細胞核和染色體

第十章細胞核與染色體chapter10NucleusandChromosome

第二部分主講人：高志芹當前第1頁\共有76頁\編于星期四\21點MaincontentsSection1nuclearenvelopeandnuclearporecomplexSection2chromatinSection3chromatinstructureandgeneactivationSection4chromosomeSection5nucleolusSection6nuclearmatrix2當前第2頁\共有76頁\編于星期四\21點Section4chromosome(染色體)Q:Whatisthechromosome?3當前第3頁\共有76頁\編于星期四\21點Chromosome(染色體):Atsomepointduringthecelldivisionprocess,thechromatinwillbepackagedtightlyenoughthatweareabletovisualizedistinctchromosomesunderthelightmicroscope分裂期染色質(zhì)凝集而成的棒狀結(jié)構(gòu)。Q:Canyouseechromosomesunderlightmicroscope?4當前第4頁\共有76頁\編于星期四\21點Chromosomenumber,size,andshape

atmetaphasearespeciesspecificSeeP343,Tab10-65當前第5頁\共有76頁\編于星期四\21點Isthereacorrelationbetweenchromosomenumberandcomplexityoftheorganism?ChromosomeNumbers6當前第6頁\共有76頁\編于星期四\21點

Chromosome染色體

Morphologyofthemetaphasechromosome中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)Functionalelements

染色體DNA的三種功能元件Karyotypeandchromosomebanding核型與染色體顯帶Giantchromosome巨大染色體7當前第7頁\共有76頁\編于星期四\21點一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

StructureofmetaphasechromosomeChromosomesaredetectedonlyoccurduringcelldivisionandnotduringallstagesofthecellcycle.Theyareintheirmostcondensedformduringmetaphase(中期)whenthesisterchromatids（姐妹染色單體）areattached.8當前第8頁\共有76頁\編于星期四\21點Metaphasechromosome:ThetworeplicateddaughterDNAsareencasedinchromosomalproteinsformingsisterchromatids,whichareheldtogetherattheircentromere.9當前第9頁\共有76頁\編于星期四\21點根據(jù)著絲粒在染色體上所處的位置，將中期染色體分為四種類型：metacentricchromosome（中著絲粒染色體）submetacentricchromosome（近中著絲粒染色體）acrocentricchromosome（近端著絲粒染色體）telocentricchromosome（端著絲粒染色體）10當前第10頁\共有76頁\編于星期四\21點一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

StructureofmetaphasechromosomeCentromere(著絲粒)&Kinetochore（動粒）Centromere（著絲粒）:HighlyrepeatedDNA+Kinetochore（動粒）11當前第11頁\共有76頁\編于星期四\21點著絲粒3個結(jié)構(gòu)域Kinetochoredomain：位于著絲粒表面外板（outerplate）內(nèi)板（innerplate）中間區(qū)（interzone）纖維冠(fibrouscorona)Centraldomain:高度重復(fù)的α衛(wèi)星DNAPairingdomain：apointofattachmentbetweentwosisterchromatids中心結(jié)構(gòu)域配對結(jié)構(gòu)域動粒結(jié)構(gòu)域12當前第12頁\共有76頁\編于星期四\21點SatelliteDNA(FISHimage)13當前第13頁\共有76頁\編于星期四\21點ThestructureofahumanCENCentromere&Kinetochore14當前第14頁\共有76頁\編于星期四\21點著絲粒的結(jié)構(gòu)1、動粒結(jié)構(gòu)域（kinetochoredomain）位于著絲粒的表面，包括內(nèi)板(innerplate)

中間間隙(middlespace),innerzone

外板(outerplate)

纖維冠(fibrouscorona)2、中央結(jié)構(gòu)域（Centraldomain）位于著絲粒結(jié)構(gòu)域的下方。其中含有高度重復(fù)的衛(wèi)星DNA。3、配對結(jié)構(gòu)域（Pairingdomain）位于著絲粒結(jié)構(gòu)的內(nèi)層，中期兩條染色單體在此處相互連結(jié)。用ACAs發(fā)現(xiàn)鑒定出來的著絲粒蛋白CENP主要有6種，即：CENP-A至F。15當前第15頁\共有76頁\編于星期四\21點Centromericproteins

