细胞生物学：第十一讲 细胞核(nucleus)与染色质(chromatin)

1、第十一讲 细胞核(nucleus)与 染色质(chromatin) 细胞核是遗传信息的贮存场所，在此进行基因复制、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。 细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是细胞遗传与代谢的调控信息中心，是真核细胞区别于原核细胞最显著的标志之一，在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核是细胞内储存遗传物质的场所。真核生物的细胞都有细胞核, 只有成熟的红细胞和植物成熟的筛管没有细胞核。细胞核主要有两个功能: 一是通过DNA染色体的复制和细胞分裂，维持物种的世代连续性(遗传); 二是通过调节基因表达的时空顺序，控制细胞的分化，完成个体发育的使命（

2、发育）。 1781年 Trontana发现于鱼类细胞；1831年，Brown发现于植物。大小：细胞核的大小与细胞大小有关，最小的核直径不足1m，而最大的核如苏铁科某些植物卵细胞核直径可达500600m。高等植物细胞核直径520m，低等植物细胞核直径14m，高等动物细胞核直径5-10m。在同一种生物，由于遗传物质的含量是恒定的，因此核的大小也比较恒定；常以核质比来估算核的大小。正常细胞NP0.5，分裂期细胞NP0.5，衰老细胞NP0.5。 形状：圆形，胚乳细胞(网状）蝶类丝腺细胞(分支状)。位置：细胞中央 ，成熟植物细胞的边缘。数目：通常一个，成熟的筛管和红细胞（0）、肝细胞、心肌细胞(1-2）

3、、破骨细胞(650）、骨骼肌细胞(数百）、植物毡绒层细胞(24)。结构：核被膜、核仁、核体、染色质、核纤层。第一节 核被膜与核孔复合体 一、核被膜 结构组成外核膜（outer nuclear membrane），附有核糖体颗粒，并与糙面内质网相连，核周隙与内质网腔相通，可以说是内质网的一部分。外核膜上附着10nm的中间纤维，可见核是被内质网和中间纤维相对固定的内核膜（inner nuclear membrane），有特有的蛋白成份（如核纤层蛋白B受体）核纤层（nuclear lamina），位于内核膜的内表面的纤维网络，可支持核膜，并与染色质及核骨架相连。 核周间隙（perinuclear s

4、pace）两层核膜之间的空隙, 宽20-40nm,其中充满无定形物质核孔复合体（nuclear pore）核孔由内外两层膜的局部融合而成，是细胞核膜上沟通核质与胞质的开口，核孔上镶嵌着一种复杂的结构，叫做核孔复合体核孔的直径为80-120nm，核孔复合体为120-150nm 。合成功能旺盛的细胞,核孔复合体的数量较多 核被膜的结构核被膜的功能 构成核、质之间的天然选择性屏障避免生命活动的彼此干扰保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤 核质之间的物质交换与信息交流染色体的定位和酶分子的支架核被膜在真核细胞有丝分裂中有规律地解体与重建新核膜来自旧核膜（很多人支持）核被膜的去组装是非随机的，

5、具有区域特异性。如孔膜区膜（核孔周围的核膜）和内核膜分别形成独立的小囊泡。组装时内核膜形成的小泡先结合染色体，孔膜区膜形成的小囊泡后结合，再组装核孔复合体。以非洲爪蟾卵提取物为基础的非细胞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。核装配体系提供了实验模型间期存在，分裂期解体核被膜的动态特点：在细胞周期中，核被膜有规律的解体与重建。分裂期：双层膜蹦解成单层泡膜，核孔复合体解体，核纤 层去装配；分裂末期：核被膜开始围绕染色体重新形成。核纤层由核纤肽（lamin）构成，核纤肽一类中间纤维，分为A、B两型。作用：1保持核的

6、形态：2参与染色质和核的组装：核纤层在细胞分裂时呈现出周期性的变化，在间期核中，核纤层提供了染色质（异染色质）在核周边锚定的位点。在前期结束时，核纤层被磷酸化，核膜解体。其中B型核纤肽与核膜残余小泡结合，A型溶于胞质中。在分裂末期，核纤肽去磷酸化重新组装，介导了核膜的重建。 核纤层在细胞周期中的变化核孔是物质运输的通道 核孔是细胞核与细胞质之间物质交换的通道，一方面核的蛋白都是在细胞质中合成的，通过核孔定向输入细胞核，另一方面细胞核中合成的各类RNA、核糖体亚单位需要通过核孔运到细胞质。此外注射实验证明，小分子物质能够以自由扩散的方式通过核孔进入细胞核。核孔由至少50种不同的蛋白质（nucle

7、oporin）构成，称为核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）。一般哺乳动物细胞平均有3000个核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。如蛙卵细胞每个核可有37.7X106个核孔，但其成熟后细胞核仅150300个核孔。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fish-trap。 电镜观察的核孔核孔复合体(nuclear pore complex,NPC） 核孔由至少50种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，称为核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）。定义：是一组蛋白质颗粒以特定的方式排布形成的轮形结构，呈现8面

