第十一章 细胞核与染色质课件

第十一章细胞核与染色质第一节核被膜第二节染色质第三节染色质的复制与表达第四节染色体第五节核仁与核体第六节核基质第十一章细胞核与染色质细胞核截面图第十一章细胞核与染色质细胞核的分布、形态、大小、数目分布：绝大多数真核生物细胞中；例外：哺乳动物的成熟的红细胞，高等植物成熟的筛管细胞等极少数的细胞。形态：球形或者卵形或圆形大小：约占细胞总体积的10%数目：一般一个：大多数生物体细胞中都是一个有的多个：植物个体发育过程中的多数胚乳核，草履虫等原生动物；人的骨胳肌细胞中的细胞核可达数百个。第十一章细胞核与染色质细胞核与细胞质之间的界膜功能：核、质之间的天然选择屏障：核酸复制、转录和加工在核内，蛋白质翻译在细胞质中调控核内外的物质交换和信息交流——核孔复合体结构组分：双层核膜、核孔复合体和核纤层第一节、核被膜第十一章细胞核与染色质一、核膜第十一章细胞核与染色质内层核膜(innernuclearmembrane),外层核膜(outernuclearmembrane),核周间隙(perinuclearspace),外层核膜与内质网相通，常带有核糖体，内核膜光滑，无核糖体，内贴核纤层，借助核纤层蛋白B受体(LaminBreceptor,LBR)等与核纤层连接，内外膜平行，融合处形成核孔(nuclearpore),核孔处镶嵌着核孔复合体（nuclearporecomplex,NPC）

（一）核膜结构第十一章细胞核与染色质（二）核膜的崩解和组装有丝分裂早前期，核膜崩解，是一个受调控的过程，Cdk1，PKC，染色体凝集，核孔复合体解散，核纤层解聚，双层核膜膜泡化，以膜泡或膜片的形式分散到细胞质中，内层核膜蛋白也随膜成分分散于细胞质中。在核膜崩解中，核膜成分中的蛋白质被磷酸化是最主要的调控机制，其中，至少有多个核孔复合体蛋白、内层核膜上的LaminB受体以及核纤层蛋白等都被磷酸化。——崩解第十一章细胞核与染色质—组装有丝分裂中期到后期，激酶失活，磷酸化的核膜、核孔、核纤层成分去磷酸化，激活核膜重建，核膜成分与染色体结合，膜泡融合，其中，Lamin、LaminB受体等都可以与DNA直接或间接结合，核孔形成，核孔复合体装配，核纤层形成，细胞核体积增大，Ran-GTP、Ran-GTP修饰因子等在核膜重建中起到重要作用。第十一章细胞核与染色质二、核孔复合体(NuclearPoreComplex，NPC)NPC经典研究手段:树脂包埋超薄切片，负染色技术，冷冻蚀刻。冷冻蚀刻电镜技术观察NPC高分辨率扫描电镜观察NPC第十一章细胞核与染色质1949-1950年，Callan和Tomlin发现，一个典型的哺乳动物细胞核上约3000-4000个，细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少，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，核质交换的双向、选择性、亲水通道。第十一章细胞核与染色质核孔复合体结构模型（一）结构模型结构组分：1.胞质环：位于核孔边缘的胞质面一侧，又称外环；2.核质环：位于核孔边缘的核质面一侧，又称内环；3.辐：由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称的纤维；4.栓：又称中央栓。位于核孔中心，呈颗粒状或棒状(有争议)。第十一章细胞核与染色质胞质面结构第十一章细胞核与染色质核质面结构：篮状复合体第十一章细胞核与染色质（二）组成成分核孔蛋白gp210p62疏水性N端区：直接参与核质交换C端区：疏水性7肽重复序列，稳定p62分子介导核孔复合体与核被膜的链接，提供NPC组装起始位点介导内、外核膜融合形成核孔介导核、质交换功能30多种不同的多肽，1000多个蛋白质分子。第十一章细胞核与染色质NPC的功能特点双向性：入核——蛋白质，出核——RNA、核酸核蛋白复合体(RNP)。双功能：被动扩散——离子、小分子等（直径<10nm）主动运输——亲核蛋白输入、RNA及RNP输出等。（三）功能第十一章细胞核与染色质第十一章细胞核与染色质核孔复合体的主动运输高度选择性：运输颗粒直接10-20nm，且大小可调节需要消耗ATP的信号识别与载体介导的过程具有饱和动力学特征双向性：核输入：DNA复制转录、染色体构建和核糖体亚单位组装等所需的各种因子核输出：RNA，组装好的核糖体亚单位等亲核蛋白（karyophilicprotein）：细胞质内合成，进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质可停留于核内，也可穿梭于核、质之间含有核定位信号(nuclearlocalizationsignal，NLS)第十一章细胞核与染色质核输入核定位序列验证试验第十一章细胞核与染色质Wild-type:T-antigeninnucleusMutant-type:T-antigenincytosol第一个被鉴定的NLS：猴肾病毒的T抗原第十一章细胞核与染色质亲核蛋白通过NPC的主动运输第十一章细胞核与染色质核输出CRM1识别NES（核输出信号）从而介导出核，CRM1与Cargo的结合也是受到Ran-GTP活性的调控，CRM1像Importin一样，可以与NPC直接结合，由RNA聚合酶Ⅰ转录的rRNA,在核仁中合成，形成核糖体亚基后以RNP形式被运出核外，由RNA聚合酶Ⅲ转录的5sRNA和tRNA,

