第11章-细胞核与染色质(翟中和第四版)

第11章细胞核与染色质

2021/10/101细胞核概述真核细胞中，除高等植物成熟的筛管和哺乳类成熟的红细胞外，都有细胞核。在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核（nucleiod）。真核细胞大多具细胞核原核细胞的拟核2021/10/102分布：所有真核细胞（高等植物韧皮部成熟的筛管和哺乳动物成熟的红细胞除外）数量：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)。大小：占总体积的10%，高等动物一般5-10um,高等植物5-20um,低等植物1-4um。形态：一般呈圆球状与卵圆形，随物种和细胞类型不同有很大变化。组成：核被膜、核纤层、染色质、核仁及核体组成。功能：①遗传②发育。细胞核特征2021/10/103肝细胞和心肌细胞可有双核哺乳类成熟红细胞无细胞核植物成熟筛管细胞无细胞核aaaaa破骨细胞可有6-50个细胞核2021/10/104本章主要内容*核被膜*染色质染色质的复制与表达*染色体*核仁与核体核基质2021/10/105第一节核被膜2021/10/106三部分构成核被膜结构双层核膜核纤层核孔复合体一、核膜2021/10/107第一节核被膜核周间隙核纤层核孔复合物外核膜内核膜异染色质(双层膜)(异染色质)电镜图2021/10/108核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成。外核膜胞质面附有核糖体，与糙面内质网相联。核周隙与内质网腔相通，外核膜是内质网的一部分。核被膜内层光滑，内表面紧贴一层致密的核纤层；可支持核膜，并与染色质及核骨架相连。

核周间隙宽20-40nm，腔内电子密度低，一般不含固定的结构，与内质网腔相通。双层核膜在某些部位相互融合，形成环状开口，称为核孔。在核孔上镶嵌着一种复杂的结构叫做核孔复合体。（一）核膜结构2021/10/109（二）核膜的崩解与组装2021/10/1010间期存在，分裂期解体核膜的动态特点：在真核细胞中，核膜伴随着细胞周期进行有规律的解体与重建。分裂期：双层核膜崩解成单层泡膜，核孔复合体解体，核纤层去装配；分裂末期：核被膜开始围绕染色体重新形成。2021/10/1011二、核孔复合体2021/10/1012核孔复合体(Nuclearporecomplex,NPC)一般哺乳动物细胞平均有3000个核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。核被膜上由内外两层膜局部融合形成的许多核孔，核孔是由一组蛋白质（至少50种不同的蛋白质）以一定方式排布形成的复杂结构，可沟通核质和胞质。2021/10/1013在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如fish-trap（鱼笼）。（一）结构模型——“fish-trap”(鱼笼)胞质面核质面2021/10/1014（一）结构模型——“fish-trap”(鱼笼)胞质环（cytoplasmicring）核质环（nuclearring）辐（spoke）：柱状亚单位；腔内亚单位；环带亚单位中央栓（centralplug），中央颗粒（centralgranule）2021/10/1015（二）组成成分NatureReviewsMolecularCellBiology11,490-501(July2010)|doi:10.1038/nrm2928核孔蛋白（nucleoporin，Nup）2021/10/1016核孔蛋白（nucleoporin，Nup）Gp210：结构性跨膜蛋白介导NPC与核被膜连接在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用在核质交换中起作用p62：功能性Nup疏水性N端区：具有FXFG重复序列C端区：具有疏水性的7肽重复序列2021/10/1017从功能上讲，可看作一种特殊的跨膜运输蛋白复合体（一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道）

双功能——有两种运输方式：被动扩散与主动运输。

双向性——既介导蛋白质的入核转运，又介导RNA、核糖核蛋白颗粒（RNP）的出核转运。（图P232：通过核孔复合体物质运输的功能示意图）（三）功能2021/10/1018主动运输通过转运受体把大分子运入和运出核孔从胞质运入核的转运受体为importins,从核运入胞质的转运受体为

