分子细胞生物学课件：5细胞核的结构功能

Characteristics:Chemical,structural,functionalMorphologicalandstructural—shape:varied;size:M—wellorganizedstructure:membrane,organelles,nucleusGolgiapparatusnucleusnucleiChemicals:

water,

inorganicions,smallmolecules,macromoleculesCriticaldifference：Compartmentalization（区室化）原核细胞prokaryoticcell真核细胞eukaryoticcellThenucleus：a

compartmentofDNA1.Whatisthestructureofthenucleus?

interphase-mitosisphase分裂间期-有丝分裂期2.

Whatarethechemicalcomponentsofthenucleus?3.Whatarethefunctionsofthenucleus?Thefunctionsofthenucleus:StorageofgeneticmaterialsReplicationofDNASynthesisandprocessingofRNAvisibleattheinterphase分裂间期可见Disappearedatthemitosisphase分裂期消失DNAdye-stainedcellsCellsintherootofplantMammaliancellsinculture(DNAfluorescentdye)Muscletissue(H&Estain)Nucleus&Chromosomes1.Nuclearenvelope2.Chromatinandchromosome3.Thefunctionsofthenucleus:3.1DNAreplication3.2DNAdamagerepair3.3genetranscription4.Nucleole5.Nucleus&diseases（EssentialCellBiologyChapt.5医学细胞生物学第四章）Nuclearenvelope(Nuclearmembrane)LM：boundaryEM：doublemembranesLightMicroscopeElectronMicroscope(1)nuclearenvelopeandnuclearporeSeparateandalsoconnectthenucleusandthecytoplasm,Nuclearenvelope(nuclearmembranes)Inner&outnuclearmembrane：Amembranethatseparatesthenucleusandcytoplasm.ONM:

linkstothemembraneoftheEndoplasmicReticulumINM:

contactstothenuclearlaminaPerinuclearspace：aspacethatONMandINMsurrounds.

aspaceopentothelumenoftheERPerinuclearspaceAnexpansionofERlumenThenuclearmembranes

(electronmicrograph)Nuclear

poreNuclearpore：theporesonthenuclearmembrane,wheretheINMandONMfusetoeachotherNuclearpore

complex：AproteincomplexthatlinesatandconstructsthenuclearporeThenuclearpores

(electronmicrograph)Thenuclearporecomplex

(electronmicrographs;leftupper:illustratingcartoon)Thefunctionsofthenuclearporecomplex:Aaqueous,

selective,bidirectionalchannel

withdiameter9－25nm,Toseparateandconnectthenucleus

andthecytoplasm1、Smallmolecules<5,000Da(9nm):defusefreely2、Largermolecules(9-25nm):dependontheactivetransportbythenuclearporecomplexQ1：whoenterandexitthenuclearpores？（answeraftertoday’slessonsandreviewofChpt4)(or&17）

couldbeanexaminationquestion

opentodiscussiononlinecytoplasmnucleusTheproteindestinedfornucleusNuclearimportreceptorFibersofnuclearporeQ2：Howcanthenuclearporesbeenlarged？（answeraftertoday’slessonsandpreviewofChpt17）

couldbeanexaminationquestion

opentodiscussiononlineNuclear

lamina

AnetshellunderneaththeINMofthehigheucaryocytes,whichconsistsoffibrousproteinsnuclearlamina

(electronmicrographs)Progeria（早老症）:geneticdeficiencyingenesencodingLAMINs(nuclearlaminaproteins)NormalnuclearlaminaNuclearlaminaofthepatientsToformthenuclearmembraneandtoconstructthechromosomes1、Supportsthenuclearmembrane

ininterphase,andregulatesthede-assemblyandreassemblyofthenuclearmembrane

inmitoticphase2、Providestheanchoragesitesforthechromosomesininterphase,andregulatestheconstructionofchromosomesinmitoticphase