8、对称，是核质交换的双向选择性亲水通道。核孔复合体的结构:鱼笼模型主要包括以下几个部分：胞质环（cytoplasmic ring），位于核孔复合体胞质一侧，环上有8条纤维伸向胞质；核质环（nuclear ring），位于核孔复合体核质一侧，上面伸出8条纤维，纤维端部与端环相连，构成笼子状的结构；转运器（transporter）或栓（中央栓），核孔中央的一个栓状的中央颗粒；辐（Spoke）：核孔边缘伸向核孔中央的突出物。 Model of the nuclear pore complex1) 柱状亚单位：位于核孔边缘，连接内外环，支撑核孔。2）腔内亚单位：分布在柱状亚单位外侧，穿膜进入核周间隙。3

9、）环带亚单位：分布在柱状亚单位内侧，核质交换通道核孔复合体成份的研究 核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为1.25108，推测可能含有30余种不同的多肽，共1 000多个蛋白质分子。 gp210：结构性跨膜蛋白，第一个被鉴定出来的 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，其疏水区暴露，使 其能与核膜融合 在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定作用 p62：功能性的核孔复合体蛋白， 脊椎动物的p62分子具有两个功能结构域 疏水性N端区：具F(苯丙氨酸)XFG（甘氨酸）重复序列。可能在核孔复合

10、体功能活动中直接参与核质交换 C端区：具疏水性的7肽重复序列。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。核孔复合体的功能 核孔是细胞核与细胞质之间物质交换的通道，一方面核的蛋白都是在细胞质中合成的，通过核孔定向输入细胞核，另一方面细胞核中合成的各类RNA、核糖体亚单位需要通过核孔运到细胞质。 核孔运输特点 被动运输简单扩散 运输离子、小分子及 直径 在10nm 以下的 物质 主动运输 信号引导 双向性被动运输作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为910nm，有的可达12.5nm，即离子、小分子以及直径在10nm以下的物质原则上可以

11、自由通过。 扩散速度与分子大小成反比这种有效直径相当于允许相对分子质量在4010360103以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出入细胞核。 有许多小分子量的蛋白质，如组蛋白H1，是通过主动运输进入细胞核的。 （其相对分子质量虽只有21103，它本身带有具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。 通过核孔复合体的主动运输 生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的主动运输完成的，具有高度的选择性，并且是双向的。选择性表现在以下三个方面对运输颗粒大小的限制：有效功能直径可被调节约1

12、020nm，甚至可达26nm，主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗ATP能量，并表现出饱和动力学特征主动运输具有双向性，即核输入与核输出 核输入： 把复制、转录、染色体构建和核糖体亚单位组装等所需要的各种因子如DNA聚合酶、 RNA聚合酶、组蛋白、核糖体蛋白等运输到核内； 核输出：能将翻译所需的RNA、组装好的核糖体亚单位从核内运送到细胞质。通过核孔复合体进行物质运输的功能示意图通过核孔的物质运输与信号序列有关 1982年R. Laskey发现核内含量丰富的核质蛋白（nucleoplasmin）的C端有一个信号序列，可引导蛋白质进入细胞核，称作核定位信号（nuclear local

13、ization signal，NLS）。第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，它在胞质中合成后很快积累在核中。其NLS为：pro（脯氨酸）-pro-lys（赖氨酸）-lys-lys-Arg（精氨酸）-Lys-val（缬氨酸），即使单个氨基酸被替换，亦失去作用。亲核蛋白（karyophilic protein） 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 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

14、）。 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 亲核蛋白入核转运的步骤 Karyopherin是一类与核孔选择性运输有关的蛋白家族，相当于受体蛋白。其中imporin负责将蛋白从细胞质运进细胞核，exportin负责相反方向的运输。 通过核孔复合体的转运还涉及Ran蛋白，Ran是一种G蛋白，调节货物受体复合体的组装和解体，在细胞核内Ran-GTP的含量远高于细胞质。蛋白与NLS受体，即imporin /二聚体结合；货物与受体的复合物与NPC胞质环上的纤维结合；纤维向核弯曲，转运器构象发生改变，形成亲水通道，货物通过；

15、货物受体复合体与Ran-GTP结合，复合体解散，释放出货物；与Ran-GTP结合的imporin ，输出细胞核，在细胞质中Ran结合的GTP水解，Ran-GDP返回细胞核重新转换为Ran-GTP；imporin 在核内exportin的帮助下运回细胞质 核质素输入细胞核的过程 转录产物RNA的核输出 核输出信号 (Nuclear Export Signal，NES)：RNA分子的出核转运需要蛋白分子的帮助，即以各种RNP形式存在，实际是RNA-蛋白质复合体的转运，这些蛋白因子本身含有出核信号。 转录后的RNA通常需加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。 RNA聚合酶I转录的rRNA分

