山大医学细胞生物学课件08细胞核

1、第八章 细胞核发现：1674年， Vanleenwenhook ，鲑鱼细胞发现1831年，Robert Brown ，兰科植物表皮细胞，定名为细胞核。功能：遗传物质的主要贮存库一定程度上控制细胞的代谢、生长、分化和繁殖与细胞的寿命有一定相关性细胞核：是真核细胞内最重要的细胞器，是细胞生命活动的控制中心，是真核细胞和原核细胞的最大区别。间期细胞核的结构组成：核被膜核仁染色质核基质 第一节 核膜一、核膜的化学组成二、核膜的结构与区域化作用三、核孔复合体与核-质间的物质运输四、核纤层的结构与功能核膜电镜照片 一、核膜的化学组成（一）蛋白质：65%-75%，含有20多种蛋白质，包括组蛋白、基因调节蛋白

2、、DNA和RNA聚合酶、RNA酶以及电子传递有关的酶类等。（二）脂类：卵磷脂和磷脂酰乙醇胺，含量低；胆固醇和甘油三酯，含量高。二、核膜的结构与区域化作用（一）核膜由两层平行但不连续的非对称性单位膜构成1、外核膜（outer nuclear membrane）:与粗面内质网相连,表面有核糖体附着。胞质面附着有中间纤维和微管等降表骨架成分，与细胞核定位有关。2、内核膜(inner nuclear membrane)：与外核膜平行排列，核质面附着有致密的核纤层纤维网络结构。3、核周间隙（perinuclear space）：内外两层核膜之间的腔隙。4、核孔(nuclear pore): 核内外两层核

3、膜融合形成的圆环状结构。 (二) 核膜具有区域化作用，并控制着核-质间的物质交换1、核膜的区域化作用：使DNA复制、RNA转录与蛋白质的翻译在不同的时间和空间上进行；维持细胞核相对稳定的内环境。2、核膜控制着核-质间的交换 三、核孔复合体与核-质间的物质运输（一）核孔核孔复合体（nuclear pore complex,NPC）：由多个蛋白质颗粒以特定方式排列而成的蛋白分子复合物。目前普遍接受的捕鱼笼式（fish-trap）结构模型认为核孔复合体主要由四种组分构成： 胞质环 核质环 辐：柱状亚单位，腔内亚单位，环带亚单位 中央栓(二) 核孔复合体介导核-质间的物质交换核孔复合体可通过主动运输和

4、被动运输方式实现核-质间的物质转运 被动运输：离子、小分子及直径小于10nm的物质可 通过核孔复合体自由转运。 主动运输：大分子物质如RNA、核糖体、蛋白质等的运输方式。其特点是一个信号识别与载体介导的耗能过程，具有饱和性。2. 核定位信号介导亲核蛋白入核亲核蛋白（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。 核定位信号（nuclear localization signal, NLS）: 存在于亲核蛋白内的特殊氨基酸序列，可引导蛋白质通过核孔复合体被转运到核内。转运条件：核定位信号核转运受体：入核素-存在于胞质中，既可以与核孔复合体

5、结合，又可以与被转运物质结合。RanGTP酶：水解GTP，为核转运提供能量；激活入核素，使其释放亲核蛋白入核。通过核孔复合体物质运输的功能示意图（引自B.Talcott等，1999） （a）自由扩散； （b）协助扩散；（c）信号介导的核输入；（d） 信号介导的核输出。 四、核纤层的结构与功能（一）核纤层的结构核纤层：附着于内核膜下的纤维蛋白网。分子组成：核纤层蛋白，属于中间纤维 哺乳动物和鸟类细胞的核纤层由三种蛋白构成： 核纤层蛋白A-仅见于分化细胞 核纤层蛋白C 核纤层蛋白B所有体细胞（二）核心层的功能核纤层在细胞核中起支架作用 维持核的轮廓；使胞质骨架和核骨架形成连续网络结构核纤层与核膜重

6、建及染色质凝集关系密切（1）参与核膜重建：细胞分裂前期，核纤层蛋白被磷酸化解聚，核膜崩解为小泡；细胞分类末期，核纤层蛋白去磷酸化，重新组装（2）为染色质提供锚定位点，与染色质凝集有关3. 核纤层参与了细胞核构建与DNA复制第二节 染色质和染色体 染色质和染色体的形态*光镜和电镜下看到的形态不同*细胞分裂间期和分裂期看到的形态不同 一、染色质的组成成分染色质组分：DNA和组蛋白占98%，少量RNA和非组蛋白。（一）染色质DNA染色质中的DNA是遗传信息的载体。真核细胞每条未复制的染色体均由一条线性DNA分子构成。一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信息，叫做基因组（genome）。染色质DN

