醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué)：第8章 細胞核

1、第八章 細胞核學(xué)習(xí)目的和要求1.掌握核被膜、核孔復(fù)合體結(jié)構(gòu)組成、模型及功能。2.掌握染色體與染色質(zhì)的概念、化學(xué)組成、包裝過程以及其染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)。3.掌握核仁的超微結(jié)構(gòu)和功能、核纖層的結(jié)構(gòu)與功能、核骨架的化學(xué)構(gòu)成與功能。4.了解多線染色體和燈刷染色體的結(jié)構(gòu)特征、細胞的核型與染色體帶型，細胞核與疾病的關(guān)系。概述細胞核：是真核細胞內(nèi)最重要的細胞器，它是基因復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄的中心，是細胞各種生命活動的控制中心，是真核細胞和原核細胞最大的區(qū)別。成熟的植物篩管和哺乳類紅細胞沒有細胞核。在原核細胞中，DNA集中，但無核膜包圍，故稱擬核（nucleiod）。 一、數(shù)量與分布通常一個細胞一個核，肝細胞和心肌

2、細胞可有雙核，破骨細胞可有6-50個細胞核，骨骼肌細胞可有數(shù)百個核；高等植物的氈絨層可有2-4個核。正在生長的細胞中，核位于細胞中央，在分化成熟的細胞中，常因細胞內(nèi)含物或特殊結(jié)構(gòu)的存在，核被擠到邊緣。植物細胞的核常被液泡擠到邊緣。 二、細胞核的大小細胞核的大小與細胞大小有關(guān)；常以核質(zhì)比來估算核的相對大小，NP0.5（分裂期細胞NP0.5，衰老細胞NP105） 長度短（幾到幾十個bp, 分布端粒、著絲粒區(qū)），1.染色質(zhì)DNA的三類功能序列在細胞世代中確保染色體的復(fù)制和穩(wěn)定遺傳，染色體至少應(yīng)具備三種基本功能元件，對應(yīng)的DNA序列稱為“染色體DNA的功能元件”。染色體具有3個基本元素： DNA復(fù)制起

3、點-自主復(fù)制序列/復(fù)制源序列( ARS)，是DNA復(fù)制的起點；著絲粒序列(CEN)，是復(fù)制完成的兩個姐妹染色單體的連接部位，由大量串聯(lián)的重復(fù)序列組成，如衛(wèi)星DNA，其功能是參與形成著絲粒，使細胞分裂中染色體能夠準(zhǔn)確地分離；端粒序列(TEL)，位于染色體末端的富含G的簡單重復(fù)序列。功能是維持DNA分子末端復(fù)制的完整性和維持染色體的穩(wěn)定性。不同生物的端粒序列都很相似，由長5-10bp的重復(fù)單位串聯(lián)而成，人的重復(fù)序列為GGGTTA。一般情況下，每個真核細胞染色體具多個ARS(如酵母中含200400個)，一個CEN，兩個TEL。 2.三個功能序列的示意圖（二）染色體蛋白質(zhì)負責(zé)DNA分子遺傳信息的組織、

4、復(fù)制和閱讀 組蛋白(histone)： 核小體組蛋白(nucleosomal histone)： H2B、H2A、H3和H4,幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)H1組蛋白：在構(gòu)成核小體時H1起連接作用, 它賦予染色質(zhì)以極性。特點：真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶正電荷的Arg和Lys等堿性氨基酸，屬堿性蛋白質(zhì)，可以和酸性的DNA緊密結(jié)合（非特異性結(jié)合）；沒有種屬及組織特異性，在進化上十分保守。 非組蛋白(nonhistone)： 非組蛋白具多樣性和異質(zhì)性； 對DNA具有識別特異性，又稱序列特異性； 具有多種功能，幫助DNA折疊；協(xié)助DNA復(fù)制；調(diào)節(jié)基因表達。多以-螺旋結(jié)構(gòu)和DNA大溝識別并

5、結(jié)合，進而影響復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。 三、常染色質(zhì)和異染色質(zhì) 間期核中染色質(zhì)可分為常染色質(zhì)(enchromatin）和異染色質(zhì)（heterochromatin）。（一）常染色質(zhì)(enchromatin）概念：指間期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低, 處于伸展?fàn)顟B(tài), 用堿性染料染色時著色淺的那些染色質(zhì)。含有基因轉(zhuǎn)錄的活躍部位。細胞分布：在核中均勻分布，位于中央。復(fù)制：S期的早、中期復(fù)制。（二）異染色質(zhì)（heterochromatin）概念：間期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度高, 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)。分布于核周近核膜處。結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)(組成型異染色質(zhì))概念：存在于各種細胞中，除復(fù)制期以

