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1、细胞核和遗传物质储存 （nucleus and the storage of genetic information ）原核细胞和真核细胞细胞核概述1781年年Trontana发现于鱼类细胞核。发现于鱼类细胞核。1831年，年，Brown在植物中也发现，并正式在植物中也发现，并正式命名为命名为nucleus。细胞核是储存遗传物质的场所，除成熟的细胞核是储存遗传物质的场所，除成熟的植物筛管和哺乳类红细胞没有细胞核外，植物筛管和哺乳类红细胞没有细胞核外，所有真核细胞都有细胞核。所有真核细胞都有细胞核。每个细胞通常只有一个核，但有些细胞为每个细胞通常只有一个核，但有些细胞为双核甚至多核，如人的肝细胞
2、双核甚至多核，如人的肝细胞(12)和骨骼和骨骼肌细胞肌细胞(多个多个)细胞核概述真核细胞中由双层单位膜包围核物质形成真核细胞中由双层单位膜包围核物质形成的多态性结构；的多态性结构；细胞内最大、最重要的细胞器；约占细胞细胞内最大、最重要的细胞器；约占细胞体积的体积的1/10遗传信息储存、遗传信息储存、DNA复制和复制和RNA转录的场转录的场所；所；核糖体亚单位装配的场所核糖体亚单位装配的场所细胞代谢、生长、增殖和分化等生命活动细胞代谢、生长、增殖和分化等生命活动的调控中心。的调控中心。间期细胞核的结构细胞核的形态伴随细胞的增殖过程呈现周期性的变化。处于间期的细胞核叫间期核。间期核分为以下几个结构
3、核膜染色质核仁核骨架核膜简介核膜（核膜（nuclear membrane ），又称为核被膜），又称为核被膜 （nuclear envelope），是包围真核细胞细胞核，分割胞质和核质），是包围真核细胞细胞核，分割胞质和核质的生物膜。的生物膜。电镜下，核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成电镜下，核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成，每层膜的厚度为每层膜的厚度为7.5 nm； 核膜的主要化学成分为蛋白质（核膜的主要化学成分为蛋白质（65-75%）和脂类物质。）和脂类物质。蛋白质种类有蛋白质种类有20多种，与内质网非常相似。多种，与内质网非常相似。核膜结构外核膜内核膜核周间隙核孔核纤层外核膜
4、外核膜核膜中靠近胞质的膜，表面粗糙，有核糖体附着，与内质核膜中靠近胞质的膜，表面粗糙，有核糖体附着，与内质网相连网相连内核膜内核膜靠近核质，表面光滑，其内表面有一层电子密度高的蛋白靠近核质，表面光滑，其内表面有一层电子密度高的蛋白质细丝附着，称为核纤层。质细丝附着，称为核纤层。核周间隙核周间隙 2040nm宽宽,充满液态物质充满液态物质,为蛋白质和酶。此间隙与内为蛋白质和酶。此间隙与内质网有临时通道，可进行核质网有临时通道，可进行核质物质交换。质物质交换。细胞核周期性动态变化核孔复合物(nuclear pore complex,NPC)胞质面核质面胞质颗粒胞质环中央栓辐胞质纤维核质环 核孔复合
5、体结构模型核孔复合体结构模型核纤层p gp210：结构性结构性穿膜蛋白穿膜蛋白 介导介导核孔复合体与核被膜的连接核孔复合体与核被膜的连接，将核孔复合体，将核孔复合体 锚定锚定 在在“孔膜区孔膜区”，为核孔复合体装配提供一个起始位点，为核孔复合体装配提供一个起始位点 p p62：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构 域域可能在核孔复合体功能活动中直接参与可能在核孔复合体功能活动中直接参与核质交换核质交换。代表性核孔复合体蛋白代表性核孔复合体蛋白细胞质与细胞核的物质交换小分子物质 被动扩散，不需要能量大分子物质 主动运输,需要能量 亲核蛋白质入核 亲核蛋
