生物化學(xué)細(xì)胞核主要本

1、1 核被膜核被膜(nuclear envelope) 核孔復(fù)合體核孔復(fù)合體（nuclear pore complex,NPC） 2 電鏡下，核被膜由內(nèi)外兩層平行但不連續(xù)的單位膜構(gòu)成。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成組成： v外核膜（outer nuclear membrane），附有核糖體顆粒，常與rER相通連。 v內(nèi)核膜（inner nuclear membrane），有特有的蛋白成份（如核纖層蛋 白B受體），內(nèi)核膜的內(nèi)表面有一層網(wǎng)絡(luò)狀纖維蛋白質(zhì)，即核纖層 （nuclear lamina），可支持核膜。 v核周間隙（perinuclear space） v核孔（nuclear pore）和核孔復(fù)合體 核被膜的

2、功能：核被膜的功能： v構(gòu)成核、質(zhì)之間的天然選擇性屏障構(gòu)成核、質(zhì)之間的天然選擇性屏障 l避免生命活動(dòng)的彼此干擾 l保護(hù)DNA不受細(xì)胞骨架運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械力的損傷 v核質(zhì)之間的物質(zhì)交換與信息交流核質(zhì)之間的物質(zhì)交換與信息交流 核被膜在細(xì)胞有絲分裂過程中有規(guī)律地核被膜在細(xì)胞有絲分裂過程中有規(guī)律地解體與重建解體與重建 3 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）。 以非洲爪蟾卵提取物為基礎(chǔ)的非細(xì)胞核裝配體系提供了實(shí)驗(yàn) 模型。 核被膜的解體與重建的動(dòng)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

3、有關(guān)。 4 核孔復(fù)合體核孔復(fù)合體 （nuclear pore complex,NPC） 結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型 核孔復(fù)合體成份的研究核孔復(fù)合體成份的研究 核孔復(fù)合體的功能核孔復(fù)合體的功能： 5 vfish-trap模型模型 v從橫向上看，核孔復(fù)合體由周邊向核孔中心依次可分為環(huán)、輻、栓三 種結(jié)構(gòu)亞單位； v從縱向上看，核孔復(fù)合體由核外（胞質(zhì)面）向核內(nèi)（核質(zhì)面）依次可 分為胞質(zhì)環(huán)、輻（十栓）、核質(zhì)環(huán)三種結(jié)構(gòu)亞單位，形成“三明治” 式的結(jié)構(gòu)。 胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmic ring），外環(huán) 核質(zhì)環(huán)（nuclear ring），內(nèi)環(huán)；內(nèi)環(huán)向核內(nèi)伸入一小環(huán)，即核藍(lán)（nuclear basket）。 輻（sp

4、oke） v柱狀亞單位（column subunit） v腔內(nèi)亞單位(luminal subunit) v環(huán)帶亞單位（annular subunit） 中央栓（central plug）：transporter 6 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 125106，推測可能含有100余種不同的多肽，共1 000多個(gè) 蛋白質(zhì)分子。 gp210：結(jié)構(gòu)性跨膜蛋白：結(jié)構(gòu)性跨膜蛋白 v介導(dǎo)核孔復(fù)合體與核被膜的連接，將核孔復(fù)合體 錨定在 “孔膜區(qū)”，從而為核孔復(fù)合體裝配提供一個(gè)起始位點(diǎn) p62：功能性的核孔復(fù)合體蛋白，具有兩個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：功能性的核孔復(fù)合體蛋白，具有兩個(gè)功能結(jié)構(gòu)域 v可能在核

5、孔復(fù)合體功能活動(dòng)中直接參與核質(zhì)交換。 7 v雙功能：兩種運(yùn)輸方式：被動(dòng)擴(kuò)散和主動(dòng)運(yùn)輸； v雙向性：介導(dǎo)蛋白質(zhì)的入核轉(zhuǎn)運(yùn)，又介導(dǎo)RNA、RNP的出核 轉(zhuǎn)運(yùn)。 v核孔復(fù)合體物質(zhì)運(yùn)輸功能示意圖 親核蛋白入核轉(zhuǎn)運(yùn)與核定位信號親核蛋白入核轉(zhuǎn)運(yùn)與核定位信號 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA的核輸出 8 親核蛋白（親核蛋白（karyophilic protein） v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 (nuclear localization signal，NLS) vNLS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。 vN

