細(xì)胞生物學(xué)課件：第9章間期細(xì)胞核和染色體1-2節(jié)

第九章間期細(xì)胞核和染色體間期動(dòng)物細(xì)胞間期植物細(xì)胞細(xì)胞核的數(shù)量、大小一般一個(gè)細(xì)胞只有一個(gè)核，特殊細(xì)胞可多核，如肌細(xì)胞里，橫紋肌多核，平滑肌1個(gè)核，心肌1個(gè)或多核。大?。焊叩葎?dòng)物10-15μm

，高等植物5-20μm

，低等植物1-4μm

。細(xì)胞核在生命活動(dòng)中的地位：極為重要，是細(xì)胞遺傳物質(zhì)的集中區(qū)，對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)具有調(diào)控作用。（核外也有遺傳物質(zhì)，如mit、chl）細(xì)胞核在細(xì)胞周期中的變化變化顯著，解體和重建*細(xì)胞核的形態(tài)、結(jié)構(gòu)：

球形、卵圓形、分枝狀、帶狀、桿狀*間期細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)：核被膜—雙層膜，將細(xì)胞分成細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核兩個(gè)區(qū)域，控制細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間物質(zhì)運(yùn)輸和信息交換，以及各種生命活動(dòng)的時(shí)空化。染色質(zhì)—間期核內(nèi)遺傳物質(zhì)的存在形式，分裂中期可凝縮為染色體。核仁—核內(nèi)濃密的球形小體，核糖體組裝的場(chǎng)所。核液（質(zhì)）

—間期細(xì)胞核中，在染色質(zhì)和核仁周圍的無定形的液體。核骨架—核質(zhì)中廣泛存在的由蛋白質(zhì)構(gòu)成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。廣義包括核纖層、殘存的核仁、染色體支架和核基質(zhì)；狹義上指核基質(zhì)，以非組蛋白為主的精密的纖維狀結(jié)構(gòu)。藍(lán)：染色質(zhì)；白：核質(zhì)和核基質(zhì)DNA及其結(jié)合蛋白核仁中心粒微管核纖層核被膜核孔中間絲內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核纖層核孔核周隙第一節(jié)核被膜與核孔復(fù)合體一、核被膜

（一）核被膜的結(jié)構(gòu)外核膜（outernuclearmembrane）:上有核糖體,與糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連,厚7.5nm。內(nèi)核膜（innernuclearmembrane）:表面光滑，與核纖層（內(nèi)層核膜內(nèi)表面存在的一層由中間絲交織成的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）相連，厚7.5nm。核周隙（perinuclearspace）：20-40nm，與糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通，腔內(nèi)電子密度低，一般不含固定的結(jié)構(gòu)。有人認(rèn)為核被膜系由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)延伸而成。

核被膜上有核孔：是貫通核被膜的細(xì)胞質(zhì)與核質(zhì)間的環(huán)形通道，在核被膜上規(guī)則排列，內(nèi)外膜融合，形成環(huán)形開口，由結(jié)構(gòu)精密的核孔復(fù)合體構(gòu)成?？拷丝椎暮四ぴ诨瘜W(xué)組成上與其它處的不同，稱為孔膜區(qū),特征性蛋白為一種跨膜糖蛋白gp210（N-連接糖蛋白，將核孔復(fù)合體錨鏈到核膜上）。

核被膜的電鏡照片

核被膜的結(jié)構(gòu)（二）核被膜的功能將細(xì)胞分隔成細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核兩個(gè)區(qū)域，使遺傳物質(zhì)的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄與蛋白的生物合成在時(shí)間和空間上分隔開來，保證各種生命活動(dòng)之間的互不干擾而又有條不紊地協(xié)調(diào)進(jìn)行。核膜上存在核孔復(fù)合體，可控制細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間物質(zhì)運(yùn)輸和信息交換。二、核孔復(fù)合體：核孔復(fù)合體的數(shù)量和大小隨細(xì)胞種類和生理狀態(tài)的變化而變化。代謝旺盛，則多。（一）核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)NPC的結(jié)構(gòu)模型：比較著名的四個(gè)假說纖絲模型（Franketal.,1974）；滴漏樣模型（Ris,1991）；圓柱模型（Akey,1993）；核籃模型（ohno,1998）。核籃模型的內(nèi)容：八重對(duì)稱輻射狀的結(jié)構(gòu)（輻）；胞質(zhì)環(huán)；核質(zhì)環(huán)；8根細(xì)纖絲；核籃；脊椎動(dòng)物中，核環(huán)直接與核纖層相連，與核孔復(fù)合體的定位和分布有關(guān)。胞質(zhì)絲核籃端環(huán)核孔結(jié)構(gòu)模型