ProteinsassociatedwiththecentromerehavebeenidentifiedusingantibodiesfromsclerodermapatientsCENPproteinsCENP-A centromere-specifichistoneCENP-B bindscentraldomainsatelliteDNACENP-C bindskinetochoreCENP-D bindskinetochoreCENP-E kinesin-likemotor,involvedinchromatidsegregationCENP-FbindskinetochoreINCENPproteinsINCENP-A sisterchromatidassociationINCENP-B sisterchromatidassociation16當前第16頁\共有76頁\編于星期四\21點一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

AtypicalmitoticchromosomeatmetaphaseHumanchromosomeNo.14

2.secondaryconstriction（次縊痕）3.nucleolarorganizingregion,NOR（核仁組織區(qū)）4.Satellite（隨體）5.Telomere（端粒）1.Centromere（著絲粒）Primaryconstriction主縊痕17當前第17頁\共有76頁\編于星期四\21點NOR（Nucleolarorganizerregions）

:NORisachromosomalregionaroundwhichthenucleolusforms.Thisregionistheparticularpartofachromosomethatisassociatedwithanucleolusafterthenucleusdivides.TheregioncontainsseveraltandemcopiesofribosomalRNAgenes.細胞核特定染色體的次縊痕處，含有rRNA基因的一段染色體區(qū)域，與核仁的形成有關(guān)，故稱為核仁組織區(qū)。

18當前第18頁\共有76頁\編于星期四\21點NOR（Nucleolarorganizerregions）

:NotallchromosomesinagenomehaveNORs,butseveralofthemmayhave.Inhumans,theNORcontainsgenesfor5.8S,18S,and28SrRNAclusteredontheshortarmsofchromosomes13,14,15,21and22(theacrocentricchromosomes).19當前第19頁\共有76頁\編于星期四\21點TheNORisresponsiblefortheformationofthenucleolusduringtelophaseandisalsothesiteofribosomalRNAsynthesis.與間期核仁的形成有關(guān)NOR（Nucleolarorganizerregions）

:20當前第20頁\共有76頁\編于星期四\21點Telomeres端粒Telomeresarethephysicalendsoflineareukaryoticchromosomes.Theyconsistoftandemrepeatsofashort(6-8bp)sequencethatishighlyconservedthroughevolution.位于染色體DNA的兩端,為一富含GC的短串聯(lián)重復(fù)序列DNA組成，進化上高度保守。21當前第21頁\共有76頁\編于星期四\21點22當前第22頁\共有76頁\編于星期四\21點TelomeresThetelomeresofhumansconsistofasmanyas2000repeatsofthesequence:5'TTAGGG3'.5'...TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG..3'3'...AATCCCAATCCCAATCCCAATCCCAATCCCAATCCC..5'

Telomeresarecrucialtothelifeofthecell.Theykeeptheendsofthevariouschromosomesinthecellfromaccidentallybecomingattachedtoeachother.23當前第23頁\共有76頁\編于星期四\21點24當前第24頁\共有76頁\編于星期四\21點二、染色體DNA的3種功能元件

ThreefunctionalelementsinchromosomalDNA

Threefunctionalelementsarerequiredforreplicationandstableinheritanceofchromosomes25當前第25頁\共有76頁\編于星期四\21點構(gòu)成染色體DNA的三種關(guān)鍵序列（keysequence）autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS

（自主復(fù)制DNA序列）centromericDNAsequence,CEN（著絲粒DNA序列）telomericDNAsequence,TEL（端粒DNA序列）26當前第26頁\共有76頁\編于星期四\21點autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS結(jié)構(gòu)：富含AT的共有序列。功能：DNA復(fù)制起點，保證自我復(fù)制，ARSactasanoriginofreplication.27當前第27頁\共有76頁\編于星期四\21點MultipleoriginsofreplicationinEukaryotes28當前第28頁\共有76頁\編于星期四\21點CentromericDNAsequence,CENLEU合成酶基因重組到含CEN和ARS的環(huán)狀質(zhì)粒，轉(zhuǎn)染LEU合成酶合成缺陷細胞，在無LEU的培養(yǎng)基中可以生存。核心區(qū)：一個80-90bp的AT區(qū)，一個11bp的保守區(qū)。功能：將完成復(fù)制的染色體平均分配到子細胞中。TransfectedLeu-cellbyPlasmidwithsequenceProgenyoftransfectedcellMitoticsegregationConclusionGrowthwithoutLeu29當前第29頁\共有76頁\編于星期四\21點telomericDNAsequence(端粒序列):FunctionsForthecompletereplicationofchromosome染色體復(fù)制的完整性Protectthechromosomesfromnucleaseinfluence免受核酸酶的影響Preventtheendsofchromosomesfromfusing免染色體端端粘合30當前第30頁\共有76頁\編于星期四\21點Telomeres(端粒):由高度重復(fù)的短序列組成，高度保守。

