第十一章細胞核與染色質細胞核得分布、形態、大小、數目分布:絕大多數真核生物細胞中;例外:哺乳動物得成熟得紅細胞,高等植物成熟得篩管細胞等極少數得細胞。形態:球形或者卵形或圓形大小:約占細胞總體積得10%數目:一般一個:大多數生物體細胞中都就是一個有得多個:植物個體發育過程中得多數胚乳核,草履蟲等原生動物;人得骨胳肌細胞中得細胞核可達數百個。細胞核與細胞質之間得界膜功能:核、質之間得天然選擇屏障:核酸復制、轉錄和加工在核內,蛋白質翻譯在細胞質中調控核內外得物質交換和信息交流——核孔復合體結構組分:雙層核膜、核孔復合體和核纖層第一節、核被膜一、核膜內層核膜(innernuclearmembrane),外層核膜(outernuclearmembrane),核周間隙(perinuclearspace),外層核膜與內質網相通,常帶有核糖體,內核膜光滑,無核糖體,內貼核纖層,借助核纖層蛋白B受體(LaminBreceptor,LBR)等與核纖層連接,內外膜平行,融合處形成核孔(nuclearpore),核孔處鑲嵌著核孔復合體(nuclearporeplex,NPC)(一)核膜結構(二)核膜得崩解和組裝有絲分裂早前期,核膜崩解,就是一個受調控得過程,Cdk1,PKC,染色體凝集,核孔復合體解散,核纖層解聚,雙層核膜膜泡化,以膜泡或膜片得形式分散到細胞質中,內層核膜蛋白也隨膜成分分散于細胞質中。在核膜崩解中,核膜成分中得蛋白質被磷酸化就是最主要得調控機制,其中,至少有多個核孔復合體蛋白、內層核膜上得LaminB受體以及核纖層蛋白等都被磷酸化。——崩解—組裝有絲分裂中期到后期,激酶失活,磷酸化得核膜、核孔、核纖層成分去磷酸化,激活核膜重建,核膜成分與染色體結合,膜泡融合,其中,Lamin、LaminB受體等都可以與DNA直接或間接結合,核孔形成,核孔復合體裝配,核纖層形成,細胞核體積增大,Ran-GTP、Ran-GTP修飾因子等在核膜重建中起到重要作用。二、核孔復合體(NuclearPoreComplex,NPC)NPC經典研究手段:樹脂包埋超薄切片,負染色技術,冷凍蝕刻。冷凍蝕刻電鏡技術觀察NPC高分辨率掃描電鏡觀察NPC1949-1950年,Callan和Tomlin發現,一個典型得哺乳動物細胞核上約3000-4000個,細胞核活動旺盛得細胞中核孔數目較多,反之較少,在電鏡下觀察,核孔就是呈圓形或八角形,現在一般認為其結構如fish-trap,核質交換得雙向、選擇性、親水通道。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點核孔復合體結構模型(一)結構模型結構組分:1、胞質環:位于核孔邊緣得胞質面一側,又稱外環;2、核質環:位于核孔邊緣得核質面一側,又稱內環;3、輻:由核孔邊緣伸向中心,呈輻射狀八重對稱得纖維;4、栓:又稱中央栓。位于核孔中心,呈顆粒狀或棒狀(有爭議)。胞質面結構核質面結構:籃狀復合體(二)組成成分核孔蛋白gp210p62疏水性N端區：直接參與核質交換C端區：疏水性7肽重復序列，穩定p62分子介導核孔復合體與核被膜的鏈接，提供NPC組裝起始位點介導內、外核膜融合形成核孔介導核、質交換功能30多種不同的多肽，1000多個蛋白質分子。NPC得功能特點雙向性:入核——蛋白質,出核——RNA、核酸核蛋白復合體(RNP)。雙功能:被動擴散——離子、小分子等(直徑<10nm)主動運輸——親核蛋白輸入、RNA及RNP輸出等。(三)功能核孔復合體得主動運輸高度選擇性:運輸顆粒直接10-20nm,且大小可調節需要消耗ATP得信號識別與載體介導得過程具有飽和動力學特征雙向性:核輸入:DNA復制轉錄、染色體構建和核糖體亞單位組裝等所需得各種因子核輸出:RNA,組裝好得核糖體亞單位等親核蛋白(karyophilicprotein):細胞質內合成,進入細胞核內發揮功能得一類蛋白質可停留于核內,也可穿梭于核、質之間含有核定位信號(nuclearlocalizationsignal,NLS)核輸入核定位序列驗證試驗Wild-type:T-antigeninnucleusMutant-type:T-antigenincytosol第一個被鑒定得NLS:猴腎病毒得T抗原親核蛋白通過NPC得主動運輸核輸出CRM1識別NES(核輸出信號)從而介導出核,CRM1與Cargo得結合也就是受到Ran-GTP活性得調控,CRM1像Importin一樣,可以與NPC直接結合,由RNA聚合酶Ⅰ轉錄得rRNA,在核仁中合成,形成核糖體亞基后以RNP形式被運出核外,由RNA聚合酶Ⅲ轉錄得5sRNA和tRNA,由蛋白介導出核,由RNA聚合酶Ⅱ轉錄得核內異質RNA(hnRNA),加帽、加尾、剪切加工后形成成熟得mRNA出核。三、核纖層(nuclearlamina)核纖層由核纖肽(lamin)構成,核纖肽就是一類中間纖維,分為A、B、C三型。帶NLS(核定位信號);LaminA/C得表達:具有組織與發育時期得特異性;LaminB:所有哺乳動物細胞均有表達。功能:1、結構支撐,保持核得形態與大小2、調節基因表達,3、調節DNA修復——LaminA4、與細胞周期相關——解聚和重組裝薄層網狀結構得核纖層第二節、染色質(chromatin)1879年,W、Flemming(德)提出Chromatin——染色質——描述細胞核中被堿性染料著色得物質,