之核藍(lán)模型胞質(zhì)絲端環(huán)核質(zhì)環(huán)胞質(zhì)環(huán)中央運(yùn)輸體核膜外核膜內(nèi)核膜核籃籃絲輻（二）組成核孔復(fù)合體的蛋白

NPC的組成：主要蛋白質(zhì)，50-100多種蛋白質(zhì)；酵母大約50種，脊椎動(dòng)物中可達(dá)100種不同蛋白組成。有一類核孔蛋白的C端域含有以二肽（FG苯丙氨酸+甘氨酸)組成的重復(fù)區(qū)段，襯在NPC的中央運(yùn)輸體的內(nèi)壁上，以及核籃和胞質(zhì)絲上。FG重復(fù)序列是短的疏水性序列，在核孔運(yùn)輸功能中起重要作用。已了解的兩類核孔蛋白：（1）gp210,跨膜的N-連接糖蛋白；將核孔復(fù)合體錨鏈到核膜上。（2）O-連接糖蛋白：構(gòu)成胞質(zhì)和核質(zhì)的絲狀物，直接參與胞質(zhì)和核質(zhì)之間的物質(zhì)交換。（三）核孔復(fù)合體的功能核孔復(fù)合體——跨膜運(yùn)輸?shù)鞍讖?fù)合體物質(zhì)運(yùn)輸

物質(zhì)運(yùn)輸方式：被動(dòng)運(yùn)輸（自由擴(kuò)散），核孔為親水通道，離子和水溶性小分子可自由擴(kuò)散。主動(dòng)運(yùn)輸：具有嚴(yán)格雙向選擇性。

(1)分子大小的選擇：功能直徑：10~20nm，最大26nm

(2)信號(hào)識(shí)別與載體介導(dǎo)性的選擇,須消耗ATP(3)具有運(yùn)入與運(yùn)出核的雙向性選擇。核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（核運(yùn)輸受體蛋白）是一類參與核孔運(yùn)輸?shù)牡鞍准易?，既可與運(yùn)載物結(jié)合，也可被核孔蛋白所識(shí)別和結(jié)合。核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能是協(xié)調(diào)運(yùn)輸物被運(yùn)進(jìn)或運(yùn)出細(xì)胞核。

核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白α，稱為輸入蛋白，負(fù)責(zé)將蛋白從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)進(jìn)細(xì)胞核

核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白β2-Ran，稱為輸出蛋白，負(fù)責(zé)將核內(nèi)運(yùn)載物轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中。被動(dòng)擴(kuò)散<60KD主動(dòng)運(yùn)輸<25-30MD1、核蛋白的運(yùn)入：親核蛋白類。親核蛋白：在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成、運(yùn)到核內(nèi)執(zhí)行功能的蛋白質(zhì)，如核質(zhì)蛋白、DNA聚合酶、RNA聚合酶、組蛋白、核糖體蛋白等。核質(zhì)素即核質(zhì)蛋白（nucleoplasmin）,與核小體的裝配有關(guān)，頭尾兩部分組成。大，但可入核。利用蛋白酶水解法可把核質(zhì)蛋白分割為頭部和細(xì)長(zhǎng)的尾部。頭部不能進(jìn)入細(xì)胞核，尾部能夠進(jìn)入細(xì)胞核，原因在于此蛋白尾部含有核輸入信號(hào)。金標(biāo)記的核質(zhì)素穿越核孔親核蛋白的進(jìn)核機(jī)制：A、核輸入信號(hào)的作用：親核蛋白上由4—8個(gè)帶正電的氨基酸構(gòu)成的、能使親核蛋白進(jìn)入核的短肽，可位于親核蛋白的不同部位，稱核輸入信號(hào)（NLS)。無此信號(hào)時(shí)，親核蛋白不能進(jìn)入核。進(jìn)入核后該信號(hào)不被切除。例子：第一個(gè)被證實(shí)具NLS的親核蛋白是病毒SV40的T抗原，上有核輸入信號(hào)，若突變，不能進(jìn)入核。