Thetelomeresofhumansconsistofasmanyas2000repeatsofthesequence:5'TTAGGG3'.5'...TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG..3'3'...AATCCCAATCCCAATCCCAATCCCAATCCCAATCCC..5'

作用：維持染色體的穩(wěn)定性。起細胞分裂計時器的作用。31當前第31頁\共有76頁\編于星期四\21點AAAAAAAAAAAAAAAAFISH(HumanProbe):TTAGGGTelomeres(端粒):Telemerase(端粒酶)：

RNA+逆轉(zhuǎn)錄酶A32當前第32頁\共有76頁\編于星期四\21點Telomere,telomeraseandcellularaging,cancercellTelomeraseisfoundingermcells,notinsomaticcells.Thetelomerelengthofadultisshorterthanthatofyounger.Telomereshorteningisthoughttoactivateasuicideprogram.So,telomereshorteningplaysakeyroleinprotectingthebodyfromcancer.90%ofhumantumorscontainanactivetelomerase.端粒核苷酸復(fù)制和基因DNA不同，每復(fù)制一次減少50~100bp，其復(fù)制要靠具有反轉(zhuǎn)錄酶性質(zhì)的端粒酶來完成，正常體細胞缺乏此酶，故隨細胞分裂而變短，細胞隨之衰老。33當前第33頁\共有76頁\編于星期四\21點三、核型和染色體顯帶

karyotypeandchromosomebandingThecompletesetofchromosomesinthenormaldiploidcellsofanorganismisitskaryotype.通常將一個物種所具有的染色體數(shù)目和每一條染色體的形態(tài)特征稱核型。核型分析：對染色體進行分組、排隊、配對并進行形態(tài)分析的過程34當前第34頁\共有76頁\編于星期四\21點HumanKaryotype12345678910111213141516171819202122XX(orXY)35當前第35頁\共有76頁\編于星期四\21點Karyotypeoffemaleandmale:Thekaryotypeofthehumanfemalecontains23pairsofhomologouschromosomes:22pairsofautosomes

1pairofXchromosomesThekaryotypeofthehumanmalecontains:thesame22pairsofautosomesoneXchromosomeandoneYchromosome36當前第36頁\共有76頁\編于星期四\21點染色體顯帶(chromosomebanding)用特殊的染色方法使染色體沿其長軸顯示出明暗交替或染色深淺不同的橫紋——帶。pq32112346432152131212123541213241p3137當前第37頁\共有76頁\編于星期四\21點Gband:Stainingwiththetrypsin-giemsamethodrevealsaseriesofalternatinglightanddarkbandscalledGbands.Trypsin處理、giemsa染色，將染色體染成明暗相間的帶38當前第38頁\共有76頁\編于星期四\21點G-bandingThedyestainsregionsofchromosomesthatarerichinthebasepairsAdenine(A)andThymine(T)producingadarkbandAT豐富的染色體節(jié)段深染39當前第39頁\共有76頁\編于星期四\21點Q帶：Q顯帶技術(shù)早在1970年為Caspersson及其同事們首先用熒光染料染制染色體標本，在熒光顯微鏡下這些染色體呈現(xiàn)暗亮不同的條紋，40當前第40頁\共有76頁\編于星期四\21點Normalcell46chromosomesCancercell80chromosomesChromosomeNumberVariations41當前第41頁\共有76頁\編于星期四\21點DownSyndrome/Trisomy21

