《醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)》本科課件09章 細(xì)胞核

1、第九章 細(xì)胞核Cell Nucleus細(xì)胞核： 1 最大的細(xì)胞器 2 遺傳物質(zhì)儲(chǔ)存、復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的場(chǎng)所 3 生命活動(dòng)的控制中心 4 真核生物與原核生物最大的區(qū)別 核質(zhì)比正常細(xì)胞NP0.5；分裂期細(xì)胞NP0.5；衰老細(xì)胞NP0.5。 形態(tài)：隨細(xì)胞的增殖過(guò)程呈現(xiàn)周期性的變化。間期可以 觀察細(xì)胞核的完整結(jié)構(gòu)。一般與細(xì)胞的形態(tài)相適 應(yīng), 圓形、橢圓形、桿狀、分葉狀。大?。?0m數(shù)目：1個(gè)、2個(gè)（肝、腎細(xì)胞）、數(shù)百（破骨細(xì)胞）位置：細(xì)胞中央或偏于某一端組成部分：核被膜 核仁 染色質(zhì) 核基質(zhì) 染色質(zhì)核仁中心體染色質(zhì)微管內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中間纖維核孔核纖層內(nèi)核膜外核膜核膜Nucleus structure 第一節(jié) 核膜（

2、nuclear envelope）一、核膜的化學(xué)組成 蛋白質(zhì)、脂類、少量DNA和RNA 核被膜的化學(xué)組成與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相似二、核膜的結(jié)構(gòu)（電鏡）構(gòu)成： 內(nèi)核膜（inner nuclear membrane） 外核膜（outer nuclear membrane） 核周隙（perinuclear space） The nuclear envelope1.外核膜： 面向胞質(zhì)， 與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜連續(xù) 有核糖體附著 表面有中間纖維2. 內(nèi)核膜： 面向核質(zhì) 外表面無(wú)核糖體，內(nèi)表面附有核 纖層（有核纖層蛋白B受 體，為核纖層蛋白B提供結(jié)合位點(diǎn)。） 3. 核周隙： 與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通 寬：20-40nm 4. 核

3、孔 ：內(nèi)外核膜融合所致，3000-4000個(gè)/細(xì)胞Cytoplasmic face cytoplasmic particlesNuclear face basket inner complex核孔復(fù)合體（nuclear pore complex, NPC）：捕魚籠式核孔復(fù)合體： 胞質(zhì)環(huán) 核質(zhì)環(huán) 輻 中央栓功能：介導(dǎo)細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)間的物質(zhì)運(yùn)輸柱狀亞單位: 連接支撐內(nèi)外環(huán)腔內(nèi)亞單位: 跨膜入腔固定環(huán)帶亞單位: 核孔中心連輻的環(huán)5.核纖層 位于內(nèi)核膜內(nèi)側(cè)與染色質(zhì)之間的一層由高電子密度纖維蛋白質(zhì)組成的網(wǎng)絡(luò)片層結(jié)構(gòu)。分三種核纖層蛋白（A、 B、C ）屬于中間絲。 核纖層的功能：1）支持和固定核膜，穩(wěn)定核

4、的形狀 2）與染色質(zhì)凝集成染色體相關(guān) 3）參與核膜的崩解和重建 4）參與DNA的復(fù)制三、核被膜的主要功能 1.區(qū)域化作用 為基因表達(dá)提供了時(shí)空隔離屏障 保證相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境 遺傳信息的表達(dá)得到得到更為精確的控制2.合成生物大分子-蛋白質(zhì)3.控制核質(zhì)間的物質(zhì)流和信息流 核膜雙層 核孔復(fù)合體 核定位序列 核孔復(fù)合體介導(dǎo)核-質(zhì)間的物質(zhì)交換被動(dòng)擴(kuò)散：轉(zhuǎn)運(yùn)成分：無(wú)機(jī)離子、小分子及直徑小于10nm的物質(zhì)，如 水分子、K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、單糖、氨基酸等。轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)：通過(guò)直徑910nm的親水性通道自由轉(zhuǎn)運(yùn)。 主動(dòng)運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)成分：大分子物質(zhì)，如RNA、核糖體、蛋白質(zhì)等。轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)：具有選擇性； 直徑大小