7、A 的三类功能序列：（1）端粒（telomere）序列： 存在于真核生物染色体末端的一个富含G的简单重复序列；维持DNA分子两末端复制的完整性；维持染色体的稳定性。（2）着丝粒（centromere）序列：是复制完成的两姐妹染色单体的连接部位；在分裂中期，与纺锤体相连，使复制后的染色体平均分配到两个子细胞中。（3）复制源（replication origin）序列：是细胞进行DNA复制的起始点；维持染色体在世代传递中的连续性。(二)组蛋白*总量相当于DNA量*含大量带正电荷氨基酸，能中和DNA所带负电荷。*分成5种两类：H1- H1组蛋白H2AH2BH3H4核小体组蛋白*主要功能： 染色体构建

8、 S期 调控基因转录 甲基化或乙酰化修饰 （三）非组蛋白总量远少于组蛋白 种类繁多 能识别特异DNA序列并与之结合 功能各异： - 参与染色体构建 - 启动DNA复制 - 调控基因转录高迁移率组非组蛋白 HMG 二、常染色质与异染色质间期染色质按其形态特征与染色性质的不同可分为两类：常染色质与异染色质。（一）常染色质（euchromatin）:为间期核内碱性染料染色时着色较浅，螺旋化程度较低，处于伸展状态的染色质细丝，含有基因转录活跃部位。在核内均匀分布，多位于核中央。多在S期的早、中期复制。（二）异染色质（heterochromatin）：间期核中处于凝缩状态，结构致密，无转录活性，用碱性染

9、料染色时着色较深的染色质组分。多位于核周近核膜处。分类：结构异染色质（constitutive heterochromatin）：是异染色质的主要类型，在所有细胞类型及各个发育阶段中均处于凝集状态。兼性异染色质（facultative heterochromatin）：是在某些细胞类型或一定的发育阶段，原有的常染色质凝集并丧失转录活性后转变而成的异染色质，可转化为常染色质。当基因转录变得活跃，异染色质减少，常染色质增多异染色质与常染色质的区分不是一成不变的，而是可以互相转换的包装(折叠、紧缩)双螺旋包装(折叠、紧缩)？ 三、染色质组装成染色体（一）核小体-染色质的一级结构核小体（nucleos

10、ome）:是染色体的基本结构单位，为由200bp左右的DNA分子及一个组蛋白八聚体构成的圆盘状颗粒。组装：核小体组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两分子组成八聚体。146bp的DNA分子盘绕组蛋白八聚体1.75圈，形成核小体两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度为60bp组蛋白H1结合于连接DNA，位于核小体核心DNA双链的进出端，起稳定核小体的作用。串珠状纤维 (核小体)（二）螺线管-染色质的二级结构螺线管（solenoid）是在组蛋白H1协助下，由核小体串珠结构盘旋而成的中空结构。组装：螺线管每圈6个核小体，螺距11nm，外径30nm，内径10nm。组蛋白H1对螺线管的稳定起重要作用

11、。30nm染色质纤维组蛋白核心DNAH1组蛋白5种组蛋白共同作用把相邻核小体拉在一起,折叠成直径30nm的规则结构。30nm染色质纤维核小体（三）螺线管的进一步包装关于螺线管如何进一步包装成染色体，目前有两种模型：多级螺旋化模型和染色体骨架-放射环模型。多级螺旋化模型（multiple coiling model） 一级结构核小体 二级结构 螺线管 三级结构超螺线管（supersolenoid）：由螺线管进一步螺旋化形成的圆筒状结构 四级结构染色单体（chromatid）：超螺线管进一步螺旋折叠形成2. 染色体骨架-放射环模型（scaffold radial loop structure mo

12、del）一级结构核小体二级结构螺线管（30nm染色质纤维） 袢环结构高级结构 染色单体螺线管以后的高级结构由30nm染色质纤维折叠成的袢环构成 袢环沿染色体纵轴由中央向周围伸出，形成放射环；每18个袢环呈放射状排列形成微带（miniband），微带是染色质高级结构的组成单位；约106个微带沿纵轴排列形成染色单体。 四、染色体的形态结构在有丝分裂中期，染色质高度凝集，染色体形态、结构特征明显，可作为染色体一般形态和结构的标准。中期染色体是由着丝粒相连的两条姐妹染色单体构成，主要包括以下几部分：（一）着丝粒1. 主缢痕（primary constriction）：指中期染色体的两条姐妹染色单体的连

