第10章 細(xì)胞核與染色體2011

第七章細(xì)胞核與染色體生命學(xué)院李紹軍細(xì)胞生物學(xué)課件細(xì)胞核幾μm組成：核被膜染色質(zhì)核仁核骨架核被膜第一節(jié)核被膜與核孔復(fù)合體核被膜的結(jié)構(gòu)組成內(nèi)外兩層平行單位膜組成。每層厚約7.5nm。結(jié)構(gòu)外核膜：面向胞質(zhì)，表面有核糖體，常與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連。內(nèi)核膜：面向核質(zhì)，有特異蛋白。核纖層緊貼其內(nèi)表面。核周隙：內(nèi)外膜之間，寬20～40nm，連通內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔。核孔區(qū)：內(nèi)外核膜的融合處。核被膜在細(xì)胞周期中的崩解與裝配核被膜在細(xì)胞周期中發(fā)生有序的去裝配與重裝配：分裂期雙層膜崩解為單層膜泡，核孔復(fù)合體解體，核纖層去裝配；分裂末期，核被膜圍繞染色體重新形成核被膜在細(xì)胞周期中的崩解與裝配重組的新核膜來(lái)自舊核膜實(shí)驗(yàn)證據(jù)：將變形蟲(chóng)培養(yǎng)在含有3H-膽堿的培養(yǎng)基中，使核被膜被標(biāo)記核移植至去核變形蟲(chóng)中，追蹤觀察一個(gè)細(xì)胞周期，發(fā)現(xiàn)子代細(xì)胞有放射性標(biāo)記上述單層膜泡已發(fā)現(xiàn)兩種含LBR（核纖層蛋白B受體）含gp210（核孔復(fù)合體特有的跨膜糖蛋白）說(shuō)明核被膜的重組不是隨機(jī)的，而是具有區(qū)域特異性核被膜的功能保護(hù)作用基因表達(dá)的時(shí)空隔離運(yùn)輸作用核纖層分布于內(nèi)核膜與染色質(zhì)之間緊貼內(nèi)核膜的一層蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由一層特殊的中間纖維呈正交網(wǎng)絡(luò)組成，切面觀呈片層結(jié)構(gòu)，整體觀呈球形結(jié)構(gòu)。核纖層組成：lamin是中間纖維蛋白家族V型。支架，核被膜解體與重建一般認(rèn)為，核纖層為核膜及染色質(zhì)提供結(jié)構(gòu)支架，維持核孔的位置和核被膜的形狀，并介導(dǎo)核膜與染色質(zhì)之間的相互作用。核纖層是一種高度動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)。核纖層在細(xì)胞的有絲分裂中和核被膜的崩解與重組密切相關(guān)。二、核孔復(fù)合體（NPC）的結(jié)構(gòu)模型所有真核細(xì)胞的間期細(xì)胞核普遍存在。120~150nm模型：魚(yú)籠模型（其它纖絲模型、滴漏模型、圓柱模型）金屬投影的NPC掃描電鏡照片上：胞質(zhì)側(cè)中：核質(zhì)側(cè)下：核質(zhì)側(cè)示核纖層與NPC的分布NPC結(jié)構(gòu)模型相對(duì)NPC軸心為八重對(duì)稱，相對(duì)于核膜平面不對(duì)稱胞質(zhì)環(huán)（外環(huán)）：8條短纖維對(duì)稱分布伸向胞質(zhì)核質(zhì)環(huán)（核籃）輻：分為柱狀亞單位、腔內(nèi)亞單位和環(huán)帶亞單位栓（中央顆粒）新發(fā)現(xiàn)：核籃側(cè)伸出8條纖維，周期性分布8個(gè)顆粒組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并相互交叉成網(wǎng)絡(luò)NPC成分的研究主要由蛋白質(zhì)組成，統(tǒng)稱核孔蛋白gP210：N-連接糖蛋白，位于孔膜區(qū)，錨定NPC，并與NPC的組裝、運(yùn)輸功能有關(guān)P62：O-連接糖蛋白，N端參與核質(zhì)交換；C端穩(wěn)定NPC－轉(zhuǎn)運(yùn)受體－Ran：一種GTP結(jié)合蛋白從酵母到人核孔蛋白有很強(qiáng)的同源性，NPC的整個(gè)結(jié)構(gòu)在進(jìn)化上是高度保守的。NPC的功能—核質(zhì)物質(zhì)交換的雙向選擇性親水通道通過(guò)NPC的被動(dòng)擴(kuò)散NPC是一圓形親水通道，功能直徑為9nm，有的可達(dá)12.5nm，長(zhǎng)約15nm。10nm以下的物質(zhì)能自由通過(guò)通過(guò)NPC的主動(dòng)運(yùn)輸具高度選擇性雙向運(yùn)輸親核物質(zhì)的核輸入RNA及核糖體亞單位的核輸出NPC的選擇性對(duì)運(yùn)輸顆粒大小的限制主動(dòng)運(yùn)輸?shù)墓δ苤睆奖缺粍?dòng)運(yùn)輸大，約10～20nm，甚至可達(dá)26nm，其有效直徑的大小是可調(diào)節(jié)的。