16、子：以RNP的形式离开细胞核，需要能量；RNP的蛋白质上具有核输出信号（nuclear export signal, NES），可与细胞内的受体exportin结合，形成RNP-exportin-Ran-GTP复合体，输出细胞核后，Ran-GTP水解，释放出结合的RNA，Ran-GDP、exportin和RNP蛋白返回细胞核。 RNA聚合酶III转录的5s rRNA与 tRNA的核输出由蛋白质介导 RNA 聚合酶II转录的hn RNA，在核内进行5端加帽和3端附加多聚A序列以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA出核，5端的m7GpppG“帽子”结构对mRNA的出核转运是必要的； mRNA的

17、出核转运过程是有极性的，其5端在前，3端在后。 第二节 染色质染色质(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, 由染色质紧密包裹而成的棒状结构。染色体与染色质比较：在化学本质上没有差异在构型上不同是遗传物质在细胞周期不同阶段的不同表现形式。1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。 1879年，W. Flemming提出了染色质（chromatin）这一术语， 用以描述染色后细胞核中强烈着色的细丝状物质。 1888年，

18、Waldeyer正式提出染色体（Chromosome)的名称。一、染色质的化学组成染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，比例为1：1：（1-1.5）：0.05。DNA与组蛋白的含量比较恒定，非组蛋白的含量变化较大，RNA含量最少。DNA DNA是遗传信息的携带者（少数病毒为RNA）. 染色质 DNA基因组（genome）：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。基因组大小通常随物种的复杂性而增加 基因组中两类遗传信息 编码序列 调控序列物种 基因组大小 平均基因长（bp） 基因数目 大肠杆菌 4.2106bp， 1.2Kb 约2 350酵母 1.3107bp

19、1.4Kb 约6 100 果蝇 1.4108bp 11.3Kb 约8 750 人 3109bp 16.3Kb 约3-4万几种生物基因组比较 染色质DNA的类型非重复序列DNA(单一序列或1-5个拷贝):编码序列中度重复DNA序列 （拷贝数在10个以上的序列称为重复序列，重复次数在102-105为中度重复序列）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 （重复次数在105以上）生物基因组中遗传信息大体可分两类：一类是负责蛋白质氨基酸组成的信息，以三联体密码

20、方式进行编码。 另外一类是中度重复序列DNA，起调控作用的DNA序列，它们是关于基因选择性表达的信息。负责蛋白质氨基酸组成的信息 细胞中编码DNA序列在基因组中只占很小的比例，在高等哺乳类，这一比例大约只有5左右。 这类编码序列主要是非重复的单一DNA序列，一般在基因组中只有一个或几个拷贝；中度重复序列DNA这类起调控作用的DNA序列在整个基因组中占有很高的比例，并且能与调控蛋白相互作用而修饰自已的双螺旋空间结构，以便更好地为调控蛋白所识别。有些中度重复序列DNA具有编码功能，如编码rRNA和 tRNA以及组蛋白的基因，但大部分中度重复序列不编码任何产物 此外，真核细胞基因组中，还含有高度重复

21、DNA序列，每个基因组中至少含105拷贝，约占脊椎动物总DNA的10。 由一些短的DNA序列呈串联重复排列，分为： 卫星DNA： 重复单位长5100bp， 小卫星DNA：重复单位长12100bp，重复3 000 次之多。 微卫星DNA：重复单位序列最短，只有15bp， 串联成簇长度50100bp的微卫星序列。高度重复DNA序列 卫星DNA（satellite DNA）：重复单位长5100bp，不同物种重复单位碱基组成不同；一个物种也可能含有不同的卫星DNA序列；主要分布在染色体着丝粒部位，如人类染色体着丝粒区的-卫星DNA家族，其功能不明。小卫星DNA（minisatellite DNA）重复

22、单位长12100bp，重复3 000次之多，又称数量可变的的串联重复序列；每个小卫星区重复序列的拷贝数是高度可变的，因此常用DNA指纹技术（DNA finger-printing）作个体鉴定；另外发现小卫星序列的改变可以影响邻近基因的表达，基因的异常表达又导致一系列不良后效应。微卫星DNA （microsatellite DNA）重复单位序列最短，只有15bp，串联成簇长度50100bp的微卫星序列。人类基因组中至少有30 000个不同的微卫星位点，具高度微卫星多态性（microsatellite polymorphism），不同个体间有明显差别，但在遗传上却是高度保守的，因此可作为重要的遗传

23、标志，用于构建遗传图谱（genetic map）。DNA二级结构：两条核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构Watson和Crick提出的右手双螺旋结构， B型DNA的三种构型A型是另一种右手双螺旋DNA，与B型的差别在于DNA的 大小沟有所不同，A型的更紧密。 Z (zig-zag)型是左手螺旋DNA，在结构上与B型很不同。 发生在高盐浓度下的CGCGCG短链中，生物功能不详。 体现 DNA双螺旋结构的可塑性。DNA的三种构型 三种DNA构型中,沟的特征在遗传信息表达过程中起关键作用,调控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原子供体(=NH)或受体(O和N)形成氢键而识别D