B、核輸入受體的作用：親核蛋白經(jīng)核孔復(fù)合體主動(dòng)被運(yùn)進(jìn)核內(nèi)，除要依賴核輸入信號(hào)外，還是一個(gè)載體介導(dǎo)的過程。目前已發(fā)現(xiàn)的這類載體蛋白有4種：（1）Ran蛋白，存在兩種形式：GTP-Ran;GDP-Ran.(2)核運(yùn)輸因子2（3）輸入蛋白α（4）輸入蛋白β兩種輸入蛋白構(gòu)成一個(gè)核輸入受體異二聚體，α亞基與運(yùn)載物的核輸入信號(hào)序列結(jié)合；β亞基與FG核孔蛋白的FG重復(fù)序列結(jié)合，其作用是協(xié)助親核蛋白進(jìn)入核，然后再返回細(xì)胞質(zhì)，參與再循環(huán)。此過程需要能量，能量來自于核孔復(fù)合體上結(jié)合的Mg2+-GTPase對(duì)GTP的水解。核質(zhì)蛋白輸入細(xì)胞核的過程

（1）胞質(zhì)中親核蛋白與輸入蛋白的αβ異二聚體結(jié)合（2）形成的親核蛋白-受體復(fù)合物與核孔復(fù)合體的胞質(zhì)絲結(jié)合（3）通過與FG重復(fù)的瞬時(shí)結(jié)合與分離，蛋白復(fù)合體穿過核孔復(fù)合體進(jìn)入核內(nèi)。（4）核內(nèi)復(fù)合體與Ran-GTP互作，導(dǎo)致復(fù)合物解體，釋放親核蛋白。（5）輸入蛋白β與Ran-GTP結(jié)合一起被運(yùn)回胞質(zhì)，結(jié)合在胞質(zhì)絲上的GTP酶加速蛋白刺激Ran水解與其結(jié)合的GTP,隨后Ran-GDP被轉(zhuǎn)運(yùn)回核；輸入蛋白α在核內(nèi)輸出蛋白的幫助下運(yùn)回胞質(zhì)2、RNA和核糖體亞單位的運(yùn)出具有選擇性的受體介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸。RNA加工成熟后才能出核；mRNA和scRNA（小胞質(zhì)RNA）依賴于5’端的m7G帽才能出核。成熟的rRNA在核內(nèi)結(jié)合上核糖體蛋白而變成核糖體亞單位，以RNP的形式依賴于受體介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸過程被運(yùn)出核。受體或是直接識(shí)別核糖體RNA或是識(shí)別核糖體結(jié)合蛋白?？傊河H核蛋白的入核，RNA和核糖體亞單位的出核均具有高度選擇性，是一種信號(hào)識(shí)別和載體介導(dǎo)的耗能過程。核輸入信號(hào)結(jié)合蛋白第二節(jié)染色質(zhì)一、染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成染色質(zhì)：光學(xué)顯微鏡下可見間期核中有一種嗜堿性很強(qiáng)的的物質(zhì)，稱為染色質(zhì)，是遺傳物質(zhì)的存在形式。間期核中染色質(zhì)以兩種形式存在，有的是伸展開的呈電子透亮狀態(tài)，稱為常染色質(zhì)，另一種是卷曲凝縮的，稱為異染色質(zhì)。染色質(zhì)和染色體是遺傳物質(zhì)在細(xì)胞周期不同階段的存在形式，染色體是在細(xì)胞分裂過程中由染色質(zhì)凝縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)，二者的化學(xué)組成沒有多大差異。染色質(zhì)由核酸和蛋白構(gòu)成的復(fù)合物，其中含有DNA、組蛋白、非組蛋白和少量的RNA。不同的染色質(zhì)RNA和非組蛋白的含量不同，但DNA和組蛋白的比例固定在1：1左右。（一）染色質(zhì)DNA真核生物中，單根染色質(zhì)纖維是一結(jié)合有蛋白質(zhì)的線性DNA雙螺旋分子，哺乳動(dòng)物中DNA含量占13%-20%，其余部分主要為組蛋白、非組蛋白以及與DNA、RNA合成有關(guān)的酶。DNA由4種堿基組成，具有以下特點(diǎn)：1、嘌呤堿基的總和等于嘧啶堿基的總和；2、A+C=G+T;3、A=T,G=C.(二)重復(fù)DNA序列-基因組中有多個(gè)副本拷貝的序列

