第八章 細胞核和染色體-jian

第八章細胞核與染色體概述：1831年，Brown在植物中發(fā)現(xiàn)，并定名為細胞核大?。褐参镏?-4um，動物中10um數(shù)目：通常一個；無核；多核形狀：圓形；網(wǎng)狀（胚乳細胞）；分支狀（蝶類的絲腺細胞）位置：細胞中央；成熟的植物細胞位于邊緣結構：核被膜；核仁；染色質；核骨架功能：遺傳第一節(jié)核被膜與核孔復合體

●核被膜●核孔復合體（nuclearporecomplex，NPC）一、核被膜的結構組成◆外核膜（outernuclearmembrane），胞質面附有核糖體，是特殊的內質網(wǎng)（ER）

內核膜（innernuclearmembrane），有特有的蛋白成分◆核周間隙（perinuclearspace），與內質網(wǎng)相通

核孔（nuclearpore），內外膜融合的部位◆核纖層（nuclearlamina），內核膜核質面的一層纖維蛋白構成的網(wǎng)絡狀核被膜的功能

構成核、質之間的天然選擇性屏障

避免生命活動的彼此干擾，使生命活動更加井然有序

保護DNA不受細胞骨架運動所產生的機械力的損傷

核質之間的物質交換與信息交流二、核孔復合體（NPC）概述：組成：多種不同的蛋白組成的數(shù)量：哺乳動物細胞中平均含有3000個核孔

細胞核活動旺盛的細胞中數(shù)目多結構：電鏡下圓形或者八角形，fish-trap（一）結構模型

胞質環(huán)（cytoplasmicring），外環(huán)

核質環(huán)（nuclearring），內環(huán)

輻（spoke）

柱狀亞單位（columnsubunit）

腔內亞單位（luminalsubunit）

環(huán)帶亞單位（annularsubunit）

中央栓（centralplug）：transporter（二）核孔復合體成分的研究核孔復合體主要由蛋白質構成，推測有100余種不同的多肽，共1000多個蛋白質分子。

gp210：結構性跨膜蛋白

p62：功能性蛋白，具有兩個功能結構域（三）核孔復合體的功能核孔復合體是雙功能（被動擴散和主動運輸）、雙向性（入核和出核）的親水性核質交換通道。被動運輸（passivetransport）允許條件：一般直徑10nm以下的分子；60KD以下的蛋白注：有的則由于含有信號序列或者和其它的分子結合成大分子而不能自由出入核孔復合體（組蛋白21KD）。主動運輸（activetransport）通過核孔復合體的主動運輸主要是指親核蛋白的入核，RNA分子及核糖核蛋白顆粒（RNP）出核運輸。特性：①選擇性：對運輸顆粒大小的限制（10-20nm)；②是信號識別和載體介導的過程；③雙向性：蛋白質的入核；RNA和核糖體亞單位的出核。親核蛋白的入核轉運機制親核蛋白（karyophilicprotein）是指在細胞質內合成之后，需要或能夠進入細胞核內發(fā)揮功能的一類蛋白質。類型：進入核之后一直滯留在其中執(zhí)行功能；穿梭于核質之間行駛功能。1982年R.Laskey發(fā)現(xiàn)核內含量豐富的核質蛋白的C端有一個信號序列，可引導蛋白質進入細胞核，稱為核定位信號（nuclearlocalizationsignal，NLS），富含有堿性氨基酸，但不同的NLS之間并沒有共有的序列特征。

核輸出序列（nuclearexportsignal，NES）親核蛋白的入核RNA的出核轉錄的RNA需加工、修飾成為成熟的RNA分子后才能被轉運出核。

RNA聚合酶I轉錄的rRNA分子：以RNP的形式離開細胞核；

RNA聚合酶III轉錄的5srRNA與tRNA的核輸出由蛋白質介導；

RNA聚合酶II轉錄的hnRNA，在核內進行5’端加帽（m7GpppG“帽子”結構）和3’端加PolyA尾巴以及剪接等加工過程，然后形成成熟的mRNA出核。第二節(jié)染色質1842年，Nali在植物細胞核中發(fā)現(xiàn)了桿狀的染色體。1848年，Hofmeister從鴨跖草的小孢子母細胞中發(fā)現(xiàn)染色體。

1879年，W.Flemming提出了染色質（chromatin）。1888年，Waldeyer提出了染色體（Chromosome）。一、染色質的概念及化學組成染色質的概念

◆染色質（chromatin）

指間期細胞核內由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存在的形式。

◆染色體(chromosome)

指細胞在分裂過程中,由染色質聚縮而成的棒狀結構?；瘜W組成染色質由DNA、組蛋白、非組蛋白、RNA組成，各組分的含量比例為1：1：0.6：0.1。其中DNA與組蛋白是染色質的穩(wěn)定成分，非組蛋白和RNA的含量隨細胞生理狀態(tài)不同而發(fā)生變化。（一）染色質DNADNA序列可分為三種類型：①單一序列②中度重復序列（101-5）③高度重復序列（大于105）DNA二級結構的類型：B-DNA、A-DNA、Z-DNA(二)組蛋白(histone)

核小體組蛋白（核心組蛋白）H2B、H2A、H3和H4，幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結構

