第章細(xì)胞核與染色體

（Nucleus

and

Chromosome）細(xì)胞核（nucleus）是細(xì)胞

遺傳物質(zhì)的場(chǎng)所,

是

、RNA轉(zhuǎn)錄的中心，是細(xì)胞生命活動(dòng)的控制中心。數(shù)量及分布通常一個(gè)細(xì)胞一個(gè)核；肝細(xì)胞和心肌細(xì)胞可有雙核；骨骼肌細(xì)胞可有數(shù)百個(gè)核；高等植物的絨氈層可有2~4個(gè)核。高等植物韌皮部成

植物篩管沒(méi)有細(xì)胞核。哺乳動(dòng)物成

紅細(xì)胞沒(méi)有細(xì)胞核。在原核細(xì)胞中，DNA集中，但無(wú)核膜包圍，故稱擬核（nucleiod）。形狀核一般呈圓形，但因生物的種類而異。在旺盛

的組織中，核呈圓形。在長(zhǎng)形細(xì)胞中多呈橢圓形。在扁平細(xì)胞中多為扁圓形。在蛾蝶類的絲腺細(xì)胞中為分枝狀。在胚乳細(xì)胞中呈網(wǎng)狀。結(jié)構(gòu)(主要組成）核被膜（nuclear

envelope）染色質(zhì)(chromatin)核仁（nucleolus）核質(zhì)（

nucleoplasm)核被膜、染色質(zhì)、核仁、核纖層及核體。功能的遺傳表現(xiàn)為通過(guò)DNA維持物種的世代連續(xù)性。和細(xì)胞，發(fā)育表現(xiàn)為通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞的分化，完成表達(dá)的時(shí)空順序，控制發(fā)育的使命。10.1

核被膜與核孔復(fù)合體（Nuclear

envelope

and

nuclear

pore

complex

）11.1.1

核被膜（nuclearenvelope）外核膜（outer

nuclear

membrane）內(nèi)核膜（inner

nuclear

membrane）核周間隙（perinuclear

space）核孔復(fù)合體（nuclear

pore

complex,核纖層（nuclear

lamina）1

組成細(xì)胞核核膜核孔復(fù)合物核纖層染色質(zhì)外核膜(outer

nuclear

membrane)外核膜胞質(zhì)面附有核糖體，并與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連可以說(shuō)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的一個(gè)特化區(qū)。外核膜常常與細(xì)胞骨架成份相連。核是被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和中間纖維相對(duì)固定的。內(nèi)核膜(inner

nuclear

membrane)內(nèi)核膜面向核基質(zhì)，與外核膜平行排列，內(nèi)表面沒(méi)有核糖體。緊貼其內(nèi)表面有核纖層，膜上有核纖層蛋白B受體（Lamin

B

rcceptor，

LBR）核周間隙（perinuclear

space)又稱核周腔或核

，寬20~40nm，腔內(nèi)電子密度低，充滿不定型物質(zhì)，與ER腔相通。核纖層在脊椎動(dòng)物中，核纖層由3種多肽混合而成。分別稱為核纖層蛋白A、B、C。核纖層蛋白（核纖肽）：分子量約60~70

kDa，是一類中間纖維，直徑約10

nm。組成網(wǎng)絡(luò)的核纖層蛋白A和C交聯(lián)在一起，然后通過(guò)核纖層蛋白B與核內(nèi)膜上的受體（LBR）結(jié)合，使核纖層附著在核被膜上。核被膜崩解與裝配：前期結(jié)束時(shí)，雙層核膜崩解成單層膜泡，核孔復(fù)合物

，核纖層去裝配。重建：

末期，核被膜開始圍繞

重新形成。某些部位內(nèi)外膜融合，形成核孔復(fù)合體。與重建的動(dòng)態(tài)變化可能與核纖層蛋白的磷酸化與去磷酸化有關(guān)。磷酸化(作用)去磷酸化早末期晚末期核膜小泡融合膜融合2核被膜功能1

