第六章細胞核

第六章細胞核THECELLNUCLEUS細胞核是真核細胞中最大、最重要的細胞器，是細胞遺傳與代謝等生命活動的調(diào)控中心。1781年Trontana發(fā)現(xiàn)于魚類細胞；1831年，Brown發(fā)現(xiàn)于植物。除哺乳動物的成熟紅細胞和高等植物的成熟篩管外，真核細胞都含有細胞核。真核細胞如果失去細胞核，其生命活動非常有限，很快會死亡形狀：圓形，胚乳細胞(網(wǎng)狀）蝶類絲腺細胞(分支狀)。位置：細胞中央，成熟植物細胞的邊緣。數(shù)目：通常一個，成熟的篩管和紅細胞（0）、肝細胞、心肌細胞(1-2）、破骨細胞(6~50）、骨骼肌細胞(數(shù)百）、植物氈絨層細胞(2~4)。結(jié)構(gòu)：①核被膜、②核仁、③核基質(zhì)、④染色質(zhì)、⑤核纖層。功能：①遺傳、②發(fā)育。第一節(jié)細胞核的形態(tài)一、細胞核的形態(tài)、位置和數(shù)目二、核質(zhì)比大?。褐参?~4μm，動物10μm。常以核質(zhì)比來估算核的大小。正常細胞NP≈0.5，分裂期細胞NP>0.5，衰老細胞NP<0.5。其中:Vn=細胞核的體積，Vc=細胞的體積Nucleus

structure第二節(jié)核被膜

Nuclearenvelope

核被膜是雙層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成：①內(nèi)核膜（innernuclearmembrane）②外核膜（outernuclearmembrane）③核周隙（perinuclearspace）

一、外核膜：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一部分，胞質(zhì)面附有核糖體。有些部位與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連，被認為是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的特化區(qū)域二、內(nèi)核膜：稍厚，表面光滑，緊貼其內(nèi)表面有一層纖維網(wǎng)絡(luò)，稱核纖層。三、核周隙：寬20~40nm，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通，內(nèi)含多種蛋白質(zhì)和酶。Thenuclearenvelope四、核纖層：位于內(nèi)核膜的內(nèi)表面的纖維網(wǎng)絡(luò)，可支持核膜，并與染色質(zhì)及核骨架相連。核纖層由核纖肽（lamin）構(gòu)成，核纖肽一類中間纖維，分為A、B兩型。作用：1．保持核的形態(tài)：2．參與染色質(zhì)和核的組裝：核纖層在細胞分裂時呈現(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。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。Lamins五、核孔復(fù)合體

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（nuclearporecomplex，NPC）。一般哺乳動物細胞平均有3000個核孔。細胞核活動旺盛的細胞中核孔數(shù)目較多，反之較少。在電鏡下觀察，核孔是呈圓形或八角形，現(xiàn)在一般認為其結(jié)構(gòu)主要核孔、孔環(huán)顆粒、邊圍顆粒、中央顆粒組成，如fish-trap。Cytoplasmicface