5、是可調(diào)節(jié)； 信號(hào)識(shí)別與載體介導(dǎo)； 消耗能量； 雙向性。親核蛋白（karyophilic protein）：在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成后，需要或能夠進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質(zhì)。核定位信號(hào)（nuclear localization signal, NLS）：存在于親核蛋白內(nèi)的特殊氨基酸序列，可引導(dǎo)蛋白質(zhì)通過(guò)核孔復(fù)合體被轉(zhuǎn)運(yùn)到核內(nèi)。親核蛋白通過(guò)核孔復(fù)合體轉(zhuǎn)運(yùn)入核轉(zhuǎn)運(yùn)條件： 核定位信號(hào)(nuclear localization signal, NLS)； 核轉(zhuǎn)運(yùn)受體(輸入蛋白）：入核素存在于胞質(zhì)中， 既可以與核孔復(fù)合體結(jié)合，又可以與被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)結(jié)合。 RanGTP酶：水解GTP，為核轉(zhuǎn)運(yùn)提供能量；激活入核 素

6、，使其釋放親核蛋白至核內(nèi)。親核蛋白的入核轉(zhuǎn)運(yùn)RNA及核糖體亞基的核輸出核孔復(fù)合體除了把親核蛋白輸入核內(nèi)以外，還要把新合成的核糖體大小亞基、mRNA和tRNA等輸出到細(xì)胞質(zhì)。核孔復(fù)合體上的受體識(shí)別被轉(zhuǎn)運(yùn)的RNA分子（輸出蛋白，exportin）。大分子物質(zhì)的出核轉(zhuǎn)運(yùn)與入核轉(zhuǎn)運(yùn)第二節(jié) 染色質(zhì)(chromatin) 與染色體(chromosome)染色質(zhì)（chromatin）是指間期細(xì)胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的能被堿性染料染色的物質(zhì)，是間期遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的存在形式。染色質(zhì)和染色體是同一物質(zhì)在細(xì)胞周期的不同階段的不同表現(xiàn)形態(tài) 染色質(zhì)（間期） 染色體（分裂期） 一染色質(zhì)的化學(xué)組

7、成 組成： DNA 組蛋白 非組蛋白 RNA 比例： 1 1 (0.5-1.5) 0.05 1染色體（質(zhì)）DNA基因組（genome）: 真核細(xì)胞單倍染色體組中所含有的全 部遺傳信息為1個(gè)基因組 。人基因組：22條常染色體+2條性染色體單一序列（unique sequence) 中度重復(fù)序列（middle repetitive sequence）在基因組中僅有一個(gè)或幾個(gè)拷貝，負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)氨基酸組成的信息，以三聯(lián)體密碼方式進(jìn)行編碼。大多數(shù)編碼蛋白質(zhì)(酶)的結(jié)構(gòu)基因?qū)龠@種結(jié)構(gòu)形式 。 重復(fù)次數(shù)在10-105之間。多數(shù)是不編碼的序列，構(gòu)成基因的間隔序列，在基因調(diào)控中起重要作用。有一些是有編碼功能的基因

