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1、Chapter 10 The cell nucleus and chromosomeOverall structuren n10.1 10.1 核膜结构核膜结构核膜结构核膜结构n n10.2 10.2 染色质染色质染色质染色质 DNA 二级结构二级结构 DNA DNA 一级结构一级结构一级结构一级结构 染色质蛋白染色质蛋白染色质蛋白染色质蛋白 nucleosomesnucleosomes 核小体核小体核小体核小体染色质包装染色质包装染色质包装染色质包装染色质类型染色质类型染色质类型染色质类型染色质与基因调控染色质与基因调控染色质与基因调控染色质与基因调控n n10.3 10.3 染色体染色体染
2、色体染色体n n10.4 10.4 核仁核仁核仁核仁10.1 Structure of nuclear envelope 10.1.110.1.1 Nuclear envelopeNuclear pores complex Nucleus Membrane10.1.1Nuclear membraneInner membrane (7.5nm)contact with nucleus laminaouter membrane (7.5nm) connected to ERPeri-nuclear space(20-40nm)Nuclear pore （一）结构组成（二）核被膜的功能1构成核质之间
3、的天然选择性屏障，避免生命活动的彼此干扰，保护DNA不受细胞骨架运动所产生机械力的损伤2 核质之间的物质交换与信息交流，主要通过核孔进行。 （三）核被膜在细胞周期中的崩解与组装 在细胞有丝分裂中，受细胞周期调控因子的调节，核被膜在细胞有丝分裂中，受细胞周期调控因子的调节，核被膜有规律地解体与重建，此过程与核纤层蛋白、核孔复合体有规律地解体与重建，此过程与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关，这些蛋白磷酸化时核蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关，这些蛋白磷酸化时核膜解体，去磷酸化则促使核膜重新组装。膜解体，去磷酸化则促使核膜重新组装。1 1 核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性。
4、如孔膜区核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性。如孔膜区膜和内核膜分别形成独立的小囊泡。膜和内核膜分别形成独立的小囊泡。2 2 组装时内核模形成的小泡先结合染色体，孔膜区膜形成的组装时内核模形成的小泡先结合染色体，孔膜区膜形成的小囊泡后结合，再组装核孔复合体。小囊泡后结合，再组装核孔复合体。3 3 旧核膜参与新核膜构建。旧核膜参与新核膜构建。0.1um 10.1. 2 The nuclear poresSide view of nuclear poreNPC1 1胞质环：也称外环，位于核孔胞质面，上连胞质环：也称外环，位于核孔胞质面，上连8 8条胞条胞质纤维，在核孔运输中起作用质纤维，在核孔
5、运输中起作用2 2核质环：也称内环，位于核孔边缘的核质面，上有核质环：也称内环，位于核孔边缘的核质面，上有8 8条纤维，其末端形成小环，形成了核篮状结构。条纤维，其末端形成小环，形成了核篮状结构。3 3辐：辐：1 1）柱状亚单位：位于核孔边缘，连接内外环，支撑）柱状亚单位：位于核孔边缘，连接内外环，支撑核孔。核孔。2 2）腔内亚单位：分布在柱状亚单位外侧，穿膜进入）腔内亚单位：分布在柱状亚单位外侧，穿膜进入核周间隙。核周间隙。3 3）环带亚单位：分布在柱状亚单位内侧，核质交换）环带亚单位：分布在柱状亚单位内侧，核质交换通道通道（二）核孔复合体成份的研究核孔蛋白：所有核孔复合体蛋白称为核孔蛋白。
6、核孔蛋白：所有核孔复合体蛋白称为核孔蛋白。1 gp2101 gp210：位于孔膜区的结构性跨膜蛋白，作用如下：位于孔膜区的结构性跨膜蛋白，作用如下：l l诱导内、外核膜融合成核孔。诱导内、外核膜融合成核孔。 l l为核孔复合体装配提供起始位点，将其锚定于孔膜区。为核孔复合体装配提供起始位点，将其锚定于孔膜区。l l参与核质交换功能。参与核质交换功能。2 P2622 P262：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域l l疏水性疏水性N N端区：直接参与核质交换端区：直接参与核质交换l lC C端区：与其它核孔蛋白互作，将端区：与其它核孔蛋白互作，将
7、p62p62固定到核孔，为固定到核孔，为N N端行核质交换活动提供支持。端行核质交换活动提供支持。10. 1.3 Nuclear transport1 1通过核孔复合体的被动扩散：离子、小分子以及直通过核孔复合体的被动扩散：离子、小分子以及直径小于径小于10nm10nm的颗粒可自由通过的颗粒可自由通过2 2通过核孔复合体的主动运输通过核孔复合体的主动运输1 1）完成生物大分子的核质分配，此过程具高度选择）完成生物大分子的核质分配，此过程具高度选择性，表现如下：性，表现如下：l l对运输颗粒大小的要求，约对运输颗粒大小的要求，约10-20nm10-20nm，但有效功，但有效功能直径可被调节，可达
