細(xì)胞生物學(xué)-第10章-細(xì)胞核與染色體

問題真核生物與原核生物的區(qū)別？

1.真核細(xì)胞具有生物膜系統(tǒng)，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能區(qū)域化與專一化2.細(xì)胞骨架，保證了細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的合理排布與執(zhí)行功能的有序性。3.遺傳裝置與基因表達(dá)的復(fù)雜化與多層次化最主要的區(qū)別？第十章細(xì)胞核與染色體教學(xué)目的要求一、細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)與功能1.細(xì)胞核組成2.核被膜的特征與功能3.核孔復(fù)合體結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)4.核仁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與功能、核仁周期特點(diǎn)教學(xué)目的要求二、染色體的結(jié)構(gòu)和功能1.染色質(zhì)的概念與化學(xué)組成2.核小體結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)、染色質(zhì)包裝3.常染色質(zhì)與異染色質(zhì)的概念和區(qū)別4.染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、3種功能元件5.多線染色體與燈刷染色體本章內(nèi)容提要第一節(jié)概述第二節(jié)核被膜與核孔復(fù)合體第三節(jié)染色質(zhì)第四節(jié)染色體第五節(jié)核仁第一節(jié)概述一、細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、細(xì)胞核的功能一、細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.形狀：圓形，胚乳細(xì)胞(網(wǎng)狀)，蝶類絲腺細(xì)胞(分支狀)。2.位置：細(xì)胞中央，成熟植物細(xì)胞的邊緣。3.數(shù)目：通常一個(gè)，成熟的篩管（0）、肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞(1-2）、破骨細(xì)胞(6~50）、骨骼肌細(xì)胞(數(shù)百）、植物氈絨層細(xì)胞(2~4)。4.大?。褐参?~20μm，動物5~10μm。常以核質(zhì)比來估算核的大小。正常細(xì)胞NP≈0.5，分裂期細(xì)胞NP>0.5，衰老細(xì)胞NP<0.5。5.細(xì)胞核的主要結(jié)構(gòu)組成核被膜核纖層染色質(zhì)核仁核基質(zhì)二、細(xì)胞核的功能1.遺傳通過DNA染色體的復(fù)制和細(xì)胞分裂，維持物種的世代連續(xù)性。2.發(fā)育通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)的時(shí)空順序，控制細(xì)胞的分化，完成個(gè)體發(fā)育的使命。第二節(jié)核被膜與核孔復(fù)合體一、核被膜二、核孔復(fù)合體一、核被膜1.外核膜(Outernuclearmembrane)

附有核糖體顆粒，常與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相通2.內(nèi)核膜(Innernuclearmembrane)

光滑，無核糖體顆粒，內(nèi)表面有核纖層。并與染色質(zhì)和核骨架相聯(lián)3.核周間隙(Perinuclearspace)

兩層核膜之間的空隙,寬20-40nm,其中充滿無定形物質(zhì)4.核纖層(lamina)：保持核的形態(tài)；參與染色質(zhì)和核的組裝5.核孔復(fù)合體(一)核被膜的結(jié)構(gòu)組成LaminsCytoplasmicface

Nuclearface

basketinnercomplex返回前進(jìn)(二)核被膜的功能基因表達(dá)的時(shí)空隔離核膜成為保護(hù)性屏障,使核處于一微環(huán)境染色體的定位和酶分子的支架物質(zhì)運(yùn)輸與信息交流目錄

退出一、核被膜(三)核被膜在細(xì)胞周期中的崩解與裝配新核膜來自舊核膜核被膜的去組裝是非隨機(jī)的，具有區(qū)域特異性（domain-specific）。核被膜的解體與重建的動態(tài)變化受細(xì)胞周期調(diào)控因子的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用可能與核纖層蛋白、核孔復(fù)合體蛋白的磷酸化與去磷酸化修飾有關(guān)。二、核孔復(fù)合體(一)概述核孔由至少50種不同的蛋白質(zhì)（nucleoporin）構(gòu)成，稱為核孔復(fù)合體（nuclearporecomplex，NPC）。一般哺乳動物細(xì)胞平均有3000個(gè)核孔。細(xì)胞核活動旺盛的細(xì)胞中核孔數(shù)目較多，反之較少。如蛙卵細(xì)胞每個(gè)核可有3.77×107個(gè)核孔，但其成熟后細(xì)胞核僅150~300個(gè)核孔。用電鏡超薄切片技術(shù)（A）和冷凍蝕刻技術(shù)