exportins。被动运输

简单扩散运输离子、小分子及直径在10nm以下的物质。2021/10/10191．通过核孔复合体的被动扩散<10nm直径9-10nm2021/10/1020NPC作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为9～10nm，有的可达12.5nm，即离子、小分子以及直径在10nm以下的物质原则上可以自由通过。扩散速度与分子大小成反比。1．通过核孔复合体的被动扩散这种有效直径相当于允许相对分子质量在40×103～60×103以下的蛋白质分子自由穿过核孔。实际上并不是所有符合此条件的蛋白质都可随意出入细胞核。有许多小分子量的蛋白质，如组蛋白H1，是通过主动运输进入细胞核的。（其相对分子质量虽只有2.1×103，它本身带有具信号功能的氨基酸序列）有的小分子量蛋白质本身虽然没有信号序列，但可以与其它有信号序列的成份结合，一起被主动运输到核内。2021/10/10212．核孔复合体的主动运输A对运输颗粒大小的限制。主动运输的功能直径（约10～20nm）比被动运输大，核孔复合体的有效直径的大小是可被调节的；B是一个信号识别与载体介导的过程复合体，需要消耗ATP能量，表现出饱和动力学特征；C有核输出与核输入双向性。2021/10/10221）亲核蛋白的入核转运（karyophilicprotein）

亲核蛋白：指在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。

大多数的亲核蛋白往往在一个细胞周期中一次性地被转运到核内，并一直停留在核内行使功能活动，典型的如组蛋白、核纤层蛋白等；

有一些亲核蛋白需穿梭于核质之间进行功能活动，如importins。2021/10/1023核定位序列或核定位信号（NLS）亲核蛋白一般都含有特殊的氨基酸序列，这些内含的特殊短肽保证了整个蛋白质能够通过核孔复合体被转运到细胞核内。这段具有“定向”、“定位”作用的序列被命名为核定位序列或核定位信号。受体为importin。NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，并且在指导亲核蛋白完成核输入后并不被切除。2021/10/1024Nuclearlocalizationsignals2021/10/1025Normalpyruvatekinase:incytosolChimericpyruvatekinasecontainingSV40NLS:innucleusNuclearlocalizationsignals2021/10/1026亲核蛋白的入核转运过程

亲核蛋白除了本身具有NLS外，其入核转运还需要一些胞质蛋白因子的帮助。目前比较确定的因子有：importinα、importinβ：核定位信号受体。Ran：一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。2021/10/1027带有核定位信号(NSL)片段的蛋白质与受体importin/结合；复合体与胞质内的纤丝结合；复合体被送入核内；4.与Ran-GTP相互作用,复合体解散；5.importin被Ran-GTP送回胞质,Ran-GTP水解成Ran-GDP,Ran-GDP返回核内,importin回到胞质。蛋白质从细胞质经核孔向细胞核的运输2021/10/10282）RNA及核糖体亚基的出核转运

真核细胞中RNA一般要经过转录后加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。核输出信号（nuclearexportsignal,NES）：引导RNP输出细胞核，对蛋白的出核转运起决定作用的氨基酸序列，受体为exportin。

由RNA聚合酶I转录的rRNA分子。由RNA聚合酶Ⅲ转录的5srRNA与tRNA由RNA聚合酶Ⅱ转录的核内异质RNA（hnRNA）2021/10/1029核纤层(lamina)核骨架为核膜内表面由核纤层蛋白构成的一层连续致密的网状结构。核膜核孔核纤层核膜与内质网相连处染色质三、核纤层2021/10/1030功能：对核被膜起支撑作用，为染色体提供支架；调节基因表达；调节DNA修复；与细胞周期有关。组成：3种核纤层蛋白：laminA、B、C核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构动态特点：在分裂期，核纤层解体，以蛋白单体形式存在于胞质中。三、核纤层2021/10/1031第二节染色质染色质是间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA

组成的线性复合结构2021/10/1032一、染色质DNA染色质和染色体是在细胞周期不同阶段可以互相转变的形态结构2021/10/1033（一）基因组大小比较Figure1-37MolecularBiologyoftheCell,FifthEdition(©GarlandScience2008)2021/10/1034（一）基因组大小比较2021/10/1035（二）基因组DNA类型2021/10/1036A型是另一种右手双螺旋DNA，与B型的差别在于DNA的大小沟有所不同，A型的更紧密。Z(zig-zag)型是左手螺旋DNA，在结构上与B型很不同。发生在高盐浓度下的CGCGCG短链中，生物功能不详。体现DNA双螺旋结构的可塑性。DNA3种构型2021/10/1037