8、能直径可被调节，可达26nm26nm； l l由载体介导，需信号识别，消耗由载体介导，需信号识别，消耗ATPATP，并具饱和，并具饱和性。性。l l具双向性，即核输入与核输出具双向性，即核输入与核输出 2 2）亲核蛋白与核定位信号）亲核蛋白与核定位信号10.1.3.1 Nuclear protein transport mechanism(10.1.3.1 Nuclear protein transport mechanism(已讲）已讲）已讲）已讲） nuclear proteinnuclear localization signals ,NLSnuclear export signals,
9、 NESimportinexportin 亲核蛋白的亲核蛋白的NLSNLS识别结合识别结合importinimportin 亲核蛋白、亲核蛋白、importinimportin、importinimportin转运复合物转运复合物 importinimportin结合核孔上的胞质纤维结合核孔上的胞质纤维转运复合物构象变化转运复合物构象变化转运复合物进入核质面转运复合物进入核质面Ran-GTPRan-GTP结合结合importinimportin复合物解体，亲核蛋白释放，复合物解体，亲核蛋白释放，RanRan和和importinimportin复合物及复合物及importinimportin出核
10、出核 Ran-GTPRan-GTP水解水解RanRanGDPGDP返回核，返回核，importinimportin和和importinimportin留在胞质中留在胞质中10.1.3.2 Mechanism of export from nucleus RNARNA protein = RNP protein = RNP RNP RNP 包含包含NES NES 信号信号结合输出蛋白进行运输结合输出蛋白进行运输 Nuclear material exportl l转录后的RNA需加工、修饰为成熟分子后才能被转运出核，需蛋白分子帮助，这些蛋白因子含有出核信号(Nuclear Export Sign
11、al，NES)。l lrRNA以RNP的形式出核；l l5s rRNA与 tRNA的输出由蛋白介导；l l核内不均一RNA(hn RNA)，在核内进行5端加帽和3端加多聚A以及剪接等加工后形成成熟mRNA后由蛋白介导出核。10.2 chromatin n nContains DNA and Contains DNA and proteinprotein10.2.1 DNA second structuren n基因组就是一个基因组就是一个物种物种中所有中所有基因基因的整体组成。人的整体组成。人类基因组有两层意义：遗传信息和类基因组有两层意义：遗传信息和遗传物质遗传物质。 n n人类人类基因组基
12、因组计划计划(human genome project, HGP)(human genome project, HGP)是由是由美国美国科学家于科学家于1108511085年率先提出，于年率先提出，于110100110100年正式启动的。美国、年正式启动的。美国、英国英国、法兰西共、法兰西共和国、和国、德意志联邦共和国德意志联邦共和国、日本日本和我国科学家共和我国科学家共同参与了这一价值达同参与了这一价值达3030亿美元的人类基因组计划。亿美元的人类基因组计划。这一计划旨在为这一计划旨在为3030多亿个多亿个碱基碱基对构成的人类基因对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在组精确测
13、序，发现所有人类基因并搞清其在染色染色体体上的位置，破译人类全部上的位置，破译人类全部遗传信息遗传信息。与曼哈顿。与曼哈顿原子弹计划和原子弹计划和阿波罗计划阿波罗计划并称为三大科学计划。并称为三大科学计划。10.2.2 DNA first structure complexity单一重复单一重复 DNAn ncode for genes and unique material n n2.6% of unique genome is transcribed in frogsModerately repetitiven n40-50% of genome is this type40-50% of
14、 genome is this type，调控基因表，调控基因表，调控基因表，调控基因表达达达达n nCodingCoding code for genes needed in large code for genes needed in large amountsamountsn nrDNA to make rRNA (has 250 copies per rDNA to make rRNA (has 250 copies per human genome)human genome)NoncodingNoncodingCodingCodingSINESLINEn n10-15% )n n短片
15、断短片断n nGC 含量高含量高n n位于着丝粒位于着丝粒n n重复次数重复次数 100-100,000 n n功能未完全明确功能未完全明确Highly repetitiveMinisatellite DNA(12-100bp,3000 copy)Satellite DNA(5-100bp)Microsatellite DNA(1-5bp form 5-100bp)Chromatin protein Histone proteinSructure protein No-histone protein : sequence specific DNA binding protein Nucleos
