武漢大學細胞生物學課件-細胞核

1、 第十三章 細胞核（nucleus） LOGO細胞與細胞核模式圖LOGO 細胞核的概述* 蘇格蘭的Brown 在1831發(fā)現(xiàn)；* 真核細胞最顯著結構；* 體積最大、功能最重要細胞器；* 遺傳物質儲藏和復制中心；* DNA的轉錄中心； * 控制細胞一切生命活動；* 在分裂間期存在。LOGO 細胞核的形狀、大小與數(shù)目 形態(tài)：不同類型細胞的核差異大，與細胞形態(tài)相關。單核細胞中性粒細胞LOGO大?。弘S細胞類型和發(fā)育 時期而不同。 核相對大小的表示:核質比（NP） 核體積胞質體積。數(shù)目：大多1個; 軟骨細胞2個；破骨細胞、骨骼肌細胞多核。骨骼肌細胞平滑肌細胞LOGO 第一節(jié) 核被膜結構和功能一、核被膜的

2、主要化學成分 核被膜（nuclear envelope)又稱核膜(nuclear membrane)主要化學成分：（一）蛋白質 6575 20多種 內質網(wǎng)標記酶G6PD，與電子傳遞有關的酶類，均見于內質網(wǎng)及核膜上，兩者成分上有相似性，濃度有差異。（二） 脂類 與內質網(wǎng)相似，都含不飽和脂肪酸卵磷脂和磷脂酰乙醇胺，以及膽固醇、甘油三脂。不飽和脂肪酸濃度低，膽固醇、甘油三脂濃度高。LOGOLOGO 二、核被膜的微細結構 結構特點：1、雙層膜、外膜可與rER 連通并附核糖體。2、內膜附有核纖層（nuclear lamina）3、內外膜間為核周間隙( perinuclear space)4、有核孔（nu

3、clear pore), 數(shù)目因細胞而異； 核孔結構復雜，稱核孔復合體(nuclearpores） 。LOGO細胞核超微結構電鏡照LOGO核孔復合體掃描電鏡照LOGO捕魚籠模型LOGO核籃模型LOGO捕魚籠式模型LOGO捕魚籠式模型結構組分：胞質環(huán)（cytoplasmic ring），外環(huán) 核質環(huán)（nuclear ring），內環(huán) 輻（spoke） 中央栓（central plug）LOGOLOGO核孔復合體結構簡圖LOGO三、核被膜的主要功能（一）、區(qū)域化作用。 （1）使核質與胞質分開，有利于遺傳物質的穩(wěn)定； （2）RNA的轉錄和蛋白質合成在時間和空間上分開；LOGO(二)、合成生物大分子。

4、 (三)、控制細胞核與細胞質間的物質交換。 離子和小分子物質可經核膜、核孔運輸 （1）自由擴散； （2）協(xié)助擴散； LOGO大分子和顆粒經核孔復合體運輸 （3）信號（NLS，入核信號）介導的核輸入； （4）信號（NES，出核信號）介導的核輸出；1.雙向運輸出：mRNA、合成的核糖體大小亞基進：DNA復制、RNA轉錄所需的酶及組蛋白、 核糖體蛋白、核質蛋白等2.是一個需能的過程 LOGOLOGO核質蛋白有選擇地通過核孔復合體的實驗LOGO 核孔主動轉運機制LOGO 第二節(jié) 染色質和染色體 染色質（chromatin）: 指間期細胞核內由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復合結構, 是

5、間期細胞遺傳物質存在的形式。 染色體(chromosome):指細胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中, 由染色質聚縮而成的棒狀結構。 染色質與染色體是在細胞周期不同的功能階段可以相互轉變的的形態(tài)結構。 染色質與染色體具有基本相同的化學組成，但包裝程度不同,構象不同。LOGO 一、染色質與染色體的主要化學組成DNA 不同生物有大差異，人46個。RNA DNA轉錄的產物。組蛋白 堿性蛋白、帶正電、結合DNA。非組蛋白酸性蛋白、帶負電、結合組蛋白。 DNA ：組蛋白 ： 非組蛋白 ： RNA 1 ： 1 ： 0.51.5 ：0.050.1LOGO（一）、DNA 除RNA病毒外，DNA幾乎是所有生物遺傳信息

