細胞生物學第十章

第十章細胞核與染色體

細胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)

染色質(zhì)與染色體

核仁目前一頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點掌握細胞核的基本結(jié)構(gòu)、功能及其在細胞周期中的動態(tài)調(diào)控。掌握核孔復合體的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其在核與質(zhì)之間物質(zhì)雙向運輸中的作用。掌握染色質(zhì)與染色體的概念和化學組成及其超微結(jié)構(gòu)和有關(guān)包裝模型。掌握染色體DNA的三大功能元件。熟悉有絲分裂各個時相的劃分和標志性事件。本章要求：目前二頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點掌握染色質(zhì)中組蛋白的特點和類型，了解非組蛋白的特點和類型。了解核基質(zhì)和核骨架的概念了解核仁的一般概念、化學組成、超微結(jié)構(gòu)和功能。了解核纖層的功能及其在細胞周期中的變化。掌握本章節(jié)的名詞概念，英文名詞，辨析有關(guān)概念區(qū)別，熟悉與染色體相關(guān)的各種形態(tài)結(jié)構(gòu)術(shù)語。目前三頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點第十章細胞核與染色體1781年Trontana發(fā)現(xiàn)于魚類細胞，1831年Brown發(fā)現(xiàn)于植物,并命名為細胞核（nucleus）。高等動物10-15um高等植物5-20um低等植物較小1-4um

細胞核是細胞中最大、最重要的細胞器。細胞核的形態(tài)和數(shù)量目前四頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點第一節(jié)細胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)核被膜染色質(zhì)核仁核骨架:核體：除核仁和染色質(zhì)外，細胞核中的亞核結(jié)構(gòu)外核膜：核糖體顆粒，連接rER內(nèi)核膜:無核糖體顆粒，含特異蛋白，連接核纖層核孔:有跨膜糖蛋白核周間隙：主要功能：遺傳與發(fā)育核基質(zhì)-核纖層目前五頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點核纖層核基質(zhì)目前六頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點核被膜的功能：構(gòu)成核、質(zhì)之間的天然屏障，保證DNA復制、RNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯在不同的功能區(qū)（核和質(zhì)）有序進行調(diào)控細胞核內(nèi)外的物質(zhì)交換和信息交流目前七頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點核孔復合體(nuclearporecomplex,NPC)

目前八頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點核孔復合體的結(jié)構(gòu):魚籠模型(fish-trap)◆胞質(zhì)環(huán)(cytoplasmicring)

細胞質(zhì)顆粒(cytoplasmicgranular)纖維◆中央運輸?shù)鞍祝ㄋǎ糨棗l(spoke)◆核質(zhì)環(huán)(nucleoplasmicring)核孔復合體的結(jié)構(gòu)與功能目前九頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點

核孔復合體模型（環(huán)、輻和中央栓）包括對稱分布的雙層環(huán)帶、八個圓錐狀對稱分布的輻、中央栓、顆粒纖維籠狀體核被膜網(wǎng)格腔內(nèi)亞單位柱狀亞單位環(huán)帶亞單位目前十頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點NPC是由特殊的跨膜運輸?shù)鞍讖秃象w構(gòu)成的親水通道。主要功能是實現(xiàn)核質(zhì)和胞質(zhì)之間物質(zhì)交換。核孔復合體的功能:特點：雙功能：雙向性：主動運輸被動運輸（被動擴散和協(xié)助擴散）由NLS介導的核輸入（親核蛋白）由NES介導的核輸出（RNA,RNP顆粒）見：書P314圖：10-4目前十一頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點核孔的被動運輸直徑9-10nm分子量50kD親水性通道目前十二頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點通過核孔復合體的主動運輸具有高度的選擇性，表現(xiàn)在：對運輸顆粒大小的選擇是信號識別載體的過程，需要ATP，表現(xiàn)飽和動力學特征運輸方向具有雙向性，即核輸入和核輸出目前十三頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點親核蛋白的入核運輸機制基本概念◆親核蛋白：指在細胞質(zhì)內(nèi)合成，需要進入細胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質(zhì)。◆核定位序列（NLS）：存在于親核蛋白的不同部位，并使其“定向”地運輸進細胞核的一段氨基酸序列，完成核輸入后不被切除。目前十四頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點核定位序列（信號）猴腎病毒SV40的T抗原特點：①存在于親核蛋白內(nèi)的短的氨基酸序列，富含堿性氨基酸；②可在蛋白質(zhì)的不同部位，連續(xù)或間隔存在；③完成核輸入后不被切除。目前十五頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點親核蛋白的輸入機理◆親核蛋白通過NPC的轉(zhuǎn)運分結(jié)合與轉(zhuǎn)移兩步進行：●核輸入蛋白importin（識別受體）●Ran蛋白是一種G蛋白，與核蛋白-輸入蛋白importin復合體的解體和轉(zhuǎn)運有關(guān)。目前十六頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點親核蛋白從細胞質(zhì)向細胞核輸入的過程示意圖：目前十七頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點RNA,RNP顆粒的核輸出：◆

