武汉大学细胞生物学课件-细胞核

1、 第十三章 细胞核（nucleus） LOGO细胞与细胞核模式图LOGO 细胞核的概述* 苏格兰的Brown 在1831发现；* 真核细胞最显著结构；* 体积最大、功能最重要细胞器；* 遗传物质储藏和复制中心；* DNA的转录中心； * 控制细胞一切生命活动；* 在分裂间期存在。LOGO 细胞核的形状、大小与数目 形态：不同类型细胞的核差异大，与细胞形态相关。单核细胞中性粒细胞LOGO大小：随细胞类型和发育 时期而不同。 核相对大小的表示:核质比（NP） 核体积胞质体积。数目：大多1个; 软骨细胞2个；破骨细胞、骨骼肌细胞多核。骨骼肌细胞平滑肌细胞LOGO 第一节 核被膜结构和功能一、核被膜的

2、主要化学成分 核被膜（nuclear envelope)又称核膜(nuclear membrane)主要化学成分：（一）蛋白质 6575 20多种 内质网标记酶G6PD，与电子传递有关的酶类，均见于内质网及核膜上，两者成分上有相似性，浓度有差异。（二） 脂类 与内质网相似，都含不饱和脂肪酸卵磷脂和磷脂酰乙醇胺，以及胆固醇、甘油三脂。不饱和脂肪酸浓度低，胆固醇、甘油三脂浓度高。LOGOLOGO 二、核被膜的微细结构 结构特点：1、双层膜、外膜可与rER 连通并附核糖体。2、内膜附有核纤层（nuclear lamina）3、内外膜间为核周间隙( perinuclear space)4、有核孔（nu

3、clear pore), 数目因细胞而异； 核孔结构复杂，称核孔复合体(nuclearpores） 。LOGO细胞核超微结构电镜照LOGO核孔复合体扫描电镜照LOGO捕鱼笼模型LOGO核篮模型LOGO捕鱼笼式模型LOGO捕鱼笼式模型结构组分：胞质环（cytoplasmic ring），外环 核质环（nuclear ring），内环 辐（spoke） 中央栓（central plug）LOGOLOGO核孔复合体结构简图LOGO三、核被膜的主要功能（一）、区域化作用。 （1）使核质与胞质分开，有利于遗传物质的稳定； （2）RNA的转录和蛋白质合成在时间和空间上分开；LOGO(二)、合成生物大分子。

4、 (三)、控制细胞核与细胞质间的物质交换。 离子和小分子物质可经核膜、核孔运输 （1）自由扩散； （2）协助扩散； LOGO大分子和颗粒经核孔复合体运输 （3）信号（NLS，入核信号）介导的核输入； （4）信号（NES，出核信号）介导的核输出；1.双向运输出：mRNA、合成的核糖体大小亚基进：DNA复制、RNA转录所需的酶及组蛋白、 核糖体蛋白、核质蛋白等2.是一个需能的过程 LOGOLOGO核质蛋白有选择地通过核孔复合体的实验LOGO 核孔主动转运机制LOGO 第二节 染色质和染色体 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

5、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。LOGO 一、染色质与染色体的主要化学组成DNA 不同生物有大差异，人46个。RNA DNA转录的产物。组蛋白 碱性蛋白、带正电、结合DNA。非组蛋白酸性蛋白、带负电、结合组蛋白。 DNA ：组蛋白 ： 非组蛋白 ： RNA 1 ： 1 ： 0.51.5 ：0.050.1LOGO（一）、DNA 除RNA病毒外，DNA几乎是所有生物遗传信息

6、的携带者。 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。通常随物种的复杂性而增加。 LOGOLOGO 断裂基因：真核细胞的大部分基因中含有非编码 序，即基因中的编码序列是不连续的， 称为断裂基因( split gene)。LOGOEn:增强子；P1 . P2 . P3 启动子（TATA框、CAAT框、GC框）; E:外显子; I:内含子； UT: 非翻译区； GT-AG:外显子-内含子接头 断裂基因的结构图解LOGO将DNA基因中非编码顺序(如内含子)转录的部分剪掉，然后将 DNA基因中编码顺序(外显子)拼接起来。LOGO单一序列：约占基因组6065高度重复序列：由很短的碱基

7、序列重复而成，长度2200 bp，重复次数106108。中度重复序列：约占基因组2030，由长度300 bp7000 bp的序列重复而成，重复次数10105。真核细胞DNA序列LOGO复制起始点序列。着丝粒序列。端粒序列。染色体DNA的三个必需序列LOGO 染色质中的RNA含量很低，随生理状态而变化。功能不明确。（二）、RNALOGO（1）组蛋白： 特点： pH10，带有正电荷，属碱性蛋白质。 H1、H2A、H2B、H3和H4。 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紧密结合（非特异性结合）。 没有种属及组织特异性，在进化上十分

