細胞生物學-9間期細胞核和染色體.ppt

間期細胞核,真核細胞:均具有細胞核，失去細胞核后，很快就要死亡。 少數(shù)細胞:無細胞核的狀態(tài)下可以繼續(xù)進行生命活動。如哺乳動物的成熟紅細胞；植物韌皮部的篩管(營養(yǎng)輸導細胞)。 一個細胞只有一個細胞核。 特殊的細胞:同時含多個核。如:白細胞中多核細胞，可含有多個核。,結構：核膜、核仁、染色質(zhì)（染色體） 和核基質(zhì) 功能：遺傳信息儲存、復制和轉錄的場所； 細胞功能、代謝、生長等的 控制中心。,細胞核的形態(tài)結構,一、核被膜與核孔復合體 （一）核被膜 內(nèi)外兩層平行膜 膜厚:7.5nm。 胞質(zhì)側核膜(核外膜):胞質(zhì)面上附有大量核糖體顆粒,常與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連。 核質(zhì)側核膜（核內(nèi)膜）：表面光滑，含有一些特異性的蛋白質(zhì)，如核纖層蛋白B受體。 核膜間隙：內(nèi)外層核膜之間，20-40nm 與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通,內(nèi)、外核被膜在一定部位相互融合，形成一些環(huán)形開口，為核孔。 核孔規(guī)則排列 核孔：由100多種蛋白質(zhì)分子構成 相對分子質(zhì)量：0.5x105 1x105kDa 結構復雜 稱核孔復合體(nuclear complex) 孔膜區(qū)：靠近核孔處的核膜在化學組成上與其他處的核膜不同 特征性蛋白：跨膜糖蛋白gp210。,（二)核孔復合體 胞質(zhì)與核質(zhì)之間物質(zhì)運輸?shù)耐ǖ?，普遍存?直徑80-120nm，其中間通道大小9X15nm 數(shù)量隨細胞種類、生理狀態(tài)改變。 與基因的轉錄活性有關：旺盛時數(shù)量增加；轉錄低時數(shù)量減少,1核孔復合體的結構 大小和組成復雜，分離純化困難， 形態(tài)結構至今沒有一個統(tǒng)一模型 1974年Franke、Boberts等提出核孔復合體模型以來，先后出現(xiàn)多種模型，著名的有： 纖絲模型(Franke and Scheer 1974) 滴漏樣模型(HRis，1991) 圓柱模型(Akey，C. W.， 1993) 其中，1974年Franke和Scheer所提出的纖絲模型廣為引用。,纖絲模型 核孔復合體由核孔和孔環(huán)構成的復合絲狀結構，在核膜上非隨機分布，穿越雙層核膜形成通道。 核孔中心：一顆粒狀或棒狀的中央顆粒，稱為中央栓(central plug)。 核孔的內(nèi)、外膜開口的邊緣上均有環(huán)狀物質(zhì)存在，稱為環(huán)帶。環(huán)帶為非勻質(zhì)結構，核孔的內(nèi)、外開口處均有一個由8個直徑為10-25nm的環(huán)狀顆粒。 每個環(huán)帶的環(huán)狀顆粒上還分別向核質(zhì)與胞質(zhì)中伸出絲狀物。胞質(zhì)環(huán)向胞質(zhì)中伸出的絲狀物短而卷曲；核質(zhì)環(huán)向核質(zhì)中伸出的絲狀物長而直。,核孔復合體主要由蛋白質(zhì)組成，50100多種 核孔蛋白：常含有以二肽(FG)結尾的重復區(qū)段，可能是與轉運受體發(fā)生相互作用的位點； 已識別兩類核孔蛋白：gp210和一組O-連接的糖蛋白。 Gp210：跨膜N-連接糖蛋白，具有信號肽和兩個疏水性序列，作用：將核孔復合體鉚連到核膜上，穩(wěn)定核孔復合體。 O-連接的糖蛋白：8-10種，作用：可能構成胞質(zhì)和核質(zhì)的絲狀物，直接參與胞質(zhì)和核質(zhì)之間的物質(zhì)交換。,2核孔復合體的功能 核質(zhì)與胞質(zhì)之間進行物質(zhì)交換的通道 運輸具有雙向選擇性 主要：被動運輸(自由擴散)和主動運輸 核孔復合體通道：充滿液體的柱狀通道， 只允許離子和水溶性小分子自由擴散,嚴格的雙向選擇性，均是載體介導的過程。 