医学细胞生物学：第八章 细胞核 (Nucleus)

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1、第八章 细胞核 (Nucleus)细胞核是是细胞遗传（细胞内细胞核是是细胞遗传（细胞内DNADNA复制的复制的RNARNA转录的转录的中心）与代谢的调控信息中心。中心）与代谢的调控信息中心。细胞核的大小、位置和数量常因细胞的类型不同而细胞核的大小、位置和数量常因细胞的类型不同而有很大差异。有很大差异。 核质比核质比= =细胞核的体积细胞核的体积 / / 细胞质的体积细胞质的体积 真核细胞通常只有一个细胞核，但肝细胞、软骨细真核细胞通常只有一个细胞核，但肝细胞、软骨细胞、破骨细胞等可有几个到多个核。胞、破骨细胞等可有几个到多个核。细胞核的结构组成细胞核的结构组成核膜核膜染色质染色质核仁核仁核基质

2、核基质四四 核仁核仁一一 核膜和核孔复合体核膜和核孔复合体二二 核基质核基质三三 染色质及染色体染色质及染色体五五细胞核的功能细胞核的功能第一节 核 膜 核膜核膜（ nuclear membrane ）又称）又称核被膜核被膜（nuclear envelope），为），为双层膜结构。双层膜结构。一、核膜的化学组成一、核膜的化学组成以蛋白质与脂质为主，含少量核以蛋白质与脂质为主，含少量核酸。酸。与内质网具相似成分。与内质网具相似成分。二、核膜的亚微结构二、核膜的亚微结构不对称双层膜不对称双层膜、核周间隙核周间隙、核孔核孔、核纤层。、核纤层。核周间隙核周间隙异染色质异染色质核纤层核纤层核孔复合体核孔

3、复合体细胞质细胞质外核膜外核膜内核膜内核膜核糖体核糖体膜整合蛋白膜整合蛋白 外核膜（外核膜（outer nuclear membrane） 与粗面内质网相连，外表面附着核糖体。与粗面内质网相连，外表面附着核糖体。 内核膜（内核膜（inner nuclear membrane） 无核糖体附着，内侧有一层致密的纤维蛋白网络，无核糖体附着，内侧有一层致密的纤维蛋白网络，称为称为核纤层，核纤层，有支持核膜的作用。有支持核膜的作用。（一）核膜的双层膜结构（一）核膜的双层膜结构核周间隙指内外核膜之间的腔隙，宽约核周间隙指内外核膜之间的腔隙，宽约20-40nm20-40nm，与内质网腔相通。与内质网腔相通。

4、（二）核周间隙（二）核周间隙（perinuclear space）（三）核孔（三）核孔（nuclear pore）核孔复合体核孔复合体（nuclear pore complex, NPC）胞质环（胞质环（cytoplasmic ring），外环），外环核核质质环环（nuclear ring），内内环环，“核核蓝蓝”结结构构中央栓（中央栓（central plug）轮辐（轮辐（spokes）核孔复合体结构模型核孔复合体结构模型 捕鱼笼式捕鱼笼式“核蓝核蓝”（四）核膜的主要功能（四）核膜的主要功能1.1.区域化作用区域化作用 将将细细胞胞质质与与细细胞胞核核物物质质限限定定在在特特定定区区域域，避

5、避免免生生命命活活动动的的彼彼此此干干扰扰（使使RNARNA的的转转录录及及蛋蛋白白质质的的翻翻译译在在时时间间和和空空间间上上得以分开）。得以分开）。2.2.控制核质之间的物质转换与信息交流控制核质之间的物质转换与信息交流 无机离子及小分子物质无机离子及小分子物质 以自由扩散，以自由扩散，被动转运被动转运方式通方式通 过核孔复合体中央水性通道；过核孔复合体中央水性通道； RNA RNA、酶类等大分子、酶类等大分子 - - 由核孔复合体选择性由核孔复合体选择性主动转运主动转运。核转运受体与核定位信号核转运受体与核定位信号 核转运受体核转运受体 (nuclear transport recept

6、or)： 存在于核孔复合体上，介导选择性主动转运。存在于核孔复合体上，介导选择性主动转运。 核定位信号核定位信号 (nuclear localization signal，NLS)： 存在于被转运核蛋白上的一些短的氨基酸序列片段，为存在于被转运核蛋白上的一些短的氨基酸序列片段，为核转核转运受体识别的位点运受体识别的位点，引导蛋白质进入细胞核。，引导蛋白质进入细胞核。主动转运过程中，核孔复合体上的酶水解主动转运过程中，核孔复合体上的酶水解ATP提供能量。提供能量。 核孔复合体上还存在识别核孔复合体上还存在识别RNA或或RNA结合蛋白的受体，将结合蛋白的受体，将转录产物转录产物RNA由细胞核转运到

7、细胞质。由细胞核转运到细胞质。细胞质 细胞核DNA复制、复制、RNA转录相关的酶类转录相关的酶类RNA、RNA结合蛋白等结合蛋白等 核孔复合体的选择性转运具有双向性核孔复合体的选择性转运具有双向性 核输入与核输出：核输入与核输出： 4. 4. 合成生物大分子合成生物大分子 外核膜上附着核糖体，参与蛋白质合成。外核膜上附着核糖体，参与蛋白质合成。3. 在细胞分裂中参与染色体的定位与分离在细胞分裂中参与染色体的定位与分离第二节第二节 核纤层与核骨架核纤层与核骨架 一、核纤层（一、核纤层（nuclear lamina）紧贴内核膜的一层高密度纤维蛋白网，核内与核骨架相连，紧贴内核膜的一层高密度纤维蛋白

