第九章

細胞核Nucleus第一節核被膜

第二節染色質與染色體

第三節核仁

第四節核基質

第五節細胞核的功能

第六節細胞核與疾病

細胞核（nucleus）是真核細胞中由雙層單位膜包圍核物質而形成的多態性結構。

是細胞生命活動的調控中心：

貯存遺傳信息進行DNA復制進行RNA轉錄

形態：與細胞形態相適應數目、位置與細胞類型相關大小：有差異，動物一般5~10μm被雙層膜包被含有控制細胞生命活動的遺傳物質

間期時細胞核結構完整，主要包括：核膜（nuclearmembrane）、核仁（nucleolus）、核骨架（nuclearscaffold）、染色質（chromatin）分裂期細胞核崩解，無完整結構。

一、核被膜的超微結構

也叫核膜（nuclearmembrane

），是包在核外的雙層膜結構，屬于內膜系統，是真核細胞的標志。部分化學組分與內質網類似，但含量有差別。第一節核被膜（nuclearenvelope）

（一）內外膜與核周間隙內外膜

核膜的外膜與內質網相連，外表面附著有核糖體，還附著有中間纖維等細胞骨架成分。內側核膜表面光滑，與核膜內側的核纖層相互關聯。核周間隙內外膜之間存在的腔隙稱為核周間隙（perinuclearspace），與內質網腔連通，含多種蛋白。

（二）核孔及核孔復合體

內外核膜在很多區域相互融合，形成了內外相通的核孔（nuclearpore）。核孔呈圓環形，電鏡下是由多個蛋白質顆粒特定排列成的復合體（nuclearporecomplex，NPC），其中央是含水通道。核孔復合體的結構胞質環（cytoplasmicring）：又稱外環，位于核孔邊緣的胞質面一側，與外核膜相連。環上有8條長約30～50nm的細纖絲，對稱分布伸向胞質。核質環（nuclearring）：又稱內環，位于核孔邊緣的核質面一側，與內核膜相連。環上也對稱地向核內伸入8條長約100nm的細纖絲，被一直徑約60nm的端環連接在一起，核籃。

中央栓（centralplug）：位于核孔中央的一粒狀或棒狀顆粒，推測其在核質交換中起重要作用。

輪輻（spoke）：位于核孔內，將胞質環、核質環和中央栓連接在一起。

（三）核纖層

內核膜的內表面有一層網架狀纖維蛋白質，叫核纖層（nuclearlamina）。

◆

核纖層由核纖層蛋白（lamin）組成。

◆核纖層蛋白是一類中間纖維，分為A、B、C型。

◆組裝完成后的核纖層纖維有較大剛性。

◆細胞間期時，核纖層蛋白與核膜鑲嵌蛋白相連，能保持核的形態與核孔復合體的位置；蛋白形成的網架還可以和染色質結合，為染色質提供附著點。

◆細胞分裂時，核纖層蛋白被磷酸化，發生解聚，核膜隨之崩解，染色質開始凝集。B型核纖層蛋白與核膜殘余小泡結合，幫助分裂末期核膜重建。

二、核被膜功能

●核膜將DNA與細胞質分隔開，保護DNA分子免受損傷；使DNA的復制和RNA的翻譯表達分隔開。

●是物質交換的通道。

●參與生物大分子合成。●小分子物質經核孔自由進出。●大分子及顆粒物質以特殊方式轉運。

核轉運受體（imporin，exportin），入核信號NLS/出核信號NES、Ran。●轉運時核孔孔徑可暫時性擴大，允許超過孔徑的顆粒通過。●經核孔的運輸是雙向的。●

RNA一般以RNP形式經核孔運出核。●入核蛋白的信號肽不被切除。第二節染色質與染色體

一、染色質和染色體化學組成

由DNA、蛋白質、RNA組成，易被堿性染料染色。間期時染色質（chromatin）成細絲狀，彌散；細胞分裂時則高度凝縮形成染色體（chromosome）。（一）DNA、RNADNA：遺傳信息的攜帶者，性質穩定。序列可分為單一序列、重復序列。

