山东大学细胞13第十三章

第十三章间期细胞核和染色体细胞核为最大的细胞器；细胞核的数量、大小：一般一个细胞只有一个核，特殊细胞可多核，如肌细胞里，横纹肌多核，平滑肌1个核，心肌1个或多核。大小：高等动物10-15μm

，高等植物5-20μm

，低等植物1-4μm

。细胞核在生命活动中的地位：极为重要，是细胞遗传物质的集中区，对细胞的结构和生命活动具有调控作用。（核外也有遗传物质，如mit、chl、质中）细胞核在细胞周期中的变化：变化显著，解体和重建细胞核的形态结构*细胞核的形态、结构：

球形、卵圆形、分枝状、带状*间期细胞核的结构：核被膜染色质核仁核基质核被膜—双层膜，具有保护核内物质，控制核与细胞质之间物质运输和信息交换的功能。染色质—核内遗传物质的存在形式，分裂中期可凝缩为染色体。核仁—核内浓密小体，核糖体合成场所。核基质—无定形的液体和复杂的网络结构，即核骨架。蓝：染色质；白：核基质DNA及其结合蛋白核仁中心粒微管核纤层核被膜核孔中间丝内质网第一节核被膜与核孔复合体第二节染色质第三节中期染色体第四节核仁第五节核质及核体第六节核骨架第一节核被膜与核孔复合体

（一）核被膜（核膜）1.结构：双层膜结构——界膜

外核膜：7.5nm,上有核糖体内核膜：7.5nm,与核纤层相连核周隙：20—40nm,或称核周池（perinuclearcisternae），

核孔——核孔复合体孔膜区：特征蛋白gp210

核被膜的TEM照片

核被膜的结构（二）核孔复合体：核孔复合体的数量和大小随细胞种类和生理状态的变化而变化。代谢旺盛，则多。1、核孔复合体的结构：四个假说纤丝模型（1974）；滴漏样模型（1991）；圆柱模型（1993）；核篮模型（1998）。核篮模型的内容：八重对称辐射状的结构；胞质环；核质环；8根细纤丝；核篮；核环直接与核纤层相连。胞质丝核篮端环核孔结构模型

之核蓝模型胞质丝端环核质环胞质环中央栓核膜外核膜内核膜核篮篮丝2.核孔复合体的组成：

50-100多种蛋白质；核孔蛋白的通性：含有以二肽（FG苯丙+甘)结尾的重复区段已了解的两类核孔蛋白：（1）gp210,跨膜的N-连接糖蛋白；将核孔复合体锚链到核膜上。（2）O-连接糖蛋白：构成胞质和核质的丝状物，直接参与胞质和核质之间的物质交换。3、核孔复合体的功能

物质运输核孔复合体——跨膜运输蛋白复合体核孔复合体运输特点

双向性：细胞核细胞质选择性亲水性核孔复合体运输方式被动扩散主动运输被动运输（自由扩散），核孔为亲水通道，离子和水溶性小分子可自由扩散，有效直径（功能直径）—9nm左右。主动运输：具有严格双向选择性。(1)分子大小的选择：功能直径：10~20nm，最大26nm

(2)信号识别与载体介导性的选择,须消耗ATP(3)具有运入与运出核的双向性选择。被动扩散<60KD主动运输<25-30MD主要功能：（1）核蛋白的运入：亲核蛋白类。亲核蛋白：在细胞质基质中合成、运到核内执行功能的蛋白质，如DNA聚合酶、RNA聚合酶、组蛋白、核糖体蛋白等。金标记的核质素穿越核孔亲核蛋白进核的机制：A、核输入信号的作用：亲核蛋白上由4—8个带正电的氨基酸构成的、能使亲核蛋白进入核的短肽，称核输入信号（NLS)。无此信号时，亲核蛋白不能进入核。进入核后该信号不被切除。例子：病毒SV40的T抗原，上有核输入信号，若突变，不能进入核。亲核蛋白经核孔复合体主动被运进核，除要依赖NLS外，还是一个载体介导的过程。B、核输入受体的作用：核输入信号的结合蛋白（NBP)——输入蛋白或接载蛋白或核输入受体，其作用是协助亲核蛋白进入核，然后再返回细胞质，参与再循环。此过程需要能量。核质素输入细胞核的过程