三种DNA构型中,大沟的特征在遗传信息表达过程中起关键作用,调控蛋白都是通过其分子上氨基酸侧链与沟中碱基对两侧潜在的氢原子供体(=NH)或受体(O和N)形成氢键而识别DNA遗传信息的。

另外,Z型DNA同细胞癌变有一定的关系。DNA3种构型2021/10/1038二、染色质蛋白组蛋白（histone）与DNA结合没有序列特异性非组蛋白（nonhistone）与特定DNA序列或组蛋白相结合NatureReviewsNephrology6,332-341(June2010)2021/10/1039（一）组蛋白属碱性蛋白质，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，可以和酸性DNA紧密结合，一般不要求特殊核苷酸序列核小体组蛋白H2A、H2B、H3和H4没有种属及组织特异性，进化上十分保守H1组蛋白有一定的种属和组织特异性2021/10/1040（二）非组蛋白序列特异性DNA结合蛋白特性多样性识别DNA具有特异性具有功能多样性锌指模式亮氨酸拉链模式α螺旋-转角-α螺旋模式2021/10/1041凝胶延滞实验（gelretardationassay）2021/10/1042三、核小体2021/10/1043（一）核小体的发现透射电镜显示串珠状11nm的核小体结构Figure4-22MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)串珠结构螺线管30nm2021/10/1044（一）核小体的发现非特异性微球菌核酸酶消化染色质2021/10/1045（一）核小体的发现X射线晶体衍射揭示核小体三维结构2021/10/1046（一）核小体的发现SV40微小染色体（minichromosome）分析Virology,2009,384(2):352-3592021/10/1047（二）核小体的结构包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白H1组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心颗粒，由4个异二聚体组成，包括两个H2A•H2B和两个H3•H42021/10/1048（二）核小体的结构146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈。组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。两个相邻核小体之间以连接DNA（linkerDNA）相连，典型长度60bp，不同物种变化值为0～80bp不等。2021/10/1049（二）核小体的结构组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列核小体沿DNA的定位受不同因素的影响Figure4-27MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)2021/10/1050四、染色质组装人体细胞46条染色体含DNA约6×109bp，总长如何计算？2021/10/1051（一）染色质组装的前期过程裸露DNA组装直径30nm螺线管H3•H4两个异二聚体结合两个H2A•H2B异二聚体加入组蛋白的去乙酰化，H1组蛋白结合伴随着核小体的折叠6个核小体组成一个螺旋进一步的折叠事件2021/10/1052（二）染色质组装的多级螺旋模型NatureStructural&MolecularBiology12,6(2005)核小体－－基本结构单位螺线管－－染色质二级结构超螺线管－－染色质三级结构染色单体－－染色质四级结构2021/10/1053根据多级螺旋模型从DNA到染色体经过四级包装：DNA核小体螺线管超螺线管染色单体压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍（二）染色质组装的多级螺旋模型2021/10/1054五、染色质类型常染色质（euchromatin）异染色质（heterochromatin）结构异染色质或组成型异染色质（constitutiveheterochromatin）兼性异染色质（facultativeheterochromatin）2021/10/1055（一）常染色质与异染色质常染色质是指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。异染色质是指间期核中，染色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质。结构异染色质或组成型异染色质指的是各种类型的细胞，除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，DNA包装比在整个细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。兼性异染色质是指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。2021/10/1056结构异染色质特征：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占有较大部分核DNA，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。（一）常染色质与异染色质2021/10/1057兼性异染色质中了解最多的是雌性哺乳类动物的X染色体。两个X染色体中的一个染色体常表现为异染色质，称巴氏小体（Barrbody）。人的胚胎发育到16天以后，出现巴氏小体。Barrbody（一）常染色质与异染色质2021/10/1058（二）常染色质与异染色质间的转变异染色质或常染色质之间随着发育时期或细胞周期的变化可能相互转化异染色质与常染色质之间的转变常常需要组蛋白与DNA修饰2021/10/1059（三）活性染色质与非活性染色质活性染色质(activechromatin)具有转录活性具有疏松的染色质结构非活性染色质(inactivechromatin)没有转录活性2021/10/10601．活性染色质对DNaseⅠ超敏感2021/10/10612．活性染色质的蛋白组成与修饰变化活性染色质很少有组蛋白H1与其结合与非活性染色质相比，活性染色质上组蛋白乙酰化程度高与非活性染色质相比，活性染色质核小体组蛋白H2B很少被磷酸化核小体组蛋白H2A在活性染色质中很少有变异形式存在组蛋白H3变种H3.3只在活跃转录的染色质中出现HMG14和HMG17只存在于活性染色质中，与DNA结合2021/10/10622．活性染色质的蛋白组成与修饰变化活性染色质标志：H3N端第4个赖氨酸的甲基化，第9和14个赖氨酸的乙酰化以及第10个丝氨酸的磷酸化；非活性染色质标志：H3N端第9个赖氨酸甲基化而不是乙酰化2021/10/1063核被膜生物学意义：一方面构成核、质之间的天然选择性屏障；另一方面介导核质之间的物质交换与信息交流。核孔复合体：1.胞质环；2.核质环；3.辐；4.中央栓。NPC的功能：核质交换的双向、双功能、选择性亲水性通道。核小体结构要点