由蛋白介导出核，由RNA聚合酶Ⅱ转录的核内异质RNA（hnRNA）,加帽、加尾、剪切加工后形成成熟的mRNA出核。第十一章细胞核与染色质三、核纤层(nuclearlamina)第十一章细胞核与染色质核纤层由核纤肽（lamin）构成，核纤肽是一类中间纤维，分为A、B、C三型。带NLS(核定位信号);LaminA/C的表达：具有组织与发育时期的特异性；LaminB：所有哺乳动物细胞均有表达。功能：

1、结构支撑，保持核的形态与大小

2、调节基因表达，

3、调节DNA修复——LaminA4、与细胞周期相关——解聚和重组装第十一章细胞核与染色质薄层网状结构的核纤层第十一章细胞核与染色质第二节、染色质(chromatin)1879年，W.Flemming（德）提出Chromatin——染色质——描述细胞核中被碱性染料着色的物质，

1888年，Waldeyer（德）提出Chromosome——染色体。第十一章细胞核与染色质染色质: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:细胞在有丝分裂或减数分裂的特点阶段、由染色质聚缩而成的棒状结构。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；化学组成相同、包装程度不同。

110.60.1第十一章细胞核与染色质DNA复制、转录和重组都是在染色质水平进行中心之中心第十一章细胞核与染色质有些两栖类动物和植物具有比人更大的基因组！总体上，生物越复杂，基因组越大，但有例外。（一）基因组大小比较一、染色质DNA基因组：某一生物细胞中储存于单倍染色体组中的总遗传信息。第十一章细胞核与染色质1.

蛋白质编码序列：主要为非重复的单一DNA序列，一般1个拷贝。2.

编码rRNA、tRNA,组蛋白的串联重复序列，一般有20-300个拷贝。3.

含有重复序列的DNA：

简单序列DNA

散在重复序列：转座子、反转（录）座子等。4.

高度重复DNA序列：大于105个拷贝卫星DNA(SatelliteDNA)/小卫星DNA/微卫星DNA。5.

未分类的间隔DNA。（二）基因组DNA的类型第十一章细胞核与染色质二、染色质蛋白负责DNA分子遗传信息的组织、复制、修复和阅读，可大致分为组蛋白和非组蛋白两大类。（一）组蛋白(Histone)：定义：p237。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，没有种属及组织特异性，在进化上十分保守；

H1组蛋白：在构成核小体时H1起连接作用,形成染色体高级结构，第十一章细胞核与染色质（二）非组蛋白(nonhistone)：

序列特异性（相对的）DNA结合蛋白，占染色体蛋白的60-70%。特性：具有多样性和异质性：包括参与核酸代谢和修饰的酶类、核质蛋白、染色体骨架蛋白、基因表达调控蛋白等；识别DNA具有特异性，识别与结合靠氢键和离子键，位于DNA双螺旋的大沟部分。与DNA结合的螺旋区具有蛋白二聚化能力；具有功能多样性：帮助DNA折叠；协助启动DNA复制；调节基因表达。第十一章细胞核与染色质序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式α螺旋-转角-α螺旋模式（Helix-turn-helixmotif）羧基端α螺旋识别DNA大沟的特异碱基信息第十一章细胞核与染色质锌指模式（Zincfingermotif）锌原子第十一章细胞核与染色质亮氨酸拉链模式（Leucinezippermotif）每7个氨基酸中的第7个氨基酸是亮氨酸。第十一章细胞核与染色质螺旋-环-螺旋模式（Helix-loop-helixmotif）第十一章细胞核与染色质高迁移率组蛋白盒HMG(highmobilitygroup)boxmotif特殊的弯曲DNA的功能第十一章细胞核与染色质传统观点认为染色质是组蛋白包裹在DNA外面形成的纤维状结构。1974，Kornberg根据染色质的酶切和电镜观察，发现核小体是染色质组装的基本结构单位，提出染色质结构的“串珠”模型。三、核小体核小体是染色质的基本构成单位。第十一章细胞核与染色质铺展染色质的电镜观察，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:200bp片段为单位；X射线衍射等技术研究，发现核小体颗粒具有二分对称性（dyadsymmetry），核心组蛋白的构成是先形成含2个H3和2个H4的四聚体，然后再与两个H2A/H2B异二聚体结合形成八聚体，SV40微小染色体分析：病毒DNA和宿主组蛋白可以自主组装成核小体。（一）核小体的发现第十一章细胞核与染色质核小体的发现第十一章细胞核与染色质（二）核小体的结构约200bp的DNA组蛋白核心复合体一个H160bp的连接DNA第十一章细胞核与染色质四、染色质组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，而细胞核的直径只有5-10um。？Compactionratio=nearly10000-fold.压缩近一万倍平均长度5cm核直径5-10umNo第十一章细胞核与染色质（一）染色质组装的过程第十一章细胞核与染色质一级结构：核小体(nucleosome)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