8、，如rRNA基因，tRNA基因，組蛋白的基因、核糖體蛋白的基因等。高度重復(fù)序列（highly repetitive sequence) 由一些短的DNA序列呈串聯(lián)重復(fù)排列，一般為幾個(gè)、十幾個(gè)或幾十個(gè)bp，但重復(fù)拷貝數(shù)超過(guò)105，在染色體的端粒、著絲粒，構(gòu)成結(jié)構(gòu)基因的間隔，維系染色體結(jié)構(gòu)，與減數(shù)分裂中同源染色體聯(lián)會(huì)配對(duì)有關(guān)。染色質(zhì)DNA的三類功能序列 1) 復(fù)制源 (replication origin)：DNA復(fù)制的起點(diǎn)有多個(gè) 不同區(qū)域多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行。 2) 著絲粒（centromer ): 兩條染色單體連接部位， 分裂期與紡錘絲相連，保證染色體平均分配。 3) 端粒（telomere )：染色

9、體末端富含G重復(fù)序列， 保證 DNA分子的完整性。 酵母人工染色體(YAC )：含上述3種成分，用于轉(zhuǎn)基因2染色體（質(zhì)）蛋白（1）組蛋白（histone） 1) 堿性蛋白,共5種 核小體組蛋白（core histone）： H2A、H2B、H3、H4 高度保守, 與DNA盤繞形成核小體 連接組蛋白（linker histone）：H1 具有種屬和組織特異性 2) 構(gòu)建染色體的高級(jí)結(jié)構(gòu)。 3) 合成于S期，與DNA合成同時(shí)進(jìn)行， 4) 合成后立即進(jìn)入核內(nèi)與DNA裝配成染色質(zhì)。 5) 與DNA緊密結(jié)合可抑制DNA的復(fù)制和RNA的轉(zhuǎn)錄。（2）非組蛋白( nonhistone ) 酸性蛋白, 序列特異

10、性DNA結(jié)合蛋白,有種屬或組織特異性，整個(gè)周期都能合成 。 功能： 1）幫助DNA分子折疊以維持染色質(zhì)的結(jié)構(gòu) 2）協(xié)助啟動(dòng)DNA的復(fù)制 3）控制基因的轉(zhuǎn)錄和調(diào)節(jié)基因的表達(dá)3RNA：含量很低組蛋白與非組蛋白非組蛋白組蛋白有種屬和組織的特異性核心組蛋白沒(méi)有組織特異性活動(dòng)的染色質(zhì)中含量高含量恒定在整個(gè)細(xì)胞周期中都可合成在S期合成與DNA結(jié)合，對(duì)基因表達(dá)有正調(diào)控作用與DNA結(jié)合，有抑制基因表達(dá)的作用二、 染色質(zhì)的種類 常染色質(zhì) 異染色質(zhì)Euchromatin heterochromatin結(jié)構(gòu)松散 結(jié)構(gòu)緊密著色較淺 著色較深螺旋化程度低 螺旋化程度高有功能，可活躍 轉(zhuǎn)錄不活躍地進(jìn)行復(fù)制和轉(zhuǎn)錄均勻分布在

11、核內(nèi) 位于核的邊緣 多位于中央 部分與核仁結(jié)合組成性異染色質(zhì): 在所有的細(xì)胞中,在整個(gè)細(xì)胞周期中都處于凝集狀 態(tài)，既不轉(zhuǎn)錄也不編碼蛋白，為高度重復(fù)序列， 見(jiàn)于著絲粒、端粒、次縊痕等部位，在S期合成。 兼性異染色質(zhì)：只在特定階段凝集而成（由原來(lái)的常染色質(zhì)因喪失 基因轉(zhuǎn)錄活性而來(lái)）常/異染色質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)相同， 但以不同的狀態(tài)存在而已， 一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。巴氏小體（barr body）三染色體的組裝 6109DNA堿基對(duì) / 細(xì)胞 / 46條染色體 / 人 5/DNA/染色體/條 總長(zhǎng)度174cm 5m/核直徑 需要包裝、壓縮、折疊染色單體（幾微米）（一）染色質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)核小體(nucleoso

