細胞核和染色體(5)課件

1、關于細胞核與染色體 (5)第一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月概述 細胞核是真核細胞內最大、最重要的細胞器，是細胞遺傳與代謝的調控信息中心。 原核細胞中，沒有核膜，稱為擬核。有無核膜是區(qū)分原核細胞與真核細胞的主要標志。第二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1781年Trontana發(fā)現于魚類細胞。 1831年R.Brown發(fā)現于植物并首次命名（nucleus)。形狀：通常呈球形，但也有長形、扁平和不規(guī)則的形態(tài)。大?。和ǔ＜毎说捏w積約為細胞體積的5-10%。 位置：細胞中央 ，成熟植物細胞的邊緣。概述第三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月數目：通常一個，成熟的篩管和紅

2、細胞（0）、肝細胞、心肌細胞(1-2）、破骨細胞(650）、骨骼肌細胞(數百）、植物氈絨層細胞(24)。結構：核被膜、核仁、核基質、染色質、核纖層。功能：遺傳、發(fā)育。 概述第四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月Nucleus structure第五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié). 核膜（Nuclear envelope） 第六張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月構成：外核膜（outer nuclear membrane）內核膜（inner nuclear membrane）核周隙（perinuclear space）核纖層（lamina）外核膜：內質網的一部分，

3、胞質面附有核糖體。內核膜：內核膜面向核基質，厚約7-8 nm，與外核膜平行排列，其表面無核糖體顆粒，存在核纖層蛋白B受體。核周隙：寬20-40nm，與內質網腔相通。核纖層：位于內核膜的內表面30160 nm的蛋白纖維網絡，對核被膜起支撐作用，并與染色質及核骨架相連。一、核膜的結構第七張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第八張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月提供保護性屏障：核膜的出現，為細胞遺傳信息的保存、復制、傳遞及發(fā)揮其對細胞代謝和發(fā)育的指導作用創(chuàng)造了特定的微環(huán)境。染色體的定位和酶分子的支架：染色質通過核纖層以及內核膜的膜內在蛋白同核膜相連。另外，核內的一些酶以膜蛋白的形式存在

4、，有利于核內生化反應的區(qū)域化，從而發(fā)揮高度的催化活性。調控核內外物質交換和信息交流。核被膜的功能第九張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二. 核孔（nuclear pore)數量隨細胞種類、轉錄活性不同而有較大差異哺乳類細胞:3,0004,000個非洲爪蟾卵母細胞:1000萬個由內外兩層膜局部融合貫穿形成核孔。第十張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 核孔復合體的結構核孔是一個相對獨立的復雜結構，直徑120-150 nm，由50多種蛋白構成，呈八面體對稱形式分布，稱為核孔復合體（nuclear pore complex, NPC)第十一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月

5、NPC結構模型 胞質環(huán)（cytoplasmic ring），外環(huán) 核質環(huán)（nuclear ring），內環(huán),末端形成核籃 輻（spoke）柱狀亞單位（column subunit）腔內亞單位(luminal subunit)環(huán)帶亞單位（annular subunit） 中央栓（central plug）：transporter第十二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月核孔復合體（NPC）第十三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 核孔復合體的運輸特點 特殊的跨膜運輸蛋白復合體，雙功能、 雙向性的親水性核質交換通道 。 雙功能 雙向性通過核孔復合體的被動擴散通過核孔復合體的主動運

6、輸親核蛋白的核輸入RNA、RNP的核輸出第十四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 雙向運輸的路線圖解RNA的運出核糖體亞單位的運出核蛋白的運進自由擴散第十五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 核蛋白、核定位信號、核輸出信號、輸入蛋白、輸出蛋白核蛋白（nuclear protein）：是指在細胞質中合成，需要或能夠進入細胞核內發(fā)揮功能的一類蛋白質。如組蛋白、DNA合成以及RNA轉錄和加工的酶類、各種蛋白調控因子和組裝成核糖體大小亞基的蛋白分子等。核定位信號（nuclear localization signal，NLS）：引導蛋白質進入細胞核的一段信號序列。NLS對連接的蛋白