（B）顯示的核孔復(fù)合體(二)核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)(二)核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)1.胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmicring）：位于核孔復(fù)合體胞質(zhì)一側(cè)，環(huán)上有8條纖維伸向胞質(zhì)；2.核質(zhì)環(huán)（nuclearring）：位于核孔復(fù)合體核質(zhì)一側(cè)，上面伸出8條纖維，纖維的末端形成一個(gè)直徑為60nm的小環(huán)(8個(gè)顆粒結(jié)構(gòu))，構(gòu)成籠子狀的結(jié)構(gòu)(二)核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)3.幅：由核孔邊緣伸向中心，呈輻射狀八重對稱。(1)柱狀亞單位(columnsubunit)：位于核孔邊緣，連接內(nèi)外環(huán)(2)腔內(nèi)亞單位(luminalsubunit)：接觸核膜部分的區(qū)域(3)環(huán)帶亞單位(annularsubunit)：在“柱狀亞單位”內(nèi)，靠近核孔復(fù)合體中心部分4.中央栓：核孔中央的一個(gè)栓狀的中央顆粒，在核質(zhì)交換中起一定的作用圖8-3B：

核孔復(fù)合體結(jié)構(gòu)模型圖8-4(b)核孔復(fù)合體側(cè)面觀

(c)頂面觀R：代表環(huán)；S：代表輻；C：代表中央栓(三)核孔復(fù)合體成分的研究核孔復(fù)合體主要由蛋白質(zhì)構(gòu)成，其總相對分子質(zhì)量約為125×106，推測可能含有30余種不同的多肽，共1000多個(gè)蛋白質(zhì)分子。

gp210：結(jié)構(gòu)性跨膜蛋白

p62：功能性蛋白二、核孔復(fù)合體(四)核孔復(fù)合體的功能：雙功能、雙向性的親水性核質(zhì)交換通道。雙功能：被動擴(kuò)散與主動運(yùn)輸雙向性：介導(dǎo)蛋白質(zhì)的入核轉(zhuǎn)運(yùn)，介導(dǎo)RNA、核糖核蛋白顆粒的出核轉(zhuǎn)運(yùn)二、核孔復(fù)合體(四)核孔復(fù)合體的功能：1.核孔運(yùn)輸特點(diǎn)被動運(yùn)輸主動運(yùn)輸信號引導(dǎo)雙向性二、核孔復(fù)合體(四)核孔復(fù)合體的功能2.被動擴(kuò)散核孔復(fù)合體的有效直徑為9~10nm，離子、小分子以及直徑在10nm以下的物質(zhì)原則上可以自由通過。注意：有些小分子蛋白因具有信號序列，是通過主動運(yùn)輸進(jìn)入；小分子物質(zhì)在核被膜兩側(cè)不一定均勻分布。二、核孔復(fù)合體(四)核孔復(fù)合體的功能2.主動運(yùn)輸：完成生物大分子的核質(zhì)分配，具有高度的選擇性，雙向性。對運(yùn)輸顆粒大小的限制。是一個(gè)信號識別與載體介導(dǎo)的過程，需消耗ATP，表現(xiàn)出飽和動力學(xué)特征具有雙向性。爪蟾卵母細(xì)胞核質(zhì)蛋白質(zhì)注射實(shí)驗(yàn)二、核孔復(fù)合體2.主動運(yùn)輸(1)親核蛋白運(yùn)輸機(jī)制基本概念親核蛋白：在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成后，需要或能夠進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質(zhì)核定位信號(nuclearlocalizationsignals,NLS)：存在于親核蛋白內(nèi)，具有定向、定位作用的特殊氨基酸序列。輸入蛋白(importin)：僅有核定位信號的蛋白質(zhì)自身不能通過核孔復(fù)合體，它必須與水溶性的NLS受體結(jié)合才可穿過NPC，這種受體稱為輸入蛋白。核定位信號的特點(diǎn)：NLS是存在于親核蛋白內(nèi)的一些短的氨基酸序列片段，富含堿性氨基酸殘基，如Lys、Arg，此外還常含有Pro。NLS的氨基酸殘基片段可以是一段連續(xù)的序列，也可以分成兩段，兩段之間間隔約10個(gè)氨基酸殘基（核質(zhì)蛋白）。NLS序列可存在于親核蛋白的不同部位，在指導(dǎo)完成核輸入后并不被切除。NLS只是親核蛋白入核的一個(gè)必要條件而非充分條件二、核孔復(fù)合體2.主動運(yùn)輸(1)親核蛋白運(yùn)輸機(jī)制運(yùn)輸過程：結(jié)合與轉(zhuǎn)移蛋白與NLS受體，即imporin