6、的攜帶者。 一個生物貯存在單倍染色體組中的總遺傳信息，稱為該生物的基因組。通常隨物種的復雜性而增加。 LOGOLOGO 斷裂基因：真核細胞的大部分基因中含有非編碼 序，即基因中的編碼序列是不連續(xù)的， 稱為斷裂基因( split gene)。LOGOEn:增強子；P1 . P2 . P3 啟動子（TATA框、CAAT框、GC框）; E:外顯子; I:內含子； UT: 非翻譯區(qū)； GT-AG:外顯子-內含子接頭 斷裂基因的結構圖解LOGO將DNA基因中非編碼順序(如內含子)轉錄的部分剪掉，然后將 DNA基因中編碼順序(外顯子)拼接起來。LOGO單一序列：約占基因組6065高度重復序列：由很短的堿基

7、序列重復而成，長度2200 bp，重復次數(shù)106108。中度重復序列：約占基因組2030，由長度300 bp7000 bp的序列重復而成，重復次數(shù)10105。真核細胞DNA序列LOGO復制起始點序列。著絲粒序列。端粒序列。染色體DNA的三個必需序列LOGO 染色質中的RNA含量很低，隨生理狀態(tài)而變化。功能不明確。（二）、RNALOGO（1）組蛋白： 特點： pH10，帶有正電荷，屬堿性蛋白質。 H1、H2A、H2B、H3和H4。 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（非特異性結合）。 沒有種屬及組織特異性，在進化上十分

8、保守。 （2）非組蛋白蛋白質：1、含有較多帶負電荷的天門冬氨酸、谷氨酸，屬于酸性蛋白。2、非組蛋白數(shù)量少種類極多。3、具有種屬和組織的特異性。4、保守性較低，含量不穩(wěn)定。（三）、蛋白質LOGO二、染色體的構建（一）染色體的一級結構單位-核小體（nucleosome）。（二）染色體二級結構螺線管(solenoid)（三）染色體的三級結構超螺線管（supersolenoid)（四）染色體的四級結構染色單體（chromatid）LOGO（一）染色體的一級結構單位-核小體 未經處理的染色質自然結構為30nm的纖絲，經鹽溶液處理后解聚的染色質呈現(xiàn)10nm串珠狀結構LOGO 核小體的基本結構核小體核心：(

9、H2A、H2B、H3、H4)2 組成八聚體，八聚體連接的順序是：H2A-H2B-H4-H3-H3-H4-H2B-H2A核小體DNA：146bp的DNA纏繞在八聚體的外面1.75圈。H1鎖住核小體DNA的進出口處， DNA雙螺旋共纏繞2圈165bp。加上H1稱為染色質小體(chromotosome)。每個核小體其直徑為11nm，高6nm的扁圓柱體。LOGO連接DNA(1inker DNA)：35bp左右DNA將核小體串聯(lián)成直徑10nm的串珠鏈，是染色質（體）的一級結構。LOGO 由X-射線晶體衍射所揭示的核小體三維結構（引自K.Luger等，1997） a.通過DNA超螺旋中心軸所顯示的核小體核

10、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構； 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-端尾部組成。 LOGOLOGO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分子H1。 組蛋白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20bpDNA，鎖住核小體DNA的進出端，起穩(wěn)定核小體的作用。包括組蛋白H1和166bpDNA的核小體結構又稱染色質小體。 兩個相鄰核小體之間以

11、連接DNA相連，典型長度60bp，不同物種變化為080bp。 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-assemble）的性質。 LOGO10nm的串珠鏈細線螺旋化形成30nm的中空管稱螺線管，每圈由6個核小體組成，H1位于中空的螺線管的內部，對螺線管的穩(wěn)定起著重要的作用。（二）染色體二級結構螺線管LOGOLOGOLOGO（三）染色體的三級結構超螺線管 由30nm螺線管經螺旋化形成直徑為0.20.4m的圓筒狀結構，即染色質(染色體)的三級結構。LOGO（四）染色體的四級結構染色單體 超螺線管進一步螺旋折疊形成染色單體，即染

