医学细胞生物学课件 细胞核-2014-

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1、细胞核概述,真核细胞中最大、最重要的细胞器 功能：1.遗传物质贮存、复制和转录的场所 2.细胞生命活动的控制中心 真核生物和原核生物的最大区别 核进化意义：核物质区域化 1.保护核内DNA免受损伤，保证遗传的稳定性 2.使遗传信息的转录和翻译在时空上分离,数量：单核（多数细胞）双核（肝、肾、软骨细胞）多核（破骨细胞、骨骼肌细胞等） 无核（成熟红细胞） 大小：高等动物细胞核直径通常在 510m生长旺盛的细胞：核较大，如卵、肿瘤细胞分化成熟的细胞：核较小常用核质比来表示细胞核的相对大小,细胞核的数量、大小与形态,形态： 间期才可以观察到细胞核的完整结构； 多样，多为圆形或椭圆形； 与细胞的形状、类

2、型、发育时期等有关。, 核膜 染色质 核仁 核基质,间期核的结构主要由4部分构成,第一节 核 膜,核膜(nuclear membrane)又称核被膜(nuclear envelope) 一、核膜的化学组成 二、核膜的结构 三、核膜的功能,一、核膜的化学组成,主要为蛋白质（65%75%）和 脂类，可能还有少量DNA和RNA 所含的酶类和脂类都与ER相似，但含量有差异,二、核膜的结构*,电镜下，核膜是由内核膜、外核膜、核周间隙、核孔复合体和核纤层等结构组成。,（一）外核膜(outer membrane) 与糙面内质网膜相连续 外表面有核糖体附着 外表面附着有细胞骨架成分，起着固定细胞核并维持细胞核

3、形态的作用。,（二）内核膜(inner membrane) 表面无核糖体附着 核质面附着有核纤层，对核膜其支持作用,（三）核周间隙(perinuclear cisternae) 内外两层核膜之间的腔隙 与内质网腔相连，内含多种蛋白质和酶,（四）核孔复合体 核孔：内外核膜融合之处形成的环状开口 数量：30004000个/哺乳类细胞 蛋白质合成旺盛的细胞，核孔数目较多,电镜下，核孔是由多种蛋白质以特定方式排列而成的复合结构，称为核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）。,NPC由四种组分构成： 胞质环 核质环 辐 柱状亚单位 环状亚单位 腔内亚单位 中央栓,核孔复合体的结构*

4、： 捕鱼笼式(fish-trap)结构模型被普遍接受,核孔复合体模式图,侧面观,核孔复合体的化学组成：主要由蛋白质组成 核孔蛋白（nucleoporin，Nup）的特点 进化上高度保守 多含有一簇FG重复序列 F：苯丙氨酸 G：甘氨酸,（五）核纤层(nuclear lamina) 概念*：核纤层是位于内核膜内侧与染色质之间的一层由高电子密度纤维蛋白质组成的网络片层结构。 只存在于间期核中，分裂期解体,核纤层的化学成分： 核纤层蛋白（属于中间纤维蛋白） 哺乳类细胞的核纤层蛋白（lamin）有3类 lamin A lamin C Lamin B,核纤层的功能* 1.核纤层在细胞核中起支架作用,2.

5、核纤层与核膜的崩解和重建密切相关,lamin A、C分散到胞质中 lamin B与核膜小泡结合,3.核纤层与染色质凝集成染色体相关 分裂间期，染色质与核纤层结合紧密，不能螺旋化成染色体； 分裂前期，核纤层解聚，染色质与核纤层的结合丧失，染色质凝集成染色体。,4.核纤层参与DNA的复制,利用爪蟾卵母细胞核重建体系的研究发现，重建的缺乏核纤层的细胞核不能进行DNA的复制，提示核纤层参与了DNA复制。,三、核膜的功能*,核膜为基因表达提供了时 空隔离屏障 使DNA复制、RNA转录与蛋白质翻译在时空上分离，建立了遗传物质稳定的活动环境； 保证了RNA转录后先进行加工、修饰，才能输入细胞质中，进而指导蛋