8、网，核内与核骨架相连，核外与中间纤维相连。核外与中间纤维相连。核纤层由核纤核纤层由核纤层蛋白层蛋白（lamin）构成。）构成。核纤层的作用：核纤层的作用： 1.1.支持核膜支持核膜, ,固定核孔位置固定核孔位置; ; 2. 2.为染色质提供附着点为染色质提供附着点; ; 3. 3.参与细胞分裂中染色质凝集的调节参与细胞分裂中染色质凝集的调节; ; 4. 4.与核膜的裂解和重建有关与核膜的裂解和重建有关. .二、二、 核骨架（核骨架（nuclear scaffold）又称又称核基质（核基质（nulcear matrix），为间期核内除染色质、，为间期核内除染色质、核膜、核仁外的由非组蛋白组成的纤

9、维网架结构，形态核膜、核仁外的由非组蛋白组成的纤维网架结构，形态类似细胞骨架。类似细胞骨架。 核骨架与核纤层以及细胞质中的中间纤维形成核骨架与核纤层以及细胞质中的中间纤维形成“核骨架核骨架-核纤层核纤层-中间纤维中间纤维”体系体系，贯穿细胞核与细胞质之间。，贯穿细胞核与细胞质之间。 核骨架的主要化学成分是核骨架蛋白及核骨架结合蛋白核骨架的主要化学成分是核骨架蛋白及核骨架结合蛋白,并含有少量并含有少量RNA。核骨架的功能：核骨架的功能：1. 1. 与与DNADNA复制有关。复制有关。2. 2. 与基因表达有关。与基因表达有关。 3. 3. 与与RNARNA的转录后修饰及定向运输有关。的转录后修饰

10、及定向运输有关。4. 4. 与细胞分裂有关。与细胞分裂有关。5. 5. 与细胞分化有关。与细胞分化有关。第三节第三节 染色质和染色体染色质和染色体染色质（染色质（chromatin）: 指指间间期期细细胞胞核核内内由由DNA、组组蛋蛋白白、非非组组蛋蛋白白及及少少量量RNA组组成成的的线线性性复复合合结结构构, 是是间间期期细细胞胞遗遗传传物物质存在的形式。质存在的形式。染色体（染色体（chromosome）: 指指细细胞胞在在有有丝丝分分裂裂或或减减数数分分裂裂过过程程中中, 由由染染色色质质盘盘绕绕压压缩缩而而成成的的棒棒状状结结构构，也也是是分分裂裂期期遗遗传传物物质质的存在形式。的存在

11、形式。染色质与染色体是细胞核内染色质与染色体是细胞核内同一种成分同一种成分在细胞周期在细胞周期不同时相不同时相的的不同表现形式。不同表现形式。染色质染色质：间期，不规则细线状，网状弥：间期，不规则细线状，网状弥散散于核内。于核内。染色体染色体：分裂期，由染色质盘绕压缩而成的棒状结构。：分裂期，由染色质盘绕压缩而成的棒状结构。一、染色质和染色体的化学组成一、染色质和染色体的化学组成 DNA 组蛋白组蛋白 非组蛋白非组蛋白 少量少量RNA为主（为主（1:1）（一）（一）DNADNA 脱氧核糖核酸，双螺旋链，遗传信息的物质载体。脱氧核糖核酸，双螺旋链，遗传信息的物质载体。 每条染色体含一条线形的每条

12、染色体含一条线形的DNADNA分子。分子。 其序列分为：其序列分为： 单一序列：单一序列：单拷贝、不重复，占单拷贝、不重复，占 60%-65%60%-65%。 重复序列：重复序列：多拷贝。多拷贝。 中度重复序列：中度重复序列：占占 20%-30%20%-30%。 高度重复序列：高度重复序列：拷贝数大于拷贝数大于10105 5 ，占，占 10%10%。 多分布于着丝粒及端粒。多分布于着丝粒及端粒。3种特殊的种特殊的DNA序列：序列： 复制起点序列：复制起点序列： 多个、成串激活，同时复制，保持遗传连续性。多个、成串激活，同时复制，保持遗传连续性。 着丝粒序列：着丝粒序列： 连接姐妹染色单体，确保

13、遗传稳定性。连接姐妹染色单体，确保遗传稳定性。 端粒序列：端粒序列： 位于染色体端部，保持染色体独立及稳定。位于染色体端部，保持染色体独立及稳定。染色体染色体 DNA 的三种功能元件的三种功能元件端端 粒粒复制起点复制起点着丝粒着丝粒间间 期期有丝分裂期有丝分裂期间间 期期复制眼复制眼动动 粒粒（二）组蛋白（二）组蛋白（histone） 核小体组蛋白核小体组蛋白 (nucleosomal histone)： H2A、 H2B、H3和和H4，帮助，帮助DNA卷曲形成核小体的卷曲形成核小体的稳定结构。稳定结构。 H1组蛋白：组蛋白： H1，在构成核小体时，在构成核小体时H1起连接作用起连接作用,

14、赋予染色质以赋予染色质以极性。极性。真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧紧密结合（非特异性结合）；密结合（非特异性结合）；没有种属及组织特异性，在进化上十分保守。没有种属及组织特异性，在进化上十分保守。可以进行化学修饰可以进行化学修饰:乙酰化、磷酸化和甲基化。乙酰化、磷酸化和甲基化。在细胞周期的期与同时合成。在细胞周期的期与同时合成。组蛋白的组蛋白的特点：特点：（三）非组蛋白（三）非组蛋白（non-histone）染色体中除组蛋白外的其它蛋

15、白。染色体中除组蛋白外的其它蛋白。对对DNADNA的的识识别别具具有有特特异异性性，从从而而调调控控基基因因的的表表达达（与与其其磷磷酸酸化化修修饰饰关关系系密密切切）、促促进进染染色色质质高高级级结构的形成等。结构的形成等。种类多，有种属和组织特异性种类多，有种属和组织特异性二、染色质的种类二、染色质的种类常染色质（常染色质（euchromatin）：）： 间期核内处于分散状态，具有活跃间期核内处于分散状态，具有活跃DNA复制及转录功复制及转录功能的染色质组分，用碱性染料染色时着色浅。能的染色质组分，用碱性染料染色时着色浅。异染色质（异染色质（heterochromatin）：间期核内处于凝