α/β二聚體結(jié)合；物質(zhì)與受體的復(fù)合物與NPC胞質(zhì)環(huán)上的纖維結(jié)合；纖維向核彎曲，核孔復(fù)合體構(gòu)象發(fā)生改變，形成親水通道，物質(zhì)通過；物質(zhì)受體復(fù)合體與Ran-GTP結(jié)合，復(fù)合體解散，釋放出物質(zhì)；受體的亞基與GTP-Ran返回胞質(zhì)，在細(xì)胞質(zhì)中Ran結(jié)合的GTP水解，并與importinβ解離，Ran-GDP返回細(xì)胞核重新轉(zhuǎn)換為Ran-GTP。2.主動運(yùn)輸(2)RNA及核糖體亞單位的輸出RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄的rRNA分子：以RNP的形式離開細(xì)胞核，需要能量；RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄的5srRNA與tRNA的核輸出由蛋白質(zhì)介導(dǎo)；RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄的hnRNA，在核內(nèi)加工形成成熟的mRNA出核核輸出信號(NuclearExportSignal，NES)：RNA分子的出核轉(zhuǎn)運(yùn)需要蛋白分子的幫助，這些蛋白因子本身含有出核信號。第三節(jié)染色質(zhì)一、染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成二、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位——核小體三、染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型四、常染色質(zhì)與異染色質(zhì)五、活性染色質(zhì)一、染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成(一)染色質(zhì)的概念1.染色質(zhì)(Chromatin)：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2.染色體(chromosome)：指細(xì)胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中,由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)3.染色體與染色質(zhì)比較：在化學(xué)本質(zhì)上沒有差異；在構(gòu)型上不同；是遺傳物質(zhì)在細(xì)胞周期不同階段的不同表現(xiàn)形式。一、染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成(二)染色質(zhì)的化學(xué)組成1.DNA2.組蛋白3.非組蛋白4.少量RNA2.組蛋白(1)組成：是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白,是一類小分子堿性蛋白質(zhì),富含帶正電荷的堿性氨基酸有5種,分為兩大類：高度保守的核心組蛋白（corehistone）包括H2A、H2B、H3、H4四種?？勺兊倪B接組蛋白（linkerhistone）即H1。

H1是多樣性，具有屬(genus)和組織特異性染色質(zhì)中的組蛋白與DNA的含量之比為：1∶1。2.組蛋白(2)功能核小體組蛋白作用是與DNA組裝成核小體H1不參加核小體的組建,在構(gòu)成核小體時(shí)起連接作用,并賦予染色質(zhì)以極性。3.非組蛋白(1)概念：是指細(xì)胞核中除組蛋白以外，能與特異DNA序列相結(jié)合的蛋白質(zhì)，又稱序列特異性DNA結(jié)合蛋白。(2)特性:

