第十一章細(xì)胞核與染色質(zhì)詳解演示文稿

第十一章細(xì)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(xì)胞核與染色質(zhì)第二頁，共六十八頁。細(xì)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(xì)胞中；例外：哺乳動(dòng)物的成熟的紅細(xì)胞，高等植物成熟的篩管細(xì)胞等極少數(shù)的細(xì)胞。形態(tài)：球形或者卵形或圓形大?。杭s占細(xì)胞總體積的10%數(shù)目：一般一個(gè)：大多數(shù)生物體細(xì)胞中都是一個(gè)有的多個(gè)：植物個(gè)體發(fā)育過程中的多數(shù)胚乳核，草履蟲等原生動(dòng)物；人的骨胳肌細(xì)胞中的細(xì)胞核可達(dá)數(shù)百個(gè)。第三頁，共六十八頁。細(xì)胞核與細(xì)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(fù)制、轉(zhuǎn)錄和加工在核內(nèi)，蛋白質(zhì)翻譯在細(xì)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(fù)合體結(jié)構(gòu)組分：雙層核膜、核孔復(fù)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(fù)合體（nuclearporecomplex,NPC）（一）核膜結(jié)構(gòu)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(gè)受調(diào)控的過程，Cdk1，PKC，染色體凝集，核孔復(fù)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(xì)胞質(zhì)中，內(nèi)層核膜蛋白也隨膜成分分散于細(xì)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(jī)制，其中，至少有多個(gè)核孔復(fù)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(jié)合，膜泡融合，其中，Lamin、LaminB受體等都可以與DNA直接或間接結(jié)合，核孔形成，核孔復(fù)合體裝配，核纖層形成，細(xì)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(fù)合體(NuclearPoreComplex，NPC)NPC經(jīng)典研究手段:樹脂包埋超薄切片，負(fù)染色技術(shù)，冷凍蝕刻。冷凍蝕刻電鏡技術(shù)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(gè)典型的哺乳動(dòng)物細(xì)胞核上約3000-4000個(gè)，細(xì)胞核活動(dòng)旺盛的細(xì)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(rèn)為其結(jié)構(gòu)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(fù)合體結(jié)構(gòu)模型（一）結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)組分：1.胞質(zhì)環(huán)：位于核孔邊緣的胞質(zhì)面一側(cè)，又稱外環(huán)；2.核質(zhì)環(huán)：位于核孔邊緣的核質(zhì)面一側(cè)，又稱內(nèi)環(huán)；3.輻：由核孔邊緣伸向中心，呈輻射狀八重對(duì)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(zhēng)議)。第十一頁，共六十八頁。胞質(zhì)面結(jié)構(gòu)第十二頁，共六十八頁。核質(zhì)面結(jié)構(gòu)：籃狀復(fù)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(fù)序列，穩(wěn)定p62分子介導(dǎo)核孔復(fù)合體與核被膜的鏈接，提供NPC組裝起始位點(diǎn)介導(dǎo)內(nèi)、外核膜融合形成核孔介導(dǎo)核、質(zhì)交換功能30多種不同的多肽，1000多個(gè)蛋白質(zhì)分子。第十四頁，共六十八頁。NPC的功能特點(diǎn)雙向性：入核——蛋白質(zhì)，出核——RNA、核酸核蛋白復(fù)合體(RNP)。雙功能：被動(dòng)擴(kuò)散——離子、小分子等（直徑<10nm）主動(dòng)運(yùn)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(fù)合體的主動(dòng)運(yùn)輸高度選擇性：運(yùn)輸顆粒直接10-20nm，且大小可調(diào)節(jié)需要消耗ATP的信號(hào)識(shí)別與載體介導(dǎo)的過程具有飽和動(dòng)力學(xué)特征雙向性：核輸入：DNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄、染色體構(gòu)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(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成，進(jìn)入細(xì)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(hào)(nuclearlocalizationsignal，NLS)第十七頁，共六十八頁。核輸入核定位序列驗(yàn)證試驗(yàn)第十八頁，共六十八頁。Wild-type:T-antigeninnucleusMutant-type:T-antigenincytosol第一個(gè)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(dòng)運(yùn)輸?shù)诙?，共六十八頁。核輸出CRM1識(shí)別NES（核輸出信號(hào)）從而介導(dǎo)出核，CRM1與Cargo的結(jié)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(jié)合，由RNA聚合酶Ⅰ轉(zhuǎn)錄的rRNA,在核仁中合成，形成核糖體亞基后以RNP形式被運(yùn)出核外，由RNA聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄的5sRNA和tRNA,由蛋白介導(dǎo)出核，由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)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(gòu)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(hào));LaminA/C的表達(dá)：具有組織與發(fā)育時(shí)期的特異性；LaminB：所有哺乳動(dòng)物細(xì)胞均有表達(dá)。功能：1、結(jié)構(gòu)支撐，保持核的形態(tài)與大小

