醫(yī)學細胞生物學 細胞核-201Xppt課件

.,細胞核概述,真核細胞中最大、最重要的細胞器功能：1.遺傳物質貯存、復制和轉錄的場所2.細胞生命活動的控制中心真核生物和原核生物的最大區(qū)別核進化意義：核物質區(qū)域化1.保護核內DNA免受損傷，保證遺傳的穩(wěn)定性2.使遺傳信息的轉錄和翻譯在時空上分離,.,數(shù)量：單核（多數(shù)細胞）雙核（肝、腎、軟骨細胞）多核（破骨細胞、骨骼肌細胞等）無核（成熟紅細胞）大小：高等動物細胞核直徑通常在510m生長旺盛的細胞：核較大，如卵、腫瘤細胞分化成熟的細胞：核較小常用核質比來表示細胞核的相對大小,細胞核的數(shù)量、大小與形態(tài),.,形態(tài)：間期才可以觀察到細胞核的完整結構；多樣，多為圓形或橢圓形；與細胞的形狀、類型、發(fā)育時期等有關。,.,核膜染色質核仁核基質,間期核的結構主要由4部分構成,.,第一節(jié)核膜,核膜(nuclearmembrane)又稱核被膜(nuclearenvelope)一、核膜的化學組成二、核膜的結構三、核膜的功能,.,一、核膜的化學組成,主要為蛋白質（65%75%）和脂類，可能還有少量DNA和RNA所含的酶類和脂類都與ER相似，但含量有差異,.,二、核膜的結構*,電鏡下，核膜是由內核膜、外核膜、核周間隙、核孔復合體和核纖層等結構組成。,.,（一）外核膜(outermembrane)與糙面內質網(wǎng)膜相連續(xù)外表面有核糖體附著外表面附著有細胞骨架成分，起著固定細胞核并維持細胞核形態(tài)的作用。,.,（二）內核膜(innermembrane)表面無核糖體附著核質面附著有核纖層，對核膜其支持作用,.,（三）核周間隙(perinuclearcisternae)內外兩層核膜之間的腔隙與內質網(wǎng)腔相連，內含多種蛋白質和酶,.,（四）核孔復合體核孔：內外核膜融合之處形成的環(huán)狀開口數(shù)量：30004000個/哺乳類細胞蛋白質合成旺盛的細胞，核孔數(shù)目較多,電鏡下，核孔是由多種蛋白質以特定方式排列而成的復合結構，稱為核孔復合體（nuclearporecomplex，NPC）。,NPC由四種組分構成：胞質環(huán)核質環(huán)輻柱狀亞單位環(huán)狀亞單位腔內亞單位中央栓,核孔復合體的結構*：捕魚籠式(fish-trap)結構模型被普遍接受,核孔復合體模式圖,側面觀,核孔復合體的化學組成：主要由蛋白質組成核孔蛋白（nucleoporin，Nup）的特點進化上高度保守多含有一簇FG重復序列F：苯丙氨酸G：甘氨酸,.,（五）核纖層(nuclearlamina)概念*：核纖層是位于內核膜內側與染色質之間的一層由高電子密度纖維蛋白質組成的網(wǎng)絡片層結構。只存在于間期核中，分裂期解體,.,核纖層的化學成分：核纖層蛋白（屬于中間纖維蛋白）哺乳類細胞的核纖層蛋白（lamin）有3類laminAlaminCLaminB,.,核纖層的功能*1.核纖層在細胞核中起支架作用,.,2.核纖層與核膜的崩解和重建密切相關,laminA、C分散到胞質中l(wèi)aminB與核膜小泡結合,.,3.核纖層與染色質凝集成染色體相關分裂間期，染色質與核纖層結合緊密，不能螺旋化成染色體；分裂前期，核纖層解聚，染色質與核纖層的結合喪失，染色質凝集成染色體。,.,4.核纖層參與DNA的復制,利用爪蟾卵母細胞核重建體系的研究發(fā)現(xiàn)，重建的缺乏核纖層的細胞核不能進行DNA的復制，提示核纖層參與了DNA復制。,.,三、核膜的功能*,核膜為基因表達提供了時空隔離屏障使DNA復制、RNA轉錄與蛋白質翻譯在時空上分離，建立了遺傳物質穩(wěn)定的活動環(huán)境；保證了RNA轉錄后先進行加工、修飾，才能輸入細胞質中，進而指導蛋白質的合成，使遺傳信息的表達調控過程更加精確、高效。