cytoplasmicparticlesNuclearface

basketinnercomplexTheNuclearPore內(nèi)核膜外核膜中央顆粒核定位信號（nuclearlocalizationsignal，NLS）：引導(dǎo)蛋白質(zhì)進入細胞核的一段信號序列。受體為importin。第一個被確定的NLS是病毒SV40的T抗原，序列為：pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val。NLS對連接的蛋白質(zhì)無特殊要求，完成輸入后不被切除。核輸出信號（nuclearexportsignal,NES），引導(dǎo)RNP輸出細胞核，受體為exportin。Ran蛋白，一類G蛋白，調(diào)節(jié)貨物復(fù)合體的解體或形成。通過核孔的物質(zhì)運輸與信號序列有關(guān)ProcessofNuclearImportColloidalgoldlabeledNucleoplasminweretransportedintonucleus.Mitochondrion第二節(jié)、染色體1848年，Hofmeister發(fā)現(xiàn)于鴨跖草的小孢子母細胞。1879年，W.Flemming提出染色質(zhì)Chromatin，用于描述細胞核中能被堿性染料著色的物質(zhì)。1888年，Waldeyer提出人類染色體的命名（Chromosome）。一、染色質(zhì)的化學(xué)組成組成：DNA、組蛋白、非組蛋白、少量RNA比例：1:1:(1-1.5):0.05。１、DNA3種序列：①單一序列；②中度重復(fù)序列（101~5）；③高度重復(fù)序列（>105）。3種特殊的序列：①自主復(fù)制序列(ARS)，是DNA復(fù)制的起點。②著絲粒序列(CEN)，是復(fù)制完成后兩條姐妹染色單體的連接部位③端粒序列(TEL)。存在于染色體ＤＮＡ的兩端，是染色體穩(wěn)定的必要條件之一，富含Ｇ。Threekeyregionsofachromosome帶正電荷，含Arg，Lys，屬堿性蛋白，共5種，分為：核心組蛋白（corehistone）：H2A、H2B、H3、H4；連接組蛋白（linkerhistone）：H1。結(jié)構(gòu)：高度保守，尤其是H4。核心組蛋白由球形部和尾部構(gòu)成，球形部借Arg與磷酸二脂骨架間的靜電作用使DNA分子纏繞在組蛋白核心上，形成核小體，尾部含有大量Arg和Lys，為組蛋白轉(zhuǎn)譯后進行修飾的部位。H1多樣性，具有屬(genus)和組織特異性。（１）組蛋白２、蛋白質(zhì)序列特異性DNA結(jié)合蛋白。特性：含有較多天冬氨酸、谷氨酸，帶負電荷，屬酸性蛋白質(zhì)。整個細胞周期都進行合成，組蛋白只在S期合成。能識別特異的DNA序列，識別與結(jié)合籍氫鍵和離子鍵。功能：幫助DNA折疊；協(xié)助DNA復(fù)制；調(diào)節(jié)基因表達。（２）非組蛋白（３）ＲＮＡ二、染色質(zhì)的組裝人體的一個細胞核中有23對染色體，每條染色體的DNA雙螺旋若伸展開，平均長為5cm，核內(nèi)全部DNA連結(jié)起來約1.7~2.0m。nucleosomes(10nm)condensedform(30nm)二、染色體的組裝核小體（nucleosome）：一種串珠狀結(jié)構(gòu)，由核心顆粒和連結(jié)線DNA兩部分組成，通過酶消化實驗建立。①每個核小體單位包括約200bp的DNA、一個組蛋白核心和一個H1；②由H2A、H2B、H3、H4各兩分子形成八聚體，構(gòu)成核心顆粒；③DNA分子以左手螺旋纏繞在核心顆粒表面，每圈80bp，共1.75圈，約146bp，兩端被H1鎖合；④相鄰核心顆粒之間為一段60bp的連接線DNA。通過核小體，DNA長度壓縮7倍，形成11nm的纖維。1、核小體（染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)）2、螺線管（染色質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)）

：但是在電鏡下觀察，大多染色質(zhì)是以一種直徑30nm的纖維形式存在，這種纖維的形成有兩種解釋：①由核小體螺旋化形成，每6個核小體繞一圈，長度壓縮6倍；②由核小體纖維Z字形折疊而成，長度壓縮40倍。solenoid3、超螺線管（染色質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)）