24、NA遗传信息的。 另外, Z型DNA同细胞癌变有一定的关系。DNA二级结构具有多形性(polymorphism)三种构型DNA： B型DNA（右手双螺旋DNA）；活性最高的DNA构象； A型DNA，B型DNA的重要变构形式，仍有活性； Z型DNA，Z型DNA是左手螺旋，B型DNA的另一种 变构形式，活性明显降低 三种构型DNA的主要特征 主 要 特 征 螺 旋 类 型 A B Z 螺旋直径 螺旋方向 螺旋值bp bp每圈螺旋 垂直升距bp 螺旋轴位置 大沟 小沟 23 A 右手 +34.7o 11.0 2.56A 位于大沟，不穿过碱基对 窄而深 宽而浅 19 A 右手 +34.6o 10.4

25、3.38A 穿过碱基对 宽而深 窄而浅 12 A 左手 -30 o 12.0 5.71A 位于小沟，不穿过碱基对 平坦 窄而深 DNA构型的生物学意义沟（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。负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读。分成两类：组蛋白与非组蛋白 染色质蛋白 组蛋白 (histone)定义：是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，有5种类型, 即H1、H2A、H2B、H3、H4，

26、它们富含带正电荷的碱性氨基酸，能够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用。一类是高度保守的核心组蛋白（core histone）包括H2A、H2B、H3、H4四种,帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构 ；另一类是可变的连接组蛋白（linker histone）即H1。在构成核小体时H1起连接作用, 赋予染色质以极性。 核心组蛋白的结构是非常保守，特别是H4，核心组蛋白高度保守的原因可能有两个：其一是核心组蛋白中绝大多数氨基酸都与DNA或其它组蛋白相互作用，可置换而不引起致命变异的氨基酸残基很少；其二是在所有的生物中与组蛋白相互作用的DNA磷酸二脂骨架都是一样的 特点： 真核生物染色体的基本结构蛋白

27、，富含带正电荷的Arg（精氨酸）和Lys（赖氨酸）等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）； H1不仅具有属特异性，而且还有组织特异性，所以H1是多样性的。 组蛋白(histone)：带正电荷，含精氨酸，赖氨酸，属碱性蛋白，其含量恒定，与DNA结合但没有序列特异性核小体组蛋白(nucleosomal histone), 包括H2A、H2B、H3和H4，作用是与 DNA组装成核小体 H1不参加核小体的组建，在构成核小体时起 连接作用，并赋予染色质以极性。组蛋白的功能非组蛋白与组蛋白不同，非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白

28、，非组蛋白的特点是：含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质；整个细胞周期都进行合成，不象组蛋白只在S期合成，并与DNA复制同步进行；能识别特异的DNA序列，识别信息存在于DNA本身，位点在大沟部分，识别与结合氢键和离子键。非组蛋白的功能是：帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域，从而有利于DNA的复制和基因的转录；协助启动DNA复制；控制基因转录，调节基因表达。 非组蛋白的特性：非组蛋白具多样性和异质性对DNA具有识别特异性具有多种功能 1）非组蛋白的特性： 非组蛋白具多样性和异质性多样性：占染色体蛋白的6070，不同组织 细胞中种类和数量不同，代谢周转快。异质性：包括多种参与核

29、酸代谢与修饰的酶类如： DNA和RNA聚合酶、 基因表达调控蛋白 核质蛋白、 染色体骨架蛋白、 肌动蛋白 HMG蛋白（high mobility group proteins） 对DNA具有识别特异性 能识别特异的DNA序列，这类序列特异性DNA结合蛋白具有一个共同特征： 形成与DNA结合的螺旋区 并具有蛋白二聚化的能力。 识别信息来源于DNA核苷酸序列本身， 识别位点存在于DNA双螺旋的大沟部分， 识别与结合靠氢键和离子键。 具有多种功能 序列特异性DNA结合蛋白在每个真核细胞约 占细胞总蛋白的1/5万，但具多方面重要功能： 包括基因表达的调控和染色质高级结构的形 成。如： 帮助DNA分子折

30、叠，以形成不同的结构域， 协助启动DNA复制， 控制基因转录， 调节基因表达。非组蛋白的不同结构模式 螺旋-转角-螺旋模式(helix-turn-helix motif) ：最简单、最普遍 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）： 螺旋-转角-螺旋模式（helix-turn-helix motif） 这种蛋白与DNA结合时，形成对称的同型二聚体结构模式。构成同型二聚体的每个单体由20个氨基酸

