第十一章 细胞核与染色体

1、第十一章第十一章细胞核与染色体细胞核与染色体细胞核细胞核l真核细胞内最大的细胞器真核细胞内最大的细胞器l细胞遗传与代谢的调控中心细胞遗传与代谢的调控中心u遗传信息的贮存场所；遗传信息的贮存场所；u进行基因复制、转录和转录初产物的加工过进行基因复制、转录和转录初产物的加工过程，从而控制细胞的遗传与代谢活动。程，从而控制细胞的遗传与代谢活动。l结构结构u核被膜与核孔复合体核被膜与核孔复合体u核纤层核纤层u染色质染色质/染色体染色体u核仁核仁u核体核体一、核被膜（一、核被膜（Nuclear envelope）l结构结构u外核膜（外核膜（outer nuclear membrane）：）：面向面向胞质

2、，附有核糖体颗粒，常与糙面内质网相胞质，附有核糖体颗粒，常与糙面内质网相通连。通连。u内核膜（内核膜（inner nuclear membrane）：）：面向面向核质，表面光滑，无核糖体颗粒附着，有特核质，表面光滑，无核糖体颗粒附着，有特有的蛋白成份（如核纤层蛋白有的蛋白成份（如核纤层蛋白B受体）。受体）。u核纤层（核纤层（nuclear lamina）位于内膜下面，由核纤层蛋白（属于中间位于内膜下面，由核纤层蛋白（属于中间丝）构成的纤维网络丝）构成的纤维网络u核周间隙（核周间隙（perinuclear space）：）：与内质网与内质网腔相通。腔相通。u核孔（核孔（nuclear pore）

3、 成分、结构复杂，为核质和胞质间选择性成分、结构复杂，为核质和胞质间选择性的通道的通道核被膜的功能核被膜的功能l构成核、质之间的天然选择性屏障构成核、质之间的天然选择性屏障u避免生命活动的彼此干扰；避免生命活动的彼此干扰；u保护保护DNA免受细胞骨架运动所产生的机械免受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤。力的损伤。l调控核质之间的物质交换与信息交流调控核质之间的物质交换与信息交流核被膜在细胞有丝分裂中的核被膜在细胞有丝分裂中的解体与重建解体与重建l旧核膜参与新核膜的构建旧核膜参与新核膜的构建l核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调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

4、能与核纤层蛋白、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饰有关。核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。 二、核纤层二、核纤层三、核孔复合体三、核孔复合体（Nuclear pore complex，NPC）l相对独立的复杂结构相对独立的复杂结构u胞质环胞质环（cytoplasmic ring）：）：外环，外环，位于核孔边缘的胞质面一侧。位于核孔边缘的胞质面一侧。u核质环核质环（nuclear ring）：）：内环，位于内环，位于核孔边缘的核质面一侧。核孔边缘的核质面一侧。u辐辐（spoke）；）；由核孔边缘伸向中心，呈辐由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称。

5、射状八重对称。柱状亚单位（柱状亚单位（column subunit）：）：连接内连接内外环，起支撑作用。外环，起支撑作用。腔内亚单位（腔内亚单位（luminal subunit） ：穿过穿过核膜，伸入双层核膜的膜间隙。核膜，伸入双层核膜的膜间隙。环带亚单位（环带亚单位（annular subunit）：）：形成形成核质交换的通道。核质交换的通道。l中央栓中央栓（central plug or transporter）：）：位于核孔中心，呈颗粒状或棒状，可能位于核孔中心，呈颗粒状或棒状，可能与物质交换有关。与物质交换有关。核孔复合体的成分核孔复合体的成分l核孔复合体主要由蛋白质构成，其总核孔复合

6、体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为相对分子质量约为125106，推测可能，推测可能含有含有30余种不同的多肽，共余种不同的多肽，共1 000多个多个蛋白质分子。蛋白质分子。 核孔复合体的功能核孔复合体的功能l核质交换的核质交换的双向选择性亲水双向选择性亲水通道通道 u双功能性双功能性：被动扩散与主动运输：被动扩散与主动运输u双向性双向性：既介导蛋白质的入核转运，：既介导蛋白质的入核转运，又介导又介导RNA、核糖核蛋白颗粒（核糖核蛋白颗粒（RNP）的出核转运。的出核转运。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l离子、小分子以及直径在离子、小分子以及直径在10nm以下的物以下