RNA：含量少，主要為新合成的前體RNA。

（二）組蛋白組蛋白：屬堿性蛋白，富含帶正電荷的精氨酸和賴氨酸，分為H1、H2A、H2B、H3、H4五種，與帶負電荷的DNA緊密結合，構成染色質，抑制DNA的復制與轉錄。

H2A、H2B、H3、H4

屬核小體組蛋白，有相互聚合傾向，進化上極為保守。

H1組蛋白有一定組織特異性。

（三）非組蛋白非組蛋白：屬酸性蛋白，帶負電荷，富含天冬氨酸、谷氨酸。多數非組蛋白能識別特異性的DNA序列。控制基因復制與轉錄，調節基因表達。

（四）組蛋白乙酰化與去乙酰化對基因表達的調控

組成核小體的組蛋白可以被多種化學加合物所修飾，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，組蛋白的這類結構修飾可使染色質的構型發生改變，稱為染色質構型重塑。組蛋白中不同氨基酸殘基的乙酰化一般與活化的染色質構型常染色質（euchromatin）和有表達活性的基因相關聯；而組蛋白的甲基化則與濃縮的異染色質（hetero-Chromatin）和表達受抑的基因相關聯。

染色質構型重塑受專一性的酶系調制，并和DNA甲基化相互作用，形成了個體發育中調控基因表達的所謂組蛋白密碼（histonecode）。

組蛋白H3的第9位氨基酸賴氨酸的乙酰化修飾是和基因活性表達相關聯的，一旦經組蛋白脫乙酰酶（histonedeacetylase,HDAC）作用而脫去乙酰基，又經組蛋白甲基轉移酶（histonemethyltransferase）作用在同一位置加合上甲基，則會形成一個異染色質蛋白HI（heterochromatinprotein1,HP1）或其他抑制性染色質因子的結合位點。HP1的結合轉而會導致DNA分子上特定CpG島的甲基化和穩定的基因沉默。所以，染色質蛋白并非只是一種包裝蛋白，而是在DNA和細胞其他組分之間構筑了一個動態的功能界面。二、染色質的結構與組裝一級結構：染色質的基本結構單位——核小體（nucleosome）串珠樣結構二級結構：串珠樣結構螺旋化，形成每6個核小體繞一圈，構成外徑30nm螺線管。燈刷染色體

支架－袢環模型：多級螺旋化模型：

30nm的螺線管進一步螺旋化形成超螺線管，再進一步螺旋、折疊形成染色單體。30nm的染色質纖維折疊為一系列的袢環（loop）結合在染色體骨架上

微帶

染色單體。染色體骨架：由非組蛋白構成的纖維網絡骨架。染色體的組裝三、常染色質和異染色質間期時根據染色質折疊壓縮及形態功能的不同可分為異染色質（heterochromatin）和常染色質（euchromatin）。常染色質能進行活躍復制轉錄，呈疏松狀態，堿性染料染色后著色較淺，有時以袢環形式伸入核仁。異染色質在間期的細胞核中處于高度纏繞的凝縮狀態，無轉錄活性，堿性染料染色后著色較深，多靠近核膜內表面。異染色質（核內深染部分）和常染色質（核內淺染部分）常染色質與異染色質的特性比較特征常染色質異染色質數量分布一般占染色體的極大部分一般占染色體的少部分,位于著絲粒區、端粒、核仁形成區，染色體的中間、末端及整個染色體臂染色反應正常染色反應特有染色反應DNA

復制正常復制晚復制凝縮程度折疊疏松折疊緊密固縮行為間期解螺旋，分裂時形成螺旋，分裂中期達到高峰異固縮（正、負異固縮）組成特性含單一和重復序列，能進行轉錄結構異染色質含重復和非重復DNA，不能轉錄；兼性異染色質含有活動基因，有轉錄活性化學性質無差別無差別巴爾小體著絲粒（centromere）主縊痕（primaryconstriction）動粒（kinetochore）副縊痕（secondaryconstriction）隨體（satellite）