RNA核輸出的實質(zhì)是RNA-蛋白質(zhì)復合體的轉(zhuǎn)運◆核輸出序列（NES）：與核輸出有關(guān)的氨基酸序列◆核輸出蛋白exportin目前十八頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點第二節(jié)染色質(zhì)與染色體2.1染色質(zhì)與染色體的慨念

染色質(zhì)(Chromatin)是間期細胞內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白和少量RNA組成的線狀復合結(jié)構(gòu)，是間期遺傳物質(zhì)存在的形式。

染色體(chromosome)是指細胞在有絲分裂或減數(shù)分裂（中期和后期）過程中，由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)?！袷沁z傳物質(zhì)在細胞周期不同階段的不同表現(xiàn)形式。目前十九頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點2.2染色質(zhì)的類型間期染色質(zhì)按其形態(tài)和染色性能區(qū)分為兩類型：常染色質(zhì)：折疊壓縮程度低，伸展狀態(tài)，堿性染料著色淺異染色質(zhì)：折疊壓縮程度高，凝集狀態(tài)，堿性染料著色深異染色質(zhì)分為結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)和兼性異染色質(zhì)目前二十頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點

結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)是指各種類型的細胞除復制時期外在整個細胞周期均處于聚縮狀態(tài)的異染色質(zhì)。

兼性異染色質(zhì)是指某些細胞類型或一定的發(fā)育階段，由原來的常染色質(zhì)凝縮，并喪失基因轉(zhuǎn)錄活性而變成的異染色質(zhì)。目前二十一頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點10.2.3染色質(zhì)的化學組成DNA、組蛋白、非組蛋白和少量的RNA染色質(zhì)DNA：

生物的基因組B型、A型、Z型DNA

染色質(zhì)蛋白質(zhì)：組蛋白：H1,H2A,H2B,H3,H4非組蛋白：目前二十二頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點三種不同構(gòu)象的DNA雙螺旋（一）DNA目前二十三頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點（二）組蛋白是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，一類小分子的堿性蛋白，含帶正電荷的精氨酸、賴氨酸等。共有5種，分為兩類：核小體組蛋白：H2A、H2B、H3、H4H1組蛋白核小體組蛋白結(jié)構(gòu)是非常保守，與DNA非特異結(jié)合，幫助DNA卷曲形成核小體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。H1是多樣性的，具有種屬特異性和組織特異性。核小體結(jié)構(gòu)中起連接作用。目前二十四頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點（三）非組蛋白=序列特異性DNA結(jié)合蛋白,呈酸性、帶負電荷。=非組蛋白的特性：①具有多樣性②對DNA序列具有識別特異性③具有多種功能：除具有一些酶的特性以外，還參與染色體的構(gòu)建；DNA復制；調(diào)控基因的表達等。

目前二十五頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點幾種主要序列特異性DNA結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)模式目前二十六頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點（四）染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位-----核小體10nm30nm目前二十七頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點Modelofthenucleosomecoreparticle.TheDNAbackbonesareshowninbrownandturquoise.Thehistonesareshowninblue(H3),green(H4),yellow(H2A),andred(H2B).X射線衍射法揭示的核小體三維結(jié)構(gòu)目前二十八頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點