16、集状态，转录功能缺乏或不活跃的间期核内处于凝集状态，转录功能缺乏或不活跃的染色质组分，碱性染料染色时着色较深。染色质组分，碱性染料染色时着色较深。 异染色质的类型：异染色质的类型：结构异染色质结构异染色质 (constitutive-heterochromatin) 除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心。多定位于着丝粒、次缢痕。染色中心。多定位于着丝粒、次缢痕。兼性异染色质兼性异染色质 (facultative-heterochromatin) 在某些细胞类型或一定的发育阶段在某些细胞类型或一定的发育阶段, 原来的常染

17、色质聚缩原来的常染色质聚缩, 并丧失基因转录活性并丧失基因转录活性, 变为异染色质。如雌性哺乳动物体变为异染色质。如雌性哺乳动物体细胞在发育过程中一条细胞在发育过程中一条X染色体随机异染色质化失活，形染色体随机异染色质化失活，形成成巴尔小体巴尔小体。 异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。 为主为主异染色质异染色质常染色质常染色质常染色质常染色质异染色质异染色质间期染色程度间期染色程度浅浅深深分布分布核中央，染色体臂核中央，染色体臂核膜附近核膜附近螺旋化程度螺旋化程度低，疏松状态低，疏松状态高，凝集状态高，凝集状态DNADNA序列序列单一序列和中度重复

18、序单一序列和中度重复序列（如组蛋白基因和列（如组蛋白基因和tRNAtRNA基因）基因）高度重复序列高度重复序列功能状态功能状态转录和翻译活跃转录和翻译活跃转录和翻译不活跃转录和翻译不活跃常染色质与异染色质的比较常染色质与异染色质的比较三、染色质的结构与装配三、染色质的结构与装配 染色质的基本结构单位染色质的基本结构单位 核小体核小体 (nucleosome)（一）染色质的一级结构（一）染色质的一级结构 - 11nm 染色质纤维染色质纤维由由核小体核小体串联组成，呈念珠状。串联组成，呈念珠状。核小体结构要点：核小体结构要点：每每个个核核小小体体单单位位包包括括约约200bp的的DNA、一一个个组

19、组蛋蛋白白八聚体核心和一个八聚体核心和一个H1组蛋白；组蛋白；八八聚聚体体由由H2A、H2B、H3、H4各各两两分分子子形形成成，构构成成核小体的核心；核小体的核心；DNA分分子子螺螺旋旋缠缠绕绕在在核核心心颗颗粒粒表表面面，每每圈圈83bp，共共1.75圈，约圈，约146bp，两端被，两端被H1锁合；锁合； 相邻核心颗粒之间为一段相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线的连接线DNA。 核小体核小体核核心心颗颗粒粒核心核心DNA连接部连接部DNA连接部连接部DNA连接部连接部核小体与核小体连接形成串珠状的染色质纤维核小体与核小体连接形成串珠状的染色质纤维（二）染色质的二级结构（二）染色质的二级

20、结构 - - 30nm 染色质纤维染色质纤维螺线管（螺线管（solenoid）：）：由由6个核小个核小体螺旋围成一圈形成，体螺旋围成一圈形成，H1组蛋白组蛋白位于内部，调节其组装与稳定。位于内部，调节其组装与稳定。螺线管侧面观螺线管侧面观螺线管顶面观螺线管顶面观（三）染色质的高级结构（三）染色质的高级结构多级螺旋模型多级螺旋模型 (multiple coiling model) 放射环模型放射环模型 (radial loop model) 多级螺旋模型多级螺旋模型一级结构：核小体一级结构：核小体二级结构：螺线管二级结构：螺线管 三级结构：超螺线管三级结构：超螺线管 （supersolenoid

21、） 四级结构：染色单体（四级结构：染色单体（chromatid）DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 超螺线管超螺线管 染色单体染色单体 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总长度可被压缩总长度可被压缩8000-10000倍。倍。非非组组蛋蛋白白构构成成染染色色体体骨骨架架 (chromosomal scaffold)，由骨架伸出的无数的，由骨架伸出的无数的DNA侧环；侧环； 放射环模型放射环模型30nm的染色质纤维的染色质纤维折叠成环折叠成环, 沿染色体沿染色体纵轴纵轴, 由中央向四周由中央向四周伸出伸出,构成放射环。构成放射环。袢环染色体支架四、染色体的结构

22、四、染色体的结构分裂中期染色体形态及结构较稳定，可作为标准。分裂中期染色体形态及结构较稳定，可作为标准。1.染色单体（染色单体（chromatid） 中期染色体含两条染色单体，又称姐妹染色单体，中期染色体含两条染色单体，又称姐妹染色单体，以着丝粒相连，由间期复制后组装形成。以着丝粒相连，由间期复制后组装形成。2. 2. 着丝粒及动粒着丝粒及动粒着丝粒（着丝粒（centromere）：）：中期染色单体相互联系在一起中期染色单体相互联系在一起的特殊部位，染色体主缢痕处，由高度重复异染色质组成。的特殊部位，染色体主缢痕处，由高度重复异染色质组成。动粒（动粒（kinetochore）：）：主缢痕两侧的

