第十一章細胞核與染色質(zhì)詳解演示文稿

第十一章細胞核與染色質(zhì)詳解演示文稿第一頁，共六十八頁。優(yōu)選第十一章細胞核與染色質(zhì)第二頁，共六十八頁。細胞核的分布、形態(tài)、大小、數(shù)目分布：絕大多數(shù)真核生物細胞中；例外：哺乳動物的成熟的紅細胞，高等植物成熟的篩管細胞等極少數(shù)的細胞。形態(tài)：球形或者卵形或圓形大?。杭s占細胞總體積的10%數(shù)目：一般一個：大多數(shù)生物體細胞中都是一個有的多個：植物個體發(fā)育過程中的多數(shù)胚乳核，草履蟲等原生動物；人的骨胳肌細胞中的細胞核可達數(shù)百個。第三頁，共六十八頁。細胞核與細胞質(zhì)之間的界膜功能：核、質(zhì)之間的天然選擇屏障：核酸復制、轉錄和加工在核內(nèi)，蛋白質(zhì)翻譯在細胞質(zhì)中調(diào)控核內(nèi)外的物質(zhì)交換和信息交流——核孔復合體結構組分：雙層核膜、核孔復合體和核纖層第一節(jié)、核被膜第四頁，共六十八頁。一、核膜第五頁，共六十八頁。內(nèi)層核膜(innernuclearmembrane),外層核膜(outernuclearmembrane),核周間隙(perinuclearspace),外層核膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相通，常帶有核糖體，內(nèi)核膜光滑，無核糖體，內(nèi)貼核纖層，借助核纖層蛋白B受體(LaminBreceptor,LBR)等與核纖層連接，內(nèi)外膜平行，融合處形成核孔(nuclearpore),核孔處鑲嵌著核孔復合體（nuclearporecomplex,NPC）（一）核膜結構第六頁，共六十八頁。（二）核膜的崩解和組裝有絲分裂早前期，核膜崩解，是一個受調(diào)控的過程，Cdk1，PKC，染色體凝集，核孔復合體解散，核纖層解聚，雙層核膜膜泡化，以膜泡或膜片的形式分散到細胞質(zhì)中，內(nèi)層核膜蛋白也隨膜成分分散于細胞質(zhì)中。在核膜崩解中，核膜成分中的蛋白質(zhì)被磷酸化是最主要的調(diào)控機制，其中，至少有多個核孔復合體蛋白、內(nèi)層核膜上的LaminB受體以及核纖層蛋白等都被磷酸化?！澜獾谄唔?，共六十八頁?！M裝有絲分裂中期到后期，激酶失活，磷酸化的核膜、核孔、核纖層成分去磷酸化，激活核膜重建，核膜成分與染色體結合，膜泡融合，其中，Lamin、LaminB受體等都可以與DNA直接或間接結合，核孔形成，核孔復合體裝配，核纖層形成，細胞核體積增大，Ran-GTP、Ran-GTP修飾因子等在核膜重建中起到重要作用。第八頁，共六十八頁。二、核孔復合體(NuclearPoreComplex，NPC)NPC經(jīng)典研究手段:樹脂包埋超薄切片，負染色技術，冷凍蝕刻。冷凍蝕刻電鏡技術觀察NPC高分辨率掃描電鏡觀察NPC第九頁，共六十八頁。1949-1950年，Callan和Tomlin發(fā)現(xiàn)，一個典型的哺乳動物細胞核上約3000-4000個，細胞核活動旺盛的細胞中核孔數(shù)目較多，反之較少，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fish-trap，核質(zhì)交換的雙向、選擇性、親水通道。第十頁，共六十八頁。核孔復合體結構模型（一）結構模型結構組分：1.胞質(zhì)環(huán)：位于核孔邊緣的胞質(zhì)面一側，又稱外環(huán)；2.核質(zhì)環(huán)：位于核孔邊緣的核質(zhì)面一側，又稱內(nèi)環(huán)；3.輻：由核孔邊緣伸向中心，呈輻射狀八重對稱的纖維；4.栓：又稱中央栓。位于核孔中心，呈顆粒狀或棒狀(有爭議)。第十一頁，共六十八頁。胞質(zhì)面結構第十二頁，共六十八頁。核質(zhì)面結構：籃狀復合體第十三頁，共六十八頁。（二）組成成分核孔蛋白gp210p62疏水性N端區(qū)：直接參與核質(zhì)交換C端區(qū)：疏水性7肽重復序列，穩(wěn)定p62分子介導核孔復合體與核被膜的鏈接，提供NPC組裝起始位點介導內(nèi)、外核膜融合形成核孔介導核、質(zhì)交換功能30多種不同的多肽，1000多個蛋白質(zhì)分子。第十四頁，共六十八頁。NPC的功能特點雙向性：入核——蛋白質(zhì)，出核——RNA、核酸核蛋白復合體(RNP)。雙功能：被動擴散——離子、小分子等（直徑<10nm）主動運輸——親核蛋白輸入、RNA及RNP輸出等。（三）功能第十五頁，共六十八頁。第十六頁，共六十八頁。核孔復合體的主動運輸高度選擇性：運輸顆粒直接10-20nm，且大小可調(diào)節(jié)需要消耗ATP的信號識別與載體介導的過程具有飽和動力學特征雙向性：核輸入：DNA復制轉錄、染色體構建和核糖體亞單位組裝等所需的各種因子核輸出：RNA，組裝好的核糖體亞單位等親核蛋白（karyophilicprotein）：細胞質(zhì)內(nèi)合成，進入細胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質(zhì)可停留于核內(nèi)，也可穿梭于核、質(zhì)之間含有核定位信號(nuclearlocalizationsignal，NLS)第十七頁，共六十八頁。核輸入核定位序列驗證試驗第十八頁，共六十八頁。Wild-type:T-antigeninnucleusMutant-type:T-antigenincytosol第一個被鑒定的NLS：猴腎病毒的T抗原第十九頁，共六十八頁。親核蛋白通過NPC的主動運輸?shù)诙摚擦隧?。核輸出CRM1識別NES（核輸出信號）從而介導出核，CRM1與Cargo的結合也是受到Ran-GTP活性的調(diào)控，CRM1像Importin一樣，可以與NPC直接結合，由RNA聚合酶Ⅰ轉錄的rRNA,在核仁中合成，形成核糖體亞基后以RNP形式被運出核外，由RNA聚合酶Ⅲ轉錄的5sRNA和tRNA,由蛋白介導出核，由RNA聚合酶Ⅱ轉錄的核內(nèi)異質(zhì)RNA（hnRNA）,加帽、加尾、剪切加工后形成成熟的mRNA出核。第二十一頁，共六十八頁。三、核纖層(nuclearlamina)第二十二頁，共六十八頁。核纖層由核纖肽（lamin）構成，核纖肽是一類中間纖維，分為A、B、C三型。帶NLS(核定位信號);LaminA/C的表達：具有組織與發(fā)育時期的特異性；LaminB：所有哺乳動物細胞均有表達。功能：1、結構支撐，保持核的形態(tài)與大小