,.,2.核膜參與蛋白質的合成,.,3.核孔復合體控制著核-質間的物質交換核孔復合體是介導核-質間物質交換的雙向親水通道具有兩種運輸方式被動運輸主動運輸,.,通過核孔復合體的被動運輸靜止狀態(tài)下，核孔中央有直徑910nm的親水通道，水、無機離子、小分子及直徑小于10nm的物質原則上可自由通過。,.,通過核孔復合體的主動運輸絕大多數(shù)生物大分子的核-質分配需要借助核孔復合體的主動運輸方式來實現(xiàn)。具有高度選擇性，表現(xiàn)在以下三方面核孔復合體的孔徑可調，主動運輸?shù)墓δ苤睆奖缺粍舆\輸大，為1020nm，可調節(jié)達26nm。,.,核孔復合體的主動運輸是信號識別與載體介導的過程，需消耗能量。具有雙向性，兼有核輸入與核輸出兩種功能核輸入：DNA復制與RNA轉錄所需的各種酶、組蛋白、核糖體蛋白等核輸出：mRNA、tRNA、核糖體大小亞基等,.,1.親核蛋白的核輸入親核蛋白*（karyophilicprotein）：指在細胞質中游離核糖體上合成、經(jīng)核孔轉運入細胞核發(fā)揮作用的蛋白質。,游離核糖體,.,親核蛋白一般都有一段特殊的氨基酸信號序列，起著定向和定位的作用，保證蛋白質通過核孔復合體向核內輸入，這一特殊的信號序列稱為核定位序列*(nuclearlocalizationsequence,NLS)。NLS特點：含48個氨基酸的短肽序列不同親核蛋白上的NLS不同，但都富含堿性氨基酸（Lys、Arg），通常還有脯氨酸NLS可以位于親核蛋白的任何部位，并且在指導親核蛋白完成核輸入以后不被切除。,-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-,具有正常NLS的T-抗原聚集于細胞核內,NLS發(fā)生突變的T-抗原分布于胞質中,病毒SV40的T-抗原在宿主細胞中的分布,親核蛋白入核轉運的條件核定位序列（NLS）NLS受體（核輸入蛋白）核輸入受體核輸入受體Ran：一種GTP結合蛋白,.,親核蛋白的核輸入過程,.,2.RNA及核糖體亞基的核輸出,第二節(jié)染色質與染色體,染色質（chromatin）：是間期細胞遺傳物質的存在形式，是由DNA、組蛋白，非組蛋白及少量RNA組成的細絲狀復合結構。染色體（chromosome）：是指細胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中，染色質經(jīng)復制后反復纏繞凝聚而成的條狀或棒狀結構。染色質和染色體是遺傳物質在細胞周期不同時相的不同表現(xiàn)形態(tài)。,.,細絲狀，彌散分布于核內有利于遺傳信息的復制和表達,間期染色質,中期染色體,條狀或棒狀結構有利于遺傳物質的平均分配,.,從裂解的核中溢出的染色質,中期染色體,.,染色質和染色體的組成成分*：DNA組蛋白非組蛋白RNA,少量，含量隨細胞生理狀態(tài)的不同而變化,染色質的穩(wěn)定成分，占染色質總量的98%，二者比例約1：1,一、染色質與染色體的組成成分,.,1.DNA序列的類型真核細胞DNA序列分為3類單一序列（單拷貝序列）在基因組中一般只有單一拷貝或少數(shù)幾個拷貝絕大多數(shù)編碼蛋白質（酶）的結構基因均屬于單一序列,(一)DNA遺傳信息的載體,.,中度重復序列：重復次數(shù)在10105之間，序列長度從幾百到幾千個bp不等多數(shù)是不編碼序列，構成基因內或基因間的間隔序列，在基因表達調控中起重要作用。少數(shù)是有編碼功能的基因，如rRNA基因、tRNA基因、組蛋白基因、核糖體蛋白的基因等。,.,高度重復序列：重復次數(shù)超過105，分布在染色體的著絲粒區(qū)和端粒區(qū)，長度一般為幾個至幾十個bp。