細胞生物學翟中和編 第十章-細胞核與染色體 -

1、多數(shù)細胞的核質(zhì)比約為多數(shù)細胞的核質(zhì)比約為10% 細胞核改變是病理狀況下細胞壞死的主要標志，與正常細胞相比，腫瘤細胞核質(zhì)比增高腫瘤細胞核質(zhì)比增高，大小形態(tài)參差不齊，呈現(xiàn)異型性，表現(xiàn)為核外形不規(guī)則。細胞核結(jié)構(gòu)的電鏡照片細胞核結(jié)構(gòu)的電鏡照片細胞核結(jié)構(gòu)模式圖細胞核結(jié)構(gòu)模式圖 核被膜又稱核膜，是包圍核質(zhì)，不對稱的雙層膜，是整個核被膜又稱核膜，是包圍核質(zhì)，不對稱的雙層膜，是整個內(nèi)膜系統(tǒng)的一部分。內(nèi)膜系統(tǒng)的一部分。包被在核外的包被在核外的雙層膜結(jié)構(gòu)雙層膜結(jié)構(gòu)，形成核內(nèi)特殊，形成核內(nèi)特殊的微環(huán)境，保護的微環(huán)境，保護DNA分子免受損傷，使分子免受損傷，使 DNA的復制和的復制和RNA的的翻譯表達在時空上分隔開來

2、，染色體定位于核膜上，有利于解翻譯表達在時空上分隔開來，染色體定位于核膜上，有利于解旋、復制、凝縮、平均分配到子核，核被膜還是核質(zhì)物質(zhì)交換旋、復制、凝縮、平均分配到子核，核被膜還是核質(zhì)物質(zhì)交換的通道。的通道。外核膜外核膜核周隙核周隙內(nèi)核膜內(nèi)核膜核孔復合體核孔復合體抽提后的核孔復合抽提后的核孔復合體體胞質(zhì)面胞質(zhì)面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)抽提后的核孔復抽提后的核孔復合體合體核質(zhì)面核質(zhì)面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 在電鏡下觀察，核孔是呈圓形或八角形，結(jié)構(gòu)似在電鏡下觀察，核孔是呈圓形或八角形，結(jié)構(gòu)似fish-trap，主要包括以下幾，主要包括以下幾個部分：個部分：胞質(zhì)環(huán)：位于核孔復合體胞質(zhì)一側(cè)，環(huán)上有胞質(zhì)環(huán)：位于核孔復合體胞質(zhì)一側(cè)，環(huán)

3、上有8條纖維伸向胞質(zhì)；條纖維伸向胞質(zhì)；核質(zhì)環(huán)：位于核孔復合體核質(zhì)一側(cè)，上面伸出核質(zhì)環(huán)：位于核孔復合體核質(zhì)一側(cè)，上面伸出8條纖維，纖維端部與端環(huán)相連，條纖維，纖維端部與端環(huán)相連，構(gòu)成籠子狀的結(jié)構(gòu)；構(gòu)成籠子狀的結(jié)構(gòu)；栓：核孔中央的一個栓狀的中央顆粒；栓：核孔中央的一個栓狀的中央顆粒；輻：核孔邊緣伸向核孔中央的突出物輻：核孔邊緣伸向核孔中央的突出物。 推測推測100余種不同的多肽，余種不同的多肽，1000多個蛋白質(zhì)分子，統(tǒng)稱為多個蛋白質(zhì)分子，統(tǒng)稱為核孔蛋白核孔蛋白(nucleoporin,Nup)。已在酵母中鑒定到。已在酵母中鑒定到30余種，在余種，在脊椎動物中鑒定到脊椎動物中鑒定到10余種。余種。

4、 核核 內(nèi)內(nèi)核核 外外既介導蛋白質(zhì)的入核入核轉(zhuǎn)運，又介導RNA,核糖核蛋白顆粒出核出核轉(zhuǎn)運。被動擴散被動擴散主動運輸主動運輸特殊的跨膜運輸?shù)鞍讖秃象w，具有雙功能，雙向性。特殊的跨膜運輸?shù)鞍讖秃象w，具有雙功能，雙向性。一、被動擴散一、被動擴散 是指通過自由擴散或協(xié)助擴散實現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向低濃度方是指通過自由擴散或協(xié)助擴散實現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向低濃度方向的跨膜轉(zhuǎn)運。向的跨膜轉(zhuǎn)運。 轉(zhuǎn)運的動力來自物質(zhì)的濃度梯度，不需要細胞提轉(zhuǎn)運的動力來自物質(zhì)的濃度梯度，不需要細胞提供代謝能量。供代謝能量。 膠體金顆粒穿越核孔，膠體金顆粒穿越核孔，估計核孔中央通道的估計核孔中央通道的直徑為直徑為12.5nm 核孔復合體作

