第章细胞核与染色体

（Nucleus

and

Chromosome）细胞核（nucleus）是细胞

遗传物质的场所,

是

、RNA转录的中心，是细胞生命活动的控制中心。数量及分布通常一个细胞一个核；肝细胞和心肌细胞可有双核；骨骼肌细胞可有数百个核；高等植物的绒毡层可有2~4个核。高等植物韧皮部成

植物筛管没有细胞核。哺乳动物成

红细胞没有细胞核。在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核（nucleiod）。形状核一般呈圆形，但因生物的种类而异。在旺盛

的组织中，核呈圆形。在长形细胞中多呈椭圆形。在扁平细胞中多为扁圆形。在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状。在胚乳细胞中呈网状。结构(主要组成）核被膜（nuclear

envelope）染色质(chromatin)核仁（nucleolus）核质（

nucleoplasm)核被膜、染色质、核仁、核纤层及核体。功能的遗传表现为通过DNA维持物种的世代连续性。和细胞，发育表现为通过调节细胞的分化，完成表达的时空顺序，控制发育的使命。10.1

核被膜与核孔复合体（Nuclear

envelope

and

nuclear

pore

complex

）11.1.1

核被膜（nuclearenvelope）外核膜（outer

nuclear

membrane）内核膜（inner

nuclear

membrane）核周间隙（perinuclear

space）核孔复合体（nuclear

pore

complex,核纤层（nuclear

lamina）1

组成细胞核核膜核孔复合物核纤层染色质外核膜(outer

nuclear

membrane)外核膜胞质面附有核糖体，并与内质网相连可以说是内质网膜的一个特化区。外核膜常常与细胞骨架成份相连。核是被内质网和中间纤维相对固定的。内核膜(inner

nuclear

membrane)内核膜面向核基质，与外核膜平行排列，内表面没有核糖体。紧贴其内表面有核纤层，膜上有核纤层蛋白B受体（Lamin

B

rcceptor，

LBR）核周间隙（perinuclear

space)又称核周腔或核

，宽20~40nm，腔内电子密度低，充满不定型物质，与ER腔相通。核纤层在脊椎动物中，核纤层由3种多肽混合而成。分别称为核纤层蛋白A、B、C。核纤层蛋白（核纤肽）：分子量约60~70

kDa，是一类中间纤维，直径约10

nm。组成网络的核纤层蛋白A和C交联在一起，然后通过核纤层蛋白B与核内膜上的受体（LBR）结合，使核纤层附着在核被膜上。核被膜崩解与装配：前期结束时，双层核膜崩解成单层膜泡，核孔复合物

，核纤层去装配。重建：

末期，核被膜开始围绕

重新形成。某些部位内外膜融合，形成核孔复合体。与重建的动态变化可能与核纤层蛋白的磷酸化与去磷酸化有关。磷酸化(作用)去磷酸化早末期晚末期核膜小泡融合膜融合2核被膜功能1

区域化作用核被膜构成了核、质之间的天然屏障，将细胞分成核与质两大结构与功能区域，使细胞的生命活动更加秩序井然，为基因表达提供了时空的屏障。2）

的定位和酶分子的支架核内的一些酶是以膜蛋白的形式存在的,这就有利于核内生化反应的区域化,从而发挥高度的催化活性。所以核膜是和酶分子的支架和固着部位。3）控制核-质间物质和信息的交流通过核被膜上的核孔复合体进行核质之间的物质交换与信息交流。11.1.2

核孔复合体(nuclear

pore

complex,)洋葱根尖细胞的冰冻蚀刻图核孔电镜超薄切片图扫描电镜观察的核孔复合物图－胞质面结构扫描电镜观察的核孔复合物图－核质面结构扫描电镜观察的核被膜图核纤层核孔复合物－核质面核孔是以一组蛋白质颗粒以特定的方式排布形成的结构,它可以从核膜上分离出来,

被称为核孔复合物（

)。组成核孔复合物的蛋白质大约有30种（酵母）不同的蛋白质构成。一个典型的哺乳动物的核膜上有3000～4000个核孔,功能旺盛的细胞,核孔的数量就多。如非洲爪蟾一个卵细胞有约1000万个核孔。如果细胞正在

DNA，为了确保染色质包装，则需要每个核孔每分钟运进100个组蛋白分子。如果细胞在迅速生长，则需要每个核孔每分钟从细胞核向细胞质输出三对核糖体大小亚基，以确保蛋白质的需要。核孔复合物－

通道1

核孔复合物的结构模型纤丝模型圆柱状模型鱼笼模型鱼笼（

fish-trap）模型在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，一般认为其结构如鱼笼。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（nuclearring），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。

栓（蛋白）（central

transporter），核孔的一个栓状的颗粒(栓）。辐（Spoke）：核孔边缘伸向核孔的突出物。核孔复合体蛋白组成酵母中鉴定出的有30多种，脊椎动物也有10多种。gp210和p62最具有代表性。人们把所有的核孔复合物蛋白白（nucleoporin，Nup）。命名为核孔蛋2

核孔复合体的功能核孔复合体可以看作是一种特殊的跨膜

蛋白复合体，是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道。核孔

的特点：双功能性：

、主动

。双向性：介导蛋白质的入核转运，介导RNA、核糖白颗粒(RNP)的出核转运。1）核孔复合体作为

扩散的亲水性通道，有效直径为9-10nm，允许小分子的物质

扩散出入细胞核。离子、小分子及直径10

nm以下的物质包括蛋白质（40-60

kDa以下)原则上可以

通过。核膜上目前没有发现Na＋/K＋泵

系统，但是核内K＋浓度高于细胞质，而Na＋低于核外。2)