6、白一般都含有特殊的氨基酸序列,保证了整个蛋白质能够通过核孔复合体被转运到细胞核内。这段具有“定位”作用的序列被命名为核定位信号(nuclear localization signal , NLS）。或核定位序列（nuclear localization sequence，NLS）NLS序列包裹胶体金颗粒入核亲核蛋白入核需要输入蛋白（importin）参与。NLS由48个氨基酸组成，不同的亲核蛋白质上的核定位信号不同，但都富含带正电的赖氨酸和精氨酸，通常还有脯氨酸。这些信号可以位于亲核蛋白质的任何部位。在指导亲核蛋白完成核输入后不被切除。研究表明仅有核定位信号的蛋白质自身不能通过核孔复合体，它必
7、须通过和NLS受体结合才可通过核孔复合体，这种受体称为输入蛋白（importin）。输入蛋白在被转运的亲核蛋白质与核孔复合体运输装置之间作为一种接头分子而起作用。蛋白质出核具有核输出信号（NES)的蛋白质在核输出蛋白（exportin) 和RanGTP介导下出核Schematic illustration of an “export-ready”mRNA molecule and its transport through the nuclear pore.mRNA的核输出的核输出p核输出受体与核输入受体结构相似。p核输出受体与核输出信号(NES)结合，把蛋白质带到核孔复合物。p通过运输蛋白质
8、入核的孔进行运输。pRan 调控输出受体和 “NES” 的相互作用。Ran-GTP 促进受体/货物的解离，水解 GTP，释放货物。pNote: 核输出受体不直接与RNA结合，他们与结合在RNA上的蛋白质结合。已知已知NLS的特性的特性(nulclear localization signal)uOne or two stretches of amino acids enriched with positive charge residuesuNo absolute sequence conservationuMay be located anywhere within a protein已知已
9、知 NES的特性的特性(nulclear export signal)uOne stretche of amino acids enriched with LeucineuNo absolute sequence conservationuMay be located anywhere within a protein核纤层（nuclear lamina）由核纤层蛋白构成，分别称lamin A、 lamin B、lamin C。其中lamin B与核内膜上的受体蛋白结合在一起，lamin A和 lamin C 又挂靠着 lamin B，染色质纤维一个或几个部位与lamin A和 lamin C
10、连接在一起，核纤层蛋白还可以与核基质中的蛋白质形成联接。核纤层核纤层 1.支持和固定核膜，稳定核的形状。 核纤层的外层与内核膜的脂双分子层中的特殊蛋白相结合， 与维持核孔的位置和核被膜的形状有关。2.对染色质的有序排列起一定作用。 核纤层蛋白与染色质上的一些特殊位点相结合，与核基质也相互连接，为染色质提供了结构支架，在维持染色质高度有序性方面起重要作用。3. 参与核膜的解体和重建前期：核纤层蛋白磷酸化，核纤层 蛋白解聚成单体，导致核崩解、破裂末期：核纤层蛋白去磷酸化，使核膜重建。核纤层的功能核纤层的功能 核纤层与人类疾病核纤层与疾病早老症Lamin A G608G突变p构成核、质之间的天然选择
11、性构成核、质之间的天然选择性屏障屏障p核质之间的核质之间的物质交换与信息交流物质交换与信息交流 p基因表达的基因表达的时空间隔时空间隔p染色体定位和酶分子的染色体定位和酶分子的支架支架核膜的功能核膜的功能p染色质染色质(chromatin)是细胞核内能被碱性染料着色的物是细胞核内能被碱性染料着色的物质。质。间期细胞核内间期细胞核内由由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的组成的线性复合结构线性复合结构，呈，呈伸展、弥散，呈丝网状伸展、弥散，呈丝网状分布分布，是，是间期间期细胞遗传物质存在的形式。细胞遗传物质存在的形式。p染色体染色体 (chromasome)指细胞在
