细胞核和染色体作用机理

细胞核和染色体作用机理第1页，共71页，2023年，2月20日，星期日学习目标Objectives熟悉细胞核这一细胞器核被膜(Nuclearenvelope)核孔(Pores)–掌握其结构及在细胞中的作用核基质染色质和染色体的结构了解细胞核的基本功能基因表达复制第2页，共71页，2023年，2月20日，星期日

细胞核是细胞内最大的细胞器，载有全部基因组的染色体。它是基因复制、RNA转录的中心：是细胞生命活动的控制中心。

第3页，共71页，2023年，2月20日，星期日1781年Trontana发现于鱼类细胞；1831年，Brown发现于植物。大小：植物1~4μm，动物10μm。正常细胞核质比NP≈0.5，分裂期细胞NP>0.5，衰老细胞NP<0.5。Vc:细胞的体积Vn:细胞核的体积第4页，共71页，2023年，2月20日，星期日形状：圆形，胚乳(网状）、蝶类丝腺(分支状)。位置：细胞中央，成熟植物细胞的边缘。数目：通常一个，成熟的筛管和哺乳动物红细胞（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)。成熟红细胞第5页，共71页，2023年，2月20日，星期日细胞核组成:核被膜、染色质、核仁及核基质第6页，共71页，2023年，2月20日，星期日结构：核被膜核仁核基质染色质核纤层功能：①遗传、②发育。第7页，共71页，2023年，2月20日，星期日第一节核被膜（核膜）

Nuclearenvelope第8页，共71页，2023年，2月20日，星期日一、核被膜是双层膜结构（TEM)①外核膜：来源于内质网，附有核糖体。③核周隙（perinuclearspace)：宽20~40nm，与ER腔相通。⑤核纤层：内核膜内表面的纤维网络，支持核膜，并与染色质、核骨架相连。②核内膜（outernuclearmembrane）④核孔复合体第9页，共71页，2023年，2月20日，星期日二、核孔是物质运输的通道

由至少50种不同的pr构成，称为核孔复合体（nuclearporecomplex，NPC）。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。第10页，共71页，2023年，2月20日，星期日在核被膜上由于内、外两层膜的局部融合形成核孔，在电镜下显示其复杂的、有规律性的结构，呈圆形或八角形，称为核孔复合物。主要包括以下几部分：①细胞质环②核质环③转运子④辐第11页，共71页，2023年，2月20日，星期日第12页，共71页，2023年，2月20日，星期日第13页，共71页，2023年，2月20日，星期日抽提后的核孔复合体胞质面结构抽提后的核孔复合体核质面结构第14页，共71页，2023年，2月20日，星期日TheNuclearPore第15页，共71页，2023年，2月20日，星期日三、核孔复合体的成分

推测100余种不同的多肽，1000多个蛋白质分子，统称为核孔蛋白(nucleoporin,Nup)。已在酵母中鉴定到30余种，在脊椎动物中鉴定到10余种。第16页，共71页，2023年，2月20日，星期日四、核孔的功能（核质交换双向选择性亲水通道）特殊的跨膜运输蛋白复合体，具有双功能，双向性。第17页，共71页，2023年，2月20日，星期日一、被动扩散核孔有效直径10nm左右，扩散速度与分子量成反比。小于5×103的可自由进入，大于60×103的球蛋白不能进入。二、主动运输

主动运输的选择性。(1)对颗粒大小的限制，一般可达10-20nm，表明核孔复合体的有效直径是可以调节的；(2)主动运输是信号识别和载体介导的过程，需要ATP；(3)具有双向性。亲核蛋白包括驻留性的和穿梭性的。第18页，共71页，2023年，2月20日，星期日（1）对运输颗粒大小的限制可以运输象RNP（核糖核蛋白）大小的颗粒。说明核孔直径的大小可以被调节。（2）核孔主动运输是一个信号识别和载体介导的过程，需要ATP。（3）通过核孔的主动运输是双向的。亲核蛋白的核运：核质蛋白具有头尾两个结构域。如此大的蛋白质不能有效的扩散进入核内。那么亲核的输入信号位置在那？第19页，共71页，2023年，2月20日，星期日金颗粒标记的核蛋白穿越核孔第20页，共71页，2023年，2月20日，星期日注如入胞质核质蛋白尾部头部摄入细胞核细胞质细胞核放射性爪蟾卵母细胞核质蛋白质注射实验第21页，共71页，2023年，2月20日，星期日有限的水解注如细胞滞留在细胞质放射性头部放射性尾部摄入细胞核第22页，共71页，2023年，2月20日，星期日胶体金包裹尾部的胶体金尾部注入细胞进入细胞核第23页，共71页，2023年，2月20日，星期日爪蟾卵母细胞核质蛋白注射试验第24页，共71页，2023年，2月20日，星期日通过核孔的物质运输与信号序列有关核定位信号（NLS-NuclearLocalizationSignals）：引导蛋白进入细胞核，受体为importin，4-8个氨基酸组成，含Pro（脯氨酸）、Lys（赖氨酸）和Arg（精氨酸）。完成核输入后不被切除。第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，其NLS为：Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val核输出信号（NES），引导RNP输出细胞核，受体为exportin。Ran蛋白，属G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。第25页，共71页，2023年，2月20日，星期日ProcessofNuclearImport第26页，共71页，2023年，2月20日，星期日三、核纤层