原核生物DNA分子小，核苷酸序列單一，無重復(fù)序列。真核生物DNA分子大，存在大量重復(fù)序列，所占比例因物種而異。根據(jù)其重復(fù)單元的重復(fù)次數(shù)可分為4類：1、非重復(fù)的單一序列僅出現(xiàn)一次

2、輕度重復(fù)序列2-10個(gè)副本

3、中度重復(fù)序列十幾---幾千如rRNA編碼基因和組蛋白基因。真核生物有4種rRNA，28S,18S,5.8S稱為主體RNA,位于核仁組織區(qū)，三種主體rRNA組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元，轉(zhuǎn)錄成前體rRNA，經(jīng)過進(jìn)一步的處理，切除轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)，生成28S,18S,5.8SrRNA。5SrRNA基因位于染色體長(zhǎng)臂的端部。

4、高度重復(fù)序列百萬次如隨體DNA位于著絲粒區(qū)，重復(fù)序列大小差別很大，十幾到幾百個(gè)核苷酸。

（三）組蛋白與非組蛋白

組蛋白等電點(diǎn)大于10，帶正電，堿性強(qiáng)，保守性強(qiáng)，很少有種和組織特異性?？芍泻虳NA分子中的磷酸根的負(fù)電荷，起到消除DNA分子中的靜電斥力，使DNA可以緊密折疊起來。

6種：H1,H2A,H2B,H3,H4,H5（H5只存在于魚類、兩棲類和鳥類的紅細(xì)胞中）,結(jié)合有組蛋白的DNA不能表達(dá)遺傳信息，有抑制基因表達(dá)的作用。

非組蛋白，從酸性到堿性都有（pH4-9）,有種和組織的特異性，種類繁多。對(duì)基因表達(dá)具有調(diào)控作用，結(jié)合有非組蛋白的DNA片段，基因即發(fā)生表達(dá)。二、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位---核小體核小體——染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位。其結(jié)構(gòu)目前研究已比較清楚。（一）核小體的結(jié)構(gòu)和組分30nm(粗纖維）－10nm（細(xì)纖維）－2-4nm（DNA雙螺旋）

螯合劑尿素用非特異性核酸酶（微球菌核酸酶）處理染色質(zhì)，大多數(shù)情況下可得到大約200bp的片段。用非特異性核酸酶（微球菌核酸酶）處理裸露的DNA分子會(huì)得到隨機(jī)降解的片段。上述結(jié)果表明核酸結(jié)合了蛋白而受到保護(hù)。以這個(gè)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，R.Kornberg1974年提出了核小體模型（念珠模型）。念珠模型的主要內(nèi)容：染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)是由DNA和蛋白質(zhì)組成的重復(fù)單位，每個(gè)亞單位是由200bpDNA鏈+9個(gè)蛋白質(zhì)分子組成，這種組蛋白DNA亞單位稱為核小體。H2A、H2B、H3和H4組蛋白的8個(gè)分子構(gòu)成核心蛋白，H1組蛋白結(jié)合在核小體之間，多個(gè)亞單位連成一串，形成染色質(zhì)絲。核小體結(jié)構(gòu)