12、指细胞在有丝分裂或减数分有丝分裂或减数分裂裂过程中，由染色质过程中，由染色质高度折叠、盘曲而凝缩成高度折叠、盘曲而凝缩成的条状的条状或棒状结构。或棒状结构。u 染色质和染色体是染色质和染色体是同一种物质在不同时期同一种物质在不同时期的的 表现形式表现形式染色质和染色体染色质和染色体pDNA 贮存遗传信息的生物大分子，结构性质稳定、数量恒定的基本成分。贮存遗传信息的生物大分子，结构性质稳定、数量恒定的基本成分。p组蛋白组蛋白(H1, H2A, H2B, H3, H4) 富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白，带正电荷，对维持结构和功能的完富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白，带正电荷，对维持结构和功能的完整性起关
13、键作用。其与整性起关键作用。其与DNA结合可抑制结合可抑制DNA的复制和转录。的复制和转录。p非组蛋白非组蛋白 含天冬氨酸、谷氨酸等酸性蛋白，带负电荷，促进复制和转录。含天冬氨酸、谷氨酸等酸性蛋白，带负电荷，促进复制和转录。p少量的少量的RNA 新合成的各类新合成的各类RNA前体，与前体，与DNA模板有联系。模板有联系。染色质与染色体的主要化学组成染色质与染色体的主要化学组成染色质和染色体 染色质和染色体是染色质和染色体是同一种物质在不同时期同一种物质在不同时期的表现形式的表现形式间期分裂期常染色质和异染色质间期核中染色质：间期核中染色质：异染色质异染色质（heterochromatin） 着
14、色着色深深，靠近于，靠近于核膜核膜，其螺，其螺旋化程度旋化程度高高，功能上，基本，功能上，基本上上不进行转录的功能不进行转录的功能。常染色质（常染色质（euchromatin） 着色着色浅浅，位于核的，位于核的内部内部，结，结构上看，其螺旋化程度构上看，其螺旋化程度低低，具有具有转录功能转录功能的染色质区域。的染色质区域。异染色质的特点：异染色质的特点： 间期核中处于凝缩状态，无间期核中处于凝缩状态，无/低转录活性、是遗传惰性区低转录活性、是遗传惰性区 在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩（异固缩现象）在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩（异固缩现象） 分为两类：分为两类： 组成型（结构）异染色质（组
15、成型（结构）异染色质（constitutive heterochromatin） 兼性（功能）异染色质（兼性（功能）异染色质（facultative heterochromatin）从DNA到染色体 DNA双螺旋染色体一级结构-核小体核小体核小体从DNA到染色体染色体二级结构-Zig-Zag螺线管从DNA到染色体染色体级结构-多级螺旋模型 压缩压缩7倍倍 压缩压缩6倍倍 压缩压缩40倍倍 压缩压缩5倍倍DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 超螺线管超螺线管 染色单染色单体体 染色质包装的多级螺旋模型染色质包装的多级螺旋模型一级结构：核小体（一级结构：核小体（nucleosome）二级结构：螺线管
16、二级结构：螺线管(solenoid)三级结构：超螺线管三级结构：超螺线管(supersolenoid) 四级结构：染色单体（四级结构：染色单体（chromatid）压缩压缩8400倍倍从DNA到染色体染色体四级结构-放射环模型非组蛋白构成的染色体非组蛋白构成的染色体骨架骨架(chromsomal scaffold)和由骨架伸出和由骨架伸出的无数的的无数的DNA侧环。侧环。30nm的染色线折叠成环的染色线折叠成环, 沿染色体纵轴沿染色体纵轴, 由中央向由中央向四周伸出，构成放射环。四周伸出，构成放射环。P:细胞核how_dna_is_packaged_adv.mp4中期染色体结构根据着丝粒的位置