7、的物质质原则上原则上可以自由通过。可以自由通过。u自由扩散自由扩散u协助扩散协助扩散2. 通过核孔复合体的主动运输通过核孔复合体的主动运输l对运输颗粒大小的限制：约对运输颗粒大小的限制：约1020nm，甚至可达甚至可达26nm；l主动运输是一个信号识别与载体介导的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，并表现出饱和动过程，需要消耗能量，并表现出饱和动力学特征；力学特征；l主动运输具有双向性，即核输入与核输主动运输具有双向性，即核输入与核输出出u聚合酶、组蛋白、核糖体蛋白等聚合酶、组蛋白、核糖体蛋白等uRNA、核糖体亚单位等、核糖体亚单位等3. 亲核蛋白的入核转运亲核蛋白的入核转运

8、l亲核蛋白（亲核蛋白（karyophilic protein）：）：在在细胞质内合成后，需要或能够进入细细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。胞核内发挥功能的一类蛋白质。l核定位信号核定位信号 (Nuclear localization signal, NLS）u富含碱性氨基酸残基；富含碱性氨基酸残基；uNLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指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。导完成核输入后并不被切除。l转运步骤转运步骤u结合：需结合：需NLS识别并结合识别并结合importin；u转移：需转移：需GTP水解提供能量水解提供能量4. 核输出核

9、输出l转录产物转录产物RNA的核输出：转录后的的核输出：转录后的RNA通常需加工、修饰成为成熟的通常需加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。分子后才能被转运出核。l在细胞核中既有正调控信号保证在细胞核中既有正调控信号保证mRNA的出核转运，也有负调控信号防止的出核转运，也有负调控信号防止mRNA的前体被错误地运输。的前体被错误地运输。四、核仁（四、核仁（Nucleolus）l光镜下可见真核细胞光镜下可见真核细胞间期间期核中非常明显核中非常明显的结构，球形，容易被酸性染料染色。的结构，球形，容易被酸性染料染色。l在细胞周期中，核仁是一个在细胞周期中，核仁是一个高度动态结高度动态结构构，

10、表现出周期性的消失与重建。，表现出周期性的消失与重建。l蛋白质合成旺盛、活跃生长蛋白质合成旺盛、活跃生长的细胞的细胞如分泌细胞、卵母细胞如分泌细胞、卵母细胞核仁大核仁大；不不具蛋白质合成能力具蛋白质合成能力的细胞如肌肉细的细胞如肌肉细胞、休眠的植物细胞，其胞、休眠的植物细胞，其核仁很小核仁很小。1. 核仁的超微结构核仁的超微结构l纤维中心（纤维中心（fibrillar center，FC）l致密纤维组分（致密纤维组分（dense fibrillar component，DFC）l颗粒组分（颗粒组分（granular component，GC）l核仁相随染色质（核仁相随染色质（nucleolar

11、 associated chromatin）l核仁基质（核仁基质（nucleolar matrix） 2. 核仁的功能核仁的功能lrRNA的转录的转录uFC与与DFC交界处交界处lrRNA的加工与核糖体大小亚单位的的加工与核糖体大小亚单位的组装组装u从从DFC向向GC延续延续rRNA前体的前体的加工加工3. 核仁周期核仁周期l在细胞周期中，核仁是一种高度动态的结构。在细胞周期中，核仁是一种高度动态的结构。u当细胞进入有丝分裂时，核仁首先变形和变小，当细胞进入有丝分裂时，核仁首先变形和变小，然后随着染色质凝集，核仁消失，所有然后随着染色质凝集，核仁消失，所有rRNA合合成停止；成停止；u在中期和

12、后期细胞中没有核仁；在中期和后期细胞中没有核仁；u有丝分裂末期，有丝分裂末期，rRNA合成重新开始，核仁开始合成重新开始，核仁开始重建。重建。五、核体（五、核体（Nuclear body）六、核基质（六、核基质（nuclear matrix）l又称为核骨架（又称为核骨架（nuclear skeleton）u 狭义概念仅指核基质，即真核细胞核狭义概念仅指核基质，即真核细胞核内除了核被膜、核纤层、染色质与核内除了核被膜、核纤层、染色质与核仁以外的仁以外的网架结构体系网架结构体系。u广义概念核骨架应包括核基质、核纤广义概念核骨架应包括核基质、核纤层（或核纤层层（或核纤层-核孔复合体结构体系），核孔复

13、合体结构体系），以及染色体骨架。以及染色体骨架。 l目前对核骨架的研究结论目前对核骨架的研究结论u核骨架是存在于真核细胞核内的结构体系；核骨架是存在于真核细胞核内的结构体系；u核骨架与核纤层、中间丝相互连接形成贯穿于核与质的核骨架与核纤层、中间丝相互连接形成贯穿于核与质的 一个独立的结构系统；一个独立的结构系统；u核骨架的主要成分是由非组蛋白的纤维蛋白构成的核骨架的主要成分是由非组蛋白的纤维蛋白构成的, 含含有多种蛋白成分及少量有多种蛋白成分及少量RNA；u核骨架与核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的包装与构建有复制、基因表达及染色体的包装与构建有密切关系。密切关系。七、染色质七、染色质l染

