(完整版)細(xì)胞生物學(xué)課件13間期細(xì)胞核01

1、第十三章 間期細(xì)胞核和染色體Chapter 13 Interphase Nucleus and chromosomes一般，真核細(xì)胞均具有細(xì)胞核，失去核后、很快就要死亡哺乳動(dòng)物的成熟紅細(xì)胞(120天)植物韌皮部的篩管(若干年)特例：纖毛蟲：兩個(gè)核(生殖核，營(yíng)養(yǎng)核)高等動(dòng)物的細(xì)胞核：1015m高等植物的細(xì)胞核：520m低等植物的細(xì)胞核：14m細(xì)胞核的大小因物種不同而不同：細(xì)胞核數(shù)量：一般，一個(gè)細(xì)胞只有一個(gè)細(xì)胞核特殊細(xì)胞多核白細(xì)胞：多個(gè)核第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)一、核被膜與核孔復(fù)合體二、染色質(zhì)和染色體的分子結(jié)構(gòu)三、核仁第二節(jié) 細(xì)胞核的化學(xué)組成第三節(jié) 核骨架三、染色體骨架二、核纖層與核孔復(fù)合體系統(tǒng)一

2、、核基質(zhì)四、核質(zhì)及核體 講 授 提 綱第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)細(xì)胞核的形狀往往會(huì)受到細(xì)胞形狀的影響(多角形、立方形和圓形細(xì)胞的核多呈圓形)形狀：球形或卵球形物種和細(xì)胞類型不同桿狀多葉狀枝狀帶狀大鼠肝細(xì)胞的球形細(xì)胞核細(xì)胞內(nèi)含物的增多也會(huì)影響核的形狀動(dòng)物脂肪細(xì)胞脂肪滴細(xì)胞核(扁盤狀)第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)植物細(xì)胞液泡細(xì)胞核細(xì)胞核多位于細(xì)胞的中央，但細(xì)胞內(nèi)含物的增多可將核擠至細(xì)胞的一端。間期核：核被膜、染色質(zhì)、核仁、核質(zhì)、核基質(zhì)間期核結(jié)構(gòu)的模式圖解核仁染色質(zhì)核質(zhì) 核 孔 內(nèi)核膜 外核膜 核被膜核基質(zhì)保護(hù)核內(nèi)遺傳物質(zhì)、控制核質(zhì)之間的物質(zhì)運(yùn)輸和信息交換核內(nèi)濃密小體,合成核糖體的場(chǎng)所遺傳物質(zhì)的存在形式無

3、定形結(jié)構(gòu)的液體物質(zhì),含有核體復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)-核骨架核質(zhì)與胞質(zhì)之間物質(zhì)運(yùn)輸?shù)耐ǖ赖谝还?jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)一個(gè)典型的細(xì)胞核橫切面示意圖第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)厚7.5nm第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)（一）核被膜一、核被膜與核孔復(fù)合體核被膜的超微結(jié)構(gòu) 核被膜的模式圖解核孔 (nuclear pore)：內(nèi)、外膜在一定部位相互融合而形成的環(huán)形開口第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu) 核孔的電鏡結(jié)構(gòu)及其在核被膜上的規(guī)則排列(a) 核孔的TEM照片；(b) 核被膜的冰凍蝕刻照片，示核被膜上核孔的規(guī)則排列由100多種蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的分子量為0.51105kDa復(fù)雜結(jié)構(gòu)核孔復(fù)合體(pore complex)孔膜區(qū)(pore

4、membrane domain)：近核孔處的核膜，化學(xué)組成（其特征性蛋白為gp210）第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)核孔的模式圖胞質(zhì)與核質(zhì)之間進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃ǘ┖丝讖?fù)合體第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)在不同生理狀態(tài)(如基因轉(zhuǎn)錄活性)下，核孔復(fù)合體的數(shù)量也會(huì)改變轉(zhuǎn)錄活性旺盛：數(shù)量增加轉(zhuǎn)錄活性降低：數(shù)量減少無轉(zhuǎn)錄活性11個(gè)/m2 (30004000個(gè)) 3個(gè)/m2(150300個(gè))爪蟾成熟紅細(xì)胞：第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)哺乳類細(xì)胞：3,0004,000個(gè)(11個(gè)/m2)非洲爪蟾卵母細(xì)胞：3.8107(60個(gè)/m2)核孔復(fù)合體的數(shù)量隨細(xì)胞種類不同而有較大差異：在脊椎動(dòng)物中：約1.25 108 dalton