23、特化圆盘状结构，主缢痕两侧的特化圆盘状结构，与纺锤体微管相连，由蛋白构成。与纺锤体微管相连，由蛋白构成。 着丝粒着丝粒-动粒复合体（包含动粒复合体（包含3个结构域）个结构域）动粒结构域动粒结构域 (kinetochore domain)中央结构域中央结构域 (central domain)配对结构域配对结构域 (pairing domain)内板内板 (inner plate)中间间隙中间间隙 (middle space)外板外板 (outer plate)纤维冠纤维冠 (fibrouscorona)位于有些染色体短臂末端的球位于有些染色体短臂末端的球形或棒形结构，通过次缢痕与形或棒形结构，通

24、过次缢痕与短臂相连，异染色质组成，稳短臂相连，异染色质组成，稳定。定。3. 3. 次缢痕次缢痕染色体上除主缢痕外的缢缩部染色体上除主缢痕外的缢缩部位。位。4. 4. 随体随体 5. 端粒（端粒（telomere）染色体末端的特化部位，染色体末端的特化部位，由高度重复的短序列组由高度重复的短序列组成，高度保守。成，高度保守。1.1.维持染色体的稳定性，防止染色体末端粘连。维持染色体的稳定性，防止染色体末端粘连。2.2.起细胞分裂计时器的作用。染色体每复制一次，起细胞分裂计时器的作用。染色体每复制一次，端粒核苷酸减少端粒核苷酸减少50100bp50100bp，使端粒长度逐渐减少，使端粒长度逐渐减少

25、，导致衰老发生。导致衰老发生。端粒的作用：端粒的作用： 多数肿瘤细胞中存在端粒酶活性，可不断复制多数肿瘤细胞中存在端粒酶活性，可不断复制合成端粒，从而无限增殖而不衰老。正常细胞中合成端粒，从而无限增殖而不衰老。正常细胞中一般无端粒酶活性。一般无端粒酶活性。染色体各部分的名称染色体各部分的名称 随随 体体 次次 缢缢 痕痕 主主 缢缢 痕痕 端端 粒粒 长长 臂臂 短短 臂臂核型：核型：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, ,包包括括染染色色体体数数目、大小、形态特征的总和。目、大小、形态特征的总和。染色体显带技术：染色体显带技术： 染色体沿纵轴方向显示宽窄深浅不一的条

26、带。染色体沿纵轴方向显示宽窄深浅不一的条带。 根根据据染染料料及及显显色色方方法法不不同同，有有Q Q带带、G G带带、R R带带和和C C带带等。等。五、核型与带型五、核型与带型ABCDEFG第四节第四节 核核 仁仁 核仁（核仁（nucleolus） 细胞核中均质、无包膜细胞核中均质、无包膜的球形小体，一个或多个，的球形小体，一个或多个，多位于核的一侧。多位于核的一侧。 核仁是细胞中形成核核仁是细胞中形成核糖体的结构。糖体的结构。一、核仁的化学组成一、核仁的化学组成蛋白质蛋白质RNARNADNADNA微量的脂类微量的脂类占占80% ，包括核糖体蛋白、染色质，包括核糖体蛋白、染色质组蛋白和非组

27、蛋白、酶类。组蛋白和非组蛋白、酶类。二、核仁的结构二、核仁的结构 核仁相随染色质核仁相随染色质 纤维结构纤维结构 颗粒成分颗粒成分 核仁基质核仁基质 1. 核仁相随染色质核仁相随染色质核仁周围染色质：核仁周围染色质：异染色质。异染色质。核仁内染色质：核仁内染色质：常染色质，占主要部分。常染色质，占主要部分。 含含rDNA，为核仁组织者。，为核仁组织者。核仁组织者（区）核仁组织者（区）Nuclear organizer核仁内染色质上含有成串的核仁内染色质上含有成串的rRNArRNA基因，这个染色体基因，这个染色体区段称为区段称为核仁组织者核仁组织者。它们在间期时相互融合形成。它们在间期时相互融合

28、形成核仁，构成的区域称为核仁，构成的区域称为核仁组织者区核仁组织者区(NOR)(NOR)；在分；在分裂中期时存在于特定染色体的次缢痕处。裂中期时存在于特定染色体的次缢痕处。 人类的人类的rRNArRNA基因位于基因位于1313、1414、1515、2121、2222号号5 5对染色体的端对染色体的端部。部。NOR有丝分裂时核仁为什么会消失有丝分裂时核仁为什么会消失? ?染色质也称核仁骨架，与核骨架相通。也称核仁骨架，与核骨架相通。2. 纤维结构纤维结构由致密的纤维构成，主要成分是正在转录的由致密的纤维构成，主要成分是正在转录的rRNArRNA，以及核，以及核糖体蛋白和糖体蛋白和RNARNA结合

29、蛋白等。结合蛋白等。3. 颗粒成分颗粒成分直径直径15-20 nm 15-20 nm 的颗粒，是的颗粒，是rRNArRNA进一步加工成熟的区域，进一步加工成熟的区域，是是不同加工阶段的核糖体亚单位前体。不同加工阶段的核糖体亚单位前体。4. 核仁基质核仁基质三、核仁周期三、核仁周期核仁的动态变化：核仁的动态变化： 核仁随细胞周期的进行而呈现周期性变化（形成和消失）。核仁随细胞周期的进行而呈现周期性变化（形成和消失）。染色体含染色体含rDNArDNA的核仁组织区解旋和的核仁组织区解旋和伸展，重新开始形成核仁。伸展，重新开始形成核仁。间期分裂期染色质浓缩，核仁组织者区缩回染色染色质浓缩，核仁组织者区

30、缩回染色体，纤维成分和颗粒成分分散在核质体，纤维成分和颗粒成分分散在核质中，整个核仁缩小继而消失。中，整个核仁缩小继而消失。四、核仁的功能四、核仁的功能 合成合成 rRNA 装配核糖体装配核糖体1. rRNA 的合成的合成5S rRNA5.8S rRNA18S rRNA28S rRNA在核仁外染色体上合成在核仁外染色体上合成在核仁内合成在核仁内合成 位于位于NOR的的 rDNA 是是 rRNA 的信息来源。的信息来源。 形态特征形态特征：“圣诞树圣诞树”样结构。样结构。编码编码3 3种种 rRNA rRNA 的基因紧密连锁为一个转录单位的基因紧密连锁为一个转录单位多个转录单位串联为基因簇，中间

