武漢大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)課件-細(xì)胞核

1、 第十三章 細(xì)胞核（nucleus） LOGO細(xì)胞與細(xì)胞核模式圖LOGO 細(xì)胞核的概述* 蘇格蘭的Brown 在1831發(fā)現(xiàn)；* 真核細(xì)胞最顯著結(jié)構(gòu)；* 體積最大、功能最重要細(xì)胞器；* 遺傳物質(zhì)儲(chǔ)藏和復(fù)制中心；* DNA的轉(zhuǎn)錄中心； * 控制細(xì)胞一切生命活動(dòng)；* 在分裂間期存在。LOGO 細(xì)胞核的形狀、大小與數(shù)目 形態(tài)：不同類型細(xì)胞的核差異大，與細(xì)胞形態(tài)相關(guān)。單核細(xì)胞中性粒細(xì)胞LOGO大小：隨細(xì)胞類型和發(fā)育 時(shí)期而不同。 核相對(duì)大小的表示:核質(zhì)比（NP） 核體積胞質(zhì)體積。數(shù)目：大多1個(gè); 軟骨細(xì)胞2個(gè)；破骨細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞多核。骨骼肌細(xì)胞平滑肌細(xì)胞LOGO 第一節(jié) 核被膜結(jié)構(gòu)和功能一、核被膜的

2、主要化學(xué)成分 核被膜（nuclear envelope)又稱核膜(nuclear membrane)主要化學(xué)成分：（一）蛋白質(zhì) 6575 20多種 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)標(biāo)記酶G6PD，與電子傳遞有關(guān)的酶類，均見(jiàn)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及核膜上，兩者成分上有相似性，濃度有差異。（二） 脂類 與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相似，都含不飽和脂肪酸卵磷脂和磷脂酰乙醇胺，以及膽固醇、甘油三脂。不飽和脂肪酸濃度低，膽固醇、甘油三脂濃度高。LOGOLOGO 二、核被膜的微細(xì)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1、雙層膜、外膜可與rER 連通并附核糖體。2、內(nèi)膜附有核纖層（nuclear lamina）3、內(nèi)外膜間為核周間隙( perinuclear space)4、有核孔（nu

3、clear pore), 數(shù)目因細(xì)胞而異； 核孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，稱核孔復(fù)合體(nuclearpores） 。LOGO細(xì)胞核超微結(jié)構(gòu)電鏡照LOGO核孔復(fù)合體掃描電鏡照LOGO捕魚籠模型LOGO核籃模型LOGO捕魚籠式模型LOGO捕魚籠式模型結(jié)構(gòu)組分：胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmic ring），外環(huán) 核質(zhì)環(huán)（nuclear ring），內(nèi)環(huán) 輻（spoke） 中央栓（central plug）LOGOLOGO核孔復(fù)合體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖LOGO三、核被膜的主要功能（一）、區(qū)域化作用。 （1）使核質(zhì)與胞質(zhì)分開(kāi)，有利于遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定； （2）RNA的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成在時(shí)間和空間上分開(kāi)；LOGO(二)、合成生物大分子。

4、 (三)、控制細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)間的物質(zhì)交換。 離子和小分子物質(zhì)可經(jīng)核膜、核孔運(yùn)輸 （1）自由擴(kuò)散； （2）協(xié)助擴(kuò)散； LOGO大分子和顆粒經(jīng)核孔復(fù)合體運(yùn)輸 （3）信號(hào)（NLS，入核信號(hào)）介導(dǎo)的核輸入； （4）信號(hào)（NES，出核信號(hào)）介導(dǎo)的核輸出；1.雙向運(yùn)輸出：mRNA、合成的核糖體大小亞基進(jìn)：DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄所需的酶及組蛋白、 核糖體蛋白、核質(zhì)蛋白等2.是一個(gè)需能的過(guò)程 LOGOLOGO核質(zhì)蛋白有選擇地通過(guò)核孔復(fù)合體的實(shí)驗(yàn)LOGO 核孔主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制LOGO 第二節(jié) 染色質(zhì)和染色體 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

