第八章 細(xì)胞核

1、.,第八章 細(xì)胞核 nucleus,.,細(xì)胞核,真核細(xì)胞內(nèi)最大、最重要的細(xì)胞器細(xì)胞遺傳與代謝的調(diào)控信息中心,.,第一節(jié) 核膜,一、核膜的化學(xué)組成 1.蛋白質(zhì)：部分與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相似，內(nèi)核膜含有核纖層蛋白 2.脂類：與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相似,.,第一節(jié) 核膜,二、核膜的結(jié)構(gòu)與區(qū)域化作用 1.雙層但不連續(xù)的非對(duì)稱性膜單位 1)外核膜：與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連，附著有核糖體顆粒及中間纖維，參與蛋白質(zhì)合成及細(xì)胞核定位。 2)內(nèi)核膜：表面光滑，緊密附著核纖層 3)核周間隙：內(nèi)外核膜之間的腔隙，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)聯(lián)通。 4)核孔：內(nèi)外核膜融合形成，由蛋白質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)核內(nèi)外物質(zhì)運(yùn)輸。數(shù)目與細(xì)胞代謝狀態(tài)有關(guān)。,.,.,第一節(jié) 核膜,.,第一

2、節(jié) 核膜,2.核膜將核質(zhì)與胞質(zhì)限定在各自區(qū)域并控制著核-質(zhì)間的物質(zhì)交換 1)核膜的區(qū)域化作用使轉(zhuǎn)錄和翻譯在空間上分離 DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄和加工在核內(nèi)，蛋白質(zhì)合成在胞質(zhì)，避免相互干擾。 2)核膜控制著細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)間的物質(zhì)交換,.,第一節(jié) 核膜,三、核孔復(fù)合體與核-質(zhì)間物質(zhì)運(yùn)輸 1.核孔復(fù)合體的捕魚籠結(jié)構(gòu)模型： (1)胞質(zhì)環(huán)(cytoplasmic ring), 外環(huán) (2)核質(zhì)環(huán)(nuclear ring), 內(nèi)環(huán) (3)輻(spoke) (4)中央栓(central plug): transporter,.,第一節(jié) 核膜,.,第一節(jié) 核膜,八個(gè)方向的對(duì)稱結(jié)構(gòu) 含有圍繞中央通道的8根輻條狀

3、組合 輻條連接到核與細(xì)胞質(zhì)界面上的環(huán) NPC電鏡照片：,.,第一節(jié) 核膜,NPC 經(jīng)典研究手段: 樹脂包埋超薄切片， 負(fù)染色技術(shù)， 冷凍蝕刻。,.,第一節(jié) 核膜,在掃描電子顯微鏡下用場(chǎng)散射透鏡顯示的Xenopus oocytes 的核被膜,.,第一節(jié) 核膜,2.核孔復(fù)合體介導(dǎo)細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)間的物質(zhì)交換 主動(dòng)運(yùn)輸和被動(dòng)運(yùn)輸介導(dǎo)雙向物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn),.,第一節(jié) 核膜,親核蛋白依靠本身核定位序列與核轉(zhuǎn)運(yùn)受體蛋白結(jié)合形成復(fù)合體，從核孔依靠GTP水解產(chǎn)能進(jìn)入細(xì)胞核，核轉(zhuǎn)運(yùn)受體被分離回到胞質(zhì)重復(fù)使用。 第一步：不需要能量，含有NLSs的蛋白質(zhì)結(jié)合到核被膜上，但不通過(guò)核孔 第二步：需能過(guò)程，要求GTP水解,.,第一

4、節(jié) 核膜,.,第一節(jié) 核膜,Ran蛋白在核轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的作用,.,A typical NLS contains several consecutive basic amino acids (the positively charged AA: Lys, Arg),Normal pyruvate kinase: in cytosol,Chimeric pyruvate kinase containing SV40 NLS: in nucleus,.,第一節(jié) 核膜,四、核纖層的結(jié)構(gòu)與功能 1、核纖層是一層緊貼內(nèi)核膜的纖維蛋白網(wǎng) 核纖層蛋白ABC組成，屬于中間纖維蛋白，在內(nèi)核膜與染色體之間形成籠型網(wǎng)絡(luò)

5、 2.功能： 細(xì)胞核支架 與核膜重建及染色體凝集密切相關(guān) 參與細(xì)胞核構(gòu)建與DNA復(fù)制,.,第一節(jié) 核膜,.,核纖層蛋白（Lamins）,.,薄層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的核纖層：,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,“染色質(zhì)” 由Flemming（1882年）首次提出，是指間期細(xì)胞核內(nèi)能被堿性染料著色的物質(zhì)。,染色質(zhì)和染色體是同一種物質(zhì)在細(xì)胞周期不同階段的表現(xiàn)形式。,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,一、染色質(zhì)的組成成分（染色質(zhì)與染色體） 1.DNA（必須的三個(gè)功能序列） 端粒：富含G的簡(jiǎn)單重復(fù)序列，維持DNA復(fù)制的完整性和穩(wěn)定性 著絲粒：姐妹染色單體的連接部位 復(fù)制起始序列：多個(gè)，復(fù)制時(shí)同時(shí)激活,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色