6、白质的合成，使遗传信息的表达调控过程更加精确、高效。,2.核膜参与蛋白质的合成,3.核孔复合体控制着核-质间的物质交换 核孔复合体是介导核-质间物质交换的双向亲水通道 具有两种运输方式 被动运输 主动运输,通过核孔复合体的被动运输 静止状态下，核孔中央有直径910nm的亲水通道，水、无机离子、小分子及直径小于10nm的物质原则上可自由通过。,通过核孔复合体的主动运输 绝大多数生物大分子的核-质分配需要借助核孔复合体的主动运输方式来实现。 具有高度选择性，表现在以下三方面 核孔复合体的孔径可调，主动运输的功能直径比被动运输大，为1020nm，可调节达26nm。,核孔复合体的主动运输是信号识别与载

7、体介导的过程，需消耗能量。 具有双向性，兼有核输入与核输出两种功能 核输入：DNA复制与RNA转录所需的各种酶、 组蛋白、核糖体蛋白等 核输出：mRNA、tRNA、核糖体大小亚基等,1.亲核蛋白的核输入 亲核蛋白*（karyophilic protein）：指在细胞质中游离核糖体上合成、经核孔转运入细胞核发挥作用的蛋白质。,游离核糖体,亲核蛋白一般都有一段特殊的氨基酸信号序列，起着定向和定位的作用，保证蛋白质通过核孔复合体向核内输入，这一特殊的信号序列称为核定位序列* (nuclear localization sequence, NLS)。 NLS特点： 含48个氨基酸的短肽序列 不同亲核蛋

8、白上的NLS不同，但都富含碱性氨基酸（Lys、Arg），通常还有脯氨酸 NLS可以位于亲核蛋白的任何部位，并且在指导亲核蛋白完成核输入以后不被切除。,-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-,具有正常NLS的T-抗原聚集于细胞核内,NLS发生突变的T-抗原分布于胞质中,病毒SV40的T-抗原在宿主细胞中的分布,亲核蛋白入核转运的条件 核定位序列（NLS） NLS受体（核输入蛋白） 核输入受体 核输入受体 Ran：一种GTP结合蛋白,亲核蛋白的核输入过程,2. RNA及核糖体亚基的核输出,第二节 染色质与染色体,染色质（chromatin）：是间期细胞遗传物质的存在形式

9、，是由DNA、组蛋白，非组蛋白及少量RNA组成的细丝状复合结构。 染色体（chromosome）：是指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，染色质经复制后反复缠绕凝聚而成的条状或棒状结构。 染色质和染色体是遗传物质在细胞周期不同时相的不同表现形态。,细丝状，弥散分布于核内 有利于遗传信息的复制和表达,间期染色质,中期染色体,条状或棒状结构 有利于遗传物质的平均分配,从裂解的核中溢出的染色质,中期染色体,染色质和染色体的组成成分*： DNA 组蛋白 非组蛋白 RNA,少量，含量随细胞生理状态的不同而变化,染色质的稳定成分，占染色质总量的98%，二者比例约1：1,一、染色质与染色体的组成成分,1. DN

10、A序列的类型 真核细胞DNA序列分为3类 单一序列（单拷贝序列） 在基因组中一般只有单一拷贝或少数几个拷贝 绝大多数编码蛋白质（酶）的结构基因均属于单一序列,(一)DNA遗传信息的载体,中度重复序列： 重复次数在10105之间，序列长度从几百到几千个bp不等 多数是不编码序列，构成基因内或基因间的间隔序列，在基因表达调控中起重要作用。 少数是有编码功能的基因，如rRNA基因、tRNA基因、组蛋白基因、核糖体蛋白的基因等。,高度重复序列： 重复次数超过105，分布在染色体的着丝粒区和端粒区，长度一般为几个至几十个bp。 高度重复序列有些散在分布，另一些则串联重复，均不能转录 主要是构成结构基因的

11、间隔，维系染色体结构，还可能与减数分裂过程中同源染色体联会有关。,2. 一条功能性染色质DNA必须具备3类功能序列*,人：GGGTTA,(二) 组蛋白（histone）,1.组蛋白的特点 真核生物染色质的基本结构蛋白 碱性蛋白，富含的Arg和Lys等碱性氨基酸 带有正电荷，可与带负电荷的DNA紧密结合(非特异性结合)。,2. 组蛋白的分类*,组蛋白共有5种，按功能可分两大类, 核小体组蛋白（nucleosomal histone） H2A、H2B、H3、H4； 组成八聚体，协助DNA卷曲成核小体结构 无种属及组织特异性，进化上高度保守 H1组蛋白 稳定核小体并与核小体的进一步包装有关 有一定的