31、以一段不转录多个转录单位串联为基因簇，中间以一段不转录DNADNA相隔相隔转录时，转录时，RNARNA聚合酶沿聚合酶沿DNADNA链排列，转录好的链排列，转录好的rRNArRNA分子从聚合分子从聚合酶处伸出，沿转录方向愈近末端愈长，呈酶处伸出，沿转录方向愈近末端愈长，呈“圣诞树圣诞树”状。状。 rRNA前体的加工前体的加工rRNA 在纤维结构处合成，在纤维结构处合成，它与蛋白质形成它与蛋白质形成 RNP 复合复合体（核糖核蛋白复合体体（核糖核蛋白复合体 ），），在颗粒结构处加工。在颗粒结构处加工。45S rRNA 前体前体20S+32S18S28S5.8S+2. 核糖体的组装核糖体的组装18S

32、 rRNA40S 核糖体小亚基核糖体小亚基5S rRNA28S + 5.8S rRNA60S 核糖体大亚基核糖体大亚基核核糖糖体体的的成成熟熟作作用用只只发发生生在在转转移移到到细细胞胞质质以以后后, 从从而而阻阻止止有有功功能能的的核核糖糖体体与与核核内内加加工工不不完完全全的的hnRNA分子接近。分子接近。第五节第五节 细胞核的功能细胞核的功能 主要功能：遗传信息的贮存、复制、传递与表达。主要功能：遗传信息的贮存、复制、传递与表达。DNA 复制复制RNA 转录转录一、遗传信息的贮存一、遗传信息的贮存什么是遗传信息？什么是遗传信息？ DNA分子中碱基（核苷酸）的排列顺序。分子中碱基（核苷酸）

33、的排列顺序。基因：基因：DNADNA分子中具有一定生物功能的区段，是携分子中具有一定生物功能的区段，是携带遗传信息的结构单位，控制某一特定的性状。带遗传信息的结构单位，控制某一特定的性状。 编码：编码： mRNA 合成蛋白质合成蛋白质 tRNA、rRNA 协助合成蛋白质协助合成蛋白质 遗传信息的流动：遗传信息的流动：DNA转录转录翻译翻译RNA蛋白质蛋白质复复 制制复复 制制中心法则中心法则 Central dogmaDNADNARNARNA蛋白质蛋白质翻翻 译译转转 录录逆转录逆转录二、遗传信息的复制二、遗传信息的复制DNA复制复制 (replication)：DNA 分子在分子在 DNA

34、合成酶系的作用下，合成与自合成酶系的作用下，合成与自身分子结构相同的子代身分子结构相同的子代 DNA 的过程。的过程。复制复制亲代亲代 DNA子代子代 DNA（一）（一）DNA 复制所需的酶及蛋白质复制所需的酶及蛋白质 DNA 解旋酶：解旋酶：利用利用ATP供能，作用于氢键，供能，作用于氢键，解解开开DNA双螺旋链。双螺旋链。 DNA 单链结合蛋白：单链结合蛋白：在复制中维持模板处于单在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整链状态并保护单链的完整。 引物酶：引物酶：复制起始时催化生成复制起始时催化生成 RNA 引物的酶。引物的酶。 DNA 聚合酶聚合酶 (DNA polymerase, D

35、NA-pol)： 原核细胞原核细胞 DNA 聚合酶聚合酶 I、II、III 真核细胞真核细胞 DNA 聚合酶聚合酶 、。活性：活性：1. 53 聚合活性聚合活性2. 53 核酸外切酶活性核酸外切酶活性3. 35 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 (DNA 聚合酶聚合酶 I & DNA 聚合酶聚合酶 )53 DNA 聚合活聚合活性性 5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 3 5 5 外切酶活性外切酶活性 5 5 3 3 外切酶活性外切酶活性?切除切除RNA引物、突变

36、的引物、突变的DNA片段等。片段等。辨认错配的碱基对，并将其水解。辨认错配的碱基对，并将其水解。核酸外切酶活性核酸外切酶活性 连接酶：连接酶：催化相邻催化相邻 DNA 片段间的片段间的3- OH 与与 5- PO4 间形成磷酸二酯键，从而使间形成磷酸二酯键，从而使 DNA 片段连接在一起。片段连接在一起。DNA连接酶连接酶ATPADPHO53533553 端粒酶：端粒酶：在在 DNA 复制终止时发挥作用的一种酶，复制终止时发挥作用的一种酶，由由RNA与与具有反转录酶活性的蛋白质具有反转录酶活性的蛋白质组成。组成。功能：功能：以自带以自带RNA片段为模板，催化补齐片段为模板，催化补齐DNA端粒端

37、粒末端的重复序列，避免末端的重复序列，避免DNA在复制中逐渐缩短。在复制中逐渐缩短。普通的正常细胞中无端粒酶活性。普通的正常细胞中无端粒酶活性。（二）（二）DNA 复制的特性复制的特性1 1、半保留性、半保留性复制形成的子代复制形成的子代DNA中，一条单链来自亲代模板中，一条单链来自亲代模板DNA，另一条单链则为完全重新合成的互补链。这，另一条单链则为完全重新合成的互补链。这种复制方式称为种复制方式称为半保留复制半保留复制。AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCC

38、ACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链母链DNA 复制过程中形成复制过程中形成的复制叉的复制叉子代子代DNA 35引物引物酶酶两条两条DNA单链的复制从固定起点开始，向两侧相单链的复制从固定起点开始，向两侧相反方向推进（各自分别沿新合成链的反方向推进（各自分别沿新合成链的5 3方向）。方向）。2 2、双向性、双向性复制叉复制叉(replication fork)3 3、多起点性多起点性 真核生物真核生物 DNA 复制有多个起始点。复制有多个起始点。 习惯上把具有一个习惯上把具有一个DNA复制起点的复制单位称为复制起点的复制单位

39、称为复制子复制子 (replicon) 。 因此真核生物的因此真核生物的DNA 复制是多复制子的双向复制复制是多复制子的双向复制，最终互相连接。，最终互相连接。4 4、不连续性、不连续性 DNA 聚合酶催化聚合酶催化 DNA 链合成方向：链合成方向： 5 3553复制子复制子33 5 3 5 解链方向解链方向35335前导链前导链 (leading strand)后随链后随链 (lagging strand)RNA引物引物前前导导链链 (leading strand)：合合成成方方向向同同复复制制叉叉推推进进方向一致，连续合成。方向一致，连续合成。后后随随链链 (lagging strand)

40、：合合成成方方向向同同复复制制叉叉推推进进方向相反，短片段、不连续合成。方向相反，短片段、不连续合成。 复复制制中中的的不不连连续续片片段段称称为为岡岡崎崎片片段段(okazaki fragment)。 5 5、不同步性、不同步性不同复制子在复制时间上存在差异。不同复制子在复制时间上存在差异。常染色质复制早于异染色质。常染色质复制早于异染色质。复复制制过过程程简简图图引物酶引物酶前导链前导链三、遗传信息的转录三、遗传信息的转录转录转录 (transcription)： 以以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 。 转转录录RNADNA DNA双链中作为转录模板的一股单链称为双链中作为转

41、录模板的一股单链称为模板链模板链 (template strand)，也称作，也称作反义链反义链 (antisense strand)。相对的另一股互补单链，其碱基序列与。相对的另一股互补单链，其碱基序列与转录产物相同，称为转录产物相同，称为编码链编码链 (coding strand)，也，也称为称为有义链有义链。5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链转录方向转录方向转录方向转录方向复制和转录的区别复制和转录的区别 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合

42、酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制（一）转录的基本过程（一）转录的基本过程 起始、延长、终止起始、延长、终止1.1.转录的起始转录的起始 原核生物的原核生物的R

43、NA聚合酶：聚合酶：4种亚基种亚基, , , 。 其中其中 亚基亚基识别转录起始点，称为转录的识别转录起始点，称为转录的起始因子起始因子。核心酶核心酶全酶全酶 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶( 3种种)：RNA 聚合酶聚合酶 I、II、III. 亚基种类多，结构复杂。亚基种类多，结构复杂。种类种类IIIIII分布分布核仁核仁核基质核基质核基质核基质产物产物45S rRNAhnRNA5S rRNA、tRNA前体前体对鹅膏蕈对鹅膏蕈碱的反应碱的反应不敏感不敏感极敏感极敏感中度敏感中度敏感启动子启动子 (promoter) ：RNA聚合酶开始结合于模板聚合酶开始结合于模板 DNA 的部位。的

44、部位。注意区分：注意区分：启动子启动子是模板是模板 DNA 上最开始与上最开始与 RNA 聚合酶结合的一段聚合酶结合的一段 DNA 序列；序列；转录的转录的起始因子起始因子是是RNA聚合酶上的一个蛋白质亚基聚合酶上的一个蛋白质亚基 。 原核细胞中原核细胞中RNA聚合酶结合启动子：聚合酶结合启动子：TATAATGATATTAC启动子识别部位启动子识别部位 启动子结合部位启动子结合部位(Pribnow box)转录起始因子转录起始因子 亚基识别亚基识别启动子识别部位，启动子识别部位，并介导并介导RNA聚合酶全酶结合于聚合酶全酶结合于启动子结合部位启动子结合部位，从而启动转录。，从而启动转录。 真核

45、细胞中真核细胞中RNA聚合酶结合的启动子：聚合酶结合的启动子： 3 种种RNA聚合酶分别识别各自的启动子序列。聚合酶分别识别各自的启动子序列。RNA聚合酶聚合酶 II 的启动子的启动子 TATA 框框 CAAT 框框-CAAT-TATA转录起始点转录起始点- 26 30 bp-75 bp 结构基因结构基因RNA聚合酶结合聚合酶结合部位，控制转录部位，控制转录起始的精确性。起始的精确性。与与RNA聚合聚合酶结合，控酶结合，控制转录起始制转录起始的频率。的频率。转录因子转录因子 (transcription factor, TF)：转录过程中转录过程中与与DNA特殊序列结合从而调控转录进程的蛋白质

46、。特殊序列结合从而调控转录进程的蛋白质。 在真核细胞中，只有当启动子的在真核细胞中，只有当启动子的DNA序列上结合序列上结合一个或多个特异的一个或多个特异的DNA结合蛋白时，才成为有功能结合蛋白时，才成为有功能的启动子，可被聚合酶所识别。的启动子，可被聚合酶所识别。 RNA聚合酶聚合酶转录因子转录因子启动子启动子真核细胞中真核细胞中RNA聚合酶与启动子的结合需要转录因子聚合酶与启动子的结合需要转录因子参与。参与。转录因子：转录因子： TF II B TF II D TF II E TF II S- RNA pol- TATA框框形成复合物，启动转录。形成复合物，启动转录。促进转录延伸。促进转录