高度重復序列有些散在分布，另一些則串聯(lián)重復，均不能轉錄主要是構成結構基因的間隔，維系染色體結構，還可能與減數(shù)分裂過程中同源染色體聯(lián)會有關。,2.一條功能性染色質DNA必須具備3類功能序列*,人：GGGTTA,.,(二)組蛋白（histone）,1.組蛋白的特點真核生物染色質的基本結構蛋白堿性蛋白，富含的Arg和Lys等堿性氨基酸帶有正電荷，可與帶負電荷的DNA緊密結合(非特異性結合)。,.,2.組蛋白的分類*,組蛋白共有5種，按功能可分兩大類,核小體組蛋白（nucleosomalhistone）H2A、H2B、H3、H4；組成八聚體，協(xié)助DNA卷曲成核小體結構無種屬及組織特異性，進化上高度保守H1組蛋白穩(wěn)定核小體并與核小體的進一步包裝有關有一定的種屬及組織特異性,.,3.組蛋白的功能*協(xié)助折疊及包裝DNA形成染色體保護DNA不被酶消化組蛋白與DNA的結合可抑制DNA的復制與轉錄組蛋白乙?；?、磷酸化等化學修飾可改變組蛋白的電荷性質，使組蛋白與DNA結合力減弱，有利于DNA的復制和轉錄。甲基化則可增強組蛋白和DNA的相互作用，抑制DNA的復制和轉錄。,.,(三)非組蛋白（non-histone）,概念：除組蛋白之外的染色質結合蛋白的總稱特點：含量少，種類多在不同組織細胞中的種類和數(shù)量均不相同與特異的DNA序列結合功能*：協(xié)助DNA折疊，啟動和推進DNA的復制，調控基因轉錄,.,二、常染色質與異染色質,按間期核中染色質螺旋化程度、功能狀態(tài)的不同，可分為：常染色質異染色質,常染色質與異染色質的異同*,相同點：化學本質相同，只是不同功能狀態(tài)下染色質的不同構型而已，一定條件下可互相轉化。,.,異染色質可分兩類：組成性異染色質：指在各種類型細胞的細胞周期中（除復制期外）均呈凝縮狀態(tài)的異染色質。由高度重復的DNA序列構成不轉錄也不編碼蛋白質多分布于染色體的著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕等部位兼性異染色質：只在某些細胞類型或一定的發(fā)育階段，處于凝縮失活狀態(tài)，而在其他時期松展為常染色質?？偭孔兓c細胞類型有關，胚胎細胞中含量少，高度分化的細胞中含量多。,.,雌性哺乳動物體細胞核中的X染色質（巴氏小體）即為一種兼性異染色質,Barrbody,.,三、染色質組裝成染色體*,伸展的染色質纖維,(一)核小體染色質的基本結構單位核小體（nucleosome）是染色體組裝的一級結構，為直徑約10nm的圓盤狀顆粒。,.,核小體的組成*：DNA：約200bp左右146bp：盤繞組蛋白八聚體1.75圈，稱核心DNA60bp：連接相鄰的核小體，稱連接DNA（長度變異大）組蛋白八聚體：一個1組蛋白：一個,.,核小體串珠的形成使DNA分子長度壓縮了約7倍,.,（二）核小體進一步螺旋形成螺線管,螺線管（solenoid）是染色質的二級結構，是在組蛋白H1的協(xié)助下，由核小體串珠結構盤旋而成的中空結構每圈6個核小體，外徑30nm，螺距11nm螺線管的形成使核小體串珠結構壓縮了約6倍,.,組蛋白H1位于螺線管的內部，是螺線管形成和穩(wěn)定的關鍵因素,.,30nm染色質纖維核小體串珠,電鏡下，間期核中的染色質大多以一種30nm染色質纖維（螺線管）的形式存在。,.,（三）螺線管進一步包裝成染色體,關于螺線管如何進一步包裝成染色體，目前有兩種模型：多級螺旋模型（multiplecoilingmodel）染色體骨架-放射環(huán)模型(scaffold-radialloopstructuremodel),.,1.