12、色體的四級結構。LOGO壓縮約7倍 壓縮約6倍 DNA-核小體-螺線管 壓縮約40倍 壓縮約5倍 -超螺線管-染色單體 四級包裝結構共壓縮了約8，400倍。LOGO(五)染色體袢環(huán)結構模型 1977年Laemmli用NaCl溶液或硫酸葡聚糖加肝素處理Hela細胞中期染色體，去除組蛋白等成分后，在電鏡下可看到由非組蛋白構成的染色體骨架，在這個基礎上提出了“袢環(huán)”模型Hela細胞去除組蛋白染色體的電鏡照片非組蛋白支架為2條染色單體的支架結構，DNA由支架區(qū)域發(fā)出。LOGO染色體袢環(huán)結構模型特點：非組蛋白構成的染色體骨架在著絲粒區(qū)域相連接,由 骨架伸出的無數(shù)的DNA側環(huán)。直徑為30nm的螺線管一端與

13、支架的某一點結合，另 一端向周圍呈環(huán)狀迂回后再回到結合點處, 沿染色 體縱軸, 由中央向四周伸出,構成“袢環(huán)”。每18個袢環(huán)呈放射狀平面排列, 結合在核基質上形 成微帶(miniband)。微帶是染色體高級結構的單位, 大約106個微帶沿縱軸構建成子染色體。LOGO 兩棲類動物卵母細胞中燈刷染色體LOGOLOGOLOGOLOGO人12號染色體的整裝電鏡圖顯示由30nm的纖維組成的兩條染色單體及其在著絲粒處結合LOGOLOGO三、染色質的類型與功能根據(jù)間期核中染色質的形狀、結構和功能狀態(tài)的不同分為：（一）、常染色質（euchromatin） （二）、異染色質（heterochromatin） L

14、OGO（一）、常染色質1）形態(tài)結構、存在狀態(tài)： 直徑約10nm、較疏松的細纖維結構。 對于堿性染料著色淺，弱嗜堿性，位于核中央淺亮區(qū)。2）功能狀態(tài)： 多為單一序列，為基因所在部位，具有轉錄活性，控制著間期細胞的活動。 其DNA多在S期的早、中期復制。LOGOLOGO（二）、異染色質1）形態(tài)結構、存在狀態(tài)： 直徑為2030nm高度纏繞的纖維絲。 對于堿性染料著色深，強嗜堿性，常緊貼于核纖層內面，或圍繞在核仁周圍。LOGOLOGO2）功能狀態(tài)分類：一）結構異染色質(constitutive heterochromatin)： 異染色質的主要類型。1）所有細胞中呈濃縮狀態(tài)，沒有轉錄活性。2）由高度重

15、復的DNA序列構成，稱衛(wèi)星DNA 。3）多定位于中期染色體著絲粒、端粒、次縊痕，參 與高級結構的形成。4）參與細胞分裂、控制結構蛋白質的基因表達。5）其DNA多在S期的晚期復制。LOGO二）兼性異染色質(facultative heterochromatin) 有些染色質僅在某些類型的細胞或一定的發(fā)育階段的細胞中呈異染色質狀態(tài)。在某些條件下可以向常染色質轉變，恢復轉錄活性，故稱為兼性異染色質。 X染色質：間期細胞一條呈異固縮狀態(tài)X染色體，也稱巴氏小體(Barr body)LOGO常染色質與異染色質在細胞中的分布及相互轉換 1）分布相與細胞分化程度相關 分化程度愈高，致密異染色質為主； 增殖活躍

16、的細胞，疏松的常染色質為主。2）常染色質與兼性異染色質可以相互轉換。LOGO四、染色體的形態(tài)特征LOGO根據(jù)著絲粒位于染色體上的位置，可將染色體分為：LOGO中期染色體的形態(tài)結構包括： 染色單體 著絲粒 動粒 次縊痕 隨體 端粒LOGOLOGO著絲粒（centromere）與動粒(kinetochore)動粒（著絲點）結構域(kinetochore domain)： 內板(inner plate) 中間間隙(middle space),innerzone 外板(outer plate) 纖維冠(fibrouscorona) 中心結構域(central domain)：含高度重復序列DNA 配對

