專業(yè)課細胞核與染色體

1、第第11章章 細胞核與染色質細胞核與染色質v 1781年年 Trontana發(fā)現(xiàn)于魚發(fā)現(xiàn)于魚類細胞；類細胞；1831年年Brown發(fā)發(fā)現(xiàn)于植物細胞并命名為細現(xiàn)于植物細胞并命名為細胞核。胞核。v 細胞核細胞核(nucleus)是真核細是真核細胞內(nèi)最大、最重要的細胞胞內(nèi)最大、最重要的細胞結構，是細胞遺傳與代謝結構，是細胞遺傳與代謝的調(diào)控中心。的調(diào)控中心。v 形態(tài)：一般呈圓球狀與卵圓形。在旺盛分裂的組織中，核形態(tài)：一般呈圓球狀與卵圓形。在旺盛分裂的組織中，核呈圓形，在蛾蝶類的絲腺細胞中為分枝狀，在胚乳細胞中呈圓形，在蛾蝶類的絲腺細胞中為分枝狀，在胚乳細胞中呈網(wǎng)狀。呈網(wǎng)狀。v 大小：細胞核直徑依物種不

2、同而變化；核質比大致約大?。杭毎酥睆揭牢锓N不同而變化；核質比大致約1:9v ，被認為是制約細胞最大體積的主要因素之一。，被認為是制約細胞最大體積的主要因素之一。細胞核直徑細胞核直徑D（um）高等動物高等動物高等植物高等植物低等植物低等植物51052014核質比核質比NP=Vn/(Vc-Vn)幼嫩細胞幼嫩細胞成熟細胞成熟細胞衰老細胞衰老細胞NP0.5NP0.5NP0.5v 數(shù)目：所有真核細胞，除極少數(shù)例外，通常都含有一數(shù)目：所有真核細胞，除極少數(shù)例外，通常都含有一個細胞核。一般真核細胞失去細胞核會導致細胞的死亡。個細胞核。一般真核細胞失去細胞核會導致細胞的死亡。肝細胞肝細胞和心肌和心肌細胞可細

3、胞可有雙核有雙核哺乳類哺乳類成熟紅成熟紅細胞無細胞無細胞核細胞核植物成植物成熟篩管熟篩管細胞無細胞無細胞核細胞核破骨細破骨細胞可有胞可有6-506-50個細胞個細胞核核v 主要結構主要結構v 核被膜核被膜 核纖層核纖層 核核v 基質基質 染色質染色質 核仁核仁v 功能功能v遺傳遺傳 通過通過DNA染色染色體的復制和細胞分裂，維體的復制和細胞分裂，維持物種的世代連續(xù)性。持物種的世代連續(xù)性。v發(fā)育發(fā)育 通過調(diào)節(jié)基因通過調(diào)節(jié)基因表達的時空順序，控制細表達的時空順序，控制細胞的分化，完成個體發(fā)育胞的分化，完成個體發(fā)育的使命。的使命。 第一節(jié)第一節(jié) 核核 被被 膜膜 2/44962/405/nucleu

4、s.htmlv概念：位于細胞核的最外層，是核與質之間的界膜。概念：位于細胞核的最外層，是核與質之間的界膜。v功能：功能：v構成核、質之間的天然選擇性屏障構成核、質之間的天然選擇性屏障v避免生命活動的彼此干擾避免生命活動的彼此干擾v保護保護DNA不受細胞骨架運動所產(chǎn)生的機械力的損傷不受細胞骨架運動所產(chǎn)生的機械力的損傷v核、質之間的物質交換與信息交流核、質之間的物質交換與信息交流 一、核膜一、核膜 特點特點:外核膜的胞質面附有核糖體，與粗面內(nèi)質網(wǎng)相通連。外核膜的胞質面附有核糖體，與粗面內(nèi)質網(wǎng)相通連。內(nèi)核膜的內(nèi)表面有核纖層與其緊密接觸。內(nèi)核膜上有核纖層內(nèi)核膜的內(nèi)表面有核纖層與其緊密接觸。內(nèi)核膜上有核

5、纖層蛋白蛋白B受體（受體（LBR）。）。內(nèi)、外核膜在某些部位融合成核孔。在核孔上鑲嵌有核孔復內(nèi)、外核膜在某些部位融合成核孔。在核孔上鑲嵌有核孔復合體。合體。v構成：構成：外核膜外核膜 胞質面附有核糖體，約胞質面附有核糖體，約7.5nm。內(nèi)核膜內(nèi)核膜 與外核膜平行，厚度相同與外核膜平行，厚度相同核周間隙核周間隙 寬寬2040nm，與內(nèi)質網(wǎng)腔相通，與內(nèi)質網(wǎng)腔相通（一）核膜結構（一）核膜結構（二）核膜的崩解與組裝（二）核膜的崩解與組裝v 在真核細胞的細胞周期中，核被膜有規(guī)律地解體與重建。在真核細胞的細胞周期中，核被膜有規(guī)律地解體與重建。v 在分裂期，雙層核膜崩解成單層膜泡，核孔復合體解體，在分裂期，

6、雙層核膜崩解成單層膜泡，核孔復合體解體，核纖層去組裝；核纖層去組裝；v 在分裂末期，核被膜開始圍繞染色體重新形成。在分裂末期，核被膜開始圍繞染色體重新形成。v 3H-膽堿標記實驗證明舊核膜參與膜新核的形成：膽堿標記實驗證明舊核膜參與膜新核的形成：3H-膽膽堿標記核膜堿標記核膜標記的細胞核移植正常去核變形蟲標記的細胞核移植正常去核變形蟲原原有的標記全部平均分配到子細胞的核被膜中有的標記全部平均分配到子細胞的核被膜中v 核被膜及核孔復合體的裝配是一個有序的、受細胞周期調(diào)核被膜及核孔復合體的裝配是一個有序的、受細胞周期調(diào)控因子調(diào)控的過程?？匾蜃诱{(diào)控的過程。二、核孔復合體二、核孔復合體v1959年命名

