细胞生物学第五章-细胞核

第五章细胞核THECELLNUCLEUS1781年Trontana发现于鱼类细胞；1831年，Brown发现于植物。大小：植物1~4μm，动物10μm。常以核质比来估算核的大小。正常细胞NP≈0.5，分裂期细胞NP>0.5，衰老细胞NP<0.5。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)。结构（p308）：①核被膜、②核仁、③核基质、④染色质、⑤核纤层。功能：①遗传、②发育。Nucleus

structure第一节核被膜

Nuclearenvelope一、核被膜是双层膜结构构成：①内核膜（innernuclearmembrane）②外核膜（outernuclearmembrane）③核周隙（perinuclearspace）外核膜：内质网的一部分，胞质面附有核糖体。核周隙：宽20~40nm，与内质网腔相通。核纤层：位于内核膜的内表面的纤维网络，可支持核膜，并与染色质及核骨架相连。Thenuclearenvelope核纤层由核纤肽（lamin）构成，核纤肽一类中间纤维，分为A、B两型（p309）。作用：1．保持核的形态：2．参与染色质和核的组装：核纤层在细胞分裂时呈现出周期性的变化，在间期核中，核纤层提供了染色质（异染色质）在核周边锚定的位点。在前期结束时，核纤层被磷酸化，核膜解体。其中B型核纤肽与核膜残余小泡结合，A型溶于胞质中。在分裂末期，核纤肽去磷酸化重新组装，介导了核膜的重建。LaminsCytoplasmicface

cytoplasmicparticles二、核孔是物质运输的通道

核孔由至少50种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，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。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（p76）。

Nuclearface

basketinnercomplexTheNuclearPore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。第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，序列为：pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val。NLS对连接的蛋白质无特殊要求，完成输入后不被切除。核输出信号（nuclearexportsignal,NES），引导RNP输出细胞核，受体为exportin。Ran蛋白，一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。三、通过核孔的物质运输与信号序列有关ProcessofNuclearImportColloidalgoldlabeledNucleoplasminweretransportedintonucleus.Mitochondrion第二节、染色质与染色体1848年，Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞。1888年，Waldeyer提出Chromosome。1879年，W.Flemming提出Chromatin。一、染色质的化学组成组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA比例：1:1:(1-1.5):0.05。（一）DNA3种序列：①单一序列；②中度重复序列（101~5）；③高度重复序列（>105）。3种构像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。3种基本元素：①自主复制序列(ARS)，是DNA复制的起点。②着丝粒序列(CEN)，含α卫星DNA。③端粒序列(TEL)。酵母人工染色体(YAC)：含上述3种成分，用于转基因。Three

DNA

conformationsThreekeyregionsofachromosome带正电荷，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：高度保守，尤其是H4。核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量Arg和Lys，为组蛋白转译后进行修饰的部位。H1多样性，具有属(genus)和组织特异性。（二）组蛋白序列特异性DNA结合蛋白。特性：含有较多天冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质。整个细胞周期都进行合成，组蛋白只在S期合成。能识别特异的DNA序列，识别与结合籍氢键和离子键。功能：帮助DNA折叠；协助DNA复制；调节基因表达。（三）非组蛋白二、染色质的类型：异染色质和常染色质间期核中染色质可分为异染色质（heterochromatin）和常染色质（enchromatin）。异染色质的特点：①在间期核中处于凝缩状态，无转录活性、是遗传惰性区。②在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩（异固缩现象）。③分为两类：结构（恒定）异染色质（constitutiveheterochromatin）、兼性（功能）异染色质（facultativeheterochromatin）巴氏小体（barrbody）。雌性哺乳动物细胞中一条异固缩化的X染色体。人的胚胎发育到16天以后，出现巴氏小体。barrbody三、染色质的结构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。nucleosomes(10nm)condensedform(30nm)二、从DNA到染色体核小体（nucleosome）：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，通过酶消化实验建立。①每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1；②由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；③DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；④相邻核心颗粒之间为一段0--60bp不等的连接线DNA。通过核小体，DNA长度压缩7倍，形成11nm的纤维。但是在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，这种纤维的形成有两种解释：①由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，长度压缩6倍；②由核小体纤维Z字形折叠而成，长度压缩40倍。对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域。solenoidChromatinPackingChromatinPacking四、染色体一、染色体相关的术语随体次缢痕主缢痕端粒长臂短臂中期染色体的形态结构

着丝粒（centromere）和着丝点（kinetochore）是两个不同的概念，前者指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位，后者指主缢痕处两个染色单体外侧与纺锤体微管连接的部位。着丝粒包含3个结构域1、动粒结构域（kinetochoredomain）位于着丝粒的表面，包括三层板状结构和围绕外层的纤维冠(fibrouscorona)。着丝粒的结构2、中央结构域位于着丝粒结构域的下方。其中含有高度重复的卫星DNA。3、配对结构域位于着丝粒结构的内层，中期两条染色单体在此处相互连结。OPinterzone