17、，染色体分为中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体近端着丝粒染色体端着丝粒染色体p染色体如何稳定遗传？染色体如何稳定遗传？维持染色体稳定遗传的三个重要元件维持染色体稳定遗传的三个重要元件着丝粒和动粒着丝粒 端粒端粒染色体末端的特化部位。有极性。染色体末端的特化部位。有极性。由高度重复的短序列组成，高度保守。由高度重复的短序列组成，高度保守。维持染色体结构稳定。维持染色体结构稳定。 端粒的组成端粒的组成：由端粒由端粒DNA和端粒结构和端粒结构蛋白（属非组蛋白）构成，其蛋白（属非组蛋白）构成，其DNA为为TTAGCG的重复序列，重复的重复序列，重复500-5000次。次。 端粒的复制：端粒的复制：端粒核苷
18、酸复制和基因端粒核苷酸复制和基因DNA不同，每复制一次不同，每复制一次减少减少50100bp，其，其复制要靠具有反转录酶性质的复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶端粒酶来完来完成。成。端 粒端粒的复制端粒酶(Telomerase)端粒酶维持端粒的长度端粒酶维持端粒的长度端粒与细胞衰老端粒的功能 保证染色体末端的完全复制，端粒DNA提供复制线性DNA末端的模板。 在两端形成保护性的帽结构，使DNA免受核酸酶和其他不稳定因素的破坏和影响。 在细胞的寿命、衰老和死亡中起作用。Elizabeth H. Blackburn 伊丽莎白-布莱克本Carol W. Greider 卡罗尔-格雷德Jack W. S
19、zostak杰克-绍斯塔克2009年的诺贝尔生理学或医学奖年的诺贝尔生理学或医学奖染色体分布染色体分布p性细胞染色体为性细胞染色体为单倍体单倍体（haploid），用），用n表示表示;p体体细细胞胞为为2倍倍体体（diploid）以以2n表表示示，还还有有一一些些物物种种的的染染色体成倍增加成为色体成倍增加成为4n、6n、8n等，称为多倍体。等，称为多倍体。p染染色色体体的的数数目目因因物物种种而而异异，如如人人类类2n=46，黑黑猩猩猩猩2n=48，果果蝇蝇2n=8，家家蚕蚕2n=56，小小麦麦2n=42，水水稻稻2n=24，洋洋葱葱2n=16.染色体的数目染色体的数目1.核核型型：核核型型
20、是是指指染染色色体体组组在在有有丝丝分分裂裂中中期期的的表表型型, 是是染染色色体体数数目目、大大小小、形形态态特特征征的的总总和和。在在对对染染色色体体进进行行测测量量计计算算的的基基础础上上, 进进行行分分组组、排排队队、配配对对, 并并进行形态分析的过程叫核型分析进行形态分析的过程叫核型分析2.带带型型：用用特特殊殊的的染染色色方方法法, 使使染染色色体体产产生生明明显显的的色色带带(暗暗带带)和和未未染染色色的的明明带带相相间间的的带带型型, 形形成成不不同同的的染染色色体体个个性性, 以以此此作作为为鉴鉴别别单单个个染染色色体体和和染染色色体体组组的的一一种种手段手段。核型与带型核型
21、与带型染色体核型及其临床应用核型Downs syndromeGenetic instabilityAneuploidy in cancer cellsKaryotype of a cell from a breast cancer linep见见于于间间期期的的细细胞胞核核内内，具具有有强强折折光光性性，呈呈圆圆球球形形，外外无无界界膜膜包围，是由多组分形成的一种网络结构。包围，是由多组分形成的一种网络结构。p一般一般12个，有时多达个，有时多达35个，通常位于细胞核的一侧。个，通常位于细胞核的一侧。p一一般般蛋蛋白白质质合合成成旺旺盛盛和和分分裂裂增增殖殖较较快快的的细细胞胞有有较较大大和和
22、数数目目较较多的核仁，反之核仁很小或缺如。多的核仁，反之核仁很小或缺如。p核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。Why?核仁的形态特点核仁的形态特点核仁是细胞核内由特定染色体上的核仁组织区缔合形成核仁是细胞核内由特定染色体上的核仁组织区缔合形成的结构，是细胞内的结构，是细胞内合成合成rRNA，装配核糖体亚基装配核糖体亚基的部位。的部位。蛋白质含量很高（蛋白质含量很高（80%） 核糖体蛋白、组蛋白、非组蛋白核糖体蛋白、组蛋白、非组蛋白 碱性磷酸酶、碱性磷酸酶、ATP酶、酶、RNA聚合酶等聚合酶等RNA占占10%，以，以RNP的形式存在的形式存在DNA约占
