细生第八章细胞核

1、第八章 细胞核The Cell Nucleus细胞生物学教研室 李洋细胞进化细胞核的出现是细胞进化的重要标志，其有无是原核与真核细胞区别的根本标志。细胞核是真核细胞内最大、最重要的结构，是遗传物质储存、复制和转录的场所，是生命活动的控制中心。核进化意义： 使核内物质稳定在一定区域，建立遗传物质稳定的活动环境。 保护DNA，使之免受胞质机械运动的影响。 基因信息传递 转录翻译DNA核苷酸顺序RNA蛋白质氨基酸顺序细胞核： 细胞质：DNA复制 蛋白质合成（翻译）RNA合成（转录） 基因表达调控核进化意义： 使基因表达的两步（转录和翻译）在不同的时间和空间进行。 细胞核 转录 RNA剪切和修饰 细胞

2、质 翻译 蛋白质合成 为基因表达的调控提供方便，赋予真核细胞更复杂的功能。 特点：1、数量：通常只有一个核2、形状：多样，与细胞形态相适应3、位置：常居中4、大小：总体积10%，直径约510um5、核质比约1：9 核质比：细胞核与细胞质的体积比。 核质比=细胞核的体积细胞体积-细胞核体积间期细胞核1、核膜（核被膜）2、染色质3、核基质（核骨架）4、核仁第一节：核膜（核被膜）Nuclear membrane（nuclear envelope）一、化学组成1、蛋白质（65%-75%） 葡萄糖6磷酸酶，细胞色素P450 （与内质网相似） 内核膜中还含有核纤层相关蛋白（LAP）2、脂类 与内质网相似

3、胆固醇和甘油三酯较多3、少量核酸成分二、核膜的结构1、外核膜2、内核膜3、核周隙4、核孔复合体5、核纤层外核膜内核膜核周隙核纤层核孔复合体1、外核膜与粗面内质网相连续，表面有核糖体附着分布有细胞骨架，固定细胞核、维持细胞核形态2、内核膜与外核膜平行，表面光滑，无核糖体附着核质面附着一层结构致密的纤维蛋白网络核纤层，对核膜起支持作用核膜内质网膜细胞膜3、核周隙内外层核膜在核孔的位置相互融合，两层核膜之间的腔隙称为核周隙（perinuclear space）。与粗面内质网腔相通，内含多种蛋白质和酶类。核周隙成为内、外核膜之间的缓冲区。4、核孔复合体（nuclear pore complex，NPC

4、）在内外核膜的融合之处形成环状开口，称为核孔。核孔的数目、疏密程度和分布形式存在差异。核孔并非单纯由内外两层核膜融合形成的简单空洞， 而是由多种蛋白质以特定的方式排列形成的复合体 结构，成为核孔复合体。Cytoplasmic face Nuclear face basket inner complex基本结构： 胞质环 、核质环、辐、中央栓（中央颗粒） 核孔复合体模型：捕鱼笼式(fish-trap)柱状亚单位腔内亚单位环状亚单位5、核纤层（nuclear lamina）是位于内核膜内侧与染色质之间的一层由高电子密度纤维蛋白质组成的网络片层结构。外表面与内核膜的特殊部位结合，内表面与染色质的特殊

5、位点结合。核纤层的化学成分 核纤层蛋白（属于中间纤维蛋白） 哺乳类细胞的核纤层蛋白（lamin）有3类 laminA laminC laminB由同一基因编码的不同的加工产物核纤层的功能1.核纤层在细胞核中起支架作用2. 核纤层与核膜的崩解和重建密切相关 lamin A、C分散到胞质中lamin B与核膜小泡结合核纤层蛋白磷酸化核纤层蛋白去磷酸化3.核纤层与染色质凝集成染色体相关分裂间期，染色质与核纤层结合紧密，不能螺旋化成染色体；分裂前期，核纤层解聚，染色质与核纤层的结合丧失，染色质凝集成染色体。有助于维持和稳定间期染色质高度有序的结构4、参与DNA复制爪蟾卵母细胞核重建体系缺乏核纤层的细胞