14、色质（染色质（chromatin）u指指间期间期细胞核内由细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白组蛋白、非组蛋白及少量及少量RNA组成的线性复合结构组成的线性复合结构, 是间期细胞是间期细胞遗传物质存在的形式。遗传物质存在的形式。l染色体（染色体（chromosome）u指细胞在指细胞在有丝分裂或减数分裂有丝分裂或减数分裂过程中过程中, 由染色由染色质质聚缩而成的棒状结构聚缩而成的棒状结构。l染色质与染色体是在细胞周期不同阶段染色质与染色体是在细胞周期不同阶段可以相互转变的的形态结构。可以相互转变的的形态结构。l染色质与染色体具有基本相同的化学组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

15、，构象不同。成，但包装程度不同，构象不同。1. 染色质的组成染色质的组成l DNA 1 组蛋白组蛋白 1 非组蛋白非组蛋白 0.6 RNA 0.1l染色体蛋白质：负责染色体蛋白质：负责DNA分子遗传信息的组织、分子遗传信息的组织、复制和阅读。复制和阅读。蛋白质蛋白质染色质染色质（1）组蛋白（）组蛋白（Histone）l组蛋白主要有五种：组蛋白主要有五种：H1，H2A ，H2B，H3，H4uH2B、H2A、H3和和H4组蛋白：帮助组蛋白：帮助DNA卷曲形成卷曲形成核小体核小体的稳定结构。的稳定结构。uH1组蛋白：在构成核小体时组蛋白：在构成核小体时H1起起连接连接作用作用, 它赋予染色质以极性。

16、它赋予染色质以极性。l特点：特点：u真核生物染色体的真核生物染色体的基本结构蛋白基本结构蛋白，富，富含带正电荷的含带正电荷的Arg和和Lys等碱性氨基酸，等碱性氨基酸，属属碱性蛋白质碱性蛋白质，可以和酸性的，可以和酸性的DNA紧紧密结合（非特异性结合）；密结合（非特异性结合）；uH2B、H2A、H3和和H4组蛋白组蛋白没有种属没有种属及组织特异性及组织特异性，在进化上十分，在进化上十分保守保守。 （2）非组蛋白）非组蛋白l非组蛋白具非组蛋白具多样性和异质性；多样性和异质性；l对对DNA具有识别具有识别特异性特异性，又称序列特异，又称序列特异性性DNA结合蛋白结合蛋白 （sequence spe

17、cific DNA binding proteins）；）；l具有多种功能，包括基因表达的调控和具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。染色质高级结构的形成。 真核、原核细胞真核、原核细胞DNA的差异的差异l高等真核生物基因组的高等真核生物基因组的DNA含量含量比原核生物的要比原核生物的要大得多；大得多；l高等真核生物基因组高等真核生物基因组DNA中含有大量的中含有大量的重复顺序重复顺序u单一顺序、中度重复顺序、高度重复顺序单一顺序、中度重复顺序、高度重复顺序l真核基因通常是真核基因通常是不连续不连续的的断裂基因断裂基因u内含子、外显子内含子、外显子（3）DNAl基因组（基因组

18、（genome）：）：一个生物贮存在单倍染色一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息体组中的总遗传信息l基因组大小通常随物种的复杂性而增加基因组大小通常随物种的复杂性而增加 l基因组中两类遗传信息基因组中两类遗传信息编码序列：主要是非重复的单一编码序列：主要是非重复的单一DNADNA序列序列调控序列调控序列lDNA分子一级结构具有多样性分子一级结构具有多样性DNA分子一级结构的多样性分子一级结构的多样性l非重复序列非重复序列DNAl中度重复中度重复DNA序列序列 ：关于基因选择性表达的信息：关于基因选择性表达的信息u短散在重复元件（短散在重复元件（short interspersed elem

19、ents，SINEs）u长散在重复元件（长散在重复元件（long interspersed elements，LINEs）在物种进化过程中是基因组中可移动的遗传元件，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。并且影响基因表达。u高度重复高度重复DNA序列序列 卫星卫星DNA（satellite DNA），），主要分布在染色体着主要分布在染色体着丝粒部位；丝粒部位；小卫星小卫星DNA（minisatellite DNA），），又称数量可变又称数量可变的串联重复序列，常用于的串联重复序列，常用于DNA指纹技术（指纹技术（DNA fingerprinting）作个体鉴定；作个体鉴