連接組蛋白：H1組蛋白，在構成核小體時起連接作用

特點：

富含帶正電荷的Arg和Lys等堿性氨基酸，屬堿性蛋白質，可以和酸性的DNA緊密結合（非特異性結合）；

沒有種屬及組織特異性，在進化上十分保守。(三)非組蛋白

對DNA具有識別特異性，又稱序列特異性DNA結合蛋白

非組蛋白具多樣性和異質性

具有多種功能：幫助DNA折疊；協(xié)助DNA復制；調節(jié)基因表達二、染色質的基本結構單位—核小體1974年Kornberg等人根據(jù)染色質的酶切降解和電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)核小體（nucleosome）是染色質包裝的基本結構單位，并提出染色質結構的“串珠“模型。

實驗證據(jù)

核小體的結構要點自然結構鹽處理后實驗證據(jù)一染色質

核酸酶完全酶解離心、電泳200bp的片段部分酶解離心、電泳單體、二體或三體等裸露的DNA酶解離心、電泳隨機大小的片段群體實驗證據(jù)二實驗證據(jù)三SV40微小染色體分析實驗證據(jù)四：X射線衍射、中子散射和電鏡三維重建核小體的結構要點示意圖核小體的結構要點◆每個核小體單位包括200bp左右的DNA超螺旋、一個組蛋白八聚體和一分子H1。◆由H2A、H2B、H3、H4各兩分子形成八聚體，構成核心顆粒?！鬌NA分子螺旋纏繞在核心顆粒表面，每圈80bp，共1.75圈，約146bp，組蛋白H1在核心顆粒外結合額外20bpDNA，鎖住核小體DNA的進出端，起穩(wěn)定核小體的作用?！粝噜徍诵念w粒之間以一段0～80bp的連接?！艚M蛋白與DNA之間的相互作用主要是結構性的，基本不依賴于核苷酸的特異序列?！艉诵◇w沿DNA的定位受不同因素的影響，進而通過核小體相位改變影響基因表達。。

三、染色質包裝的結構模型

染色質包裝的多級螺旋模型

(multiplecoilingmodel)●染色體的骨架-放射環(huán)結構模型

(scaffoldradialloopstructuremodel)（一）染色質包裝的多級螺旋模型

◆一級結構：核小體

◆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）染色體的骨架-放射環(huán)結構模型用高鹽或硫酸匍聚糖加肝素處理染色體，電鏡下看到一種網(wǎng)絡狀的染色體骨架結構，由骨架伸出無數(shù)DNA側環(huán)。DNA酶消化后的骨架主要是非組蛋白，另外含有少量DNA和RNA?！粢患墸汉诵◇w；二級：螺線管◆由螺線管形成DNA復制環(huán)，每18個復制環(huán)呈放射狀平面排列，結合在核基質上形成微帶(miniband)。微帶是染色體高級結構的單位，大約106個微帶沿縱軸構建成子染色體。結構模型四、常染色質和異染色質

常染色質(euchromatin)

異染色質(heterochromatin)

常染色質(euchromatin)◆概念：指間期核內染色質纖維折疊壓縮程度低,處于伸展狀態(tài),用堿性染料染色時著色淺的那些染色質?！艚M成：單一序列DNA和中度重復序列DNA◆常染色質狀態(tài)只是基因轉錄的必要條件而非充分條件。異染色質(heterochromatin)◆概念：指間期核內染色質纖維折疊壓縮程度高,處于聚縮狀態(tài),用堿性染料染色時著色深的那些染色質?！纛愋?/p>

結構異染色質（組成型異染色質）

兼性異染色質

第三節(jié)

染色體（chromosome）

●中期染色體的形態(tài)結構●染色體DNA的三種功能元件●核型與染色體顯帶●巨大染色體

同一物種的染色體數(shù)目是相對穩(wěn)定的，性細胞染色體為單倍體（haploid），用n表示，體細胞為2倍體（diploid）以2n表示，還有一些物種的染色體成倍增加成為4n、6n、8n等多倍體。

一、中期染色體的形態(tài)結構

中期染色體類型

染色體的主要結構

中期染色體的類型染色體的主要結構◆著絲粒(centromere)◆次縊痕(secondaryconstriction)◆核仁組織區(qū)(NOR)◆隨體(satellite)◆端粒(telomere)著絲粒與著絲點(動粒)

著絲點結構域

中央結構域

配對結構域著絲粒：將兩個染色單體連接在一起，并把染色體分成兩個臂。動粒：位于著絲粒兩側由蛋白質構成的三層盤狀或球狀結構。動粒與紡錘體自然相連，與染色體的移動有關。次縊痕（secondaryconstriction）：除主縊痕外，染色體上其他呈淺縊縮的部分稱次縊痕，次縊痕的位置相對穩(wěn)定，是鑒定染色體個別性的一個顯著特征。核仁組織區(qū)（nucleolarorganizingregions,NORs）：是核糖體RNA基因所在的區(qū)域，其精細結構呈燈刷狀。能夠合成核糖體的28S、18S和5.8SrRNA。位于次縊痕的部位。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。端粒（telomere）：是染色體端部的特化部分，位于染色體的端部來維持染色體的穩(wěn)定性。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。端粒起到細胞分裂計時器的作用，端粒核苷酸復制和基因DNA不同，每復制一次減少50-100bp，其復制要靠具有反轉錄酶性質的端粒酶（telomerase）來完成，正常體細胞缺乏此酶，故隨細胞分裂而變短，細胞隨之衰老。

自主復制DNA序列（ARS）功能：DNA復制起點，確保染色體在細胞周期中能夠自我復制。