7、質無特殊要求，完成輸入后不被切除。核輸出信號（nuclear export signal, NES）:為核內物質輸出細胞核的信號，位于在核內合成后進入細胞質中工作的分子中。有些蛋白質常需要往返于核質和細胞質之間，這些穿梭蛋白既有NLS又有NES。第十六張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月輸入蛋白（importin）：是可溶性的細胞質基質蛋白，為NLS的受體，能夠與核蛋白的核定位信號和核孔蛋白結合，穿過核孔復合體入核，在核內與核蛋白分離后再返回到細胞質中，是一種穿梭受體（shuttling receptor）。輸出蛋白（exportin）：存在于細胞核中、能夠識別并結合輸出信號和核孔蛋白，

8、引導核內物質通過核孔復合體輸出到細胞質，然后快速通過核孔回到細胞核中。 第十七張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 核運輸系統(tǒng)核蛋白的輸入第十八張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月核蛋白的輸出細胞核內的物質輸出到細胞質也是信號介導的過程。細胞核內輸出到細胞質的兩類主要物質是核糖體亞基和各種RNA。核輸出信號 (Nuclear Export Signal，NES) 在輸出蛋白和Ran蛋白的幫助下通過核孔輸出到胞質。RNA分子出核轉運的機制細胞核中合成的RNA很快與蛋白質形成異質核糖核蛋白（heterogeneous ribonucleoprotein, hnRNP），經加工為成熟

9、的信使RNP（messenger RNP, mRNP），RNP的蛋白具有輸出信號，可被輸出受體識別運輸到胞質溶膠。第十九張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月核纖層位于內核膜的下方，是由核纖層蛋白單體組裝起來的多聚體的纖維網絡。核纖層蛋白質分為A、B兩型。三、核纖層的結構與功能第二十張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月保持核的形態(tài)：核纖層纖維網絡附著在內核膜上，成為膜骨架，極大地增強了核膜的機械強度，為細胞核的形態(tài)與功能提供了結構支持參與核膜重建以及染色質凝集：細胞分裂時呈現出周期性的變化：分裂晚前期核纖層發(fā)生磷酸化而解聚，核膜崩解為小泡，其中B型纖層蛋白與核膜小泡結合，A型則溶于胞

10、質中；分裂末期，核纖層蛋白去磷酸化重新組裝，介導核膜重建。另外核纖層為染色質提供錨定位點，從而介導了染色體環(huán)的形成。核纖層結構有助于DNA復制：缺乏核纖層的細胞核不能進行DNA復制，間接反映了核纖層在DNA復制中的作用。核纖層的功能第二十一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 染色質與染色體染色質（chromatin）：是間期細胞核內能被堿性染料染色的物質，是由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的復合物，是遺傳物質在間期的存在形式。染色體（chromosome）：是細胞在有絲分裂和減數分裂過程中由染色質聚縮而成的棒狀結構，是染色質的高級結構。染色體和染色質在化學本質上沒有差異

11、，只是在構型上不同，是遺傳物質在細胞周期不同階段的不同表現形式。第二十二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一、染色質的化學組成組成：DNA、組蛋白、非組蛋白、少量RNA比例：1:1:0.6:0.1。第二十三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）DNA3種序列：單一序列；中度重復序列（1015）；高度重復序列（105）。3種構像：B-DNA、Z-DNA、A-DNA。3種基本元素：自主復制序列(ARS)，是DNA復制的起點。著絲粒序列(CEN) ，含衛(wèi)星DNA。端粒序列(TEL)。酵母人工染色體(YAC )：含上述3種成分，用于轉基因。第二十四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022

12、年6月Three key regions of a chromosome第二十五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月帶正電荷，含Arg，Lys，屬堿性蛋白，共5種，分為：核心組蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4；連接組蛋白（linker histone）：H1。結構：高度保守，尤其是H4。核心組蛋白由球形部和尾部構成，球形部借Arg與磷酸二脂骨架間的靜電作用使DNA分子纏繞在組蛋白核心上，形成核小體，尾部含有大量Arg和Lys，為組蛋白轉譯后進行修飾的部位。H1多樣性，具有屬(genus)和組織特異性。（二）組蛋白第二十六張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6