16、ome protein H2B,H2A,H3,H4,conservativeH1,link function 10.2.3 Chromatin proteinA Histonel l富含碱性氨基酸富含碱性氨基酸富含碱性氨基酸富含碱性氨基酸l lH2A, H2B, H3, and H4，没没有有种种属属特特异性，相对保守异性，相对保守 l lH1, H1是多样性，具有属(genus)和组织特异性。带正电荷，含Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为： 核心组蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4； 连接组蛋白（linker histone）：H1。 结构：高度保守，尤其是H
17、4。 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是多样性，具有属(genus)和组织特异性。Histone proteinSructure protein No-histone protein sequence specific DNA Nucleosome protein H2B,H2A,H3,H4,conservativeH1,link function H1 helps organize the histones, polarilize chromati
18、nB No-histone proteinn n具有多样性，异质性，种属特异性，功能多具有多样性，异质性，种属特异性，功能多样性样性n n特定结构域结合特定结构域结合DNA Helix turn helix motif Zinc- finger-motif Leucine-zipper motif Helix-loop-helix motif HMG ( high mobility group proteins)-box motifThe helix-turn-helix motif The helix-turn-helix motifThe helix-turn-helix motif -h
19、elix form -helix form homeotypichomeotypic dimerdimer-helix -helix dimerdimer link with rotational peptide link with rotational peptiderecognition helixrecognition helix ortherorther helix no specific helix no specificzinc finger motifCys2/His2 and Cys2/Cys2Cys2/His2 and Cys2/Cys2The leucine zipper
20、motif The leucine zipper motif The leucine zipper contains four or five leucine residues spaced at intervals of seven amino acids, resulting in their hydrophobic side chains being exposed at one side of a helical region. This region serves as the dimerization domain for the two protein subunits, whi
21、ch are held together by hydrophobic interactions between the leucine side chains. The helix-loop-helix (HLH) motif H Helix-loop-helix (HLH) motifelix-loop-helix (HLH) motif This motif is characterized by two This motif is characterized by two -helical -helical segments separated by an intervening lo
22、op. segments separated by an intervening loop. 它它它它与与与与螺螺螺螺旋旋旋旋- -转转转转角角角角- -螺螺螺螺旋旋旋旋结结结结构构构构的的的的差差差差别别别别在在在在于于于于 两两两两个个个个螺螺螺螺旋旋旋旋的的的的一一一一侧侧侧侧还还还还有有有有一一一一段段段段疏疏疏疏水水水水链链链链，这这这这样样样样当当当当螺螺螺螺旋旋旋旋- -环环环环- -螺螺螺螺旋旋旋旋结结结结构构构构位位位位于于于于两两两两个个个个多多多多肽肽肽肽之之之之间间间间时时时时，这这这这两两两两个个个个疏疏疏疏水水水水的的的的侧侧侧侧链链链链就就就就会会会会将将将将两个