核心組蛋白八聚體

核小體核心核心DNAH1連接組蛋白

連接區(qū)DNA（二）核小體的組裝1、核心組蛋白八聚體（H3）2（H4）2——四聚體

+H2A、H2B——八聚體

2、DNA纏繞

147bpDNA繞核心組蛋白1.75圈，H1結(jié)合上去；共用166bp繞核心組蛋白2圈H1+166bpDNA+核心組蛋白八聚體=核小體2.0mol/LNacl,核心蛋白可以去掉，降低Nacl的濃度，DNA和組蛋白重新構(gòu)成核小體。3、連接區(qū)DNA染色質(zhì)小體之間——0-100bp核小體核心顆粒直徑為10納米，排成一串形成10納米染色質(zhì)絲。但是染色質(zhì)不以這種狀態(tài)存在，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。

核小體和螺線管的結(jié)構(gòu)螺旋管的正面觀螺旋管的側(cè)面觀（三）核小體中各組分的作用：A：（H3）2（H4）2規(guī)定了DNA纏在顆粒上的中心圈，只有H3和H4時(shí)能形成核小體；只有H2A和H2B時(shí)不能形成核小體顆粒。B：組蛋白疏水區(qū)不帶正電荷，向著核心內(nèi)部，帶正電荷區(qū)分布在顆粒表面，可以與DNA緊密結(jié)合。C：H1組蛋白的作用：保持染色質(zhì)粗纖維的高級(jí)結(jié)構(gòu)，鎖住DNA分子的進(jìn)出口，保護(hù)核心上的166bpDNA不被核酸酶消化，在10納米染色質(zhì)絲進(jìn)一步盤繞時(shí)起重要作用。D:染色質(zhì)中的酶敏感區(qū)：

微球菌核酸酶；DNA酶Ⅰ（超敏感位點(diǎn)）。染色質(zhì)的一些特異性位點(diǎn)，不形成核小體結(jié)構(gòu)，含有幾百個(gè)bp的特異性序列，為非組蛋白等DNA特異性結(jié)合蛋白所識(shí)別，在基因表達(dá)的調(diào)控中發(fā)揮重要作用E:離子強(qiáng)度對(duì)染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的影響：低離子濃度（1mol/L下），染色質(zhì)絲為10納米核小體絲，離子強(qiáng)度增加，H1分子間相互作用增大，10納米的核小體絲卷曲為30納米螺旋管狀的染色質(zhì)粗纖維。H1分子對(duì)10納米絲盤繞成30納米的粗纖維中發(fā)揮重要作用，去掉H1分子核小體絲不再卷曲成30納米的粗纖維。三、染色質(zhì)的逐級(jí)凝縮的結(jié)構(gòu)模型

間期染色質(zhì)一般壓縮比接近1000倍；有絲分裂中期高度凝集的染色體壓縮5000-10000倍。由30nm的纖維卷曲成中期染色體要經(jīng)過進(jìn)一步的卷曲。染色質(zhì)的逐級(jí)凝縮過程：1、DNA與組蛋白組裝成核小體，核小體在H1組蛋白的介導(dǎo)下彼此相連成10nm的纖維（染色質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)），DNA長(zhǎng)度壓縮了7倍。2、在組蛋白H1分子間的相互作用下，核小體卷曲成螺旋管，即30nm纖維（染色質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)），染色質(zhì)的長(zhǎng)度壓縮6倍。3、30nm粗纖維進(jìn)一步螺旋化形成直徑0.3μm的超粗纖維(染色質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)），染色質(zhì)的長(zhǎng)度壓縮40倍。4、超螺旋進(jìn)一步螺旋折疊，長(zhǎng)度壓縮5倍，形成染色單體（染色質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)）。對(duì)于更高級(jí)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（或稱染色體支架，由非組蛋白構(gòu)成），結(jié)合點(diǎn)是富含AT的區(qū)域，這種環(huán)狀的結(jié)構(gòu)散布于細(xì)胞核中。用鹽溶液去除組蛋白，在電鏡下可以看到，無論有絲分裂的染色體、燈刷染色體、間期的唾腺染色體上，都有大量的結(jié)合在骨架上的放射環(huán)，說明這種環(huán)并不是有絲分裂染色體所特有的。染色