非組蛋白具多樣性和異質(zhì)性對DNA具有識別特異性具有多種功能，包括基因表達(dá)的調(diào)控和染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成。3.非組蛋白(3)功能除了一些酶的特殊功能外，非組蛋白還具有以下功能∶參與染色體的構(gòu)建;啟動DNA的復(fù)制;調(diào)控基因的表達(dá)。二、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位——核小體核小體是一種串珠狀結(jié)構(gòu)，由核心顆粒和連結(jié)線DNA兩部分組成。每個(gè)核小體單位包括約200bp的DNA、一個(gè)組蛋白核心和一個(gè)H1；由H2A、H2B、H3、H4各兩分子形成八聚體，構(gòu)成核心顆粒；DNA分子以左手螺旋纏繞在核心顆粒表面，每圈80bp，共1.75圈，約146bp，兩端被H1鎖合；相鄰核心顆粒之間為一段60bp的連接線DNA。組蛋白與DNA之間的相互作用主要是結(jié)構(gòu)性的，基本不依賴于核苷酸的特異序列核小體沿DNA的定位受不同因素的影響三、染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型（一）染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型(multiplecoilingmodel)但是在電鏡下觀察用溫和方法分離的染色質(zhì)是直徑30nm的纖維，這種纖維的形成有兩種解釋：①由核小體螺旋化形成，每6個(gè)核小體繞一圈，長度壓縮6倍；②由核小體纖維Z字形折疊而成，長度壓縮40倍。對于更高級染色體包裝方式，至今尚不明確。目前多認(rèn)為30nm的纖維折疊為一系列的環(huán)（loop）結(jié)合在核骨架上（或稱染色體骨架），結(jié)合點(diǎn)是富含AT的區(qū)域。（二）染色體的骨架-放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型(scaffoldradialloopstructuremodel)

認(rèn)為30nm的纖維折疊為一系列的環(huán)（loop）結(jié)合在核骨架上（或稱染色體骨架），結(jié)合點(diǎn)是富含AT的區(qū)域?！舴墙M蛋白構(gòu)成的染色體骨架(chromsomalscaffold)和由骨架伸出的無數(shù)的DNA側(cè)環(huán)?！?0nm的染色線折疊成環(huán),沿染色體縱軸,由中央向四周伸出，構(gòu)成放射環(huán)?！粲陕菥€管形成DNA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(miniband)。微帶是染色體高級結(jié)構(gòu)的單位，大約106個(gè)微帶沿縱軸構(gòu)建成子染色體。四、常染色質(zhì)與異染色質(zhì)(一)常染色質(zhì)指間期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低，處于伸展?fàn)顟B(tài)，用堿性染料染色時(shí)著色淺的那些染色質(zhì)。特征：DNA包裝比約為1000～2000分之一；單一序列DNA和中度重復(fù)序列DNA(如組蛋白基因和tRNA基因)；并非所有基因都具有轉(zhuǎn)錄活性,常染色質(zhì)狀態(tài)只是基因轉(zhuǎn)錄的必要條件而非充分條件四、常染色質(zhì)與異染色質(zhì)(二)異染色質(zhì)1.概念：指在整個(gè)間期,仍然保持折疊壓縮,處于聚縮狀態(tài),堿性染料染色時(shí)著色較深的染色質(zhì)組分。2.類型結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)（或組成性異染色質(zhì)）(constitutiveheterochromatin)

