第十一章 細胞核與染色體 南開大學細胞生物學課件

1、第十一章,細胞核與染色體,第一節(jié),核被膜,第二節(jié),染色質,第三節(jié),染色質的復制與表達,第四節(jié),染色體,第五節(jié),核仁與核體,第六節(jié),核基質,第一節(jié),核被膜,一,核膜,二,核孔復合體,nuclear pore complex, NPC,三,核纖層,一,核膜結構,二,核膜的崩解與組裝,一,結構模型,二,組成成分,三,功能,外核膜,內(nèi)核膜,核纖層,核周間隙,核孔,核孔復合體,一）核膜結構,二）核,膜的崩解,與組裝,胞質環(huán)，外環(huán),核質環(huán)，內(nèi)環(huán),輻,柱狀亞單位,腔內(nèi)亞單位,環(huán)帶亞單位,中央栓,一）結構模型,二）組成成分,核孔復合體主要由蛋白質構成，其總相對分子質量約為,1.25,10,8,推測可能含有,3

2、0,余種不同的多肽，共,1000,多個蛋白,質分子。迄今已鑒定的,脊椎動物的核孔復合體蛋白成分,已達到,10,多種，其中最具代表性的為,gp210,結構性跨膜蛋白,介導核孔復合體與核被膜的連接，將核孔復合體錨定在“孔膜區(qū),從而為核孔復合體裝配提供一個起始位點,在內(nèi)、外核膜融合形成核孔中起重要作用,在核孔復合體的核質交換功能活動中起一定作用,p62,功能性的核孔復合體蛋白,疏水性,N,端區(qū)：可能在核孔復合體功能活動中直接參與核質交換,C,端區(qū)：可能通過與其它核孔復合體蛋白相互作用，從而將,p62,分子,穩(wěn)定到核孔復合體上，為其,N,端進行核質交換活動提供支持,三）核孔復合體的功能,從功能上講,N

3、PC,是一種特殊的跨膜運輸?shù)鞍讖秃象w,并且是一個雙功能、雙向性核質交換通道,1,通過核孔復合體的被動擴散,2,核孔復合體的主動運輸,1,通過核孔復合體的被動擴散,NPC,作為被動擴散的親水通道，其有效直徑為,910nm,有時可達,12.5nm,即離子、小分子以及直,徑在,10nm,以下的物質原則上可以自由通過,但實際上并不是所有符合以上條件的蛋白質都,可以隨意出入細胞核。許多小分蛋白本身帶有核輸,入或核輸出信號，有的不帶信號但可以與其他帶信,號的結合被同時主動運輸,還有的小分子蛋白可能與其他大分子結合，或,與一些不溶性結構成分（如中間絲、核骨架等）結,合而被限制在細胞質或細胞核,2,核孔復合體

4、的主動運輸,生物大分子的核質分配主要是通過核孔復合體的主動,運輸完成的，具有高度的選擇性，并且是雙向的,主動運輸?shù)倪x擇性表現(xiàn)在以下三個方面,對運輸顆粒大小的限制：有效功能直徑可被調節(jié)為,10,20nm,甚至可達,26nm,主動運輸是一個信號識別與載體介導的過程,需要消,耗,ATP,能量，并表現(xiàn)出飽和動力學特征,主動運輸具有雙向性，即,核輸入與核輸出,主動運輸是一個信號識別與載體介導的過程,親核蛋白,karyophilic protein,在細胞質內(nèi)合成后,需要或能夠進入細胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質,核質蛋白,nucleoplasmin,的入核轉運,核定位信號,nuclear localizat

5、ion signal,NLS,核輸出信號,nuclear export signal,NES,核定位信號,NLS,是存在于親核蛋白內(nèi)的一些短的氨基酸序列片段，富含堿性,氨基酸殘基，如,Lys,Arg,此外還常含有,Pro,NLS,的氨基酸殘基片段可以是一段連續(xù)的序列,SV40,T,抗原,也可,以分成兩段，兩段之間間隔約,10,個氨基酸殘基,核質蛋白,NLS,序列可存在于親核蛋白的不同部位，在指導完成核輸入后并,不被切除,NLS,只是親核蛋白入核的一個必要條件而非充分條件,核輸出信號,三、核纖層,功能,1,結構支撐,2,調節(jié)基因表達,3,調節(jié),DNA,修復,4,與細胞周期的關系,第二節(jié),染色質,

