细胞核与染色质

细胞核与染色质第1页，共71页，2023年，2月20日，星期二1781年Trontana发现于鱼类1831年Brown在植物中发现并命名为nucleus核质比：一般为1\10大小：低等植物1~4μm，高等植物5~20μm，高等动物5~10μm。原核真核1、细胞质骨架系统：？2、细胞内出现复杂的膜系统：？3、核膜的出现：？细胞核概述第2页，共71页，2023年，2月20日，星期二形状：圆形，胚乳细胞(网状）蝶类丝腺细胞(分支状)。位置：细胞中央，成熟植物细胞的边缘。数目：通常一个，成熟的筛管和红细胞（0）、肝细胞、心肌细胞(1-2）、破骨细胞(6~50）、骨骼肌细胞(数百）、植物毡绒层细胞(2~4)。结构：①核被膜、②核仁、③核基质、④染色质、⑤核纤层。功能：①遗传、②发育。第3页，共71页，2023年，2月20日，星期二第一节核被膜

核膜

核孔复合体（nuclearporecomplex,NPC）核纤层

第4页，共71页，2023年，2月20日，星期二一核膜（双层）结构组成

-外核膜（outernuclearmembrane），附有核糖体颗粒

-内核膜（innernuclearmembrane），有特有的蛋白成份（如核纤层蛋白B受体）

-核纤层（nuclearlamina）

-核周间隙（perinuclearspace）(内外膜之间的腔),

与ER腔相通

-核孔（nuclearpore）第5页，共71页，2023年，2月20日，星期二核孔复合体核膜上另一个重要结构：核孔核孔：是内外核膜愈合而形成的小孔直径:80-120nm哺乳动物细胞：3000～4000个/核结构复杂，称核孔复合体（nuclearporecomplex，NPC）第6页，共71页，2023年，2月20日，星期二核被膜的功能

-构成核、质之间的天然选择性屏障

避免生命活动的彼此干扰

保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤

-核质之间的物质交换与信息交流

第7页，共71页，2023年，2月20日，星期二

核被膜在细胞有丝分裂中有规律地解体与重建

-新核膜来自旧核膜

-核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性（domain-specific）

-以非洲爪蟾卵提取物为基础的非细胞核装配体系提供了实验模型

-核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调控因子的调节，调节作用可能与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。

第8页，共71页，2023年，2月20日，星期二二核孔复合体（nuclearporecomplex,NPC）

-主要由蛋白质构成

-可能含有100余种不同的多肽

-共1000多个蛋白质分子

-一般哺乳动物细胞约3000个核孔

-电镜下观察核孔呈圆形或八角形，一般认为其结构如fish-trap(捕鱼笼)。

第9页，共71页，2023年，2月20日，星期二

结构模型

-胞质环（cytoplasmicring），外环

-核质环（nuclearring），内环

-辐（spoke）

柱状亚单位（columnsubunit）腔内亚单位(luminalsubunit)

环带亚单位（annularsubunit）

-中央栓（centralplug）：transporter

第10页，共71页，2023年，2月20日，星期二

gp210：结构性跨膜蛋白

-介导核孔复合体与核被膜的连接，将核孔复合体锚定在“孔膜区”，从而为核孔复合体装配提供一个起始位点

-在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用

-在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定作用

第11页，共71页，2023年，2月20日，星期二p62：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域,被O-连接的N-乙酰葡糖胺残基寡糖修饰.-疏水性N端区：可能在核孔复合体功能活动中直接参与核质交换

-C端区：可能通过与其它核孔复合体蛋白相互作用，从而将p62分子稳定到核孔复合体上，为其N端进行核质交换活动提供支持。

第12页，共71页，2023年，2月20日，星期二核孔复合体的功能:(双向性:出核/入核

双功能:主动运输/被动运输)