5、為被動擴散的親水通道，其有效直徑為9-10nm，有的可達12.5nm，即離子，小分子以及直徑在10nm以下的物質(zhì)原則上可以自由通過。核孔復合體的物質(zhì)運輸-被動擴散特殊的跨膜運輸?shù)鞍讖秃象w，具有雙功能，雙向性。特殊的跨膜運輸?shù)鞍讖秃象w，具有雙功能，雙向性。一、被動擴散一、被動擴散二、主動運輸二、主動運輸 是由是由載體蛋白載體蛋白所介導的物質(zhì)逆濃度梯度或電化學梯度由低所介導的物質(zhì)逆濃度梯度或電化學梯度由低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)進行跨膜轉(zhuǎn)運的方式。濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)進行跨膜轉(zhuǎn)運的方式。 爪蟾卵母細胞核質(zhì)蛋白注射試驗爪蟾卵母細胞核質(zhì)蛋白注射試驗核定位信號：核定位信號： 親核蛋白一般都含有特殊的氨基酸序

6、列，這些內(nèi)含的特殊短肽保證了整個蛋白質(zhì)能夠夠通過核孔復合體被轉(zhuǎn)運至細胞核內(nèi)。這段特殊的氨基酸序列被命名為核定位序列（nuclear localization sequence，NLS）。 第一個被確定的NLS是病毒SV40的T抗原，它在胞質(zhì)中合成后很快積累在核中。其NLS為：pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val，即使單個氨基酸被替換，亦失去作用。 NLS由4-8個氨基酸組成，含有Pro、Lys和Arg。對其連接的蛋白質(zhì)無特殊要求，并且完成核輸入后不被切除。 轉(zhuǎn)運復合物轉(zhuǎn)運復合物與與Ran-GTP（小分小分子的子的GTP酶酶）結(jié)結(jié)合，復合體解散，合，復合體解散，釋放出親

7、核蛋白；釋放出親核蛋白；親核蛋白從細胞質(zhì)向細胞核輸入的過程示意圖親核蛋白從細胞質(zhì)向細胞核輸入的過程示意圖 親核蛋白通過親核蛋白通過NLS與與NLS受體受體結(jié)合，即結(jié)合，即importin /二二聚體結(jié)合；形成聚體結(jié)合；形成轉(zhuǎn)運復合物。轉(zhuǎn)運復合物。轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運復合復合物與核孔復物與核孔復合體胞質(zhì)環(huán)合體胞質(zhì)環(huán)上的纖維結(jié)上的纖維結(jié)合；合；與與Ran-GTP結(jié)合結(jié)合的的importin ，輸出，輸出細胞核，在細胞質(zhì)細胞核，在細胞質(zhì)中中Ran結(jié)合的結(jié)合的GTP水水解形成解形成Ran-GDP并并與與importin 解離，解離，Ran-GDP返回細胞返回細胞核重新轉(zhuǎn)換為核重新轉(zhuǎn)換為Ran-GTP；轉(zhuǎn)運復合轉(zhuǎn)運

8、復合物通過改變物通過改變構(gòu)象的核孔構(gòu)象的核孔復合體從胞復合體從胞質(zhì)面被轉(zhuǎn)移質(zhì)面被轉(zhuǎn)移到核質(zhì)面。到核質(zhì)面。 A：細胞核的功能 B：核被膜核被膜與核孔復合體核被膜與核孔復合體 知識框架知識框架：結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)功能功能外核膜外核膜核周隙核周隙內(nèi)核膜內(nèi)核膜核孔復合體核孔復合體BCA外核膜外核膜內(nèi)核膜內(nèi)核膜核纖層核纖層蛋白蛋白染色質(zhì)纖維染色質(zhì)纖維胞質(zhì)胞質(zhì)受體受體核纖層結(jié)構(gòu)模式圖核纖層結(jié)構(gòu)模式圖染染 色色 質(zhì)質(zhì)染色質(zhì)是細胞生命活動的基礎染色質(zhì)是細胞生命活動的基礎染染 色色 質(zhì)質(zhì)-成分成分 DNA 組蛋白組蛋白 非組蛋白非組蛋白 少量少量RNADNA 與組蛋白是染色質(zhì)的穩(wěn)定成分非組蛋白與RNA的含量隨細胞生理狀態(tài)