染色质组装模型：多级螺旋模型、骨架-放射环模型小结2021/10/1064本章主要内容*核被膜*染色质染色质的复制与表达*染色体*核仁与核体核基质2021/10/1065第三节染色质的复制与表达2021/10/1066四、染色质与表观遗传P2512021/10/1067影响基因表达的遗传变异因素基因突变（错义突变）基因缺失/倍增染色体结构及数目变异问题：基因表达的变化（或性状的变化）一定是DNA序列变异的结果吗？2021/10/1068xx马骡驴骡骡子更象谁？2021/10/1069同卵双生的双胞胎虽然具有相同的DNA序列，却存在表型的差异和疾病易感性的差异。可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修饰．这种改变不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。2021/10/1070（一）表观遗传与遗传遗传学变化通过DNA序列突变实现的，通过生殖细胞得以遗传表观遗传变化通过组蛋白和DNA不同修饰实现，只在体细胞中出现。CellResearch(2006)16:742–749概念：指基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传表型的遗传学分支学科。2021/10/1071（二）表观遗传的工作模型2021/10/1072表观遗传学的研究内容：基因选择性转录表达的调控DNA甲基化基因印记组蛋白共价修饰染色质重塑基因转录后的调控基因组中非编码RNA微小RNA（miRNA）反义RNA内含子、核糖开关等2021/10/1073表观遗传学机制DNA甲基化组蛋白修饰染色质重塑RNA调控其他表观遗传机制遗传印记X染色体失活2021/10/1074（三）表观遗传的问题表观遗传密码子是什么？表观遗传是如何传代的？表观遗传记忆本质是什么？生殖细胞中有没有表观遗传印记来保持它的全能性？非编码RNA在表观遗传调控中的作用是什么？表观遗传如何控制干细胞的全能或多能性？……2021/10/1075第四节染色体2021/10/1076一、染色体形态结构由两条相同的姐妹染色单体（chromatid）构成，彼此以着丝粒（centromere）相连根据着丝粒在染色体上所处的位置，分为4种类型2021/10/1077一、染色体形态结构——着丝粒与动粒着丝粒指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位；动粒指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构，它与纺锤丝微管相接触。着丝粒中央结构域动粒结构域配对结构域外板内板中间间隙围绕外层的纤维冠2021/10/1078荧光原位杂交显示着丝粒卫星DNA一、染色体形态结构——着丝粒与动粒2021/10/1079一、染色体形态结构次缢痕核仁组织区随体端粒2021/10/1080次缢痕（secondaryconstriction）除主缢痕外，染色体上第二个呈浅缢缩的部分称次缢痕，次缢痕的位置相对稳定，数目、位置和大小是鉴定染色体个别性的一个显著特征。核仁组织区（nucleolarorganizingregions,NORs）核糖体RNA基因（5SrRNA基因除外）所在的区域。核仁组织区位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。一、染色体形态结构2021/10/1081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相连。端粒（telomere）染色体端部的特化部分，作用是维持染色体的完整性和个体性。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，哺乳类的序列为TTAGGG，500-3000次重复。端粒起细胞分裂计时器作用。一、染色体形态结构2021/10/1082ChromosomecentromereandtelomereshownbyFluorescenceInsituHybridization一、染色体形态结构2021/10/1083TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2009"forthediscoveryofhowchromosomesareprotectedbytelomeresandtheenzymetelomerase"2021/10/1084三名科学家，他们解决了生物学的一个重大问题：在细胞分裂时染色体如何完整地自我复制以及染色体如何受到保护以免于退化。这三位诺贝尔奖获得者已经向我们展示，解决办法存在于染色体末端—端粒，以及形成端粒的酶—端粒酶。“携带基因信息的DNA线状长分子挤压形成染色体，端粒就像一顶高帽子置于染色体头上。”TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine20092021/10/1085二、染色体的功能元件DNA复制起点着丝粒端粒2021/10/1086自主复制序列DNA复制的起点具有一个11-14bp，富含AT的共有序列着丝粒序列端粒序列具有两个彼此相邻的核心区，一个是80-90bp的AT区，另一个是11bp的保守区参与形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离大量串联的重复序列组成，如α卫星DNA长5-10bp的重复单位串联而成由端粒酶（telomerase）合成后添加到染色体末端功能元件二、染色体的功能元件2021/10/1087端粒酶2021/10/1088三、染色体带型核型(karyotype)是指染色体组在有丝分裂中期的表型，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染色体显带技术经物理、化学因素处理后，再用染料对染色体进行分化染色，使其呈现特定的深浅不同带纹（band）的方法一类是产生的染色带分布在整过染色体长度上如：G、Q和R带，一类是局部性显带，它只能使少数特定区域显带，如C、T和N带2021/10/1089核型(Karyotype)：染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征等。核型是物种特异的。低渗处理：中期细胞的染色体分散良好秋水仙素的应用：富集中期细胞分裂相植物凝集素：刺激血淋巴细胞转化、分裂三、染色体带型2021/10/1090核型分析：是对染色体进行测量计算的基础上，进行分组、排队、配对并进行形态分析的过程；主要依据：染色体形态和着丝粒位置的差别对于探讨人类遗传病的机制，研究物种亲缘关系、进化，研究人细胞癌变机理等都有重要意义。三、染色体带型2021/10/1091果蝇唾涎细胞中全套多线染色体四、特殊染色体——多线染色体2021/10/1092存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞内体积巨大，染色体比其它体细胞染色体长100-200倍，体积大1000-2000倍多线性，每条染色体由500-4000条解旋的染色体合并在一起形成体细胞联会，同源染色体紧密配对，并合并成一个染色体横带纹，染色后呈现出明暗相间的带纹膨突和环，在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成膨突（puff），或巴氏环（Balbianiring）。用H3-TdR处理细胞，发现膨突被标记，说明膨突是基因活跃转录的形态学标志。多线染色体是由于核内有丝分裂的结果，即染色体多次复制而不分离的结果四、特殊染色体——多线染色体2021/10/1093Lampbrushchromosome(两栖类卵母细胞中)光镜免疫组化四、特殊染色体——灯刷染色体2021/10/1094发现于鱼类、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期卵母细胞进行减数分裂第一次分裂时停留在双线期的染色体，即由两条同源染色体组成，在交叉处结合，每条同源染色体含2条染色单体形态与卵子发生过程中营养物储备密切相关。灯刷染色体中大部分DNA以染色粒形式存在，没有转录活性。侧环是RNA活跃转录的区域，侧环的粗细与转录状态有关。合成的RNA主要为前体mRNA。四、特殊染色体——灯刷染色体2021/10/1095第五节核仁与核体Nucleoli（nucleolus的复数）

HeLacell,GFP-ribosomalprotein2021/10/1096见于细胞核内的圆球状结构，大小、形状、数目随物种、细胞类型和代谢状态而变，在蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞中有较大和较多的核仁，反之核仁很小或缺失。真核细胞间期核中最显著的结构，核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。主要功能是转录rRNA和组装核糖体亚单位。第五节核仁与核体2021/10/1097一、核仁的结构纤维中心致密纤维组分颗粒组分2021/10/1098一、核仁的结构纤维中心(fibrillarcenters，FC)：是被致密纤维包围的一个或几个低电子密度的圆形结构，主要成分为RNA聚合酶和rDNA，这些rDNA是裸露的分子致密纤维组分(densefibrillarcomponent，DFC)：呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，是新合成的rRNA和特异性结合蛋白，转录主要发生在FC与DFC的交界处颗粒组分(granularco