核质物质交换的双向选择性亲水通道

（1）被动扩散：有效直径9～10nm之下，离子、水溶性分子（2）主动运输：各种亲核蛋白RNARNP颗粒（核糖体大、小亚基等）第13页，共71页，2023年，2月20日，星期二

主动运输特点：（1）对运输颗粒大小有限制

（2）是信号识别和载体介导的过程,消耗ATP

（3）双向性

生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的主动运输完成的，具有高度的选择性，并且是双向的.第14页，共71页，2023年，2月20日，星期二亲核蛋白与核定位信号-亲核蛋白（karyophilicprotein）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-核质蛋白（nucleoplasmin）的入核转运-核定位信号(nuclearlocalizationsignal，NLS) NLS是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基，如Lys、Arg，此外还常含有Pro。

NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指导完成核输入后并不被切除。

第15页，共71页，2023年，2月20日，星期二T抗原:第一个被确定的NLS,Pro-Lys-Lys-Lye-Arg-Lys-Val第16页，共71页，2023年，2月20日，星期二核纤层的功能1.结构支撑2.调节基因表达3.调节DNA修复4.与细胞周期有关lamin

与镶嵌在内膜上的受体结合lamin、与染色质纤维结合

整个lamina与核骨架相连系三核纤层第17页，共71页，2023年，2月20日，星期二第二节染色质

-染色质DNA

-染色质蛋白

-核小体(nucleosome)

-染色质组装

-染色质类型第18页，共71页，2023年，2月20日，星期二一、染色质是细胞生命活动的基础染色质的概念

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。

第19页，共71页，2023年，2月20日，星期二

与基因组直接相关的细胞活动都是在染色质水平进行的如:DNA的复制、基因转录、同源重组等

DNA和组蛋白的各种修饰：甲基化、乙酰化、磷酸化、亚硝基化、泛素化

第20页，共71页，2023年，2月20日，星期二染色质的化学组成组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA

比例：1:1:0.6:0.1

第21页，共71页，2023年，2月20日，星期二1、染色质DNA

3种构型的DNA（A型、B型、Z型）染色体DNA的单一序列、中度重复序列重复频率在10~105–组蛋白基因簇rRNA基因、5sRNA和各种tRNA基因高度重复序列（卫星DNA）

2、染色体蛋白质组蛋白（H1、H3、H4、H2A、H2B）非组蛋白第22页，共71页，2023年，2月20日，星期二二、染色质DNA

基因组（genome）

DNA分子一级结构具有多样性

DNA二级结构具有多形性(polymorphism)第23页，共71页，2023年，2月20日，星期二1、基因组（genome）概念凡是具有细胞形态的所有生物其遗传物质都是DNA。

在真核细胞中，每条未复制的染色体包装一条DNA分子，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。基因组中两类遗传信息

编码序列

调控序列第24页，共71页，2023年，2月20日，星期二2.染色质DNA的类型

4种序列:-蛋白编码序列

-编码rRNA、tRNA、snRNA和组蛋白的串联重复序列序列

-含有重复序列的DNA：简单序列和散在重复序列

SINE(100-500bp,如:Alu序列)、LINE-未分类的间隔序列

Alu:5'AG/CT3'

第25页，共71页，2023年，2月20日，星期二真核基因组还含有：高度重复DNA序列

卫星DNA（satelliteDNA），主要分布在染色体着丝粒部位；5-10bp的重复

小卫星DNA（minisatelliteDNA），又称数量可变的串联重复序列，常用于DNA指纹技术（DNAfinger-printing）作个体鉴定；12-100bp的重复单位

微卫星DNA（microsatelliteDNA）重复单位序列最短，具高度多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标志。1-5bp的重复单位第26页，共71页，2023年，2月20日，星期二3种构像：DNA的二级结构（双螺旋）

-B-DNA-Z-DNA-A-DNA3个基本元素：

-自主复制序列(ARS),是DNA复制的起点。

-着丝粒序列(CEN)，含α卫星DNA。

-端粒序列(TEL)