多級螺旋模型*一級結構：核小體，直徑10nm二級結構：螺線管，直徑30nm三級結構：超螺線管，直徑0.20.4um四級結構：染色單體,.,最早是Laemmli等(1977)根據(jù)大量的實驗結果提出的。他們用2mol/L的NaCl加肝素處理HeLa細胞的中期染色體，除去組蛋白和大部分非組蛋白后，在電鏡下看到了由非組蛋白構成的染色體骨架和由骨架伸出的無數(shù)的DNA袢環(huán)。,2.染色體骨架-放射環(huán)模型,.,染色體骨架-放射環(huán)模型*一級結構：核小體二級結構：螺線管(30nm纖維)高級結構：袢環(huán)結構和染色單體高級結構的組裝過程：螺線管進一步折疊成一系列袢環(huán)結構，袢環(huán)的基部連于中央的染色體骨架上。每18個袢環(huán)呈放射狀平面排列，形成微帶。約106個微帶沿縱軸排列，形成染色單體。,.,.,染色體骨架-放射環(huán)模型,.,四、染色體的形態(tài)結構,在有絲分裂中期，染色體高度凝集，形態(tài)、結構特征明顯，可作為染色體一般形態(tài)和結構的標準。中期染色體由著絲粒相連的兩條姐妹染色單體構成主要結構：著絲粒、主縊痕、次縊痕、端粒、隨體等。,.,（一）著絲粒（centromere）,主縊痕：中期染色體的兩條姐妹染色單體的連接處向內凹陷、著色較淺的縊痕。著絲粒：指主縊痕處的染色質部分，由高度重復的異染色質組成。著絲粒將染色體分為兩個臂,依據(jù)著絲粒的位置，中期染色體分為4種類型,.,.,動粒（kinetochore）位于著絲粒兩側的圓盤狀結構由蛋白質構成是細胞分裂時紡錘絲動粒微管的附著部位，參與染色體的運動與分離。,（二）著絲粒-動粒復合體,.,中期染色體,.,著絲粒-動粒復合體：由著絲粒和動粒共同組成的一種復合結構介導紡錘絲與染色體的結合包括三個結構域：動粒域中心域配對域,.,動粒域：圓盤狀結構，由蛋白質構成，是紡錘體動粒微管的附著部位。中心域：位于動粒域的內側，是復合體的主體，由富含高度重復序列的異染色質構成。配對域：在中心域內表面，是兩條染色單體相互連接的區(qū)域。,動粒在電鏡下呈三層板狀結構,動粒與著絲粒的比較*,.,（三）次縊痕（secondaryconstriction）,指某些染色體上除主縊痕之外的淺染縊縮部位其數(shù)量、位置和大小可用作鑒別染色體的標記,.,位于某些染色體末端的球形或棒狀結構主要由異染色質構成通過次縊痕區(qū)與染色體主體部分相連隨體也是識別染色體的重要特征之一,（四）隨體（satellite）,.,人類有隨體的染色體：1315、21、22號全部為近端著絲粒染色體有隨體染色體的次縊痕部位含有多拷貝的rRNA基因（5SrRNA除外），是具有組織形成核仁能力的染色質區(qū)，與核仁形成有關，此區(qū)稱為核仁組織區(qū)（nucleolusorganizingregion,NOR）。,.,（五）端粒（telomeres）,染色體末端的特化部位，由端粒DNA和蛋白質構成。端粒DNA不含基因，由富含G的短串聯(lián)重復序列構成，在進化上高度保守。人：(GGGTTA)n,.,端粒的功能：保證染色體末端的完全復制在染色體的兩端形成保護性的帽結構，使DNA免受核酸酶和其他不穩(wěn)定因素的破壞和影響，使染色體末端不會與其他染色體的末端融合，保持染色體的結構完整。在細胞的壽命、衰老和死亡以及腫瘤的發(fā)生和治療中起作用。,端粒是細胞分裂的“計數(shù)器”，細胞每分裂一次，端粒減少50100核苷酸。,五、核型與帶型,人類G帶核型,核型：指一個體細胞中的全部染色體，按其大小、形態(tài)特征順序排列所構成的圖像。核型分析：將待測細胞的核型進行染色體數(shù)目、形態(tài)特征的分析，稱為核型分析。