9、的不同而變化染染 色色 質(zhì)質(zhì)-成分成分-DNA 凡是具有細胞形態(tài)的生物其遺傳物質(zhì)都是DNA 只有少數(shù)病毒的遺傳物質(zhì)是RNA人類人類基因組基因組計劃計劃(human genome project, HGP) 人類基因組計劃人類基因組計劃 曼哈頓原子彈計劃曼哈頓原子彈計劃 阿波羅計劃阿波羅計劃 并稱為三大科學計劃并稱為三大科學計劃人類基因組計劃簡介人類基因組計劃簡介 人類基因組計劃(human genome project, HGP)是由美國科學家于1985年率先提出，于1990年正式啟動的。美國、英國、法蘭西共和國、德國 、日本和我國科學家共同參與了這一價值達30億美元的人類基因組計劃。按照這個

10、計劃的設想，在2005年，要把人體內(nèi)約10萬個基因的密碼全部解開，同時繪制出人類基因的譜圖。換句話說，就是要揭開組成人體10萬個基因的30億個堿基對的秘密。人類基因組計劃簡介人類基因組計劃簡介人類基因組計劃自1990年啟動至2003年結(jié)束，歷時共13年。最新研究結(jié)果顯示:研究顯示,黑猩猩和人類基因組的DNA序列相似性達到99%環(huán)球科技2009封面：人為什么能成為人DNA的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)磷酸和脫氧核糖DNA構(gòu)成分子的基本骨架,與其連接的堿基對為隨機分布排列，因而形成了DNA分子結(jié)構(gòu)的復雜性和多樣性。在這復雜多樣的DNA分子中蘊藏著生物界無數(shù)的遺傳信息。 DNA分子上的每一個片段都是基因嗎？分

11、子上的每一個片段都是基因嗎？ DNA的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)三種不同構(gòu)象的三種不同構(gòu)象的DNA雙螺旋雙螺旋人類人類基因組基因組DNA人類基因組高度重復順序 （ 10%）中度重復順序 （ 30%）單一或低拷貝順序 （ 60%）基因及基因有關序列 10%人的每個體細胞中有2套染色體（2n）,故所含的DNA是由兩個基因組（genome）構(gòu)成。每個單倍體基因組約含3.2109bp。人類基因的平均長度為1-1.5kb，所以基因組以足以編碼1.5106蛋白質(zhì)，但實際上編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因只不過2萬萬2.5萬萬個，僅占總基因組的2-3。 高度重復順序 每個基因組中至少含105拷貝 ，每個重復單位的長度大約是10

12、300個bp衛(wèi)星衛(wèi)星DNA，重復單位長度，重復單位長度5-100bp.小衛(wèi)星DNA,重復單位長度12-100bp.高度重復高度重復DNA序列序列 （占脊椎動物基因組（占脊椎動物基因組10%）微衛(wèi)星DNA,重復單位長度1-5bp.單一順序單一順序 高度重復和中度重復約占基因組的高度重復和中度重復約占基因組的60-65僅約僅約10%為基因及基因相關序列為基因及基因相關序列 基因及基因相關序列基因及基因相關序列基基 因因基因相關序列基因相關序列斷裂基因斷裂基因側(cè)翼序列（啟動子，側(cè)翼序列（啟動子， 增強子，增強子， 多聚腺苷酸多聚腺苷酸化附加信號）化附加信號）染染 色色 質(zhì)質(zhì)-成分成分 DNA 組蛋白

13、組蛋白 非組蛋白非組蛋白 少量少量RNA染染 色色 質(zhì)質(zhì)-成分成分 DNA 組蛋白組蛋白 基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶正電荷的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶正電荷的Arg 和和 Lys 等堿性氨基酸，可以和酸性的等堿性氨基酸，可以和酸性的DNA緊密結(jié)合。緊密結(jié)合。 與與DNA結(jié)合沒有序列特異性。結(jié)合沒有序列特異性。染染 色色 質(zhì)質(zhì)-成分成分 DNA 組蛋白組蛋白 非組蛋白非組蛋白 少量少量RNA非組蛋白主要是指與特異DNA序列相結(jié)合的蛋白質(zhì)，所以又稱序列特異性DNA結(jié)合蛋白。非組蛋白則大多是酸性的酸性的。凝膠延滯實驗非組蛋白的特性非組蛋白的特性螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋 鋅指 Leu拉鏈 螺旋-環(huán)-螺旋 非組蛋白特異性結(jié)