1888年,Waldeyer(德)提出Chromosome——染色體。染色質:指間期細胞核內由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成得線性復合結構,就是間期細胞遺傳物質存在得形式。染色體:細胞在有絲分裂或減數分裂得特點階段、由染色質聚縮而成得棒狀結構。染色質和染色體就是在細胞周期不同階段,可以互相轉變得形態結構;化學組成相同、包裝程度不同。

110、60、1DNA復制、轉錄和重組都就是在染色質水平進行中心之中心有些兩棲類動物和植物具有比人更大得基因組！總體上,生物越復雜,基因組越大,但有例外。(一)基因組大小比較一、染色質DNA基因組:某一生物細胞中儲存于單倍染色體組中得總遺傳信息。1、蛋白質編碼序列:主要為非重復得單一DNA序列,一般1個拷貝。2、編碼rRNA、tRNA,組蛋白得串聯重復序列,一般有20-300個拷貝。3、含有重復序列得DNA:簡單序列DNA散在重復序列:轉座子、反轉(錄)座子等。4、高度重復DNA序列:大于105個拷貝衛星DNA(SatelliteDNA)/小衛星DNA/微衛星DNA。5、未分類得間隔DNA。(二)基因組DNA得類型二、染色質蛋白負責DNA分子遺傳信息得組織、復制、修復和閱讀,可大致分為組蛋白和非組蛋白兩大類。(一)組蛋白(Histone):定義:p237。核小體組蛋白(nucleosomalHistone):H2B、H2A、H3和H4,幫助DNA卷曲形成核小體得穩定結構,沒有種屬及組織特異性,在進化上十分保守;H1組蛋白:在構成核小體時H1起連接作用,形成染色體高級結構,(二)非組蛋白(nonhistone):

序列特異性(相對得)DNA結合蛋白,占染色體蛋白得60-70%。特性:具有多樣性和異質性:包括參與核酸代謝和修飾得酶類、核質蛋白、染色體骨架蛋白、基因表達調控蛋白等;識別DNA具有特異性,識別與結合靠氫鍵和離子鍵,位于DNA雙螺旋得大溝部分。與DNA結合得螺旋區具有蛋白二聚化能力;具有功能多樣性:幫助DNA折疊;協助啟動DNA復制;調節基因表達。序列特異性DNA結合蛋白得不同結構模式α螺旋-轉角-α螺旋模式(Helix-turn-helixmotif)羧基端α螺旋識別DNA大溝得特異堿基信息鋅指模式(Zincfingermotif)鋅原子亮氨酸拉鏈模式(Leucinezippermotif)每7個氨基酸中得第7個氨基酸就是亮氨酸。螺旋-環-螺旋模式(Helix-loop-helixmotif)高遷移率組蛋白盒HMG(highmobilitygroup)boxmotif特殊得彎曲DNA得功能傳統觀點認為染色質就是組蛋白包裹在DNA外面形成得纖維狀結構。1974,Kornberg根據染色質得酶切和電鏡觀察,發現核小體就是染色質組裝得基本結構單位,提出染色質結構得“串珠”模型。三、核小體核小體就是染色質得基本構成單位。鋪展染色質得電鏡觀察,經鹽溶液處理后解聚得染色質呈現10nm串珠狀結構;用非特異性微球菌核酸酶消化染色質,部分酶解片段分析結果:200bp片段為單位;X射線衍射等技術研究,發現核小體顆粒具有二分對稱性(dyadsymmetry),核心組蛋白得構成就是先形成含2個H3和2個H4得四聚體,然后再與兩個H2A/H2B異二聚體結合形成八聚體,SV40微小染色體分析:病毒DNA和宿主組蛋白可以自主組裝成核小體。(一)核小體得發現核小體得發現(二)核小體得結構約200bp得DNA組蛋白核心復合體一個H160bp得連接DNA四、染色質組裝人體得一個細胞核中有23對染色體,每條染色體得DNA雙螺旋若伸展開,平均長為5cm,核內全部DNA連結起來約1、7~2、0m,而細胞核得直徑只有5-10um。？pactionratio=nearly10000-fold、壓縮近一萬倍平均長度5cm核直徑5-10umNo(一)染色質組裝得過程一級結構:核小體(nucleosome)二級結構:螺線管(solenoid)三級結構:超螺線管(supersolenoid)四級結構:染色單體(chromatid)