8、保守。 （2）非组蛋白蛋白质：1、含有较多带负电荷的天门冬氨酸、谷氨酸，属于酸性蛋白。2、非组蛋白数量少种类极多。3、具有种属和组织的特异性。4、保守性较低，含量不稳定。（三）、蛋白质LOGO二、染色体的构建（一）染色体的一级结构单位-核小体（nucleosome）。（二）染色体二级结构螺线管(solenoid)（三）染色体的三级结构超螺线管（supersolenoid)（四）染色体的四级结构染色单体（chromatid）LOGO（一）染色体的一级结构单位-核小体 未经处理的染色质自然结构为30nm的纤丝，经盐溶液处理后解聚的染色质呈现10nm串珠状结构LOGO 核小体的基本结构核小体核心：(

9、H2A、H2B、H3、H4)2 组成八聚体，八聚体连接的顺序是：H2A-H2B-H4-H3-H3-H4-H2B-H2A核小体DNA：146bp的DNA缠绕在八聚体的外面1.75圈。H1锁住核小体DNA的进出口处， DNA双螺旋共缠绕2圈165bp。加上H1称为染色质小体(chromotosome)。每个核小体其直径为11nm，高6nm的扁圆柱体。LOGO连接DNA(1inker DNA)：35bp左右DNA将核小体串联成直径10nm的串珠链，是染色质（体）的一级结构。LOGO 由X-射线晶体衍射所揭示的核小体三维结构（引自K.Luger等，1997） a.通过DNA超螺旋中心轴所显示的核小体核

10、心颗粒8个组蛋白分子的位置； b垂直与中心轴的角度所见到的核小体核心颗粒的盘状结构； c半个核小体核心颗粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4种核心组 蛋白分子，每种组蛋白由3个螺旋和一个伸展的N-端尾部组成。 LOGOLOGO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分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈, 组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，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166bpDNA的核小体结构又称染色质小体。 两个相邻核小体之间以

11、连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化为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，实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质。 LOGO10nm的串珠链细线螺旋化形成30nm的中空管称螺线管，每圈由6个核小体组成，H1位于中空的螺线管的内部，对螺线管的稳定起着重要的作用。（二）染色体二级结构螺线管LOGOLOGOLOGO（三）染色体的三级结构超螺线管 由30nm螺线管经螺旋化形成直径为0.20.4m的圆筒状结构，即染色质(染色体)的三级结构。LOGO（四）染色体的四级结构染色单体 超螺线管进一步螺旋折叠形成染色单体，即染

12、色体的四级结构。LOGO压缩约7倍 压缩约6倍 DNA-核小体-螺线管 压缩约40倍 压缩约5倍 -超螺线管-染色单体 四级包装结构共压缩了约8，400倍。LOGO(五)染色体袢环结构模型 1977年Laemmli用NaCl溶液或硫酸葡聚糖加肝素处理Hela细胞中期染色体，去除组蛋白等成分后，在电镜下可看到由非组蛋白构成的染色体骨架，在这个基础上提出了“袢环”模型Hela细胞去除组蛋白染色体的电镜照片非组蛋白支架为2条染色单体的支架结构，DNA由支架区域发出。LOGO染色体袢环结构模型特点：非组蛋白构成的染色体骨架在着丝粒区域相连接,由 骨架伸出的无数的DNA侧环。直径为30nm的螺线管一端与

13、支架的某一点结合，另 一端向周围呈环状迂回后再回到结合点处, 沿染色 体纵轴, 由中央向四周伸出,构成“袢环”。每18个袢环呈放射状平面排列, 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。LOGO 两栖类动物卵母细胞中灯刷染色体LOGOLOGOLOGOLOGO人12号染色体的整装电镜图显示由30nm的纤维组成的两条染色单体及其在着丝粒处结合LOGOLOGO三、染色质的类型与功能根据间期核中染色质的形状、结构和功能状态的不同分为：（一）、常染色质（euchromatin） （二）、异染色质（heterochromatin） L

14、OGO（一）、常染色质1）形态结构、存在状态： 直径约10nm、较疏松的细纤维结构。 对于碱性染料着色浅，弱嗜碱性，位于核中央浅亮区。2）功能状态： 多为单一序列，为基因所在部位，具有转录活性，控制着间期细胞的活动。 其DNA多在S期的早、中期复制。LOGOLOGO（二）、异染色质1）形态结构、存在状态： 直径为2030nm高度缠绕的纤维丝。 对于碱性染料着色深，强嗜碱性，常紧贴于核纤层内面，或围绕在核仁周围。LOGOLOGO2）功能状态分类：一）结构异染色质(constitutive heterochromatin)： 异染色质的主要类型。1）所有细胞中呈浓缩状态，没有转录活性。2）由高度重

15、复的DNA序列构成，称卫星DNA 。3）多定位于中期染色体着丝粒、端粒、次缢痕，参 与高级结构的形成。4）参与细胞分裂、控制结构蛋白质的基因表达。5）其DNA多在S期的晚期复制。LOGO二）兼性异染色质(facultative heterochromatin) 有些染色质仅在某些类型的细胞或一定的发育阶段的细胞中呈异染色质状态。在某些条件下可以向常染色质转变，恢复转录活性，故称为兼性异染色质。 X染色质：间期细胞一条呈异固缩状态X染色体，也称巴氏小体(Barr body)LOGO常染色质与异染色质在细胞中的分布及相互转换 1）分布相与细胞分化程度相关 分化程度愈高，致密异染色质为主； 增殖活跃