區(qū)域化作用核被膜構(gòu)成了核、質(zhì)之間的天然屏障，將細(xì)胞分成核與質(zhì)兩大結(jié)構(gòu)與功能區(qū)域，使細(xì)胞的生命活動(dòng)更加秩序井然，為基因表達(dá)提供了時(shí)空的屏障。2）

的定位和酶分子的支架核內(nèi)的一些酶是以膜蛋白的形式存在的,這就有利于核內(nèi)生化反應(yīng)的區(qū)域化,從而發(fā)揮高度的催化活性。所以核膜是和酶分子的支架和固著部位。3）控制核-質(zhì)間物質(zhì)和信息的交流通過(guò)核被膜上的核孔復(fù)合體進(jìn)行核質(zhì)之間的物質(zhì)交換與信息交流。11.1.2

核孔復(fù)合體(nuclear

pore

complex,)洋蔥根尖細(xì)胞的冰凍蝕刻圖核孔電鏡超薄切片圖掃描電鏡觀察的核孔復(fù)合物圖－胞質(zhì)面結(jié)構(gòu)掃描電鏡觀察的核孔復(fù)合物圖－核質(zhì)面結(jié)構(gòu)掃描電鏡觀察的核被膜圖核纖層核孔復(fù)合物－核質(zhì)面核孔是以一組蛋白質(zhì)顆粒以特定的方式排布形成的結(jié)構(gòu),它可以從核膜上分離出來(lái),

被稱為核孔復(fù)合物（

)。組成核孔復(fù)合物的蛋白質(zhì)大約有30種（酵母）不同的蛋白質(zhì)構(gòu)成。一個(gè)典型的哺乳動(dòng)物的核膜上有3000～4000個(gè)核孔,功能旺盛的細(xì)胞,核孔的數(shù)量就多。如非洲爪蟾一個(gè)卵細(xì)胞有約1000萬(wàn)個(gè)核孔。如果細(xì)胞正在

DNA，為了確保染色質(zhì)包裝，則需要每個(gè)核孔每分鐘運(yùn)進(jìn)100個(gè)組蛋白分子。如果細(xì)胞在迅速生長(zhǎng)，則需要每個(gè)核孔每分鐘從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)輸出三對(duì)核糖體大小亞基，以確保蛋白質(zhì)的需要。核孔復(fù)合物－

通道1

核孔復(fù)合物的結(jié)構(gòu)模型纖絲模型圓柱狀模型魚籠模型魚籠（

fish-trap）模型在電鏡下觀察，核孔是呈圓形或八角形，一般認(rèn)為其結(jié)構(gòu)如魚籠。胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmic

ring），位于核孔復(fù)合體胞質(zhì)一側(cè)，環(huán)上有8條纖維伸向胞質(zhì)。核質(zhì)環(huán)（nuclearring），位于核孔復(fù)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，構(gòu)成籠子狀的結(jié)構(gòu)。

栓（蛋白）（central

transporter），核孔的一個(gè)栓狀的顆粒(栓）。輻（Spoke）：核孔邊緣伸向核孔的突出物。核孔復(fù)合體蛋白組成酵母中鑒定出的有30多種，脊椎動(dòng)物也有10多種。gp210和p62最具有代表性。人們把所有的核孔復(fù)合物蛋白白（nucleoporin，Nup）。命名為核孔蛋2

核孔復(fù)合體的功能核孔復(fù)合體可以看作是一種特殊的跨膜

蛋白復(fù)合體，是一個(gè)雙功能、雙向性的親水性核質(zhì)交換通道。核孔

的特點(diǎn)：雙功能性：

、主動(dòng)

。雙向性：介導(dǎo)蛋白質(zhì)的入核轉(zhuǎn)運(yùn)，介導(dǎo)RNA、核糖白顆粒(RNP)的出核轉(zhuǎn)運(yùn)。1）核孔復(fù)合體作為

擴(kuò)散的親水性通道，有效直徑為9-10nm，允許小分子的物質(zhì)