12、me) 基本結(jié)構(gòu)單位 八聚體/組蛋白（H3 H4和H2A H2B） + 140bpDNA分子 （纏繞1.75圈） 核心顆粒 之間為60bp的連接DNA片段 直徑11nm圓盤狀顆粒核小體(壓縮1/7) 多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)模型（二）染色質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu) 螺線管 H1參與下，核小體緊密連接、螺旋纏繞（6個(gè)/圈）染 色質(zhì)纖維（30nm） (壓縮1/6) 30nm（三）染色質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)超螺線管(壓縮1/40) 進(jìn)一步盤繞形成，直徑400nm（四）染色質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)染色單體(壓縮1/5) 再次折疊而成chromatid （長(zhǎng)2-10uM） 5/DNA2-10m/染色單體長(zhǎng)度壓縮了近萬(wàn)倍四級(jí)結(jié)構(gòu)螺旋模型DNA核小體螺線

13、管超螺線管染色單體壓縮7倍壓縮6倍壓縮40倍壓縮5倍一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)染色體多級(jí)螺旋模型染色體四級(jí)結(jié)構(gòu)模型 染色質(zhì)纖維（30nm）折疊袢環(huán)結(jié)構(gòu)域（沿染色體縱軸 向中央四周伸出，形成放射環(huán)）再多次折疊盤曲染色單體染色體骨架-放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型放射環(huán)模型（loop model）染色體支架（非組蛋白）袢環(huán)（ 30nm螺線管）123456789101112131415161718四染色體的形態(tài)特征1中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu) （1）染色單體： （2）著絲粒和主縊痕：主縊痕：指中期染色體的兩條姐妹染色單體的連接處， 一向內(nèi)凹陷、著色較淺的縊痕。著絲粒： 兩條染色單體相連的中心部位，一段高度重復(fù)的 D

14、NA序列，不與組蛋白結(jié)合，而與紡錘絲結(jié)合參與 染色體向兩極的移動(dòng)。動(dòng)粒（著絲點(diǎn)） ： 位于主縊痕兩側(cè)的特化的圓盤狀結(jié)構(gòu)，由蛋白質(zhì)構(gòu) 成，是紡錘絲微管的附著部位，參與分裂后期染色 體向兩極的遷移。 動(dòng)粒域-外，支配染色體的運(yùn)動(dòng)和分離著絲粒-動(dòng)粒復(fù)合體 中央域-中，高度重復(fù)的DNA序列 配對(duì)域 -內(nèi)，連接姐妹染色單體 中央著絲粒染色體（1/25/8） 分類 亞中著絲粒染色體（5/87/8） 長(zhǎng)臂（q）, 短臂（p） 近端著絲粒染色體（7/81） 端著絲粒染色體（末端）（3）次縊痕和隨體： 次縊痕：指染色體上除主縊痕之外的縊縮部位，數(shù)量、 位置和大小可作鑒別染色體的標(biāo)記。 近端著絲粒染色體（13，1

15、4，15，21，22） 的短臂上，與核仁的形成有關(guān)的染色體次縊痕部 位核仁組織區(qū)（NOR） 。 隨 體： 染色體末端、與次縊痕相連的棒狀小體 （satellite）,由異染色質(zhì)組成，是識(shí)別染色體 形態(tài)的重要特征之一 。（4）端粒（telomere） 染色體末端的特化部位 由高度重復(fù)序列組成（人：TTAGGG） 保證染色體復(fù)制的完整性 維持染色體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止末端的相互粘連 正常染色體每復(fù)制一次丟失50-100bp 細(xì)胞的生命鐘，衰老的標(biāo)志 腫瘤細(xì)胞因具有端粒酶活性而自行合成端粒細(xì)胞無(wú)限繁殖 stop端 粒 長(zhǎng) 度原位雜交實(shí)驗(yàn)顯示位于人染色體末端的端粒（以含有TTAGGG序列的DNA作為探針