14、合非組蛋白特異性結(jié)合DNA的不同結(jié)構(gòu)模式的不同結(jié)構(gòu)模式常染色質(zhì)和異染色質(zhì)常染色質(zhì)和異染色質(zhì) 間期染色質(zhì)按其形態(tài)特征，活性狀態(tài)和染色質(zhì)性能區(qū)分為兩種類型：常染色質(zhì)和異染色質(zhì)。常染色質(zhì)：指間期細胞核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低，相對處于伸展狀態(tài)，用堿性染料染色時著色淺的那些染色質(zhì)。1.構(gòu)成常染色質(zhì)的DNA主要是單一序列DNA和中度重復序列DNA。2.處于常染色質(zhì)狀態(tài)是基因轉(zhuǎn)錄的必要條件，而不是充分條件。異染色質(zhì)：指間期細胞核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度高，相對處于聚縮狀態(tài)，用堿性染料染色時著色深的那些染色質(zhì)。異染色質(zhì)又可以分為結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)：結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)：各個類型的細胞中，除復制期以外，在整個細胞周期均處

15、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染色質(zhì)。兼性異染色質(zhì)：兼性異染色質(zhì)：在某些細胞類型或一定的發(fā)育階段，原來的常染色質(zhì)聚縮，并喪失基因轉(zhuǎn)錄活性變?yōu)楫惾旧|(zhì)。雌性哺乳類體細胞的核內(nèi)，兩條X染色體之一在發(fā)育早期隨機發(fā)生異染色質(zhì)化而失活，形成巴氏小體（Barr body）兼性異染色質(zhì)的總量隨不同細胞類型而變化，一般胚胎細胞含量很少，而高度特化的細胞含量較多，說明隨著細胞分化，較多的基因漸次以聚凝縮狀態(tài)關閉，從而再也不能接近基因活化蛋白。如何在一個網(wǎng)球內(nèi)包含有2km長的細線？人的每個體細胞所含DNA約6x109bp分布在46條染色體中，總長可達2m，平均每條染色體DNA分子長約5

16、m，而細胞核直徑只有5-8um，這就意味著從染色質(zhì)DNA組裝成染色體要壓縮近萬倍，相當于一個網(wǎng)球內(nèi)包含有2km長的細線。染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位核小體核小體鹽處理前后的染色質(zhì)絲的電鏡照片A: 自然結(jié)構(gòu)：30nm的纖絲B：解聚的串珠狀結(jié)構(gòu)核小體-念珠模型核小體-念珠模型核小體-念珠模型核小體-念珠模型核小體-念珠模型核小體 核小體和螺線管的結(jié)構(gòu)核小體和螺線管的結(jié)構(gòu)DNA 核小體 螺線管 ？ 染色體染色質(zhì)組裝的前期過程被大多科學家認可染色質(zhì)組裝的前期過程被大多科學家認可DNA 核小體 螺線管 超螺線管 染色體一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)進一步螺旋化三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)染色體骨架示意圖染色體骨架示意

17、圖非組蛋白構(gòu)成的染色體非組蛋白構(gòu)成的染色體骨架和由骨架伸出的無骨架和由骨架伸出的無數(shù)的數(shù)的DNA側(cè)環(huán)側(cè)環(huán)染色體的骨架-放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型： 30nm的螺旋管形成DNA復制環(huán)，每18個復制環(huán)呈放射狀平面排列，結(jié)合在核基質(zhì)（核骨架）上形成微帶（三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)），大約106個微帶沿縱軸構(gòu)成子染色體。DNA 核小體 螺線管 （放射環(huán)）微帶（放射環(huán)）微帶 染色體第三節(jié)第三節(jié) 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因活化染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因活化按功能狀態(tài)的不同可將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)?；钚匀旧|(zhì)活性染色質(zhì)：具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)。占基因總數(shù)的10%左右。非活性染色質(zhì)：非活性染色質(zhì)：沒有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)。占基因總數(shù)的90%左

18、右。活性染色質(zhì)的主要特征如下活性染色質(zhì)的主要特征如下：1.活性染色質(zhì)具有具有DNaseI超敏感位點超敏感位點（指在對染色質(zhì)進行低DNaseI處理，切割將先發(fā)生在少數(shù)特異性位點上，這些特異性位點叫做DNaseI超敏感位點），超敏感位點為染色質(zhì)上無核小體的DNA片段，常位于5，-啟動子區(qū)，長100-200bp，是起始轉(zhuǎn)錄的必要條件?？蔀镽NA聚合酶，轉(zhuǎn)錄因子和調(diào)控因子提供結(jié)合位點。2.活性染色質(zhì)很少與組蛋白H1結(jié)合。3.組蛋白乙?；阴；潭雀摺?.核小體組蛋白H2B很少磷酸化磷酸化。5.H2A少有變異形式。6.H3的變種只在活性染色質(zhì)存在。7.HMG14和HMG17（非組蛋白的一種）只存在于活性