（2）RNA和核糖体亚单位的运出

运出机制不清。推断：受体介导的主动运输。RNA加工成熟后才能出核；mRNA和scRNA（小胞质RNA）依赖于m7G帽才能出核。成熟的rRNA在核内结合上核糖体蛋白而变成核糖体亚单位，以RNP的形式依赖于受体的介导被运出核。总之：亲核蛋白的入核，RNA和核糖体亚单位的出核均具有高度选择性，是一种信号识别和载体介导的耗能过程。细胞内有小核RNA(smallnuclearRNA，snRNA)。它是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体（spilceosome）的主要成分，参与mRNA前体的加工过程。现在发现有五种snRNA，其长度在哺乳动物中约为100-215个核苷酸。snRNA一直存在于细胞核中，与40种左右的核内蛋白质共同组成RNA剪接体，在RNA转录后加工中起重要作用。另外，还有端粒酶RNA(telomeraseRNA)，它与染色体末端的复制有关；以及反义RNA(antisenseRNA)，它参与基因表达的调控。（三）核纤层核纤层是结合在内层核膜的内表面、由中间纤维相互交织而成的一层高电子密度的蛋白质网络结构，在所有真核细胞中普遍存在，一般厚约10-20nm。

1、组成laminA、laminB、laminClaminB+laminB受体（LBR）laminA、laminC＋染色体BCA外核膜内核膜核纤层蛋白染色质纤维胞质受体核纤层结构

末期前期间期富含LBR富含gp210核膜的装配—核膜去组装、重组装膜泡前体模型Courvalin等人实验（HeLa细胞）核膜去组装，得到两种膜泡一组：富含LBR一组：富含gp210核膜重组装：先LBR膜泡、后gp210膜泡LBR、gp210周期性磷酸化、去磷酸化2、核纤层功能：（1）维持核孔位置和核被膜的形态；（2）为间期染色质提供附着位点；（3）有丝分裂中，与核被膜的解体和重建有关。第二节、染色质染色质：光学显微镜下可见间期核中有一种嗜碱性很强的的物质，称为染色质，是遗传物质的存在形式。间期核中染色质以两种形式存在：常染色质：伸展开的呈电子透亮状态异染色质：卷曲凝缩。（Giemsa染，常浅异深）染色体：和染色质是遗传物质在细胞周期不同阶段的存在形式，是在细胞分裂过程中由染色质凝缩而成的棒状结构，二者的化学组成没有多大差异。

（一）染色质的分子结构1、核小体——染色质的基本结构单位。（1）核小体的结构和组分30nm(粗纤维）－10nm（细纤维）－2-4nm螯合剂尿素用非特异性核酸酶（如微球菌核酸酶）处理染色质，大多数情况下可得到大约200bp的片段，但处理裸露的DNA分子会得到随机降解的片段。以这个实验为基础，R.Kornberg1974年提出了核小体模型（念珠模型）。念珠模型的主要内容：染色质基本结构——DNA和蛋白质——重复亚单位1个亚单位=200bp的DNA链+9分子组蛋白=核小体9个组蛋白分子1分子连接组蛋白（H1）8分子核心组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各2分子若干核小体串连成念珠状——染色质丝（细纤维）核小体结构

核心组蛋白八聚体

核小体核心核心DNAH1连接组蛋白

连接区DNA核小体组装程序1、核心组蛋白八聚体（H3）2（H4）2——四聚体

+H2A、H2B——八聚体

2、DNA缠绕

147bpDNA绕核心组蛋白1.8圈，H1结合上去；共用165bp绕核心组蛋白2圈3、连接区DNA

染色质小体之间——0-100bp

核小体和螺线管的结构①由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，构成外径30nm的中空管，长度压缩6倍；②由核小体纤维Z字形折叠而成，长度压缩40倍。30nm纤维的形成与核小体之间蛋白质的相互作用有关，连接组蛋白H1和核心组蛋白尾部均参与这种相互作用。（2）核小体中各组分的作用：A：只有H3和H4时能形成核小体，但是，只有H2A和H2B时不能形成核小体颗粒。B：H1组蛋白的作用：保持染色质的结构，保护核心上的165bpDNA不被核酸酶消化，在10纳米染色质丝进一步盘绕时起重要作用。