兼性異染色質(zhì)(facultativeheterochromatin)結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)除復(fù)制期以外，在整個(gè)細(xì)胞周期均處于聚縮狀態(tài)，形成多個(gè)染色中心結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)的特征：①在中期染色體上多定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕及染色體臂的某些節(jié)段,呈現(xiàn)C帶染色；②由相對簡單、高度重復(fù)的DNA序列構(gòu)成,如衛(wèi)星DNA；③具有顯著的遺傳惰性,不轉(zhuǎn)錄也不編碼蛋白質(zhì)；④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；⑤在功能上參與染色質(zhì)高級結(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。兼性異染色質(zhì)在某些細(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XX染色體隨機(jī)失活異染色質(zhì)化可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑五、活性染色質(zhì)1.活性染色質(zhì)是具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)2.非活性染色質(zhì)是沒有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)第四節(jié)染色體一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)二、染色體DNA的三種功能元件（functionalelements）三、核型與染色體顯帶四、巨大染色體（giantchromosome）一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)(一)中期染色體的典型形態(tài)中期染色體由兩條染色單體組成，兩者在著絲粒的部位相互結(jié)合，每一條染色單體是由一條DNA雙鏈經(jīng)過螺旋和折疊而形成的，到后期，著絲粒分裂，兩條染色單體分離。一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)(二)類型可根據(jù)著絲粒的位置將染色體分為4類：中著絲粒染色體（metacentricchromosome）亞中著絲粒染色體（submetacentricchromosome）亞端著絲粒染色體（subtelocentricchromosome）端著絲粒染色體（telocentricchromosome）。一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)(三)染色體的主要結(jié)構(gòu)1.主縊痕（primaryconstriction）：中期染色體上一個(gè)染色較淺而縊縮的部位，主縊痕處有著絲粒，所以亦稱著絲粒區(qū).2.著絲粒(centromere)與動粒(kinetochore)是兩個(gè)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(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。著絲粒含3個(gè)結(jié)構(gòu)域：著絲點(diǎn)結(jié)構(gòu)域：位于著絲粒的表面，由外板（outerplate）、內(nèi)板（innerplate）、中間區(qū)（interzone）和圍繞外層的纖維冠(fibrouscorona)。中央結(jié)構(gòu)域：位于著絲點(diǎn)結(jié)構(gòu)域的下方。其中含有高度重復(fù)的衛(wèi)星DNA。配對結(jié)構(gòu)域：位于著絲粒結(jié)構(gòu)的內(nèi)層，中期兩條染色單體在此處相互連結(jié)。主縊痕與次縊痕3.次縊痕（secondaryconstriction）：除主縊痕外，染色體上第二個(gè)呈淺染縊縮的部分稱次縊痕4.核仁組織區(qū)（nucleolarorganizingregions,NORs）：是核糖體RNA基因所在的區(qū)域，其精細(xì)結(jié)構(gòu)呈燈刷狀。核仁組織區(qū)位于染色體的次縊痕區(qū)。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。位于染色體末端的隨體稱為端隨體，位于兩個(gè)次縊痕中間的稱中間隨體。端粒（telomere）：是染色體端部的特化部分，其生物學(xué)作用在于維持染色體的穩(wěn)定性。二、染色體DNA的三種功能元件（functionalelements）1.自主復(fù)制DNA序列(autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS)

2.著絲粒DNA序列(centromereDNA

sequence,CEN)。3.端粒DNA序列(telomereDNAsequence,TEL)：端粒序列的復(fù)制端粒酶，在生殖細(xì)胞和部分干細(xì)胞中有端粒酶活性端粒重復(fù)序列的長度與細(xì)胞分裂次數(shù)和細(xì)胞衰老有關(guān)。三、核型與染色體顯帶1.核型(karyotypekaryotype)

是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。2.核型模式圖(idiogramidiogram)

將一個(gè)染色體組的全部染色體逐個(gè)按其特征繪制下來,再按長短、形態(tài)等特征排列起來的圖象稱為核型模式圖，它代表一個(gè)物種的核型模式。三、核型與染色體顯帶3.染色體顯帶技術(shù)

染色體經(jīng)物理、化學(xué)因素處理后，再進(jìn)行分化染色，使其呈現(xiàn)特定的深淺不同帶紋（band）的方法。分帶技術(shù)可分為兩大類：產(chǎn)生的染色帶分布在整條染色體的長度上如：G、Q和R帶局部性的顯帶，它只能使少數(shù)特定的區(qū)域顯帶，如C、Cd、T和N帶。四、巨大染色體（giantchromosome）1.多線染色體存在于雙翅目昆蟲的幼蟲組織細(xì)胞、某些植物細(xì)胞多線染色體的來源：核內(nèi)有絲分裂多線染色體的帶及間帶：帶和間帶都含有基因，可能“管家”基因(housekeepinggene)位于間帶,“奢侈”基因(luxurygene)位于帶上。多線染色體與基因活性：脹泡是基因活躍轉(zhuǎn)錄的形態(tài)學(xué)標(biāo)志四、巨大染色體（giantchromosome）2.燈刷染色體這種染色體最早發(fā)現(xiàn)于魚類、兩棲類和爬行類卵母細(xì)胞減數(shù)分裂的雙線期。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。由兩條同