對被運輸物質(zhì)大小上加以限制：核孔在主動運輸中的功能直徑是可以調(diào)節(jié)的； 核孔的主動運輸是一個信號識別與載體介導的過程，需要消耗ATP來提供能量； 具有運進核和運出核的雙向性，如DNA聚合酶、RNA聚合酶、組蛋白和核糖體蛋白等物質(zhì)的運進，RNA和核糖體亞單位等物質(zhì)的運出。,(1)核蛋白的運進 核蛋白均含有一段特殊的氨基酸序列，稱為核輸入信號(nuclear import signal) 4-8個氨基酸構成的一個短肽，富含帶正電的氨基酸 NLS與信號肽區(qū)別：定位在親核蛋白的不同部位，進入核后也不被切除。 已鑒定出多種不同核輸入信號，沒有共同的特征性序列,(2)RNA和核糖體亞單位的運出 選擇性受體介導的主動運輸過程 選擇性表現(xiàn)在: RNA只有轉錄后加工成熟后才能被運出 成熟小胞質(zhì)RNA （scRNP） 運出需要特異性信號 成熟mRNA和scRNA的運出需要依賴于其5-端的m7G帽 成熟rRNA在核內(nèi)變成核糖體亞單位，以RNP的形式依賴于受體介導被運出細胞核 核糖體亞單位較大(直徑15nm)，運出機理不清。,(三)核纖層,內(nèi)層核膜內(nèi)表面、中間纖維相互交織而成，高電子密度的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡結構 核纖層在內(nèi)層核膜和染色質(zhì)之間形成一層網(wǎng)絡狀結構。 三種多肽：核纖層蛋白(lamins)A、B和C 近核膜側：B與內(nèi)層核膜中的特定受體結合，其受體蛋白為內(nèi)層核膜中的整合膜蛋白，分布在核孔復合體的附近，以一定部位與核孔復合體的核質(zhì)環(huán)相連； 近染色質(zhì)側：核纖層蛋白A和C可與染色質(zhì)上的特殊位點相結合，為染色質(zhì)提供附著位點。,核纖層的功能： 維持核孔的位置和核被膜的形狀 為間期染色質(zhì)提供附著位點，是染色質(zhì)的結構支架。 在有絲分裂過程中，核纖層還與核被膜的解體和重建有關。在分裂前期末，核纖層蛋白被磷酸化，核纖層解體，進而使核被膜發(fā)生解體；而在分裂末期，核纖層蛋白去磷酸化，重新組裝成核纖層，導致核被膜的重建。,間期核中，染色質(zhì)兩種狀態(tài)： 伸展開的呈電子透亮狀態(tài)，為常染色質(zhì)； 卷曲凝縮的，為異染色質(zhì)。 染色質(zhì)和染色體是遺傳物質(zhì)在細胞周期不同階段的存在形式，二者的化學組成沒有多大差異。 染色質(zhì)：間期細胞，網(wǎng)狀不規(guī)則， 有利于復制和表達 染色體：細胞分裂過程中，棒狀結構， 利于平均分配,二、染色質(zhì)和染色體的分子結構,（一）染色質(zhì)的分子結構 1. 染色質(zhì)的基本結構單位核小體 R. Kornberg于1974年提出染色質(zhì)結構的念珠模型。 染色質(zhì)的基本結構單位：核小體 200bpDNA、5種組蛋白 核心：4種組蛋白（H2A、H2B、H3、H4） 各2個分子成8聚體核心顆粒； 約140bpDNA纏繞1.75圈； 直徑11nm，圓盤形 相鄰核小體：H1組蛋白結合60bp連接DNA H1鎖住DNA分子進出口，穩(wěn)定結構,由核小體重復單位靠攏排列組成10nm粗的核小體絲，即染色質(zhì)絲。 核小體核心顆粒的DNA分子雙螺旋同4種組蛋白有一定的相互作用部位，只有H3和H4才能同DNA結合成類似的核小體; 只有H2AH2B則形不成核小體顆粒。 核小體的核心較穩(wěn)定，而連接區(qū)易被核酸酶所消化。連接區(qū)具有柔性，為染色質(zhì)絲的進一步折曲提供了方便。 各種組織的核小體核心部分的DNA長度很恒定；連接區(qū)的DNA長度各個物種有所不同，所以不同細胞中，每一個核小體DNA基本單元長度有差異。