7、為核孔復合體（年命名為核孔復合體（NPC），核孔由至少），核孔由至少50種種不同的蛋白質構成。一個典型的哺乳動物細胞核被膜不同的蛋白質構成。一個典型的哺乳動物細胞核被膜上的核孔復合體總數(shù)為上的核孔復合體總數(shù)為34千個，相當于千個，相當于1020/um。v細胞核活動旺盛的細胞中核孔數(shù)目較多，反之較少。細胞核活動旺盛的細胞中核孔數(shù)目較多，反之較少。v在電鏡下觀察，核孔是呈圓形或八角形，現(xiàn)在一般認在電鏡下觀察，核孔是呈圓形或八角形，現(xiàn)在一般認為其結構如為其結構如fish-trap。 示胞質面結構示胞質面結構示核質面結構示核質面結構（一）結構模型（一）結構模型 “fish-trap” 綜合起來核孔復合

8、體主要有以下綜合起來核孔復合體主要有以下4種結構組分：種結構組分： 1）胞質環(huán)：位于核孔邊緣的胞質面一側，又稱外環(huán)，環(huán)上有）胞質環(huán)：位于核孔邊緣的胞質面一側，又稱外環(huán)，環(huán)上有8條條短纖維對稱分布伸向胞質；短纖維對稱分布伸向胞質； 2）核質環(huán)：位于核孔邊緣的核質面一側，又稱內(nèi)環(huán)，環(huán)上也對）核質環(huán)：位于核孔邊緣的核質面一側，又稱內(nèi)環(huán)，環(huán)上也對稱的連有稱的連有8條細長的纖維，向核內(nèi)伸入條細長的纖維，向核內(nèi)伸入5070nm，在纖維的，在纖維的末端形成一個直徑為末端形成一個直徑為60nm的一個小環(huán)，小環(huán)由的一個小環(huán)，小環(huán)由8個顆粒構成（核個顆粒構成（核藍）藍） 3）輻：由核孔邊緣伸向中心，呈輻射狀八重對

9、稱。由柱狀亞單）輻：由核孔邊緣伸向中心，呈輻射狀八重對稱。由柱狀亞單位、腔內(nèi)亞單位和環(huán)帶亞單位組成位、腔內(nèi)亞單位和環(huán)帶亞單位組成 4）中央栓：位于核孔中心，呈顆粒狀或棒狀）中央栓：位于核孔中心，呈顆粒狀或棒狀Nature Reviews Molecular Cell Biology 11, 490-501 (July 2010) | doi:10.1038/nrm2928核孔蛋白核孔蛋白 （nucleoporin，Nup） 核孔復合體主要由蛋白質構成核孔復合體主要由蛋白質構成。其中。其中 gp210與與p62是最具代是最具代表性的兩個成分，分別代表表性的兩個成分，分別代表著核孔蛋白的兩種類型：

10、著核孔蛋白的兩種類型：gp210代表一類結構性跨膜蛋白代表一類結構性跨膜蛋白 ，主要有三方面的功能：，主要有三方面的功能：介導核孔復合體與核被膜的連接介導核孔復合體與核被膜的連接；在內(nèi)外核膜融合形成核孔中起重在內(nèi)外核膜融合形成核孔中起重要作用；要作用；在核孔復合體的核質交換功能活在核孔復合體的核質交換功能活動中起一定作用。動中起一定作用。p62代表一類功能性的核孔蛋代表一類功能性的核孔蛋白，主要有兩方面的功白，主要有兩方面的功能：能：N端區(qū)功能：可能在核孔復合端區(qū)功能：可能在核孔復合體功能活動中直接參與體功能活動中直接參與核質交換；核質交換；C端區(qū)功能：將端區(qū)功能：將p62分子穩(wěn)定分子穩(wěn)定到核

11、孔復合體上，為其到核孔復合體上，為其N端進行核質交換活動提端進行核質交換活動提供支持。供支持。通過核孔復合體的物質運輸通過核孔復合體的物質運輸1.通過核孔復合體的被動擴散通過核孔復合體的被動擴散10nm直徑直徑9-10nm2.核孔復合體的主動運輸核孔復合體的主動運輸v 親核蛋白（親核蛋白（karyophilic proteinkaryophilic protein）在細胞質內(nèi)合成后，需）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要或能夠進入細胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質v NLSNLS是存在于親核蛋白內(nèi)的一些短的氨基酸序列片段，富含是存在于親核蛋白內(nèi)的一些短的氨基酸序列片段，富

12、含堿性氨基酸殘基，如堿性氨基酸殘基，如LysLys、ArgArg，此外還常含有，此外還常含有ProPro。v NLSNLS可以是一段連續(xù)的序列可以是一段連續(xù)的序列(SV40T(SV40T抗原抗原) )，也可以分成兩段，也可以分成兩段，兩段之間間隔約，兩段之間間隔約1010個氨基酸殘基（核質蛋白）。個氨基酸殘基（核質蛋白）。v NLSNLS序列可存在于親核蛋白的不同部位，指導完成核輸入后序列可存在于親核蛋白的不同部位，指導完成核輸入后不被切除。不被切除。v 核定位信號（核定位信號（nuclear localization signalnuclear localization signal，NLS

13、NLS）Nuclear localization signals NLS of SV40s親核蛋白通過核孔復合體的轉運過程可分為兩步：結合與轉移。親核蛋白通過核孔復合體的轉運過程可分為兩步：結合與轉移。 親核蛋白結合到核孔復合體的胞質面，該步不需要能量，但依賴正常的親核蛋白結合到核孔復合體的胞質面，該步不需要能量，但依賴正常的NLS ； 在一些胞質蛋白因子的幫助下，利用在一些胞質蛋白因子的幫助下，利用GTP水解供能，親和蛋白被轉運到細水解供能，親和蛋白被轉運到細胞核。胞核。Ran蛋白：屬蛋白：屬G蛋白，調(diào)節(jié)貨物復合體的解體或形成蛋白，調(diào)節(jié)貨物復合體的解體或形成NPC mediates bidi