30nm的螺線管進一步盤繞，即成超螺線管，管的直徑為400nm,該結(jié)構(gòu)為染色質(zhì)的三級結(jié)構(gòu),DNA又壓縮了近40倍4、染色單體（染色質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)）超螺線管經(jīng)過再一次折疊，可形成染色單體，DNA的長度再次被壓縮近40倍，最后形成的染色單體長為2~10微米，至此，DNA長度壓縮了8000~10000倍，核小體串聯(lián)纖維染色質(zhì)袢環(huán)伸展段落30nm染色質(zhì)纖維DNA雙螺旋中期染色體染色質(zhì)袢環(huán)伸展段落染色質(zhì)袢環(huán)濃縮段落三、異染色質(zhì)和常染色質(zhì)間期核中染色質(zhì)可分為異染色質(zhì)（heterochromatin）和常染色質(zhì)（enchromatin）。異染色質(zhì)的特點：①在間期核中處于凝縮狀態(tài)，無轉(zhuǎn)錄活性、是遺傳惰性區(qū)。②在細胞周期中表現(xiàn)為晚復(fù)制、早凝縮（異固縮現(xiàn)象）。③分為兩類：結(jié)構(gòu)（恒定）異染色質(zhì)（constitutiveheterochromatin）、多位于著絲粒區(qū)域、端粒、和染色體臂的次縊痕區(qū)，含重復(fù)序列DNA。兼性（功能）異染色質(zhì)（facultativeheterochromatin）：指在一定的細胞類型或在一定的發(fā)育階段，原來的常染色質(zhì)凝集，并喪失基因轉(zhuǎn)錄活性而轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾旧|(zhì)。在一定條件下，兼性異色質(zhì)又可以向常染色質(zhì)轉(zhuǎn)變巴氏小體（barrbody）。雌性哺乳動物細胞中一條異固縮化的X染色體。人的胚胎發(fā)育到16天以后，出現(xiàn)巴氏小體。barrbody四、染色體一、染色體相關(guān)的術(shù)語隨體次縊痕主縊痕端粒長臂短臂端粒（telomere）：由高度重復(fù)的短序列組成，高度保守。作用：維持染色體的穩(wěn)定性。起細胞分裂計時器的作用。端粒核苷酸復(fù)制和基因DNA不同，每復(fù)制一次減少50~100bp，其復(fù)制要靠具有反轉(zhuǎn)錄酶性質(zhì)的端粒酶來完成，正常體細胞缺乏此酶，故隨細胞分裂而變短，細胞隨之衰老。性細胞染色體為單倍體（haploid），用n表示;體細胞為2倍體（diploid）以2n表示，還有一些物種的染色體成倍增加成為4n、6n、8n等，稱為多倍體。染色體的數(shù)目因物種而異，如人類2n=46，黑猩猩2n=48，果蠅2n=8，家蠶2n=56，小麥2n=42，水稻2n=24，洋蔥2n=16.（二）染色體的數(shù)目著絲粒（centromere）和著絲點（kinetochore）是兩個不同的概念，前者指中期染色單體相互聯(lián)系在一起的特殊部位，后者指主縊痕處兩個染色單體外側(cè)與紡錘體微管連接的部位。著絲粒包含3個結(jié)構(gòu)域1、著絲點結(jié)構(gòu)域（kinetochoredomain）位于著絲粒的表面，包括三層板狀結(jié)構(gòu)和圍繞外層的纖維冠(fibrouscorona)。（三）著絲粒的結(jié)構(gòu)OPinterzone

IPSatelliteDNA(FISHimage)2、中央結(jié)構(gòu)域位于著絲粒結(jié)構(gòu)域的下方。其中含有高度重復(fù)的衛(wèi)星DNA。3、配對結(jié)構(gòu)域位于著絲粒結(jié)構(gòu)的內(nèi)層，中期兩條染色單體在此處相互連結(jié)。對于著絲粒蛋白研究主要是使用ACA來研究的。用ACAs發(fā)現(xiàn)鑒定出來的CENP主要有6種，即：CENP-A至F。Centromericproteins

ProteinsassociatedwiththecentromerehavebeenidentifiedusingantibodiesfromsclerodermapatientsCENPproteinsCENP-A centromere-specifichistone