20、定；微卫星微卫星DNA（microsatellite DNA），重复单位序列，重复单位序列最短，具高度多态性，在遗传上高度保守，为重要最短，具高度多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标志。的遗传标志。2. 染色质的基本结构单位染色质的基本结构单位核小体（核小体（Nucleosome）l每个核小体单位包括每个核小体单位包括200bp左右的左右的DNA超螺旋超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子的组蛋白和一个组蛋白八聚体及一个分子的组蛋白H1；l组蛋白八聚体构成核小体的组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构盘状核心结构；l146bp的的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75

21、圈圈, 组蛋白组蛋白H1在核心颗粒外结合额外在核心颗粒外结合额外20bp DNA，锁住核小体锁住核小体DNA的进出端，起稳定核的进出端，起稳定核小体的作用。包括组蛋白小体的作用。包括组蛋白H1和和166bp DNA的核的核小体结构又称小体结构又称染色质小体染色质小体；l两个相邻核小体之间以连接两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长相连，典型长度度60bp，不同物种变化值为不同物种变化值为080bp；l组蛋白与组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，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，实验表明，基本不依赖于核苷酸的特异序列，实验表明，核小体具有自组装（核小体具有自

22、组装（self-assemble）的性质；的性质；l核小体沿核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而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通过核小体相位改变影响基因表达 。核小体模型的主要实验证据核小体模型的主要实验证据l铺展染色质的电镜观察铺展染色质的电镜观察u未经处理的染色质自然结构为未经处理的染色质自然结构为30nm的的纤丝，经盐溶液处理后解聚的染色质纤丝，经盐溶液处理后解聚的染色质呈现呈现11nm串珠状结构；串珠状结构； l用非特异性微球菌核酸酶消化染色质，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；部分酶解片段分析结果；l应用应用X射线衍射、中子散射

23、和电镜三维重建技射线衍射、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为术研究，发现核小体颗粒是直径为11nm、高高6nm的扁圆柱体，具有二分对称性（的扁圆柱体，具有二分对称性（dyad symmetry），），核心组蛋白的构成是先形成核心组蛋白的构成是先形成（H3）2、（H4）2四聚体，然后再与两个四聚体，然后再与两个H2AH2B异二聚体结合形成八聚体；异二聚体结合形成八聚体；lSV40微小染色体（微小染色体（minichromosome）分析与分析与电镜观察。电镜观察。 3.染色质包装的多级螺旋模型染色质包装的多级螺旋模型l一级结构：核小体一级结构：核小体l二级结构：螺线管二级结构

24、：螺线管(solenoid)l三级结构：超螺线管三级结构：超螺线管(supersolenoid) l四级结构：染色单体（四级结构：染色单体（chromatid）DNA 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 5倍倍螺线管螺线管染色体包装的不同组织水平染色体包装的不同组织水平4. 常染色质和异染色质常染色质和异染色质l常染色质（常染色质（euchromatin）：）：u间期间期核内染色浅，电镜下密度小的区域，染色质纤核内染色浅，电镜下密度小的区域，染色质纤维折叠压缩程度低，处于维折叠压缩程度低，处于伸展状态

25、伸展状态，转录活跃或易转录活跃或易于转录。于转录。l异染色质（异染色质（heterochromatin）：u间期间期核内染色深，电镜下密度大的区域，染色质纤核内染色深，电镜下密度大的区域，染色质纤维折叠压缩程度高，处于维折叠压缩程度高，处于聚缩状态聚缩状态，无转录活性。无转录活性。u结构异染色质、兼性异染色质（巴氏小体）结构异染色质、兼性异染色质（巴氏小体）5. 染色体染色体l细胞在细胞在有丝分裂有丝分裂时遗传物质存在的时遗传物质存在的特定形式，是染色质紧密包装的结特定形式，是染色质紧密包装的结果。果。（1）染色体的类型）染色体的类型l中着丝粒染色体中着丝粒染色体(metacentric ch

26、romosome)l近中着丝粒染色体近中着丝粒染色体(submetacentric chromosome)l近端着丝粒染色体近端着丝粒染色体(subtelocentric chromosome)l端着丝粒染色体端着丝粒染色体(telocentric chromosome)。 （2）染色体的结构）染色体的结构l染色单体（染色单体（chromatid）l着丝粒（着丝粒（centromere）与动粒（）与动粒（kinetochore）l次缢痕（次缢痕（secondary constriction）：除主缢痕）：除主缢痕外，在染色体上其他的浅染缢缩部位。外，在染色体上其他的浅染缢缩部位。l核仁组织区（核仁组织区（nucleolar organizing region，NOR）：位于染色体的次缢痕部位。）：位于染色体的次缢痕部位。l随体（随体（satellite）：位于染色体末端的球形染色）：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。体节段，通过次缢痕区与染色体主体部分相连。l