在真核细胞的核内膜下,有一层纤层蛋白组成的纤维网络结构,称为核纤层(nuclearlamina)。由核纤肽构成，属IF，分A、B两型。1．保持核的形态：2.参与基因的表达调控。核纤层的功能第27页，共71页，2023年，2月20日，星期日核纤层的功能3.参与染色质和核的组装：M期核纤层被磷酸化，核膜解体。B型核纤肽与核膜残余小泡结合，A型溶于胞质。分裂末期，核纤肽去磷酸化重新组装，介导核膜重建。第28页，共71页，2023年，2月20日，星期日第29页，共71页，2023年，2月20日，星期日间期前期末期末期第30页，共71页，2023年，2月20日，星期日第二节染色体1848年，Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞。1879年，Flemming提出Chromatin。用以描述细胞核中被碱性染料染色后强烈着色的细丝状物质。1888年，Waldeyer提出Chromosome。后来的研究证明染色质和染色体是同一物质在细胞周期中不同阶段的形态表现。第31页，共71页，2023年，2月20日，星期日

染色质是细胞核内能被碱性染料染色的物质。是DNA的载体，是细胞核最重要的部分。它随着细胞周期的不同而呈不同形态。在间期细胞核中呈现丝网状的不规则形态结构；而进入有丝分裂时则形成形态不同而各具特征的高度折叠、盘曲而凝聚成条状或棒状的染色体。第32页，共71页，2023年，2月20日，星期日DNA是遗传信息的携带者，是染色体中结构性质稳定、数量恒定的基本成分。

DNA含量不随生物体的复杂性而增加。真核细胞中含有许多重复序列（垃圾基因？？？）第33页，共71页，2023年，2月20日，星期日一、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:(1-1.5):0.05。第34页，共71页，2023年，2月20日，星期日（一）DNA3种序列：①单一序列；②中度重复序列（101~5）；③高度重复序列（>105）。1983年，A.W.Murray等人首次成功构建了包括ARS、CEN、TEL和外源DNA，总长度为55kb的酵母人工染色体(yeastartificialchromosome,YAC)。YAC可用于转基因和构建基因文库，容纳插入片段的能力远高于质粒。YAC与BAC：含上述3种成分，用于转基因。第35页，共71页，2023年，2月20日，星期日3种构像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。第36页，共71页，2023年，2月20日，星期日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)。第37页，共71页，2023年，2月20日，星期日（二）染色质蛋白质组蛋白：基本结构蛋白带正电荷，含精氨酸，赖氨酸，属碱性蛋白，其含量丰富；与DNA紧密结合，对维持染色质结构和功能的完整性起关键作用。在真核细胞中组蛋白共有5种（H1，H2A，H2B，H3，H4）；分为两组：核心组蛋白，H1组蛋白（接头组蛋白）第38页，共71页，2023年，2月20日，星期日结构：高度保守，尤其是H4。核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量Arg和Lys，为转译后修饰的部位。H1多样性，具有属和组织特异性。第39页，共71页，2023年，2月20日，星期日（三）非组蛋白序列特异性DNA结合蛋白。特性：带负电，属酸性蛋白。整个细胞周期都合成，组蛋白只在S期合成。能识别特异DNA序列，结合籍氢键和离子键。功能：帮助DNA折叠、复制；调节基因表达。第40页，共71页，2023年，2月20日，星期日二、从DNA到染色体核小体（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。由长约200bp的DNA和5种组蛋白组成。第41页，共71页，2023年，2月20日，星期日由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。第42页，共71页，2023年，2月20日，星期日在低盐亲水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体（JA，Gall1981）第43页，共71页，2023年，2月20日，星期日三、染色质包装的结构模型双链核小体螺线管超螺线管染色单体一级结构二级结构三级结构四级结构压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍基本包装螺旋缠绕螺旋缠绕折叠共压缩8000~10000倍第44页，共71页，2023年，2月20日，星期日Humanchromosome2第45页，共71页，2023年，2月20日，星期日三、染色质包装的结构模型第46页，共71页，2023年，2月20日，星期日四、常染色质和异染色质细胞分裂间期的细胞核中染色质可分为异染色质（heterochromatin）和常染色质（euchromatin）。