31、的小肽组成螺旋-转角-螺旋结构，两个螺旋相互连接构成转角，其中羧基端的螺旋为识别螺旋负责识别DNA大沟的特异碱基信息，另一个螺旋没有碱基特异性，与DNA磷酸戊糖链骨架接触。羧基端在与DNA特异结合时，以二聚体形式发挥作用，结合靠蛋白质的氨基酸侧链与特异碱基对之间形成氢键。锌指结构基序(模体）(zinc finger motif) 负责5SRNA,tRNA和部分snRNA基因转录的RNA聚合酶3所必需的转录因子含有这种结构 每个锌指单位是一个DNA结合结构域，由30个左右氨基酸残基组成，其中一对半胱氨酸和一对组氨酸与Zn2+形成配位键，锌指的C端形成a螺旋负责与DNA结合。有两种主要的锌指结构C

32、ys2/His2指和Cys2/Cys2的锌指结构。亮氨酸拉链模式（Leucine zipper motif，ZIP）包括： 酵母的转录激活因子（GCN4）， 癌蛋白Jun、Fos、yc 增强子结合蛋白等。亮氨酸拉链是富含Leu残基的一段氨基酸序列所组成的二聚化结构。蛋白的肽链羧基端约35个氨基酸残基有形成-螺旋的特点，每两圈（7个氨基酸残基）有一个亮氨酸残基。在-螺旋一侧的Leu排成一排， 两个蛋白质分子的-螺旋之间靠Leu残基之间的疏水作用力形成一条拉链状结构。与DNA结合的结构域：拉链区相邻的肽链N-端带正电荷的氨基酸碱性区。 螺旋-环-螺旋结构模式（helix-loop-helix mo

33、tif，HLH） 具此结构的蛋白家族成员之间形成同源或异源二聚体是这类蛋白与DNA结合的必要条件。 两个螺旋中间被一个或几个-转角组成的环区所分开。 每个螺旋由1516个氨基酸残基组成。 具有疏水面和亲水面的两性螺旋有助于二聚体的形成。 具此结构的转录因子如 哺乳类的MyoD、昆虫的AC-S等。螺旋邻近的肽链N-端有带正电荷的氨基酸碱性区与靶DNA大沟结合 HMG-盒结构模式（HMG-box motif） 在发现一组高迁移率蛋白（high mobility group proteins）后，首先发现并命名HMG-盒结构模式。该结构有3个螺旋组成boomerang-shaped结构模式，具有弯曲

34、DNA的能力。 因此，具有HMG-盒结构的转录因子又称“构件因子”（architectural factors），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相互作用而激活转录。HMG蛋白SRY SRY是一种HMG蛋白，在人类男性性别分化中具有关键作用。 SRY蛋白由Y染色体上一个基因编码。在诱导睾丸分化途径中，一些相关基因的转录活性被HMG蛋白（ SRY）所激活。突变的SRY基因所编码的蛋白不能与DNA结合，导致产生性反转， 具有这种表型的个体虽然具有XY性染色体对，但却发育成雌性。HMG蛋白UBF 能激活RNA聚合酶对rRNA基因的转录。 UBF以二聚体形式结合DNA，UBF通

35、过与DNA相互作用，使DNA围绕蛋白质形成环化结构， 通常情况下，这段DNA所具有的两个调控序列被120bp DNA所分开。 环化后使之（两个调控序列）靠近，与一个或多个转录因子结合。1974年Kornberg等人提出染色质结构的串珠模型（一）主要实验证据1，温和的方法裂解细胞核，铺展电镜观察，30nm纤维，10nm的串珠结构，用低离子浓度的溶液处理染色质，可选择性地除去组蛋白H1。在电子显微镜下观察用盐处理的染色质时，可见到核小体核心颗粒和连接DNA是分开的，为串珠状结构。2，非特异性的微球菌酶消化染色质，离心和电泳后，发现大多数DNA片断200bp左右，不完全消化则大多200、400、60

36、0bp等，用非特异性的核酸酶处理染色质, 大多数DNA都会形成长度为200bp的片段。如果用同样的核酸酶处理裸露的DNA, 产生随机大小的DNA片段。据此推测染色体DNA中除了某些位点外, 受到了保护, 使核酸酶不能随机切割, 并推测这种保护作用与DNA结合的蛋白质有关。3，X射线衍射、中子散射和电镜三维重组技术，研究染色质结晶颗粒，发现核小体颗粒是直径11nm、高6nm的扁圆柱体，具有二分对称性。4，SV40微小染色体分析，环状DNA，约5kb，可形成25个核小体，实际观察到23个。去除组蛋白后伸展的DNA长度是5kb.二、染色质的基本结构单位核小体(nucleosome) 核小体 (nuc

37、leosome) 定义：是染色质的基本结构单位。由200个(160-240)左右碱基对的DNA和五种组蛋白结合而成。其中四种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各2 分子组成八聚体的小圆盘，是核小体的核心结构。146个碱基对的DNA包绕在小圆盘外面绕1 1.75圈。每一分子的H1与DNA结合, 锁住核小体DNA的进出口, 起稳定核小体结构的作用。两相邻核小体之间以连接DNA相连, 连接DNA的长度变化不等, 因不同的种属和组织而异, 但通常是60个碱基对。 核小体结构要点1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以及一个分子的组蛋白H1。2组蛋白八聚体构成核小体的盘状核

