第八章细胞核与染色体1

Pleasebequiet,上课了！！当前第1页\共有51页\编于星期五\23点Nucleus&ChromosomeⅧ细胞核与染色体当前第2页\共有51页\编于星期五\23点》1781年Trontana发现于鱼类细胞；》1831年，Brown发现于植物。》大小：低等植物1~4μm，高等植物5-20μm,动物5-10μm。常以核质比来估算核的大小。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)。1当前第3页\共有51页\编于星期五\23点》结构：①核被膜、②核仁、③核骨架、④染色质。

》功能：①遗传、②发育。2当前第4页\共有51页\编于星期五\23点1NuclearEnvelope》NuclearEnvelope,位于间期细胞核的最外层，是细胞核和细胞质之间的界膜。》生物学意义：一方面构成核、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。另一方面介导核质之间的物质交换与信息交流。3当前第5页\共有51页\编于星期五\23点1.1核被膜是双层膜结构1.1.1Structure》外核膜outernuclearmembrane，附有核糖体颗粒》内核膜innernuclearmembrane，有特有的蛋白成份（如LBR）》核纤层nuclearlamina》核周间隙perinuclearspace》核孔nuclearpore4当前第6页\共有51页\编于星期五\23点主要有以下三方面的意义:①基因表达的时空隔离②核膜作为保护性屏障,使核处于一微环境中③染色体的定位和酶分子的支架核被膜的形成对细胞生命活动的意义5当前第7页\共有51页\编于星期五\23点核孔运输的特点1.既有被动运输,又有主动运输2.核孔运输的双向性3.核孔运输的信号指导

核孔的运输作用从细胞核向细胞质运输需要5ˊ帽子结构的试验证明5当前第8页\共有51页\编于星期五\23点1.1.2核被膜在细胞周期中的崩解与装配》新核膜来自旧核膜，且核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性domain-specific。7当前第9页\共有51页\编于星期五\23点1.2NuclearPoreComplex,NPC》内外核膜在某些部位相互融合，形成环状开口，称为核孔Nuclearpore,在核孔上镶嵌着由多种蛋白质构成的复杂结构，称为核孔复合体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。8当前第10页\共有51页\编于星期五\23点1.2.1ThestructuralmodelofNPC》核孔直径80-120nm，NPC的直径120-150nm.》研究NPC形态结构的经典方法：超薄切片技术；负染色技术；冷冻蚀刻技术。20世纪80年代后，SEM技术和快速冷冻-冷冻干燥技术的应用，为NPC结构研究提供条件。》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（捕鱼笼/鱼篮模型）model。9当前第11页\共有51页\编于星期五\23点高分辩率扫描电镜观察的核孔复合物照片

10当前第12页\共有51页\编于星期五\23点抽提后核孔核质面的结构（SEM）11当前第13页\共有51页\编于星期五\23点1.胞质环cytoplasmicring，外环；2.核质环nuclearring，内环；3.辐spoke,可分三个结构域－柱状亚单位（columnsubunit）－腔内亚单位(luminalsubunit)－环带亚单位（annularsubunit）4.中央栓centralplug，又称transporter。FishTrapModel呈八重对称分布：核孔复合物的结构模型中央运输蛋白伸出的8个辐条与胞质环和核质环相连,另有8个篮和8个细胞质颗粒在核孔复合物中呈现8重对称分布。12当前第14页\共有51页\编于星期五\23点1.2.2ThecompositionofNPC》构成核孔复合体的蛋白统称为“核孔蛋白”nucleoporin，Nup。》核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为125×106，推测可能含有100余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。13当前第15页\共有51页\编于星期五\23点14当前第16页\共有51页\编于星期五\23点1.2.3ThefunctionofNPC》NPC的功能：核质交换的双向、双功能、选择性亲水性通道。－双向：入核、出核；－双功能：被动运输、主动运输。15当前第17页\共有51页\编于星期五\23点(一)通过NPC的被动运输》根据资料推测，NPC的中央通道在介导被动运输时直径约为9nm，相当于可以允许60kDa以下的球形蛋白自由通过；》由于各种因素的影响，并不是所有直径10nm以下的分子在核被膜两侧均匀分布；16当前第18页\共有51页\编于星期五\23点(二)通过NPC的主动运输1.选择性和双向性－对运输颗粒大小的限制：有效功能直径可被调节约10～20nm，甚至可达26nm；－是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗能量，并表现出饱和动力学特征；－具有选择双向性，即选择性地对不同的物质进行核输入或核输出。17当前第19页\共有51页\编于星期五\23点NPC主动运输的双向性18当前第20页\共有51页\编于星期五\23点2.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.》核定位信号（nuclearlocalizationsignal，NLS）：引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列。受体为importin(输入蛋白)。–第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，序列为：pro-pro-lyslys-lys-Arg-Lys-val。–NLS对连接的蛋白质无特殊要求，可存在于亲核蛋白的不同部位，完成输入后不被切除。》Ran蛋白，一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。19当前第21页\共有51页\编于星期五\23点T抗原NLS突变实验富含赖氨酸的核定位信号是输入蛋白的一个重要特征进入细胞核保留在细胞质20当前第22页\共有51页\编于星期五\23点核质蛋白输入细胞核的实验这一实验结果说明尾部具有核定位信号,并且只要有一个尾部结构,就可将全部的头部带入细胞核21当前第23页\共有51页\编于星期五\23点图亲核蛋白的入核转运结合：需核定位信号识别并结合输入蛋白；转运：需GTP水解提供能量22当前第24页\共有51页\编于星期五\23点3.出核转运和核输出信号》不同RNA的出核转运：－RNApolI转录的rRNA分子：以RNP的形式离开细胞核，需要能量；－RNApolIII转录的5srRNA与tRNA的核输出由蛋白质介导；－RNApolII转录的hnRNA，在核内进行5’端加帽和3’端附加PolyA序列以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA出核；》核输出信号（nuclearexportsignal,NES），引导RNP输出细胞核，受体为exportin。23当前第25页\共有51页\编于星期五\23点》mRNA的出核转运过程是有极性的，其5’端在前，3’端在后。24当前第26页\共有51页\编于星期五\23点2Chromatin》1848年，Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞。》1879年，W.Flemming提出Chromatin。》1888年，Waldeyer提出Chromosome。25当前第27页\共有51页\编于星期五\23点》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。Chromatin