端粒（telomere）核仁組織區（nucleolarorganizingregion，NOR）核型（karyotype）

四、染色體

中期染色體形態比較穩定，是觀察染色體形態和計數的最佳時期。

人類染色體非顯帶核型圖

Humankaryotype46,XX;46,XYAbnormalkaryotypes47,+21,45,X一、核仁的分子組成位于間期的細胞核內，呈球形，數目、位置、大小不固定，隨細胞種類和功能而異。第三節核仁（nucleolus）二、核仁的結構核仁呈裸露的海綿狀，有3個特征性的區域：

致密纖維組分：呈環形或半月形，由rRNA、核糖體蛋白和少量RNA結合蛋白構成的致密網架結構構成。

纖維中心：是被致密纖維包圍的一個或幾個低電子密度的圓形結構，主要成分為RNA聚合酶和rDNA。

顆粒組分：位于纖維結構外側，由直徑15～20nm的顆粒構成，可能是不同加工和成熟階段的核糖體亞基前體。核仁由核仁組織者（nucleolarorganizingregion，NOR）組織形成，NOR由人13、14、15、21、22號染色體伸出的帶有rRNA基因的袢環構成。

真核生物核糖體含有4種rRNA：

5.8SrRNA18SrRNA28SrRNA5SrRNA

核仁的功能是：進行rRNA（5SrRNA除外）的轉錄、加工和核糖體亞單位的組裝。

45SrRNA轉錄前三種rRNA的基因組成一個轉錄單位

三、核仁的功能

在

RNA聚合酶I

的作用下，rRNA基因進行快速的轉錄。在展開的核仁染色質標本中可觀察到，一根長DNA纖維上有一系列重復的箭頭樣結構單位。rRNA前體的加工45SrRNA20S32S剪接加工28S5.8S45SrRNA是18S、5.8S和28S三種rRNA的前體。負責rRNA前體加工的酶是RNA酶。

45SrRNA的剪切加工是以核糖核蛋白復合體（RNP）的形式進行的。過程是：18S

核糖體亞基的組裝

18SrRNA+33種蛋白質小亞基5.8SrRNA28SrRNA

5SrRNA（由核染色質轉錄后運至核仁）+

49種蛋白質大亞基

大、小亞基經核孔運輸到細胞質，最終在胞質內形成成熟的核糖體。核仁在核糖體合成與組裝中的作用四、核仁周期

核仁周期：核仁的結構呈周期性動態變化。Nucleolarfusionofhumanfibroblastincultrue第四節核基質（NuclearMatrix）

核基質也叫核骨架，指除核被膜、染色質、核纖層及核仁以外的由纖維蛋白組成的核內網架體系。與DNA復制，RNA轉錄和加工，染色體組裝等生命活動密切相關。一、細胞核的基本功能儲存有完整的人類基因組（humangenome）細胞內遺傳信息的流動（theflowofgeneticinformation第五節細胞核的功能（FunctionsofNucleus）二、遺傳信息的復制與傳遞DNA分子中不同的堿基排列順序構成信息，通過DNA的復制不斷傳遞給子細胞，構成遺傳信息。所以遺傳信息的傳遞是由DNA的復制開始的。

