第五章 细胞核与遗传信息的流向2

第五章

细胞核与遗传信息的流向罗大极医学遗传学系细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是遗传物质储存、复制和转录的场所，是细胞生命活动的控制中心。

细胞核的大小与细胞大小有关，最小的核直径不足1μm，而最大的核如苏铁科某些植物卵细胞核直径可达500~600μm。植物细胞核的直径通常在1~4μm左右，动物为10μm左右。

在同一种生物，由于遗传物质的含量是恒定的，因此核的大小也比较恒定。常以核质比来估算核的大小NP≈0.5，分裂期细胞NP>0.5，衰老细胞NP<0.5。

通常一个细胞一个核，肝细胞和心肌细胞可有双核，破骨细胞可有6~50个细胞核，骨骼肌细胞可有数百个核；高等植物的毡绒层可有2~4个核。正在生长的细胞中，核位于细胞中央，在分化成熟的细胞中，常因细胞内含物或特殊结构的存在，核被挤到边缘。细胞核的主要结构包括：①核被膜(nuclearenvelope)②核仁(nucleolus)③核基质(nuclearmatrix)④染色质(chromatin)⑤核纤层(nuclearlamina)细胞核的主要功能有两个方面：①遗传②发育

前者表现为通过染色体、DNA的复制和细胞分裂，维持物种的世代连续性。后者表现为通过调节基因表达的时空顺序，控制细胞的分化，完成个体发育的使命。第二节染色质和染色体染色质与染色体是同一物质周期性相互转化的不同形态的表现。肺炎双球菌转化实验1944年Avery等利用肺炎双球菌转化实验证明DNA是遗传物质。基因(gene)：

细胞内遗传物质最小的结构功能单位，是DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列。基因组(genenome)：细胞所含有的能代表全部遗传信息的一整套基因。根据化学特性和物理性质染色质和染色体的定义是染色质(chromatin)：细胞核内被碱性染料着色的物质，含有DNA与蛋白质等成分结合形成的复合体。染色体(chromosome)：在细胞有丝分裂时染色质染色质组装成一条条能在光镜下看到的棒状或点状的染色体。◆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。染色质与染色体一、染色质的化学组成及种类（一）染色质的化学组成生化分析显示，染色质的化学组成主要是DNA和组蛋白，此外还有非组蛋白和少量RNA。

真核生物功能性染色体DNA的三个必需序列：①复制源序列。②着丝粒序列。③端粒序列。四膜虫：TTGGGG，重复约20-70次。人类：TTAGGG，重复约500-5000次。端粒酶，由RNA和蛋白质构成的反转录酶。染色体DNA

从染色体DNA到基因组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。

基因组大小通常随物种的复杂性而增加

基因组中两类遗传信息

编码序列

调控序列

物种基因组大小平均基因长（bp）基因数目大肠杆菌4.2×106bp

1.2Kb约2350酵母1.3×107bp1.4Kb约6100果蝇1.4×108bp11.3Kb约8750

人3×109bp16.3Kb约25000染色体蛋白负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读。根据功能主要分为：1）组蛋白2）非组蛋白

核小体组蛋白(nucleosomalhistone)：H2B、H2A、H3和H4,帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构

H1组蛋白：在构成核小体时H1起连接作用,它赋予染色质以极性。组蛋白组蛋白特点：

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。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。非组蛋白

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）非组蛋白的不同结构模型

（二）染色质的种类间期细胞核中的染色质可分为两类：常染色质（euchromatin）和异染色质（heterochromatin）。1、常染色质

在间期细胞中结构较为松散、碱性染料着色较浅的染色质称为常染色质。常染色质的特点◆DNA包装比约为1000～2000分之一；◆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；2、异染色质可将异染色质划分为两种类型：结构异染色质(constitutiveheterochromatin)和兼性异染色质(facultativeheterochromatin)。（1）结构异染色质（2）兼性异染色质巴氏小体(Barrbody)。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；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。结构异染色质

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兼行异染色质巴氏小体常染色质与异染色质在细胞中的分布及相互转换1）分布相与细胞分化程度相关分化程度愈高，致密异染色质为主；增殖活跃的细胞，疏松的常染色质为主。2）常染色质与兼性异染色质可以相互转换二、染色质的包装染色单体由DNA分子组成，人的二倍体细胞约含有6x109碱基对，分布在46条染色体上。

只有高度有序的包装才能保证细胞分裂中遗传物质传递的稳定性，才能保证基因复制和表达的准确。

每条染色体DNA的平均长度约5cm，总长达174cm。如此长的DNA是如何排列在只有5um的细胞核中的呢？必须经过包装和压缩！DNA如何有序的包装和压缩最终构成染色质(体)呢？染色质的超微结构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；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，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6nm的扁园柱体，具有二分对称性(dyadsymmetry)，核心组蛋白的构成是八聚体。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。染色体多级螺旋模型染色体袢环结构模型染色体多级螺旋模型◆一级结构：核小体◆二级结构：螺线管(solenoid)◆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(一)核小体（nucleosome)

染色质的基本单位—核小体，由DNA和组蛋白组成的结构。染色质的一级结构——核小体

核小体的结构：核小体核心：(H2A、H2B、H3、H4)×2

组成八聚体，八聚体连接的顺序是：H2A-H2B-H4-H3-H3-H4-H2B-H2A核小体DNA：146bp的DNA缠绕在八聚体的外面1.75圈。H1锁住核小体DNA的进出口处，DNA双螺旋共缠绕2圈165bp。加上H1称为染色质小体(chromotosome)。每个核小体其直径为10nm，高6nm的扁圆柱体。

连接DNA(1inkerDNA)：

0到80bp不等的DNA(平均长度为60bp)将核小体串联成直径10nm的串珠链，是染色质（体）的一级结构。螺线管(solenoid)10nm的串珠链细线螺旋化形成30nm的中空管称螺线管，每圈由6个核小体组成，H1位于中空的螺线管的内部，对螺线管的稳定起着重要的作用。螺线管是染色体的二级结构。

染色质的二级结构——螺线管超螺线管(supersolenoid):是由30nm螺线管经螺旋化形成直径为0.2～0.4

m的圆筒状结构，即染色质(染色体)的三级结构。染色质的三级结构——超螺线管染色单体:超螺线管进一步螺旋折叠形成染色单体，即染色质(染色体)的四级结构。染色质的四级结构——染色单体压缩比例：７倍６倍40倍５倍ＤＮＡ核小体螺线管超螺线管染色单体Total：8400倍

1977年Laemmli用NaCl溶液或硫酸葡聚糖加肝素处理Hela细胞中期染色体，去除组蛋白等成分后，在电镜下可看到由非组蛋白构成