6、核不能进行DNA的复制三、核膜主要功能（一）核膜为基因表达提供了时空隔离屏障原核细胞：细胞质 一边转录一边翻译真核细胞：区域化作用（二）核膜参与蛋白质的合成外核膜表面的附着核糖体（三）核孔复合体控制核-质间的物质交换自由扩散：水、离子、小分子（单糖，双糖，氨基酸，核苷酸等）主动运输：绝大多数大分子物质具有两种运输方式主动运输高度选择性：核孔复合体直径大小可调节是信号识别与载体介导的过程，需消耗能量双向性，兼有核输入与核输出两种功能核输入：DNA复制与RNA转录所需的各种酶、组蛋白、核糖体蛋白等核输出：mRNA、tRNA、核糖体大小亚基等1.亲核蛋白的核输入亲核蛋白（karyophilic pr

7、otein）： 在细胞质中游离核糖体合成、以主动运输方式通过NPC，转运入细胞核发挥功能作用的蛋白质，如核糖体蛋白，组蛋白等核质蛋白（nucleoplasmin): 一种亲核蛋白，可同组蛋白H2A、H2B结合，协助核小体的装配。金标记的核质蛋白穿越核孔核定位序列（nuclear localization sequence, NLS)核定位信号（ nuclear localization signal)：引导蛋白质进入细胞核的一段特殊的氨基酸信号序列NLS特点：含48个氨基酸的短肽序列不同亲核蛋白上的NLS不同，但都富含碱性氨基酸（Lys、Arg），通常还有脯氨酸NLS可以位于亲核蛋白的任何部位

8、，并且在指导亲核蛋白完成核输入以后不被切除。输入蛋白（importin): NLS受体 核输入受体、核输入受体和Ran(GTP结合蛋白）-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-亲核蛋白的转运步骤：结合（binding）（不需能量） 转移（translocation）（需能量）参与转运的因子：NLS、GTP结合蛋白等2. RNA及核糖体亚基的核输出核输出信号（nuclear export signal, NES)引导RNA输出细胞核（成熟的RNA分子）双向性间期细胞核1、核膜（核被膜）2、染色质3、核基质（核骨架）4、核仁第二节：染色质与染色体Chromatin and

9、 chromosome 染色质和染色体是同一遗传物质在细胞周期不同时相的不同表现形态，化学组成是相同的。染色质（chromatin）：是间期细胞遗传物质的存在形式，是由DNA、组蛋白，非组蛋白及少量RNA组成的细丝状复合结构。染色体（chromosome）：是指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，染色质经复制后反复缠绕凝聚而成的条状或棒状结构。细丝状，弥散分布于核内有利于遗传信息的复制和表达间期染色质中期染色体条状或棒状结构有利于遗传物质的平均分配 1、核酸 ( DNA 、RNA ) 2、蛋白( 组蛋白、非组蛋白 )一、组成成分（一）DNA是遗传信息的载体DNA主要功能：携带和传递遗传信息，并通过

10、转录形成的RNA来指导蛋白质合成。人：24种不同的DNA分子组成24条染色体，即22条常染色体和2条性染色体。基因（gene）：具有一定生物功能的DNA序列。基因组（genome）：真核细胞单倍染色体组中所含有的全部遗传信息为一个基因组。DNA序列的类型真核细胞中染色质DNA序列根据其在基因组中分子组成的差异，分为单一序列和重复序列：单一序列（单拷贝序列，非重复序列） 编码蛋白，结构基因，60%-65%中度重复序列 （101-5 ，几百到几千个bp不等） 不编码蛋白，调控基因，20%-30% rRNAs，tRNAs，Histones高度重复序列 （大于105 ，几个至几十个bp） 着丝粒区和端