2、調(diào)節(jié)基因表達，3、調(diào)節(jié)DNA修復——LaminA4、與細胞周期相關——解聚和重組裝第二十三頁，共六十八頁。薄層網(wǎng)狀結構的核纖層第二十四頁，共六十八頁。第二節(jié)、染色質(zhì)(chromatin)1879年，W.Flemming（德）提出Chromatin——染色質(zhì)——描述細胞核中被堿性染料著色的物質(zhì)，

1888年，Waldeyer（德）提出Chromosome——染色體。第二十五頁，共六十八頁。染色質(zhì):指間期細胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復合結構,是間期細胞遺傳物質(zhì)存在的形式。染色體:細胞在有絲分裂或減數(shù)分裂的特點階段、由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結構。染色質(zhì)和染色體是在細胞周期不同階段，可以互相轉變的形態(tài)結構；化學組成相同、包裝程度不同。

110.60.1第二十六頁，共六十八頁。DNA復制、轉錄和重組都是在染色質(zhì)水平進行中心之中心第二十七頁，共六十八頁。有些兩棲類動物和植物具有比人更大的基因組！總體上，生物越復雜，基因組越大，但有例外。（一）基因組大小比較一、染色質(zhì)DNA基因組：某一生物細胞中儲存于單倍染色體組中的總遺傳信息。第二十八頁，共六十八頁。1.

蛋白質(zhì)編碼序列：主要為非重復的單一DNA序列，一般1個拷貝。2.

編碼rRNA、tRNA,組蛋白的串聯(lián)重復序列，一般有20-300個拷貝。3.含有重復序列的DNA：

簡單序列DNA

散在重復序列：轉座子、反轉（錄）座子等。4.高度重復DNA序列：大于105個拷貝衛(wèi)星DNA(SatelliteDNA)/小衛(wèi)星DNA/微衛(wèi)星DNA。5.未分類的間隔DNA。（二）基因組DNA的類型第二十九頁，共六十八頁。二、染色質(zhì)蛋白負責DNA分子遺傳信息的組織、復制、修復和閱讀，可大致分為組蛋白和非組蛋白兩大類。（一）組蛋白(Histone)：定義：p237。核小體組蛋白(nucleosomalHistone)：H2B、H2A、H3和H4,幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結構，沒有種屬及組織特異性，在進化上十分保守；H1組蛋白：在構成核小體時H1起連接作用,形成染色體高級結構，第三十頁，共六十八頁。（二）非組蛋白(nonhistone)：