6、染色質是指間期細胞核內(nèi)由,DNA,組蛋白、非組蛋白及,少量,RNA,組成的線性復合結構。染色體是指細胞在有絲分裂,或減數(shù)分裂的特定階段，由染色質聚縮而成的棒狀結構,一,染色質,DNA,二,染色質蛋白,三,核小體,四,染色質組裝,五,染色質類型,一、染色質,DNA,一）基因組,genome,大小比較,凡是具有細胞形態(tài)的生物其遺傳物質都是,DNA,在,真核細胞中，每條未復制的染色體包裝一條,DNA,分子,某一生物儲存于單倍染色體組中的總遺傳信息，組成該,生物的基因組,基因組大小,通常隨物種的復雜性而增加,二,基因組,DNA,類型,二）基因組,DNA,類型,高度重復,DNA,序列,DNA,的二級結構

7、,高度重復,DNA,序列,真核細胞基因組中，還含有高度重復,DNA,序列，由一些,短的,DNA,序列呈串聯(lián)重復排列，每個基因組中至少含,10,5,拷貝,約占脊椎動物總,DNA,的,10,可分為,衛(wèi)星,DNA,satellite,DNA,，重復單位長,5100bp,主要分布,在染色體著絲粒部位,小衛(wèi)星,DNA,minisatellite,DNA,，重復單位長,12100bp,重復,3000,次之多，又稱數(shù)量可變的的串聯(lián)重復序列，常用于,DNA,指紋技術,DNA,finger-printing,作,個體鑒定,微衛(wèi)星,DNA,microsatellite,DNA,重復單位序列最短，只有,15bp,具

8、高度多態(tài)性，在遺傳上高度保守，可作為重要的,遺傳標記，用于構建遺傳圖譜及個體鑒定,DNA,的二級結構,與染色質,DNA,結合的蛋白負責,DNA,分子遺傳信息的組織,復制和閱讀。包括兩類,一）組蛋白,histone,核小體組蛋白,H2A,H2B,H3,和,H4,H1,在構成核小體時,H1,起連接作用,它賦予染色質以極性,特點：真核生物染色體的基本結構蛋白，富含帶正電荷的,Arg,和,Lys,等堿性氨基酸，屬堿性蛋白質，可以和酸性的,DNA,緊密結,合；沒有種屬及組織特異性,H1,有一定的種屬及組織特異性,在進化上十分保守,二,非組蛋白,nonhistone,二、染色質蛋白,二）非組蛋白,非組蛋白

9、主要是指染色體上與特異,DNA,序列相結合的蛋白,質，所以又稱序列特異性,DNA,結合蛋白,sequence,specific,DNA,binding,proteins,具有以下特性,非組蛋白具多樣性,非組蛋白占染色體蛋白的,60%70,代謝周轉快，具組織特異性,識別,DNA,具有特異性,能識別特異的,DNA,序列，識別信息來源在于,DNA,核苷酸序列本身，識別,位點存在于,DNA,雙螺旋的大溝部分，識別和結合靠氫鍵和離子鍵,具有功能多樣性,包括基因表達的調控和染色質高級結構的形成,如：幫助,DNA,分子,折疊，以形成不同的結構域；協(xié)助啟動,DNA,復制，控制基因轉錄，調節(jié),基因表達,1,非組

10、蛋白的特性,非組蛋白具多樣性,非組蛋白占染色體蛋白的,60%70,代謝周轉快，具組織特異性,識別,DNA,具有特異性,能識別特異的,DNA,序列，識別信息來源在于,DNA,核,苷酸序列本身，識別位點存在于,DNA,雙螺旋的大溝部分,識別和結合靠氫鍵和離子鍵,具有功能多樣性,包括基因表達的調控和染色質高級結構的形成,如,幫助,DNA,分子折疊，以形成不同的結構域；協(xié)助啟動,DNA,復制，控制基因轉錄，調節(jié)基因表達,2,非組蛋白的不同結構模式,螺旋,轉角,螺旋模式,鋅指模式,亮氨酸拉鏈模式,螺旋,環(huán),螺旋結構模式,HMG,框結構模式,HMG-box,motif,三、核小體,一）核小體的發(fā)現(xiàn),二,核

