細胞生物學(xué)第五章-細胞核

第五章細胞核THECELLNUCLEUS1781年Trontana發(fā)現(xiàn)于魚類細胞；1831年，Brown發(fā)現(xiàn)于植物。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。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)（p308）：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。Nucleus

structure第一節(jié)核被膜

Nuclearenvelope一、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）外核膜：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一部分，胞質(zhì)面附有核糖體。核周隙：寬20~40nm，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通。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。Thenuclearenvelope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（p309）。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。LaminsCytoplasmicface

cytoplasmicparticles二、核孔是物質(zhì)運輸?shù)耐ǖ?/p>

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)如fish-trap（p76）。

Nuclearface

basketinnercomplexTheNuclearPore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。三、通過核孔的物質(zhì)運輸與信號序列有關(guān)ProcessofNuclearImportColloidalgoldlabeledNucleoplasminweretransportedintonucleus.Mitochondrion第二節(jié)、染色質(zhì)與染色體1848年，Hofmeister發(fā)現(xiàn)于鴨跖草的小孢子母細胞。1888年，Waldeyer提出Chromosome。1879年，W.Flemming提出Chromatin。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。（一）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種構(gòu)像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。3種基本元素：①自主復(fù)制序列(ARS)，是DNA復(fù)制的起點。②著絲粒序列(CEN)，含α衛(wèi)星DNA。③端粒序列(TEL)。酵母人工染色體(YAC)：含上述3種成分，用于轉(zhuǎn)基因。Three

DNA

conformationsThreekeyregionsofachromosome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。（二）組蛋白序列特異性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。（三）非組蛋白二、染色質(zhì)的類型：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）、兼性（功能）異染色質(zhì)（facultativeheterochromatin）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三、染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)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、從DNA到染色體核小體（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0--60bp不等的連接線DNA。通過核小體，DNA長度壓縮7倍，形成11nm的纖維。但是在電鏡下觀察用溫和方法分離的染色質(zhì)是直徑30nm的纖維，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。對于更高級染色體包裝方式，至今尚不明確。目前多認為30nm的纖維折疊為一系列的環(huán)（loop）結(jié)合在核骨架上（或稱染色體骨架），結(jié)合點是富含AT的區(qū)域。solenoidChromatinPackingChromatinPacking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中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

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、動粒結(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)。著絲粒的結(jié)構(gòu)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)。OPinterzone

IP核仁組織區(qū)（nucleolar

orgnizingregionsNORs）構(gòu)成核仁，位于染色體的次縊痕區(qū)，但并非所有的次縊痕都是NORs。核仁組織區(qū)(NOR)是細胞核特定染色體的次縊痕處，含有rRNA基因的一段染色體區(qū)域，與核仁的形成有關(guān)，故稱為核仁組織區(qū)。具有核仁組織區(qū)的染色體數(shù)目依不同細胞種類而異，人有5對染色體即13、14、15、21、22號染色體上有核仁組織區(qū)。Howanucleolusisorganized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

核型(karyotype)核型是指染色體組在有絲分裂中期的表型,是染色體數(shù)目、大小、形態(tài)特征的總和。在對染色體進行測量計算的基礎(chǔ)上,進行分組、排隊、配對,并進行形態(tài)分析的過程叫核型分析(圖)。人的染色體核型

（三）核型與帶型染色體分帶用特殊的染色方法,使染色體產(chǎn)生明顯的色帶(暗帶)和未染色的明帶相間的帶型(bandingpatterns),形成不同的染色體個性(圖),

以此作為鑒別單個染色體和染色體組的一種手段。常用的分帶技術(shù)有以下幾種:Q帶、G帶、C帶、N帶、R-帶、T-帶。人的染色體帶型

第三節(jié)核基質(zhì)

nucleoskeleton核基質(zhì)（nuclearmatrix）或稱核骨架，為真核細胞核內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是指除核被膜、染色質(zhì)、核纖層及核仁以外的核內(nèi)網(wǎng)架體系。1974年RonaldBerezney和DonaldCoffey首次用核酸酶和去垢劑處理細胞核,除去了95%的核物質(zhì)后,剩下的水不溶的纖維網(wǎng)絡(luò)(圖),

將這種結(jié)構(gòu)稱為核基質(zhì),

又稱為核骨架。1

核基質(zhì)的化學(xué)組成核基質(zhì)主要是由肌動蛋白和其他一些目前還不太了解的蛋白質(zhì)組成。在前面討論DNA由30nm染色質(zhì)纖維包裝成超螺線管時,染色質(zhì)要在蛋白質(zhì)骨架上形成放射環(huán)結(jié)構(gòu),后來發(fā)現(xiàn)這種蛋白質(zhì)骨架中有拓撲異構(gòu)酶,推測該酶也是核基質(zhì)的組成成分。另外,核基質(zhì)也包括核纖層,所以核纖層蛋白也是核基質(zhì)的成分。核基質(zhì)(a)在有去垢劑和2M鹽存在下分離的細胞核電鏡照片,只剩下由DNA環(huán)包圍的核基質(zhì)。箭頭所指是DNA環(huán)的最外限。(b)小鼠成纖維細胞的核基質(zhì),首先用去垢劑、高鹽提取,然后用核酸酶和低鹽處理除去染色質(zhì)鑲嵌DNA?？梢娪蓺埓娴睦w維狀基質(zhì)構(gòu)成的細胞核(N),和細胞骨架基質(zhì)構(gòu)成的細胞質(zhì)(C)區(qū)。

2

核基質(zhì)的功能■染色體骨架(scaffold)

如何證明染色體骨架的存在?

●分離有絲分裂前的染色體,接著用試劑溶解組蛋白和大多數(shù)主要的非組蛋白,然后在電子顯微鏡下觀察可見一完整的染色體結(jié)構(gòu)框架(framework)或支架(scaffold)既是染色體骨架(圖)。圖染色體支架(a)用除去了大多數(shù)組蛋白和非組蛋白后剩下的染色體支架。(b)推測DNA與核基質(zhì)包裝成染色體的模式。在有絲分裂前,核基質(zhì)蛋白形成一個支架軸,染色質(zhì)沿軸形成放射環(huán)?！龊死w層蛋白的骨架作用核纖層蛋白位于內(nèi)核膜的下方,它不僅是核膜下的骨架,對于維持細胞核的形態(tài)和核重建具有重要作用,同時也為染色質(zhì)提供錨定位點(圖)。■DNA復(fù)制時的染色質(zhì)附著位點由于核纖層為染色質(zhì)提供了錨定位點,所以,在一段時期內(nèi),一直認為真核生物的DNA復(fù)制也同細菌DNA復(fù)制一樣,與核被膜結(jié)合在一起。但是通過3H標記的實驗表明,新合成的放射性DNA并不與核被膜相連。通過核分布研究表明,新合成的DNA是與核基質(zhì)結(jié)合在一起的。這一結(jié)果提示,DNA是通過固定在核骨架上的位點進行復(fù)制的(圖),

后來的熒光顯微鏡實驗也證明了這一點。核纖層蛋白及核纖層蛋白網(wǎng)絡(luò)真核生物DNA通過在核骨架上的固定位點進行雙向復(fù)制模型核基質(zhì)與染色體的構(gòu)建有關(guān)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)。一、核仁的組成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。N