1953年，Watson和Crick在提出DNA雙螺旋模型時就指出，由于互補堿基的配對原則，在DNA復制時，只要雙鏈DNA解開，以每一條鏈為模板以合成其互補鏈，即可形成兩個與親代完全一樣的DNA分子。DNA復制要從DNA分子上特定位置開始。這個特定位置被稱為復制起始點。DNA復制從起點開始雙向進行直到終點為止，每一個這樣的DNA單位稱為復制子或復制單元。在原核生物中，每個DNA分子上就有一個復制子；而在真核生物中，每個DNA分子有許多個復制子，因此，真核細胞DNA的復制是由許多個復制子共同完成的。(一)復制的起始——引發DNA復制的起始就是引物的合成。DNA鏈的生成依靠DNA聚合酶，而由于DNA聚合酶不能引發DNA新生鏈的合成，只能在已存在的DNA鏈或RNA鏈上延長DNA，因此必須先由引物酶催化引物RNA的合成。DNA聚合酶的特性決定了DNA復制時先在復制起始區合成一段RNA引物。DNA的復制過程大體上可以分為復制的啟動，復制的延伸，和復制的終止三個階段：先由DNA螺旋酶將起始點處的DNA雙鏈解開，引發體與特定序列結合，形成復制叉，再由引物酶合成一小段RNA引物，DNA聚合酶再將第一個脫氧核苷酸加在引物3’端開始鏈的延伸。（二）復制的延伸在RNA引物的3’-OH端由DNA聚合酶III按堿基互補規則延伸。因此DNA的合成是具有方向性的。前導鏈：以3’→5’方向的DNA鏈做模板鏈的新鏈合成可以隨著復制叉向前移動，連續合成（5’→3’）。后隨鏈：以5’→3’

方向的DNA鏈做模板鏈的新鏈合成則不能隨著復制叉向前移動，即無法進行連續合成，只能分成許多小片段分段合成。

這一小段新合成的DNA鏈稱岡崎片段。每一段新合成的DNA鏈前有一小段RNA引物，由DNA聚合酶I水解補平，最后由連接酶連接，形成完整的后隨鏈。（三）復制的終止在DNA上也存在著復制終止位點，DNA復制將在復制終止位點處終止。若兩個復制叉相遇時，復制也將終止。DNA復制方式的三大規律：半保留復制（semiconservativereplication）半不連續性（semidiscontinu）前導鏈（leadingstrand）后隨鏈（laggingstrand）雙向性（bidirection）（四）復制誤差的校對原核生物中通常每復制109～1010個核苷酸便要出現一個誤差。因而在細胞內除了堿基對原則外，必然還有其他因子的作用，來維持DNA復制的準確性。首先，DNA聚合酶本身具有校對作用，可以將不正確插入的核苷酸切除掉，重新加上正確的核苷酸。這樣對每個核苷酸的摻入就有兩次機會。另外，DNA合成起始時及岡崎片段合成開始時都有RNA引物。由于RNA最終也要被切除掉，這樣就提高了DNA復制的準確性。因為DNA復制開始時摻入的核苷酸往往容易出錯，加在RNA引物中可以被切除，不會影響DNA的準確性。由外界和環境因素引起的DNA損傷也可以通過細胞自身的修復機制加以改正。（五）復制后DNA的傳遞遺傳信息（DNA）復制后，通過有絲分裂和減數分裂可以準確地實現遺傳信息的在世代間的傳遞。三、遺傳信息的轉錄轉錄是生物界RNA合成的主要方式，是遺傳信息DNA向RNA傳遞過程，也是基因表達的開始。在DNA的兩條鏈中只有其中一條鏈可作為模板，這條鏈叫做模板鏈（templatestrand），又叫做有義鏈。DNA雙鏈中另一條不做為模板的鏈叫做編碼鏈，又叫做反義鏈。各基因的模板鏈并不全在同一條DNA鏈上，轉錄時可選擇不同鏈的不同區段，將它們轉錄到同一條RNA上。轉錄過程是一種酶促的核苷酸聚合過程，所需的酶叫做依賴DNA的RNA聚合酶（DNA-dependentRNApolynerase，DDRP），需要Mg2＋或Mn2＋的參與。

20世紀60年代RobertRoeder首次發現了RNA聚合酶，可催化RNA鏈中核苷酸間形成磷酸二酯鍵。原核細胞和真核細胞中均具有RNA聚合酶。原核生物只有一種RNA聚合酶。真核生物細胞核中有3種RNA聚合酶，分別稱為RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它們專一性地轉錄不同的基因，由它們催化的轉錄產物也各不相同。