19、染色質(zhì)中。8.組蛋白存在泛素化泛素化修飾。組蛋白修飾組蛋白修飾是指組蛋白在相關酶作用下發(fā)生甲基化、乙是指組蛋白在相關酶作用下發(fā)生甲基化、乙?；?、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修核糖基化等修飾的過程。組蛋白在翻譯后的修飾中會發(fā)生改變，從而飾的過程。組蛋白在翻譯后的修飾中會發(fā)生改變，從而提供一種識別的標志，為其它蛋白與提供一種識別的標志，為其它蛋白與DNA的結(jié)的結(jié) 合產(chǎn)生合產(chǎn)生協(xié)同或拮抗效應，它是一種動態(tài)轉(zhuǎn)錄調(diào)控成分，稱為協(xié)同或拮抗效應，它是一種動態(tài)轉(zhuǎn)錄調(diào)控成分，稱為組組蛋白密碼蛋白密碼。組蛋白賴氨酸殘基乙酰化是核小體變構(gòu)的一種重要方式。乙?；蟮慕M蛋白

20、賴氨酸側(cè)鏈不再帶有正電荷，這樣就失去了與DNA緊密結(jié)合的能力，使相鄰核小體的聚合受阻。染色體的包裝方式染色體的包裝方式 染色體是間期細胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密組裝的結(jié)果。 它由兩條相同的姐妹染色單體構(gòu)成，彼此以著絲粒。著絲粒（centromere）位于染色體主縊痕的染色質(zhì)部位，具有保守的著絲粒DNA序列，在其上有特異的動粒（著絲點）蛋白與之相結(jié)合。Chapter 12 Cell Cycle 著絲粒著絲粒兩側(cè)各有一個由多種蛋白質(zhì)裝配成的3層盤狀特化結(jié)構(gòu)，為非染色體性質(zhì)物質(zhì)的附加物，稱為動粒動粒（著絲著絲點）點）。動粒動粒與染色體的移動有關，紡錘體的紡錘絲（或星射線）微管就附著在著絲點上，并牽引染色體移動

21、 Cohesin (分子膠分子膠, 凝聚蛋白凝聚蛋白,整合素整合素)姐妹姐妹染色單體染色單體之間之間分離分離 APC（有絲分裂后期促進因子）（有絲分裂后期促進因子） 介導介導CyclinB降解，降解， CDK1 活性喪失活性喪失激活分離酶激活分離酶Separase活性活性Chapter 12 Cell Cycle 熒光原位熒光原位雜交顯示雜交顯示的端粒的端粒（上）和（上）和端粒序列端粒序列（下）（下） 染色體的三種基本序列染色體的三種基本序列特殊形態(tài)染色體（特定發(fā)育階段）-巨大染色體多線染色體燈刷染色體來源于核內(nèi)有絲分裂，核內(nèi)核內(nèi)DNA多次復制多次復制產(chǎn)生的子染色體平行排平行排列列，且體細胞內(nèi)

22、同源染色體配對，緊密結(jié)合在一起，從而阻止了染色體纖維進一步聚縮，形成體積很大的由多條染色體組成的結(jié)構(gòu)叫多線染色體。多線染色體上含有一系列交替分布的帶和間帶帶和間帶。帶區(qū)的染色質(zhì)組裝程度比間帶染色質(zhì)高的多，所以帶區(qū)呈現(xiàn)深染而間帶淺染。燈刷染色體燈刷染色體1.核仁是真核細胞間期核仁是真核細胞間期核中最顯著的結(jié)構(gòu)。核中最顯著的結(jié)構(gòu)。2.沒有被膜包裹。沒有被膜包裹。核仁核仁核仁結(jié)構(gòu)核仁結(jié)構(gòu) 纖維中心纖維中心 致密纖維成分致密纖維成分 顆粒成分顆粒成分 核仁是一個核仁是一個高度動態(tài)高度動態(tài)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)核仁的大小，形態(tài)和數(shù)目隨生物的種類，細胞類型和細胞代謝狀態(tài)不同而變化不同而變化。蛋白質(zhì)合成旺盛合成旺盛，活躍生長的細胞（如：分泌細胞，卵母細胞）的核仁大核仁大，可占總核體積的25%不具蛋白質(zhì)不具蛋白質(zhì)合成能力的細胞如：肌細胞，休眠的植物細胞，其核仁很小。核仁周期核仁周期：在細胞周期中，進入有絲分裂時期，核仁消失消失；有絲分裂末期，核仁重建重建。功能與核糖體的生物發(fā)生核糖體的生物發(fā)生相關。包括：rRNA 合成， rRNA加工，和