细胞生物学：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一、核膜一、核膜/content/318/5855/1408/F1.large.jpg（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Breakdown and reformation of

2、 nuclear envelope during mitosis二、核孔复合体二、核孔复合体（一）结构模型（一）结构模型 “fish-trap” 胞质环（cytoplasmic ring） 核质环（nuclear 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，N

3、up）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（三）功能（三）功能 双功能、双向性的亲水性核双功能、双向性的亲水性核质交换通道质交换通道 Passive transport (10nm) Active transport Signal Bidirectional tra

4、ffic通过核孔复合体的物质运输通过核孔复合体的物质运输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9-10nm2核孔复合体的主动运输核孔复合体的主动运输入核是否由分入核是否由分子大小决定呢？子大小决定呢？爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验（爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验（1）l 核质蛋白哪部分负责其在核内定位？l 该实验如何证明其入核是由核定位信号指导的主动运输，而不是被动扩散？爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验（爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验（1）信号与信号与Ran蛋白蛋白 核定位信号核定位信号（NLS）：引导蛋白进入细胞核，受体为importin，4-8个氨基酸组成，含Pro、Ly

5、s和Arg。完成核输入后不被切除不被切除 第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，其NLS为：Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val 核输出信号核输出信号（NES），引导RNP输出细胞核，受体为exportin Ran蛋白蛋白，属G蛋白，调节货物复合体的解体或形成Nuclear localization signals Wild-type: T-antigen in nucleusMutant-type: T-antigen in cytosolFigure 12-11 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science

6、2008)NLS of SV40s T-antigenNormal pyruvate kinase: in cytosolChimeric pyruvate kinase containing SV40 NLS: in nucleusNuclear localization signals-pro-lys-lys-lys-arg-lys-val-2核孔复合体的主动运输核孔复合体的主动运输 对运输颗粒大小的限制 信号识别与载体介导 需要消耗ATP 能量 具有双向性，即核输入与核输出Ran GTP/ GDPNPC mediates bidirectional nucleocytoplasmic t

7、raffickingScience 30 November 2007: Vol. 318 no. 5855 pp. 1412-1416亲核蛋白通过核孔复合体的转运亲核蛋白通过核孔复合体的转运三、核纤层三、核纤层 3 种核纤层蛋白：lamin A、B 、C 核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构核纤层蛋白核纤层蛋白Genes & Dev. 2008. 22: 832-853 核纤层的功能核纤层的功能 nuclear lamina 结构支撑功能 调节基因表达 调节DNA 修复 与细胞周期有关/wiki/Nuclear_laminaHutchinson-

8、Gilford Progeria Syndrome (HGPS)In HGPS patients the cell nucleus has dramatically aberrant morphology (bottom, right) rather than the uniform shape typically found in healthy individuals (top, right)第二节第二节 染色质染色质 (Chromatin) 间期细胞核内由DNA、组蛋白组蛋白、非组蛋白非组蛋白及少量少量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

9、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76% DNA is transcribed into RNATandemly repeated gene encodeTandemly repeated and interspersed repeated DNADNA fingerprinting and Paternity testingDNA 3 种构型种构型右手螺旋，活性最高右手螺旋，活性最高左手螺旋，活性最低左手螺旋，活性最低每个螺旋含每个螺旋含1212个核苷酸对个核苷酸对脱水右手螺旋脱水右手螺旋每螺旋为每螺旋为1111个核苷酸对个

10、核苷酸对二、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)（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

11、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凝胶延滞实验（凝胶延滞实验（gel retardation assay）/courses/biol350/Transcriptome17/Review.html制备一段带有放射性标记的已知特异序列的DNA。将要检测的细胞抽提物与标记DNA混合，进行凝胶电泳。未结合蛋白的自由DNA在凝胶上迁移最快，而与蛋白质结合的DNA迁移慢，一般结合的蛋白质分子愈大，DNA分子的延滞现象越明显，然后通过放射性自显影分析，即可发现一系列DNA带谱，每条带分别代表不同的

12、DNA-蛋白质复合物。每条带相对应的结合蛋白随后再通过细胞抽提物组分分离方法被进一步分开。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10 nm 的核小体结构Figure 4-22 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（一）核小体的发现（一）核小体的发现 非特异性微球菌核酸酶消化染色质（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):