IP核仁组织区（nucleolar

orgnizingregionsNORs）构成核仁，位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。核仁组织区(NOR)是细胞核特定染色体的次缢痕处，含有rRNA基因的一段染色体区域，与核仁的形成有关，故称为核仁组织区。具有核仁组织区的染色体数目依不同细胞种类而异，人有5对染色体即13、14、15、21、22号染色体上有核仁组织区。Howanucleolusisorganized端粒（telomere）：由高度重复的短序列组成，高度保守。作用：维持染色体的稳定性。起细胞分裂计时器的作用。端粒核苷酸复制和基因DNA不同，每复制一次减少50~100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶来完成，正常体细胞缺乏此酶，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。性细胞染色体为单倍体（haploid），用n表示;体细胞为2倍体（diploid）以2n表示，还有一些物种的染色体成倍增加成为4n、6n、8n等，称为多倍体。染色体的数目因物种而异，如人类2n=46，黑猩猩2n=48，果蝇2n=8，家蚕2n=56，小麦2n=42，水稻2n=24，洋葱2n=16.（二）染色体的数目

核型(karyotype)核型是指染色体组在有丝分裂中期的表型,是染色体数目、大小、形态特征的总和。在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叫核型分析(图)。人的染色体核型

（三）核型与带型染色体分带用特殊的染色方法,使染色体产生明显的色带(暗带)和未染色的明带相间的带型(bandingpatterns),形成不同的染色体个性(图),

以此作为鉴别单个染色体和染色体组的一种手段。常用的分带技术有以下几种:Q带、G带、C带、N带、R-带、T-带。人的染色体带型

第三节核基质

nucleoskeleton核基质（nuclearmatrix）或称核骨架，为真核细胞核内的网络结构，是指除核被膜、染色质、核纤层及核仁以外的核内网架体系。1974年RonaldBerezney和DonaldCoffey首次用核酸酶和去垢剂处理细胞核,除去了95%的核物质后,剩下的水不溶的纤维网络(图),

将这种结构称为核基质,

又称为核骨架。1

核基质的化学组成核基质主要是由肌动蛋白和其他一些目前还不太了解的蛋白质组成。在前面讨论DNA由30nm染色质纤维包装成超螺线管时,染色质要在蛋白质骨架上形成放射环结构,后来发现这种蛋白质骨架中有拓扑异构酶,推测该酶也是核基质的组成成分。另外,核基质也包括核纤层,所以核纤层蛋白也是核基质的成分。核基质(a)在有去垢剂和2M盐存在下分离的细胞核电镜照片,只剩下由DNA环包围的核基质。箭头所指是DNA环的最外限。(b)小鼠成纤维细胞的核基质,首先用去垢剂、高盐提取,然后用核酸酶和低盐处理除去染色质镶嵌DNA。可见由残存的纤维状基质构成的细胞核(N),和细胞骨架基质构成的细胞质(C)区。

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核基质的功能■染色体骨架(scaffold)

如何证明染色体骨架的存在?

●分离有丝分裂前的染色体,接着用试剂溶解组蛋白和大多数主要的非组蛋白,然后在电子显微镜下观察可见一完整的染色体结构框架(framework)或支架(scaffold)既是染色体骨架(图)。图染色体支架(a)用除去了大多数组蛋白和非组蛋白后剩下的染色体支架。(b)推测DNA与核基质包装成染色体的模式。在有丝分裂前,核基质蛋白形成一个支架轴,染色质沿轴形成放射环。■核纤层蛋白的骨架作用核纤层蛋白位于内核膜的下方,它不仅是核膜下的骨架,对于维持细胞核的形态和核重建具有重要作用,同时也为染色质提供锚定位点(图)。■DNA复制时的染色质附着位点由于核纤层为染色质提供了锚定位点,所以,在一段时期内,一直认为真核生物的DNA复制也同细菌DNA复制一样,与核被膜结合在一起。但是通过3H标记的实验表明,新合成的放射性DNA并不与核被膜相连。通过核分布研究表明,新合成的DNA是与核基质结合在一起的。这一结果提示,DNA是通过固定在核骨架上的位点进行复制的(图),

后来的荧光显微镜实验也证明了这一点。核纤层蛋白及核纤层蛋白网络真核生物DNA通过在核骨架上的固定位点进行双向复制模型核基质与染色体的构建有关第四节核仁核仁（nucleolus）见于间期的细胞核内，呈圆球形，一般1~2个，有时多达3~5个。主要功能是转录rRNA和组装核糖体单位。一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很小或缺如。核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。一、核仁的组成①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。②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RNP，转录主要发生在FC与DFC的交界处。③颗粒组分(granularcomponent，GC)：由直径15-20nm的颗粒构成，是不同加工阶段的RNP。N