RNA聚合酶Ⅰ：合成RNA的活性最高，它位于核仁中，負責轉錄編碼rRNA的基因。細胞內絕大部分RNA是rRNA。

RNA聚合酶Ⅱ：位于核質中，負責核不均一RNA（hnRNA）和snRNA的合成，而hnRNA是mRNA的前體。

RNA聚合酶Ⅲ：負責合成tRNA和許多小分子量的核內RNAs。DNA轉錄合成RNA的過程分為三個階段：識別與起始、延長和終止。RNA合成方向按5’→3’

進行，在3’-OH末端與加入的核苷酸形成磷酸二酯鍵。（一）識別與起始轉錄是從DNA分子的特定部位開始的，這個部位也是RNA聚合酶全酶結合的部位，也就是啟動子（promoter）。啟動子處的核苷酸序列具有特殊性。轉錄的起始是基因表達的關鍵階段。RNA聚合酶中的σ亞基識別并專一結合啟動子部分的特殊序列，使雙螺旋局部解旋，選擇模板鏈并開始轉錄。在合成磷酸二酯鍵后，σ亞基解離，由聚合酶中的核心酶部分負責RNA鏈的延伸。解離后的σ亞基可與其他核心酶結合引導其他RNA合成。DNA雙螺旋在轉錄時只是暫時局部解旋，轉錄完畢即恢復雙螺旋結構。真核生物的轉錄過程往往還需要多種蛋白因子的協助，有一類叫做轉錄因子的蛋白質分子，它們能與RNA聚合酶Ⅱ形成轉錄起始復合物，共同參與轉錄起始的過程。（二）鏈的延長RNA鏈的延長靠核心酶的催化，在起始復合物上第一個核苷酸的3’-OH上與第二個三磷酸核苷起反應形成第一個磷酸二酯鍵。聚合后的核苷酸鏈又有核糖3’-OH游離，這樣就可按模板DNA的指引，一個接一個地延長下去。因此RNA鏈的合成方面也是5’--3。由于DNA鏈與合成的RNA鏈具有反平行關系，所以RNA聚合酶是沿著DNA鏈3’--5’方向移動。整個轉錄過程是由同一個RNA聚合酶來完成的一個連續不斷的反應。（三）轉錄的終止移動的RNA聚合酶到達終止子時轉錄終止（依賴ρ因子或RNA雙鏈），RNA聚合酶脫落，合成的RNA釋放，DNA恢復雙螺旋結構。DNA鏈從啟動子到終止子的一段長度即是一個轉錄單位，稱為轉錄子（transcripton）。

RNA發夾結構（四）轉錄后加工剛合成的mRNA是初級轉錄物，稱為核不均一RNA（hnRNA），必須經過加工才能變為成熟的RNA。原核生物轉錄生成的mRNA沒有轉錄后加工修飾過程。真核生物轉錄產生初級轉錄物為RNA前體，它們必須經過加工過程變為成熟的RNA，才能表現其生物活性。

