第八章細胞核(nucleus)與染色體(chromosome)細胞核的結構組成

核被膜與核孔復合體

染色質(chromatin)

染色體(chromosome)

核仁(nucleolus)

核基質(nuclearmatrix)第一節核被膜與核孔復合體一.核被膜

外膜(outer),附有核糖體顆粒

內膜(inner),含特有蛋白成份

核纖層(nuclearlamina)

核周間隙(perinuclearspace)

核孔(nuclearpore)

1.結構組成2.核被膜的功能

天然選擇性屏障(1)避免生命活動的彼此干擾(2)保護DNA不受機械力的損傷

物質交換與信息交流

新核膜來自舊核膜

去組裝是非隨機的,具有區域特異性

實驗模型:非洲爪蟾卵提取物

解體與組裝受細胞周期調控因子的調節,可能與核纖層蛋白、核孔復合體蛋白的磷酸化與去磷酸化修飾有關3.核被膜的解體與組裝二.核孔復合體(NPC)(1)胞質環(cytoplasmicring),外環(2)核質環(nuclearring),內環(3)輻(spoke)(4)中央栓(centralplug):transporter1.結構模型NuclearenvelopesofXenopusoocytesvisualizedbyfieldemissionin-lensSEMCut-awaymodeloftheNPC

NPC三維結構模型

八重對稱結構

由八個輻環繞中央通道組裝而成

八個輻在核質表面處與內、外環相連NPC電鏡照片2.核孔復合體成份的研究

由蛋白質構成,MW約125

106

100余種多肽,1000多個分子3.核孔復合體的功能

雙向性親水通道

被動擴散

主動運輸Moleculartrafficthrough

NPCMostproteinsandRNAspassthroughNPCbyanactiveprocess.

親核蛋白的入核轉運機制

輸入蛋白(importin)

核質蛋白(nucleoplasmin)

核定位信號(NLS)爪蟾卵母細胞核質蛋白注射實驗親核蛋白入核轉運的過程

NLS與輸入蛋白結合→轉運復合物

與NPC的胞質纖維結合

從胞質面轉移到核質面

與Ran-GTP結合,復合物解離,親核蛋白釋放

ProteinimportthroughNPC

RoleoftheRanproteininnuclearimport

轉錄產物的核輸出轉運有極性RNA-蛋白復合體

三.核纖層的結構與功能核纖層蛋白

Ⅴ型中間纖維蛋白N及C端發生化學修飾核纖層的功能維持核的形態參與核膜的組裝和去組裝

第二節染色質

染色質的概念及化學組成

核小體(nucleosome)

染色質包裝的結構模型

常染色質和異染色質一.

染色質的概念及組成

染色質(chromatin)間期細胞核內由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復合結構

染色體(chromosome)細胞分裂過程中,由染色質聚縮成的棒狀結構染色質與染色體的區別

兩者具有相同的化學組成,但包裝程度不同,構象不同

細胞周期的不同階段,可以相互轉變1.染色質DNA

基因組(genome)

單拷貝序列

中度重復序列

高度重復序列2.染色質蛋白

組蛋白(histone)

非組蛋白(nonhistone)

非組蛋白的不同結構模式(1)組蛋白

組成及功能

?H2B、H2A、H3和H4,結構組分?H1:核小體間的連接

特點?結構蛋白,富含Arg和Lys?進化上十分保守Fivemajortypesofhistones

incalfthymusHistoneMassResidueNoLys(%)Arg(%)H1H2AH2BH3H4225001396013774152731123621512912513510229111610111961314Nterminaltailsaresubjecttocovalentmodification-importantfortranscription(2)

非組蛋白

組成上的多樣性與異質性

識別DNA的特異性

功能的多樣性非組蛋白的不同結構模式

螺旋-轉角-螺旋(helix-turn-helix)

鋅指結構(zincfinger)

亮氨酸拉鏈(leucinezipper,ZIP)

螺旋-環-螺旋基序(helix-loop-helix,HLH)

HMG-框基序(HMG-boxmotif）a.螺旋的3個平面形成motifb.同源域結合于DNA分子的主溝Cys和His殘基結合在Zn2+上突出的氨基酸環形成指狀結構

a.兩個螺旋間的Leu殘基形成二聚體b.拉鏈以外的區域成Y狀,以剪刀狀構型與DNA結合螺旋-環-螺旋基序螺旋+轉角二聚體HMG-框基序(HMG-boxmotif）高遷移率族蛋白構建因子二.核小體(nucleosome)1.主要實驗證據(1)鋪展染色質的電鏡觀察(2)微球菌核酸酶消化(3)X射線晶體衍射(4)SV40微小染色體分析

