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1、第七章 细胞核与染色体,生命学院 李绍军,细胞生物学课件,细胞核,几m 组成： 核被膜 染色质 核仁 核骨架,核被膜,第一节 核被膜与核孔复合体,核被膜的结构组成,内外两层平行单位膜组成。每层厚约7.5nm。 结构 外核膜：面向胞质，表面有核糖体，常与粗面内质网相连。 内核膜：面向核质，有特异蛋白。核纤层紧贴其内表面。 核周隙：内外膜之间，宽2040nm，连通内质网腔。 核孔区：内外核膜的融合处。,核被膜在细胞周期中的崩解与装配,核被膜在细胞周期中发生有序的去装配与重装配：分裂期双层膜崩解为单层膜泡，核孔复合体解体，核纤层去装配；分裂末期，核被膜围绕染色体重新形成,核被膜在细胞周期中的崩解与装
2、配,重组的新核膜来自旧核膜 实验证据：将变形虫培养在含有3H-胆碱的培养基中，使核被膜被标记 核移植至去核变形虫中，追踪观察一个细胞周期，发现子代细胞有放射性标记 上述单层膜泡已发现两种 含LBR（核纤层蛋白B受体） 含gp210（核孔复合体特有的跨膜糖蛋白） 说明核被膜的重组不是随机的，而是具有区域特异性,核被膜的功能,保护作用 基因表达的时空隔离 运输作用,核纤层,分布于内核膜与染色质之间紧贴内核膜的一层蛋白网络结构。由一层特殊的中间纤维呈正交网络组成，切面观呈片层结构，整体观呈球形结构。核纤层组成：lamin是中间纤维蛋白家族V型。支架，核被膜解体与重建 一般认为，核纤层为核膜及染色质提
3、供结构支架，维持核孔的位置和核被膜的形状，并介导核膜与染色质之间的相互作用。 核纤层是一种高度动态的结构。 核纤层在细胞的有丝分裂中和核被膜的崩解与重组密切相关。,二、核孔复合体（NPC）的结构模型,所有真核细胞的间期细胞核普遍存在。 120150nm 模型：鱼笼模型（其它纤丝模型、滴漏模型、圆柱模型）,金属投影的NPC扫描电镜照片 上：胞质侧 中：核质侧 下：核质侧示核纤层与NPC的分布,NPC结构模型,相对NPC轴心为八重对称，相对于核膜平面不对称 胞质环（外环）：8条短纤维对称分布伸向胞质 核质环（核篮） 辐：分为柱状亚单位、腔内亚单位和环带亚单位 栓（中央颗粒） 新发现：核篮侧伸出8条
4、纤维，周期性分布8个颗粒组成的环状结构，并相互交叉成网络,NPC成分的研究,主要由蛋白质组成，统称核孔蛋白 gP210：N-连接糖蛋白，位于孔膜区，锚定NPC，并与NPC的组装、运输功能有关 P62：O-连接糖蛋白，N端参与核质交换； C端稳定NPC 转运受体 Ran：一种GTP结合蛋白 从酵母到人核孔蛋白有很强的同源性，NPC的整个结构在进化上是高度保守的。,NPC的功能核质物质交换的双向选择性亲水通道,通过NPC的被动扩散 NPC是一圆形亲水通道，功能直径为9nm，有的可达12.5nm，长约15nm。10nm以下的物质能自由通过 通过NPC的主动运输 具高度选择性 双向运输 亲核物质的核输
5、入 RNA及核糖体亚单位的核输出,NPC的选择性,对运输颗粒大小的限制 主动运输的功能直径比被动运输大，约1020nm，甚至可达26nm，其有效直径的大小是可调节的。 通过NPC的主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需ATP，并表现饱和动力学特征。 通过NPC的主动运输具有双向性。,亲核蛋白质的核输入,亲核蛋白质指在细胞质内合成，然后输入到核内发挥功能作用的一类蛋白。,亲核蛋白质的核输入,核定位信号（NLS） 第一个被确定NLS序列的蛋白质是SV40的T抗原。其野生型氨基酸序列为Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val。 典型的NLS是一个短肽，由4个氨基酸残基组成，富含带正