擴(kuò)散出入細(xì)胞核。離子、小分子及直徑10

nm以下的物質(zhì)包括蛋白質(zhì)（40-60

kDa以下)原則上可以

通過(guò)。核膜上目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Na＋/K＋泵

系統(tǒng)，但是核內(nèi)K＋濃度高于細(xì)胞質(zhì)，而Na＋低于核外。2)

主動(dòng)親

白：具信號(hào)序列的小分子蛋白，如組蛋白H1。不具信號(hào)序列的小分子蛋白通過(guò)與具信號(hào)序列的蛋白結(jié)合。RNA分子核糖白顆粒（RNP）核糖體亞基轉(zhuǎn)錄與RNA加工重建核核糖體蛋白轉(zhuǎn)錄因子細(xì)胞質(zhì)蛋白蛋白質(zhì)主動(dòng)具有高度的選擇性對(duì)

顆粒大小的限制：有效功能直徑可被調(diào)節(jié)，約10-20

nm，甚至可達(dá)26

nm。主動(dòng)并是一個(gè)信號(hào)識(shí)別與載體介導(dǎo)的過(guò)程，需要ATP，飽和動(dòng)力學(xué)特征。主動(dòng) 具有雙向性，即親 白的核輸入，RNA分子及RNP顆粒的核輸出。a，然親后白的輸入白(karyophilic

protein)是指在細(xì)胞質(zhì)中到核內(nèi)起作用的一類蛋白質(zhì)。各種組蛋白、DNA

酶類、RNA轉(zhuǎn)錄和加工的酶類、核纖層蛋白、各種起調(diào)控作用的蛋白質(zhì)因子等。通過(guò)研究核質(zhì)蛋白(nucleoplasmin)在非洲爪蟾

細(xì)胞的入核轉(zhuǎn)運(yùn)，發(fā)現(xiàn)了核定位信號(hào)(nuclear

localization

signal,NLS)核質(zhì)蛋白是一種豐富的親

白,

具有頭尾兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)域，由5個(gè)單體組成,

相對(duì)分子質(zhì)量為165kDa,是耐熱性可溶蛋白。是最早發(fā)現(xiàn)的具有分子伴侶功能的蛋白質(zhì)。尾部的電鏡第一個(gè)被確定的NLS是猴腎SV40的T抗原，它在胞質(zhì)中后很快積累在核中。其NLS為：

pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val

，如果單個(gè)氨基酸被替換，就失去作用。SV40的T抗原核質(zhì)蛋白幾種核定位信號(hào)的結(jié)構(gòu)（黑體表示入核必需的氨基酸）核定位信號(hào)（NLS)是另一種形式的信號(hào)序列,

這種信號(hào)序列可以位于多肽序列的

。一般含有

4～8個(gè)氨基酸,且沒(méi)有專一性,

作用是幫助

白進(jìn)入細(xì)胞核。富含帶正電荷的Pro、Lys和Arg。對(duì)其連接的蛋白質(zhì)無(wú)特殊要求,（如：非完成核輸入后不被切除，是蛋白質(zhì)的白）。部分。NLS

受體輸入蛋白（importin）負(fù)責(zé)將蛋白從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)進(jìn)細(xì)胞核。輸出蛋白（exportin）負(fù)責(zé)將蛋白從細(xì)胞核運(yùn)進(jìn)細(xì)胞質(zhì)。通過(guò)核孔復(fù)合體的轉(zhuǎn)運(yùn)涉及Ran蛋白。Ran是一種GTP蛋白，調(diào)節(jié)貨物-受體復(fù)合體的組裝和

，在細(xì)胞核內(nèi)Ran-GTP的含量遠(yuǎn)高于細(xì)胞質(zhì)。核蛋白輸入細(xì)胞核的示意圖核質(zhì)蛋白向細(xì)胞核的輸入過(guò)程貨物蛋白與NLS受體，即imporin