14、rectional nucleocytoplasmic traffickingScience 30 November 2007: Vol. 318 no. 5855 pp. 1412-1416三、核纖層三、核纖層 3 種核纖層蛋白：lamin A、B 、C 核纖層蛋白本身形成纖維狀網(wǎng)絡結構laminA和和laminC是同一是同一個基因的不同的個基因的不同的拼接體，前拼接體，前566個氨基酸完全相個氨基酸完全相同，但羧基端的同，但羧基端的序列不同。序列不同。laminA/laminC的表達具有組織的表達具有組織與發(fā)育時期的特與發(fā)育時期的特異性，但異性，但laminB在哺乳在哺乳動物的所有細胞動物

15、的所有細胞中表達中表達核纖層的功能核纖層的功能 nuclear lamina 結構支撐功能結構支撐功能 調(diào)節(jié)基因表達調(diào)節(jié)基因表達 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)DNA 修復修復 與細胞周期有關與細胞周期有關 一一 染色質染色質DNA二二 染色質蛋白染色質蛋白 三三 染色質的基本結構單位染色質的基本結構單位核小體核小體四四 染色質包裝的結構模型染色質包裝的結構模型 五五 染色質類型染色質類型 v染色質染色質(chromatin) : 指間期細胞核內(nèi)由指間期細胞核內(nèi)由DNA、 組蛋白、非組蛋白及組蛋白、非組蛋白及少量少量RNA組成的線性復組成的線性復合結構，是間期細胞合結構，是間期細胞 遺傳物質存在的形式。遺傳物質存在

16、的形式。v v 真核生物染色質由真核生物染色質由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成，比例約為組成，比例約為1：1：0.6：0.1 。vDNA是染色質的主要成分，儲存遺傳信息，含量是染色質的主要成分，儲存遺傳信息，含量穩(wěn)定；每條染色體只含穩(wěn)定；每條染色體只含1個縱向貫穿的個縱向貫穿的DNA分子分子；v某一生物的細胞中儲存于單倍染色體組中的總遺某一生物的細胞中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；真核生物基因組傳信息，組成該生物的基因組；真核生物基因組DNA的含量比原核生物高得多。的含量比原核生物高得多。已測序的基因組比較已測序的基因組比較1. 1.

17、蛋白質編碼序列：在人類基因組中，這一比例為蛋白質編碼序列：在人類基因組中，這一比例為1%1.5%1%1.5%。這類編碼序列是單拷貝序列。這類編碼序列是單拷貝序列。2. 2. 編碼編碼rRNArRNA、tRNAtRNA、snRNAsnRNA和組蛋白的串聯(lián)重復序列：有和組蛋白的串聯(lián)重復序列：有2020300300個拷貝，人類基因組中約含個拷貝，人類基因組中約含0.3%0.3%。3. 3. 含有重復序列的含有重復序列的DNADNA：在基因組中占有很大部分。包括簡：在基因組中占有很大部分。包括簡單序列單序列DNADNA和散在重復序列。和散在重復序列。4.4.未分類的間隔未分類的間隔DNADNA：5.5

18、.高度重復高度重復DNADNA序列：衛(wèi)星序列：衛(wèi)星DNADNA、小衛(wèi)星、小衛(wèi)星DNADNA、微衛(wèi)星、微衛(wèi)星DNADNA3種構型種構型DNA 類類型型螺旋螺旋方向方向螺距螺距(nm)每圈每圈bp數(shù)數(shù)螺旋螺旋直徑直徑骨架骨架走行走行存在條件存在條件A型型右手右手螺旋螺旋2.311變寬變寬平滑平滑體外脫水體外脫水B型型右手右手螺旋螺旋3.4102nm平滑平滑隨機隨機DNA生理條件下生理條件下Z型型左手左手螺旋螺旋4.512變窄變窄鋸齒型鋸齒型CG間隔間隔排列區(qū)段排列區(qū)段三種類型三種類型DNADNA雙螺旋的比較雙螺旋的比較二、染色質蛋白二、染色質蛋白 組蛋白（組蛋白（histone） 與與DNA 結合

19、沒有序列特異結合沒有序列特異性性 非組蛋白（非組蛋白（nonhistone） 與特定與特定 DNA 序列或組蛋白序列或組蛋白相結合相結合Nature Reviews Nephrology 6, 332-341 (June 2010) 組蛋白是真核生物染色體的基本結構蛋白組蛋白是真核生物染色體的基本結構蛋白 ，富含帶正電荷，富含帶正電荷的堿性氨基酸的堿性氨基酸(如如Lys)，可與，可與DNA的酸性磷酸基團緊密結合。的酸性磷酸基團緊密結合。5種組蛋白在功能上分為兩類：種組蛋白在功能上分為兩類： 核心組蛋白：核心組蛋白：H2A、H2B、H3、H4幫助幫助DNA卷曲形成核小體卷曲形成核小體的穩(wěn)定結構，

20、沒有種屬及組織特異性，進化上十分保守。的穩(wěn)定結構，沒有種屬及組織特異性，進化上十分保守。連接組蛋白：連接組蛋白：H1，在構成核小體時，在構成核小體時H1起連接作用起連接作用, 它賦予染色它賦予染色質以極性，質以極性，H1有一定的種屬和組織特異性。有一定的種屬和組織特異性。（一） 組蛋白 屬堿性蛋白質，富含帶正電荷的Arg 和Lys 等堿性氨基酸，可以和酸性DNA 緊密結合，一般不要求特殊核苷酸序列 核小體組蛋白 H2A、H2B、H3 和H4 沒有種屬及組織特異性，進化上十分保守 H1 組蛋白 有一定的種屬和組織特異性 非組蛋白是染色體上與特異非組蛋白是染色體上與特異DNA序列結合的蛋白質，又稱