通過(guò)NPC的主動(dòng)運(yùn)輸是一個(gè)信號(hào)識(shí)別與載體介導(dǎo)的過(guò)程，需ATP，并表現(xiàn)飽和動(dòng)力學(xué)特征。通過(guò)NPC的主動(dòng)運(yùn)輸具有雙向性。親核蛋白質(zhì)的核輸入親核蛋白質(zhì)指在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成，然后輸入到核內(nèi)發(fā)揮功能作用的一類蛋白。親核蛋白質(zhì)的核輸入核定位信號(hào)（NLS）第一個(gè)被確定NLS序列的蛋白質(zhì)是SV40的T抗原。其野生型氨基酸序列為Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val。典型的NLS是一個(gè)短肽，由4～８?jìng)€(gè)氨基酸殘基組成，富含帶正電荷的Lys和Arg，通常還有Pro。不同的NLS尚未發(fā)現(xiàn)共同的特征序列。NLS序列可定位在親核蛋白的不同部位，完成核輸入后不被切除。爪蟾卵母細(xì)胞核質(zhì)蛋白注射實(shí)驗(yàn)親核蛋白核輸入示意載體（NBPS）分布于細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核或核被膜上，具此推測(cè)NBPS可能有三種作用方式：本身是NPC的一個(gè)組分，與親核蛋白結(jié)合并被直接轉(zhuǎn)運(yùn)到核內(nèi)；作為一種停泊受體，在胞質(zhì)內(nèi)與NLS結(jié)合，然后把親核蛋白運(yùn)送到NPC進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)；作為一種穿梭受體，在胞質(zhì)內(nèi)與親核蛋白結(jié)合，一起穿過(guò)核孔，在核內(nèi)解離，然后NBP再經(jīng)核孔返回胞質(zhì)。RNA及核糖體亞單位的核輸出載體介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸需分子伴侶參與存在核輸出信號(hào)（NES）rRNA，以RNP形式輸出（RNApolymeraseI）5SrRNA、tRNA由蛋白質(zhì)介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)（RNApolymeraseIII）hnRNA加工后，以成熟的mRNA形式出核（RNApolymeraseII）第二節(jié)染色質(zhì)一、染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成指間期細(xì)胞內(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。按形態(tài)表現(xiàn)和染色性能分為常染色質(zhì)和異染色質(zhì)。按功能狀態(tài)分為活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)。染色質(zhì)的類型常染色質(zhì)：在間期時(shí)處于分散狀態(tài)的染色質(zhì)，染色淺。主要為單一序列DNA和中度重復(fù)序列DNA。大部分有轉(zhuǎn)錄活性。異染色質(zhì)：在細(xì)胞間期及早前期時(shí)仍然以凝集狀態(tài)存在的染色質(zhì)。染色深。結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)：無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。多位于著絲粒區(qū)域、端粒和次溢痕，多為衛(wèi)星DNA。有“位置效應(yīng)”。兼性異染色質(zhì)：常染色質(zhì)凝縮，喪失轉(zhuǎn)錄活性。在一定的發(fā)育階段或某種特殊類型細(xì)胞出現(xiàn)。兼性異染色質(zhì)有時(shí)可轉(zhuǎn)化常染色質(zhì)。常染色質(zhì)

異染色質(zhì)巴氏小體染色質(zhì)DNA基因組：攜帶有細(xì)胞或生物機(jī)體的一整套遺傳指令的核酸量。染色質(zhì)DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的多樣性單一序列：只有一個(gè)拷貝，具有基因功能中度重復(fù)序列：平均重復(fù)頻率10～105之間。不編碼序列：可能起調(diào)控作用。有編碼功能的基因高度重復(fù)序列：重復(fù)頻率在105以上。不轉(zhuǎn)錄。衛(wèi)星DNA：富含AT的高度重復(fù)序列。