13、接处，一向内凹陷、着色较浅的缢痕。2. 着丝粒：主缢痕的染色质部分，由高度重复的异染色质组成根据着丝粒在染色体的位置，将中期染色体分为4类：中着丝粒染色体（metacentric chromosome）亚中着丝粒染色体（submetacentric chromosome）端着丝粒染色体（telocentric chromosome）近端着丝粒染色体（acrocentric chromosome）3. 动粒（kinetochore）：位于主缢痕两侧的特化的圆盘状结构，由蛋白质构成，是纺锤丝微管的附着部位，参与分裂后期染色体向两极的迁移。4. 着丝粒动粒复合体：是位于着丝粒动粒区域的高度有序的整合

14、结构，有三个结构与功能结构域： 动粒结构域（kinetochore domain） 中央结构域（central domain） 配对结构域（pairing domain）原位杂交实验显示位于人染色体末端的端粒（以含有TTAGGG序列的DNA作为探针）（二）次缢痕（secondary constriction）：指染色体上除主缢痕之外的缢缩部位，数量、位置和大小可作鉴别染色体的标记。（三）端粒（telomere）：指染色体末端的特化部位，由富含嘌呤核苷酸（G）的端粒DNA和 蛋白质构成。(四)随体（satellite）：是位于染色体末端的球形或棒状结构，主要由异染色质构成，它通过次缢痕区与染色体

15、主体部分相连。（五）核仁组织区与核仁组织者1. 核仁组织区（nucleolar organizing region）：是含有RRNA基因的染色体区域2. 核仁组织者（nucleolar organizer）：RRNA基因是从染色体上伸出的DNA袢环，每个RDNA袢环就是一个核仁组织者。(六) 特殊类型的染色体1. 多线染色体2. 灯刷染色体 五、核型与染色体带型核型（karyotype）：指某一个体细胞的全部染色体在有丝分裂中期的表型，包括染色体的数目、大小和形态特征。带型（band）：指将染色体经过一定处理，用特定的染料染色后，使染色体沿其长轴显示深浅各异、宽窄不等的带纹。 第三节 核 仁

16、一、核仁的形态结构和化学组成（一）核仁的化学组成核仁的主要化学组成为RNA、DNA、蛋白质和酶类等。（二）核仁的形态结构核仁无膜包裹，电镜下可见三个特征性区域：纤维中心（fibrillar center,FC）致密纤维组分（dense fibrillar component, DFC）颗粒成分（granular component, GC）人间期细胞核仁组织区及10条染色体的rDNA袢环1. 纤维中心：包埋于颗粒组分内部的一个或几个低电子密度的圆形结构体。主要成分是rRNA基因rDNA的存在部位。2. 致密纤维：核仁内电子密度最高的区域，由致密的纤维构成环形或半月形结构。主要成份是含有正在转录

17、的rRNA分子，核糖体蛋白及某些特异性的RNA结合蛋白。3. 颗粒成分：呈致密颗粒，位于核仁的外周。由正在加工、成熟的核糖体亚单位前体颗粒构成，颗粒成分的数量决定核仁的大小。4. 其他结构核仁基质（nucleolar matrix）核仁周围染色质（perinucleolar chromatin）核仁相随染色质（nucleolar associated chromatin) 二、核仁的功能（一）核仁是rRNA基因转录和加工的场所rRNA基因转录：哺乳动物核仁中串联重复排列的rRNA基因，在RNA聚合酶作用下进行转录，每个基因都转录出长度为13,000bp的初始转录产物，即45S rRNA。rRN

18、A加工哺乳动物45S rRNA前体经过加工修饰，最终形成5.8S rRNA、18S rRNA、28S rRNA 。（二）rRNA与核糖体蛋白在核仁内组装成核糖体的大、小亚基核糖体大亚基（60S）：28S rRNA、5.8S rRNA 、5S rRNA、49种蛋白质；核糖体小亚基（40S）：18S rRNA和33种蛋白质。 三、核仁周期核仁周期（nucleolar cycle）：在进行有丝分裂的细胞中，核仁出现一系列结构与功能的周期性变化。核仁的周期性变化；前期：核仁变小，染色质凝集，RNA合成停止中期和后期：核仁消失末期：rRNA重新开始合成，形成小核仁极小的核仁进一步合并最终形成核仁。 第四节 核 骨 架一、核骨架的形态结构与化学组成核骨架（nuclear scaffold），又称核基质（nuclear matrix），是真核细胞间期核中除核膜、染色质和核仁以外的部分，是一个以非组蛋白为主构成的纤维网架结构。核骨架蛋白可分为两类：核基质蛋白（nuclear