13、 352-359http:/ 包括200 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 146 bp 166 bp 200 bp Linker DNA(H2A-H2B)-(H3-H4)-(H2-H4)-(H2A-H2B)H1 molecules are associated with the linker region146+(15-50) bp linker DNA（二）核小体的结构（二）核小体的结构 组蛋白与DNA 之间的相互

14、作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列 核小体沿DNA 的定位受不同因素的影响Figure 4-27 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)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.htmlDNA双螺旋螺距双螺旋螺距3.4nm，10bp；即碱基堆积距离；即碱基堆积距离=0.34nmDNA全长全长=61090.34nm=2.04109nm（一）染色质组装的前期过程（一）染色质组装的前期过程 裸露

15、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，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 一级结构：核小体 二级结构：螺线管 三级结构：超螺线管 四级结构：染色单体Figure 4-72 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Nature Structural & Molecular Biology 12, 6 (2005) （三）染色质组装的骨架放射环结

16、构模型（三）染色质组装的骨架放射环结构模型/Heidi/chapter12/chp12.htmCondensation of DNA into chromatin and chromosome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）Labeling with 3H-uridine（

17、一）常染色质与异染色质（一）常染色质与异染色质http:/ Bodies: heterochromatinized X-chromosomesNucleosome arrangement in transcriptionally inactive heterochromatin and active euchromatinhttp:/www.mun.ca/biology/scarr/Barr_Bodies.html（二）常染色质与异染色质间的转变（二）常染色质与异染色质间的转变 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

18、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

19、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第三节第三节 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（一）表观遗传

20、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（二）表观遗传的工作模型（二）表观遗传的工作模型（三）表观遗传的问题（三）表观遗传的问题 表观遗传密码子是什么？ 表观遗传是如何传代的？ 表观遗传记忆本质是什么？ 生殖细胞中有没有表观遗传印记来保持它的全能性？ 非编码RNA 在表观遗传调控中的作用是什么？ 表观遗传如何控制干细胞的全能或多能性？ 第四节第四节 染色体染色体http:/ 核型核型 (karyot

21、ype) 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)Full set of chromosomes of a cell arranged with resp

22、ect to size, shape and number染色体的制备染色体的制备刺激淋巴细胞增殖刺激淋巴细胞增殖破坏微管装配，停在中期分裂相破坏微管装配，停在中期分裂相细胞膨胀，染色体分开细胞膨胀，染色体分开带型带型 (Banding patterns)Distinguish one chromosome from another G-banded karyotype of Giant panda G-banded karyotype of giant panda and brown bearHuman G-banded karyotype人类细胞中期染色体显带及染色体大小示意图人类细胞中期

23、染色体显带及染色体大小示意图一、染色体形态结构一、染色体形态结构 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 动粒结构域（kinetochore domain） 内板（inner plate）中间间隙 （middle space）外板 （outer plate） 纤维冠（fibrouscorona） 中央结构域（central domain） 配对结构域（pairing domain）着丝粒与动粒着丝粒与动粒一、染色体形态结构一、染色体

24、形态结构 次缢痕 核仁组织区 随体 端粒核仁组织区（核仁组织区（nucleolar organizing region，NOR）http:/www.nenno.it/phaseolus-polytene-chromosomes/norB: Schematic drawing of a collecting nucleolus made up by the NORs of 5 chromosomes. C: Drawing of the different forms of condensation of the NOR. i: part of the NOR condensed, and th

25、e other one decondensedii: all the NOR condensed in compacted chromatiniii: all the NOR decondensed in loose chromatin端粒端粒 (Telomere)http:/ (Telomere)/content/123/15/1650.fullThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009for the discovery of how chromosomes are protected by

26、 telomeres and the enzyme telomeraseElizabeth BlackburnUCSFCarol GreiderJohns Hopkins UniJack SzostakHoward Medical SchThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009The Nobel Prize in Physiology or Medicine 20091939年，Barbara McClintock发现玉米细胞的染色体断裂末端容易融合1

27、972年，James Watson提出染色体复制的末端隐缩问题1978年，报道四膜虫的端粒序列1982年，端粒的发现导致人工染色体的发明1984年，报道酵母的端粒序列1985年，报道四膜虫的端粒酶活性1989年，报道四膜虫端粒酶的RNA亚基1994年，报道酵母端粒酶的RNA亚基1995年，报道酵母端粒酶活性1996年，纯化了四膜虫端粒酶的催化亚基,遗传筛选到酵母端粒酶的催化亚基1997年，证明了四膜虫和酵母端粒酶的催化亚基端粒和端粒酶发现大事记端粒和端粒酶发现大事记二、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（一）自主复制（一）自主复制DNA序列序列亮氨酸合成酶基因