5、(核糖體的30倍)在酵母中：0.66 108 dalton 1. 核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)80120nm915nm核孔復(fù)合體結(jié)構(gòu)的纖絲模型 核孔復(fù)合體的超微結(jié)構(gòu)及其模式圖解八重對(duì)稱分布的跨膜的輻射狀結(jié)構(gòu)第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)胞質(zhì)絲 核質(zhì)絲 環(huán)亞單位端環(huán)射輻狀結(jié)構(gòu) 核質(zhì)環(huán)胞質(zhì)環(huán)環(huán)亞單位核孔復(fù)合體結(jié)構(gòu)的模式圖解 (Alberts等, 2002)第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)810種糖蛋白，構(gòu)成核孔蛋白家族;作用：構(gòu)成胞質(zhì)絲和核質(zhì)絲，直接參與胞質(zhì)和核質(zhì)之間的物質(zhì)交換核 孔 蛋 白(nucleoporin)跨膜的N-連接糖蛋白;具有信號(hào)肽和兩個(gè)疏水性序列;作用：將核孔復(fù)合體鉚連到核膜上O-

6、連接糖蛋白Gp210核孔復(fù)合體在進(jìn)化上高度保守核孔復(fù)合體核纖層外層核膜內(nèi)層核膜染色質(zhì)膜間隙第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)已知的幾種核孔蛋白在核孔復(fù)合體中的空間定位第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)2. 核孔復(fù)合體的功能經(jīng)由核孔復(fù)合體的核質(zhì)間雙向運(yùn)輸?shù)穆肪€圖解RNA的運(yùn)出核糖體亞單位的運(yùn)出核蛋白的運(yùn)進(jìn)自由擴(kuò)散第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)親核蛋白(karyophilic protein)：(1) 核蛋白的運(yùn)進(jìn)能經(jīng)核孔入核較大的頭部細(xì)長(zhǎng)的尾部不能經(jīng)核孔入核一種酸性大的核蛋白，與核小體的裝配有關(guān)核質(zhì)蛋白(nucleoplasmin)：第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)能經(jīng)核孔入核非洲爪蟾卵母細(xì)胞中核質(zhì)蛋白注射實(shí)驗(yàn)的圖解第一節(jié) 細(xì)胞

7、核的形態(tài)結(jié)構(gòu)由48個(gè)氨基酸構(gòu)成的一段特殊的氨基酸序列，富含Lys、Arg和Pro等帶正電的氨基酸核輸入信號(hào)(nuclear import signal)此信號(hào)與信號(hào)肽不同：它可以定位在親核蛋白的不同部位，而不僅僅是位于N-末端；且在進(jìn)入核后也不被切除.SV40的T抗原：“Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val”Thr第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)又稱為核定位信號(hào)（nuclear localization signal, NLS） 失去核輸入信號(hào)的作用第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)親核蛋白進(jìn)入核內(nèi)需要有受體蛋白的介導(dǎo)具有核輸入信號(hào)序列的蛋白質(zhì)核輸入信號(hào)結(jié)合蛋白(nuclear import

8、signal-binding protein, NBP)親核蛋白只有與受體蛋白結(jié)合后才能進(jìn)入核內(nèi)！親核蛋白與輸入蛋白/異二聚體(即NBP)結(jié)合;形成的親核蛋白-受體復(fù)合體與核孔復(fù)合體的胞質(zhì)絲結(jié)合;胞質(zhì)絲向核彎曲，中央栓構(gòu)象發(fā)生改變，形成親水通道，蛋白質(zhì)復(fù)合物進(jìn)入核內(nèi);該復(fù)合體與Ran-GTP相互作用，引起復(fù)合體解體，釋放出親核蛋白;輸入蛋白與Ran-GTP結(jié)合在一起被運(yùn)回細(xì)胞質(zhì)，Ran-GTP在細(xì)胞質(zhì)中被水解為Ran-GDP，Ran-GDP隨后被運(yùn)回核內(nèi)，而輸入蛋白 也在核內(nèi)輸出蛋白(exportin)的幫助下運(yùn)回細(xì)胞質(zhì)。 研究表明，親核蛋白向細(xì)胞核輸入的具體過程如下：第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)