17、結構域(pairing domain)： 內部著絲粒蛋白INCENP(inner centromere protein) 染色單體連接蛋白clips(chromatid linking proteins) LOGOLOGOLOGOLOGOLOGO五、染色體的數(shù)目核型和帶型人類染色體分類參數(shù)：臂比p/q。著絲粒指數(shù)：p/(p+q)100 相對長度：某條染色體長度占一套染色體長度總和的百分比。LOGO=核型（karyotype）：將一個體細胞中的全部染色體，按其大小、形態(tài)特征順序排列所構成的圖像。 LOGOLOGOLOGOLOGO界標(landmark) ：每條染色體經顯帶后具有的穩(wěn)定的、顯著形態(tài)

18、學特征的標記。包括染色體兩臂的末端、著絲粒和某些帶。區(qū)(region)：位于兩界標之間的區(qū)域。帶(band)：每一條染色體都應看著是由一系列的帶組成，即沒有非帶區(qū)。每一條帶可借較亮（深）或較暗（淺）的著色強度差異與相鄰帶相區(qū)別。描述一特定的帶時，需寫明4個內容： 1）染色體號； 2）臂的符號； 3）區(qū)的序號； 4）帶的序號LOGO第三節(jié)、核纖層和核骨架 核纖層(nuclear lamina)：真核細胞中緊貼內核膜內側、由纖維蛋白組成的纖維狀網(wǎng)架結構，其厚薄隨細胞不同而異。核纖層在細胞核內與核骨架及染色質結合，在細胞核外與中間纖維連接，從而使細胞核骨架與細胞質骨架相連。 核基質（nuclear

19、matrix）或核骨架(nuclear skeleton)的概念 狹義概念指核基質，即細胞核內除了核被膜、核纖層、染色質與核仁以外由非組蛋白組成的網(wǎng)架結構體系。 廣義概念應包括核基質、核纖層(或核纖層-核孔復合體結構體系),以及染色體骨架。 LOGOLOGO核骨架的形態(tài)結構LOGO一、核纖層（一）、 核纖層的組成成分：核纖層蛋白(lamin)： lamin A、lamin B、lamin CLOGOLOGO（二）核纖層的主要功能：1.參與核被膜重建及染色質的凝集相關。 LOGOLOGO2.參與DNA的復制及基因表達LOGO二、核基質(nuclear matrix) (一)、核骨架的主要成分：

20、是由非組蛋白的纖維蛋白構成的,含有多種蛋白成分及少量RNA。 1.核基質蛋白 2.功能性的核基質結合蛋白: 與核基質結合的酶; 細胞調控蛋白; RNP; 病毒蛋白; LOGO （二）、核骨架的功能對DNA的空間構型起支撐和維系作用，參與DNA超螺旋化的構筑；為DNA復制提供場所，使復制有效、迅速地進行；RNA轉錄的場所，只有結合上核骨架基因才能轉錄；轉錄形成的RNA(如hnRNA)在核骨架上加工修飾；與細胞分裂過程中染色體構建、核形態(tài)的消失和重建等密切相關。LOGO第四節(jié)、核 仁LOGO一、核仁的亞微結構 （一）纖維中心(fibrillar centers,FC) （二）致密纖維組分(dens

21、e fibrillar component,DFC) （三）顆粒組分(granular component,GC)（四）核仁相隨染色質(nucleolar associated chromatin)與核仁基質（(nucleolar matrix) LOGO（一）纖維中心(FC) 包在顆粒成分內的核仁內染色質，為低電子密度區(qū)域，DNA上有rRNA基因。LOGO（二）致密纖維組分（DFC) 纖維中心周圍緊密排列的直徑510nm左右的纖維，電子密度最高，染色較深。是RNA與蛋白質形成的核糖核蛋白復合物。是DNA正活躍地轉錄rRNA的區(qū)域。LOGO（三）顆粒組分(GC) 多分布在核仁的周邊，顆粒直徑約1520nm，電子密度較高。這些顆粒代表著正在加工、處于不同成熟階段的核糖體亞基的前體顆粒。LOGO（四）核仁相隨染色質與核仁基質LOGO 三種基本核仁組分和rRNA的轉錄與加工形成RNP的不同事件有關：FCs是rRNA基因的儲存位點； 轉錄主要發(fā)生在FC與 DFC的交界處，并加工初始轉錄本； 顆粒組分區(qū)（GC）負責裝配核糖體亞單位，是核糖體亞單位成熟和儲存的位點。 LOGO（一）核仁是細胞核中rRNA合成的中