Thefunctionsofthenuclearlamina:Q3：What3pictureswithasentenceforeachyouwanttousetodecipherthenuclearlaminaininterphase？opentodiscussiononline转录翻译(2)nuclearenvelopeseparatestwoeventsofgeneexpression:transcriptioninthenucleusandtranslationinthecytoplasm,transcriptiontranslation(3)de-assemblyandre-assemblyofthenuclearenvelopeduringmitosisNote:MemorizetheconceptwithoutknowingtoomuchdetailsSummary:

thefunctionsofnuclearmembrane2.Communication1.Isolation(compartmentalization)3.AnchoragesitesforchromosomesChromatin&Chromosome

(1)Chromatines

andchromosomeshavesimilarchemical

compositionbutdistinctmorphologyand

structureMorphology：间期----分裂期Interphase–mitoticphase光镜下骨骼肌细胞核（苏木素染色）透射电镜下超薄切片核内染色质电镜整装样品呈纤维状的染色质chromatin：interphase：anextendedfineandlonglinearstructure，tanglestoeachother

Aredot-orpatch-likeonultrathinsections

（lateralcut）－heterochromatin：beneathINM、peri-nucleolusanddistributed,highelectrondensity－euchromatin：thelightareasbetweenheterochromatin

Whole-mountsample:fibrousCanbestainedunderlightmicroscope;invisiblestructurekaryotypeBandingpatternNucleolarorganizer（rRNAgenes）着丝粒扫描电镜下分裂中期染色体chromosome:Mitoticphase：coil,condensed,bar-like（visibleunderbothLMandEM）LM：bar-like－karyotype：afterbeing“painted”,thehomologouschromosomesarenumberedandarrangedinpair

toallowidentificationoftheshapesandnumberofchromosomes－bandingpattern：fluorescentdyesstainingtoallowidentificationofthechromosomesScanningEM：Hshaped（sisterchromotidslinkatthecentromere)interphaseM(anaphase)M(metaphase)M(prophase)间期染色质分裂中期染色体染色质chromatin染色体chromosomeproteinspackage(folding,

condensing)Chemicalcomposition&structure(1)DNA（doublehelix）(2)ChromosomeproteinsChromatin/chromosome1.histon2.non-histonDNA 49％histon 49％Non-histon alittleRNA verylittleTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1910inrecognitionofthecontributionstoourknowledgeofcellchemistrymadethroughhisworkonproteins,includingthenucleicsubstances"

AlbrechtKossel

GermanyUniversityofHeidelberg

Heidelberg,Germanyb.1853

d.1927(2)SpecificsequencesrequiredforexpressionofthegeneticinformationandreplicationofthegeneticmaterialarealignedonDNAmoleculesThesequencesforthe

expressionofthegeneticinformation(genes)

GenomeandgenesThesequencesessentialforDNAreplication(replicationorigins,centromere,telomeres)间期----分裂期Interphase–mitoticphaseTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962FrancisHarryComptonCrick

JamesDeweyWatson

MauriceHughFrederickWilkins

"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"

Genes:thespecificsequencesonDNAGene:

DNAsequencescapableofgeneratingthefunctionalRNA.

Geneistheunitofexpressionofgeneticinformation.

FunctionalRNA

molecules

mRNA：codingRNA(thatencodesproteins)

rRNA

&tRNA：structualRNA（non-codingRNAs）

manyothernon-codingRNAs

proteintranslation表12－1人第22条号染色体和整个基因组的一些统计数据

22号染色体整个人类基因组

DNA长度48×106核苷酸对（bp）3.2×109bp

基因数目700个左右30,000个左右编码蛋白的最小基因1000bp

未分析编码蛋白的最大基因583,000bp2.4×106bp

平均基因大小19,000bp27,000bp

每个基因中外显子最少个数11每个基因中外显子最多个数54178每个基因中外显子平均个数5.48.8最小外显子大小8bp

未分析 最大外显子大小7600bp17,106bp

平均外显子大小266bp145bp

DNA序列位于外显子中的百分比3%1.5%人类基因组研究揭示令人惊讶的数据：

1、基因组很大，基因不大2、基因中外显子序列很少EssentielelementsofachromasomeThreeelementsareessentialforthereplicationanddistribution

ofeachchromosome

multiplereplication

origineswhereDNAreplicationinitiatesduringSphase(interphase)

onecentromereonwhichthespindlefibersattachduringmitosis

twotelomerestheendsofthechromosomes

Q4：Whichpartinthiscartoonmaybemisleading,andWhy

？opentodiscussiononline(3)ChromosomeproteinsareresponsibleforthepackageofDNAmoleculesandtheregulationofgeneexpression

histonnon-histon

间期----分裂期Interphase–mitoticphase组蛋白histonEqualtoDNA

inquantitySmallmolecularweightRichinthepositivechargeda.a（arginin/lysine,R/K）thatneutralizethenegativechargeofDNA5types： H1