47、延伸。2.2.转录的延伸转录的延伸原核细胞中：原核细胞中：转录起始后，转录起始后， 亚基从全酶上脱落，核心酶沿模板链亚基从全酶上脱落，核心酶沿模板链移动，移动，RNA链沿链沿 5 3方向延长。方向延长。真核细胞中：真核细胞中：转录延长过程与原核细胞大致相似，转录延长过程与原核细胞大致相似， 转录因子转录因子 TF II E 与与 TF II S 有促进延长的作用。有促进延长的作用。3.3.转录的终止转录的终止RNA 聚合酶在聚合酶在 DNA 模板上移动到终止位点，停模板上移动到终止位点，停止作用，产物止作用，产物 RNA 链从模板上脱落。链从模板上脱落。 依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止非

48、依赖非依赖 因子的转录终止因子的转录终止原核细胞中的转录终止原核细胞中的转录终止依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止因子识别因子识别 DNA 上终止序列并与之结合上终止序列并与之结合当当 RAN pol 移至终止位点，与移至终止位点，与因子结合因子结合RAN 链脱离模板，转录终止链脱离模板，转录终止非依赖非依赖 因子的转录终止因子的转录终止DNA 模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出转录出 RNA 后，后，RNA 产物局部形成发夹结构，产物局部形成发夹结构，引起转录终止。引起转录终止。5pppG5 3 3 5 RNA-pol（二）转录后的加工（二）

49、转录后的加工DNA 分子上转录出分子上转录出 RNA 的区段，称为的区段，称为结构基因结构基因 (structural gene)。 真核细胞的结构基因一般是不连续的，称为真核细胞的结构基因一般是不连续的，称为断断裂基因（裂基因（split gene），由编码蛋白质的序列和非，由编码蛋白质的序列和非编码蛋白质的序列构成。编码蛋白质的序列构成。CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron) 外显子外显子断裂基因上可编码蛋白质，表达为成熟断裂基因上可编码蛋白质，表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。内含子内含子在断裂基因中出现在外显子

50、之间，在剪接过在断裂基因中出现在外显子之间，在剪接过程中被除去的核酸序列，不参与编码蛋白质。程中被除去的核酸序列，不参与编码蛋白质。1.1.原核细胞中转录后的加工原核细胞中转录后的加工 mRNA：不需剪切加工。不需剪切加工。 tRNA：切除切除5及及3端点附加序列，在端点附加序列，在3端附加端附加CCA序列，对特定碱基进行化学修饰。序列，对特定碱基进行化学修饰。 rRNA：将将 rRNA 前体剪切成前体剪切成5S、16S、23S rRNA。原核细胞的结构基因是连续的，不含内含子原核细胞的结构基因是连续的，不含内含子 。（1）mRNA 前体的加工前体的加工2.2.真核细胞中转录后的加工真核细胞中

51、转录后的加工核不均一核不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA, hnRNA）成熟的成熟的mRNA戴戴戴戴 帽帽帽帽剪剪剪剪 接接接接加加加加 尾尾尾尾 戴戴 帽帽在在hnRNA 5 端加上端加上帽子结构帽子结构，即，即 7- 甲基鸟嘌呤核甲基鸟嘌呤核苷苷- 5- 三磷酸鸟苷三磷酸鸟苷 (m7GpppG) 。在在hnRNA 合成到合成到30个核苷酸时开始形成。个核苷酸时开始形成。作用：作用： 封闭封闭 hnRNA 5端，稳定端，稳定 hnRNA，防其被降解；，防其被降解； 为核糖体小亚基识别位点，帮助为核糖体小亚基识别位点，帮助 mRNA与核糖体与核糖体小亚基结合。小亚

52、基结合。鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶甲基化酶甲基化酶 加加 尾尾在在3 端加上含端加上含100200个个A的多聚腺苷酸尾巴的多聚腺苷酸尾巴(poly A tail) 。 作用：作用：稳定稳定mRNA, 并帮助其由核输出至胞质。并帮助其由核输出至胞质。AAUAAAAAUAAA 剪剪 接接切除切除 hnRNA中的内含子，拼接外显子。中的内含子，拼接外显子。剪接信号剪接信号剪接体剪接体互相识别互相识别保证精确剪接保证精确剪接 内含子内含子 5端端 的的GC，3端的端的AG 剪切位点剪切位点 内含子内含子3端上游端上游 UACUAAC 序列中的序列中的A 分支点、交叉点分支点、交叉点小分子小分子 RNA：

53、U1- U6(small nuclear RNA, snRNA)核内的蛋白质核内的蛋白质小分子核糖核蛋白颗粒小分子核糖核蛋白颗粒（small nuclear ribonucleoprotein particle, snRNP）剪接体剪接体: :U1 snRNP、 U2 snRNP U6 snRNP剪接过程剪接过程 U1 snRNP 结合结合 5 剪切位点剪切位点；U2 snRNP 结合结合 分支点分支点。 U4、U5、U6 snRNP 以复合体形式结以复合体形式结合于内含子，形成剪接合于内含子，形成剪接体。体。 分支点上的分支点上的A向向5端端剪接点靠近。剪接点靠近。内含子与外显子在内含子与外

54、显子在5端剪接点处断开，断开端剪接点处断开，断开的内含子的内含子5端与端与A相连，相连，形成形成套索状套索状结构。结构。5端外显子的端外显子的3-OH与与3端外显子的端外显子的5-PO4结合，内含子结合，内含子3剪切点剪切点被切除。被切除。剪切体及套索结构脱剪切体及套索结构脱离，剪接过程结束。离，剪接过程结束。 剪切过程中需要剪切过程中需要ATPATP提供能量。提供能量。U6U6U5U5U2U2U1U15 5 3 3 U4/U6U4/U6U5U5U2U2U1U15 5 3 3 前体前体前体前体mRNAmRNA5 5 3 3 55端剪端剪端剪端剪 接位点接位点接位点接位点55端剪端剪端剪端剪 接

