类型和代谢状态而变，在蛋白质合成旺盛和分裂在蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞中有较大和较多的核仁，反之核仁很小增殖较快的细胞中有较大和较多的核仁，反之核

59、仁很小或缺失。或缺失。 真核细胞间期核中最显著的结构，核仁在分裂前期消失真核细胞间期核中最显著的结构，核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。，分裂末期又重新出现。 主要功能是转录主要功能是转录rRNArRNA和组装核糖体亚单位。和组装核糖体亚单位。第五节第五节 核仁与核体核仁与核体一、核仁的结构一、核仁的结构 纤维中心纤维中心 致密纤维组分致密纤维组分 颗粒组分颗粒组分一、核仁的结构一、核仁的结构 纤维中心纤维中心(fibrillar centers，FC)：是被致密纤维包围的一个或几个低电子密度的圆形结构，主要成分为RNA聚合酶聚合酶和和rDNA，这些rDNA是裸露的分子 致密纤维组分致密纤维组分(dense fibrillar component，DFC)：呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，是新合成的新合成的rRNA和特异性结合蛋白和特异性结合蛋白，转录主要发生在FC与DFC的交界处 颗粒组分颗粒组分(granular component，GC)：由直径15-20 nm的颗粒构成，是不同加工阶段的不同加工阶段的RNP主要功能是核糖体的生物发生:包括rRNA的合成、加工和核糖体的亚单位的