,人類G帶核型,帶型：染色體標本經(jīng)過一定程序處理，并用特定染料染色后，染色體沿其長軸可顯現(xiàn)出明暗或深淺相間、寬窄不等的帶紋，構成了每條染色體的帶型。染色體顯帶技術可準確識別每條染色體，檢測染色體的微小變化。,第三節(jié)核仁(nucleolus),光鏡下的核仁,核仁是真核細胞間期核中最明顯的結構光鏡下：均質、折光性很強的圓球狀小體電鏡下：裸露無膜的纖維網(wǎng)狀結構,電鏡下的核仁,.,數(shù)目：每個細胞中一般有核仁12個，也有多個的大?。旱鞍踪|合成旺盛的細胞，核仁大；蛋白質合成不活躍的細胞，核仁不明顯。,.,一、核仁的主要成分,核仁含有3種主要成分*：蛋白質：占核仁干重的80%包括核糖體蛋白、組蛋白、多種酶類等RNA：10%主要是rRNA基因的轉錄產物DNA：8%主要是rRNA基因，即rDNA核仁內還含有微量脂類,.,二、核仁的形態(tài)結構*,纖維中心致密纖維組分顆粒成分,電鏡下，核仁為裸露無膜的纖維網(wǎng)狀結構，具有三個特征性區(qū)域：,.,(一)纖維中心包埋于顆粒組分內部的淺染低電子密度區(qū)，圓斑狀主要成分：rRNA基因(rDNA),鋪展的核仁染色質標本(局部),.,間期,分裂期,(13、14、15、21、22號染色體),.,鋪展的核仁染色質標本,.,概念*：間期，rDNA是從染色體上伸出的DNA袢環(huán)，袢環(huán)上的rRNA基因成串排列，通過轉錄產生rRNA，組織形成核仁，因此稱為核仁組織者。功能：組織核仁的形成,核仁組織者（nucleolusorganizer）,.,(二)致密纖維組分核仁內電子密度最高的區(qū)域，呈環(huán)形或半月形包圍淺染的纖維中心。主要成分：正在轉錄的rRNA分子核糖體蛋白某些特異性的RNA結合蛋白,.,(三)顆粒成分呈致密的顆粒，密布于纖維骨架之間，或圍繞在纖維組分的周圍主要成分：處于不同加工、成熟階段的核糖體亞基前體,.,上述三種組分存在于核仁基質（nucleolarmatrix）中核仁區(qū)一些無定型的蛋白質性液體物質，電子密度低與核基質互相連通，所以有人認為二者是同一物質。,rRNA合成與加工場所真核細胞有4種rRNA：核糖體大、小亞基的裝配場所,三、核仁的功能*,生產核糖體的工廠,.,（一）核仁是rRNA基因轉錄和加工的場所,核仁中串聯(lián)重復排列的rRNA基因，其初始轉錄產物為45SrRNA。,45SrRNA,.,(二)核仁是核糖體亞基裝配的場所,rRNA與核糖體蛋白在核仁內組裝成核糖體的亞基,.,核糖體大、小亞基的組裝,四、核仁周期,概念*：核仁隨細胞的周期性變化而變化，在細胞分裂前期消失，分裂末期又重新出現(xiàn)，核仁的周期性變化稱為核仁周期。,.,核仁在有絲分裂末期逐漸形成的圖解：先形成數(shù)個小核仁，小核仁長大、融合，最后形成一個大核仁。,.,第四節(jié)核基質（nuclearmatrix）,.,核基質的概念*：核基質又稱核骨架（nuclearscaffold），是真核細胞間期核中除核膜、染色質和核仁以外的部分，是一個以非組蛋白為主的纖維網(wǎng)架結構。核基質分布在整個細胞核內,核基質是由粗細不均的纖維構成的網(wǎng)架結構纖維直徑：330nm纖維單體的直徑為34nm，較粗的纖維是單體纖維的聚合體。核基質的主要成分蛋白質（90%以上）核基質蛋白：各類細胞共有核基質結合蛋白：與細胞類型、分化程度、生理及病理狀態(tài)有關少量的RNA：維持核基質三維網(wǎng)絡結構完整性,一、核基質的組成成分與形態(tài)結構,二、核基質的功能,(一)核基質參與DNA復制1.核基質上錨泊DNA復制復合體DNA袢環(huán)與DNA復制有關的酶和因子在核基質上形成DNA復制復合體DNA聚合酶在核基質上可能具有特定結合位點DNA復制的起始點結合在核基質上2.核基質上結合新合成的