6、LS的氨基酸殘基片段可以是一段連續(xù)的序列（T抗原），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）。 vNLS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。 核質(zhì)蛋白（nucleoplasmin）的入核轉(zhuǎn)運(yùn) v結(jié)合：需NLS識別并結(jié)合importin； v轉(zhuǎn)運(yùn)：需GTP水解提供能量 9 轉(zhuǎn)錄后的RNA通常需加工、修飾成為成熟的RNA分子后才能被轉(zhuǎn) 運(yùn)出核。 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5s rRNA與 tRNA的核輸出由蛋白質(zhì)介導(dǎo)； RNA 聚合酶II轉(zhuǎn)錄的hn RNA，在核內(nèi)進(jìn)行5端加帽和3

7、端附加多 聚A序列以及剪接等加工過程，然后形成成熟的mRNA出核，5端 的m7GpppG “帽子”結(jié)構(gòu)對mRNA的出核轉(zhuǎn)運(yùn)是必要的； mRNA的出核轉(zhuǎn)運(yùn)過程是有極性的，其5端在前，3端在后。 核輸出信號核輸出信號 (Nuclear Export Signal，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。 10 第二節(jié)第二節(jié) 染染 色色 質(zhì)質(zhì) 染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位核小體核小體(nucleosome) 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 常染色質(zhì)和異染色質(zhì)常染色質(zhì)和異染色質(zhì) 11 染色質(zhì)概

8、念染色質(zhì)概念 染色體染色體DNA 染色體蛋白質(zhì)染色體蛋白質(zhì) 12 染色質(zhì)（染色質(zhì)（chromatin）: v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。 染色體染色體(chromosome): v 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)。 v染色質(zhì)與染色體是在細(xì)胞周期不同的功能階段可以相互轉(zhuǎn)變的的形 態(tài)結(jié)構(gòu) v染色質(zhì)與染色體具有基本相同的化學(xué)組成，但包裝程度不同,構(gòu)象不 同。 13 基因組（基因組（genome） v凡是具有細(xì)胞形態(tài)的所有生物其遺傳物質(zhì)都是DNA。在真核細(xì)胞中， 每條未復(fù)制的染色體包裝一條D

9、NA分子，一個(gè)生物貯存在單倍染色體 組中的總遺傳信息，稱為該生物的基因組。 v基因組大小通常隨物種的復(fù)雜性而增加。 DNA的序列可分為3種類型，即：單一序列、中度重復(fù)序列（101-5）和高 度重復(fù)序列（105）。 DNA二級結(jié)構(gòu)具有多形性二級結(jié)構(gòu)具有多形性(polymorphism) 染色體具有3個(gè)基本元素： v自主復(fù)制序列自主復(fù)制序列(autonomously replicating DNA sequence, ARS)(autonomously replicating DNA sequence, ARS)， 是DNA復(fù)制的起點(diǎn)，酵母基因組含200-400個(gè)ARS，大多數(shù)具有一個(gè) 11bp富

10、含AT的一致序列（ARS consensus sequence, ACS）； v著絲粒序列著絲粒序列(centromere DNA sequence,CEN)(centromere DNA sequence,CEN) ，由大量串聯(lián)的重復(fù) 序列組成，如衛(wèi)星DNA，其功能是參與形成著絲粒，使細(xì)胞分裂中染 色體能夠準(zhǔn)確地分離； v端粒序列端粒序列(telomere DNA sequence,TEL)(telomere DNA sequence,TEL) ，不同生物的端粒序列都 很相似，由長5-10bp的重復(fù)單位串聯(lián)而成，人的重復(fù)序列為GGGTTA。 14 負(fù)責(zé)DNA分子遺傳信息的組織、復(fù)制和閱讀 組

