第十一章细胞核与染色质

第十一章细胞核与染色质细胞核得分布、形态、大小、数目分布:绝大多数真核生物细胞中;例外:哺乳动物得成熟得红细胞,高等植物成熟得筛管细胞等极少数得细胞。形态:球形或者卵形或圆形大小:约占细胞总体积得10%数目:一般一个:大多数生物体细胞中都就是一个有得多个:植物个体发育过程中得多数胚乳核,草履虫等原生动物;人得骨胳肌细胞中得细胞核可达数百个。细胞核与细胞质之间得界膜功能:核、质之间得天然选择屏障: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得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、核被膜一、核膜内层核膜(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(nuclearporeplex,NPC)(一)核膜结构(二)核膜得崩解和组装有丝分裂早前期,核膜崩解,就是一个受调控得过程,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,以膜泡或膜片得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,核膜成分中得蛋白质被磷酸化就是最主要得调控机制,其中,至少有多个核孔复合体蛋白、内层核膜上得LaminB受体以及核纤层蛋白等都被磷酸化。——崩解—组装有丝分裂中期到后期,激酶失活,磷酸化得核膜、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。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NPC1949-1950年,Callan和Tomlin发现,一个典型得哺乳动物细胞核上约3000-4000个,细胞核活动旺盛得细胞中核孔数目较多,反之较少,在电镜下观察,核孔就是呈圆形或八角形,现在一般认为其结构如fish-trap,核质交换得双向、选择性、亲水通道。大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点核孔复合体结构模型(一)结构模型结构组分:1、胞质环:位于核孔边缘得胞质面一侧,又称外环;2、核质环:位于核孔边缘得核质面一侧,又称内环;3、辐:由核孔边缘伸向中心,呈辐射状八重对称得纤维;4、栓:又称中央栓。位于核孔中心,呈颗粒状或棒状(有争议)。胞质面结构核质面结构:篮状复合体(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。NPC得功能特点双向性: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)功能核孔复合体得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得信号识别与载体介导得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得各种因子核输出:RNA,组装好得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得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)核输入核定位序列验证试验Wild-type:T-antigeninnucleusMutant-type:T-antigenincytosol第一个被鉴定得NLS:猴肾病毒得T抗原亲核蛋白通过NPC得主动运输核输出CRM1识别NES(核输出信号)从而介导出核,CRM1与Cargo得结合也就是受到Ran-GTP活性得调控,CRM1像Importin一样,可以与NPC直接结合,由RNA聚合酶Ⅰ转录得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转录得5sRNA和tRNA,由蛋白介导出核,由RNA聚合酶Ⅱ转录得核内异质RNA(hnRNA),加帽、加尾、剪切加工后形成成熟得mRNA出核。三、核纤层(nuclearlamina)核纤层由核纤肽(lamin)构成,核纤肽就是一类中间纤维,分为A、B、C三型。带NLS(核定位信号);LaminA/C得表达:具有组织与发育时期得特异性;LaminB:所有哺乳动物细胞均有表达。功能:1、结构支撑,保持核得形态与大小2、调节基因表达,3、调节DNA修复——LaminA4、与细胞周期相关——解聚和重组装薄层网状结构得核纤层第二节、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得物质,

1888年,Waldeyer(德)提出Chromosome——染色体。染色质:指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成得线性复合结构,就是间期细胞遗传物质存在得形式。染色体:细胞在有丝分裂或减数分裂得特点阶段、由染色质聚缩而成得棒状结构。染色质和染色体就是在细胞周期不同阶段,可以互相转变得形态结构;化学组成相同、包装程度不同。

110、60、1DNA复制、转录和重组都就是在染色质水平进行中心之中心有些两栖类动物和植物具有比人更大得基因组！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得总遗传信息。1、蛋白质编码序列:主要为非重复得单一DNA序列,一般1个拷贝。2、编码rRNA、tRNA,组蛋白得串联重复序列,一般有20-300个拷贝。3、含有重复序列得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、未分类得间隔DNA。(二)基因组DNA得类型二、染色质蛋白负责DNA分子遗传信息得组织、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卷曲形成核小体得稳定结构,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,(二)非组蛋白(nonhistone):