38、心结构，由4个异二聚体组成，包括两个H2A-H2B和两个H3-H4。 两个H3-H4形成4聚体位于核心颗粒中央，两个H2A-H2B二聚体分别位于4聚体两侧。每个异二聚体通过离子键和氢键结合约30bp DNA。3146bp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。 4两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。5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。即组蛋白与DNA是非特异性结合，核小体具有自主装性

39、质6核小体沿DNA的定位受不同因素的影响。三、染色质包装的结构模型 人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内全部DNA连结起来约1.7-2.0m，而细胞核直径不足10um。DNA是以螺旋和折叠的方式压缩起来的，压缩比例高达上万倍。对于更高级染色质包装方式，至今尚不明确。染色质包装的基本结构模型 1、染色质包装的多级螺旋模型 2. 染色体的骨架-放射环结构模型1、染色质包装的多级螺旋模型由DNA与组蛋白包装成核小体，在组蛋白H1的介导下核小体彼此连接形成直径约10nm的核小体串珠结构，这是染色质包装的一级结构。在有组蛋白H1存在的情况下，由直径10

40、nm的核小体串珠结构螺旋盘绕，每圈6个核小体，形成外径30nm，内径10nm，螺距11nm的螺线管（solenoid）。螺线管进一步螺旋化形成直径为0.4m的圆筒状结构，称为超螺线管（supersolenoid），这是染色体包装的三级结构。这种超螺线管进一步螺旋折叠，形成长210m的染色单体，即染色质包装的四级结构。 根据多级螺旋模型从DNA到染色体经过四级 包装：DNA核小体螺线管超螺线管染色单体压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍染色质包装的多级螺旋模型2. 染色体的骨架-放射环结构模型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。由螺线管形成DNA复制环，每18个复制环

41、呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带（miniband）。然后按每圈6个核小体为单位盘绕成直径30nm的螺线管。首先是直径2nm的双螺旋DNA 与组蛋白八聚体构建成连续重复的核小体串珠结构，其直径10nm。常染色质和异染色质 间期核中染色质按其形态特征、活性状态和染色性能可分为异染色质（heterochromatin）和常染色质（euchromatin）。 概念：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。 DNA包装比约为1 0002 000分之一 单一序列 DNA 和中度重复序列DNA(如组蛋白基因和tRNA基因) 常

42、染色质是进行活跃转录的部位，呈疏松的环状，并非所有基因都具有转录活性,常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件 易被核酸酶在一些敏感的位点（hypersensitive sites）降解 常染色质(euchromatin) 异染色质（heterochromatin异染色质是指间期核中，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。 异染色质分为：结构异染色质或组成型异染色质（constitutive heterochromatin）兼性异染色质（facultative heterochromatin）。结构异染色质（constitutive heteroch

43、romatin） 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，DNA包装比在整个细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。 在间期核中，形成多个染色中心 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。 兼性异染色质（facultative heterochromatin）。 是指在某

44、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。 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， 雌性哺乳类动物的X染色体就是一类特殊的兼性异染色质。在哺乳动物细胞内如有两个X染色体（通常为雌性），则其中的一个染色体常表现为异染色质，称巴氏小体（barr body）。又称X小体，通常位于间期核膜边缘。1949年，美国学者巴尔（M.L.Barr）等发现雌猫的神经细胞间期核中有一个深染的小体而雄猫却没有。在人类，男性细胞核中很少或根本没有巴氏小体，而女性则有1个。以后研究表明，巴氏小体就是性染色体异固缩的结果。人的胚胎发育到16天以后，一条X染色体转变

45、为巴氏小体，呈块状紧靠核膜，染色反应表现为深染。因此通过检查羊水中胚胎细胞的巴氏小体可预测胎儿的性别。 白细胞中的巴氏小体（鼓槌状结构） 第三节 染色质结构和基因活化 活性染色质及其主要特征 活性染色质是具有转录活性的染色质 活性染色质(active chromatin)与非活性染色质(inactive chromatin) 活性染色质的核小体发生构象改变，具有疏松的染色质结构，从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合和RNA 聚合酶在转录模板上滑动。 非活性染色质是没有转录活性的染色质 活性染色质具有DNase I超敏感位点 染色质上无核小体的DNA片段，通常位于5-启动子区，长度几百bp。