主动亲

白：具信号序列的小分子蛋白，如组蛋白H1。不具信号序列的小分子蛋白通过与具信号序列的蛋白结合。RNA分子核糖白颗粒（RNP）核糖体亚基转录与RNA加工重建核核糖体蛋白转录因子细胞质蛋白蛋白质主动具有高度的选择性对

颗粒大小的限制：有效功能直径可被调节，约10-20

nm，甚至可达26

nm。主动并是一个信号识别与载体介导的过程，需要ATP，饱和动力学特征。主动 具有双向性，即亲 白的核输入，RNA分子及RNP颗粒的核输出。a，然亲后白的输入白(karyophilic

protein)是指在细胞质中到核内起作用的一类蛋白质。各种组蛋白、DNA

酶类、RNA转录和加工的酶类、核纤层蛋白、各种起调控作用的蛋白质因子等。通过研究核质蛋白(nucleoplasmin)在非洲爪蟾

细胞的入核转运，发现了核定位信号(nuclear

localization

signal,NLS)核质蛋白是一种丰富的亲

白,

具有头尾两个不同的结构域，由5个单体组成,

相对分子质量为165kDa,是耐热性可溶蛋白。是最早发现的具有分子伴侣功能的蛋白质。尾部的电镜第一个被确定的NLS是猴肾SV40的T抗原，它在胞质中后很快积累在核中。其NLS为：

pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val

，如果单个氨基酸被替换，就失去作用。SV40的T抗原核质蛋白几种核定位信号的结构（黑体表示入核必需的氨基酸）核定位信号（NLS)是另一种形式的信号序列,

这种信号序列可以位于多肽序列的

。一般含有

4～8个氨基酸,且没有专一性,

作用是帮助

白进入细胞核。富含带正电荷的Pro、Lys和Arg。对其连接的蛋白质无特殊要求,（如：非完成核输入后不被切除，是蛋白质的白）。部分。NLS

受体输入蛋白（importin）负责将蛋白从细胞质运进细胞核。输出蛋白（exportin）负责将蛋白从细胞核运进细胞质。通过核孔复合体的转运涉及Ran蛋白。Ran是一种GTP蛋白，调节货物-受体复合体的组装和

，在细胞核内Ran-GTP的含量远高于细胞质。核蛋白输入细胞核的示意图核质蛋白向细胞核的输入过程货物蛋白与NLS受体，即imporin

α/β二聚体结合。不需要能量。蛋白α亚基识别并与NLS结合，而蛋白β亚基与核孔复合物作用。在importinβ的介导下，货物与受体的复合物与质环上的纤维结合。胞纤维向核弯曲，转运器构象发生改变，形成亲水通道，货物通过核孔，进入核内。转移过程需ATP水解提供能量。货物-受体复合体中importin

β与Ran-GTP结合，复合体解散，

出货物。与Ran-GTP结合的imporin

β，输出细胞核，细胞质中的Ran·GTP-激活蛋白（RanGAP）将Ran·GTP转变成Ran·GDP，Ran·GDP与输入蛋白β亚基脱离。Ran-GDP返回细胞核，在Ran核苷交换因子1(Ran

nucleotide-exchangefactor1,RCC1)的作用下，

GDP,

重新结合GTP。imporin

α在核输出蛋白的帮助下运回细胞质

。b

核内RNA和蛋白质的核输出大多数情况下，细胞核内的RNA是与蛋白质形成RNP复合物转运出细胞核的。蛋白质本身含有出核信号（NES）。如HIV

的Rev蛋白，转录因子TFIII

A，蛋白激酶A抑制因子PKI等。核内蛋白质的输出复合物输出蛋白1核质胞质溶胶核被膜核内蛋白质的输出RNP蛋白质上具有核输出信号（nuclear

export

signal,NES），可与细胞核内的输出蛋白结合，形成RNP-exportin-Ran-GTP复合体。输出细胞核后，Ran

GTPase激活蛋白(RanGAP)促进GTP水解,

形成

Ran-

GDP

，

出结合的货物蛋白。Ran-GDP、输出蛋白和RNP的蛋白返回细胞核。细胞核中Ran核苷交换因子(RCC1)使Ran GDP

结合上GTP,开始下一轮的

作用。11.2

染色质染色质(chromatin)，指间期细胞核内由DNA和蛋白质（组蛋白和非组蛋白）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。(chromosome)，指细胞在有丝

或减数

过,由染色质聚缩而成的棒状结构。染色质与

具有基本相同的化学组成，但包装程度不同、构象不同。染色质和

是遗传物质在细胞周期不同阶段的不同表现形式。11.2.1

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1：1：0.6：0.1。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。1

染色质DNA蛋白编码序列串联重复序列（rRNA、tRNA、snRNA和组蛋白）重复序列（DNA转座子、LTR反转座子、非LTR反转座子和假

）未分类的间隔DNA2

组蛋白（histone）组蛋白是真核生物

的基本结构蛋白,

是一类小分子碱性蛋白质,

有五种类型：H1

、H2A

、H2B、H3、H4，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。一组是核小体组蛋白(nucleosomal

histone),包括H2A、H2B、H3和H4,它们的作用是将DNA分子盘绕成核小体。H1属于另一组组蛋白