21、序列結合的蛋白質，又稱序列特異性序列特異性DNA結合蛋白。非組蛋白呈酸性，帶負電荷。結合蛋白。非組蛋白呈酸性，帶負電荷。非組蛋白的特性：非組蛋白的特性：非組蛋白具有多樣性：占染色質蛋白的非組蛋白具有多樣性：占染色質蛋白的60-70%，不同組織細，不同組織細胞中其種類和數(shù)量都不相同，代謝周轉快。胞中其種類和數(shù)量都不相同，代謝周轉快。識別識別DNA具特異性：通過氫鍵和離子鍵識別并結合在具特異性：通過氫鍵和離子鍵識別并結合在DNA雙雙螺旋的大溝部分。螺旋的大溝部分。具有功能多樣性：參與基因表達調(diào)控和染色質高級結構形成具有功能多樣性：參與基因表達調(diào)控和染色質高級結構形成。序列特異性序列特異性 DNA結

22、合蛋白結合蛋白 特性特性多樣性多樣性識別識別DNA具有特異性具有特異性具有功能多樣性具有功能多樣性 組蛋白組蛋白 非組蛋白非組蛋白 堿性蛋白質堿性蛋白質 酸性蛋白質酸性蛋白質(Asp,Glu) 帶正電荷帶正電荷 帶負電荷帶負電荷 有五種類型有五種類型 種類繁多種類繁多（H1、 H3、H4、H2A、H2B） （有（有500多種）多種） 只在只在S期合成期合成 在整個周期在整個周期中均能合成中均能合成 抑制抑制DNA的轉錄的轉錄 促進促進DNA復復制和轉錄制和轉錄 氨基酸序列保守氨基酸序列保守（一）主要實驗證據(jù)（一）主要實驗證據(jù)1. 溫和法裂解細胞核電鏡觀察溫和法裂解細胞核電鏡觀察2. 非特異性微

23、球菌核酸酶消化染色質）。非特異性微球菌核酸酶消化染色質）。3. 應用應用X射線衍射、中子散射和電鏡三維重建技射線衍射、中子散射和電鏡三維重建技術研究。術研究。4. SV40病毒微小染色體分析。病毒微小染色體分析。1. 用溫和的方法裂解細胞核用溫和的方法裂解細胞核B. nucleosomes (10 nm)A. condensed form (30 nm)A. 未經(jīng)處理的染色質自然結構為未經(jīng)處理的染色質自然結構為30nm的纖絲；的纖絲；B. 經(jīng)鹽溶液處理后解聚的染色質呈現(xiàn)經(jīng)鹽溶液處理后解聚的染色質呈現(xiàn)10nm的串珠狀結構的串珠狀結構 2. 用非特異性微球菌核酸酶消化染色質用非特異性微球菌核酸酶消

24、化染色質3. 由由X射線晶體衍射所揭示的核小體三維結構射線晶體衍射所揭示的核小體三維結構A B CA. 通過通過DNA超螺旋中心軸所顯示的核小體核心顆粒超螺旋中心軸所顯示的核小體核心顆粒8個組蛋白分子的位置；個組蛋白分子的位置；B. 垂直于中心軸的角度所見到的核小體核心顆粒的盤狀結構；垂直于中心軸的角度所見到的核小體核心顆粒的盤狀結構；C. 半個核小體核心顆粒的示意模型，一圈半個核小體核心顆粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（超螺旋（73bp）和）和4種核心種核心 組蛋白分子，每種組蛋白由組蛋白分子，每種組蛋白由3個個螺旋和一個伸展的螺旋和一個伸展的N端尾部組成。端尾部組成。4. SV40微小染色

25、體分析與電鏡觀察微小染色體分析與電鏡觀察vSV40 DNA為環(huán)狀雙鏈，周長為環(huán)狀雙鏈，周長1500nm，約，約5kb；v核小體顆粒直徑為核小體顆粒直徑為11nm，則外圍的，則外圍的7/4圈圈DNA長約長約60nm，約，約200bp；v理論推斷：理論推斷：SV40病毒進入細胞后，與宿主細胞組蛋病毒進入細胞后，與宿主細胞組蛋v 白結合可形成串珠狀微小染色體約白結合可形成串珠狀微小染色體約25個。個。v觀察結果：電鏡下實際觀察到觀察結果：電鏡下實際觀察到23個，與推斷基本一致個，與推斷基本一致。 SV40 微小染色體（minichromosome）分析Virology, 2009, 384(2):

26、352-359 （二）核小體的結構（二）核小體的結構 1. 包括200 bp 左右的DNA 超螺 旋和一個組蛋白八聚體以及一個分子的組蛋白H1 2. 組蛋白八聚體構成核小體的盤狀核心顆粒，由4 個異二聚體組成，包括兩 個H2A H2B 和兩個H3 H43.146bp的的DNA分子超螺旋盤繞組蛋白八聚體分子超螺旋盤繞組蛋白八聚體1.75圈。組蛋白圈。組蛋白H1在核心顆粒外結合額外在核心顆粒外結合額外20bp DNA, 鎖住核心鎖住核心DNA的進出端，的進出端，起穩(wěn)定核小體的作用；起穩(wěn)定核小體的作用；4.兩個相鄰核小體之間以連接兩個相鄰核小體之間以連接DNA相連，典型長度相連，典型長度60bp，不

27、同物，不同物種變化值為種變化值為080bp不等。不等。5. 組蛋白與組蛋白與DNA之間的相互作用主要是結構性的，基本不依賴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，核小體具有自組裝的性質于核苷酸的特異序列，實驗表明，核小體具有自組裝的性質6. 核小體沿核小體沿DNA的定位受不同因素的影響，通過核小體相位改的定位受不同因素的影響，通過核小體相位改變進而影響基因的表達。變進而影響基因的表達。 四、染色質組裝四、染色質組裝 人體細胞46條染色體含DNA約6109 bp，總長如何計算？ （一）染色質組裝的前期過程（一）染色質組裝的前期過程 裸露DNA 組裝直徑30 nm 螺

28、線管 H3 H4 兩個異二聚體結合 兩個H2A H2B 異二聚體加入 組蛋白的去乙酰化，H1組蛋白結合伴隨著核小體的折疊 6 個核小體組成一個螺旋 進一步的折疊事件核小體（核小體（10nm）螺線管（螺線管（30nm）超螺線管（超螺線管（300nm）染色單體染色單體壓縮壓縮6倍倍壓縮壓縮40倍倍壓縮壓縮5倍倍DNADNA壓縮壓縮7倍倍組蛋白組蛋白+ +一級一級二級二級三級三級四級四級Chromatin has highly complex structure with several levels of organization （三）染色質組裝的放射環(huán)結構模型（三）染色質組裝的放射環(huán)結構模型