11、粒区 多组成异染色质 10%左右功能性染色体具备三种基本元素： 能够进行自我复制 复制源序列（replication origin） 分裂时两拷贝分离 着丝粒序列（centromere） 维持自身在传代中的完整 端粒序列（telomere）一个着丝粒序列，两个端粒序列，数个复制源序列（二）组蛋白是真核细胞染色质中的基本结构蛋白特性：富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸等电点在pH10.0以上，属于碱性蛋白质分类： 5种 H1,H2A , H2B, H3, H4 核小体组蛋白 连接组蛋白核小体组蛋白染色质 核小体组蛋白（nucleosomal histone）H2A、H2B、H3、H4；形成

12、核小体的稳定结构无种属及组织特异性，进化上高度保守 H1组蛋白在构成核小体中起连接作用有一定的种属及组织特异性 组蛋白与DNA的结合可抑制DNA的复制与转录组蛋白乙酰化、磷酸化等化学修饰可改变组蛋白的电荷性质，使组蛋白与DNA结合力减弱，有利于DNA的复制和转录。甲基化则可增强组蛋白和DNA的相互作用，抑制DNA的复制和转录。（三）非组蛋白（non-histone)特性酸性蛋白 负电荷有种属和组织特异性, 在整个细胞周期都合成 作用维持染色体结构催化酶促反应参与基因表达调控概念除组蛋白之外的染色质结合蛋白的总称（四）RNA染色质中含量极低的生物大分子多为新合成的RNA前体二、分类根据间期核中染

13、色质螺旋化程度及功能状态的不同1、常染色质（euchromatin） 间期细胞中结构较松散，碱性染料着色较浅的染色质，能活跃地进行复制和转录。2、异染色质（heterochromatin） 间期细胞中结构较紧密，碱性染料着色较深，转录不活跃的染色质。深染区：异染色质，浅染区：常染色质heterochromatineuchromatinnucleolus异染色质分类： 组成性异染色质 兼性异染色质组成性异染色质（恒定性异染色质）： 整个细胞周期中处于凝集状态的染色质。多位于着丝粒、端粒和染色体臂的凹陷部位，合成于S期。兼性异染色质： 含有一系列重复序列的DNA，在一定细胞类型、一定发育阶段凝集成

14、异染色质状态，可向常染色质转变。巴氏小体（Barr body）：人类女性卵母细胞和胚胎发育早期，两条X染色体均为常染色质；至胚胎发育的第16-18天，体细胞的一对染色体，一条常染色质，另一条为异染色质，间期可见其凝固形成巴氏小体。可用于鉴别胎儿性别。雌性哺乳动物体细胞核中的X染色质（巴氏小体）即为一种兼性异染色质常染色质与异染色质的异同 不同点常染色质异染色质 间期结构松散紧密 碱性染料染色着色浅着色深 螺旋化程度低高 转录活性具有转录活性无转录活性 主要分布部位核中央核边缘、核仁周围 序列特点单一或中度重复DNA序列组成性异染色质：高度重复DNA序列 复制行为早复制晚复制、早聚缩相同点：二者

15、的化学本质相同，是同一物质的不同存在状态，二者在一定条件下可以互换。2m长的DNA存在于5m的核内？DNA分子有多长？1.72mDNA分子存在于哪个细胞器里面？细胞核三、染色质组装成染色体一级结构：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 多级螺旋模型骨架-放射环（袢环）结构模型一级结构：核小体二级结构：螺线管三级结构：袢环四级结构：染色单体 一级结构：核小体（nucleosome） 核小体染色质的基本结构单位 核小体为直径约10nm的圆盘状颗粒。H1核小体的组成： DNA：约200bp左右146bp：盘绕组蛋白八聚体1.75圈，称核心DNA60bp：连接相邻的核小体， 称连

16、接DNA（长度变异大） 组蛋白八聚体：一个 1组蛋白：一个 (稳定核小体） 核小体串珠的形成使DNA分子长度压缩了约7倍二级结构：螺线管 是在组蛋白H1的协助下，由核小体串珠结构盘旋而成的外径30nm中空结构 10nm组蛋白八聚体H1组蛋白DNA组蛋白八聚体核小体每6个核小体螺旋一周，形成外径30nm的中空螺线管组蛋白H1位于内部，是螺线管形成和稳定的关键因素30nm染色质纤维 B.核小体串珠电镜下，间期核中的染色质大多以一种30nm染色质纤维（螺线管）的形式存在。螺线管的形成使核小体串珠结构压缩了约6倍螺线管进一步包装成染色体关于螺线管如何进一步包装成染色体，目前有两种模型：多级螺旋模型（m