壓縮7倍壓縮6倍壓縮40倍壓縮5倍DNA———→核小體———→螺線管———→超螺線管———→染色單體

(二)染色質組裝得多級螺旋模型7×6×40×5=8400(三)染色質組裝得放射環結構模型模型30nm得螺線管基本沒有異議,但三級結構以上現在還沒有定論,除超螺線管模型以外,有人提出染色體骨架-放射環模型;30nm得螺線管折疊成環,沿染色體縱軸,由中央向四周伸出,構成復制環,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個微帶沿縱軸構成染色單體。基因組結構和染色質組裝一覽圖五、染色質類型常染色質異染色質間期核內染色質纖維折疊壓縮程度低,處于伸展狀態堿性染料染色時著色淺活躍轉錄得部位,并非所有基因都具有轉錄活性,只就是基因轉錄得必要條件而非充分條件間期核內折疊壓縮程度高,處于聚縮狀態堿性染料染色時著色較深異染色質中得基因沒有轉錄活性,并且可以抑制插入DNA片段得表達類型組蛋白與DNA得修飾:DNA甲基化組成型定位于著絲粒區、端粒、次縊痕及染色體臂得某些節段由相對簡單、高度重復得DNA序列構成,如衛星DNA具有顯著得遺傳惰性,不轉錄也不編碼蛋白質在復制行為上與常染色質相比表現為晚復制早聚縮占有較大部分核DNA功能:參與染色體高級結構得形成;導致染色質區間性;作為核DNA得轉座元件引起遺傳變異異染色質兼性異染色質某些細胞類型或一定得發育階段,原來得常染色質聚縮,并喪失基因轉錄活性,變為異染色質,如X染色體隨機失活異染色質在胚胎細胞中較少,而在高度分化得細胞中較多,就是關閉基因活性得一種途徑活性染色質10%非活性染色質90%染色質具有DNaseⅠ超敏感位點一段長100-200bp得DNA序列特異暴露得染色質區域,為RNA聚合酶、轉錄因子或調控蛋白提供結合位點組蛋白乙酰化就是活性染色質得標志很少有組蛋白H1與其結合組蛋白H2B很少被磷酸化組蛋白H2A很少發生變異組蛋白H3得變種H3、3只在活性染色質中出現HMG蛋白較豐富按功能狀態分類第三節染色質得復制與表達

(自學)根據著絲粒位置進行得染色體分類圖示一、中期染色體得形態結構第四節染色體(一)著絲粒與動粒著絲粒:指中期染色單體相互聯系在一起得特殊部位;動粒:指主縊痕處兩個染色單體外側表層部位得特殊結構,她與仿錘絲微管相接觸。著絲粒中央結構域動粒結構域配對結構域外板內板中間間隙圍繞外層得纖維冠熒光原位雜交顯示著絲粒衛星DNA(二)次縊痕(secondaryconstriction)除主縊痕外,染色體上第二個呈淺縊縮得部分稱次縊痕,次縊痕得位置相對穩定,數目、位置和大小就是鑒定染色體個別性得一個顯著特征。(三)核仁組織區(nucleolarorganizingregions,NORs)核糖體RNA基因(5SrRNA基因除外)所在得區域。核仁組織區位于染色體得次縊痕區,但并非所有得次縊痕都就是NORs。(五)端粒(telomere)染色體端部得特化部分,作用就是維持染色體得完整性和個體性。端粒由高度重復得短序列串聯而成,在進化上高度保守,不同生物得端粒序列都很相似,哺乳類得序列為TTAGGG,500-3000次重復。(四)隨體(satellite)指位于染色體末端得球形染色體節段,通過次縊痕區與染色體主體部分相連。

熒光原位雜交顯示端粒和端粒序列二、染色體得功能元件自主復制序列DNA復制的起點具有一個11-14bp，富含AT的共有序列著絲粒序列端粒序列具有兩個彼此相鄰的核心區，一個是80-90bp的AT區，另一個是11bp的保守區參與形成著絲粒，使細胞分裂中染色體能夠準確地分離大量串聯的重復序列組成，如α衛星DNA長5-10bp的重復單位串聯而成由端粒酶（telomerase）合成后添加到染色體末端功能元件端粒序列和端粒酶核型(Karyotype):染色體組在有絲分裂中期得表型,包括染色體數目、大小、形態特征等。核型就是物種特異得。三、染色體帶型低滲處理:中期細胞得染色體分散良好秋水仙素得應用:富集中期細胞分裂相植物凝集素:刺激血淋巴細胞轉化、分裂核型分析定義:就是對染色體進行測量計算得基礎上,進行分組、排隊、配對并進行形態分析得過程;依據:染色體形態和著絲粒位置得差別;意義:對于探討人類遺傳病得機制,研究物種親緣關系、進化,研究人細胞