常染色质在间期核中染色质纤维折叠压缩程度低，呈疏松的分散状态，有功能活性。

异染色质在间期核中染色质纤维折叠压缩程度高，处于凝缩状态，无转录活性；分为结构异染色质和兼性异染色质。

结构异染色质：细胞周期中在染色体上有固定位置，一般为DNA重复序列，常见于染色体着丝粒及其周围。

兼性异染色质：第47页，共71页，2023年，2月20日，星期日常染色质是具有转录活性的染色质，结构疏松，电子密度低。异染色质的特点：①凝缩状态，无转录活性、是遗传惰性区。②在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩。③分为两类：结构异染色质、兼性异染色质第48页，共71页，2023年，2月20日，星期日雌性哺乳动物细胞中一条异固缩化的X染色体。人胚胎发育16天后出现巴氏小体。barrbody巴氏小体第49页，共71页，2023年，2月20日，星期日四、染色体染色体（Chromosome）姊妹染色单体（Sisterchromatid）根据着丝粒在染色体上的位置：中着丝粒染色体（Metacentricchromosome）近中着丝粒染色体（Submetacentricchromosome）近端着丝粒染色体（Arocentricchromosome）端着丝粒染色体（Telocentricchromosome）染色体的各部分名称第50页，共71页，2023年，2月20日，星期日第51页，共71页，2023年，2月20日，星期日端粒（telomere）：由高度重复的短序列组成。作用：维持染色体稳定性。起细胞分裂计时器的作用。DNA每复制一次端粒减少50~100bp。第52页，共71页，2023年，2月20日，星期日生物化学家发现端粒酶结构有助于更快研制抗癌药物抗肿瘤抗衰老第53页，共71页，2023年，2月20日，星期日（二）染色体的数目性细胞染色体为单倍体，用n表示；体细胞为2倍体，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。第54页，共71页，2023年，2月20日，星期日（三）着丝粒的结构着丝粒（centromere）和着丝点（kinetochore）是两个不同的概念。着丝粒包含3个结构域：1.着丝点结构域（kinetochoredomain）位于着丝粒的表面，包括三层板状结构和围绕外层的纤维冠(fibrouscorona)。第55页，共71页，2023年，2月20日，星期日2.中央结构域位于着丝粒结构域的下方，含α卫星DNA。3.配对结构域位于着丝粒内层，中期连结染色单体。4.着丝点蛋白用ACAs发现的着丝粒蛋白主要有6种（CENPA-F）第56页，共71页，2023年，2月20日，星期日Centromere第57页，共71页，2023年，2月20日，星期日如果将一个染色体组的全部染色体逐个按形状、大小等特征依顺序排列起来的图象叫核型图。核型分析对于探讨人类遗传病的机制，物种亲缘关系与进化、远缘杂种的鉴定等都有重要意义。第58页，共71页，2023年，2月20日，星期日第三节核仁间期细胞核内呈圆球形的结构，一般1~2个。功能是转录rRNA和组装核糖体亚单位。蛋白合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和较多的核仁，反之核仁很小或缺如。核仁在分裂前期消失，末期又重新出现。第59页，共71页，2023年，2月20日，星期日一、核仁形态①纤维中心：是致密纤维包围的低电子密度的圆形结构，主要成分为RNA聚合酶和rDNA。②致密纤维组分：呈环形或半月形包围FC，由致密纤维构成，是新合成的RNP。③颗粒组分：由直径15-20nm的颗粒构成，是不同加工阶段的RNP。第60页，共71页，2023年，2月20日，星期日Nucleolus第61页，共71页，2023年，2月20日，星期日（一）结构含40%蛋白、60%RNA，2亚单位构成。分为70S和80S两类。大小亚单位只在合成蛋白时结合在一起，合成终止后解离。多个核糖体结合在一条mRNA上，称多聚核糖体。二、核糖体ribosome第62页，共71页，2023年，2月20日，星期日核糖体的组成第63页，共71页，2023年，2月20日，星期日（二）核糖体组装rDNA为重复基因，人体细胞中约有200个拷贝，rDNA没有组蛋白核心，是裸露的DNA节段，相邻基因之间为非转录的间隔DN