11、小體的結構,二）核小體結構要點,每個核小體單位包括,200bp,左右的,DNA,超螺旋,和一個組蛋白八聚體及一個分子,H1,兩個,H2A,H2B,和兩個,H3,H4,組成八聚體，構成,核小體的盤狀核心結構,146bp,的,DNA,分子超螺旋盤繞組蛋白八聚體,1.75,圈,組蛋白,H1,在核心顆粒外結合額外,20bp,DNA,鎖住核,小體,DNA,的進出端，起穩(wěn)定核小體的作用,兩個相鄰核小體之間以連接,DNA,相連，典型長度,60bp,不同,物種變化值為,0,80bp,組蛋白與,DNA,之間的相互作用主要是結構性的，基本不依賴,于核苷酸的特異序列，實驗表明，核小體具有自組裝,self,assem

12、ble,的性質,核小體沿,DNA,的定位受不同因素的影響，進而通過核小體相,位改變影響基因表達,四、染色質組裝,一,染色質組裝的前期過程,二,染色質組裝的多級螺旋模型,multiple coiling model,三,染色質組裝的放射環(huán)結構模型,scaffold radial loop structure model,一）染色質組裝的前期過程,二）染色質組裝的多級螺旋模型,壓縮,7,倍,壓縮,6,倍,壓縮,40,倍,壓縮,5,倍,DNA,雙螺旋,核小體,螺線管,超螺線管,染色單體,2nm 10nm 30nm 0.4m 210m,一級結構：核小體,二級結構：螺線管,solenoid,三級結構：超

13、螺線管,supersolenoid,四級結構：染色單體,chromatid,三）染色質組裝的放射環(huán)結構模型,非組蛋白構成的,染色體骨架,chromsomal,scaffold,和由骨架伸出,的無數(shù)的,DNA,側環(huán),30nm,的染色線折疊成環(huán),沿染色體縱軸,由中央向四周伸出,構成,放射環(huán),由螺線管形成,DNA,復制環(huán),每,18,個復制環(huán)呈放射狀平面排列,結合,在核基質上形成微帶,miniband,大約,10,6,個微帶沿縱軸構建成,子染色體,五、染色質類型,一,常染色質與異染色質,二）常染色質與異染色質間的轉變,三）活性染色質與非活性染色質,1,活性染色質對,DNase I,超敏感,2,活性染色

14、質的蛋白組成與修飾變化,一）常染色質與異染色質,間期染色質按其形態(tài)特征、活性狀態(tài)和染色性能區(qū)分為,兩種類型,1,常染色質,euchromatin,指間期核內(nèi)染色質纖維折疊壓縮程度低,處于伸展狀態(tài),用堿性,染料染色時著色淺的那些染色質,DNA,組裝比約為,1/20001/1000,主要是單一序列,DNA,和中度重復序列,DNA,如組蛋白基因和,tRNA,基,因,并非所有基因都具有轉錄活性,常染色質狀態(tài)只是基因轉錄的必,要條件而非充分條件,2,異染色質,heterochromatin,指間期細胞核中,折疊壓縮程度高,處于聚縮狀態(tài)，用堿性燃料染,色時著色深的那些染色質。異染色質有分為,結構異染色質或

15、組成型異染色質,constitutive heterochromatin,兼性異染色質,facultative heterochromatin,結構異染色質或組成型異染色質,指除復制期以外，在整個細胞周期均處于聚縮狀態(tài),DNA,組裝,比在整個細胞周期中基本沒有較大變化的異染色質。在間期核中聚,集形成多個染色中心,結構異染色質具有如下特征,在中期染色體上多定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕,及染色體臂的某些節(jié)段,由相對簡單、高度重復的,DNA,序列構成,如衛(wèi)星,DNA,具有顯著的遺傳惰性,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(xiàn)為晚復制早聚縮,占有較大部分核,DNA,在功能上參與染色質高級