真核生物mRNA的加工修飾，主要包括對5’端和3’端的修飾以及對中間部分進行剪接。

5’端加帽：成熟的真核生物mRNA，其結構的5’端都有一個m7G-ppp結構，該結構被稱為甲基鳥苷的帽子。

5’端帽子結構增加mRNA的穩定性，保護mRNA免遭5’外切核酸酶的攻擊，協助運輸mRNA出核，這種帽子結構還能為核糖體對mRNA的識別提供信號。

3’端加尾：大多數真核mRNA都有3’端的多聚A尾（polyA)，多聚A尾大約有200bp。多聚A尾不是由DNA編碼的，而是轉錄后在核內加上去的。受polyA聚合酶催化，該酶能識別mRNA游離的3’-OH端，并加上約200個A殘基。多聚A尾可以保護mRNA免遭外切核酸酶的降解。剪接：結構基因中可以含有幾十個內含子。經過核酸內切酶作用剪切掉內含子，然后在連接酶作用下將有編碼意義的核苷酸片段即外顯子首尾相連，才構成完整的mRNA，可送出核外。rRNA轉錄后加工（自我剪接）tRNA轉錄后加工：tRNA前體需進行tRNA前體的5’端前導序列特異性剪切；還要進行堿基修飾將正常核苷酸轉變為特殊核苷酸；在核苷酸轉移酶作用下，3’-末端除去個別堿基，換上tRNA分子統一的CCA-OH末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂結構。不論拼接過程如何，拼接必須極為精確，否則會導致遺傳信息傳遞障礙，合成的蛋白質可能喪失其正常的功能。

我國南方廣大地區是β-地中海貧血的高發區，這是由于β-珠蛋白鏈的合成受到部分或完全抑制所引起的一種血紅蛋白病。實驗表明β-珠蛋白基因中核苷酸的點突變改變了正常拼接部位的堿基順序，結果造成錯誤部位的拼接。加工成熟的mRNA雖能翻譯，但產物不是正常的β-珠蛋白，結果引起血紅蛋白級結構和功能的改變。

內含子與剪接使外顯子產生了多種組合方式，使進化不必只依靠點突變的緩慢積累，可以更快速地產生新的蛋白質。

細胞核作為細胞生命活動的調控中心，它既控制著細胞的生命活動，也接受著環境因素的調節。因此環境中的致病因子有可能直接作用于細胞核，成為細胞病變的靶點，而出現病理改變，如在腫瘤細胞中，細胞核發生了多種形式的改變；另一方面，細胞內的遺傳物質發生突變后則可以直接導致疾病的發生，如染色體病、基因病等。第六節細胞核與疾病（Nucleusanddiseases）一、染色體病

染色體數目或結構異常引起的疾病稱為染色體病（chromosomaldisorders）。這類疾病的實質是染色體上的基因或基因群的增減或變位影響了眾多基因的表達和作用，破壞了基因的平衡狀態，因而妨礙了人體相關器官的分化發育，造成機體形態和功能的異常。（一）染色體病的分類

染色體病按染色體種類和表型可分為三種：常染色體病性染色體病染色體異常的攜帶者（二）Down綜合征DS患者有多種臨床表現，其主要表現為智力低下（患者的IQ值在20～60之間，平均為40～50）、發育遲緩和特殊面容。一般情況下，DS患者都具有一些明顯的、特殊的微小畸形特征。Down綜合征的臨床特征

特征頻率（％）特征頻率（％）斜眼裂82頸部皮膚松弛81腭窄76身材矮小75多動73鼻梁扁平68第1、2趾間距寬68手短而寬64頸短61齒畸形61內眥贅皮59第5指短58張口58第5指內彎57Brushfield斑56舌有溝55通貫掌53耳廓畸形50舌外伸47根據患者的核型組成不同，可將Down綜合征分為三種遺傳學類型：

①游離型：核型為47，XX（XY），+21；

②易位型：最常見的是D/G易位，如核型為46，XX（XY），-14，+t（14q21q），其次為G/G易位，如核型為46，XX（XY），-21，+t（21q21q）；③嵌合型（三）Turner綜合征1938年Turner首先報道并命名為Turner綜合征（Turnersyndrome），也稱為女性先天性性腺發育不全或先天性卵巢發育不全綜合征，又稱為45，X或45，X綜合征

1954年Polani證實患者細胞核X染色質陰性；1959年Ford證明其核型為45，X。1954年Polani證實患者細胞核X染色質陰性；1959年Ford證明其核型為45，X。典型患者以性發育幼稚、身材矮小（120～140cm左右）、肘外翻為特征。患者出生體重輕，新生兒期腳背有淋巴樣腫，十分特殊；面容：內眥贅皮，上瞼下垂，小頜；后發際低，約50％有蹼頸，乳間距寬，第四、五掌骨短，皮膚色素痣增多，性腺為纖維條