染色質(zhì)DNADNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的多形性B型DNA（經(jīng)典的右手螺旋）A型DNA（右手螺旋）Z型DNA（左手螺旋）三種構(gòu)型可能處于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變之中，提供某種空間的信號(hào)染色質(zhì)蛋白質(zhì)組蛋白真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶正電荷的精氨酸和賴氨酸等堿性氨基酸。分五種：H1、H2A、H2B、H3和H4。H1在構(gòu)成核小體時(shí)起連接作用，有一定種屬和組織特異性。組蛋白H3和H4在進(jìn)化上非常保守。非組蛋白富含天冬氨酸、谷氨酸等酸性氨基酸?？赡馨ǜ鞣N酶和調(diào)節(jié)因子、分子伴侶及結(jié)構(gòu)蛋白。組蛋白殘基數(shù)分子量（KD）％Arg％LysH121523.0129H2A12914.0911H2B12513.8616H313515.31310H410211.31411組蛋白與非組蛋白性質(zhì)的異同（化學(xué)的）組蛋白帶正電荷富有精氨酸、賴氨酸，為堿性蛋白質(zhì)不含色氨酸周轉(zhuǎn)速度慢用電泳可分為5個(gè)主要帶能進(jìn)行磷酸化作用在細(xì)胞質(zhì)中合成大都只能在S期合成非組蛋白蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷富有天冬氨酸、谷氨酸，為酸性蛋白質(zhì)含有色氨酸周轉(zhuǎn)速度快電泳圖譜復(fù)雜可多至22個(gè)帶能進(jìn)行磷酸化作用在細(xì)胞質(zhì)中合成整個(gè)細(xì)胞周期都能合成組蛋白與非組蛋白性質(zhì)的異同（功能的）組蛋白活動(dòng)的與不活動(dòng)的組織中含量相似活動(dòng)的與不活動(dòng)的染色質(zhì)中含量相似抑制依賴DNA的RNA合成DNA合成的抑制物能制止它的合成與DNA的連接無(wú)特異性無(wú)種和組織的特異性非組蛋白蛋白質(zhì)活動(dòng)的比不活動(dòng)的組織含量更多活動(dòng)的比不活動(dòng)的染色質(zhì)中含量更多解除被組蛋白抑制的依賴DNA的RNA合成DNA合成的抑制物不能制止它的合成與DNA的連接有特異性即與特定基因連結(jié)在一起有種和組織的特異性序列特異性DNA結(jié)合

蛋白的不同結(jié)構(gòu)模式

螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋鋅指（Cys2/His2或Cys2/Cys2）Leu拉鏈螺旋-環(huán)-螺旋HMG蛋白HMG蛋白含特征的HMG結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)（由HMGbox轉(zhuǎn)錄）與DNA彎折和DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)分兩個(gè)亞簇廣泛存在，含多個(gè)HMG結(jié)構(gòu)域，無(wú)DNA識(shí)別特異性特定細(xì)胞中存在，僅含1個(gè)HMG結(jié)構(gòu)域，具DNA識(shí)別特異性，位于DNA雙螺旋的小溝，以40倍的優(yōu)勢(shì)選擇富含嘧啶的核苷酸元件。例：RNA聚合酶I系統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄因子UBF的DNA結(jié)合單元二、核小體核小體主要實(shí)驗(yàn)證據(jù)結(jié)構(gòu)要點(diǎn)每個(gè)核小體單位包括200bp左右的DNA和一個(gè)組蛋白八聚體及1分子組蛋白H1組蛋白八聚體構(gòu)成核小體的核心結(jié)構(gòu)，100KD，由H2A、H2B、H3和H4各兩個(gè)分子所組成DNA分子以左手方向盤(pán)繞八聚體兩圈，每圈83bp，共166bp。一個(gè)分子的組蛋白H1與DNA結(jié)合，鎖住核小體DNA的進(jìn)出口，穩(wěn)定了核小體的結(jié)構(gòu)兩相鄰核小體之間以連接DNA相連，長(zhǎng)度為0～80bp不等Histonecode可能與異染色質(zhì)形成；基因轉(zhuǎn)錄活性有關(guān)三、染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型染色質(zhì)包裝的多級(jí)螺旋模型一級(jí)結(jié)構(gòu)：核小體直徑約10nm（7:1）二級(jí)結(jié)構(gòu)：螺線管結(jié)構(gòu)，直徑30nm，內(nèi)徑10nm，螺距11nm，中空。