17、ultiple coiling model）染色体骨架-放射环模型 (scaffold-radial loop structure model) 1. 多级螺旋模型一级结构：核小体，直径10nm二级结构：螺线管，直径30nm三级结构：超螺线管，直径400nm四级结构：染色单体多级螺旋模型（共压缩8400倍）2.染色体骨架-放射环模型一级结构：核小体二级结构：螺线管(30nm纤维)高级结构：袢环结构和染色单体 高级结构的组装过程： 螺线管进一步折叠成 一系列袢环结构，基部 连在染色单体中央的 非组蛋白支架上。 每18个袢环呈放射状平面排列，形成微带。 约106个微带沿纵轴排列，形成染色单体。 四

18、、染色体的形态结构在有丝分裂中期，染色体高度凝集，形态、结构特征明显，可作为染色体一般形态和结构的标准。特征性结构： 着丝粒 主缢痕 动粒 随体 次缢痕 端粒姐妹染色单体（sister chrommatid） 中期染色体由两条相同的染色单体构成，两条单体之间通过一个着丝粒相连，互称姐妹染色单体 着丝粒将两条姐妹染色单体相连主缢痕(初级缢痕)：中期染色体的两条姐妹染色单体的连接处向内凹陷、着色较浅的缢痕。着丝粒：指主缢痕处的染色质部分，由高度重复的异染色质组成，为中期染色体的主要功能结构域。着丝粒将染色体分为两个臂依据着丝粒的位置，中期染色体分为4种类型中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体近端着丝粒染

19、色体端着丝粒染色体2.着丝粒-动粒复合体介导纺锤体与染色体的结合 动粒（kinetochore）位于着丝粒两侧的圆盘状结构由蛋白质构成一个中期染色体含有两个动粒是细胞分裂时纺锤丝动粒微管的附着部位，参与染色体的运动与分离。 着丝粒-动粒复合体（centromere-kinetochore complex) 由着丝粒和动粒共同组成的 一种复合结构介导纺锤丝与染色体的结合包括三个结构域：动粒域( kinetochore domain)中心域(central domain)配对域(pairing domain)纺锤丝着丝粒动粒纺锤丝动粒域：位于着丝粒的外表面，纺锤丝微管连接的位点蛋白质着丝粒蛋白（C

20、ENP),微管蛋白，钙调蛋白等 中心域：位于动粒域的内侧，富含重复DNA序列的异染色质组成配对域：位于中心域的内表面，姐妹染色单体相互作用的位点蛋白质内着丝粒蛋白，染色单体连接蛋白动粒在电镜下呈三层板状结构内层外层中层动粒与着丝粒的比较成分功能着丝粒染色质连接姐妹染色单体动 粒蛋白质与动粒微管相连，和染色体的移动有关3.次缢痕（secondary constriction）染色体上除主缢痕以外的凹陷，浅染缢缩狭窄部位并非存在所有染色体上，为某些染色体所特有的形态特征位置、大小相对恒定，可作为鉴别特定染色体的一个标志 4. 随体（satellite） 是某些染色体末端的棒状或球状结构，通过次缢痕

21、与染色体主体相连 异染色质组成，恒定，是识别染色体的重要特征之一（13，14，15，21和22号染色体）核仁组织区（NOR) 位于随体染色体的次缢痕部位，含有多拷贝rRNA基因（5SrRNA除外），是具有组织形成核仁能力的染色质区，与核仁的形成有关5. 端粒（telomere） 在染色体两臂的末端由高度重复DNA序列构成的结构，是染色体末端必不可少的结构 构成：端粒DNA和端粒结构蛋白端粒酶：由蛋白质和端粒DNA互补的RNA构成，可以自身RNA为模板合成端粒DNA，使端粒得以补充功能：（1）保证染色体DNA的完全复制（2）保持染色体的结构完整（3）在细胞的寿命衰老和死亡以及肿瘤的发生和治 疗中