5、間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。 染色體(chromosome):指細(xì)胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過(guò)程中, 由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)。 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)。 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。LOGO 一、染色質(zhì)與染色體的主要化學(xué)組成DNA 不同生物有大差異，人46個(gè)。RNA DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物。組蛋白 堿性蛋白、帶正電、結(jié)合DNA。非組蛋白酸性蛋白、帶負(fù)電、結(jié)合組蛋白。 DNA ：組蛋白 ： 非組蛋白 ： RNA 1 ： 1 ： 0.51.5 ：0.050.1LOGO（一）、DNA 除RNA病毒外，DNA幾乎是所有生物遺傳信息

6、的攜帶者。 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。通常隨物種的復(fù)雜性而增加。 LOGOLOGO 斷裂基因：真核細(xì)胞的大部分基因中含有非編碼 序，即基因中的編碼序列是不連續(xù)的， 稱為斷裂基因( split gene)。LOGOEn:增強(qiáng)子；P1 . P2 . P3 啟動(dòng)子（TATA框、CAAT框、GC框）; E:外顯子; I:內(nèi)含子； UT: 非翻譯區(qū)； GT-AG:外顯子-內(nèi)含子接頭 斷裂基因的結(jié)構(gòu)圖解LOGO將DNA基因中非編碼順序(如內(nèi)含子)轉(zhuǎn)錄的部分剪掉，然后將 DNA基因中編碼順序(外顯子)拼接起來(lái)。LOGO單一序列：約占基因組6065高度重復(fù)序列：由很短的堿基

7、序列重復(fù)而成，長(zhǎng)度2200 bp，重復(fù)次數(shù)106108。中度重復(fù)序列：約占基因組2030，由長(zhǎng)度300 bp7000 bp的序列重復(fù)而成，重復(fù)次數(shù)10105。真核細(xì)胞DNA序列LOGO復(fù)制起始點(diǎn)序列。著絲粒序列。端粒序列。染色體DNA的三個(gè)必需序列LOGO 染色質(zhì)中的RNA含量很低，隨生理狀態(tài)而變化。功能不明確。（二）、RNALOGO（1）組蛋白： 特點(diǎn)： pH10，帶有正電荷，屬堿性蛋白質(zhì)。 H1、H2A、H2B、H3和H4。 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）。 沒(méi)有種屬及組織特異性，在進(jìn)化上十分

8、保守。 （2）非組蛋白蛋白質(zhì)：1、含有較多帶負(fù)電荷的天門冬氨酸、谷氨酸，屬于酸性蛋白。2、非組蛋白數(shù)量少種類極多。3、具有種屬和組織的特異性。4、保守性較低，含量不穩(wěn)定。（三）、蛋白質(zhì)LOGO二、染色體的構(gòu)建（一）染色體的一級(jí)結(jié)構(gòu)單位-核小體（nucleosome）。（二）染色體二級(jí)結(jié)構(gòu)螺線管(solenoid)（三）染色體的三級(jí)結(jié)構(gòu)超螺線管（supersolenoid)（四）染色體的四級(jí)結(jié)構(gòu)染色單體（chromatid）LOGO（一）染色體的一級(jí)結(jié)構(gòu)單位-核小體 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)LOGO 核小體的基本結(jié)構(gòu)核小體核心：(

9、H2A、H2B、H3、H4)2 組成八聚體，八聚體連接的順序是：H2A-H2B-H4-H3-H3-H4-H2B-H2A核小體DNA：146bp的DNA纏繞在八聚體的外面1.75圈。H1鎖住核小體DNA的進(jìn)出口處， DNA雙螺旋共纏繞2圈165bp。加上H1稱為染色質(zhì)小體(chromotosome)。每個(gè)核小體其直徑為11nm，高6nm的扁圓柱體。LOGO連接DNA(1inker DNA)：35bp左右DNA將核小體串聯(lián)成直徑10nm的串珠鏈，是染色質(zhì)（體）的一級(jí)結(jié)構(gòu)。LOGO 由X-射線晶體衍射所揭示的核小體三維結(jié)構(gòu)（引自K.Luger等，1997） a.通過(guò)DNA超螺旋中心軸所顯示的核小體核