（6×；約40:1）三級(jí)結(jié)構(gòu)：超螺線管，直徑0.4um，圓筒狀結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)：染色單體（10000:1）染色體的骨架-放射環(huán)模型主要特點(diǎn)是認(rèn)為DNA要結(jié)合在蛋白質(zhì)骨架上螺線管結(jié)構(gòu)的兩種模型染色體包裝的不同組織水平第3節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因活化活性染色質(zhì)基因活化疏松染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成區(qū)間性（基因座控制區(qū)、隔離子）模板轉(zhuǎn)錄染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因轉(zhuǎn)錄按功能狀態(tài)的不同將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)當(dāng)前研究染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變與基因活化的關(guān)系主要集中在如何形成超敏感位點(diǎn)（起始轉(zhuǎn)錄的必要特征）染色質(zhì)活性結(jié)構(gòu)域與非活性結(jié)構(gòu)域的結(jié)合模式RNA聚合酶如何通過(guò)與組蛋白結(jié)合的DNA模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄活性染色質(zhì)的主要特征活性染色質(zhì)具有DNAaseI超敏感位點(diǎn)活性染色質(zhì)在生化上具有特殊性活性染色質(zhì)具有DNAaseI超敏感位點(diǎn)DNAaseI超敏感位點(diǎn)用很低濃度的DNAaseI處理染色質(zhì)，切割優(yōu)先發(fā)生的特異性位點(diǎn)為100~200bp的DNA序列特異暴露的染色質(zhì)區(qū)域，位于啟動(dòng)子附近該位點(diǎn)的存在是活性染色質(zhì)的基本特征活性染色質(zhì)在生化上具有特殊性與組蛋白的結(jié)合與組蛋白H1較少結(jié)合結(jié)合的組蛋白乙?；潭雀逪2B磷酸化程度低H2A在許多物種有變異形式存在H4N端有特殊的氨基酸殘基，可與基因特異的激活因子相互作用與非組蛋白的關(guān)系結(jié)合有特異的HMG14、HMG17染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因轉(zhuǎn)錄疏松染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成（蛋白質(zhì)與DNA的相互作用）DNA局部結(jié)構(gòu)的改變與核小體相位的關(guān)系基因調(diào)控蛋白的結(jié)合影響DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)、核小體相位以及DNA與核小體相互作用模式的改變組蛋白的修飾HMG結(jié)構(gòu)域蛋白的影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因轉(zhuǎn)錄染色質(zhì)的區(qū)間性基因座控制區(qū)DNA上一種順式作用元件，其結(jié)構(gòu)域中含有多種反式作用因子的結(jié)合序列，使啟動(dòng)子處于無(wú)組蛋白狀態(tài)，穩(wěn)定染色質(zhì)疏松結(jié)構(gòu)是很強(qiáng)的增強(qiáng)子，可通過(guò)特異結(jié)合因子的導(dǎo)向結(jié)合在相關(guān)基因的啟動(dòng)子上隔離子位于活化狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域與阻抑狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域之間，防止二者向兩側(cè)擴(kuò)展的DNA序列染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因轉(zhuǎn)錄染色質(zhì)模板的轉(zhuǎn)錄基因轉(zhuǎn)錄的模板是染色質(zhì)而不是裸露DNA大多數(shù)轉(zhuǎn)錄基因仍保持核小體轉(zhuǎn)錄起始伴隨著染色質(zhì)上的基因調(diào)節(jié)序列內(nèi)部或者周圍的結(jié)構(gòu)改變啟動(dòng)子序列與轉(zhuǎn)錄的關(guān)系第4節(jié)染色體染色體分類一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)主溢痕著絲粒：在主溢痕的染色質(zhì)部位，中期前兩條染色單體靠著絲粒相連動(dòng)粒(著絲點(diǎn))：著絲粒的兩側(cè)各有一蛋白質(zhì)構(gòu)成的三層的盤(pán)狀或球狀結(jié)構(gòu)。