28、质粒亮氨酸合成酶基因质粒（二）着丝粒（二）着丝粒DNA序列序列（三）端粒（三）端粒DNA序列序列端粒酶端粒酶端粒酶端粒酶 (Telomerase)端粒酶端粒酶 (Telomerase)一种由RNA和蛋白质组成的核糖核蛋白复合体，属于反转录酶，与端粒的调控机理密切相关。人类的端粒酶亚单位基因已被复制出来，分别是端粒酶RNA（hTR）、端粒酶结合蛋白（hTP1）、端粒酶活性催化单位（hTERT）。它以自身的RNA作为端粒DNA复制的模板，合成出富含脱氧单磷酸鸟苷的DNA序列后添加到染色体的末端并与端粒蛋白质结合，弯曲形成loop 环，避免核酸酶的消化降解，从而稳定了染色体的结构。在正常人体细胞中，

29、端粒酶的活性受到相当严密的调控，只有在造血细胞、干细胞和生殖细胞，这些必须不断分裂复制的细胞之中，才可以侦测到具有活性的端粒酶。当细胞分化成熟后，必须负责身体中各种不同组织的需求，端粒酶的活性就会渐渐的消失。端粒酶在保持端粒稳定、基因组完整、细胞长期的活性和潜在的继续增殖能力等方面有重要作用。端粒酶的存在，就是把 DNA 复制机制的缺陷填补起来，即由把端粒修复延长，可以让端粒不会因细胞分裂而有所损耗，使得细胞分裂复制的次数增加。端粒酶端粒酶 (Telomerase)端粒突出末端形成端粒环（端粒突出末端形成端粒环（T-loop）防止融合及切除、修复防止融合及切除、修复Telomere, Telo

30、merase and cellular aging, cancer cell思考题思考题Is there the “end-replication problem” in bacteria?How bacteria solve this problem?克隆羊多莉的培育克隆羊多莉的培育显微操作技术与动物的克隆显微操作技术与动物的克隆 细胞拆合：胞质体，核体 物理法：机械法或短波光 化学法：细胞松弛素 显微镜下用显微操作装置对细胞进行拆合或微量注射，如核移植、显微注射基因等转生长激素的小鼠转生长激素的小鼠细胞融合与单克隆抗体技术细胞融合与单克隆抗体技术 细胞融合细胞融合 灭活的病毒 化学物质（如

31、PEG） 电融合 同核体同核体（homokaryon） 异核体异核体（heterokaryon）单克隆抗体与多克隆抗体单克隆抗体与多克隆抗体单克隆抗体的制备单克隆抗体的制备单克隆抗体的应用单克隆抗体的应用首先发现免疫反应的物质基础抗毒素（抗原），成就了第一代抗体多克隆抗体（抗体血清）。利用杂交瘤技术制备单克隆抗体于1984年获得诺贝尔医学奖。在此技术问世11年（1986年）后第二代抗体药物治疗性单抗药物（OKT3，muromonab）在美国上市。此后随着抗体基因重排规律的阐释，“重组抗体”作为第三代抗体逐渐问世。2010年，单克隆抗体药物已经成为生物技术药物中的最大类别。而且，目前世界上销售额

32、排名前十的药物，有五种属于单抗药物。四、特殊染色体四、特殊染色体多线染色体多线染色体 存在于双 翅目昆虫的幼虫组织细胞和成虫唾液腺内 来源于核内有丝分裂 多线化的细胞处于永久间期 染色中心 1024条，10代四、特殊染色体四、特殊染色体多线染色体多线染色体 多线染色体的带和间带都含有基因 darkly-staining bands (b) lighter interbands (ib)http:/ 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 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（时间不定） 形态与卵子发生过程中营养物储备密切相关（克隆动物）Figur

33、e 4-54 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)四、特殊染色体四、特殊染色体灯刷染色体灯刷染色体 大部分DNA 以染色粒形式存在，没有转录活性 侧环是RNA 活跃转录的区域 合成的RNA 主要为前体mRNAFigure 4-55 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)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