,DNA的復制和RNA的轉錄均涉及核小體結構的變化。 DNA復制時，要發(fā)生核小體的局部解體和組蛋白八聚體的全保留式組裝(即新舊組蛋白不相互混合)。 離子強度的變化對染色質(zhì)纖維的結構有明顯的影響。 低離子強度(1molL)，染色質(zhì)展開成l0nm核小體絲，為一串松散的核小體。 隨著離子強度的升高。H1組白分子間的相互作用面積增大，核小體絲逐漸折屈成鋸齒形，進而卷曲成螺旋管，即30nm染色質(zhì)粗纖維。螺旋管的每圈由6-8個核小體圍成H1組蛋白位于螺旋管腔的內(nèi)表面。 去掉H1組蛋白，核小體絲不能卷曲成30nm纖維。,2、常、異染色質(zhì)的區(qū)別,2. 常染色質(zhì)與異染色質(zhì) 一條染色體：有常染色質(zhì)區(qū)段， 也有異染色質(zhì)區(qū)段 異染色質(zhì)分兩種類型 結構異染色質(zhì)： 各種細胞中總處于凝縮狀態(tài) 高度重復序列、不轉錄 染色體著絲粒、端粒 功能：染色體結構形成及染色體配對,兼性異染色質(zhì)： 某些細胞或發(fā)育階段呈濃縮狀態(tài) 如：哺乳動物的X染色體 雄性動物：1個染色體，完全是常染色質(zhì) 雌性動物：2個X染色體， 1個是常染色質(zhì)， 另1個在胚胎發(fā)育到一定時間 (人為第16天)變?yōu)槟s的異染色質(zhì) 所以，間期核中有1個X染色體呈現(xiàn)為濃染小體，位于核周緣，稱X染色質(zhì)（巴氏小體）,(二)中期染色體的結構 在細胞周期的大部分時間內(nèi)，遺傳物質(zhì)是以染色質(zhì)的形式存在的。 在整個細胞周期中，染色體進行著凝縮和松展的周期性變化。 在細胞有絲分裂的中期，形成高度凝縮的染色體。在中期具有特定形態(tài)結構的染色體稱為中期染色體。,染色質(zhì)一級結構： 核小體連接而成，形似一串念珠 染色質(zhì)二級結構：螺線管，外經(jīng)30nm 核小體串珠鏈螺旋盤繞，每圈6個核小體 螺線管到染色體：觀點不同 染色體“袢環(huán)”模型 Laemmli提出 染色體支架：非組蛋白構成的纖維網(wǎng)架 袢環(huán)：螺線管一端與支架結合 另一端向周圍呈環(huán)狀迂回后再回到結合處 含315個核小體 微帶：18個袢環(huán)呈放射平面排列 微帶沿染色體縱軸建成染色體,染色體是由30nm粗纖維經(jīng)過幾級卷曲而成。30nm粗纖維的進一步卷曲，需有結構非組蛋白參加，形成支架。 去掉組蛋白的染色體周圍布滿了松展開的裸露DNA絲。由非組蛋白構成的支架仍保持著染色體的基本輪廓，特稱為染色體骨架。 染色體骨架是染色體中真實存在的結構，為核骨架的成員之一。中期染色體含有2個骨架，每個染色單體占有1個骨架。展開的DNA絲為長25um (75 000bp)袢，袢的兩端連接到骨架上相靠近的部位。,2. 中期染色體的分子結構 中期染色體上有高度分化的區(qū)域，比較細的區(qū)域稱為縊痕(constriction)，著絲粒處的縊痕稱為主縊痕。 除了著絲粒處的主縊痕外，其他處的縊痕均稱為次縊痕。 有的染色體在一末端附近有一次縊痕，是核仁組織區(qū)(nucleolus-organizing region，NOR)所在部位，這種具有核仁組織區(qū)的染色體稱為核仁組織染色體。,染色體由著絲粒劃分為兩部分，即兩個臂。染色體組中各對染色體的著絲粒位置不同，故各染色體兩臂的長度不同。 根據(jù)著絲粒的位置不同，將染色體分為四種： (1)中央著絲粒染色體 (2)亞中央著絲粒染色體 (3)近端著絲粒染色體 (4)端著絲粒染色體,染色體代表性結構： (1)著絲粒(centromere)： 有絲分裂時紡錘絲附著的部位。著絲粒處的染色體較細，稱為主縊痕。著絲粒是染色體的一個組成部分， 電鏡下可以看到，紡錘絲并不直接和著絲粒相連，而是連接在著絲粒一側的一個盤狀蛋白質(zhì)結構上，這一結構稱為動粒(kinetochore)。 