11、蛋白組蛋白(histone)： v核小體組蛋白(nucleosomal histone)：H2B、H2A、H3和H4,幫助DNA卷 曲形成核小體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu) vH1組蛋白：在構(gòu)成核小體時(shí)H1起連接作用, 它賦予染色質(zhì)以極性。 v特點(diǎn)： l真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶 正電荷的Arg和Lys等堿 性氨基酸，屬堿性蛋白質(zhì)，可以和酸性的DNA緊密結(jié)合（非特異 性結(jié)合）； l沒有種屬及組織特異性，在進(jìn)化上十分保守。 非組蛋白非組蛋白(nonhistone)： v非組蛋白具多樣性和異質(zhì)性 v對DNA具有識別特異性，又稱序列特異性 v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。 15 二

12、、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位二、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位核小體核小體 (nucleosome) 主要實(shí)驗(yàn)證據(jù)主要實(shí)驗(yàn)證據(jù) 核小體結(jié)構(gòu)要點(diǎn)核小體結(jié)構(gòu)要點(diǎn) 16 鋪展染色質(zhì)的電鏡觀察 v未經(jīng)處理的染色質(zhì)自然結(jié)構(gòu)為30nm的纖絲，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 應(yīng)用X射線衍射、中子散射和電鏡三維重建技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn) 核小體顆粒是直徑為11nm、高6.0nm的扁園柱體，具有二分 對稱性（dyad symmetry），核心組蛋白的構(gòu)成是先形成（H3） 2（H4）2四聚體，然后再與兩個(gè)H2AH2B異二聚體結(jié)合 形成八聚體。 17 每個(gè)核小體

13、單位包括200bp左右的DNA超螺旋和一個(gè)組蛋白 八聚體及一 個(gè)分子H1。 組蛋白八聚體構(gòu)成核小體的盤狀核心結(jié)構(gòu)。 146bp的DNA分子超螺旋盤繞組蛋白八聚體1.75圈, 組蛋白H1 在核心顆粒 外結(jié)合額外20bp DNA，鎖住核小體DNA的進(jìn)出 端，起穩(wěn)定核小體的作用。 包括組蛋白H1和166bp DNA的 核小體結(jié)構(gòu)又稱染色質(zhì)小體。 兩個(gè)相鄰核小體之間以連接DNA 相連，典型長度60bp，不 同物種變化值為080bp。 實(shí)驗(yàn)表明，核小體具有自組裝（self-assemble）的性質(zhì)。 18 染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型 (multiple coiling model)

14、 染色體的骨架染色體的骨架-放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型 (scaffold radial loop structure model) 染色體包裝的不同組織水平染色體包裝的不同組織水平 19 一級結(jié)構(gòu)：核小體 二級結(jié)構(gòu)：螺線管(solenoid) 三級結(jié)構(gòu)：超螺線管(supersolenoid) 四級結(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 20 非組蛋白構(gòu)成的染色體骨架(chromsomal scaffold)和由骨 架伸出的無數(shù)的DNA側(cè)環(huán)） 30nm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)

15、。 由螺線管形成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。 21 常染色質(zhì)常染色質(zhì)(euchromatin) v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)（典型包裝率 750倍）, 用堿性染料染色時(shí)著色淺的那些染色質(zhì)。 v常染色質(zhì)是進(jìn)行活躍轉(zhuǎn)錄的部位，呈疏松的環(huán)狀，電鏡下表現(xiàn)為淺染。 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 異染色質(zhì)異染色質(zhì)(heterochromatin)： v指間期細(xì)胞核中, 折疊壓縮程度高, 處于聚縮狀態(tài)，堿

16、性染料染色時(shí)著 色較深的染色質(zhì)組分。 v類型 l結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)（或組成型異染色質(zhì)）(constitutive heterochromatin) l兼性異染色質(zhì)(facultative heterochromatin) 22 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： v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； v由相對簡單、高度重復(fù)的DNA序列構(gòu)成, 如衛(wèi)星DNA； v具有顯著的遺傳惰性, 不轉(zhuǎn)錄也不編碼蛋白質(zhì)； v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； 23 在某些細(xì)胞類型或一定的發(fā)育階段, 原來的