（二）染色质组装的多级螺旋模型7×6×40×5=8400第十一章细胞核与染色质（三）染色质组装的放射环结构模型模型30nm的螺线管基本没有异议，但三级结构以上现在还没有定论，除超螺线管模型以外，有人提出染色体骨架-放射环模型；30nm的螺线管折叠成环，沿染色体纵轴，由中央向四周伸出，构成复制环，每18个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带，约106个微带沿纵轴构成染色单体。第十一章细胞核与染色质基因组结构和染色质组装一览图第十一章细胞核与染色质五、染色质类型常染色质异染色质间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态碱性染料染色时着色浅活跃转录的部位，并非所有基因都具有转录活性,只是基因转录的必要条件而非充分条件间期核内折叠压缩程度高,处于聚缩状态碱性染料染色时着色较深异染色质中的基因没有转录活性，并且可以抑制插入DNA片段的表达类型组蛋白与DNA的修饰：DNA甲基化第十一章细胞核与染色质组成型定位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段由相对简单、高度重复的DNA序列构成,如卫星DNA具有显著的遗传惰性,不转录也不编码蛋白质在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩占有较大部分核DNA功能：参与染色体高级结构的形成；导致染色质区间性；作为核DNA的转座元件引起遗传变异异染色质兼性异染色质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在胚胎细胞中较少，而在高度分化的细胞中较多，是关闭基因活性的一种途径第十一章细胞核与染色质活性染色质10%非活性染色质90%染色质具有DNaseⅠ超敏感位点一段长100-200bp的DNA序列特异暴露的染色质区域，为RNA聚合酶、转录因子或调控蛋白提供结合位点组蛋白乙酰化是活性染色质的标志很少有组蛋白H1与其结合组蛋白H2B很少被磷酸化组蛋白H2A很少发生变异组蛋白H3的变种H3.3只在活性染色质中出现HMG蛋白较丰富按功能状态分类第十一章细胞核与染色质第三节染色质的复制与表达

（自学）第十一章细胞核与染色质根据着丝粒位置进行的染色体分类图示一、中期染色体的形态结构第四节染色体第十一章细胞核与染色质（一）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，它与仿锤丝微管相接触。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第十一章细胞核与染色质荧光原位杂交显示着丝粒卫星DNA第十一章细胞核与染色质（二）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。（三）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。第十一章细胞核与染色质（五）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。（四）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。

第十一章细胞核与染色质荧光原位杂交显示端粒和端粒序列第十一章细胞核与染色质

二、染色体的功能元件自主复制序列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第十一章细胞核与染色质端粒序列和端粒酶第十一章细胞核与染色质核型(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。三、染色体带型低渗处理：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、分裂第十一章细胞核与染色质核型分析定义：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；依据：染色体形态和着丝粒位置的差别；意义：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。第十一章细胞核与染色质核型分析第十一章细胞核与染色质（一）多线染色体（polytenechromosome）发现于双翅目摇蚊幼虫的唾腺细胞的染色体;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，每条多线染色体由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，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、特殊染色体第十一章细胞核与染色质果蝇唾涎细胞中全套多线染色体第十一章细胞核与染色质多线染色体带和胀泡形成示意图第十一章细胞核与染色质（二）灯刷染色体（lamp-brushchromosome）发现于鱼类、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期;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;同时两条染色单体向两边伸出许多侧环，一个平均大小的环约含100bpDNA，两栖类一套灯刷染色体大约有一万个侧环;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，一个侧环是一个转录单位或几个转录单位的组合，侧环的粗细与转录状态有关。第十一章细胞核与染色质Lampbrushchromosome(两栖类卵母细胞中)光镜免疫组化第十一章细胞核与染色质灯刷染色体结构模型第十一章细胞核与染色质见于细胞核内的圆球状结构