16、） 五、染色體的核型與帶型核型（karyotype）： 一個(gè)體細(xì)胞中的全部染色體，按其大小和每條染色體 的形態(tài)特征順序排列所構(gòu)成的圖像。 核型分析： 對(duì)待測(cè)細(xì)胞的核型進(jìn)行染色體數(shù)目、形態(tài)特征的分析。 正常人核型：46，XX（女）；46XY（男）帶型指將染色體經(jīng)過(guò)一定處理、用特定的染料染色后，使染色體沿其長(zhǎng)軸顯示深淺各異、寬窄不等的帶紋。 第三節(jié) 核仁（nucleolus）在間期細(xì)胞的核中最明顯，光鏡下為均勻、海綿狀的球體1-2個(gè)/細(xì)胞，與蛋白質(zhì)的合成密切相關(guān)在核中的位置不固定 無(wú)膜包裹一. 核仁的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成 組成： 蛋白質(zhì)占80% RNA占11% DNA占8% 形態(tài)結(jié)構(gòu)： （電鏡下）1

17、纖維中心： 淺染的低電子密度的圓形結(jié)構(gòu)， 是 rRNA基因的rDNA存在部位， 位于5對(duì)染色體上（13、 14、 15、21、22）， 共同構(gòu)成核仁組織區(qū)（次縊痕部位）。2致密纖維成分： 核仁內(nèi)電子密度最高的的區(qū)域， 位于淺染區(qū)的周圍 含有正在 轉(zhuǎn)錄 的rRNA分子 含有一些特異性的RNA結(jié)合蛋白（核 仁素 nucleolin ：可使核仁被特征性地銀染） rDNArRNA轉(zhuǎn)錄單位3nm間隔片段轉(zhuǎn)錄的起點(diǎn)轉(zhuǎn)錄的終點(diǎn)RNA聚合酶蛋白質(zhì)顆粒rDNA轉(zhuǎn)錄rRNA(45S rRNA前體、纖維狀)顆粒狀（18s 5.8s 28srRNA、蛋白質(zhì)顆粒）剪切、加工加工、包裝核糖體的亞基 3. 顆粒成分： 核仁

18、的外周，致密的顆粒成熟核糖體亞單位前體核糖體大、小亞基的組裝二核仁的功能 1）合成rRNA；2）裝配核糖體的大、小亞基三核仁周期（nucleolar cycle）： 在進(jìn)行有絲分裂的細(xì)胞中，核仁出現(xiàn)一系列結(jié)構(gòu)與功能的周期性變化。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(jìn)一步合并最終形成核仁。 第四節(jié) 核骨架（核基質(zhì)）除核被膜、染色質(zhì)和核仁以外的網(wǎng)架系統(tǒng)，又稱核骨架 (nuclea skeleton)。是非組蛋白構(gòu)成的纖維狀結(jié)構(gòu)。 (一)核基質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成 纖維蛋白成分構(gòu)成的纖維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)， 分布于核空間， 與核纖

19、層和核孔復(fù)合體相連。 (二)核基質(zhì)的功能1. 為DNA的復(fù)制提供支架2. 是基因轉(zhuǎn)錄加工的場(chǎng)所3. 與染色體構(gòu)建、核膜的重建有關(guān)4.與細(xì)胞分化相關(guān)細(xì)胞核與疾病一 、 細(xì)胞核形態(tài)異常與腫瘤 腫瘤細(xì)胞：高核/質(zhì)比；異型核結(jié)構(gòu)；染色質(zhì)近核 膜處，顆粒狀；核仁rRNA高轉(zhuǎn)錄活性， 體積大，數(shù)目多；組蛋白磷酸化高， 結(jié)合 DNA能力下降；核孔數(shù)目增多顯著。二、 染色體異常與腫瘤 數(shù)目異常： 超二倍體、亞二倍體和多倍體 結(jié)構(gòu)異常：易位、重復(fù)、缺失、倒位、環(huán)狀 慢粒：費(fèi)城小體22號(hào)、長(zhǎng)臂與9號(hào)長(zhǎng)臂部分區(qū)段異 位標(biāo)記染色體（95%） 視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤：13號(hào)長(zhǎng)臂中間缺失 Wilms瘤：11號(hào)染色體短臂中間缺失