序列特異性（相對的）DNA結合蛋白，占染色體蛋白的60-70%。特性：具有多樣性和異質(zhì)性：包括參與核酸代謝和修飾的酶類、核質(zhì)蛋白、染色體骨架蛋白、基因表達調(diào)控蛋白等；識別DNA具有特異性，識別與結合靠氫鍵和離子鍵，位于DNA雙螺旋的大溝部分。與DNA結合的螺旋區(qū)具有蛋白二聚化能力；具有功能多樣性：幫助DNA折疊；協(xié)助啟動DNA復制；調(diào)節(jié)基因表達。第三十一頁，共六十八頁。序列特異性DNA結合蛋白的不同結構模式α螺旋-轉角-α螺旋模式（Helix-turn-helixmotif）羧基端α螺旋識別DNA大溝的特異堿基信息第三十二頁，共六十八頁。鋅指模式（Zincfingermotif）鋅原子第三十三頁，共六十八頁。亮氨酸拉鏈模式（Leucinezippermotif）每7個氨基酸中的第7個氨基酸是亮氨酸。第三十四頁，共六十八頁。螺旋-環(huán)-螺旋模式（Helix-loop-helixmotif）第三十五頁，共六十八頁。高遷移率組蛋白盒HMG(highmobilitygroup)boxmotif特殊的彎曲DNA的功能第三十六頁，共六十八頁。傳統(tǒng)觀點認為染色質(zhì)是組蛋白包裹在DNA外面形成的纖維狀結構。1974，Kornberg根據(jù)染色質(zhì)的酶切和電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)核小體是染色質(zhì)組裝的基本結構單位，提出染色質(zhì)結構的“串珠”模型。三、核小體核小體是染色質(zhì)的基本構成單位。第三十七頁，共六十八頁。鋪展染色質(zhì)的電鏡觀察，經(jīng)鹽溶液處理后解聚的染色質(zhì)呈現(xiàn)10nm串珠狀結構；用非特異性微球菌核酸酶消化染色質(zhì)，部分酶解片段分析結果:200bp片段為單位；X射線衍射等技術研究，發(fā)現(xiàn)核小體顆粒具有二分對稱性（dyadsymmetry），核心組蛋白的構成是先形成含2個H3和2個H4的四聚體，然后再與兩個H2A/H2B異二聚體結合形成八聚體，SV40微小染色體分析：病毒DNA和宿主組蛋白可以自主組裝成核小體。（一）核小體的發(fā)現(xiàn)第三十八頁，共六十八頁。核小體的發(fā)現(xiàn)第三十九頁，共六十八頁。（二）核小體的結構約200bp的DNA組蛋白核心復合體一個H160bp的連接DNA第四十頁，共六十八頁。四、染色質(zhì)組裝人體的一個細胞核中有23對染色體，每條染色體的DNA雙螺旋若伸展開，平均長為5cm，核內(nèi)全部DNA連結起來約1.7~2.0m，而細胞核的直徑只有5-10um。？Compactionratio=nearly10000-fold.壓縮近一萬倍平均長度5cm核直徑5-10umNo第四十一頁，共六十八頁。（一）染色質(zhì)組裝的過程第四十二頁，共六十八頁。一級結構：核小體(nucleosome)二級結構：螺線管(solenoid)三級結構：超螺線管(supersolenoid)四級結構：染色單體(chromatid)