酵母人工染色体(YAC)：含上述3种成分，用于转基因。第27页，共71页，2023年，2月20日，星期二

B型DNA（右手双螺旋DNA）:活性最高的DNA构象

A型DNA:B型DNA的重要变构形式，仍有活性

Z型DNA:Z型DNA是左手螺旋，B型DNA的另一种变构形式，活性明显降低第28页，共71页，2023年，2月20日，星期二DNA构型的生物学意义

-沟（特别是大沟）的特征在遗传信息表达过程中起关键作用。

-沟的宽窄及深浅影响调控蛋白对DNA信息的识别

-三种构型的DNA处于动态转变之中

-DNA二级结构的变化与高级结构的变化是相互关联的，这种变化在DNA复制与转录中具有重要的生物学意义。第29页，共71页，2023年，2月20日，星期二三、染色质蛋白负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读

-组蛋白(histone)：

-非组蛋白(nonhistone)：

-非组蛋白的不同结构模式第30页，共71页，2023年，2月20日，星期二1、组蛋白(histone)

共5种，分为：

-核心组蛋白：H2A、H2B、H3、H4

帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构。

-连接组蛋白：H1，在构成核小体时H1起连接作用,它赋予染色质以极性。特点：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，在进化上十分保守。尤其是H3、H4。

H1保守性较核心组蛋白低.第31页，共71页，2023年，2月20日，星期二2.非组蛋白(nonhistone)-非组蛋白具多样性和异质性

-对DNA具有识别特异性，又称序列特异性DNA结合蛋白

(sequencespecificDNAbindingproteins)-具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成

-带负电，属酸性蛋白功能：帮助DNA折叠、复制；调节基因表达

第32页，共71页，2023年，2月20日，星期二序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式

-α螺旋-转角-α螺旋模式(helix-turn-helixmotif)-锌指模式(Zincfingermotif)-亮氨酸拉链模式(Leucinezippermotif，ZIP)-螺旋-环-螺旋结构模式(helix-loop-helixmotif，HLH)-HMG-盒结构模式（HMG-boxmotif）第33页，共71页，2023年，2月20日，星期二四、染色质的基本结构单位—核小体(nucleosome)

人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内全部DNA连结起来约1.7~2.0m。核小体（nucleosome）：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，通过酶消化实验建立。核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1。第34页，共71页，2023年，2月20日，星期二1、主要实验证据（1）铺展染色质的电镜观察：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nucleosomes(10nm)经盐溶液处理后的染色质condensedform(30nm)

未经处理的染色质第35页，共71页，2023年，2月20日，星期二（3）应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究，发现核小体颗粒是直径为11nm、高6.0nm

的扁园柱体，具有二分对称性（dyadsymmetry），核心组蛋白的构成是先形成（H3）2﹒（H4）2四聚体,然后再与两个H2A﹒H2B异二聚体结合形成八聚体 第36页，共71页，2023年，2月20日，星期二由X-射线晶体衍射(2.8A)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α螺旋和一个伸展的N-端尾部组成。N-端尾部有序排列，参与核小体之间的相互作用，以形成螺线管等高级结构。第37页，共71页，2023年，2月20日，星期二（4）SV40微小染色体（minichromosome）分析与电镜观察约5kb理论上:25个*200bp/个实际数到:23个SV40病毒感染细胞后,利用宿主组蛋白,形成微小染色体第38页，共71页，2023年，2月20日，星期二核小体的性质及结构要点示意图（引自B.Alberts等）

在用微球菌核酸酶降解染色质时，反应早期可得到166bp的片段，但不稳定；进一步降解则得到146bp片段，比较稳定。推测可能原因是失去H1后，DNA两端各有10bp的DNA，易被核酸酶作用而降解。第39页，共71页，2023年，2月20日，星期二由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。2、核小体结构要点第40页，共71页，2023年，2月20日，星期二五、染色质组装的模型

1.染色质包装的多级螺旋模型(multiplecoilingmodel)