23、约占8%，主要位于核仁的染色质部分，主要位于核仁的染色质部分核仁的化学组成核仁的化学组成核仁的化学组成是核仁的化学组成是核酸核酸和和蛋白质蛋白质，少量的脂类。，少量的脂类。3个特征性的区域个特征性的区域p纤维中心（纤维中心（FC）：）：rRNA基因的染色体，即基因的染色体，即rDNA。p致密纤维致密纤维 （DFC）：）：新合成的新合成的rRNA。p颗粒组分（颗粒组分（GC）：）：不同加工阶段的不同加工阶段的RNP。 核仁的亚显微结构核仁的亚显微结构核仁相随染色质核仁相随染色质p围核仁染色质围核仁染色质: 属异染色质，属异染色质，p核仁内染色质：是核仁组织中核仁内染色质：是核仁组织中心（心（NO
24、R），具有功能活性。），具有功能活性。含有主要含有主要rRNA基因的一个染基因的一个染色体区段。色体区段。核仁的功能核仁的功能核仁的主要功能是核仁的主要功能是进行进行rRNA的合的合成成, 并且是由专一的并且是由专一的RNA聚合酶聚合酶负责转录。真核细胞中负责转录。真核细胞中, rRNA基基因存在于特定的染色体上因存在于特定的染色体上, 并且并且有恒定的拷贝数。有恒定的拷贝数。由于由于核糖体是合成蛋白质的机器核糖体是合成蛋白质的机器，只要控制了核糖体的合成和装配只要控制了核糖体的合成和装配就能有效地控制细胞内蛋白质的就能有效地控制细胞内蛋白质的合成速度，调节细胞生命活动的合成速度，调节细胞生命
25、活动的节奏。所以，从某种意义上说，节奏。所以，从某种意义上说，核仁实际上核仁实际上控制着蛋白质合成的控制着蛋白质合成的速度。速度。核仁-rRNA合成 核核基基质质或或称称核核骨骨架架(nuclear skeleton)，为为真真核核细细胞胞间间期期核核内内的的网网络络结结构构，指指除除核核被被膜膜、染染色色质质、核纤层及核仁以外的核内网架体系。核纤层及核仁以外的核内网架体系。u10多多种种非非组组蛋蛋白白，包包括括肌肌动动蛋蛋白白和和波波形形蛋蛋白白。分分子子量量为为4060kD，多数为含硫蛋白；还含有少量颗粒蛋白。，多数为含硫蛋白；还含有少量颗粒蛋白。u少少量量RNA（0.5%）和和DNA(
26、0.8%) 。 RNA和和蛋蛋白白质质结结合合成成RNP复合物复合物是保持核骨架三维网络的完整性所必需的。是保持核骨架三维网络的完整性所必需的。u少量少量磷脂磷脂（1.6%）和）和糖类糖类（0.9%）。）。核基质（nuclear matrix)Transmission electron micrograph of a portion of nuclear matrix (left) and surrounding cytoplasm核基质的功能：核基质的功能：p 维持细胞核形态结构。维持细胞核形态结构。p DNA复制：提供复制：提供DNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点 。p RNA复制：提供复制
27、：提供RNA聚合酶结合位点。聚合酶结合位点。p 与染色体构建有关与染色体构建有关 30nm的染色质纤维就是结合在核骨架上，的染色质纤维就是结合在核骨架上，形成放射环状的结构，在分裂期进一步包装成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。光学显微镜下可见的染色体。 细胞核的功能遗传信息储存遗传信息复制遗传信息转录DNA复制 DNA复制(replication )： DNA分子合成一个与自己相同的DNA分子的过程。其结果DNA含量增加一倍。DNA复制的特点：半保留复制半不连续复制转录-从DNA到RNA转录(transcription) ：以DNA分子为模板，在RNA聚合酶作用下合成RNA的过程，转录在细胞核中进行。 。 P:细胞核16905_transcription_advanced.mp4课堂测试题简述DNA是如何包装成染色体的？