29、一條染色單體約有一條染色單體約有106個微帶。個微帶。染色體支架染色體支架（非組蛋白）（非組蛋白）袢環(huán)（袢環(huán)（ 30nm螺線管）螺線管）123456789101112131415161718微微 帶帶著絲點著絲點染色單體染色單體間期核中染色質可分為異染色質和常染色質。間期核中染色質可分為異染色質和常染色質。常染色質：指間期核內(nèi)染色質纖維折疊壓縮程度低，處于伸展常染色質：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狀態(tài)，用堿性染料染色時著色淺的那些染色質 。異染色質：指間期核內(nèi)染色質纖維折疊壓縮程度高，處于聚縮異染色質：指間期核內(nèi)染色質纖維折疊壓縮程度高，

30、處于聚縮狀態(tài)，用堿性染料染色時著色深的那些染色質。狀態(tài)，用堿性染料染色時著色深的那些染色質。 結構異染色質：整個細胞周期內(nèi)都處于聚縮狀態(tài)的染色質。結構異染色質：整個細胞周期內(nèi)都處于聚縮狀態(tài)的染色質。兼性異染色質：指在某些細胞類型或一定的發(fā)育階段原來的常兼性異染色質：指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|。染色質聚縮，并喪失基因轉錄活性，變?yōu)楫惾旧|。 在中期染色體上，在中期染色體上，結構異染色質多定位結構異染色質多定位于著絲粒區(qū)、端粒、于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕及染色體臂的次縊痕及染色體臂的某些節(jié)段。某些節(jié)段。 結構異染色質特征：結構異染色質特征：

31、1.在中期染色體上多定位于著絲粒、端粒、在中期染色體上多定位于著絲粒、端粒、次縊痕及染色體臂的某些節(jié)段；次縊痕及染色體臂的某些節(jié)段； 2.由相對簡單、高度重復的由相對簡單、高度重復的DNA序列構成序列構成 3.具有顯著的遺傳惰性，不轉錄不編碼蛋白具有顯著的遺傳惰性，不轉錄不編碼蛋白質質 4.在復制行為上表現(xiàn)為晚復制、早聚縮在復制行為上表現(xiàn)為晚復制、早聚縮 5.占有較大部分核占有較大部分核DNA 雌性哺乳類體細胞核內(nèi)，兩條X染色體之一在發(fā)育早期隨機發(fā)生異染色質化而失活。在上皮細胞核內(nèi)，這個異固縮的X染色體稱為性染色體或巴氏小體。（二）常染色質與異染色質間的轉變（二）常染色質與異染色質間的轉變 異

32、染色質或常染色質之間隨著發(fā)育時期或細胞周期的變化異染色質或常染色質之間隨著發(fā)育時期或細胞周期的變化可能相互轉化可能相互轉化 異染色質與常染色質之間的轉變異染色質與常染色質之間的轉變 常常需要組蛋白與常常需要組蛋白與DNA 修飾修飾A.H3K10 的磷酸化、的磷酸化、H3K9 的乙酰化的乙?；?B.H3K9、H3K27 及及H4K20 的甲基化的甲基化 及及H3K4 的甲基化。的甲基化。 活性染色質活性染色質(active chromatin) 具有轉錄活性具有轉錄活性 具有疏松的染色質結具有疏松的染色質結構構 非活性染色質非活性染色質(inactive chromatin) 沒有轉錄活性沒有轉

33、錄活性1. 有基因表達活性的染色質有基因表達活性的染色質DNA對對DNase I的降解作用比的降解作用比 沒有轉錄活性的染色質沒有轉錄活性的染色質DNA敏感得多。敏感得多。2. 正在轉錄或具有潛在轉錄活性而未轉錄的基因對正在轉錄或具有潛在轉錄活性而未轉錄的基因對DNase I 同樣敏感。同樣敏感。 說明活化染色質對說明活化染色質對DNase I的優(yōu)先敏感性不是由于轉錄過程的優(yōu)先敏感性不是由于轉錄過程中中RNA聚合酶的作用，而是可轉錄染色質的一個基本特征。聚合酶的作用，而是可轉錄染色質的一個基本特征。1. 活性染色質很少有組蛋白活性染色質很少有組蛋白H1與其結合；與其結合；2. 活性染色質的組蛋

34、白乙?；潭雀?；活性染色質的組蛋白乙?；潭雀?；3. 活性染色質的核小體組蛋白活性染色質的核小體組蛋白H2B很少被磷酸化；很少被磷酸化；4. 活性染色質中核小體組蛋白活性染色質中核小體組蛋白H2A很少有變異形式存在；很少有變異形式存在；5. 組蛋白組蛋白H3的變種的變種H3.3只在活躍轉錄的染色質中出現(xiàn)；只在活躍轉錄的染色質中出現(xiàn)；6. HMG14和和HMG17只存在于活性染色質中。只存在于活性染色質中。 活性染色質標志：活性染色質標志：H3 N 端第端第4 個賴氨酸的甲基化，第個賴氨酸的甲基化，第9 和和14 個賴氨酸的乙酰化以及第個賴氨酸的乙?；约暗?0 個絲氨酸個絲氨酸 的磷酸化；的磷

35、酸化； 非活性染色質標志：非活性染色質標志：H3 N 端第端第9 個賴氨酸甲基化而不是個賴氨酸甲基化而不是乙酰化乙?；谌?jié)第三節(jié) 染色質的復制與表達染色質的復制與表達 一、染色質的復制與修復一、染色質的復制與修復 （一）染色質復制（一）染色質復制DNA復制和染色質的組裝復制和染色質的組裝 1.在復制叉的移動期間，父代的核小體核心顆在復制叉的移動期間，父代的核小體核心顆粒與粒與DNA分離，到該段分離，到該段DNA復制完成，父代的核復制完成，父代的核小體核心顆粒直接轉移到兩條子鏈小體核心顆粒直接轉移到兩條子鏈DNA的一條上的一條上； 2.染色質組裝因子利用剛合成的經(jīng)乙?；慕M染色質組裝因子利用剛