動粒在電鏡切片上呈三層式結構，中間層密度小，而兩側兩層密度大。內(nèi)層同著絲粒緊密相連，每一動粒上可連接有440條微管，外層連有紡錘絲微管。絕大部分染色體微管連接于動粒的外層。,動粒和著絲粒無論是在空間位置，還是在結構和功能上均具有密不可分的關系。Plata(1990)將哺乳動物細胞中染色體的主縊痕區(qū)域稱為著絲粒-動粒復合體，并提出了著絲粒動粒復合體的結構模型，將其分為動粒結構域、中心結構域和配對結構域三個結構域(圖1228)。 用抗微管蛋白抗體顯示，動粒中也含有微管蛋白，動粒具有微管組織中心的作用，當把中期染色體分離出來，同微管蛋白溶液(適當緩沖液)一起培育時，所有染色體的動粒上均重組成微管。,(2)端粒(telomere) 端粒為染色體端部的特化部分，位于染色體的端部，由端粒DNA與端粒蛋白構成，功能與維持染色體的穩(wěn)定性、保證DNA的完全復制和染色體在核內(nèi)的分布有關。 在同源染色體配對時，端粒能結合在核膜上；端粒長時，細胞能分裂和存活；端粒短時，細胞不能分裂甚至不能存活。這與端粒酶的表達與否有關。,(3)次縊痕(secondary constriction) 除著絲粒區(qū)主縊痕以外的其他縊痕。由于此部分DNA發(fā)生松解，故而變細。每種生物的染色體組中至少有一條或一對染色體有次縊痕，可作為鑒定某條染色體的標志。有些次縊痕可形成核仁組織區(qū)。,(4)核仁組織區(qū)(nucleolus-organizing region, NOR)：核仁組織區(qū)位于染色體次縊痕部位(并非所有的次縊痕都是NOR)，此處伸出DNA袢環(huán)(含有rRNA的基因，可活躍合成18S 、5.8s和28S rRNA rRNA ，與核仁的形成有關。 (5)隨體(satellite)：指染色體末端部分的球形或圓柱形的片段結構，通過次縊痕與染色體的主要部分相連。為識別染色體的重要特征之一。其中，端隨體位于染色體末端；中間隨體位于兩個次縊痕之間。,3染色體的關鍵序列 染色體要確保在細胞世代中保持穩(wěn)定， 必須具有自主復制、保證復制完整性、能夠平均分配到2個子細胞中的能力， 即必須要具有能發(fā)揮這些能力的結構序列。,(1)自主復制DNA序列,20世紀70年代末首次在酵母DNA序列中發(fā)現(xiàn)。 都具有一段11-14bp、富含AT的高度保守序列。 這段序列及其上游和下游約200bp 的區(qū)段均對自主復制序列的功能是必需的。 自主復制DNA序列具有一復制起點，能確保染色體在細胞周期中能夠自我復制，從而保證染色體在世代傳遞中具有穩(wěn)定性和連續(xù)性。,(2)著絲粒DNA序列 著絲粒DNA序列與染色體的分離有關。 通過對不同來源著絲粒DNA序列的分析，發(fā)現(xiàn)它們均含有2個緊密相連的核心區(qū)： 一個是80-90bp的AT區(qū)，另一個是11bp的保守區(qū)。 利用著絲粒DNA序列的缺失損傷或插入突變實驗發(fā)現(xiàn)，一旦改變這兩個核心區(qū)中的序列，著絲粒DNA序列便會喪失其生物學功能。 著絲粒DNA序列能確保染色體在細胞分裂時能被平均分配到2個子細胞中去。,(3)端粒DNA序列 一段短的正向重復序列，在四膜蟲中，為一段重復20-70次的3-GGGGTT-5序列。 功能：保證染色體的獨立性和遺傳穩(wěn)定性。 末端DNA的復制，由端粒酶(telomerase)來負責。 端粒酶：一種RNP分子，由RNA和蛋白質(zhì)構成，具有反轉錄酶的功能。 催化合成端粒DNA的機制是：端粒酶沿后隨鏈以3-OH為引物，合成端粒DNA重復序列。然后，新合成的端粒DNA重復序列折回成袢，再以T2G4為模板合成DNA，以保證DNA的完全復制。,4. 特殊染色體 多線染色體和燈刷染色體兩類。 (1)多線染色體： 雙翅目昆蟲(如果蠅)幼蟲的唾腺細胞等，以及植物的胚珠細胞； 細胞永遠處于間期階段，不再進行有絲分裂。 