6、體,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,2.組蛋白：堿性蛋白質(zhì) 核小體組蛋白:H2A,H2B,H3,H4，高度保守，參與構(gòu)成八聚體。 H1，具有特異性，穩(wěn)定核小體進(jìn)出DNA序列。 參與染色體折疊包裝，保護(hù)DNA；通過(guò)氨基酸修飾調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。 3.非組蛋白： 與DNA序列特異性結(jié)合，調(diào)控轉(zhuǎn)錄,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,二、常染色質(zhì)與異染色質(zhì) 1.常染色質(zhì) (1)概念: 間期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低, 處于伸展?fàn)顟B(tài), 用堿性染料染色時(shí)著色較淺的染色質(zhì) (2)組成: 單一序列和中度重復(fù)序列 (3)DNA包裝比約為1/20001/1000 (4)并非所有基因都具有轉(zhuǎn)錄活性,常染色質(zhì)狀態(tài)只是基因轉(zhuǎn)錄的必要

7、條件而非充分條件,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,2.異染色質(zhì) (1)概念:間期細(xì)胞核中, 折疊壓縮程度高,處于聚縮狀態(tài)的染色質(zhì)組分 (2)類型 組成型異染色質(zhì)(constitutive )除復(fù)制期以外,整個(gè)細(xì)胞周期均處于聚縮狀態(tài),形成多個(gè)染色中心 兼性異染色質(zhì)(facultative )在某些細(xì)胞類型或一定的發(fā)育階段, 原來(lái)的常染色質(zhì)聚縮, 并喪失基因轉(zhuǎn)錄活性, 變?yōu)楫惾旧|(zhì),如哺乳類X染色體失活,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,The inactive X chromosome: an example of facultative heterochromatin,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,.,第

8、二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,三、染色質(zhì)組裝為染色體 1.核小體：DNA片段纏繞組蛋白八聚體形成的基本結(jié)構(gòu)單位。,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,(1) 核小體單位: 200bp DNA,1個(gè)八聚體, 1分子H1 (2) 組蛋白八聚體構(gòu)成核小體的盤狀核心結(jié)構(gòu) (3) 146bp DNA盤繞八聚體1.75圈, H1在核心顆粒外鎖住核小體DNA的進(jìn)出端,穩(wěn)定核小體 (4) 相鄰核小體間以連接DNA 相連, 典型長(zhǎng)度60bp (5) 組蛋白與DNA間的相互作用無(wú)堿基序列特異性,.,球狀組蛋白核心,DNA雙螺旋(146bp、1.75圈）,H2A,H2A,H2B,H2B,連接DNA（50

9、-60bp）,核小體,核心部,連接部:,DNA分子：146bp、1.75圈,組蛋白：2（H2A、H2B、H3、H4）,DNA分子：60bp,八聚體,核小體是染色質(zhì)的基本組成單位，為染色質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。10nm。將DNA分子長(zhǎng)度壓縮1/7。,.,螺線管是染色質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。每6個(gè)核小體纏繞一圈形成的中空性管。外30nm; 內(nèi)10nm, 組蛋白H1位于螺旋管內(nèi)側(cè)。將串珠狀小體長(zhǎng)度壓縮5/6；DNA分子長(zhǎng)度壓縮1/42，螺線管即為30nm的染色質(zhì)纖維。,10nm,組蛋白,2 .二級(jí)結(jié)構(gòu),.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,beads on a string-nucleosome from interphase

10、nucleus,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,螺線管,.,3.三級(jí)結(jié)構(gòu)：,超螺線管為染色質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)，它是由螺線管進(jìn)一步盤曲而形成。將螺線管長(zhǎng)度壓縮3940倍。,超螺線管進(jìn)一步折疊又被壓縮46倍成為四級(jí)結(jié)構(gòu)染色單體。,經(jīng)過(guò)染色體的四級(jí)結(jié)構(gòu)，DNA分子長(zhǎng)度壓縮了800010000倍。,4.四級(jí)結(jié)構(gòu)：,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,(1) 一級(jí)結(jié)構(gòu): 核小體 (2) 二級(jí)結(jié)構(gòu):螺線管(solenoid) (3) 三級(jí)結(jié)構(gòu): 超螺線管(supersolenoid) (4) 四級(jí)結(jié)構(gòu): 染色單體(chromatid) 7 6 40 5 DNA 核小體 螺線管 超螺線管染色單體,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,