α/β二聚體結(jié)合。不需要能量。蛋白α亞基識(shí)別并與NLS結(jié)合，而蛋白β亞基與核孔復(fù)合物作用。在importinβ的介導(dǎo)下，貨物與受體的復(fù)合物與質(zhì)環(huán)上的纖維結(jié)合。胞纖維向核彎曲，轉(zhuǎn)運(yùn)器構(gòu)象發(fā)生改變，形成親水通道，貨物通過(guò)核孔，進(jìn)入核內(nèi)。轉(zhuǎn)移過(guò)程需ATP水解提供能量。貨物-受體復(fù)合體中importin

β與Ran-GTP結(jié)合，復(fù)合體解散，

出貨物。與Ran-GTP結(jié)合的imporin

β，輸出細(xì)胞核，細(xì)胞質(zhì)中的Ran·GTP-激活蛋白（RanGAP）將Ran·GTP轉(zhuǎn)變成Ran·GDP，Ran·GDP與輸入蛋白β亞基脫離。Ran-GDP返回細(xì)胞核，在Ran核苷交換因子1(Ran

nucleotide-exchangefactor1,RCC1)的作用下，

GDP,

重新結(jié)合GTP。imporin

α在核輸出蛋白的幫助下運(yùn)回細(xì)胞質(zhì)

。b

核內(nèi)RNA和蛋白質(zhì)的核輸出大多數(shù)情況下，細(xì)胞核內(nèi)的RNA是與蛋白質(zhì)形成RNP復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞核的。蛋白質(zhì)本身含有出核信號(hào)（NES）。如HIV

的Rev蛋白，轉(zhuǎn)錄因子TFIII

A，蛋白激酶A抑制因子PKI等。核內(nèi)蛋白質(zhì)的輸出復(fù)合物輸出蛋白1核質(zhì)胞質(zhì)溶膠核被膜核內(nèi)蛋白質(zhì)的輸出RNP蛋白質(zhì)上具有核輸出信號(hào)（nuclear

export

signal,NES），可與細(xì)胞核內(nèi)的輸出蛋白結(jié)合，形成RNP-exportin-Ran-GTP復(fù)合體。輸出細(xì)胞核后，Ran

GTPase激活蛋白(RanGAP)促進(jìn)GTP水解,

形成

Ran-

GDP

，

出結(jié)合的貨物蛋白。Ran-GDP、輸出蛋白和RNP的蛋白返回細(xì)胞核。細(xì)胞核中Ran核苷交換因子(RCC1)使Ran GDP

結(jié)合上GTP,開始下一輪的

作用。11.2

染色質(zhì)染色質(zhì)(chromatin)，指間期細(xì)胞核內(nèi)由DNA和蛋白質(zhì)（組蛋白和非組蛋白）及少量RNA組成的線性復(fù)合結(jié)構(gòu)，是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。(chromosome)，指細(xì)胞在有絲

或減數(shù)

過(guò),由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)與

具有基本相同的化學(xué)組成，但包裝程度不同、構(gòu)象不同。染色質(zhì)和

是遺傳物質(zhì)在細(xì)胞周期不同階段的不同表現(xiàn)形式。11.2.1

染色質(zhì)的化學(xué)組成染色質(zhì)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成；比例為1：1：0.6：0.1。DNA與組蛋白的含量比較恒定；非組蛋白的含量變化較大；RNA含量最少。1

染色質(zhì)DNA蛋白編碼序列串聯(lián)重復(fù)序列（rRNA、tRNA、snRNA和組蛋白）重復(fù)序列（DNA轉(zhuǎn)座子、LTR反轉(zhuǎn)座子、非LTR反轉(zhuǎn)座子和假

）未分類的間隔DNA2

組蛋白（histone）組蛋白是真核生物

的基本結(jié)構(gòu)蛋白,

是一類小分子堿性蛋白質(zhì),

有五種類型：H1

、H2A

、H2B、H3、H4，它們富含帶正電荷的堿性氨基酸,能夠同DNA中帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)相互作用。一組是核小體組蛋白(nucleosomal

histone),包括H2A、H2B、H3和H4,它們的作用是將DNA分子盤繞成核小體。H1屬于另一組組蛋白