6、外在整個細胞周期均處于聚縮狀態(tài)，DNA包裝比在整個細胞周期沒有較大變化的異染色質(zhì)。特點： 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(fù)的DNA序列構(gòu)成, 如衛(wèi)星DNA； 具有顯著的遺傳惰性, 不轉(zhuǎn)錄也不編碼蛋白質(zhì)； 在復(fù)制行為上與常染色質(zhì)相比表現(xiàn)為晚復(fù)制早聚縮； 在功能上參與染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致染色質(zhì)區(qū)間性；作為核DNA的轉(zhuǎn)座元件，引起遺傳變異。兼性異染色質(zhì)概念：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, 而形成的異染色質(zhì)?？赊D(zhuǎn)化為常染色質(zhì)。異染色質(zhì)化可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑。 （三）巴氏小體（barr body）在哺乳

7、動物細胞內(nèi)如有兩個X染色體（通常為雌性），則其中的一個染色體常表現(xiàn)為異染色質(zhì)，稱巴氏小體（X染色質(zhì)或X小體）。雌性哺乳類動物的X染色體就是一類特殊的兼性異染色質(zhì)。人的胚胎發(fā)育到16天以后，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，一條X染色體轉(zhuǎn)變?yōu)榘褪闲◇w，呈塊狀緊靠核膜，染色反應(yīng)表現(xiàn)為深染。因此通過檢查羊水中胚胎細胞的巴氏小體可預(yù)測胎兒的性別。四、染色體的組裝Each human cell contains about 2 m of DNA within nucleus if stretched end-to-end, yet the nucleus of a human cell

8、 itself is only about 6 um in diameter. Compaction ratio=nearly 10000-fold.（一）核小體染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)核小體：是染色體的基本結(jié)構(gòu)單位，為200bp左右的DNA分子和一個組蛋白八聚體及一個H1分子構(gòu)成的圓盤狀顆粒。1.核小體結(jié)構(gòu)要點(1).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核心(Core)及一個分子H1；(2).由H2A、H2B、H3、H4各兩分子形成八聚體，構(gòu)成核心顆粒；(3).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(jié)合額外20bp DNA，鎖住

9、核小體DNA的進出端，起穩(wěn)定核小體的作用； (4).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080bp；(5).組蛋白與DNA之間的相互作用主要是結(jié)構(gòu)性的，基本不依賴于核苷酸的特異序列；(6).核小體的形成使DNA分子壓縮了7倍。由X-射線晶體衍射(2.8A)所揭示的核小體三維結(jié)構(gòu)（引自K.Luger等，1997）a 通過DNA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；b 垂直與中心軸的角度所見到的核小體核心顆粒的盤狀結(jié)構(gòu)；c半個核小體核心顆粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4種核心組蛋白分子，每種組蛋白由3 個螺旋和一個伸展的N-端尾部

10、組成。N-端尾部有序排列，參與核小體之間的相互作用，以形成螺線管等高級結(jié)構(gòu)。2.核小體三維結(jié)構(gòu)（二）螺線管染色質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)概念：在組蛋白H1的協(xié)助下，核小體串珠盤旋形成螺線中空結(jié)構(gòu)，每圈6個核小體，螺距11nm，外徑30nm,內(nèi)徑10nm。組蛋白H1與相鄰核小體上的位點結(jié)合，協(xié)助核小體包裹成有規(guī)律的重復(fù)排列結(jié)構(gòu)。螺線管的形成使核小體串珠結(jié)構(gòu)壓縮了約6倍。（三）螺線管的進一步包裝目前有兩種模型解釋螺線管的進一步包裝：多級螺旋模型骨架放射環(huán)模型1.染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型 壓縮比：7倍 6倍 40倍 5倍 合計8400倍 DNA 核小體 螺線管 超螺線管 染色單體 一級結(jié)構(gòu)：核小體（10nm）二級

11、結(jié)構(gòu)：螺線管 直徑30nm的纖維三級結(jié)構(gòu)：超螺線管 螺線管螺旋化形成的 圓筒狀結(jié)構(gòu)（0.4m）四級結(jié)構(gòu)：染色單體 由超螺線管進一步螺旋 折疊形成（2-10m）2.染色質(zhì)包裝的骨架放射環(huán)模型非組蛋白構(gòu)成的染色體骨架；30nm的染色質(zhì)纖維（螺線管）折疊成環(huán), 沿染色體縱軸結(jié)合在染色體骨架, 由中央向四周伸出,構(gòu)成放射環(huán)。每18個由螺線管形成DNA復(fù)制環(huán), 呈放射狀平面排列, 結(jié)合在核基質(zhì)上形成微帶(miniband)。微帶是染色體高級結(jié)構(gòu)的單位,大約106個微帶沿縱軸構(gòu)建成子染色體。 染色體包裝的實際形式可能是多種機制（模型）的融合。3.放射環(huán)模型圖示五、染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 有絲分裂中期染色體高度凝