C：组蛋白疏水区向着核心内部，带正电荷区分布在颗粒表面，可以与DNA紧密结合。（3）染色质中的酶敏感区：微球菌核酸酶；DNA酶Ⅰ（超敏感位点）。（4）核小体装配：2.0mol/LNacl,核心蛋白可以去掉，降低Nacl的浓度，DNA和组蛋白重新构成核小体。（5）离子强度对染色质纤维结构的影响：低离子浓度，染色质丝为10纳米，离子强度增加，H1分子间相互作用增大，10纳米的核小体丝卷曲为30纳米螺旋管状的染色质粗纤维。2、常染色质和异染色质：间期核中染色质可分为：常染色质——是进行活跃转录的部位，呈疏松的环状，电镜下表现为浅染，易被核酸酶在一些敏感的位点降解。（伸展开的染色质）异染色质——在间期核中处于凝缩状态，无转录活性，也叫非活动染色质(inactivechromatin)；是遗传惰性区；在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩，即异固缩现象(heteropycnosis)。存在部位：着丝粒、端粒和核仁组织区附近。（凝缩状态的染色质）异染色质的特异性：（1）间期凝缩，（2）遗传惰性区；(3)复制晚。异染色质分类：(A)恒定型异染色质：在所有细胞内都呈异固缩的染色质，多定位于着丝粒区，端粒，次缢痕及染色体臂的某些节段，在间期聚集成多个染色中心，由相对简单的高度重复序列构成。

荧光原位杂交显示的着丝粒卫星DNA（黄）(B)兼性异染色质（仅在某些细胞的特定发育阶段出现）：是指不同细胞类型或不同发育时期出现的异染色质区。巴氏小体（barrbody）。雌性哺乳动物细胞中一条异固缩化的X染色体。人的胚胎发育到16天以后，出现巴氏小体。barrbody第三节中期染色体1、中期染色体结构的形成：从DNA到染色体经过四级包装：DNA双螺旋10纳米核小体丝（一级结构）30纳米粗纤维（二级结构）超粗纤维（三级结构）染色体（四级结构）。压缩7倍压缩6倍大于1000倍大于10000倍对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域，这种环状的结构散布于细胞核中。用盐溶液去除组蛋白，在电镜下可以看到，无论有丝分裂的染色体、灯刷染色体、间期的唾腺染色体上，都有大量的结合在骨架上的放射环，说明这种环并不是有丝分裂染色体所特有的。染色质结合在核骨架/染色体骨架上

结合点是富含AT的区域中期染色体骨架：中期染色体将组蛋白去掉后，染色体周围布满了松展开的裸露的DNA丝，由非组蛋白构成的支架仍可保持着染色体的基本轮廓，特称为染色体骨架，为核骨架成员之一。袢环模型一个典型的有丝分裂中期的染色体近末端区域的扫描电镜照片一个有丝分裂染色体的染色单体的透射电镜照片2．中期染色体的类型和结构：一条中期染色体——两条姊妹染色单体两条姊妹染色单体——着丝粒相连着丝粒位置中部：中央着丝粒染色体亚中部：亚中央着丝粒染色体亚端部：近端着丝粒染色体端部：端着丝粒染色体中期染色体的形态结构有丝分裂中期，染色质高度螺旋化凝集形成具有明显形态特征的染色体人中期染色体的制备外周血加pHA培养72h秋水仙素低渗固定滴片染色

染色体的数目生殖细胞的染色体为单倍体n，体细胞的染色体是二倍体2n每一物种的染色体数目保持恒定：人46条小鼠40条中国仓鼠22条黑猩猩48条长臂猿44条马64条牛60条

基因组:单倍体细胞中的全部基因为一个基因组。C值矛盾单倍体基因组中DNA的克数（pg）称最大C值其中编码基因的DNA含量最小c值。真核生物中存在C值矛盾：同一物种内C与c值相差很大亲缘关系很近的生物其C值可相差上百倍进化程度高的C值不一定大