16、的细胞，疏松的常染色质为主。2）常染色质与兼性异染色质可以相互转换。LOGO四、染色体的形态特征LOGO根据着丝粒位于染色体上的位置，可将染色体分为：LOGO中期染色体的形态结构包括： 染色单体 着丝粒 动粒 次缢痕 随体 端粒LOGOLOGO着丝粒（centromere）与动粒(kinetochore)动粒（着丝点）结构域(kinetochore domain)： 内板(inner plate) 中间间隙(middle space),innerzone 外板(outer plate) 纤维冠(fibrouscorona) 中心结构域(central domain)：含高度重复序列DNA 配对

17、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) LOGOLOGOLOGOLOGOLOGO五、染色体的数目核型和带型人类染色体分类参数：臂比p/q。着丝粒指数：p/(p+q)100 相对长度：某条染色体长度占一套染色体长度总和的百分比。LOGO=核型（karyotype）：将一个体细胞中的全部染色体，按其大小、形态特征顺序排列所构成的图像。 LOGOLOGOLOGOLOGO界标(landmark) ：每条染色体经显带后具有的稳定的、显著形态

18、学特征的标记。包括染色体两臂的末端、着丝粒和某些带。区(region)：位于两界标之间的区域。带(band)：每一条染色体都应看着是由一系列的带组成，即没有非带区。每一条带可借较亮（深）或较暗（浅）的着色强度差异与相邻带相区别。描述一特定的带时，需写明4个内容： 1）染色体号； 2）臂的符号； 3）区的序号； 4）带的序号LOGO第三节、核纤层和核骨架 核纤层(nuclear lamina)：真核细胞中紧贴内核膜内侧、由纤维蛋白组成的纤维状网架结构，其厚薄随细胞不同而异。核纤层在细胞核内与核骨架及染色质结合，在细胞核外与中间纤维连接，从而使细胞核骨架与细胞质骨架相连。 核基质（nuclear

19、matrix）或核骨架(nuclear skeleton)的概念 狭义概念指核基质，即细胞核内除了核被膜、核纤层、染色质与核仁以外由非组蛋白组成的网架结构体系。 广义概念应包括核基质、核纤层(或核纤层-核孔复合体结构体系),以及染色体骨架。 LOGOLOGO核骨架的形态结构LOGO一、核纤层（一）、 核纤层的组成成分：核纤层蛋白(lamin)： lamin A、lamin B、lamin CLOGOLOGO（二）核纤层的主要功能：1.参与核被膜重建及染色质的凝集相关。 LOGOLOGO2.参与DNA的复制及基因表达LOGO二、核基质(nuclear matrix) (一)、核骨架的主要成分：

20、是由非组蛋白的纤维蛋白构成的,含有多种蛋白成分及少量RNA。 1.核基质蛋白 2.功能性的核基质结合蛋白: 与核基质结合的酶; 细胞调控蛋白; RNP; 病毒蛋白; LOGO （二）、核骨架的功能对DNA的空间构型起支撑和维系作用，参与DNA超螺旋化的构筑；为DNA复制提供场所，使复制有效、迅速地进行；RNA转录的场所，只有结合上核骨架基因才能转录；转录形成的RNA(如hnRNA)在核骨架上加工修饰；与细胞分裂过程中染色体构建、核形态的消失和重建等密切相关。LOGO第四节、核 仁LOGO一、核仁的亚微结构 （一）纤维中心(fibrillar centers,FC) （二）致密纤维组分(dens

21、e fibrillar component,DFC) （三）颗粒组分(granular component,GC)（四）核仁相随染色质(nucleolar associated chromatin)与核仁基质（(nucleolar matrix) LOGO（一）纤维中心(FC) 包在颗粒成分内的核仁内染色质，为低电子密度区域，DNA上有rRNA基因。LOGO（二）致密纤维组分（DFC) 纤维中心周围紧密排列的直径510nm左右的纤维，电子密度最高，染色较深。是RNA与蛋白质形成的核糖核蛋白复合物。是DNA正活跃地转录rRNA的区域。LOGO（三）颗粒组分(GC) 多分布在核仁的周边，颗粒直径约1520nm，电子密度较高。这些颗粒代表着正在加工、处于不同成熟阶段的核糖体亚基的前体颗粒。LOGO（四）核仁相随染色质与核仁基质LOGO 三种基本核仁组分和rRNA的转录与加工形成RNP的不同事件有关：FCs是rRNA基因的储存位点； 转录主要发生在FC与 DFC的交界处，并加工初始转录本； 颗粒组分区（GC）负责装配核糖体亚单位，是核糖体亚单位成熟和储存的位点。 LOGO（一）核仁是细胞核中rRNA合成的中