12、集，具有最高的壓縮比，形態(tài)結(jié)構(gòu)典型。兩條染色單體以著絲粒相連，互稱姐妹染色單體（Sister chromatid）。中期染色體包括以下幾個部分：(1)著絲粒(centromere)與著絲點(動粒，kinetochore) (2)次縊痕(secondary constriction) (3)隨體（satellite） (4)核仁組織區(qū)(nucleolar organizing region,NOR) (5)端粒(telomere) 中期染色體分類 按著絲粒在染色體上的分布，中期染色體分為四類：中著絲粒染色體亞中著絲粒染色體亞端著絲粒染色體端著絲粒染色體 （一）著絲粒與著絲點主縊痕：中期染色體上一

13、個染色較淺而內(nèi)陷而縊縮的部位，連接兩個染色單體。著絲粒：是主縊痕部位處的染色質(zhì)部分，高度重復(fù)的異染色質(zhì)組成。 著絲點：又稱動粒，主縊痕處兩個染色單體外側(cè)與紡錘體微管連接的圓盤狀蛋白質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，是紡錘體微管的結(jié)合部位，參與分裂后期染色體向兩極的分離。 主縊痕著絲粒-動粒復(fù)合體的結(jié)構(gòu)著絲粒-動粒區(qū)域是一個高度有序的整合結(jié)構(gòu)包括三個結(jié)構(gòu)域：動粒結(jié)構(gòu)域：位于著絲粒的表面，包括三層板狀結(jié)構(gòu)和圍繞外層的纖維冠。中央結(jié)構(gòu)域：位于著絲粒結(jié)構(gòu)域的下方。其中含有高度重復(fù)的衛(wèi)星DNA。配對結(jié)構(gòu)域：位于著絲粒內(nèi)表面，含有內(nèi)部著絲粒蛋白和染色單體連接蛋白。（二）次縊痕與隨體次縊痕：除主縊痕外，染色體上其它呈淺縊縮的部分

14、稱次縊痕，次縊痕的位置相對穩(wěn)定，它的數(shù)量、位置和大小是鑒定染色體的一個顯著特征和標(biāo)記。隨體：指位于染色體末端的球形或棒狀染色體節(jié)段，異染色質(zhì)構(gòu)成，通過次縊痕區(qū)與染色體主體部分相連。 其形態(tài)、大小和位置比較固定，是鑒別染色體的特征之一。（三）端粒端粒是染色體末端的特化部分，包含DNA和蛋白質(zhì)。端粒由高度重復(fù)的短序列串聯(lián)而成，在進化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似，人的序列為TTAGGG。在動物細胞中，只有生殖系細胞和部分干細胞中存在端粒酶活性，因此端粒起到細胞分裂計數(shù)器的作用：隨細胞分裂，端粒逐漸縮短，最終損傷到染色體的正常功能。生物學(xué)意義：維持染色體的獨立性和完整性；參與染色體在核內(nèi)的空

15、間排布及同源染色體的正確配對；并與細胞的壽命有關(guān)，起“細胞分裂計數(shù)器”的作用。2009年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予3位美國科學(xué)家,以表彰他們“發(fā)現(xiàn)端粒和端粒酶是如何保護染色體的”。 原位雜交實驗顯示的端粒位置1.端粒酶和細胞衰老端粒酶：是一種核糖核蛋白復(fù)合物，具有逆轉(zhuǎn)錄酶活性.DNA復(fù)制終止時，染色體DNA由于去除引物而引起末端縮短，端粒酶以物種專一的內(nèi)在RNA作為模板，利用逆轉(zhuǎn)錄酶活性，對DNA末端進行加尾加長，把合成的端粒重復(fù)序列添加到染色體DNA的3末端，避免了染色體末端基因在多輪復(fù)制后的丟失。腫瘤細胞具有表達端粒酶活性的能力，故能無限增殖。 2.端粒酶的作用機制（四）核仁組織區(qū)與核仁組織