一级结构：核小体(10nm)

二级结构：螺线管(solenoid,30nm),每圈6个核小体三级结构：超螺线管(supersolenoid)

四级结构：染色单体（chromatid）

压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍DNA核小体螺线管超螺线管染色单体5cm2-10m8400倍第41页，共71页，2023年，2月20日，星期二2.染色体的骨架-放射环结构(袢环)模型

(scaffoldradialloopstructuremodel)

-非组蛋白构成的染色体骨架(chromsomalscaffold)

和由骨架伸出的无数的DNA侧环

-30nm的染色线折叠成环,沿染色体纵轴,由中央向四周伸出,构成放射环

-由螺线管形成DNA复制环,每18个复制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第42页，共71页，2023年，2月20日，星期二六常染色质和异染色质

-常染色质(euchromatin):具有转录活性,结构疏松，电子密度低。

-异染色质(heterochromatin)： 指间期细胞核中,折叠压缩程度高,处于聚缩状态的染色质组分。第43页，共71页，2023年，2月20日，星期二

常染色质(euchromatin)

概念：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态（典型包装率750倍）,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。

DNA包装比约为1/1000～2000.

单一序列DNA和中度重复序列DNA(如组蛋白基因和tRNA基因).

并非所有基因都具有转录活性,常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件第44页，共71页，2023年，2月20日，星期二

异染色质(heterochromatin)

概念：碱性染料染色时着色较深的染色质组分类型 结构异染色质（或组成型异染色质） (constitutiveheterochromatin)

兼性异染色质(facultativeheterochromatin)第45页，共71页，2023年，2月20日，星期二结构性异染色质或组成型异染色质

除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心结构异染色质的特征：①在中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段；②由相对简单、高度重复的DNA序列构成,如卫星DNA；③具有显著的遗传惰性,不转录也不编码蛋白质；④在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩；⑤在功能上参与染色质高级结构的形成，导致染色质区间性，作为核DNA的转座元件，引起遗传变异第46页，共71页，2023年，2月20日，星期二兼性异染色质

-在某些细胞类型或一定的发育阶段,原来的常染色质聚缩,并丧失基因转录活性,变为异染色质，如X染色体随机失活

-异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径第47页，共71页，2023年，2月20日，星期二巴氏小体（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(间期细胞,女性)。第48页，共71页，2023年，2月20日，星期二

第三节染色质结构与基因活化第49页，共71页，2023年，2月20日，星期二第四节染色体

中期染色体的形态结构染色体DNA的三种功能元件（functionalelements）核型与染色体显带巨大染色体（giantchromosome）第50页，共71页，2023年，2月20日，星期二1848年，Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞1888年，Waldeyer提出Chromosome1879年，W.Flemming提出Chromatin☆染色体的数目：性细胞染色体为单倍体（haploid），用n表示;体细胞为2倍体（diploid）以2n表示，还有一些物种的染色体成倍增加成为4n、6n、8n等，称为多倍体。染色体的数目因物种而异，如人类2n=46，黑猩猩2n=48，果蝇2n=8，家蚕2n=56，小麦2n=42，水稻2n=24，洋葱2n=16.基因组:所有单倍染色体组包含的DNA组成该生物的基因组.第51页，共71页，2023年，2月20日，星期二一、中期染色体的形态结构第52页，共71页，2023年，2月20日，星期二染色体的主要结构着丝粒(centromere)与着丝点(动粒，kinetochore)次缢痕(secondaryconstriction)核仁组织区(nucleolarorganizingregion,NOR)随体(satellite)：Sat染色体端粒(telomere)

染色体的主要结构第53页，共71页，2023年，2月20日，星期二1、着丝粒与动粒着丝粒（centromere）和动粒（kinetochore）是两个不同的概念，前者指中期姐妹染色单体相互联系在一起的特殊部位，浅染；后者指主缢痕处两个染色单体外侧与纺锤体动粒微管连接的部位。