13、月序列特異性DNA結合蛋白。特性：含有較多天冬氨酸、谷氨酸，屬酸性蛋白質。常常是被磷酸化，帶負電荷。具有組織特異性和發(fā)育階段的特異性，且在活性染色質中的含量要比在非活性染色質中的含量高。整個細胞周期都進行合成，組蛋白只在S期合成。能識別特異的DNA序列，借助于氫鍵和離子鍵與DNA大溝結合。功能：幫助DNA折疊；協(xié)助DNA復制；調節(jié)基因表達。（三）非組蛋白第二十七張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、常染色質和異染色質根據間期染色質的形態(tài)特征和染色性質的不同，分為異染色質（heterochromatin）和常染色質 (euchromatin）。常染色質：為間期核內堿性染料染色時著色較淺，

14、螺旋化程度較低，處于伸展狀態(tài)的染色質絲，基因轉錄活躍。染色質的DNA成分主要由單一序列DNA和中度重復序列DNA構成，在一定程度上控制間期細胞的活動。電鏡下可見常染色質在核內均勻分布，多位于核中央，一部分以袢環(huán)形式伸入核仁內。常染色質上存在核酸酶敏感位點，易被核酸酶降解。常染色質多在S期的早、中期復制。第二十八張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月異染色質的特點：在間期核內堿性染料染色時著色較深，螺旋化程度高，結構致密，無轉錄活躍。電鏡下可見異染色質位于核周近核膜處，部分與核仁結合。異染色質又被分為兩類：結構性異染色質和兼性異染色質。結構性異染色質（constitutive heteroc

15、hromatin）：又稱組成性異染色質，是指所有類型細胞中及各個發(fā)育階段均處于凝聚狀態(tài)的染色質，即永久性的呈現異固縮的染色質。結構性異染色質既不轉錄也不編碼蛋白，含有高度重復序列，參與染色質高級結構的形成，分布于大多數染色體的著絲粒區(qū)、端粒和次溢痕處。與常染色質相比，其表現為晚復制，早聚集。當一個有活性的基因通過轉座或轉位，移動到組成性異染色質區(qū)，通常要失去活性，這種現象稱為位置效應（position effect），因此認為組成性異染色質區(qū)含有抑制鄰近基因表達的成分。第二十九張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月雌性細胞雖然有兩條 X 染色體，但只有一條具有轉錄活性，另外一條 X 染色體

16、像異染色質一樣保持凝縮壯態(tài)，稱為巴氏小體（Barr body）。巴氏小體的形成保證了雄性和雌性都只有一條具有活性的 X 染色體，合成等量的 X 連鎖基因編碼的產物。barr body兼性異染色質（facultative heterochromatin）：指在一定的細胞類型或一定的發(fā)育階段呈現凝聚狀態(tài)的異染色質。在一定時期的特種細胞的細胞核內，原來的常染色質可轉變成兼性異染色質。第三十張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月三、從DNA到染色體(染色質的結構)人體的一個細胞核中有23對染色體，每條染色體的DNA雙螺旋若伸展開，平均長為5cm，核內全部DNA連結起來約1.72.0m。nucleo

17、somes (10 nm)condensed form (30 nm)第三十一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月三、從DNA到染色體核小體（nucleosome）：染色體的基本結構單位。一種串珠狀結構，由核心顆粒和連結線DNA兩部分組成，通過酶消化實驗建立。每個核小體單位包括約200bp的DNA、一個組蛋白核心和一個H1；由H2A、H2B、H3、H4各兩分子形成八聚體，構成核心顆粒；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。 第三十二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月核小體（n

18、ucleosome）第三十三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一個核小體的直徑是10 nm，DNA包裝成核小體，大約壓縮了7倍。核小體 螺線管 超螺線管 染色體 螺線管（solenoid）是在組蛋白H1存在的情況下，由核小體串珠結構盤旋而成的中空管狀結構，又稱為30nm染色質纖維。螺線管每圈含有6個核小體，螺距11nm，外徑30nm，內徑10nm。螺線管是染色體組裝的二級結構，從核小體到螺線管壓縮了6倍。30nm的螺線管進一步螺旋化，形成直徑0.2-0.4um的圓筒狀結構，稱為超螺線管（supersolenoid) 。超螺線管是染色體包裝的三級結構。DNA從螺線管到超螺線管又壓縮了近4