16、者核仁組織區(qū)(NOR)是rDNA (rRNA基因)所在的染色體區(qū)域，與核仁的形成有關(guān)。能夠合成核糖體的28S、18S和5.8S rRNA(5S rRNA基因除外)。核仁組織區(qū)位于染色體的次縊痕區(qū)，但并非所有的次縊痕都是核仁組織區(qū). rDNA (rRNA基因)是從染色體上伸出的DNA袢環(huán)，每個rDNA 袢環(huán)就是一個核仁組織者。人類rDNA基因位于5對染色體上，即13、14、15、21、22號染色體，它們共同構(gòu)成的區(qū)域稱為核仁組織區(qū)。（五）多線染色體由于多次復(fù)制而不分離而形成的一條染色體具有多條染色單體的現(xiàn)象，在光鏡下表現(xiàn)為深淺交替的帶與間帶，帶膨大時形成袢環(huán)狀結(jié)構(gòu)，基因轉(zhuǎn)錄時呈伸展?fàn)顟B(tài)。分布：昆

17、蟲幼蟲多種組織及某些動植物的一些高度特化細胞中。（六）燈刷染色體燈刷染色體是卵母細胞進行第一次減數(shù)分裂時, 停留在雙線期的染色體。它是一個二價體, 含4條染色單體, 由軸和側(cè)絲組成, 形似燈刷。染色體軸由染色粒(chromomere, 染色質(zhì)凝集而成的顆粒)軸絲構(gòu)成, 每條染色體軸長400m, 從染色粒向兩側(cè)伸出兩個相類似的側(cè)環(huán),伸出的環(huán)是成對對稱的, 一個平均大小的環(huán)約含100kb DNA。每個側(cè)環(huán)由一個轉(zhuǎn)錄單位或幾個轉(zhuǎn)錄單位組成，是RNA轉(zhuǎn)錄活躍的地方。是研究基因表達極為理想的材料。分布：存在于魚類、兩棲類的卵母細胞。 六、核型與染色體帶型核型（karyotype）：是細胞分裂中期染色體特

18、征的總和，包括染色體的數(shù)目、大小和形態(tài)特征等方面。染色體組型通常指核型的模式圖，代表一個物種的模式特征。帶型：染色體經(jīng)物理、化學(xué)因素處理后，再用染料對染色體進行分化染色，呈現(xiàn)特定的深淺寬窄不同帶紋。染色體顯帶技術(shù)最重要的應(yīng)用就是明確鑒別任何一條染色體，甚至某一移位片段。 第三節(jié) 核仁 核仁是真核細胞間期核中最顯著的細胞器，在活細胞用普通光學(xué)顯微鏡便可看到，這是由于核仁的折光性強，與細胞其他結(jié)構(gòu)可顯出明顯的界限。在細胞核內(nèi)呈濃密的球狀小體。據(jù)報道，這個細胞器最早是有Fontana于1881年首次發(fā)現(xiàn)。數(shù)目：每個細胞有核仁1-2個，甚至更多，大?。旱鞍踪|(zhì)合成旺盛的細胞核仁大，如卵母細胞、分泌細胞；

19、不具備蛋白合成能力的細胞核仁小。位置：在核中位置通常不固定，生長旺盛細胞中，常趨向核的邊緣。功能：是rRNA合成、加工及核糖體亞單位裝配的場所。周期：核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出現(xiàn)。 一、化學(xué)組成和形態(tài)結(jié)構(gòu)化學(xué)組成核酸（RNA,11%;DNA,8%）蛋白質(zhì)和酶類（80%）形態(tài)結(jié)構(gòu) 無核膜包裹，電鏡下可見三個不完全分隔的區(qū)域：1.纖維中心(FC) 2.致密纖維組分(DFC) 3.顆粒組分(GC) （一）纖維中心(FC) 被致密纖維包圍的一個或幾個低電子密度的圓形結(jié)構(gòu)，主要成分為RNA聚合酶和rDNA，這些rDNA是裸露的分子(沒有組蛋白核心) 。（二）致密纖維組分(DFC) 結(jié)構(gòu)特點：是

20、核仁內(nèi)電子密度最高的區(qū)域，呈環(huán)形或半月形，由致密的纖維構(gòu)成，包圍纖維中心；主要成分：主要含有正在轉(zhuǎn)錄的rRNA分子、核糖體蛋白及新合成的RNP（指結(jié)合蛋白質(zhì)的rRNA），轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在FC與DFC的交界處；（三）顆粒組分（GC）由直徑15-20 nm的顆粒構(gòu)成，是不同加工階段的RNP（RNA與結(jié)合的蛋白質(zhì)形成的復(fù)合物） ，位于核仁的外周。主要成分是正在加工成熟的核糖體亞單位前體顆粒，顆粒成分的數(shù)量決定了核仁的大小。（四）其它核仁結(jié)構(gòu)核仁基質(zhì)：核仁區(qū)含有的一些無定形物質(zhì)核仁相隨染色質(zhì)： 又分為： 1.核仁內(nèi)染色質(zhì)（含rDNA的常染色質(zhì)）； 2.核仁周圍染色質(zhì)（異染色質(zhì)）；二、核仁的功能主要功能是