10、心顆粒8個(gè)組蛋白分子的位置； b垂直與中心軸的角度所見(jiàn)到的核小體核心顆粒的盤狀結(jié)構(gòu)； c半個(gè)核小體核心顆粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4種核心組 蛋白分子，每種組蛋白由3個(gè)螺旋和一個(gè)伸展的N-端尾部組成。 LOGOLOGO核小體結(jié)構(gòu)要點(diǎn)每個(gè)核小體單位包括200bp左右的DNA超螺旋和一個(gè)組蛋白八聚體及一分子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20bpDNA，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166bpDNA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

11、連接DNA相連，典型長(zhǎng)度60bp，不同物種變化為080bp。 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，實(shí)驗(yàn)表明，核小體具有自組裝（self-assemble）的性質(zhì)。 LOGO10nm的串珠鏈細(xì)線螺旋化形成30nm的中空管稱螺線管，每圈由6個(gè)核小體組成，H1位于中空的螺線管的內(nèi)部，對(duì)螺線管的穩(wěn)定起著重要的作用。（二）染色體二級(jí)結(jié)構(gòu)螺線管LOGOLOGOLOGO（三）染色體的三級(jí)結(jié)構(gòu)超螺線管 由30nm螺線管經(jīng)螺旋化形成直徑為0.20.4m的圓筒狀結(jié)構(gòu)，即染色質(zhì)(染色體)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。LOGO（四）染色體的四級(jí)結(jié)構(gòu)染色單體 超螺線管進(jìn)一步螺旋折疊形成染色單體，即染

12、色體的四級(jí)結(jié)構(gòu)。LOGO壓縮約7倍 壓縮約6倍 DNA-核小體-螺線管 壓縮約40倍 壓縮約5倍 -超螺線管-染色單體 四級(jí)包裝結(jié)構(gòu)共壓縮了約8，400倍。LOGO(五)染色體袢環(huán)結(jié)構(gòu)模型 1977年Laemmli用NaCl溶液或硫酸葡聚糖加肝素處理Hela細(xì)胞中期染色體，去除組蛋白等成分后，在電鏡下可看到由非組蛋白構(gòu)成的染色體骨架，在這個(gè)基礎(chǔ)上提出了“袢環(huán)”模型Hela細(xì)胞去除組蛋白染色體的電鏡照片非組蛋白支架為2條染色單體的支架結(jié)構(gòu)，DNA由支架區(qū)域發(fā)出。LOGO染色體袢環(huán)結(jié)構(gòu)模型特點(diǎn)：非組蛋白構(gòu)成的染色體骨架在著絲粒區(qū)域相連接,由 骨架伸出的無(wú)數(shù)的DNA側(cè)環(huán)。直徑為30nm的螺線管一端與

13、支架的某一點(diǎn)結(jié)合，另 一端向周圍呈環(huán)狀迂回后再回到結(jié)合點(diǎn)處, 沿染色 體縱軸, 由中央向四周伸出,構(gòu)成“袢環(huán)”。每18個(gè)袢環(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(jí)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。LOGO 兩棲類動(dòng)物卵母細(xì)胞中燈刷染色體LOGOLOGOLOGOLOGO人12號(hào)染色體的整裝電鏡圖顯示由30nm的纖維組成的兩條染色單體及其在著絲粒處結(jié)合LOGOLOGO三、染色質(zhì)的類型與功能根據(jù)間期核中染色質(zhì)的形狀、結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)的不同分為：（一）、常染色質(zhì)（euchromatin） （二）、異染色質(zhì)（heterochromatin） L