17、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)化可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑。 24 第四節(jié)第四節(jié) 核仁核仁 (nucleolus) 核仁（necleolus）見于間期的細(xì)胞核內(nèi)，呈圓球形，一 般1-2個(gè)，也有多達(dá)3-5個(gè)的。核仁的位置不固定，或位 于核中央，或靠近內(nèi)核膜，核仁的數(shù)量和大小因細(xì)胞種 類和功能而異。 核仁的超微結(jié)構(gòu)核仁的超微結(jié)構(gòu) 核仁的功能核仁的功能 核仁周期核仁周期 ：核仁的核仁的動(dòng)態(tài)變化動(dòng)態(tài)變化 25 核仁沒有界膜包圍，在電子顯微鏡下可辨認(rèn)出有核仁沒有界膜包圍，在電子顯微鏡下可辨認(rèn)出有3個(gè)特征性的區(qū)域個(gè)特征性的區(qū)域： v纖維中心纖維中心(

18、fibrillar centers，F(xiàn)C)： l是被致密纖維包圍的一個(gè)或幾個(gè)低電子密度的圓形結(jié)構(gòu)，主要成分為 RNA聚合酶和rDNA，這些rDNA是裸露的分子。 v致密纖維組分致密纖維組分(dense fibrillar component，DFC)： l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RNP（指 結(jié)合蛋白質(zhì)的rRNA），轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在FC與DFC的交界處。 v顆粒組分顆粒組分(granular component，GC)： l由直徑15-20nm的顆粒構(gòu)成，是不同加工階段的RNP。是核糖體亞單 位成熟和儲存的位點(diǎn)。 核仁相隨染色質(zhì)核仁相隨染色質(zhì)(nucleolar ass

19、ociated chromatin) v核仁相隨染色質(zhì)分為兩部分，一部分位于核仁周圍，稱為核仁周染色質(zhì)， 屬異染色質(zhì)，一部分位于核仁內(nèi)，為常染色質(zhì)，即核仁組織區(qū)（NOR）， 是rDNA所在的位置。 26 核糖體的生物發(fā)生(ribosome biogenesis) 過程包括rRNA的合 成、加工和核糖體亞單位的裝配。 rRNA基因轉(zhuǎn)錄的形態(tài)及組織特征基因轉(zhuǎn)錄的形態(tài)及組織特征 v基因轉(zhuǎn)錄的組織特征： 位于NORs的rDNA是rRNA的信息來源。 v基因轉(zhuǎn)錄的形態(tài)特征:“圣誕樹”樣結(jié)構(gòu)。 rRNA前體的加工前體的加工 v加工過程 v修飾與加工 核糖體亞單位的組裝核糖體亞單位的組裝 27 核基質(zhì)核基質(zhì)

20、或核骨架核骨架(nuclear skeleton)的概念 v狹義概念僅指核基質(zhì)，即細(xì)胞核內(nèi)除了核被膜、核纖層、 染色質(zhì)與 核仁以外的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系。 v廣義概念應(yīng)包括核基質(zhì)、核纖層(或核纖層-核孔復(fù)合體結(jié) 構(gòu)體系),以 及染色體骨架。 目前對核骨架的研究結(jié)論 v核骨架是存在于真核細(xì)胞核內(nèi)真實(shí)的結(jié)構(gòu)體系； v核骨架與核纖層、中間纖維相互連接形成貫穿于核與質(zhì)的一個(gè)獨(dú)立 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 v核骨架的主要成分是由非組蛋白的纖維蛋白構(gòu)成的, 含有多種蛋白成 分及少量RNA； v核骨架與DNA復(fù)制、基因表達(dá)及染色體的包裝與構(gòu)建有密切關(guān)系。 28 29 30 31 32 33 通過核孔復(fù)合體物質(zhì)運(yùn)輸?shù)墓δ苁疽鈭D（引自B.Talcott等，1999） （a）自由擴(kuò)散；（b）協(xié)助擴(kuò)散；（c）信號介導(dǎo)的核輸入；（d） 信號介導(dǎo)的核輸出。 34 35 36 37 38 39 40 41 由由X-射線晶體衍射射線晶體衍射(2.8A)所揭示的核小體三維結(jié)構(gòu)所揭示的核小體三維結(jié)構(gòu)（引自K.Luger等，1997） a。通過DNA超螺旋中心軸所顯示的核小體核心顆粒8個(gè)組蛋白分子的位置； b垂直