11、四、染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 1.著絲粒：主縊痕處的染色質(zhì)部分，連接兩個(gè)姐妹染色單體，由高度重復(fù)的異染色質(zhì)組成。 動(dòng)粒：主縊痕兩側(cè)的特化圓盤狀結(jié)構(gòu)，由蛋白質(zhì)構(gòu)成，是細(xì)胞分裂時(shí)紡錘絲動(dòng)粒微管的附著部位，參與染色體向兩級(jí)移動(dòng)。 著絲粒動(dòng)粒復(fù)合體：動(dòng)粒結(jié)構(gòu)域；中心結(jié)構(gòu)域和配對(duì)結(jié)構(gòu)域。,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,(1)中著絲粒染色體(metacentric CS) (2)亞中著絲粒染色體(submetacentric CS) (3)亞端著絲粒染色體(subtelocentric CS) (4)端著絲粒染色體(telocentric CS),.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,2.次縊痕：

12、除主縊痕之外的縊縮部位。至少有一條染色體上有次縊痕，但并非所有染色體上都有?？捎米麒b別染色體的標(biāo)記。 3.端粒：位于染色體兩端的特化結(jié)構(gòu)，相同的短串聯(lián)重復(fù)序列和蛋白質(zhì)構(gòu)成。維持染色體穩(wěn)定與完整，參與染色體核內(nèi)排布和同源染色體配對(duì)，與衰老凋亡相關(guān)。 4.隨體：染色體末端球形或棒狀結(jié)構(gòu)，由異染色質(zhì)構(gòu)成，通過(guò)次縊痕與主體相連，是識(shí)別染色體的重要形態(tài)特征。 5.核仁組織區(qū) rRNA基因轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域，與核仁形成有關(guān)。,.,主縊痕(初級(jí)縊痕),次縊痕,著絲粒,短臂（p）,長(zhǎng)臂（q）,隨 體,常染色質(zhì)區(qū),異染色質(zhì)區(qū),端粒,中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu),.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,多線染色體：一條染色體含有多條染色單

13、體而不分離，光鏡下表現(xiàn)為沿染色體縱軸一系列深淺交替的帶與間帶。 (1)雙翅目昆蟲幼蟲組織細(xì)胞 (2)來(lái)源: 核內(nèi)有絲分裂 (3)帶及間帶 (4)袢環(huán): 基因活躍轉(zhuǎn)錄的形態(tài)學(xué)標(biāo)志,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,燈刷染色體：同源染色體交叉相連，染色粒串聯(lián)為主軸，向兩側(cè)伸出成對(duì)側(cè)環(huán)。 (1)普遍見于動(dòng)物卵母細(xì)胞 (2)來(lái)源: 停留在雙線期的染色體。,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,五、核型與染色體帶型 核型：個(gè)體細(xì)胞全部染色體在有絲分裂中期的表型，包括染色體數(shù)目、大小和形態(tài)特征。,.,第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體,帶型：染色體經(jīng)特定染料染色后，沿長(zhǎng)軸顯示深淺各異、寬窄不等的帶紋，是鑒別染色體和易位片段的重要手段

14、。,.,第三節(jié) 核仁,一、核仁的形態(tài)和化學(xué)組成 1.基因：纖維中心是分布有rRNA基因的染色質(zhì)區(qū) 2.轉(zhuǎn)錄：致密纖維含有處于不同轉(zhuǎn)錄階段的rRNA分子 3.加工：顆粒分子由正在加工和成熟的RNA及蛋白質(zhì)構(gòu)成,.,rDNA是染色體上伸展出的DNA袢環(huán)，在袢環(huán)上 rRNA 基因串聯(lián)排列，進(jìn)行高速轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生rRNA，組織形成 核仁。每一個(gè)rRNA基因的袢環(huán)稱為一個(gè)核仁組織者。 rRNA基因通常分布于幾條不同的染色體上，人類 rRNA基因位于5條染色體上，即13、14、15、21、22號(hào) 染色體。在二倍體的46條染色體上，就有10條分布有 rRNA基因，它們共同構(gòu)成的區(qū)域稱為NOR。核仁組織 區(qū)定位在核仁染色體的次縊痕部位。,核仁組織區(qū)（NOR）,.,人間期細(xì)胞核仁組織區(qū)含有rRNA基因的10個(gè)染色體袢環(huán)延伸進(jìn)入并簇集在核仁 （引自Alberts）,.,第三節(jié) 核仁,二、核仁的功能 1.rRNA基因轉(zhuǎn)錄加工的場(chǎng)所 2.rRNA與核糖體蛋白組裝,.,第三節(jié) 核仁,三、核仁周期 與細(xì)胞周期相關(guān)聯(lián)，有絲分裂時(shí)結(jié)構(gòu)和功能的周期性變化 1.變形變小 2.RNA合成停止，袢環(huán)收縮 3.核仁消失 4.DNA解聚，重新組成前核仁體 5.融合為核仁,.,第四節(jié) 核骨架,一、核骨架的形態(tài)結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成 1.形態(tài)結(jié)構(gòu)：細(xì)胞核內(nèi)廣泛分布的以纖維蛋白構(gòu)成的交錯(cuò)排列網(wǎng)架結(jié)構(gòu)