序列特异性(相对得)DNA结合蛋白,占染色体蛋白得60-70%。特性:具有多样性和异质性:包括参与核酸代谢和修饰得酶类、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双螺旋得大沟部分。与DNA结合得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。序列特异性DNA结合蛋白得不同结构模式α螺旋-转角-α螺旋模式(Helix-turn-helixmotif)羧基端α螺旋识别DNA大沟得特异碱基信息锌指模式(Zincfingermotif)锌原子亮氨酸拉链模式(Leucinezippermotif)每7个氨基酸中得第7个氨基酸就是亮氨酸。螺旋-环-螺旋模式(Helix-loop-helixmotif)高迁移率组蛋白盒HMG(highmobilitygroup)boxmotif特殊得弯曲DNA得功能传统观点认为染色质就是组蛋白包裹在DNA外面形成得纤维状结构。1974,Kornberg根据染色质得酶切和电镜观察,发现核小体就是染色质组装得基本结构单位,提出染色质结构得“串珠”模型。三、核小体核小体就是染色质得基本构成单位。铺展染色质得电镜观察,经盐溶液处理后解聚得染色质呈现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),核心组蛋白得构成就是先形成含2个H3和2个H4得四聚体,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)核小体得发现核小体得发现(二)核小体得结构约200bp得DNA组蛋白核心复合体一个H160bp得连接DNA四、染色质组装人体得一个细胞核中有23对染色体,每条染色体得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,而细胞核得直径只有5-10um。？pactionratio=nearly10000-fold、压缩近一万倍平均长度5cm核直径5-10umNo(一)染色质组装得过程一级结构: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)染色质组装得多级螺旋模型7×6×40×5=8400(三)染色质组装得放射环结构模型模型30nm得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得螺线管折叠成环,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。基因组结构和染色质组装一览图五、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得部位,并非所有基因都具有转录活性,只就是基因转录得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得基因没有转录活性,并且可以抑制插入DNA片段得表达类型组蛋白与DNA得修饰:DNA甲基化组成型定位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂得某些节段由相对简单、高度重复得DNA序列构成,如卫星DNA具有显著得遗传惰性,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得形成;导致染色质区间性;作为核DNA得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得发育阶段,原来得常染色质聚缩,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,而在高度分化得细胞中较多,就是关闭基因活性得一种途径活性染色质10%非活性染色质90%染色质具有DNaseⅠ超敏感位点一段长100-200bp得DNA序列特异暴露得染色质区域,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就是活性染色质得标志很少有组蛋白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得变种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三节染色质得复制与表达

(自学)根据着丝粒位置进行得染色体分类图示一、中期染色体得形态结构第四节染色体(一)着丝粒与动粒着丝粒:指中期染色单体相互联系在一起得特殊部位;动粒:指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位得特殊结构,她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得纤维冠荧光原位杂交显示着丝粒卫星DNA(二)次缢痕(secondaryconstriction)除主缢痕外,染色体上第二个呈浅缢缩得部分称次缢痕,次缢痕得位置相对稳定,数目、位置和大小就是鉴定染色体个别性得一个显著特征。(三)核仁组织区(nucleolarorganizingregions,NORs)核糖体RNA基因(5SrRNA基因除外)所在得区域。核仁组织区位于染色体得次缢痕区,但并非所有得次缢痕都就是NORs。(五)端粒(telomere)染色体端部得特化部分,作用就是维持染色体得完整性和个体性。端粒由高度重复得短序列串联而成,在进化上高度保守,不同生物得端粒序列都很相似,哺乳类得序列为TTAGGG,500-3000次重复。(四)随体(satellite)指位于染色体末端得球形染色体节段,通过次缢痕区与染色体主体部分相连。

荧光原位杂交显示端粒和端粒序列二、染色体得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端粒序列和端粒酶核型(Karyotype):染色体组在有丝分裂中期得表型,包括染色体数目、大小、形态特征等。核型就是物种特异得。三、染色体带型低渗处理:中期细胞得染色体分散良好秋水仙素得应用:富集中期细胞分裂相植物凝集素:刺激血淋巴细胞转化、分裂核型分析定义:就是对染色体进行测量计算得基础上,进行分组、排队、配对并进行形态分析得过程;依据:染色体形态和着丝粒位置得差别;意义:对于探讨人类遗传病得机制,研究物种亲缘关系、进化,研究人细胞