36、合成的經(jīng)乙?；慕M蛋白介導核小體在復制蛋白介導核小體在復制DNA組裝。組裝。（二）染色質的修復與基因組穩(wěn)定性（二）染色質的修復與基因組穩(wěn)定性 基因組的穩(wěn)定性：基因組的穩(wěn)定性： （1）染色質或高度濃縮的染色質高級結）染色質或高度濃縮的染色質高級結構的形成對基因組構的形成對基因組DNA有保護作用。有保護作用。 （2）細胞中存在一整套）細胞中存在一整套DNA修復機器來修復機器來應對各種各樣的應對各種各樣的DNA突變。突變。 真核生物細胞核內(nèi)的DNA盤繞組蛋白核心形成核小體，以非裸露狀態(tài)存在，限制了RNA聚合酶、轉錄因子等非組蛋白與組蛋白核心緊密結合的DNA的相互作用。染色質結構改變與基因活化的關系的

37、研究主要集中在3個方面（1）如何形成活性染色質，一便RNA聚合酶能起始轉錄；（2）具有轉錄活性的染色質結構域如何與周圍的非活性區(qū)域隔離；（3）RNA聚合酶如何通過與染色質模板結合進行轉錄。（一）染色質的激活（一）染色質的激活 1.DNA結構與核小體相位的變化結構與核小體相位的變化染色質是一個動態(tài)、可塑的蛋白質與染色質是一個動態(tài)、可塑的蛋白質與核酸組成的復合物。當一個調(diào)控蛋白核酸組成的復合物。當一個調(diào)控蛋白結合到染色質結合到染色質DNA的特定位點時，染的特定位點時，染色質都很容易被引發(fā)二級結構的改變。色質都很容易被引發(fā)二級結構的改變。如，特定轉錄因子與增強子的結合有如，特定轉錄因子與增強子的結合

38、有利于轉錄起始復合物的裝配利于轉錄起始復合物的裝配核小體變構因子通過改變核小體的相位而調(diào)核小體變構因子通過改變核小體的相位而調(diào)節(jié)染色質的活性不同的拓撲異構酶能調(diào)整節(jié)染色質的活性不同的拓撲異構酶能調(diào)整DNADNA雙螺旋的局部結構和高級結構的變化，使雙螺旋的局部結構和高級結構的變化，使之超螺旋化或松弛之超螺旋化或松弛B B型型DNADNA變成變成Z Z型型DNADNA會導會導致核心蛋白八聚體與致核心蛋白八聚體與DNADNA的親和力下降的親和力下降修飾的意義：修飾的意義： （1）改變?nèi)旧|的結構，直接影響轉錄活性）改變?nèi)旧|的結構，直接影響轉錄活性 （2）使核小體表面發(fā)生改變，使其他調(diào)控蛋白易于和染

39、色質接觸，間接影響轉錄）使核小體表面發(fā)生改變，使其他調(diào)控蛋白易于和染色質接觸，間接影響轉錄活性活性核心組蛋白賴氨酸殘基乙?；诵慕M蛋白賴氨酸殘基乙?；疉.Lys的乙酰化修飾：組蛋白與的乙?；揎棧航M蛋白與DNA的親和力下降，核小體聚合受阻；同時促進的親和力下降，核小體聚合受阻；同時促進H2A與泛素結合，導致蛋白質選擇性降解與泛素結合，導致蛋白質選擇性降解B.H3和和H4的乙?；揎棧菏购诵◇w間的的乙?；揎棧菏购诵◇w間的DNA產(chǎn)生過多的負超螺旋，易于從核小體產(chǎn)生過多的負超螺旋，易于從核小體上脫離，有利于轉錄因子的結合上脫離，有利于轉錄因子的結合C.輔激活子具有組蛋白乙酰轉移酶的功能：將組蛋白的

40、賴氨酸乙?；?，還能將輔激活子具有組蛋白乙酰轉移酶的功能：將組蛋白的賴氨酸乙?；?，還能將DNA上游的轉錄因子同基礎裝置連接起來，使特定啟動子部位的核小體解體上游的轉錄因子同基礎裝置連接起來，使特定啟動子部位的核小體解體2. 組蛋白的修飾 乙酰化、甲基化、磷酸化、ADP核糖基化組蛋白組蛋白H3的甲基化的甲基化組蛋白組蛋白H3K9的甲基化在的甲基化在調(diào)節(jié)基因表達、染色質組裝和異染色質的形成過調(diào)節(jié)基因表達、染色質組裝和異染色質的形成過程中發(fā)揮重要作用；而程中發(fā)揮重要作用；而H3S10短暫磷酸化足以使短暫磷酸化足以使H3K9甲基化引起的染色質濃縮變得疏松甲基化引起的染色質濃縮變得疏松組蛋白組蛋白H1的磷

41、酸化的磷酸化H1的磷酸化必然導致染的磷酸化必然導致染色質疏松，直接影響染色質的活性。色質疏松，直接影響染色質的活性。不同組蛋白修飾之間的關系：乙?；话闶腔钚圆煌M蛋白修飾之間的關系：乙酰化一般是活性染色質的標志，而甲基化和磷酸化則在活性染色染色質的標志，而甲基化和磷酸化則在活性染色質和非活性染色質都存在質和非活性染色質都存在 3. HMG蛋白的影響蛋白的影響 具有一個或多個具有一個或多個HMG結構域的蛋白質結構域的蛋白質稱為稱為HMG結構域蛋白結構域蛋白 HMG結構域蛋白結合在結構域蛋白結合在DNA栓螺旋的小溝栓螺旋的小溝中，以中，以40倍的優(yōu)勢選擇富含嘧啶的核苷酸倍的優(yōu)勢選擇富含嘧啶的核苷