-H1

histon

H2A H2B H3 H4Nucleosome

histonThefunctionsofhiston：1.Toconstructthechromosomes2.Toregulatethegeneexpression

Q5：howdotheydoso？非组蛋白non-histonMuchlessabundantthanhiston

Manytypes

RecognizeandbindwiththespecificsequencesofDNA

Functionsvary： -toconstructthechromosome-toinitiateDNAreplication-toregulatethegeneexpression

(4)DNAmoleculesundergoanorderedpackage

chromatinchromosomeInterphase–mitoticphase多个层次的包装：

串珠样结构-核小体nucleosomes

30nm纤维30nmfibers球状结构globalstructure意义:1.使纤长的DNA双螺旋分子经反复折叠而大大缩短（5cm→5μm）2.有利于转录和复制的高效准确进行

包装(折叠、紧缩)双螺旋包装(折叠、紧缩)？？30nm染色质纤维串珠状纤维“beads-on-a-string”(核小体nucleosomes)（常见形式）（doublehelix5cm→2cmnucleosomes）Thepackageofthenucleosomesinto30nm

fiberdependson

1.H12.Thetailsofnucleosome

histon

返回组蛋白H1帮助把相邻核小体拉在一起,折叠成直径30nm

的规则结构。H2A、H2B、H3、H4四个亚基的肽链尾部伸出，与相邻核小体发生作用Higher(global)structure：Loop&

supercoil（0.1cm

→5μm）30nm

fiberfoldsintotheloopsbasedonnon-histonscaffold.

Theloopsextendwhengenestheycontainaretranscribed.襻环loop一段DNA双螺旋染色质串珠结构染色体上呈伸展状态的某个区段染色体的紧缩状态整个中期染色体卡通30nm染色质纤维间期和分裂期染色体的包装(5)DNApackageiscorrelatedwiththeregulationofgeneexpression

euchromatinheterochromatinInterphase–mitoticphase30nm纤维在DNA转录和复制时，以襻环为单位发生松解，伸展成串珠状纤维或DNA双螺旋Thenucleosomesareremodeledtoexposethedoublehelix.Histontailsaremodified：condensedorde-condensed.heterochromatineuchromatinThenucleus(electronmicrograph)heterochromatineMostcondensedforminachromosomeininterphase10%sequencesarewrappedinTelomeresandcentromereCombinedbyalotofproteinsEMexaminationofnucleirevealsthreepredominantstructures:

heterochomatin,euchromatinandthenucleolus.Denselypackedheterochromatinisnotcommonlytranscribed,incontrasttoactive,morelooselypacked,euchromatin.Implications?1.telomeresandcentromere（containnogenes）2.genesilencingChromatinstructurevsgeneexpression雌性动物所有细胞中都仅有1条X染色体。可能因为双倍X染色体是致死的，在胚胎发育过程中1条X染色体通过随机变成异染色质而永久失活。此后，这条失活X染色体遗传给后代细胞，但在细胞受精后会重新活化为常染色质最令人惊异的例子：整条染色体异染色质化，X染色体成为巴氏小体Barr小体决定黑毛和黄毛的基因分别位于两条X染色体。胚胎发育早期，不同细胞中整条X染色体异染色质化，造成不同细胞只含黑毛或黄毛基因。黑斑或黄斑分别来源于这两种细胞。（这种猫是雌还是雄？）Calico猫的奇丽皮毛：雌性的细胞核中巴氏小体核仁巴氏小体发生异染色质化的X染色体:巴氏小体FigureQ5-15

