第十章細(xì)胞核與染色體

1、第十章 細(xì)胞核與染色體1781年Trontana發(fā)現(xiàn)于魚類細(xì)胞，1831年，Brown發(fā)現(xiàn)于植物。成熟的植物篩管和哺乳類紅細(xì)胞沒有細(xì)胞核。在原核細(xì)胞中，DNA集中，但無核膜包圍，故稱擬核（nucleiod）。核一般呈圓形，但因生物的種類而異。在旺盛分裂的組織中，核呈圓形，在長形細(xì)胞中多呈橢圓形，在扁平細(xì)胞中多為扁圓形，在蛾蝶類的絲腺細(xì)胞中為分枝狀，在胚乳細(xì)胞中呈網(wǎng)狀。細(xì)胞核的大小與細(xì)胞大小有關(guān)，最小的核直徑不足1m，而最大的核如蘇鐵科某些植物卵細(xì)胞核直徑可達(dá)500600m。植物細(xì)胞核的直徑通常在14m左右，動物為10m左右。在同一種生物，由于遺傳物質(zhì)的含量是恒定的，因此核的大小也比較恒定。常以

2、核質(zhì)比來估算核的大小NP0.5，分裂期細(xì)胞NP>0.5，衰老細(xì)胞NP<0.5。通常一個細(xì)胞一個核，肝細(xì)胞和心肌細(xì)胞可有雙核，破骨細(xì)胞可有650個細(xì)胞核，骨骼肌細(xì)胞可有數(shù)百個核；高等植物的氈絨層可有24個核。正在生長的細(xì)胞中，核位于細(xì)胞中央，在分化成熟的細(xì)胞中，常因細(xì)胞內(nèi)含物或特殊結(jié)構(gòu)的存在，核被擠到邊緣。細(xì)胞核的主要結(jié)構(gòu)包括：核被膜（nuclear envelope）、核仁（nucleolus）、核基質(zhì)（nuclear matrix）、染色質(zhì)（chromatin）、核纖層（nuclear lamina）等部分（圖10-1）。圖10-1 細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)，n為核仁，N為常染色質(zhì)細(xì)胞核的主

3、要功能有兩個方面：遺傳和發(fā)育。前者表現(xiàn)為通過DNA染色體的復(fù)制和細(xì)胞分裂，維持物種的世代連續(xù)性。后者表現(xiàn)為通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)的時空順序，控制細(xì)胞的分化，完成個體發(fā)育的使命。第一節(jié) 核被膜與核孔復(fù)合物是包在核外的雙層膜結(jié)構(gòu)。它將DNA與細(xì)胞質(zhì)分隔開，形成核內(nèi)特殊的微環(huán)境，保護(hù)DNA分子免受損傷；使 DNA的復(fù)制和RNA的翻譯表達(dá)在時空上分隔開來；此外染色體定位于核膜上，有利于解旋、復(fù)制、凝縮、平均分配到子核，核被膜還是核質(zhì)物質(zhì)交換的通道。一、核被膜是雙層膜結(jié)構(gòu)核被膜由內(nèi)核膜（inner nuclear membrane）、外核膜（outer nuclear membrane）和核周隙（perinu

4、clear space）三部分構(gòu)成。核被膜上有核孔與細(xì)胞質(zhì)相通（圖12-2、3）。外核膜胞質(zhì)面附有核糖體，并與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連，核周隙與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通，可以說是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一部分。外核膜上附著10nm的中間纖維intermediate filament，可見核是被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和中間纖維相對固定的。核周隙寬2040nm，腔內(nèi)電子密度低，一般不含固定的結(jié)構(gòu)。內(nèi)核膜的內(nèi)表面有一層網(wǎng)絡(luò)狀纖維蛋白質(zhì)，叫核纖層（nuclear lamina），可支持核膜（圖10-3、4）。圖10-2 核被膜的TEM照片圖10-3 核被膜的結(jié)構(gòu)核纖層由核纖肽（lamin）構(gòu)成，核纖肽分子量約6080KD，是一類中間纖維，在哺乳類和鳥類中可分

5、為A、B兩型。核纖層的作用有以下兩個方面：1保持核的形態(tài)：是核被膜的支架，用高鹽溶液、非離子去污劑和核酸酶去除大部分核物質(zhì)，剩余的核纖層仍能維持核的輪廓。此外，核纖層與核骨架以及穿過核被膜的中間纖維相連，使胞質(zhì)骨架和核骨架形成一連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2參與染色質(zhì)和核的組裝：核纖層在細(xì)胞分裂時呈現(xiàn)出周期性的變化，在間期核中，核纖層提供了染色質(zhì)（異染色質(zhì)）在核周邊錨定的位點(diǎn)。在前期結(jié)束時，核纖層被磷酸化，核膜解體。其中B型核纖肽與核膜殘余小泡結(jié)合，A型溶于胞質(zhì)中。在分裂末期，核纖肽去磷酸化重新組裝，介導(dǎo)了核膜的重建。圖10-4 核纖層結(jié)構(gòu)二、核孔是物質(zhì)運(yùn)輸?shù)耐ǖ篮丝资羌?xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間物質(zhì)交換的通道，一方