19、0倍。超螺線管進一步螺旋化，形成直徑為1-2m的中期染色體，從超螺線管到染色體大約壓縮了5倍。由此推算，DNA經核小體到染色體，總共壓縮了8400倍。第三十四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月四、染色體的形態(tài)結構染色體有種屬特異性，不同物種間染色體在數量、大小和形態(tài)上存在著差異。 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，稱為多倍體。染色體的數目因物種而異，如人類2n=46，黑猩猩2n=48，果蠅2n=8，家蠶2n=56，小麥2n=4

20、2，水稻2n=24，洋蔥2n=16.有絲分裂中期的染色體, 是由著絲粒相連的兩條姐妹染色單體構成，這兩條姐妹染色單體攜帶相同的遺傳信息。除著絲粒外，染色體上還可見次縊痕、隨體和端粒等結構。 第三十六張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十七張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月著絲粒（centromere）：是染色體中連接兩個姐妹染色單體的結構。由于著絲粒處的染色質較細、內縊，又叫主縊痕（primary constriction）。 著絲粒有兩個基本的功能：在有絲分裂前將兩條姐妹染色單體結合在一起。為動粒裝配提供結合位點。著絲粒由含有高度重復DNA序列的異染色質構成。1. 著絲粒和

21、動粒第三十八張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月根據著絲粒在染色體上的位置，將染色體分為4種類型 中著絲粒染色體 亞中著絲粒染色體 端著絲粒染色體 近端著絲粒染色體 第三十九張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月Satellite DNA(FISH image)第四十張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月動粒（kinetochore）是存在于主縊痕外側的圓盤狀結構，由蛋白質構成，內層與著絲粒結合，外層與動粒微管結合。每一個中期染色體著絲粒的兩側各含有一個動粒。第四十一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 內板：與著絲粒中心結構域相聯系 中間間隙：呈半透明區(qū) 動粒結構域 外板

22、：含有與微管正端結合的蛋白質 纖維冠：主要是馬達蛋白，與紡錘絲連接促使染色體分離 中央結構域： 由串聯重復的衛(wèi) 星DNA組成 內部著絲粒蛋白 配對結構域 染色單體連接蛋白功能：確保染色體與紡錘絲的整合，發(fā)生有序的染色體分離 著絲粒-動粒區(qū)域 著絲粒動粒復合體第四十二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2.次溢痕與隨體 次縊痕（secondary constriction）：除主縊痕外，在染色體上其它的淺染縊縮部位稱為次縊痕。它的數量、位置和大小是某些染色體的重要形態(tài)特征，故可用作染色體鑒別的標記。核仁組織區(qū)（nucleolar organizing region, NOR）：特定染色體的

23、次縊痕處，含有rRNA的基因rDNA，與核仁的形成有關，故稱為核仁組織區(qū)。NOR中的基因活動而形成的球體結構即為核仁。并非所有的次縊痕都是核仁組織區(qū)，人類的NOR位于13、14、15、21和22號5對染色體上。 隨體（satellite）：是常位于染色體末端的球形或棒狀結構，通過次縊痕與染色體相連，是識別染色體的主要特征之一。第四十三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 端粒（telomere） 是由端粒序列和相關蛋白構成，染色體端部特征性的結構。 作用：保證了染色體的完全復制。在染色體的兩端形成保護性的帽結構，使DNA免受核酸酶和其他不穩(wěn)定因素的破壞和影響 。端粒的形成使染色體的末

24、端不會與其他染色體末端融合 。原位雜交顯示位于人染色體末端的端粒 （以含有GGGTTA序列的DNA作為探針）第四十四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月多線染色體：多線染色體（polytene chromosome）存在于雙翅目昆蟲的幼蟲組織內，如唾液腺。每條多線染色體由500-4000條解旋的子染色體通過同源染色體配對，平行排列，緊密結合在一起形成。多線化的細胞處于永久間期，在幼蟲發(fā)育期間，這些細胞停止了分裂，但體積不斷增大，DNA繼續(xù)進行復制，以維持細胞的高分泌活性。 4.幾類的特殊的染色體第四十五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月果蠅唾液腺細胞整套多線染色體 第四十六張，P