2、調(diào)節(jié)基因表達(dá)，3、調(diào)節(jié)DNA修復(fù)——LaminA4、與細(xì)胞周期相關(guān)——解聚和重組裝第二十三頁，共六十八頁。薄層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(xì)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(xì)胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、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。染色體:細(xì)胞在有絲分裂或減數(shù)分裂的特點(diǎn)階段、由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)和染色體是在細(xì)胞周期不同階段，可以互相轉(zhuǎn)變的形態(tài)結(jié)構(gòu)；化學(xué)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(fù)制、轉(zhuǎn)錄和重組都是在染色質(zhì)水平進(jìn)行中心之中心第二十七頁，共六十八頁。有些兩棲類動(dòng)物和植物具有比人更大的基因組！總體上，生物越復(fù)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(xì)胞中儲(chǔ)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(fù)的單一DNA序列，一般1個(gè)拷貝。2.

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

簡(jiǎn)單序列DNA

散在重復(fù)序列：轉(zhuǎn)座子、反轉(zhuǎn)（錄）座子等。4.高度重復(fù)DNA序列：大于105個(gè)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(fù)責(zé)DNA分子遺傳信息的組織、復(fù)制、修復(fù)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(jié)構(gòu)，沒有種屬及組織特異性，在進(jìn)化上十分保守；H1組蛋白：在構(gòu)成核小體時(shí)H1起連接作用,形成染色體高級(jí)結(jié)構(gòu)，第三十頁，共六十八頁。（二）非組蛋白(nonhistone)：