6、面核的蛋白都是在細(xì)胞質(zhì)中合成的，通過核孔定向輸入細(xì)胞核，另一方面細(xì)胞核中合成的各類RNA、核糖體亞單位需要通過核孔運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)。此外注射實(shí)驗(yàn)證明，小分子物質(zhì)能夠以自由擴(kuò)散的方式通過核孔進(jìn)入細(xì)胞核。核孔由至少50種不同的蛋白質(zhì)（nucleoporin）構(gòu)成，稱為核孔復(fù)合體（nuclear pore complex，NPC）。一般哺乳動物細(xì)胞平均有3000個核孔。細(xì)胞核活動旺盛的細(xì)胞中核孔數(shù)目較多，反之較少。如蛙卵細(xì)胞每個核可有37.7X106個核孔，但其成熟后細(xì)胞核僅150300個核孔。圖10-5 抽提后核孔核質(zhì)面的結(jié)構(gòu)在電鏡下觀察，核孔是呈圓形或八角形（圖10-4、5），一般認(rèn)為其結(jié)構(gòu)如fish

7、-trap，主要包括以下幾個部分：胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmic ring），位于核孔復(fù)合體胞質(zhì)一側(cè)，環(huán)上有8條纖維伸向胞質(zhì)；核質(zhì)環(huán)（nuclear ring），位于核孔復(fù)合體核質(zhì)一側(cè)，上面伸出8條纖維，纖維端部與端環(huán)相連，構(gòu)成籠子狀的結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)運(yùn)器（transporter），核孔中央的一個栓狀的中央顆粒；輻（Spoke）：核孔邊緣伸向核孔中央的突出物（圖10-6）。圖10-6 核孔結(jié)構(gòu)模型三、通過核孔的物質(zhì)運(yùn)輸與信號序列有關(guān)1982年R. Laskey發(fā)現(xiàn)核內(nèi)含量豐富的親核蛋白（nucleoplasmin）的C端有一個信號序列，可引導(dǎo)蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核（圖10-7），稱作核定位信號（nuclea

8、r localization signal，NLS）。第一個被確定的NLS是病毒SV40的T抗原，它在胞質(zhì)中合成后很快積累在核中。其NLS為：pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val，即使單個氨基酸被替換，亦失去作用。圖10-7 金標(biāo)記的親核穿越核孔NLS由4-8個氨基酸組成，含有Pro、Lys和Arg。對其連接的蛋白質(zhì)無特殊要求，并且完成核輸入后不被切除。Karyopherin是一類與核孔選擇性運(yùn)輸有關(guān)的蛋白家族，相當(dāng)于受體蛋白。其中imporin負(fù)責(zé)將蛋白從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)進(jìn)細(xì)胞核，exportin負(fù)責(zé)相反方向的運(yùn)輸。通過核孔復(fù)合體的轉(zhuǎn)運(yùn)還涉及Ran蛋白，Ran是一種G蛋白，

9、調(diào)節(jié)貨物受體復(fù)合體的組裝和解體，在細(xì)胞核內(nèi)Ran-GTP的含量遠(yuǎn)高于細(xì)胞質(zhì)。親核蛋白向細(xì)胞核的輸入可描述如下：蛋白與NLS受體，即imporin /二聚體結(jié)合；貨物與受體的復(fù)合物與NPC胞質(zhì)環(huán)上的纖維結(jié)合；纖維向核彎曲，轉(zhuǎn)運(yùn)器構(gòu)象發(fā)生改變，形成親水通道，貨物通過；貨物受體復(fù)合體與Ran-GTP結(jié)合，復(fù)合體解散，釋放出貨物；與Ran-GTP結(jié)合的imporin ，輸出細(xì)胞核，在細(xì)胞質(zhì)中Ran結(jié)合的GTP水解，Ran-GDP返回細(xì)胞核重新轉(zhuǎn)換為Ran-GTP；imporin 在核內(nèi)exportin的幫助下運(yùn)回細(xì)胞質(zhì)（圖10-8）。圖10-8 親核蛋白輸入細(xì)胞核的過程對細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的大分子輸出了解較少，大多數(shù)情況下，細(xì)胞核內(nèi)的RNA是與蛋白質(zhì)形成RNP復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞核的。