目前二十九頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點核小體目前三十頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點核小體結(jié)構(gòu)要點1、每個核小體單位是由200bp左右的DNA，一個組蛋白八聚體和一個分子的組蛋白H1組成.2、組蛋白八聚體構(gòu)成核小體的核心結(jié)構(gòu)。3、146bpDNA分子以左手方向盤繞八聚體1.75圈。4、組蛋白H1與DNA結(jié)合，鎖住核小體DNA的進出口。5、兩相鄰核小體之間以DNA相連,典型長度60bp。目前三十一頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點（五）染色體的多級螺旋結(jié)構(gòu)模型一級結(jié)構(gòu)------核小體串珠結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)------螺線管（染色質(zhì)纖維）三級結(jié)構(gòu)------超螺線管或染色體骨架－放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型？四級結(jié)構(gòu)------染色單體？目前三十二頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點核小體和螺線管的結(jié)構(gòu)11nm組蛋白H1對螺線管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起關(guān)鍵作用目前三十三頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點兩種染色體裝配結(jié)構(gòu)模型：多級螺線模型染色體骨架－放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型DNA核小體螺線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8400倍目前三十四頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點‘微帶是染色體高級結(jié)構(gòu)的單位,含18個環(huán)。AT目前三十五頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點染色體的四級結(jié)構(gòu)壓縮7倍壓縮6倍壓縮40倍壓縮5倍壓縮8400倍目前三十六頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點10.2.4中期染色體中期染色體是以兩條姐妹染色單體(chromatid)構(gòu)成,彼此以著絲粒相連。形態(tài)結(jié)構(gòu)目前三十七頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點染色體的電鏡照片目前三十八頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點染色體的主要形態(tài)結(jié)構(gòu)：著絲粒（centromere）主縊痕(primaryconstriction)隨體(satellite)核仁組織中心(nucleolarorganizingregion,NORs)端粒(telomere)次縊痕(secondaryconstriction)目前三十九頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點著絲粒與動粒著絲粒（centromere）和動?；蛑z點（kinetochore）是兩個不同的概念，前者指中期染色單體相互聯(lián)系在一起的特殊部位，后者指主縊痕處兩個染色單體與仿錘絲微管相接的部位。目前四十頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點著絲粒與動粒目前四十一頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點著絲粒含3個結(jié)構(gòu)域：動粒結(jié)構(gòu)域（kinetochoredomain）：位于著絲粒的表面，由外板、內(nèi)板、中間區(qū)和圍繞外層的纖維冠。為染色體的分離提供能量。中央結(jié)構(gòu)域（centraldomain）：著絲粒區(qū)的主體,含有高度重復的α衛(wèi)星DNA。配對結(jié)構(gòu)域（paringdomain）：位于著絲粒結(jié)構(gòu)的內(nèi)層，中期兩條染色單體配對有關(guān)。目前四十二頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點四種不同位置著絲粒的染色體中著絲粒染色體m亞中著絲粒染色體sm亞端著絲粒染色體st端著絲粒染色體t目前四十三頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點主縊痕與次縊痕目前四十四頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點染色體DNA具有3種基本功能元件：③端粒DNA序列

（TEL）

，由長5-10bp的重復單位串聯(lián)而成。①自主復制DNA序列（ARS，autonomousreplicatingsequence)，是DNA復制的起點。酵母基因組含200-400個ARS，大多數(shù)具有一個11-14bp富含AT的一致序列（ACS）。②著絲粒DNA序列(CEN)，由大量串聯(lián)的重復序列組成，如α衛(wèi)星DNA，其功能是參與形成著絲粒，使細胞分裂中染色體能夠準確地分離.目前四十五頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點1983年，A.W.Murray等人首次成功構(gòu)建了包括ARS、CEN、TEL和外源DNA，總長度為55kb的酵母人工染色體(yeastartificialchromosome,YAC)。YAC可用于轉(zhuǎn)基因和構(gòu)建基因文庫，容納插入片段的能力遠高于質(zhì)粒。目前四十六頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點10.2.5核型與染色體顯帶

核型(karyotype)：一個物種恒定的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)特征的總和。染色體組：一套單倍體的所有染色體。

核型模式圖：將一個染色體組的全部染色體按其特征繪制下來，再按長短、形態(tài)等特征排列起來的圖。目前四十七頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點豌豆核型圖2n=14目前四十八頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點genomeviewBLASTsearchthehumangenome

目前四十九頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點Q帶（Q-banding）：用熒光染料喹卡因（quinacrine）染色，在熒光顯微鏡下觀察顯現(xiàn)明暗不同的帶。一般顯現(xiàn)富含A-T堿基的DNA區(qū)段(亮帶)。G帶(Giemsa-banding)：用鹽溶液、胰酶或堿處理染色體，Giemsa染料染色，再光鏡下可觀察到明暗不同的特征帶。一般顯現(xiàn)富含A-T堿基的DNA區(qū)段（暗帶）。染色體顯帶技術(shù)：Q、G、C、N、T帶目前五十頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點C帶(Constitutive-banding)：經(jīng)酸、堿、鹽溶液處理，Giemsa染料染色，顯現(xiàn)的明暗帶。主要是結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)區(qū)帶。N帶(NOR-banding)：用Ag-As染色法。主要顯現(xiàn)的是核仁組織區(qū)。T帶（terminal-banding）：是對染色體末端區(qū)的特殊顯帶法，能夠產(chǎn)生特殊的末端帶型。目前五十一頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點目前五十二頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點的中國春小麥C-分帶標準帶型目前五十三頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點目前五十四頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點FISH熒光分帶技術(shù)目前五十五頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點目前五十六頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點第三節(jié)核仁（necleolus）核仁周期：核仁是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，隨細胞周期的變化而變化，有形成-消失-再形成的過程，這種變化稱為核仁周期。核仁見于間期的細胞核內(nèi)，呈圓球形，核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出現(xiàn)。核仁的主要功能是轉(zhuǎn)錄rRNA和組裝核糖體亞單位。目前五十七頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點10.3.1核仁的超微結(jié)構(gòu)：③顆粒組分(granularcomponent，GC)：由直徑15-20nm的顆粒構(gòu)成，是不同加工階段的RNP。①纖維中心(fibrillarcenters，F(xiàn)C)：是被致密纖維包圍的一個或幾個低電子密度的圓形結(jié)構(gòu)，主要成分為RNA聚合酶和rDNA，②致密纖維組分(densefibrillarcomponent，DFC)：呈環(huán)形或半月形包圍FC，由致密的纖維構(gòu)成，是新合成的rRNA-