9、(2) 核糖體蛋白的運(yùn)進(jìn)和核糖體亞單位(rRNP)的運(yùn)出第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)(3) 成熟mRNA和scRNA的運(yùn)出第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)RNA運(yùn)出細(xì)胞核的模式圖解(a)及其電鏡照片(b)mRNA以mRNP的形式經(jīng)核孔被運(yùn)出核5-端m7G帽tRNA的運(yùn)出：也是一個(gè)蛋白質(zhì)介導(dǎo)的過程核孔復(fù)合體對(duì)親核蛋白的運(yùn)進(jìn)和各種RNA和核糖體亞單位的運(yùn)出均具有高度選擇性，運(yùn)輸過程既涉及主動(dòng)運(yùn)輸又存在有被動(dòng)運(yùn)輸。其主動(dòng)運(yùn)輸是一個(gè)信號(hào)識(shí)別與載體介導(dǎo)的過程，需要消耗ATP來提供能量。小 結(jié)第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)位于內(nèi)核膜內(nèi)表面和染色質(zhì)之間由中間絲相互交織而形成的一層蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（三）核纖層核纖層的厚度隨細(xì)胞種

10、類不同而有差異：第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)一般1020nm，最厚可30100nm核質(zhì)環(huán)核纖層染色質(zhì) 核被膜胞質(zhì)環(huán)利用核纖層蛋白熒光抗體染色后所顯示出的核纖層的立體圖象(a) 紅色為核纖層; (b) 白色為核纖層.第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)(b)核纖層蛋白(lamins)核纖層蛋白核纖層的構(gòu)件分子：核纖層的免疫組織化學(xué)、電鏡圖像及其模式圖解(a) 核纖層的電鏡圖像 (自U. Aebi等，1986)；(b) 核纖層是由三種核纖層蛋白交織而成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，核纖層一側(cè)通過核纖層蛋白與內(nèi)層核膜緊密結(jié)合在一起，另一側(cè)為染色質(zhì)纖維提供附著位點(diǎn)。(自Alberts,B.,et al.,2002) 第一節(jié) 細(xì)胞核的

11、形態(tài)結(jié)構(gòu)(a)(b)1. 維持核孔的位置和核被膜的形狀;2. 為間期染色質(zhì)提供附著位點(diǎn)，是染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)支架;3. 在有絲分裂過程中，還與核被膜的解體和重建有關(guān).第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)核纖層功能：有絲分裂過程中核纖層蛋白磷酸化和去磷酸化與核被膜解體及重建的關(guān)系核質(zhì)環(huán)核纖層染色質(zhì) 核被膜胞質(zhì)環(huán)二、染色質(zhì)和染色體的分子結(jié)構(gòu)染色質(zhì)(chromatin)染色體(chromosome)第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)染色質(zhì)在細(xì)胞周期中會(huì)發(fā)生周期性變化：中期染色體染色質(zhì)化學(xué)組成存在形式常染色質(zhì)(euchromatin)異染色質(zhì)(heterochromatin)常染色質(zhì) (euchromatin)染色質(zhì) (chro

12、matin)異染色質(zhì)(heterochromatin)第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)（一）染色質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)染色質(zhì)粗纖維(30nm)(a)和細(xì)纖維(10nm)(b)的電鏡照片30nm粗纖維為染色質(zhì)的自然狀態(tài)，10nm細(xì)纖維為消化處理后產(chǎn)生的細(xì)線狀結(jié)構(gòu)粗纖維細(xì)纖維第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)染色質(zhì)經(jīng)微球菌核酸酶的逐步消化降解由200個(gè)堿基對(duì)的DNA鏈結(jié)合有9個(gè)組蛋白分子組成的重復(fù)亞單位.H1及核心八聚體組蛋白在核小體結(jié)構(gòu)中的位置圖解核心八聚體連接區(qū)DNA147165200165bp雙鏈DNA第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)1. 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位核小體(nucleosome)核小體的結(jié)構(gòu)及核小體絲的模式圖解 (a