25、PT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月燈刷染色體（lampbrush chromosome）是魚類、兩棲類和爬行類卵母細胞進行減數分裂時，停留在雙線期的染色體。由于染色體主軸兩側有側環(huán)，狀如燈刷，故名燈刷染色體。染色體軸由染色粒（chromomere，是指染色質緊密螺旋化而成的顆粒）軸絲構成，每條染色體軸長400 um，從染色粒向兩側伸出兩個相類似的側環(huán)，是RNA活躍轉錄的區(qū)域。雙線期是卵黃合成的旺盛期，燈刷染色體的形態(tài)與卵子發(fā)生過程中營養(yǎng)物儲備是密切相關的。燈刷染色體第四十七張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月核型（karyotype）又叫染色體組型，是指一個物種體細胞的全部染色體數目、

26、大小和每條染色體所特有的形態(tài)特征的總和，是有絲分裂中期的表型。在對染色體進行測量計算的基礎上，進行分組、排隊、配對，并進行形態(tài)分析的過程叫核型分析。五、核型與染色體帶型第四十八張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月染色體分帶 染色體分帶（chromosome banding）技術是經物理、化學因素處理后，再用染料對染色體進行染色，使其呈現特定的深淺（或明暗）不同帶型（banding pattern）的方法。該技術既可用于鑒別單個染色體和染色體組、甚至某一易位片段，也可用于核型進化及可能的進化機制研究。分帶技術可分為兩大類，一類是產生的染色帶分布在整過染色體的長軸上如：G、Q和R帶，另一類是

27、局部性的顯帶，它只能使少數特定的區(qū)域顯帶，如C、T和N帶。 第四十九張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 核仁核仁（nucleolus）見于間期的細胞核內，呈圓球形，一般1-2個，有時多達3-5個。主要功能是轉錄rRNA和組裝核糖體單位。光鏡下核仁是細胞核中一個勻質的、海綿狀的球體，由纖維中心、致密纖維成分和顆粒成分組成，主要功能是進行核糖體RNA的合成。核仁的大小、形狀和數目隨生物的種類、細胞類型及細胞代謝狀態(tài)而不同。 蛋白質合成旺盛、代謝活躍的細胞，如分泌細胞、卵母細胞的核仁體積較

28、大。核仁在細胞中的位置通常不固定，但在生長旺盛的細胞中，趨向核的邊緣，靠近核膜，即發(fā)生“核仁趨邊”現象，這種分布可能有利于核內外物質的交換。 核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出現。第五十二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一、核仁的形態(tài)結構和化學組成 纖維中心(fibrillar centers，FC)：是被致密纖維包圍的一個或幾個低電子密度的圓形結構，主要成分為RNA聚合酶和rDNA，這些rDNA是裸露的分子。rDNA袢環(huán)上rRNA基因串聯排列高速轉錄，產生rRNA，組織形成核仁。人類的rRNA基因位于5對染色體上，即13、14、15、21、22條染色體的次縊痕部位，共同構成核仁組

29、織區(qū)。 核仁的化學成分為DNA、RNA、蛋白質和酶類。核仁呈圓或卵圓形，無界膜包被，是由多種組分形成的一種網狀結構。在電鏡下可以看到，核仁包括3個不完全分隔的特征性區(qū)域 ：第五十三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月致密纖維組分(dense fibrillar component，DFC)：在電鏡下觀察，DFC是核仁內電子密度最高的區(qū)域，呈環(huán)形或半月形包圍FC，由致密的纖維構成，直徑一般為5-10 nm，主要含有正在轉錄的RNA分子。此外發(fā)現DFC還有特異性結合蛋白，如核仁素和Ag-NOR蛋白等。顆粒區(qū) (granular component，GC)：呈致密的顆粒，由直徑為15-20 nm的核糖核蛋白顆粒構成。這些顆粒是正在加工、成熟的核糖體亞單位前體顆粒。顆粒組分的數量決定了核仁的大小。 第五十四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月Nucleolus第五十五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、核仁的功能rRNA基因的轉錄第五十六張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于