42、酸元件。元件。 HMG結構域蛋白的功能之一是與結構域蛋白的功能之一是與DNA彎折彎折和和DNA-蛋白質復合體高級結構的形成有關蛋白質復合體高級結構的形成有關。HMG結構域蛋白識別某些異型的結構域蛋白識別某些異型的DNA結結構，使構，使DNA產(chǎn)生產(chǎn)生90o130o的彎折的彎折 （二）染色質的失活（二）染色質的失活 1.X染色質的失活染色質的失活Xic：X染色體失活中心；染色體失活中心； XistRNA：X染色體失活特異性轉錄本染色體失活特異性轉錄本RNAXistRNA覆蓋于覆蓋于某一某一X染色質的染色質的表面并使之失活表面并使之失活機制不清機制不清 2.位置花斑效應位置花斑效應有的活性基因轉位到

43、異染色有的活性基因轉位到異染色質區(qū)附近時會失活，這一現(xiàn)象叫花斑效應質區(qū)附近時會失活，這一現(xiàn)象叫花斑效應三、染色質與基因表達調(diào)控三、染色質與基因表達調(diào)控 （一）以染色質為模板的轉錄（一）以染色質為模板的轉錄 真核細胞基因轉錄的模板是染色質而不真核細胞基因轉錄的模板是染色質而不是是DNA，染色質是否處于活化狀態(tài)是決定，染色質是否處于活化狀態(tài)是決定RNA聚合酶能否行使轉錄功能的關鍵。聚合酶能否行使轉錄功能的關鍵。 在轉錄過程中，在轉錄過程中，RNA聚合酶被認為是聚合酶被認為是用用“核小體犁核小體犁”來解除組蛋白和來解除組蛋白和DNA間的間的相互作用。相互作用。一一中期染色體的形態(tài)結構中期染色體的形態(tài)

44、結構 二二染色體染色體DNA的三種功能元件的三種功能元件三三核型與染色體顯帶核型與染色體顯帶 四四特殊染色體特殊染色體一、染色體形態(tài)結構一、染色體形態(tài)結構 由兩條相同的姐妹染色單體（由兩條相同的姐妹染色單體（chromatid）構成，彼此以著絲）構成，彼此以著絲粒粒 （centromere）相連）相連 根據(jù)著絲粒在染色體上所處的位置，分為根據(jù)著絲粒在染色體上所處的位置，分為4 種類型種類型（一）著絲粒與動粒（一）著絲粒與動粒動粒結構域（動粒結構域（kinetochore domain） 內(nèi)板（內(nèi)板（inner plate）中間間隙）中間間隙 （middle space）外板）外板 （outer

45、 plate）纖維冠（纖維冠（fibrouscorona）中央結構域（中央結構域（central domain）配對結構域（配對結構域（pairing domain）著絲粒與動粒著絲粒與動粒 著絲粒和動粒是兩個不同的概念。著絲粒和動粒是兩個不同的概念。著絲粒是連接兩個染色單體形成有絲分裂染色體的主著絲粒是連接兩個染色單體形成有絲分裂染色體的主縊痕縊痕,其將染色單體分為：短臂和長臂其將染色單體分為：短臂和長臂(q)。動粒是由著絲粒結合蛋白在有絲分裂期間特別裝配起動粒是由著絲粒結合蛋白在有絲分裂期間特別裝配起來的、附著于主縊痕外側的圓盤狀的結構，分三來的、附著于主縊痕外側的圓盤狀的結構，分三個結構

46、域。個結構域。v 次縊痕：除主縊痕外，染色體上第二個呈淺縊縮的部分稱次縊痕：除主縊痕外，染色體上第二個呈淺縊縮的部分稱次縊痕。次縊痕。 v 核仁組織區(qū)：位于染色體的次縊痕處（但并非所有次縊痕核仁組織區(qū)：位于染色體的次縊痕處（但并非所有次縊痕處都是核仁組織區(qū)），含有處都是核仁組織區(qū)），含有rRNA基因的一段染色體區(qū)域，基因的一段染色體區(qū)域，與核仁的形成有關，故名核仁組織區(qū)。與核仁的形成有關，故名核仁組織區(qū)。v概念：是位于染色體概念：是位于染色體末端的、圓形或圓柱末端的、圓形或圓柱形的染色體片段形的染色體片段, 通過通過次縊痕與染色體主要次縊痕與染色體主要部分相連。部分相連。v有隨體的染色體稱為有

47、隨體的染色體稱為 v sat染色體。染色體。v 概念：是染色體兩個端部的特化部分，概念：是染色體兩個端部的特化部分，通常由富含通常由富含G 的短的重復的短的重復DNA 序列組成序列組成, 伸展到染色體伸展到染色體3末端。末端。v 其作用是：其作用是：v 維持染色體的完整性和獨維持染色體的完整性和獨 立性。立性。v 起細胞分裂計時器的作用。起細胞分裂計時器的作用。 v 端粒核苷酸復制和端粒核苷酸復制和DNA復復 制不同，制不同，每復制一次減少每復制一次減少 50100bp，其復制，其復制 要要靠具靠具 v 有反轉錄酶性質的端粒酶來完成。有反轉錄酶性質的端粒酶來完成。端粒端粒 1. 自主復制序列（

48、自主復制序列（ARS ）：是）：是DNA復制的起點。復制的起點。 維持維持染色體在細胞世代傳遞中的連續(xù)性。染色體在細胞世代傳遞中的連續(xù)性。2. 著絲粒序列（著絲粒序列（CEN ）：由大量串聯(lián)重復序列組成，）：由大量串聯(lián)重復序列組成，保證染色體平均分配到子細胞中。保證染色體平均分配到子細胞中。3. 端粒序列（端粒序列（TEL）：是線性染色體兩端的特殊序列，）：是線性染色體兩端的特殊序列，由長由長5-10bp的重復單位串聯(lián)而成。保證染色體獨立的重復單位串聯(lián)而成。保證染色體獨立性和穩(wěn)定性。性和穩(wěn)定性。 確保染色體復制和穩(wěn)定遺傳的三種必備功能元件：確保染色體復制和穩(wěn)定遺傳的三種必備功能元件：DNA復制