第54页，共71页，2023年，2月20日，星期二着丝粒的结构域：

-动粒结构域(kinetochoredomain)

内板(innerplate)

中间间隙(middlespace),innerzone

外板(outerplate)

纤维冠(fibrouscorona)第55页，共71页，2023年，2月20日，星期二中央结构域(centraldomain)位于着丝粒结构域的下方。其中含有高度重复的卫星DNA,为物种专一性的,人染色体的着丝粒的a卫星DNA为171bp,串联重复2000-30000次。

CENP-B盒与动粒蛋白

第56页，共71页，2023年，2月20日，星期二2次缢痕（secondaryconstriction）除主缢痕外染色体上其他的浅染缢缩部分3核仁组织区(nucleolarorganizingregion,NOR)

位于次缢痕部位,是rRNA基因所在的部位(除5SrRNA

基因).4随体(satellite)

指位于染色体末端的球形染色体节段,通过次缢痕区与染色体主体部分连接,有随体的染色体称为sat染色体5端粒(telomere)

是染色体两个端部特化结构

第57页，共71页，2023年，2月20日，星期二作用：维持染色体的稳定。起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。端粒（telomere）：富含G,由高度重复的短序列组成，高度保守。第58页，共71页，2023年，2月20日，星期二二、染色体DNA的功能元件（functionalelements）

真核细胞染色体的三种功能元件示意图第59页，共71页，2023年，2月20日，星期二

-自主复制DNA序列(autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS)：具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的区域是维持ARS功能所必需的。着丝粒DNA序列(centromereDNAsequence,CEN)：两个相邻的核心区：80-90bp的AT区；11bp的保守区。端粒DNA序列(telomereDNAsequenceTEL)：端粒序列的复制 端粒酶，在生殖细胞和部分干细胞中有端粒酶活性，端粒重复序列的长度与细胞分裂次数和细胞衰老有关。

“人造微小染色体”(artificialminichromosome)第60页，共71页，2023年，2月20日，星期二三、染色体带型核型(karyotype)：是指在有丝分裂中期染色体组的表型,

包括染色体数目、大小、形态特征的总和。核型模式图(idiogram)：将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来,再按长短、形态等特征排列起来的图象称为核型模式图,它代表一个物种的核型模式。染色体显带技术：带型：染色体经物理、化学因素处理后，再进行分带染色，使其呈现特定的深浅不同带纹（band）的方法。分带技术可分为两类：一类是产生的染色带分布在整个染色体的长度上如：Q、G和R带，另一类是局部性的显带，如C、Cd、T和N带。第61页，共71页，2023年，2月20日，星期二促进核型分析的三大技术:-低渗技术(徐道觉)秋水仙素的应用植物凝集素促进淋巴细胞转化与分裂第62页，共71页，2023年，2月20日，星期二（一）、多线染色体Polytenechromosomes分布：由Balbiani(1881)发现于摇蚊幼虫唾腺细胞，存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞、某些植物细胞。来源：核内有丝分裂(endomitosis)，体细胞内同源染色体配对，多线性，体积巨大。永远间期多线染色体的带及间带：带和间带都含有基因，可能“管家”基因(housekeepinggene)位于间带,“奢侈”基因(luxurygene)位于带上。多线染色体与基因活性：在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成胀泡（puff），或巴氏环（Balbianiring）。用H3-UdR处理细胞，发现膨突被标记，说明膨突是基因活跃转录的区域。胀泡是基因活跃转录的形态学标志。四、特殊染色体第63页，共71页，2023年，2月20日，星期二（二）、灯刷染色体（lampbrushchromosome）分布与形态：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，双线期是卵黄合成的旺盛期。由于染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，两栖类卵母细胞的灯刷染色体最典型。灯刷染色体的来源：卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体。灯刷染色体的超微结构。灯刷染色体的转录功能：侧环是RNA活跃转录的区域。