EssentialCellBiology(©GarlandScience2010)Q6：whichcellhasmoreactivegenetranscription？(6)Thefunctionsofthechromatine

andthechromosomeThecarriersofgeneticmaterials(1)DNA

replicationanddivision(2)DNA

transcription

比较DNA复制和转录的特点复制转录目的 复制遗传物质转录遗传信息模板完整的染色体分子染色体分子上一段DNA(基因)催化合成的酶DNA聚合酶RNA聚合酶原料4种脱氧核糖核苷酸4种核糖核苷酸

dATP,dTTP,dCTP,dGTPATP,UTP,CTP,GTP产物完整的染色体分子一个特异的RNA分子

(子代DNA)(mRNA,rRNA,tRNA或sRNA)首发事件起始蛋白识别聚合酶识别并结合至复制起始点基因启动子review：NucleusunderEMNucleole1.morphology2.chemicalcomposition3.functions返回(1)

Nucleolushasdistinctchemicalcompositionandmorphology在电镜超薄切片中可以看到，核仁包括互相不完全分隔的3个部分：1）

纤维中心（fibrillarcenter）呈浅染区，可有多个。2）

纤维成分（fibrillarcomponent）位于浅染区周围，呈直径为5～10nm致密纤维。3）颗粒成分（granularcomponent）呈致密颗粒，颗粒直径15～20nm，散布于核仁各处。ThreecomponentsinthenucleolusDensefibrillarcomponentFibrillarcenterGranularcomponent

Chemicalcomposition

proteins80％ RNA11％ DNA8％HumanrRNA

geneslocateat5pairsofchromosomes,chromosome13,14,15,21and22.10chromosomeloopsinthenucleolusBandingpatternNucleolarorganizer（rRNAgenes）在襻环上，rRNA基因以前后串联的方式成串排列。

每条袢环上的一串rRNA基因叫做一个“核仁组织者”（nucleolar

organizer），简称为NOR。间期－分裂期的动态变化在分裂期，含rRNA基因的DNA襻环逐渐缩回至相应染色体，纤维成分和颗粒成分均分散于核质中，整个核仁先是缩小继而消失。细胞分裂完毕后，在刚诞生的子代细胞中，染色体上含rRNA基因的区段重新松解和伸展，在这些DNA襻环周围，以每一个“核仁组织者”为中心，又组建新的核仁。先是有数个小核仁形成，随即

小核仁互相融合成一个或数个大核仁。1.rRNA

synthesis(transcription)2.rRNA

processing3.rRNA

andproteinsassemblytothesubunitsofribosomes(2)

Thefunctionofthenucleolusisribosomebiogenesis200个rRNA基因拷贝,重复存在，高速转录在电镜下观察核仁，看到圣诞树状的转录单位。间隔DNArRNA转录单位

rRNA合成方向

rDNA丝前体rRNA由RNA聚合酶I催化合成蛋白质颗粒rDNA高效转录所形成的箭头样结构－圣诞树状转录单位返回to1.rRNA

synthesis2.rRNA

processing3.rRNA

andproteinsassemblytothesubunitsofribosomes装配成核糖体小亚基装配成核糖体大亚基45SrRNA前体45SrRNA前体加工1。两种化学修饰－甲基化和假尿苷2。某些序列被切除形成三个独立的

rRNA分子（18S、5.8S、28S）S的含义to1.rRNA

synthesis2.rRNA

processing3.rRNA

andproteinsassemblytothesubunitsofribosomes返回70多种蛋白质40多种蛋白质30多种蛋白质结合对功能的了解,

重新认识核仁的形态结构:1）

纤维中心（centrefibrillaire）呈浅染区，位于核仁中央部分。该部分含有从数条染色体上伸出的DNA襻环，上有核糖体RNA（rRNA）基因。2）

纤维成分（composantfibrillairedense）位于浅染区周围，呈直径为5～10nm致密纤维。该处含正在转录的rRNA分子。3）颗粒成分（composantgranulaire）多位于核仁外周，呈致密的颗粒，颗粒直径15～20nm。为已合成的核糖体前体颗粒，因此这些颗粒比细胞质中的核糖体颗粒略小些。DensefibrillarcomponentFibrillarcenterGranularcomponent结合对功能的了解,