着丝粒的位置是鉴别染色体的重要标志，根据着丝粒在染色体上的位置将染色体分为四类：4/8-3/8

3/8-2/8

2/8-1/8

1/8-0Malekaryotype(46,XY)Femalekaryotype(46,XX)

21三体综合症：患者两外眼角上翘，鼻梁扁平，舌头常外伸，肌无力及通贯手。患者多数智能障碍并伴有多种脏器的异常，如先天性心脏病、白血病、消化道畸形等猫叫综合症：哭声像猫、头部畸形、眼距较宽、耳廓偏低

染色体结构1、着丝粒(初级缢痕)2、次（级）缢痕3、核仁组织区（NOR）4、随体：sat-染色体、随体染色体5、端粒：端粒DNA和端粒蛋白构成

⑴着丝粒（centromere）着丝粒位于每条染色体的两条姊妹染色单体相连处主缢痕的中心部位，由高度重复序列的DNA组成,将染色体分为两臂。

⑵动粒（kinetochore）：

染色体主缢痕两侧的一对由蛋白质构成的三层盘状结构，可与纺锤体微管相连。

中间层密度小，两侧的两层密度大，外层连接纺锤体微管，内层连接着丝粒

由于着丝粒和动粒在空间位置上、及结构功能上密不可分，故称为着丝粒-动粒复合体，分为动粒域、中心域和配对域

动粒域：3层式板的动粒和动粒外层的纤维冠中心域：位于动粒域内侧，包括了着丝粒的大部分区域，含高度重复的DNA，对着丝粒-动粒复合体的形成和正常功能的维持有重要作用配对域：两条染色单体连接的区域，有内着丝粒蛋白和染色单体连接蛋白，与姐妹染色单体的配对和分离有关

⑶

次缢痕（secondaryconstriction）：

主缢痕之外染色体臂上的其它缢缩部位，次缢痕的数目、位置和大小可作为鉴定某条染色体的标志。⑷核仁组织区(nucleolarorganizingregion)：染色体上某些次缢痕处存在rDNA基因(编码18S、5.8S、28SrRNA的基因),间期时具有组织形成核仁的能力，称为核仁组织区。人类染色体的核仁组织区位于13、14、15、21、22号染色体上。核仁组织者中心形成核仁

核仁组织染色体

⑸随体（satellite）：在有些染色体的短臂上有一个棒状或球状的结构，它通过次缢痕与染色体的主要部分相连，称随体，随体的形态、位置和大小是识别染色体的另一重要特征。⑹端粒（telomere）：染色体末端的特化部位，有极性，由端粒DNA和端粒蛋白构成，可防止染色体末端彼此粘连，保证染色体的完全复制、参与染色体在核内的空间分布。四膜虫[,tetrə'haimənə]

拟南芥[əræ'bidɔpsis]

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。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50-100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶（telomerase）来完成，正常体细胞缺乏此酶，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。

3、染色体DNA的关键序列：自我复制DNA序列——ARS

DNA复制起点着丝粒DNA序列——CEN

保证染色单体分离端粒DNA序列——TEL

维持染色体稳定性保证染色体完整复制染色体的三种基本序列人造微小染色体ARS——均具有一段11~14bp的同源性很强的富含AT的共有序列CEN——两个彼此相临的核心区一个是80~90bp的AT区一个是11bp的保守区TEL——端粒DNA+端粒蛋白端粒蛋白：RNA+蛋白质，又称端粒酶端粒序列：5'CCCCAA3'3'GGGGTT5'4、特殊染色体（1）多线染色体210（1024）条染色体明暗相间条纹暗条纹——带：奢侈基因（luxurygene）明条纹——间带：管家基因（家政基因）(housekeeping)胀泡(蓬突)—Balbiani环果蝇幼虫唾液腺多线染色体伸展开的放射环唾腺染色体（2）灯刷染色体这种染色体最早发现于鱼类、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期。由于染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。由两条同源染色体组成，二价体或四分体组成：主轴：染色粒，染色质紧密螺旋化的部位侧环：RNA活跃转录的区域，基质组成DNA基质：RNP（RNA+蛋白质）灯刷染色体四分体二价体染色质侧环染色粒转录单位/侧环灯刷染色体意义？（三）