22、起作用原位杂交实验显示人类染色体末端的端粒：端粒DNA由富含G的短串联重复序列构成，在进化上高度保守。 人：(GGGTTA)n五、核型与带型人类G带核型核型：指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。核型分析：将待测细胞的核型进行染色体数目、形态特征的分析，称为核型分析。核型（karyotype）数目：人类正常体细胞有46条染色体分类：常染色体（autosome） 性染色体（sex chromosome）表示法：正常男性：46，XY 正常女性：46，XX人类G带核型带型：染色体标本经过一定程序处理，并用特定染料染色后，染色体沿其长轴可显现出明暗或深浅相间、宽窄不等的带

23、纹，构成了每条染色体的带型。染色体显带技术可准确识别每条染色体，检测染色体的微小变化。第三节：核仁(nucleolus)核仁（nucleolus）光镜下的核仁核仁是真核细胞间期核中最明显的结构，在细胞分裂期表现出 周期性的消失和重建光镜下：均质、折光性很强的圆球状小体电镜下：裸露无膜的纤维网状结构电镜下的核仁数目：每个细胞中一般有核仁12个，也有多个的大小：蛋白质合成旺盛的细胞，核仁大； 蛋白质合成不活跃的细胞，核仁不明显。核仁一、主要成分三种主要成分： 蛋白质 80% RNA 3%-13% DNA 8%（核仁染色质）致密纤维组分颗粒组分 纤维 中心二、形态结构纤维中心致密纤维组分颗粒成分电镜

24、下，核仁为裸露无膜的纤维网状结构，具有三个特征性区域：纤维中心 电镜下为核仁中央部位的浅染低电子密度区域, 是rRNA基因rDNA的存在部位 核仁组织者：rDNA rRNA 核仁 （nucleolus organizer） 人类rRNA基因位于5条不同的染色体上（13、14、15、21、22染色体的次溢痕），共同构成的区域称为核仁组织区。致密纤维成分 核仁内电子密度最高的区域, 位于浅染区的周围，染色深，呈环状或半月形分布 主要成分为正在转录的rRNA分子颗粒成分 电镜下呈致密的颗粒结构，位于核仁的外周，在核仁中占比例最大 主要成分为核糖体亚单位的前体颗粒人纤维细胞核电镜照片三、 核仁的功能

25、rRNA基因转录和加工的场所核仁中串联重复排列的rRNA基因，其初始转录产物为45S rRNA间隔DNA间隔DNArDNA45S rRNA 真核细胞有4种rRNA：45SrRNA32S rRNA20S rRNA 28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA 5SrRNA核仁外核质中合成，由RNA聚合酶催化核仁内合成，由RNA聚合酶催化45S rRNA 核糖体亚基装配的场所核糖体组成：蛋白质 + rRNA80S 核糖核蛋白颗粒=蛋白质+45S rRNA大亚基：60S=蛋白质+28S，5.8S，5S rRNA小亚基：40S=蛋白质+18SrRNA细胞质：成熟核糖体核仁在核糖体装配中的作用：r

26、RNA与核糖体蛋白在核仁内组装成核糖体的亚基四、核仁周期概念：核仁是一高度动态的结构，在细胞周期出现一系列结构与功能的周期性变化，称为核仁周期（nucleolar cycle）间期核膜核仁含有rRNA基因的间期染色质以袢环形式伸入核仁内分裂期(13、14、15、21、22号染色体)第四节:核基质（nuclear matrix)真核细胞中除核膜、染色质和核仁以外的部分，是一种以非组蛋白成分为主的纤维网架结构称核基质（核骨架）广义：核纤层，核孔复合体，核仁和核基质狭义：核基质概念分布在整个细胞核内纤维交错排列与核纤层和核孔复合体相互连接，构成核内互相关联的网架系统形态结构特征：组成成分：蛋白质（90%以上）核基质蛋白（nuclear matrix prot