RNP，轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在FC與DFC的交界處。目前五十八頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點目前五十九頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點

核仁組織中心形成核仁核仁周邊染色質(zhì)核仁內(nèi)染色質(zhì)：

屬常染色質(zhì)，即NORs，rDNA所在的位置，其精細結(jié)構(gòu)呈燈刷狀，合成核糖體28S、18S、

5.8S

rRNA

。目前六十頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點10.3.2核仁的功能核仁是細胞制造核糖體的場所,包括rRNA的合成、rRNA前體加工和核糖體亞單位的裝配,控制蛋白質(zhì)合成的速度等。原核生物的核糖體70SrRNA,由50S大亞基(23S和5S大亞單位)和30S小亞基(16S小亞單位)。真核生物核糖體80SrRNA,由60S大亞基(28S、5.8S、5S大亞單位)和40S小亞基(18S小亞單位)。見P360圖10-36目前六十一頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點核仁中進行的核糖體裝配核仁組織區(qū)的DNA環(huán)細胞質(zhì)合成的核糖體蛋白大(80S)RNP加工過程中再循環(huán)的RNA和蛋白質(zhì)未成熟的大亞單位大亞單位運輸并活化產(chǎn)生功能核糖體核仁外轉(zhuǎn)錄的5SrRNATheend目前六十二頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點8.2.6幾類特殊的染色體1．多線染色體1881年意大利的Balbiani發(fā)現(xiàn)于雙翅目搖蚊幼蟲的唾腺細胞。特點：①體積巨大②多線性，每條多線染色體由500-4000條解旋的染色體合并在一起形成。③體細胞聯(lián)會，同源染色體緊密配對，并合并成一個染色體。④橫帶紋，染色后呈現(xiàn)出明暗相間的帶紋。⑤膨突和環(huán)目前六十三頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點目前六十四頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點圖12-26唾腺染色體目前六十五頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點2．燈刷染色體最早發(fā)現(xiàn)于魚類、兩棲類和爬行類卵母細胞減數(shù)分裂的雙線期。雙線期是卵黃合成的旺盛期。由于染色體主軸兩側(cè)有側(cè)環(huán)，狀如燈刷，故名燈刷染色體。側(cè)環(huán)是RNA活躍轉(zhuǎn)錄的區(qū)域。目前六十六頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點3．B染色體1928年倫道夫（Randolph）把生物的正常染色體叫做A染色體，而把存在于許多動、植物中，形態(tài)和行為不同于A染色體的超數(shù)染色體稱B染色體。目前六十七頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點◆人工染色體(artificialchromosome)

人工構(gòu)建的含有穩(wěn)定染色體的天然結(jié)構(gòu)序列，即ARS、CEN、TEL序列的微小染色體，可以象天然染色體一樣在寄主細胞中穩(wěn)定復制和遺傳，稱為人工染色體。目前六十八頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點Yeastartificialchromosome目前六十九頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點有目前七十頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點端粒的形成端粒酶結(jié)合端粒酶延伸3‘端（以RNA為模板合成DNA）由DNA聚合酶完成后隨鏈（以DNA為模板合成DNA）親鏈新合成的不完整的后隨鏈帶RNA模板的端粒酶端粒酶合成目前七十一頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點各種生物的染色體形態(tài)結(jié)構(gòu)不僅是相對穩(wěn)定的，而且數(shù)目一般是成對存在的

目前七十二頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點

爪蟾卵母細胞核質(zhì)蛋白注射實驗核定位信號及其作用----有限的蛋白水解尾部包裹的膠體金顆粒顯微注入爪蟾卵母細胞的細胞質(zhì)放射自顯影檢測電鏡檢測膠體金核質(zhì)蛋白：165KD，五聚體目前七十三頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點核定位序列（信號）單信號雙重信號目前七十四頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點目前七十五頁\總數(shù)八十四頁\編于二十一點10.6細胞核骨架狹義的核骨架：核基質(zhì)廣義的核骨架：核基質(zhì)、核纖層-核孔復合體