beadsonastring-nucleosomefrominterphasenucleusRogerKornberg(1974):2006年諾貝爾化學獎得主串珠模型30nm

fiberX射線晶體衍射所揭示的核小體三維結構

K.LugerNature1997,389:251

2602.核小體結構要點(1)核小體單位:200bpDNA,1個八聚體,1分子H1(2)組蛋白八聚體構成核小體的盤狀核心結構(3)146bpDNA盤繞八聚體1.75圈,H1在核心顆粒外鎖住核小體DNA的進出端,穩定核小體(4)相鄰核小體間以連接DNA相連,典型長度60bp(5)組蛋白與DNA間的相互作用無堿基序列特異性(6)核小體重塑影響基因表達Nucleosomeremodelinginfluencestheexpressionofindividualgenes三.染色質包裝的結構模型1.四級結構模型(1)一級結構:核小體(2)二級結構:螺線管(solenoid)(3)三級結構:超螺線管(supersolenoid)(4)四級結構:染色單體(chromatid)

7

6

40

5

DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體The30-nmfiber:ahigherlevelofchromatinstructure

2.染色體的骨架-放射環結構模型(1)非組蛋白構成的染色體骨架和由骨架伸出的無數的DNA側環(2)30nm染色線折疊成環,沿染色體縱軸,由中央向四周伸出,構成放射環(3)由螺線管形成DNA復制環,每18個復制環呈放射狀平面排列,結合在核基質上形成微帶,約106個微帶沿縱軸構建成子染色體HeLa細胞去除組蛋白的中期染色體電鏡照片3.染色體包裝的不同組織水平四.染色質結構和基因轉錄1.DNA酶超敏位點

活性染色質

非活性染色質2.活性染色質主要特征(1)具有DNaseI超敏位點(2)在生化上具有特殊性

很少有組蛋白H1與其結合；

組蛋白乙酰化程度高；

H2B很少磷酸化,H2A很少變異；

具有獨特的HMG14和HMG17組分3.組蛋白的化學修飾乙酰化磷酸化甲基化泛素化五.常染色質和異染色質1.常染色質(euchromatin)(1)概念:間期核內染色質纖維折疊壓縮程度低,處于伸展狀態,用堿性染料染色時著色較淺的染色質(2)組成:單一序列和中度重復序列(3)DNA包裝比約為1/20001/1000(4)并非所有基因都具有轉錄活性,常染色質狀態只是基因轉錄的必要條件而非充分條件2.異染色質(heterochromatin)(1)概念:間期細胞核中,折疊壓縮程度高,處于聚縮狀態的染色質組分(2)類型

組成型異染色質(constitutive

)

兼性異染色質(facultative

)InterphaseChromatin組成型異染色質

除復制期以外,整個細胞周期均處于聚縮狀態,形成多個染色中心

結構異染色質的特征①在中期染色體上多定位于著絲粒區、端粒、次縊痕及染色體臂的某些節段;②由相對簡單、高度重復的DNA序列構成;③具有顯著的遺傳惰性,不轉錄;④復制行為:晚復制早聚縮；⑤功能:參與染色質高級結構的形成兼性異染色質

在某些細胞類型或一定的發育階段,原來的常染色質聚縮,并喪失基因轉錄活性,變為異染色質,如哺乳類X染色體失活

異染色質化可能是關閉基因活性的一種途徑TheinactiveXchromosome:anexampleoffacultativeheterochromatin第三節染色體中期染色體的形態結構1.中期染色體的類型(1)中著絲粒染色體(metacentricCS)(2)亞中著絲粒染色體(submetacentricCS)(3)亞端著絲粒染色體(subtelocentricCS)(4)端著絲粒染色體(telocentricCS)

2.染色體的主要結構著絲粒與動粒(2)次縊痕(3)核仁組織區(NOR)(4)隨體(satellite)(5)端粒(telomere)著絲粒的結構組成(1)動粒結構域

內板(innerplate)

中間間隙(middlespace)

外板(outerplate)

纖維冠(fibrouscorona)(2)中央結構域(centraldomain)

CENP-E盒與動粒蛋白(3)配對結構域(pairingdomain)

內部著絲粒蛋白INCENP

染色單體連接蛋白clips著絲粒結構示意圖動粒(kinetochore)TheDrosophilacentromereconsistsoftwosatellitesequences,transposableelements,andnonrepetitiveDNATheFunctionsofcentromeresRequiredforchromosomestabilitySisterchromatidpairingMitoticandmeioticspindleattachmentChromosomemovementCellcyclecheckpointcontrol

Theimportanceoftelomeraseinmaintainingchromosomeintegrity二.染色體DNA的三種功能元件1.自主復制序列(ARS)

一段11-14bp富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的區域酵母的AR