46、活性染色质在生化上具有特殊性 很少有组蛋白H1与其结合；组蛋白乙酰化程度高；核小体组蛋白H2B很少被磷酸化；核小体组蛋白H2A在许多物种很少有变异形式；HMG14和HMG17只存在于活性染色质中。 染色质活化与基因激活 疏松染色质结构的形成 疏松染色质结构的形成DNA局部结构的改变与核小体相位的影响 当调控蛋白与染色质DNA的特定位点结合时， 染色质易被引发二级结构的改变；进而引起其 它的一些结合位点与调控蛋白的结合。 核小体通常定位在DNA特殊位点而利于转录 DNA甲基化：A/C甲基化/去甲基化（特别是5-mC） 组蛋白的修饰 组蛋白的修饰改变染色质的结构，直接或间接 影响转录活性（磷酸化、

47、甲基化、乙酰化，泛素化（uH2A） / Arg，His，Lys，Ser，Thr） 组蛋白赖氨酸残基乙酰基化（acetylation），影响转录 HMG结构域蛋白等染色质变构因子的影响 HMG结构域可识别某些异型的DNA结构，与DNA 弯折和DNA-蛋白质复合体高级结构的形成有关 核小体相位在协助转录中的作用 （a）基因的关键调控元件被留在核心颗粒外面，从而有利于结合转录因子； （b）位于DNA上调控元件被盘绕在核心组蛋白上，因为组蛋白，使DNA上的关键 调控元件靠得很近，它们可以通过转录因子而联系。 辅激活子通过组蛋白乙酰基化在转录调控中作用的模型 转录因子（如糖皮质激素受体，GR）与DNA结

48、合并捕获辅激活子（CBP）；CBP具有组蛋白乙酰基转移酶活性。 表示一段阻遏状态的染色体区域，其DNA与去乙酰基组蛋白结合； 糖皮质激素受体（GR）和糖皮质激素应答元件（GRE）结合，辅激活物CBP同GR结合，处于TATA盒的上游和下游 的核心组蛋白被乙酰基化； 被乙酰基化的组蛋白与DNA分离； TFIID与DNA的开放区结合。TAFII250是TFIID的一个亚基，具有组蛋白乙酰基转移酶活性。 同时，CBP和TAFII250又解离相邻的核小体，以便容许转录起始；在启动子区剩下的核小体 也被乙酰基化，RNA聚合酶与启动子结合，转录开始。 染色质的区间性 基因座控制区（locus control

49、 region,LCR） 染色体DNA上一种顺式作用元件，具有稳定 染色质疏松结构的功能； 与多种反式因子的结合序列可保证DNA复制 时与启动子结合的因子仍保持在原位。顺式作用元件顺式作用元件(cis-actingelement)存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列。顺式作用元件包括启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等，它们的作用是参与基因表达的调控。顺式作用元件本身不编码任何蛋白质,仅仅提供一个作用位点，要与反式作用因子相互作用而起作用。 隔离子（insulator） 防止处于阻遏状态与活化状态的染色质结构 域的结构特征向两侧扩展的染色质DNA 序列，称为隔离子。 作用：作为异染色质定

50、向形成的起始位点； 提供拓扑隔离区,使结构域外的增强子成分不能进 入；防止远端增强子组成的复合体超越正常作用范围。 通过核小体核心结构的转录的模型（引自C.C.Adams等） 第一步：RNA聚合酶使核小体不稳定，撤掉2个（H2A-H2B）,形成H3-H4四聚体复合物； 第二步：组蛋白核心的另一半（H3-H4四聚体）被移开并转到聚合酶后面自由DNA上； 第三步：2个H2A-H2B二聚体重新结合到DNA上，又形成一个完整的核小体核心结构。 染色质模板的转录 基因转录的模板不是裸露的DNA，染色质 是否处于活化状态是决定转录功能的关键转录的“核小体犁”（nucleosome plow）假说 第四节

51、染色体 1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。1888年，Waldeyer正式定名为Chromosome。1879年，W. Flemming提出了染色质（chromatin）这一术语，用以描述染色后细胞核中强烈着色的细丝状物质。后来的研究证明染色质和染色体是同一物质在不同细胞周期中的形态表现。中期染色体的形态结构 间期染色质分散于细胞核，但在分裂期，染色质通过盘旋折叠压缩近万倍，包装成大小不等、形态各异的短棒状染色体。中期染色体由于形态比较稳定是观察染色体形态和计数的最佳时期。 同一物种的染色体数目是相对稳定的，性细胞染色体为单倍体（haploid），用n表示，体

52、细胞为2倍体（diploid）以2n表示，还有一些物种的染色体成倍增加成为4n、6n、8n等，称为多倍体。同一个体的体细胞并非都是2倍体 染色体的数目因物种而异，如人类2n=46，黑猩猩2n=48，果蝇2n=8，家蚕2n=56，小麦2n=42，水稻2n=24，洋葱2n=16。 染色体（Chromosome）姊妹染色单体（Sister chromatid）根据着丝粒在染色体上的位置：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（Arocentric chromosome）端着丝粒染色体（Tel