在幼蟲發(fā)育期間，染色體要進行4-15次復制，復制后新、老鏈不分離，因而一個染色體中有24215條DNA分子，這種現(xiàn)象稱為核內(nèi)有絲分裂。這種只復制不分離的巨大染色體就稱為多線染色體。,多線染色體比一般染色體粗得多。由于多線染色體中平行排列的染色質(zhì)纖維各段凝縮緊密程度不同，因而呈現(xiàn)出橫行帶紋現(xiàn)象，有的帶可含多個基因。 多線染色體的帶可保持靜息狀態(tài)，但有的帶發(fā)生蓬松現(xiàn)象，出現(xiàn)蓬突。有一些大的蓬突命名為巴氏環(huán)。 多線染色體出現(xiàn)的蓬突是基因活動區(qū)，是正在進行轉錄的表現(xiàn)。轉錄的產(chǎn)物絕大部分是mRNA。 多線染色體的某些蓬突中也能摻入3H-胸腺嘧啶核苷，說明這些區(qū)段進行DNA外復制，是一種基因擴增現(xiàn)象。,(2)燈刷染色體(lampbrush chromosome) 動物卵母細胞在雙線期中普遍發(fā)生，染色體伸出大量側環(huán)的現(xiàn)象。 染色體外形類似于燈刷(或試管刷) 。兩棲類動物的燈刷染色體十分明顯，而且很長。 燈刷染色體出現(xiàn)于減數(shù)分裂的雙線期，為二價體，兩條同源染色體通過幾處交叉而相連。,燈刷染色體的每一同源染色體軸表現(xiàn)為由1行顆粒組成，這種顆粒稱為染色粒。 染色粒是染色單體緊密折疊的區(qū)域，為不進行轉錄的片段，側環(huán)是進行轉錄的區(qū)段。側環(huán)部分的DNA約占DNA總量的5。 側環(huán)均成對存在，染色體中的兩個側環(huán)染色單體在各個對應部位都各松展出1個側環(huán)。 每條染色體上可伸出5,000-10,000個側環(huán)。,側環(huán)是由DNA分子外被以基質(zhì)所組成，基質(zhì)的成分是RNA和蛋白質(zhì)。 每1個側環(huán)是1個轉錄單位。側環(huán)兩端粗細不等，由細端逐漸向另一端增粗。 側環(huán)上伸出的不同長度核糖核蛋白絲是DNA軸的轉錄產(chǎn)物。轉錄的RNA為mRNA前體物，供卵細胞生長和胚胎時期發(fā)育之用。 由于轉錄活動是由側環(huán)一端開始，向著另一端進行，而且轉錄出的RNA鏈與DNA主軸垂直，因此隨著DNA鏈的不斷延長而使側環(huán)加粗，呈現(xiàn)為雪松形。,三、核仁 1個或幾個濃密的球形小體，稱為核仁(nucleolus)。 生理活動旺盛的細胞，核仁大；不太活動的細胞，核仁就小。 電鏡下：核仁無膜包圍，由四部分組成，即顆粒區(qū)、原纖維區(qū)、核仁染色質(zhì)和基質(zhì)。顆粒區(qū)和原纖維區(qū)最明顯。 核仁4種成分的比例隨細胞的生理活動而有所變化，細胞代謝旺盛時，顆粒區(qū)明顯，反映出正在活躍地合成核糖體亞單位的狀態(tài)。,顆粒區(qū)往往位于核仁的邊緣部分，由直徑約15-20nm的顆粒(略小于核糖體)所組成。顆粒系處于不同成熟程度的核糖體亞單位體。 原纖維區(qū)是由直徑約為5-10nm的原纖維所組成。用核糖核酸酶和蛋白質(zhì)水解酶處理超薄切片，即顯示出顆粒區(qū)和原纖維區(qū)顯著減小，這說明此兩種成分的性質(zhì)為核糖核蛋白。 核仁成分是懸浮在無結構的蛋白質(zhì)溶液中，此溶液即為核仁基質(zhì)。,核仁染色質(zhì)包括兩部分： 核仁周邊染色質(zhì)：核仁周邊 核仁內(nèi)染色質(zhì)：核仁內(nèi)，rDNA rDNA含有為核糖體RNA(rRNA)編碼的基因，核仁組織染色體中含有核糖體RNA基因，具有組織形成核仁的能力的染色質(zhì)區(qū)稱為核仁組織區(qū)(nucleolar organizing region，NOR)。,核仁的功能： 轉錄rRNA和組裝核糖體亞單位 核仁的原纖維區(qū)纖維狀物質(zhì)：新合成的rRNA結合蛋白質(zhì)所組成的核糖核蛋白(RNP)。RNP進一步裝配成核仁顆粒，即成熟程度不同