13、) 核小體核心由146147bp DNA纏繞核心八聚體形成, DNA的進(jìn)頭和出頭為H1所封閉構(gòu)成了穩(wěn)定的染色質(zhì)小體, 含有165166bp, 3435bp連接DNA。(b) 核小體絲的模式圖解。染色質(zhì)小體靠連接區(qū)DNA相互連接在一起，形成鋸齒狀的核小體絲結(jié)構(gòu)。第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)(a) 核小體中DNA與組蛋白核心的空間位置關(guān)系圖解，示DNA纏繞在組蛋白核心的外圍；(a)第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)(b) 核小體中DNA與組蛋白核心在空間和結(jié)構(gòu)上的關(guān)系圖解(b) 纏繞在組蛋白核心上的DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，示DNA中AT豐富區(qū)靠近組蛋白核心、而GC豐富區(qū)背向組蛋白核心。核小體中DNA與組蛋白核心在空間

14、和結(jié)構(gòu)上的關(guān)系圖解RNA轉(zhuǎn)錄時(shí)核小體結(jié)構(gòu)的變化DNA復(fù)制時(shí), 要發(fā)生核小體的局部解體和組蛋白8聚體的全保留式組裝第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)制方向復(fù)制體易被DNase I 降解非組蛋白等特異性DNA結(jié)合蛋白的識(shí)別位點(diǎn)基因表達(dá)的調(diào)控核酸酶的超敏感位點(diǎn)(nuclease hyper-sensitive site)：DNA結(jié)合蛋白第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)30nm染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的模式圖解(a)螺旋管的正面觀，螺旋管的每一圈由68個(gè)核小體圍成，H1具有穩(wěn)定30nm纖維的作用； (b) 螺旋管側(cè)面觀；(c) 30nm染色質(zhì)纖維的模式結(jié)構(gòu)第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)裝配核酸酶降解30nm染色質(zhì)纖維10nm核小體細(xì)

15、絲2. 常染色質(zhì)與異染色質(zhì)人口腔粘膜細(xì)胞的細(xì)胞核常染色質(zhì)異染色質(zhì)在間期和早前期中，染色質(zhì)仍處于凝縮狀態(tài)的那些區(qū)段第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)異染色體(heterochromosome)：完全由異染色質(zhì)組成的染色體(如許多物種的性染色體)人類女性細(xì)胞的細(xì)胞核核被膜內(nèi)側(cè)有巴氏小體(Barr body), 圖中箭頭所指恒定型異染色質(zhì)(constitutive heterochromatin)兼性異染色質(zhì)(faculative heterochromatin)異染色質(zhì)在各種細(xì)胞中總處于凝縮狀態(tài)，最后進(jìn)行復(fù)制。亦稱組成型異染色質(zhì) 只是在幾種細(xì)胞中或在一定的發(fā)育時(shí)期和生理?xiàng)l件下可變?yōu)楫惾旧|(zhì)第一節(jié) 細(xì)胞核的形

16、態(tài)結(jié)構(gòu)分裂中期高度凝縮染色體的形態(tài)（二）中期染色體的結(jié)構(gòu)第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)中期染色體結(jié)構(gòu)的形成10nm染色質(zhì)絲經(jīng)過4級(jí)壓縮，形成了高度濃縮的中期染色體一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)粗纖維超粗纖維中期染色體染色質(zhì)經(jīng)逐級(jí)凝縮形成染色體的模式圖解去掉組蛋白后的染色體照片經(jīng)聚陰離子葡聚糖硫酸(polyanion sulfate-PDS)處理去掉組蛋白后的中期染色體。由非組蛋白形成了2個(gè)支架，每一染色單體占據(jù)一個(gè)支架，2支架在著絲粒處相連；支架周圍為松展開的DNA絲非組蛋白支架染色體骨架(chromosome scaffold)保持著染色體的基本輪廓第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)組蛋白在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)中的組織作用間期染色質(zhì)壓縮形成中期染色體需要凝集蛋白(condensins)的參與。這類蛋白能利用ATP水解釋放的能量來驅(qū)動(dòng)每條間期染色體的卷曲，進(jìn)而形成一個(gè)分裂期染色體。染色質(zhì)折疊/壓縮的分子機(jī)制：第一節(jié) 細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)凝集蛋白是含有染色體結(jié)構(gòu)維持(structural maintenance of chromosomes, S