49、的起點。確保染色體在細胞周復制的起點。確保染色體在細胞周期中能夠自我復制，維持染色體在細胞世期中能夠自我復制，維持染色體在細胞世代傳遞中的連續(xù)性。代傳遞中的連續(xù)性。由大量串聯(lián)重復序列組成，使細胞分裂時由大量串聯(lián)重復序列組成，使細胞分裂時已復制的染色體平均分配到子細胞中。已復制的染色體平均分配到子細胞中。由由5-10bp的重復單位串聯(lián)而成。位于染色的重復單位串聯(lián)而成。位于染色體兩個末端體兩個末端,保證染色體獨立性和穩(wěn)定性。保證染色體獨立性和穩(wěn)定性。 1.自主復制序列自主復制序列（ARS ）2.著絲粒序列著絲粒序列（CEN ）3.3.端粒序列端粒序列（TELTEL）端粒酶的作用示意圖端粒酶的作用示

50、意圖v核型核型(karyotype) : 是指染色體組在有絲分裂中期的表型，是指染色體組在有絲分裂中期的表型， v 包括染色體數(shù)目、大小、形態(tài)特征的總和。包括染色體數(shù)目、大小、形態(tài)特征的總和。v核型模式圖核型模式圖(idiogram) : 將一個染色體組的全部染色體逐個將一個染色體組的全部染色體逐個v 按其特征繪制下來，再按長短、形態(tài)等特征排列起來的按其特征繪制下來，再按長短、形態(tài)等特征排列起來的圖圖 v 像稱為核型模式圖，它代表一個物種的核型模式。像稱為核型模式圖，它代表一個物種的核型模式。v染色體顯帶技術染色體顯帶技術: Q帶、帶、G帶、帶、R帶、帶、C帶、帶、T帶、帶、N帶，各帶，各 v

51、 帶的染色試劑以及在染色體上所呈現(xiàn)的區(qū)帶特征。帶的染色試劑以及在染色體上所呈現(xiàn)的區(qū)帶特征。Q-帶：中期染色體經(jīng)芥氮（或雙鹽酸）喹吖因染色后，在紫外線照帶：中期染色體經(jīng)芥氮（或雙鹽酸）喹吖因染色后，在紫外線照射下所呈現(xiàn)的熒光亮帶（射下所呈現(xiàn)的熒光亮帶（AT）和暗帶（）和暗帶（GC）。）。G-帶：中期染色體制片經(jīng)胰酶（或堿、熱、尿素、去污劑）處理后帶：中期染色體制片經(jīng)胰酶（或堿、熱、尿素、去污劑）處理后再用再用Giemsa染色后所呈現(xiàn)的染色體區(qū)帶。一般染色后所呈現(xiàn)的染色體區(qū)帶。一般G帶與帶與Q帶相符。帶相符。（一）多線染色體（一）多線染色體v 概念：核內(nèi)概念：核內(nèi)DNA多次復制而細胞不分裂，產(chǎn)生的

52、子染色體并多次復制而細胞不分裂，產(chǎn)生的子染色體并行行v 排列，且體細胞內(nèi)同源染色體配對，緊密結合在一起，從而排列，且體細胞內(nèi)同源染色體配對，緊密結合在一起，從而阻阻v 止染色質纖維進一步聚縮，這種只復制不分離、體積較大的止染色質纖維進一步聚縮，這種只復制不分離、體積較大的染染v 色體稱為多線染色體。色體稱為多線染色體。v來源：核內(nèi)有絲分裂來源：核內(nèi)有絲分裂(endomitosis)。 v 帶及間帶：帶和間帶都含有基因，可能帶及間帶：帶和間帶都含有基因，可能“管家管家”基因基因 位于間位于間帶帶, v “奢侈奢侈”基因位于帶上?；蛭挥趲稀 多線染色體與基因活性：脹泡是基因活躍轉錄的形態(tài)學標

53、志。多線染色體與基因活性：脹泡是基因活躍轉錄的形態(tài)學標志。 果蠅唾腺細胞全套多線染色體果蠅唾腺細胞全套多線染色體果蠅幼蟲唾液腺多線染色體果蠅幼蟲唾液腺多線染色體 用用H3-UdR處理細胞，發(fā)現(xiàn)脹泡被標記處理細胞，發(fā)現(xiàn)脹泡被標記，說明脹泡是基因活躍轉錄的區(qū)域。，說明脹泡是基因活躍轉錄的區(qū)域。（二）燈刷染色體（二）燈刷染色體v 燈刷染色體普遍存在于動物界的卵母細胞，兩棲燈刷染色體普遍存在于動物界的卵母細胞，兩棲v 類卵母細胞的燈刷染色體最典型。類卵母細胞的燈刷染色體最典型。v 來源：卵母細胞停留在減數(shù)第一次分裂時雙線期來源：卵母細胞停留在減數(shù)第一次分裂時雙線期v 的染色體。的染色體。v 燈刷染色體

54、的超微結構燈刷染色體的超微結構v 轉錄功能轉錄功能:合成的合成的RNA主要為前體主要為前體mRNA( hnRNA)環(huán)環(huán)染色粒染色粒軸軸側環(huán)中伸展側環(huán)中伸展的染色質的染色質軸軸染色粒（體積雖小染色粒（體積雖小,但但高度螺旋化高度螺旋化,無活性）無活性）鄰近染色粒鄰近染色粒的染色質的染色質表示姐妹染色單表示姐妹染色單體的染色體小區(qū)體的染色體小區(qū)單條染色體區(qū)域單條染色體區(qū)域配對的燈刷染色體配對的燈刷染色體第五節(jié)第五節(jié) 核仁與核體核仁與核體Nucleoli （nucleolus 的復數(shù)）的復數(shù)）HeLa cell, GFP-ribosomal protein 間期的細胞核內(nèi)，呈圓球形，一般間期的細胞核內(nèi)，呈圓球形，一般12個，有個，有時多達時多達35個。一般蛋白質合成旺盛和分裂增殖較個。一般蛋白