23、多肽链连在一起形成类似亮氨酸拉链的结构两个多肽链连在一起形成类似亮氨酸拉链的结构两个多肽链连在一起形成类似亮氨酸拉链的结构两个多肽链连在一起形成类似亮氨酸拉链的结构10. 2.4 nucleosomes 核小体核小体NucleosomeNucleosome NucleosomeNucleosome is is basic structural unit of chromatinbasic structural unit of chromatin 。200 200 bpbp DNA and four type DNA and four type histonehistone；H2AH2A、H2B
24、H2B、H3H3、H4 ,every type two copy form H4 ,every type two copy form octamoricoctamoric core core ，is key structure of is key structure of NucleosomeNucleosome 146bp DNA 146bp DNA surroundsurround octamoricoctamoric core core 1.75 1.75 circlecircle ,H1 play ,H1 play stablizationstablization function i
25、n chromatin function in chromatin formationformation N Neighborhoodeighborhood nucleosomenucleosome connectconnect with with linker linker DNA link (about DNA link (about 100bp100bp) )10.2.5 Chromatin assembleMultiple coiling model 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
26、释：由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，长度压缩6倍；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。Scaqffold radial loopsructure model Synthetical model10.2.6 Chromatin type n nEuchromatin: open structure active genesn nHeterochromatin: highly packaged structure inactive
27、 genes常染色质常染色质常染色质常染色质( (euchromatineuchromatin) )异染色质异染色质异染色质异染色质(heterochromatin)(heterochromatin) 结构性异染色质结构性异染色质结构性异染色质结构性异染色质(active chromatin)(active chromatin) 兼性异染色质兼性异染色质兼性异染色质兼性异染色质(inactive chromatin)(inactive chromatin)n nChracterristic of active chromatinn nNucleosome and gene regulation
28、 10.2.7 Chromatin and regulation 转录的摸板是疏松的染色质而不是裸露DNA形成疏松的染色质形成活性染色质nuclease- supersensitive nuclease- supersensitive sitesiteA Chracterristic of active chromatinB Nucleosome and gene regulationCore Histone acetylH1-P HMG protein modificationn nLocus control region LCRn nInsulatorC Chromatin domain
29、Chapter 10.3 Chromosome10.3.1 Chromosome structureNOR着丝粒着丝粒(Centromere)主缢痕主缢痕(Primary constriction) 次缢痕次缢痕次缢痕次缢痕(Secondary constriction)(Secondary constriction)动粒动粒(kinetochore)核仁组织区核仁组织区(NOR)随体随体(Satellite)端粒端粒(Telomere)Centromere and kinetochorecentromerecentromereKinetochore domainInner plateMidd
30、le spaceOuter plate fibrouscoronaCentral domainPairing domain Centromere DNA sequence 10.3.2 DNA FUNCTION SITE ARS (autonomous replicating sequence):自主复制序列自主复制序列CEN (centromeric sequence)：着丝粒：着丝粒序列序列 TEL (telomeric sequence) 端粒（telomere）：由高度重复的短序列组成，高 度保守。 作用：1. 维持染色体的稳定性。2. 起细胞分裂计时器的作用。端粒核苷酸复制和基因DN