6、电荷的Lys和Arg，通常还有Pro。 不同的NLS尚未发现共同的特征序列。 NLS序列可定位在亲核蛋白的不同部位，完成核输入后不被切除。,爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验,亲核蛋白核输入示意,载体（NBPS）,分布于细胞质、细胞核或核被膜上，具此推测NBPS可能有三种作用方式： 本身是NPC的一个组分，与亲核蛋白结合并被直接转运到核内； 作为一种停泊受体，在胞质内与NLS结合，然后把亲核蛋白运送到NPC进行转运； 作为一种穿梭受体，在胞质内与亲核蛋白结合，一起穿过核孔，在核内解离，然后NBP再经核孔返回胞质。,RNA及核糖体亚单位的核输出,载体介导的主动运输 需分子伴侣参与 存在核输出信号（NE
7、S） rRNA，以RNP形式输出（RNApolymerase I） 5S rRNA、 tRNA由蛋白质介导转运（RNApolymerase III） hnRNA加工后，以成熟的mRNA形式出核（RNApolymerase II）,第二节 染色质,一、染色质的概念及化学组成,指间期细胞内由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。 按形态表现和染色性能分为常染色质和异染色质。 按功能状态分为活性染色质和非活性染色质。,染色质的类型,常染色质：在间期时处于分散状态的染色质，染色浅。主要为单一序列DNA和中度重复序列DNA。大部分有转录活性。 异染色质：在
8、细胞间期及早前期时仍然以凝集状态存在的染色质。染色深。 结构异染色质：无转录活性。多位于着丝粒区域、端粒和次溢痕，多为卫星DNA。有“位置效应”。 兼性异染色质：常染色质凝缩，丧失转录活性。在一定的发育阶段或某种特殊类型细胞出现。 兼性异染色质有时可转化常染色质。 常染色质异染色质,巴氏小体,染色质DNA,基因组：携带有细胞或生物机体的一整套遗传指令的核酸量。 染色质DNA一级结构的多样性 单一序列：只有一个拷贝，具有基因功能 中度重复序列：平均重复频率10105之间。 不编码序列：可能起调控作用。 有编码功能的基因 高度重复序列：重复频率在105以上。不转录。 卫星DNA：富含AT的高度重复
9、序列。,染色质DNA,DNA二级结构的多形性 B型DNA（经典的右手螺旋） A型DNA（右手螺旋） Z型DNA（左手螺旋） 三种构型可能处于动态转变之中，提供某种空间的信号,染色质蛋白质,组蛋白 真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸。分五种：H1、 H2A、 H2B、 H3和H4。 H1在构成核小体时起连接作用，有一定种属和组织特异性。组蛋白H3和H4在进化上非常保守。 非组蛋白 富含天冬氨酸、谷氨酸等酸性氨基酸。可能包括各种酶和调节因子、分子伴侣及结构蛋白。,组蛋白与非组蛋白性质的异同（化学的）,组蛋白 带正电荷 富有精氨酸、赖氨酸，为碱性蛋白质 不含色氨酸
10、 周转速度慢 用电泳可分为5个主要带 能进行磷酸化作用 在细胞质中合成 大都只能在S期合成,非组蛋白蛋白质 带负电荷 富有天冬氨酸、谷氨酸，为酸性蛋白质 含有色氨酸 周转速度快 电泳图谱复杂可多至22个带 能进行磷酸化作用 在细胞质中合成 整个细胞周期都能合成,组蛋白与非组蛋白性质的异同（功能的）,组蛋白 活动的与不活动的组织中含量相似 活动的与不活动的染色质中含量相似 抑制依赖DNA的RNA合成 DNA合成的抑制物能制止它的合成 与DNA的连接无特异性 无种和组织的特异性,非组蛋白蛋白质 活动的比不活动的组织含量更多 活动的比不活动的染色质中含量更多 解除被组蛋白抑制的依赖DNA的RNA合成
11、 DNA合成的抑制物不能制止它的合成 与DNA的连接有特异性即与特定基因连结在一起 有种和组织的特异性,序列特异性DNA结合 蛋白的不同结构模式,螺旋-转角-螺旋 锌指（Cys2/His2或Cys2/Cys2） Leu拉链 螺旋-环-螺旋 HMG蛋白,HMG蛋白,含特征的HMG结构域的蛋白质（由HMG box 转录） 与DNA弯折和DNA-蛋白质复合体高级结构的形成有关 分两个亚簇 广泛存在，含多个HMG结构域，无DNA识别特异性 特定细胞中存在，仅含1个HMG结构域，具DNA识别特异性，位于DNA双螺旋的小沟，以40倍的优势选择富含嘧啶的核苷酸元件。例：RNA聚合酶I系统的转录因子UBF的D