16、結構的,形成，導致染色質區(qū)間性，作為核,DNA,的轉座元件，引,起遺傳變異,兼性異染色質,在某些細胞類型或一定的發(fā)育階段,原來的常染色質聚縮,并喪失基因轉錄,活性,變?yōu)楫惾旧|。異染色質化可能,是關閉基因活性的一種途徑，如哺乳動,物,X,染色體隨機失活,1,活性染色質對,DNase I,超敏感,如果用很低濃度的,DNase I,處理染色質,切割將首先發(fā)生在少數(shù)特異性位點上，這些,特異性位點叫做,DNase I,超敏感位點,DNase I,超敏感位點大部分位于基因,5,端,啟動子區(qū)域，實際上是一段長,100200bp,的,DNA,序列暴露的染色質區(qū)域，該序列不被核,小體保護,活性基因的超敏感位點

17、建立在啟動子附,近，并與啟動子功能有關，很可能是為,RNA,聚合酶、轉錄因子或其他蛋白調控因子提供,結合位點,現(xiàn)有證據(jù)表明基因,5,端超敏感位點的建,立發(fā)生在轉錄之前，但很可能是起始轉錄的,必要條件而非充分條件,2,活性染色質的蛋白組成與修飾變化,很少有組蛋白,H1,與其結合,組蛋白乙?；潭雀?核小體組蛋白,H2B,很少被磷酸化,核小體組蛋白,H2A,在許多物種很少有變異形式存在,組蛋白,H3,的變種,H3.3,只在活躍轉錄的染色質中出現(xiàn),HMG14,和,HMG17,只存在于活性染色質中，與,DNA,結合,平均每,10,個核小體中有一個是與,HMG14,和,HMG17,結合的,研究表明，一些

18、組蛋白的修飾直接影響染,色質的活性。這些修飾包括甲基化、乙酰化和,磷酸化。乙?；话闶腔钚匀旧|的標志,第三節(jié),染色質的復制與表達,一、染色質的復制與修復（自學,二,染色質的激活與失活,三,染色質與基因表達調控,四,染色質與表觀遺傳,二、染色質的激活與失活,染色質的疏松狀態(tài)源于核小體的結構改變或核小體解聚,根據(jù)核小體結構與功能關系，可能有以下原因,1,DNA,結構與核小體相位的變化,2,組蛋白的修飾,核心組蛋白的賴氨酸殘基乙酰化,組蛋白,H3,的甲基化,組蛋白,H1,的磷酸化,不同組蛋白修飾之間的關系,3. HMG,蛋白的影響,1. DNA,結構與核小體相位的變化,當調控蛋白與染色質,DNA,

19、的特定位點結合時，染色質易,被引發(fā)二級結構的改變；進而引起其它的一些結合位點與調,控蛋白的結合,核小體通常定位在,DNA,特殊位點而利于轉錄,a,基因的關鍵調,控元件被留在核心,顆粒外面，從而有,利于結合轉錄因子,b,位于,DNA,上調,控元件被盤繞在核,心組蛋白上，因為,組蛋白使,DNA,上的,關鍵,調控元件靠得,很近，它們可以通,過轉錄因子而聯(lián)系,核心組蛋白的賴氨酸殘基乙?；?三、染色質與基因表達調控,1,激活因子,SWI5,與增強子結合,并于染色質重構復合物,SWI/SNF,相互作用，基因轉錄,開始被激活,2,染色質解凝聚，暴露出組蛋,白尾巴,3,含有,GCN5,的組蛋白乙酰酶復,合體與