31、A不同，每复制一次减少50100bp，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。TEL (telomeric) formation10.3.3 karyotypecattlecattleNumber of chromosomes: 2N = 60, XYNumber of chromosomes: 2N = 60, XY10.3.4 Giant chromosome n nPolytene chromosome n nLamp brush chromosomePolytene chromosome多线染色体： 由Balbiani(1881)
32、发现于摇蚊幼虫唾腺细胞，特点： 体积巨大，是由于核内有丝分裂的结果； 多线性； 体细胞联会； 横带纹。 膨突和环。在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成膨突（puff），或巴氏环（Balbiani ring）。用H3-UdR处理细胞，发现膨突被标记，说明膨突是基因活跃转录的区域。多线染色体的带与胀泡,(a) 带与间带;(b)胀泡灯刷染色体灯刷染色体(lampbrush chromosome) 灯刷染色体是卵母细胞进行减数第一灯刷染色体是卵母细胞进行减数第一 次分裂时次分裂时, ,停留在双线期的染色体停留在双线期的染色体。 它它是是一一个个二二价价体体, , 含含4 4条条染染
33、色色单单体体。它它由轴和侧丝组成由轴和侧丝组成, ,形似灯刷形似灯刷Lampbrush Chromosomes 灯刷染色体的形态结构灯刷染色体的形态结构n n巴氏小体（barr body）。n n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。10.4 The nucleolusStructure of the nucleolus10.4.1NucleolusFibrillar centers FCDense fibrillar component DFCGranular component Nucleolar associated chromatin I
34、ntranucleolar chromatinPerinucleolar chromatinNucleolar matrix Fibrillar centers FCn n Exist rDNA, RNA polyE andn nRepresent copy of NORs Dense fibrillar component DFC rRNA condensed in DFC Specificly bind with protein such as fibrillarin,nucleolin.Granular componentConsist of RNP , digest by protea
35、se,and RNase ,pregranular of ribosome assemblyRibosome 70s(prok)80s(euk)30s50s60s40s16s23s5s18s28s5s5.8s10.4.2 Nucleolus functionrRNA transcription and machining exonuclease :核酸外切酶The nucleolus is important for ribosome synthesis5.8 SRNA28SrRNA18 SRNA5S rRNA小亚基小亚基沉降沉降系数系数40S大亚基大亚基60S核仁外合成核仁外合成蛋白质蛋白质
36、80S的核糖的核糖核蛋白颗粒核蛋白颗粒33种种蛋白质蛋白质50种蛋白质种蛋白质核糖体核糖体80S 45SrRNA10.4.3 Nucleolus in cell cycle 10.4.4核基质（核基质（nuclear matrix nuclear matrix ）n n或称核骨架（或称核骨架（nucleoskeletonnucleoskeleton）为真核细）为真核细胞核内的网络结构，是指除核被膜、染色胞核内的网络结构，是指除核被膜、染色质、核纤层及核仁以外的核内网架体系。质、核纤层及核仁以外的核内网架体系。由于核基质与由于核基质与DNADNA复制，复制，RNARNA转录和加工，转录和加工，染
37、色体组装及病毒复制等生命活动密切相染色体组装及病毒复制等生命活动密切相关，故日益受到重视。关，故日益受到重视。n n核骨架的功能核骨架的功能核骨架的功能核骨架的功能 1 1为为DNADNA的复制提供支架的复制提供支架 2 2是基因转录加工的场所，是基因转录加工的场所，RNARNA的转录同样需要的转录同样需要DNADNA锚定在核骨架上才能进行锚定在核骨架上才能进行 3 3与染色体构建有关，现在一般认为核骨架与染色与染色体构建有关，现在一般认为核骨架与染色体骨架为同一类物质，体骨架为同一类物质，30nm30nm的染色质纤维就是结的染色质纤维就是结合在核骨架上，形成放射环状的结构，在分裂期合在核骨架上，形成放射环状的结构，在分裂期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体（图进一步包装成光学显微镜下可见的染色体（图12-12-3131）。）。n n染色质结合在核骨架/染色体骨架上 nucleoskeleton