21、核糖體的生物發(fā)生，是一個向量過程：從核仁纖維組分開始, 再向顆粒組分延續(xù)。這一過程包括rRNA的合成、加工和核糖 體亞單位的裝配。核仁的另一個功能涉及mRNA的輸出與降解。（一）核仁是rRNA的合成、加工的場所組織特征: 位于核仁組織區(qū)的rDNA是rRNA的信息來源。 rRNA基因是重復(fù)的多拷貝基因(人的一個細胞中約有200個拷貝)，真核細胞中28S, 5.8S, 18S rRNA的基因組成一個轉(zhuǎn)錄單位，由RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄出45S rRNA前體 。形態(tài)特征:“圣誕樹”樣結(jié)構(gòu)。 轉(zhuǎn)錄時，RNA聚合酶沿DNA分子排列，由基因頭端向末端移動，轉(zhuǎn)錄好的rRNA分子從聚合酶處伸出，愈近末端愈長，從左右兩

22、側(cè)均可伸出，呈“圣誕樹”。rRNA的加工過程RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生rRNA前體，如哺乳動物rRNA前體為45S（13000bp）。45S rRNA甲基化以后經(jīng)RNA酶裂解形成18s、28s、5.8srRNA。 （二）核糖體亞單位的組裝45SrRNA加工過程中rRNA不是以游離的方式存在，而是首先和蛋白質(zhì)結(jié)合成80S的RNP，再被逐級切割成兩種大小不同的核糖體亞單位前體。5SrRNA基因不在核仁組織區(qū)，也是成簇串聯(lián)排列，由RNA 聚合酶I，合成后被轉(zhuǎn)運至核仁區(qū)參與大亞基的裝配。加工下來的蛋白質(zhì)和小的RNA存留在核仁中,可能起著催化核糖體構(gòu)建的作用。組裝示意圖三、核仁的周期在進行有絲分裂的細胞中，核

23、仁出現(xiàn)一系列結(jié)構(gòu)與功能的周期性變化。形態(tài)上表現(xiàn)為消失與重建。核仁結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化依賴于rDNA轉(zhuǎn)錄活性和細胞周期的運行。有絲分裂期核仁的周期性變化：前期：核仁變小，染色質(zhì)凝集，RNA合成停止中期和后期：核仁消失末期：rRNA重新開始合成，形成小核仁極小的核仁進一步合并最終形成核仁第四節(jié) 核基質(zhì)（核骨架）核基質(zhì)（nuclear matrix）/核骨架（nuclear skeleton）的概念：狹義概念僅指核基質(zhì)，即細胞核內(nèi)除了核被膜、核纖層、染色質(zhì)與核仁以外的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系。廣義概念應(yīng)包括核基質(zhì)、核纖層(或核纖層-核孔復(fù)合體結(jié)構(gòu)體系),以及染色體骨架。目前對核骨架的研究結(jié)論:核骨架是存在于真核細胞核

24、內(nèi)真實的結(jié)構(gòu)體系；核骨架與核纖層、中間纖維相互連接形成貫穿于核與質(zhì)的一個獨立結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。核骨架的主要成分是由非組蛋白的纖維蛋白構(gòu)成的, 含有多種蛋白成分及少量RNA；核骨架與DNA復(fù)制、基因表達及染色體的包裝與構(gòu)建有密切關(guān)系。一、核骨架的形態(tài)結(jié)構(gòu)核骨架由粗細不均、直徑為3-30nm的纖維組成，纖維單體直徑為3-4nm，較粗的纖維是單體纖維的聚合體。核骨架分布整個核空間，與核纖層和核孔復(fù)合體相互連接，構(gòu)成相互關(guān)聯(lián)的骨架系統(tǒng)。二、核骨架的化學(xué)組成 目前已確定的核骨架蛋白有百余種，多數(shù)為非組蛋白性的纖維蛋白。核骨架蛋白可分為兩類：核基質(zhì)蛋白：是各類細胞共有的蛋白成分；核基質(zhì)結(jié)合蛋白：組成的動態(tài)變化與細胞類型、分化狀態(tài)、生理與病理變化有關(guān)，并參與DNA的復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄、基因表達的調(diào)控過程。比較確定的核骨架蛋白成分