壓縮7倍壓縮6倍壓縮40倍壓縮5倍DNA———→核小體———→螺線管———→超螺線管———→染色單體

（二）染色質(zhì)組裝的多級螺旋模型7×6×40×5=8400第四十三頁，共六十八頁。（三）染色質(zhì)組裝的放射環(huán)結構模型模型30nm的螺線管基本沒有異議，但三級結構以上現(xiàn)在還沒有定論，除超螺線管模型以外，有人提出染色體骨架-放射環(huán)模型；30nm的螺線管折疊成環(huán)，沿染色體縱軸，由中央向四周伸出，構成復制環(huán)，每18個復制環(huán)呈放射狀平面排列，結合在核基質(zhì)上形成微帶，約106個微帶沿縱軸構成染色單體。第四十四頁，共六十八頁?；蚪M結構和染色質(zhì)組裝一覽圖第四十五頁，共六十八頁。五、染色質(zhì)類型常染色質(zhì)異染色質(zhì)間期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低，處于伸展狀態(tài)堿性染料染色時著色淺活躍轉錄的部位，并非所有基因都具有轉錄活性,只是基因轉錄的必要條件而非充分條件間期核內(nèi)折疊壓縮程度高,處于聚縮狀態(tài)堿性染料染色時著色較深異染色質(zhì)中的基因沒有轉錄活性，并且可以抑制插入DNA片段的表達類型組蛋白與DNA的修飾：DNA甲基化第四十六頁，共六十八頁。組成型定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕及染色體臂的某些節(jié)段由相對簡單、高度重復的DNA序列構成,如衛(wèi)星DNA具有顯著的遺傳惰性,不轉錄也不編碼蛋白質(zhì)在復制行為上與常染色質(zhì)相比表現(xiàn)為晚復制早聚縮占有較大部分核DNA功能：參與染色體高級結構的形成；導致染色質(zhì)區(qū)間性；作為核DNA的轉座元件引起遺傳變異異染色質(zhì)兼性異染色質(zhì)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,并喪失基因轉錄活性,變?yōu)楫惾旧|(zhì)，如X染色體隨機失活異染色質(zhì)在胚胎細胞中較少，而在高度分化的細胞中較多，是關閉基因活性的一種途徑第四十七頁，共六十八頁?；钚匀旧|(zhì)10%非活性染色質(zhì)90%染色質(zhì)具有DNaseⅠ超敏感位點一段長100-200bp的DNA序列特異暴露的染色質(zhì)區(qū)域，為RNA聚合酶、轉錄因子或調(diào)控蛋白提供結合位點組蛋白乙?；腔钚匀旧|(zhì)的標志很少有組蛋白H1與其結合組蛋白H2B很少被磷酸化組蛋白H2A很少發(fā)生變異組蛋白H3的變種H3.3只在活性染色質(zhì)中出現(xiàn)HMG蛋白較豐富按功能狀態(tài)分類第四十八頁，共六十八頁。第三節(jié)染色質(zhì)的復制與表達

（自學）第四十九頁，共六十八頁。根據(jù)著絲粒位置進行的染色體分類圖示一、中期染色體的形態(tài)結構第四節(jié)染色體第五十頁，共六十八頁。（一）著絲粒與動粒著絲粒:

指中期染色單體相互聯(lián)系在一起的特殊部位；動粒:

指主縊痕處兩個染色單體外側表層部位的特殊結構，它與仿錘絲微管相接觸。著絲粒中央結構域動粒結構域配對結構域外板內(nèi)板中間間隙圍繞外層的纖維冠第五十一頁，共六十八頁。熒光原位雜交顯示著絲粒衛(wèi)星DNA第五十二頁，共六十八頁。（二）次縊痕（secondaryconstriction）除主縊痕外，染色體上第二個呈淺縊縮的部分稱次縊痕，次縊痕的位置相對穩(wěn)定，數(shù)目、位置和大小是鑒定染色體個別性的一個顯著特征。（三）核仁組織區(qū)（nucleolarorganizingregions,NORs）核糖體RNA基因（5SrRNA基因除外）所在的區(qū)域。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NORs。第五十三頁，共六十八頁。（五）端粒（telomere）染色體端部的特化部分，作用是維持染色體的完整性和個體性。端粒由高度重復的短序列串聯(lián)而成，在進化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似，哺乳類的序列為TTAGGG，500-3000次重復。（四）隨體（satellite）指位于染色體末端的球形染色體節(jié)段，通過次縊痕區(qū)與染色體主體部分相連。

第五十四頁，共六十八頁。熒光原位雜交顯示端粒和端粒序列第五十五頁，共六十八頁。二、染色體的功能元件自主復制序列DNA復制的起點具有一個11-14bp，富含AT的共有序列著絲粒序列端粒序列具有兩個彼此相鄰的核心區(qū)，一個是80-90bp的AT區(qū)，另一個是11bp的保守區(qū)參與形成著絲粒，使細胞分裂中染色體能夠準確地分離大量串聯(lián)的重復序列組成，如α衛(wèi)星DNA長5-10bp的重復單位串聯(lián)而成由端粒酶（telomerase）合成后添加到染色體末端功能元件第五十六頁，共六十八頁。端粒序列和端粒酶第五十七頁，共六十八頁。核型(Karyotype)：染色體組在有絲分裂中期的表型，包括染色體數(shù)目、大小、形態(tài)特征等。核型是物種特異的。三、染色體帶型低滲處理：中期細胞的染色體分散良好秋水仙素的應用：富集中期細胞分裂相植物凝集素：刺激血淋巴細胞轉化、分裂第五十八頁，共六十八頁。核型分析定義：是對染色體進行測量計算的基礎上，進行分組、排隊、配對并進行形態(tài)分析的過程；依據(jù)：染色體形態(tài)和著絲粒位置的差別；意義：對于探討人類遺傳病的機制，研究物種親緣關系、進化，研究人細胞癌變機理等都有重要意義。第五十九頁，共六十八頁。核型分析第六十頁，共六十八頁。（一）多線染色