大肠杆菌染色体核仁核仁（necleolus）见于间期的细胞核内，呈圆球形，核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近内核膜，核仁的数量和大小因细胞种类和功能而异一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很小或缺失。一般1-2个，也有多达3-5个的。核仁超微结构核仁功能:转录rRNA和组装核糖体单位。核仁周期:在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。第四节核仁（nucleolus）核仁为球状，是间期细胞核中最明显的结构，一个细胞中可有1-5个核仁。

一、核仁的化学成分

蛋白质：核仁干重的80%

RNA：10%

DNA：8%（核仁相随染色质DNA）

二、核仁的结构1、原纤维中心

是核仁内浅染的圆形结构，主要含5nm的rDNA纤维,RNA聚合酶和转录因子等，是核仁组织区在间期中的存在形式2、致密纤维组分

含4-10nm的纤维，以环形或半月形围绕在原纤维中心周围，是RNP(结合protein的rRNA)

3、颗粒成分15-20nm的颗粒，位于核仁的外周，这些颗粒是核糖体亚单位的前体颗粒4、核仁结合染色质

核仁内染色质为常染色质，原纤维区内的环状染色质丝（DNA成分）.核仁周边染色质围绕核仁周围，是异染色质５、核仁基质

无定形的蛋白质液体三、核仁的功能**

rRNA的高效合成、加工和成熟；核糖体大小亚基的组装参与物质运输：核糖体蛋白、5SrRNA进核仁，核糖体亚单位出核仁参与调控细胞周期

rDNA合成45SrRNA与进入核仁的蛋白质形成RNP↓

核酸酶降解18S、5.8S、28SrRNA↓18S的RNP形成核糖体小亚基；28S、5.8SrRNA的RNP再与核仁外合成后运进来的5SrRNA结合形成核糖体大亚基四、核仁周期

核仁随细胞周期而呈现动态的周期性变化：

分裂期前期，核仁消失，分裂期末期，核仁重现。这与核仁组织区的染色质的盘旋及解螺旋有关。

第六节核骨架核基质（nuclearmatrix）或称核骨架（nucleoskeleton）为真核细胞核内的网络结构，是指除核被膜、核纤层-核孔复合体体系、染色体骨架及核仁以外的核内网架体系。（狭义）广义：核骨架包括核基质、核纤层-核孔复合体体系、残存的核仁、染色体骨架。

1、形态：核骨架纤维粗细不等，直径为3-30nm，形成三维网络结构与核纤层，与核孔复合体相接，将染色质和核仁网络在其中。核骨架-核纤层-中间纤维三者相互联系形成一个贯穿于核、质间的统一网络系统。这一系统较微管、微丝具有更高的稳定性。2、化学组成：主要为蛋白，已知的四类蛋白：核基质蛋白；Nuc2+蛋白；核内肌动蛋白；附着区结合蛋白。3、核基质功能：（1）与DNA复制有关；（2）与RNA转录有关；（3）与RNA的加工有关；（4）与染色体DNA的有序包装和染色体构建有关。

核骨架的功能1．为DNA的复制提供支架，DNA是以复制环的形式锚定在核骨架上的，核骨架上有DNA复制所需要的酶，如：DNA聚合酶α、DNA引物酶、DNA拓朴异构酶II等。DNA的自主复制序列（ARS）也是结合在核骨架上。2．是基因转录加工的场所，RNA的转录同样需要DNA锚定在核骨架上才能进行，核骨架上有RNA聚合酶的结合位点，使之固定于核骨架上，RNA的合成是在核骨架上进行的。新合成的RNA也结合在核骨架上，并在这里进行加工和修饰。3．与染色体构建有关，现在一般认为核骨架与染色体骨架为同一类物质，30nm的染色质纤维就是结合在核骨架上，形成放射环状的结构，在分裂期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体。

细胞核的化学组成染色质的化学组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA的复合物。染色体DNA：基因—最小的遗传功能单位3种序列：单一序列：一个拷贝；中等重复序列：重复频率10～10万次；高度重复序列：重复频率100万次以上3种构像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。3种基本元素：①自主复制序列(ARS)，②着丝粒序列(CEN)，③端粒序列(TEL)。三种不同构象的DNA双螺旋

B-DNA：为Watson&Click提出的右手螺旋模型，每圈螺旋10个碱