12、种属及组织特异性,3. 组蛋白的功能* 协助折叠及包装DNA形成染色体 保护DNA不被酶消化 组蛋白与DNA的结合可抑制DNA的复制与转录 组蛋白乙酰化、磷酸化等化学修饰可改变组蛋白的电荷性质，使组蛋白与DNA结合力减弱，有利于DNA的复制和转录。 甲基化则可增强组蛋白和DNA的相互作用，抑制DNA的复制和转录。,(三)非组蛋白（non-histone）,概念：除组蛋白之外的染色质结合蛋白的总称 特点： 含量少，种类多 在不同组织细胞中的种类和数量均不相同 与特异的DNA序列结合 功能*：协助DNA折叠，启动和推进DNA的复制， 调控基因转录,二、常染色质与异染色质,按间期核中染色质螺旋化程度

13、、功能状态的不同，可分为： 常染色质 异染色质,常染色质与异染色质的异同*,相同点：化学本质相同，只是不同功能状态下染色质的 不同构型而已，一定条件下可互相转化。,异染色质可分两类： 组成性异染色质：指在各种类型细胞的细胞周期中（除复制期外）均呈凝缩状态的异染色质。 由高度重复的DNA序列构成 不转录也不编码蛋白质 多分布于染色体的着丝粒区、端粒、次缢痕等部位 兼性异染色质：只在某些细胞类型或一定的发育阶段，处于凝缩失活状态，而在其他时期松展为常染色质。 总量变化与细胞类型有关，胚胎细胞中含量少，高度分化的细胞中含量多。,雌性哺乳动物体细胞核中的X染色质（巴氏小体）即为一种兼性异染色质,Bar

14、r body,三、染色质组装成染色体*,伸展的染色质纤维,(一)核小体染色质的基本结构单位 核小体（nucleosome）是染色体组装的一级结构，为直径约10nm的圆盘状颗粒。,核小体的组成*： DNA：约200bp左右 146bp：盘绕组蛋白八聚体1.75圈，称核心DNA 60bp：连接相邻的核小体，称连接DNA（长度变异大） 组蛋白八聚体：一个 1组蛋白：一个,核小体串珠的形成使DNA分子长度压缩了约7倍,（二）核小体进一步螺旋形成螺线管,螺线管（solenoid）是染色质的二级结构，是在组蛋白H1的协助下，由核小体串珠结构盘旋而成的中空结构 每圈6个核小体，外径30nm，螺距11nm 螺

15、线管的形成使核小体串珠结构压缩了约6倍,组蛋白H1位于螺线管的内部，是螺线管形成和稳定的关键因素,30nm染色质纤维 核小体串珠,电镜下，间期核中的染色质大多以一种30nm染色质纤维（螺线管）的形式存在。,（三）螺线管进一步包装成染色体,关于螺线管如何进一步包装成染色体，目前有两种模型： 多级螺旋模型（multiple coiling model） 染色体骨架-放射环模型 (scaffold-radial loop structure model),1.多级螺旋模型* 一级结构：核小体，直径10nm 二级结构：螺线管，直径30nm 三级结构：超螺线管， 直径0.20.4um 四级结构：染色单体

16、,最早是Laemmli等(1977)根据大量的实验结果提出的。他们用2mol/L的NaCl加肝素处理HeLa细胞的中期染色体，除去组蛋白和大部分非组蛋白后，在电镜下看到了由非组蛋白构成的染色体骨架和由骨架伸出的无数的DNA袢环。,2.染色体骨架-放射环模型,染色体骨架-放射环模型* 一级结构：核小体 二级结构：螺线管(30nm纤维) 高级结构：袢环结构和染色单体 高级结构的组装过程： 螺线管进一步折叠成 一系列袢环结构，袢 环的基部连于中央的 染色体骨架上。 每18个袢环呈放射状平面排列，形成微带。 约106个微带沿纵轴排列，形成染色单体。,染色体骨架-放射环模型,四、染色体的形态结构,在有丝分裂中期，染色体高度凝集，形态、结构特征明显，可作为染色体一般形态和结构的标准。 中期染色体 由着丝粒相连的两条姐妹染色单体构成 主要结构：着丝粒、主缢痕、次缢痕、端粒、随体等。,（一）着丝粒（centromere）,主缢痕：中期染色体的两条姐妹染色单体的连接处向内凹陷、着色较浅的缢痕。 着丝粒：指主缢痕处的染色质部分，由高度重复的异染色质组成。