12、NA结合单元,二、核小体,核小体,主要实验证据 结构要点 每个核小体单位包括200bp左右的DNA和一个组蛋白八聚体及1分子组蛋白H1 组蛋白八聚体构成核小体的核心结构，100KD，由H2A、H2B、H3和H4各两个分子所组成 DNA分子以左手方向盘绕八聚体两圈，每圈83bp，共166bp。 一个分子的组蛋白H1与DNA结合，锁住核小体DNA的进出口，稳定了核小体的结构 两相邻核小体之间以连接DNA相连，长度为080bp不等,Histone code,可能与异染色质形成； 基因转录活性有关,三、染色质包装的结构模型,染色质包装的结构模型,染色质包装的多级螺旋模型 一级结构：核小体 直径约10n
13、m（7:1） 二级结构：螺线管结构，直径30nm，内径10nm，螺距11nm，中空。（6；约40:1） 三级结构：超螺线管，直径0.4um，圆筒状结构 四级结构：染色单体（10000:1） 染色体的骨架-放射环模型 主要特点是认为DNA要结合在蛋白质骨架上,螺线管结构的两种模型,染色体包装的不同组织水平,第3节 染色质结构与基因活化,活性染色质 基因活化 疏松染色质结构的形成 区间性（基因座控制区、隔离子） 模板转录,染色质结构和基因转录,按功能状态的不同将染色质分为活性染色质和非活性染色质 当前研究染色质结构的改变与基因活化的关系主要集中在 如何形成超敏感位点（起始转录的必要特征） 染色质活
14、性结构域与非活性结构域的结合模式 RNA聚合酶如何通过与组蛋白结合的DNA模板进行转录,活性染色质的主要特征,活性染色质具有DNAaseI超敏感位点 活性染色质在生化上具有特殊性,活性染色质具有DNAaseI超敏感位点,DNAaseI超敏感位点 用很低浓度的DNAaseI处理染色质，切割优先发生的特异性位点 为100200bp的DNA序列特异暴露的染色质区域，位于启动子附近 该位点的存在是活性染色质的基本特征,活性染色质在生化上具有特殊性,与组蛋白的结合 与组蛋白H1较少结合 结合的组蛋白乙酰化程度高 H2B磷酸化程度低 H2A在许多物种有变异形式存在 H4N端有特殊的氨基酸残基，可与基因特异
15、的激活因子相互作用 与非组蛋白的关系 结合有特异的HMG14、HMG17,染色质结构与基因转录,疏松染色质结构的形成（蛋白质与DNA的相互作用） DNA局部结构的改变与核小体相位的关系 基因调控蛋白的结合影响DNA高级结构、核小体相位以及DNA与核小体相互作用模式的改变 组蛋白的修饰 HMG结构域蛋白的影响,染色质结构与基因转录,染色质的区间性 基因座控制区 DNA上一种顺式作用元件，其结构域中含有多种反式作用因子的结合序列，使启动子处于无组蛋白状态，稳定染色质疏松结构 是很强的增强子，可通过特异结合因子的导向结合在相关基因的启动子上 隔离子 位于活化状态的染色质结构域与阻抑状态的染色质结构域
16、之间，防止二者向两侧扩展的DNA序列,染色质结构与基因转录,染色质模板的转录 基因转录的模板是染色质而不是裸露DNA 大多数转录基因仍保持核小体 转录起始伴随着染色质上的基因调节序列内部或者周围的结构改变,启动子序列与转录的关系,第4节 染色体,染色体分类,一、中期染色体的形态结构,主溢痕 着丝粒：在主溢痕的染色质部位，中期前两条染色单体靠着丝粒相连 动粒(着丝点)：着丝粒的两侧各有一蛋白质构成的三层的盘状或球状结构。动粒蛋白是极为保守的 着丝粒-动粒复合体模型 包括三种不同的结构域：着丝点结构域（动粒）、中央结构域、配对结构域,着丝粒的结构域组织,中期染色体的形态结构,次溢痕：每种生物染色体组中至少有一条或一对染色体上有次溢痕。可作为鉴定标志 核仁组织区（NOR）：次缢痕位置 随体：通过次缢痕与染色体主体相连 端粒 染色体端部特化结构，富含GC的正向重复NDA序列，能维持染色体的稳定。在进化上有高度保守性。 起细胞分裂计时器的作用。,端粒的复制(端粒酶及其作用）,端粒酶是一个蛋白