14、OGO（一）、常染色質(zhì)1）形態(tài)結(jié)構(gòu)、存在狀態(tài)： 直徑約10nm、較疏松的細(xì)纖維結(jié)構(gòu)。 對(duì)于堿性染料著色淺，弱嗜堿性，位于核中央淺亮區(qū)。2）功能狀態(tài)： 多為單一序列，為基因所在部位，具有轉(zhuǎn)錄活性，控制著間期細(xì)胞的活動(dòng)。 其DNA多在S期的早、中期復(fù)制。LOGOLOGO（二）、異染色質(zhì)1）形態(tài)結(jié)構(gòu)、存在狀態(tài)： 直徑為2030nm高度纏繞的纖維絲。 對(duì)于堿性染料著色深，強(qiáng)嗜堿性，常緊貼于核纖層內(nèi)面，或圍繞在核仁周圍。LOGOLOGO2）功能狀態(tài)分類：一）結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)(constitutive heterochromatin)： 異染色質(zhì)的主要類型。1）所有細(xì)胞中呈濃縮狀態(tài)，沒(méi)有轉(zhuǎn)錄活性。2）由高度重

15、復(fù)的DNA序列構(gòu)成，稱衛(wèi)星DNA 。3）多定位于中期染色體著絲粒、端粒、次縊痕，參 與高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成。4）參與細(xì)胞分裂、控制結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的基因表達(dá)。5）其DNA多在S期的晚期復(fù)制。LOGO二）兼性異染色質(zhì)(facultative heterochromatin) 有些染色質(zhì)僅在某些類型的細(xì)胞或一定的發(fā)育階段的細(xì)胞中呈異染色質(zhì)狀態(tài)。在某些條件下可以向常染色質(zhì)轉(zhuǎn)變，恢復(fù)轉(zhuǎn)錄活性，故稱為兼性異染色質(zhì)。 X染色質(zhì)：間期細(xì)胞一條呈異固縮狀態(tài)X染色體，也稱巴氏小體(Barr body)LOGO常染色質(zhì)與異染色質(zhì)在細(xì)胞中的分布及相互轉(zhuǎn)換 1）分布相與細(xì)胞分化程度相關(guān) 分化程度愈高，致密異染色質(zhì)為主； 增殖活躍

16、的細(xì)胞，疏松的常染色質(zhì)為主。2）常染色質(zhì)與兼性異染色質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)換。LOGO四、染色體的形態(tài)特征LOGO根據(jù)著絲粒位于染色體上的位置，可將染色體分為：LOGO中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)包括： 染色單體 著絲粒 動(dòng)粒 次縊痕 隨體 端粒LOGOLOGO著絲粒（centromere）與動(dòng)粒(kinetochore)動(dòng)粒（著絲點(diǎn)）結(jié)構(gòu)域(kinetochore domain)： 內(nèi)板(inner plate) 中間間隙(middle space),innerzone 外板(outer plate) 纖維冠(fibrouscorona) 中心結(jié)構(gòu)域(central domain)：含高度重復(fù)序列DNA 配對(duì)

17、結(jié)構(gòu)域(pairing domain)： 內(nèi)部著絲粒蛋白INCENP(inner centromere protein) 染色單體連接蛋白clips(chromatid linking proteins) LOGOLOGOLOGOLOGOLOGO五、染色體的數(shù)目核型和帶型人類染色體分類參數(shù)：臂比p/q。著絲粒指數(shù)：p/(p+q)100 相對(duì)長(zhǎng)度：某條染色體長(zhǎng)度占一套染色體長(zhǎng)度總和的百分比。LOGO=核型（karyotype）：將一個(gè)體細(xì)胞中的全部染色體，按其大小、形態(tài)特征順序排列所構(gòu)成的圖像。 LOGOLOGOLOGOLOGO界標(biāo)(landmark) ：每條染色體經(jīng)顯帶后具有的穩(wěn)定的、顯著形態(tài)