重新认识核仁的形态结构:WherearetheChristmastreesinthenucleolarforest?Curr

OpinCellBiol.2006Jun;18(3):325-34Structureandfunctionofthenucleolusinthespotlight.核膜的功能1.(核被膜)分隔细胞核与细胞质核膜包围核物质形成特定的代谢环境将RNA合成和蛋白质合成分开2.(核孔)沟通细胞核与细胞质之间的物质双向交流遗传物质复制、转录、加工所需酶、蛋白质入核RNA和核糖核蛋白复合体出核3.(核纤层)提供染色质和染色体的附着位点本章重点1染色体的化学组成(一)DNA（双螺旋）(二)染色体蛋白质染色质或染色体1.组蛋白2.非组蛋白本章重点2每个染色体分子上有3种特殊序列是遗传物质复制所必需的

多个复制起始点replication

origines

一个着丝粒centromere

两个端粒telomeres

本章重点3真核细胞基因的组成外显子exon

是基因中用于编码的序列内含子intron是间隔在外显子之间的非编码序列调控序列sequence

régulatrice是可被基因调节蛋白结合的序列本章重点4串珠状纤维(核小体)双螺旋染色单体线形染色质到棒状染色体的包装构建30纳米纤维襻环间期染色体分裂期染色体本章重点5核仁的形态结构1）

纤维中心（fibrillarcenter）呈浅染区。该部分含有从数条染色体上伸出的DNA襻环，上有核糖体RNA（rRNA）基因。2）

纤维成分（fibrillarcomponent）呈直径为5～10nm致密纤维。该处含正在转录的rRNA分子。3）颗粒成分（granularcomponent）呈致密的颗粒，颗粒直径15～20nm。为已合成的核糖体前体颗粒，因此这些颗粒比细胞质中的核糖体颗粒略小些。本章重点6核仁的化学成分和功能本章重点7一.化学组成 蛋白质80％ RNA11％ DNA8％

二.功能1.rRNA的合成2.rRNA前体的加工3.核糖体亚单位的装配核仁组织者的概念本章重点8一.定义

每条襻环上的一串rRNA基因叫做一个“核仁组织者”（nucleolarorganizer），简称为NOR。

二.功能细胞分裂完成后，以“核仁组织者”为中心组建新的核仁。(6)Thefunctionsofthechromatine

andthechromosomeThecarriersofgeneticmaterials(1)DNA

replicationanddivision(2)DNA

transcription

细胞的遗传特性要在代代相传中得到维持，有赖于遗传物质完整、准确的复制并分配至子代细胞。(1)Thegenetic

materials

replicatebeforecelldivision1.DNAreplication:processandcharacteristics2.DNAreplication:enzymesandproteins一、DNA复制过程及其特征半保留复制复制从复制起始点开始复制叉、双向复制和复制泡复制叉的不对称性：前导链、后随链和冈崎片段整个染色体的复制复制过程

DNA复制从复制起始点开始,在起始蛋白为首的一个多酶复合体的作用下，双链解开，形成两个方向相反的复制叉。在复制叉上，DNA聚合酶分别以DNA双链中的一条为模板，4种三磷酸脱氧核苷酸为原料，合成两条新的DNA链。随着复制叉向相反两个方向推进，就形成复制泡。复制泡在各个复制起始点发生并增大，使DNA分子得到完整复制。

DNA复制：由一个亲代DNA双螺旋产生两个子代双螺旋的过程。1.半保留复制（

semi-conservatoryreplication

）

2.复制从复制起始点replication

origine开始复制起始点：特殊的DNA序列能被起始蛋白识别并结合通常为富含A、T的重复序列在细菌只有一个，在真核细胞有多个3.复制叉、双向复制和复制泡

复制叉:

已经打开的2条单链与未解开的双链间形成Y形。复制从复制起始点,开始向两个方向推进。复制叉在真核细胞的染色体上，复制叉由多处复制起始位点向两个方向移动4.复制叉的不对称性asymetryofthereplicationfork

前导链、后随链和冈崎片段问题：一条新链：