20、,SWI5,結合，乙?；M蛋,白，染色質繼續(xù)解凝聚,4. SWI5,解離，使,SBF,與近基因,啟動子段位點結合,5. SBF,與轉錄介導因子復合物結,合,6. RNA,聚合酶,Pol II,的結合及基,礎轉錄因子共同組裝成轉錄起,始復合物，轉錄開始,四、染色質與表觀遺傳,表觀遺傳,epigenetics,概念,基因與環(huán)境相互作,用產(chǎn)生的可遺傳表型,遺傳學的變化是通過,DNA,序列的突變實現(xiàn)的，通過,生殖細胞得以遺傳,表觀遺傳的變化是通過組蛋白和,DNA,的不同修飾而,實現(xiàn)的。它只在體細胞中出現(xiàn)。主要包括,DNA,甲基化修飾、基因組印記、組蛋白修飾、染色,質重塑,RNA,介導的基因沉默等,第四

21、節(jié),染色體,一,染色體的形態(tài)結構,二,染色體,DNA,的三種功能元件,三,核型與染色體顯帶,四,巨大染色體,一、中期染色體的形態(tài)結構,一,中期染色體的類型,二,染色體各部分的主要結構,一）中期染色體的類型,著絲粒位置,染色體符號,著絲粒比,著絲粒指數(shù),中著絲粒,近中著絲粒,近端著絲粒,端著絲粒,m,sm,st,t,1.00,1.67,1.68,3.00,3.01,7.00,7.01,00,0.500,0.375,0.374,0.250,0.294,0.125,0.124,0.000,長臂長度短臂長度,短臂長度染色體總長度,近,1,著絲粒,centromere,與動粒,kinetochore,2

22、,次縊痕,secondary,constriction,3,核仁組織區(qū),nucleolar organizing region,NOR,4,隨體,satellite,5,端粒,telomere,二,染色體各部分的主要結構,1,著絲粒與動粒,1,動粒結構域,kinetochore,domain,內(nèi)板，中間間隙，外板，纖維冠,2,中央結構域,central,domain,著絲粒區(qū)的主體，由串聯(lián)重復的衛(wèi)星,DNA,組成,3,配對結構域,pairing domain,與染色單體配對有關,內(nèi)部著絲粒蛋白,INCENP(inner,centromere,protein,染色單體連接蛋白,clips(chr

23、omatid linking proteins,二、染色體,DNA,的三種功能元件,1,自主復制,DNA,序列,autonomously,replicating,DNA,sequence,ARS,具有一段,1114bp,的同源性很高的富含,AT,的共有序列及其上下游,各,200bp,左右的區(qū)域是維持,ARS,功能所必需的,2,著絲粒,DNA,序列,centromere,DNA,sequence,CEN,3,端粒,DNA,序列,telomere,DNA,sequence,TEL,端粒酶,在生殖細胞和部分干細胞中有端粒酶活性,人造微小染色體,artificial,minichromosome,TT

24、AGGG,n,TTTAGGG,n,豬,水仙,風信子,長,春,花,人造微小染色體,三、核型與染色體顯帶,1,核型,karyotype,是指染色體組在有絲分裂中期的表型,包括染色體數(shù)目、大,小、形態(tài)特征的總和,核型分析是在對染色體進行測量的基礎上，進行分組、排,隊、配對并進行形態(tài)分析的過程。核型分析對于探討人類遺傳,病的機制、物種親緣關系、遠緣雜種的鑒定等都有重要意義,2,核型模式圖,idiogram,將一個染色體組的全部染色體逐個按其特征繪制下來,再,按長短、形態(tài)等特征排列起來的圖象稱為核型模式圖,它代表一,個物種的核型模式,3,染色體顯帶技術,Q,帶,G,帶,R,帶,C,帶,T,帶,N,帶、高分辨,G,帶,四、巨大染色體,在某些生物的細胞中，特別是在發(fā)育的某些階段，可以觀,察到一些特殊的體積很大的染色體，稱為巨大染色體,giant,chromosome,，包括,一）多線染色體,polytene,chromosome,1,多線染色體的來源,核內(nèi)有絲分裂,endomitosis,2,多線染色體的帶及間帶,3,多線染色體與基因活性,二）燈刷染色體,lampbrush,chromosome,1,燈刷染色體的超微結構,2,燈刷染色體的轉錄功能,1,多線染色體的來源,2,多線染色體的帶及間帶,帶和間帶都含有基因，可能,管家”基因,housekeeping