18、學(xué)特征的標(biāo)記。包括染色體兩臂的末端、著絲粒和某些帶。區(qū)(region)：位于兩界標(biāo)之間的區(qū)域。帶(band)：每一條染色體都應(yīng)看著是由一系列的帶組成，即沒(méi)有非帶區(qū)。每一條帶可借較亮（深）或較暗（淺）的著色強(qiáng)度差異與相鄰帶相區(qū)別。描述一特定的帶時(shí)，需寫明4個(gè)內(nèi)容： 1）染色體號(hào)； 2）臂的符號(hào)； 3）區(qū)的序號(hào)； 4）帶的序號(hào)LOGO第三節(jié)、核纖層和核骨架 核纖層(nuclear lamina)：真核細(xì)胞中緊貼內(nèi)核膜內(nèi)側(cè)、由纖維蛋白組成的纖維狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其厚薄隨細(xì)胞不同而異。核纖層在細(xì)胞核內(nèi)與核骨架及染色質(zhì)結(jié)合，在細(xì)胞核外與中間纖維連接，從而使細(xì)胞核骨架與細(xì)胞質(zhì)骨架相連。 核基質(zhì)（nuclear

19、matrix）或核骨架(nuclear skeleton)的概念 狹義概念指核基質(zhì)，即細(xì)胞核內(nèi)除了核被膜、核纖層、染色質(zhì)與核仁以外由非組蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系。 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。 LOGOLOGO核骨架的形態(tài)結(jié)構(gòu)LOGO一、核纖層（一）、 核纖層的組成成分：核纖層蛋白(lamin)： lamin A、lamin B、lamin CLOGOLOGO（二）核纖層的主要功能：1.參與核被膜重建及染色質(zhì)的凝集相關(guān)。 LOGOLOGO2.參與DNA的復(fù)制及基因表達(dá)LOGO二、核基質(zhì)(nuclear matrix) (一)、核骨架的主要成分：

20、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。 1.核基質(zhì)蛋白 2.功能性的核基質(zhì)結(jié)合蛋白: 與核基質(zhì)結(jié)合的酶; 細(xì)胞調(diào)控蛋白; RNP; 病毒蛋白; LOGO （二）、核骨架的功能對(duì)DNA的空間構(gòu)型起支撐和維系作用，參與DNA超螺旋化的構(gòu)筑；為DNA復(fù)制提供場(chǎng)所，使復(fù)制有效、迅速地進(jìn)行；RNA轉(zhuǎn)錄的場(chǎng)所，只有結(jié)合上核骨架基因才能轉(zhuǎn)錄；轉(zhuǎn)錄形成的RNA(如hnRNA)在核骨架上加工修飾；與細(xì)胞分裂過(guò)程中染色體構(gòu)建、核形態(tài)的消失和重建等密切相關(guān)。LOGO第四節(jié)、核 仁LOGO一、核仁的亞微結(jié)構(gòu) （一）纖維中心(fibrillar centers,FC) （二）致密纖維組分(dens

21、e fibrillar component,DFC) （三）顆粒組分(granular component,GC)（四）核仁相隨染色質(zhì)(nucleolar associated chromatin)與核仁基質(zhì)（(nucleolar matrix) LOGO（一）纖維中心(FC) 包在顆粒成分內(nèi)的核仁內(nèi)染色質(zhì)，為低電子密度區(qū)域，DNA上有rRNA基因。LOGO（二）致密纖維組分（DFC) 纖維中心周圍緊密排列的直徑510nm左右的纖維，電子密度最高，染色較深。是RNA與蛋白質(zhì)形成的核糖核蛋白復(fù)合物。是DNA正活躍地轉(zhuǎn)錄rRNA的區(qū)域。LOGO（三）顆粒組分(GC) 多分布在核仁的周邊，顆粒直徑約1520nm，電子密度較高。這些顆粒代表著正在加工、處于不同成熟階段的核糖體亞基的前體顆粒。LOGO（四）核仁相隨染色質(zhì)與核仁基質(zhì)LOGO 三種基本核仁組分和rRNA的轉(zhuǎn)錄與加工形成RNP的不同事件有關(guān)：FCs是rRNA基因的儲(chǔ)存位點(diǎn)； 轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在FC與 DFC的交界處，并加工初始轉(zhuǎn)錄本； 顆粒組分區(qū)（GC）負(fù)責(zé)裝配核糖體亞單位，是核糖體亞單位成熟和儲(chǔ)存的位點(diǎn)。 LOGO（一）核仁是細(xì)胞核中rRNA合成的中