55、位点接位点接位点接位点分支位点分支位点分支位点分支位点U5,U4/U6U5,U4/U6剪接体剪接体剪接体剪接体 装配装配装配装配33外显子序列外显子序列外显子序列外显子序列55外显子序列外显子序列外显子序列外显子序列内含子序列内含子序列内含子序列内含子序列U4U4形成套索形成套索形成套索形成套索 切割剪接位点切割剪接位点切割剪接位点切割剪接位点HOHOOHOH成熟成熟成熟成熟mRNAmRNA5 5 3 3 U6U6U5U5U2U2U1U1切除的内含子套索切除的内含子套索切除的内含子套索切除的内含子套索 切割切割切割切割3 3 3 3 剪接位点剪接位点剪接位点剪接位点 连接外显子序列连接外显子序

56、列连接外显子序列连接外显子序列剪接体的结构和前体剪接体的结构和前体剪接体的结构和前体剪接体的结构和前体mRNAmRNA的剪接的剪接的剪接的剪接 第三节第三节第三节第三节 转录转录转录转录基因表达的核心步骤基因表达的核心步骤基因表达的核心步骤基因表达的核心步骤GUGUAGAGA AU1 snRNPU1 snRNPU2 snRNPU2 snRNPhnRNAhnRNA的选择性剪接的选择性剪接234561234123561（2）rRNA 前体的加工前体的加工转录转录 (RNA pol I)45S rRNA前体前体18S rRNA28S rRNArDNA内含子内含子内含子内含子28S5.8S18S剪接剪

57、接5.8S rRNA5S rRNA（3）tRNA 前体的加工前体的加工tRNA前体前体RNA pol DNARNase P核酸内切酶核酸内切酶前前导导序序列列内含子内含子tRNA核苷酸转移酶核苷酸转移酶转运转运Aa的结的结合位点合位点其它碱基修饰其它碱基修饰（三）转录的调节（三）转录的调节真核细胞中转录调节的主要方式真核细胞中转录调节的主要方式 - 基因附近的基因附近的 DNA 序列与相关的序列与相关的 DNA 结合蛋白结合，促进或结合蛋白结合，促进或抑制靶基因的转录。抑制靶基因的转录。 顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）：对基因转对基因转录有调节活性的录有调节

58、活性的DNA序列序列。 反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor）：与顺式作与顺式作用元件结合的用元件结合的蛋白质蛋白质，又称，又称转录因子转录因子。 顺式作用元件顺式作用元件启动子：启动子：包括包括TATA框框、CAAT框及框及GC框框（GGGCGG）等；）等；增强子：增强子：能增强启动子功能活性、加速基因转录能增强启动子功能活性、加速基因转录的的DNA序列，位置比较自由（可位于基因上下游、序列，位置比较自由（可位于基因上下游、或内含子中，距离可远可近）。或内含子中，距离可远可近）。 由多个由多个增强体增强体组成。组成。沉默子：沉默子：与增强子作用相反的负性调控元件

59、，阻与增强子作用相反的负性调控元件，阻遏基因转录。遏基因转录。转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增强子增强子顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)转录终止点转录终止点 外显子外显子 内含子内含子 启动子启动子沉默子沉默子 反式作用因子反式作用因子 通用（基本）转录因子：通用（基本）转录因子：结合启动子结合启动子TATA框，框，帮助帮助RNA pol与启动子结合，参与转录启动。与启动子结合，参与转录启动。 在在3种种RNA pol间通用。间通用。 特定转录因子：特定转录因子：与特定顺式作用元件结合，调节与特定顺式作用元件结合，调节特定基因的转录。特定

60、基因的转录。 转录激活因子：转录激活因子：多为增强子结合蛋白；多为增强子结合蛋白； 转录抑制因子：转录抑制因子：多为沉默子结合蛋白，或通过结多为沉默子结合蛋白，或通过结合激活因子等抑制基因的表达。合激活因子等抑制基因的表达。 反式作用因子在结构上一般具有反式作用因子在结构上一般具有DNA结合域结合域、转转录激活域录激活域、其他蛋白结合域其他蛋白结合域三个功能域；三个功能域； DNA结合域以结合域以非组蛋白形成不同非组蛋白形成不同结构模式结构模式： 锌指结构锌指结构(Zinc finger)螺旋螺旋-转角转角-螺旋结构螺旋结构(helix-turn-helix motif) 亮氨酸拉链基序亮氨酸

61、拉链基序(Lencine zipper motif，ZIP)螺旋螺旋-环环-螺旋结构螺旋结构 (helix-loop-helix motif，HLH)螺旋螺旋- -环环- -螺旋螺旋亮氨酸拉链亮氨酸拉链螺旋螺旋- -转角转角- -螺旋螺旋锌指锌指思考题（一）1 1、解释并区别下列名词：、解释并区别下列名词： 着丝粒与动粒着丝粒与动粒 主缢痕与次缢痕主缢痕与次缢痕 核小体与核心颗粒核小体与核心颗粒 端粒与随体端粒与随体 染色质与染色体染色质与染色体 核仁与核仁组织区核仁与核仁组织区 核骨架与细胞骨架核骨架与细胞骨架 外显子与内含子外显子与内含子 转录因子与启动子与转录的起始因子转录因子与启动子与转录的起始因子 顺式作用元件与反式作用因子顺式作用元件与反式作用因子 前导链与后随链前导链与后随链 断裂基因断裂基因 增强子增强子2 2、简述染色质的化学组成。、简述染色质的化学组成。 3 3、简述染色体的两种结构模型。、简述染色体的两种结构模型。4 4、简述核仁的超微结构和功能。、简述核仁的超微结构和功能。5 5、简述、简述 DNA DNA 复制过程中参与的酶类及其主要过程。复制过程中参与的酶类及其主要过程。6 6、复制和转录有何区别？、复制和转录有何区别？7 7、真核生物、真核生物 mRNA mRNA 的转录后加工包括哪些内容？的转录后加工包括哪些内容？思考题（二）