53、ocentric chromosome）染色体的各部分名称类型根据着丝粒位置进行的染色体分类 着丝粒位置 染色体符号 着丝粒比 着丝粒指数 中着丝粒 亚中着丝粒 亚端着丝粒 端着丝粒 m sm st t 1.001.67 1.683.00 3.017.00 7.0100 0.5000.375 0.3740.250 0.2940.125 0.1240.000 长臂长度短臂长度; 短臂长度染色体总长度 (根据Levan等,1964; Green等,1980) 1、着丝粒与动粒（也称着丝点,kenetoche）着丝粒（centromere）和着丝点（kinetochore）是两个不同的概念，前者指中

54、期染色单体相互联系在一起的特殊部位，后者指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构，它与仿锤丝微管相接触。 着丝粒含3个结构域（图12-20），即：着丝点结构域（kinetochore domain）、中心结构域（central domain）和配对结构域（paring domain）。 着丝点结构域（图12-21）：位于着丝粒的表面，由外板（outer plate）、内板（inner plate）、中间区（interzone）和围绕外层的纤维冠(fibrous corona)。内外板的电子密度高，中间区电子密度低。内板与中央结构域的着丝粒异染色质结合，外板与微管纤维结合，纤维冠上结合有马达

55、蛋白，如胞质Dynein和属于kinesin家族的CENP-E，为染色体的分离提供动力。 图12-21 着丝点结构域 中央结构域位于着丝粒结构域的下方,是着丝粒区的主体，由高度串联重复的卫星DNA构成，重复单位171bp，重复2000-3000次，表现为异染色质特性。 配对结构域位于着丝粒结构的内层，中期两条染色单体在此处相互连结，在此区域发现有两类蛋白，一类为内着丝粒蛋白INCENP（inner centromere protein），另一类为染色单体连接蛋白CLIP（chromatid linking protein）. 对着丝粒蛋白主要是使用ACA来研究的。ACA是从CREST 综合症病

56、人血清中分离出来的抗着丝粒蛋白的抗体(anticentromere antibodies)。用ACAs发现鉴定出来的CENP主要有6种，即：CENP-A至F，它们都能与一个17bp的DNA模式特异结合，与细胞的分裂及调控密切相关，进化上非常保守。2、主缢痕（primary constriction） 中期染色体上一个染色较浅而缢缩的部位，主缢痕处有着丝粒，亦称着丝粒区，由于这一区域染色线的螺旋化程序低，DNA含量少，所以染色很浅或不着色。一般动植物的染色体具有一个位置固定的着丝粒(localized contromere)，有些生物整个染色体都具有着丝粒活性，称为全着丝粒（holocentro

57、mere）如：如蛔虫、线虫、蝶、蛾、蚜虫等。3、次缢痕（secondary constriction） 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色体个别性的一个显著特征。4、核仁组织区（nucleolar organizing regions, NORs） 核糖体RNA基因（5SrRNA基因除外）所在的区域。核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NORs。5、随体（satellite） 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。位于染色体末端的随体称为端随体，位于两个次缢痕中间的称中间随体。6、端

58、粒（telomere） 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（用X射线将染色体打断，不具端粒的染色体末端有粘性，会与其它片段相连或两端相连而成环状）。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，哺乳类的序列为GGGTTA，500-3000次重复。 二、染色体DNA的三种功能元件 为确保染色体的复制和稳定遗传，染色体具有3个基本元素，即：自主复制序列(autonomously replicating DNA sequence, ARS)、着丝粒序列(centromere DNA sequence,CEN) 和端粒序列(telomere DNA

59、sequence,TEL) 。1、自主复制序列( ARS) 是DNA复制的起点，酵母基因组含200-400个ARS，大多数具有一个11-14 bp，富含AT的共有序列（ARS consensus sequence, ACS）。含有这一序列的质粒能高效转化宿主细胞，并能在细胞中独立于宿主染色体存在。2、着丝粒序列(CEN) 不同来源的CEN的共同特点是具有两个彼此相邻的核心区，一个是80-90 bp的AT区，另一个是11 bp的保守区。CEN由大量串联的重复序列组成，如卫星DNA，其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.3、端粒序列(TEL) 不同生物的端粒序列都很相似，由长5

60、-10 bp的重复单位串联而成，人的重复序列为GGGTTA。真核细胞染色体端粒的重复序列不是染色体DNA复制时连续合成的，而是由端粒酶（telomerase）合成后添加到染色体末端。端粒酶是一种核糖核蛋白复合物，具有逆转录酶的性质，以物种专一的内在RNA为模板，把合成的DNA添加到染色体的3端。 端粒起到细胞分裂计时器的作用，端粒核苷酸复制和基因DNA不同，每复制一次减少50-100 bp，正常体细胞染色体缺乏端粒酶活性，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。人的生殖细胞和部分干细胞染色体具有端粒酶活性，所以人的生殖细胞染色体末端比体细胞染色体末端长几千个bp。肿瘤细胞和永生细胞系具有端粒酶的活性