動(dòng)粒蛋白是極為保守的著絲粒-動(dòng)粒復(fù)合體模型包括三種不同的結(jié)構(gòu)域：著絲點(diǎn)結(jié)構(gòu)域（動(dòng)粒）、中央結(jié)構(gòu)域、配對(duì)結(jié)構(gòu)域著絲粒的結(jié)構(gòu)域組織中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)次溢痕：每種生物染色體組中至少有一條或一對(duì)染色體上有次溢痕?？勺鳛殍b定標(biāo)志核仁組織區(qū)（NOR）：次縊痕位置隨體：通過(guò)次縊痕與染色體主體相連端粒染色體端部特化結(jié)構(gòu)，富含GC的正向重復(fù)NDA序列，能維持染色體的穩(wěn)定。在進(jìn)化上有高度保守性。起細(xì)胞分裂計(jì)時(shí)器的作用。端粒的復(fù)制(端粒酶及其作用）端粒酶是一個(gè)蛋白質(zhì)和RNA的復(fù)合體,它使用RNA為模板合成一個(gè)GT豐富的重復(fù)序列,然后DNA聚合酶a以此鏈合成另一條DNA鏈。二、染色體DNA關(guān)鍵序列自主復(fù)制DNA序列（ARS）復(fù)制起點(diǎn)序列酵母：11個(gè)富含AT的堿基對(duì)，其兩側(cè)有200bp是正常復(fù)制所必須的真核生物：大多包含一個(gè)富含AT的序列著絲粒DNA序列（CEN）動(dòng)粒裝配與染色體分離有兩個(gè)彼此相連的核心區(qū)，一個(gè)是80～90bp的AT區(qū)，另一個(gè)是11bp的保守區(qū)端粒DNA序列（TEL）長(zhǎng)度約1000bp，富含G的短串聯(lián)重復(fù)序列酵母人工染色體（YAC）可克隆106bp的基因。真核細(xì)胞染色體的三種功能元件端粒能夠保持染色體的完整性特定染色體在中期核中的定位三、核型與染色體顯帶核型指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)特征的總和染色體顯帶技術(shù)使用特殊的染色方法，使染色體產(chǎn)生明顯的染色的色帶（暗帶）和未染色的明帶相間的帶型。該技術(shù)可用于鑒別染色體、區(qū)分染色體的易位和找到進(jìn)化上的證據(jù)。核型與染色體顯帶（1）種類1）缺失：缺失某一片段2）重復(fù)：增加某一片段3）倒位：某一片段位置顛倒了18004）易位：某一片段移接到非同源染色體上（2）大多數(shù)是有害的(3)進(jìn)化的可能在靈長(zhǎng)類進(jìn)化中：人與黑猩猩發(fā)生過(guò)6次倒位，黑猩猩與大猩猩間發(fā)生過(guò)8次倒位貓叫綜合癥正常患者5號(hào)5號(hào)5號(hào)染色體短臂缺失癥狀：兩眼距離較遠(yuǎn)，耳位低下，生長(zhǎng)發(fā)育緩慢，存在著嚴(yán)重的智力障礙?；純嚎蘼曒p，音調(diào)高，很像貓叫。人群中發(fā)病率1/10萬(wàn)人5號(hào)染色體缺失→貓叫綜合征人9號(hào)染色體倒位→習(xí)慣性流產(chǎn)果蠅X染色體重復(fù)→卵圓型眼變棒狀眼人22號(hào)和14號(hào)染色體易位→白血病先天性愚型

（21三體綜合癥）1、非整倍體變異:

癥狀：患者智力低下，身體發(fā)育緩慢，常表現(xiàn)出特殊的面容：眼間距寬，外眼角上斜，口常半張，舌常伸出口外，又叫伸舌樣癡呆。在人群中的發(fā)病率為1/600到1/800。響譽(yù)世界的著名“天才”音樂(lè)指揮家舟舟智障“天才”舟舟■姓名:胡一舟■出生:1978年4月1日■智商：30重度弱智（正常人的最低70）■演出:自1999年1月在保利劇場(chǎng)進(jìn)行第一場(chǎng)指揮表演以來(lái)，至今已演出20場(chǎng)，與國(guó)內(nèi)外十余家交響樂(lè)團(tuán)進(jìn)行過(guò)合作。病因：常染色體變異,比正常人多了一條21號(hào)染色體舟舟是一個(gè)先天智力障礙(21三體綜合癥)患者性腺發(fā)育不良（特納氏綜合癥）男性多一條Y→超雄性（44+XYY）(癥狀：智力稍差，具有暴力傾向）人21號(hào)多一條→21三體綜合征女性少一條X→性腺發(fā)育不良人13號(hào)多一條→兔唇、智力遲鈍人18號(hào)多一條→所有器官畸形男性多一條Y→超雄性經(jīng)醫(yī)院遺傳科專家檢查，發(fā)現(xiàn)他的第3號(hào)和第13號(hào)染色體是經(jīng)過(guò)斷裂、重接而成的兩個(gè)新的染色體，在醫(yī)學(xué)上被稱為染色體平衡易位，屬于人類異常染色體核型。正是這對(duì)新染色體使他形成了異常精子，導(dǎo)致妻子自然流產(chǎn)。Down氏綜合癥

（21三體）XYY或多個(gè)Y個(gè)體——性別畸形染色體顯帶Q-帶：熒光染料奎丫因處理G-帶：Giemsa染色