CENP-B bindscentraldomainsatelliteDNACENP-C bindskinetochore

CENP-D bindskinetochore

CENP-E kinesin-likemotor,involvedinchromatidsegregationCENP-FbindskinetochoreINCENPproteinsINCENP-A sisterchromatidassociationINCENP-B sisterchromatidassociation1.核型：即細胞分裂中期染色體特征的總和。包括染色體的數(shù)目、大小和形態(tài)特征等方面。2.帶型：染色體經(jīng)物理、化學(xué)因素處理后，再進行分化染色，使其呈現(xiàn)特定的深淺不同帶紋（band）的方法。分帶技術(shù)可分為兩類：一類是產(chǎn)生的染色帶分布在整過染色體的長度上如：Q、G和R帶，另一類是局部性的顯帶，如C、Cd、T和N帶。（四）核型與帶型1.多線染色體：由Balbiani(1881)發(fā)現(xiàn)于搖蚊幼蟲唾腺細胞，特點：①體積巨大，是由于核內(nèi)有絲分裂的結(jié)果；②多線性；③體細胞聯(lián)會；④橫帶紋。⑤膨突和環(huán)。在幼蟲發(fā)育的某個階段，多線染色體的某些帶區(qū)疏松膨大，形成膨突（puff），或巴氏環(huán)（Balbianiring）。用H3-UdR處理細胞，發(fā)現(xiàn)膨突被標(biāo)記，說明膨突是基因活躍轉(zhuǎn)錄的區(qū)域。（五）幾類的特殊的染色體PolytenechromosomesLampbrushchromosomefromPleurodeles

oocyte

Polytenechromosome2、燈刷染色體最早發(fā)現(xiàn)于魚類、兩棲類和爬行類卵母細胞減數(shù)分裂的雙線期，雙線期是卵黃合成的旺盛期。由于染色體主軸兩側(cè)有側(cè)環(huán)，狀如燈刷，故名燈刷染色體。側(cè)環(huán)是RNA活躍轉(zhuǎn)錄的區(qū)域。3、B染色體1928年倫道夫（Randolph）把生物的正常染色體叫做A染色體，而把存在于許多動、植物中，形態(tài)和行為不同為A染色體的超數(shù)染色體呈B染色體。第四節(jié)核仁核仁（nucleolus）見于間期的細胞核內(nèi)，呈圓球形，一般1~2個，有時多達3~5個。主要功能是轉(zhuǎn)錄rRNA和組裝核糖體單位。一般蛋白質(zhì)合成旺盛和分裂增殖較快的細胞有較大和數(shù)目較多的核仁，反之核仁很小或缺如。核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出現(xiàn)。1、核仁的化學(xué)成分

—主要化學(xué)成分是RNA、DNA、蛋白質(zhì)，此外還有少量的脂類?！巳手械鞍踪|(zhì)的含量很高，占核仁干重的80%，主要是核仁染色質(zhì)的組蛋白與非組蛋白，其次是組成核糖體的蛋白質(zhì)，還有部分為酶類；—DNA占核仁干重的8%，RNA占核仁干重的11%，主要為rRNA，在RNA轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)合成旺盛的細胞中，核仁的RNA含量增加。一、核仁的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)①纖維中心(fibrillarcenters，F(xiàn)C)：是被致密纖維包圍的一個或幾個低電子密度的圓形結(jié)構(gòu)，主要成分為RNA聚合酶和rDNA，這些rDNA是裸露的分子。②致密纖維組分(densefibrillarcomponent，DFC)：呈環(huán)形或半月形包圍FC，由致密的纖維構(gòu)成，是新合成的RNP，轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在FC與DFC的交界處。③顆粒組分(granularcomponent，GC)：由直徑15-20nm的顆粒構(gòu)成，是不同加工階段的RNP。2、核仁的結(jié)構(gòu)核仁中的rDNA袢環(huán)示意圖含有DNA基因的10條間期染色體片段以袢環(huán)伸進核內(nèi)核被膜核仁Nucleolus核仁與細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成密切相關(guān)，它是蛋白質(zhì)合成機器—核糖體的裝配場所。分布于核仁中的rDNA在RNA聚合酶I的參與下轉(zhuǎn)錄合成rRNA，形成初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物45SrRNA4