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Chromosome26当前第28页\共有51页\编于星期五\23点2.1Chemicalcomposition》组成：DNA、组蛋白Histone、非组蛋白Nonhistone、少量RNA。》DNA:Histone较为稳定，约1:1；DNA:Nonhistone变化较大；DNA:RNA约为10:1。27当前第29页\共有51页\编于星期五\23点2.1.1DNA》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。》Genome：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。28当前第30页\共有51页\编于星期五\23点（一）DNA分子一级结构具有多样性1.单一序列；2.中度重复DNA序列；－短散在重复元件（shortinterspersedelements，SINEs）－长散在重复元件（longinterspersedelements，LINEs）

3.高度重复DNA序列－卫星DNA（satelliteDNA），主要分布在染色体着丝粒部位；－小卫星DNA（minisatelliteDNA），又称数量可变的的串联重复序列，常用于DNA指纹技术（DNAfinger-printing）作个体鉴定；－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。29当前第31页\共有51页\编于星期五\23点DNAfinger-printing作个体鉴定30当前第32页\共有51页\编于星期五\23点（二）DNA二级结构具有多形性》①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。31当前第33页\共有51页\编于星期五\23点2.1.2Histone》真核生物染色体的基本结构蛋白，带正电荷(?)，富含Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为：–核心组蛋白（corehistone）：H2A、H2B、H3、H4；–连接组蛋白（linkerhistone）：H1。结构：》核心组蛋白高度保守，没有种属及组织特异性，尤其是H4。》

H1是多样性，具有一定的属(genus)和组织特异性。大多数细胞中都有部分组蛋白的某些碱性氨基酸侧链被磷酸化、乙酰化或甲基化以及ADP的核糖化等修饰32当前第34页\共有51页\编于星期五\23点组蛋白的修饰作用33当前第35页\共有51页\编于星期五\23点2.1.3Nonhistone》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)；》功能：帮助DNA折叠；协助DNA复制；调节基因表达。非组蛋白在染色体构建中的作用34当前第36页\共有51页\编于星期五\23点非组蛋白和DNA不同的结合模式1.α螺旋-转角-α螺旋模式(helix-turn-helixmotif)2.锌指模式(Zincfingermotif)3.亮氨酸拉链模式(Leucinezippermotif，ZIP)4.螺旋-环-螺旋结构模式(helix-loop-helixmotif，HLH)5.HMG-盒结构模式（HMG-boxmotif）：35当前第37页\共有51页\编于星期五\23点》多以α-helix和DNA大沟识别并结合，进而影响复制和转录。36当前第38页\共有51页\编于星期五\23点2.2Nucleosome》染色质的基本结构单位—核小体(nucleosome)。37当前第39页\共有51页\编于星期五\23点2.2.1Mainexperimentalproof1.铺展染色质的电镜观察38当前第40页\共有51页\编于星期五\23点2.用非特异性微球菌核酸酶消化染色质，部分酶解片段分析结果.39当前第41页\共有51页\编于星期五\23点3.应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究.》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。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图X-射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构40当前第42页\共有51页\编于星期五\23点2.2.2核小体结构要点1.每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体核心(Core)及一个分子H1；2.由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；3.146bp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；4.两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化值为0～80bp；41当前第43页\共有51页\编于星期五\23点5.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；6.核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达。42当前第44页\共有51页\编于星期五\23点2.3染色体的包装

》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。43当前第45页\共有51页\编于星期五\23点2.3.1多级螺旋模型multiplecoilingmodel》一级结构：核小体Nucleosome》二级结构：螺线管(solenoid)在这一模型中,每一螺旋由6-8个核小体组成,并呈规则排列

44当前第46页\共有51页\编于星期五\23点》三级结构：超螺线管(supersolenoid)》四级结构：染色单体（chromatid）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倍压缩8400倍》一级结构：核小体Nucleosome》二级结构：螺线管(solenoid)45当前第47页\共有51页\编于星期五\23点DNA--7--