序列特異性（相對(duì)的）DNA結(jié)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(dá)調(diào)控蛋白等；識(shí)別DNA具有特異性，識(shí)別與結(jié)合靠氫鍵和離子鍵，位于DNA雙螺旋的大溝部分。與DNA結(jié)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(dòng)DNA復(fù)制；調(diào)節(jié)基因表達(dá)。第三十一頁，共六十八頁。序列特異性DNA結(jié)合蛋白的不同結(jié)構(gòu)模式α螺旋-轉(zhuǎn)角-α螺旋模式（Helix-turn-helixmotif）羧基端α螺旋識(shí)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(gè)氨基酸中的第7個(gè)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(diǎn)認(rèn)為染色質(zhì)是組蛋白包裹在DNA外面形成的纖維狀結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)單位，提出染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的“串珠”模型。三、核小體核小體是染色質(zhì)的基本構(gòu)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(jié)構(gòu)；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(jié)果:200bp片段為單位；X射線衍射等技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)核小體顆粒具有二分對(duì)稱性（dyadsymmetry），核心組蛋白的構(gòu)成是先形成含2個(gè)H3和2個(gè)H4的四聚體，然后再與兩個(gè)H2A/H2B異二聚體結(jié)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(jié)構(gòu)約200bp的DNA組蛋白核心復(fù)合體一個(gè)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(gè)細(xì)胞核中有23對(duì)染色體，每條染色體的DNA雙螺旋若伸展開，平均長(zhǎng)為5cm，核內(nèi)全部DNA連結(jié)起來約1.7~2.0m，而細(xì)胞核的直徑只有5-10um。？Compactionratio=nearly10000-fold.壓縮近一萬倍平均長(zhǎng)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(jí)結(jié)構(gòu)：核小體(nucleosome)二級(jí)結(jié)構(gòu)：螺線管(solenoid)三級(jí)結(jié)構(gòu)：超螺線管(supersolenoid)四級(jí)結(jié)構(gòu)：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(jí)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(jié)構(gòu)模型模型30nm的螺線管基本沒有異議，但三級(jí)結(jié)構(gòu)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(gòu)成復(fù)制環(huán)，每18個(gè)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，約106個(gè)微帶沿縱軸構(gòu)成染色單體。第四十四頁，共六十八頁?；蚪M結(jié)構(gòu)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?fàn)顟B(tài)堿性染料染色時(shí)著色淺活躍轉(zhuǎn)錄的部位，并非所有基因都具有轉(zhuǎn)錄活性,只是基因轉(zhuǎn)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(shí)著色較深異染色質(zhì)中的基因沒有轉(zhuǎn)錄活性，并且可以抑制插入DNA片段的表達(dá)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(duì)簡(jiǎn)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)制早聚縮占有較大部分核DNA功能：參與染色體高級(jí)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異染色質(zhì)兼性異染色質(zhì)某些細(xì)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,變?yōu)楫惾旧|(zhì)，如X染色體隨機(jī)失活異染色質(zhì)在胚胎細(xì)胞中較少，而在高度分化的細(xì)胞中較多，是關(guān)閉基因活性的一種途徑第四十七頁，共六十八頁。活性染色質(zhì)10%非活性染色質(zhì)90%染色質(zhì)具有DNaseⅠ超敏感位點(diǎn)一段長(zhǎng)100-200bp的DNA序列特異暴露的染色質(zhì)區(qū)域，為RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子或調(diào)控蛋白提供結(jié)合位點(diǎn)組蛋白乙?；腔钚匀旧|(zhì)的標(biāo)志很少有組蛋白H1與其結(jié)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(fù)制與表達(dá)

（自學(xué)）第四十九頁，共六十八頁。根據(jù)著絲粒位置進(jìn)行的染色體分類圖示一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)第四節(jié)染色體第五十頁，共六十八頁。（一）著絲粒與動(dòng)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(dòng)粒:

指主縊痕處兩個(gè)染色單體外側(cè)表層部位的特殊結(jié)構(gòu)，它與仿錘絲微管相接觸。著絲粒中央結(jié)構(gòu)域動(dòng)粒結(jié)構(gòu)域配對(duì)結(jié)構(gòu)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(gè)呈淺縊縮的部分稱次縊痕，次縊痕的位置相對(duì)穩(wěn)定，數(shù)目、位置和大小是鑒定染色體個(gè)別性的一個(gè)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(gè)體性。端粒由高度重復(fù)的短序列串聯(lián)而成，在進(jìn)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(fù)。（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(fù)制序列DNA復(fù)制的起點(diǎn)具有一個(gè)11-14bp，富含AT的共有序列著絲粒序列端粒序列具有兩個(gè)彼此相鄰的核心區(qū)，一個(gè)是80-90bp的AT區(qū)，另一個(gè)是11bp的保守區(qū)參與形成著絲粒，使細(xì)胞分裂中染色體能夠準(zhǔn)確地分離大量串聯(lián)的重復(fù)序列組成，如α衛(wèi)星DNA長(zhǎng)5-10bp的重復(fù)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(xì)胞的染色體分散良好秋水仙素的應(yīng)用：富集中期細(xì)胞分裂相植物凝集素：刺激血淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化、分裂第五十八頁，共六十八頁。核型分析定義：是對(duì)染色體進(jìn)行測(cè)量計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分組、排隊(duì)、配對(duì)并進(jìn)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(duì)于探討人類遺傳病的機(jī)制，研究物種親緣關(guān)系、進(jìn)化，研究人細(xì)胞癌變機(jī)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