20、Down syndromeCriduchatsyndrome（5p） 基因突變引起基因病 由基因突變引起的疾病稱為基因病，包括單基因病、多基因病。 Three key regions of a chromosome隨體（3）次縊痕和隨體： 次縊痕：近端著絲粒染色體（13，14，15，21，22）的 .Nucleolus 形態(tài)結(jié)構(gòu)： （電鏡下）Summary of Chapter 8 The nucleus is a spherical, sometimes elongated structure that contains the genetic material, the DNA of th

21、e cell. The highly organized chromatin is enveloped by a nuclear membrane that contains numerous pores for the transport of large macromolecules and ribosomal subunits to the cytoplasm. The nuclear envelope is actually two parallel unit membranes with an intervening space. Ribosomes are often attach

22、ed to the outside membrane and it is sometimes continuous with the rough ER.Functional aspects of nuclearIt is the largest organelle in the cell and the place for genetic storage, replication and transcription. It is the control center of living activity and the hallmark to distinguish eucaryotic ce

23、lls from prokaryotic ones. Chromatin consists of coiled DNA bound to basic proteins called histones and non-histone proteins. The degree of coiling of the chromatin varies during cell activity. From microscopic examination, two types of chromatin can be seen: 1) dark, dense heterochromatin and 2) li

24、ght euchromatin. Cells with light nuclei / uncoiled chromatin are more active than those with condensed, dark nuclei. Lightly coiled DNA facilitates transcription because there is more surface area available. A DNA molecule is an enormously long, unbranched, linear polymer that can contain many mill

25、ions of nucleotides arranged in an irregular but nonrandom sequence. The genetic information is contained in the linear order of the nucleotides. Each DNA molecule is packaged in a separate chromosome, and the total genetic information stored in the chromosomes of an organism is said to constitute i

26、ts genome. Each chromosome is formed from a single long DNA molecule. Each DNA molecule that forms a chromosome must contain a centromere, two telomeres and replicating origins. Most chromosomal DNA does not code for essential proteins or RNAs. Therefore, only a few percent of mammalian genome can b

27、e involved in regulating or encoding essential proteins. Besides these nonessential DNA sequences, even the essential coding regions are often interrupted by long stretches of noncoding DNA. Chromosomes contain a variety of proteins bound to specific DNA sequences. Histones are the principal structu

28、ral proteins of eucaryotic chromosomes. 200bp of DNA wraps around a core of histone proteins, the structure is referred to as a nucleosomes, a “bead-on-a-string” unit particle of chromatin. Nucleosomes are usually packed together to form regular higher-order structures. rRNA synthesis can proceed th

29、rough nucleosomes. Chromatin is a complex of DNA, histones and nonhistone proteins. Condensation of chromatin during mitosis yields the visible metaphase chromosomes. Chromatrin is divided into two forms: heterochromatin and euchromatin. 1) Euchromatin: is a lightly packed form of chromatin and is o

30、ften under active transcription. It generally appears as light-colored bands when stained and this lighter staining is due to the less compact structure of euchromatin. Heterochromatin: It is a tightly packed form of DNA. Its major characteristic is that transcription is limited. It stains intensely

31、, indicating tighter packing. It is usually localized to the periphery of the nucleus and mainly consists of genetically inactive satellite sequences and many genes are repressed to various extents. Both centromeres and telomeres are heterochromatic, as is the Barr body of the second inactivated X c

32、hromosome in a female. Organization of chromosome 1) Nucleosome: the basic units of chromatin structure. An individual nucleosome core particle consists of a complex of eight histone proteins-two molecules each of histones H2A, H2B, H3, H4-and a double-stranded DNA of about 146bp that winds around this histone