Downsyndromewasoriginallydescribedin1866byJohnLangdonDown.42當前第42頁\共有76頁\編于星期四\21點C-Bandingonlystainscentromericregions(著絲粒區(qū))43當前第43頁\共有76頁\編于星期四\21點1881年意大利的Balbiani發(fā)現(xiàn)于雙翅目搖蚊幼蟲的唾腺細胞。細胞內(nèi)特殊的、體積很大的染色體。包括：多線染色體（polytenechromosome）燈刷染色體（lampbrushchromosome）

四、巨大染色體

giantchromosome

44當前第44頁\共有76頁\編于星期四\21點Endomitosis（核內(nèi)有絲分裂）Chromocenter（染色中心）Bands（帶）andinterbands（間帶）LuxurygenesHouse-keepinggenesPolytenechromosomes

多線染色體15%DNA85%DNA45當前第45頁\共有76頁\編于星期四\21點帶和間帶(Bandsandinterbands):85%DNA15%DNAinterbands46當前第46頁\共有76頁\編于星期四\21點Puffsinplolytenechromosome:GeneactivityPuffs（脹泡）:transcriptionallyactivechromatin47當前第47頁\共有76頁\編于星期四\21點（二）燈刷染色體

Lampbrushchromosomes最早發(fā)現(xiàn)于魚類、兩棲類和爬行類卵母細胞減數(shù)分裂的雙線期。由于染色體主軸兩側(cè)有側(cè)環(huán)，狀如燈刷，故名燈刷染色體IngrowingamphibianoocyteStayinmeiosisI48當前第48頁\共有76頁\編于星期四\21點StructureFunctions:TranscriptintoRNA,storage大部分DNA以染色粒形式存在，沒有轉(zhuǎn)錄活性，而側(cè)環(huán)是RNA活躍轉(zhuǎn)錄的區(qū)域。配對的燈刷染色體49當前第49頁\共有76頁\編于星期四\21點Section5nucleolus（核仁）---notsurroundedbyamembrane

50當前第50頁\共有76頁\編于星期四\21點Nucleolarultrastructure（核仁超微結(jié)構(gòu)）Functionsofthenucleolus（核仁功能）Nucleoluscycle（核仁周期）Nuclearbodies(核體)Section5TheNucleolus

第五節(jié)核仁51當前第51頁\共有76頁\編于星期四\21點一、Nucleolarultrastructu

核仁的超微結(jié)構(gòu)consistsofthreemorphologicallydistinctregions:fibrillarcenters(FC)--纖維中心densefibrillarcomponent(DFC)--致密纖維成分granularcomponent(GC)--顆粒成分Summaryofnucleolarultrastructure52當前第52頁\共有76頁\編于星期四\21點1.The

fibrillarcenters(FC):Oneormore(一個或幾個)circularareas(圓形結(jié)構(gòu))pale(低電子密度、淺染)ContainsrDNA、rRNA聚合酶染色體NOR在間期核的副本53當前第53頁\共有76頁\編于星期四\21點2.densefibrillarcomponent(DFC):ElectrondensefilamentsaroundFC(電子密度最高，包繞FC)ContainsnascentrRNAtranscripts54當前第54頁\共有76頁\編于星期四\21點3.granularcomponent(GC):containsribosomalprecursoratvariousstagesofassembly.

不同階段核糖體亞單位前體顆?？杀坏鞍酌负蚏Nase消化GC是核仁的主要結(jié)構(gòu)GC組分數(shù)量的差異決定核仁的大小55當前第55頁\共有76頁\編于星期四\21點

ultrastructureoftheNucleolusFC:纖維中心DFC:致密纖維成分GC:顆粒成分56當前第56頁\共有76頁\編于星期四\21點Mammaliannucleolitypicallycontainseveralfibrillarcenters(FC),eachencircledbyalayerofdensefibrillarcomponent(DFC),whichinturnissurroundedbythegranularcomponent(GC).57當前第57頁\共有76頁\編于星期四\21點二、Functionsofthenucleolus

--ribosomalbiogenensis

核仁的功能——核糖體的生物發(fā)生Itsmainfunctionistranscription(轉(zhuǎn)錄)

andprocessing(加工)ofribosomalRNA

andassembly(組裝)of

ribosomalsubunits.pre-rRNAsynthesisProcessAssemblyFC.DFCDFC.GCGC58當前第58頁\共有76頁\編于星期四\21點Summary組成功能FCrDNA儲存rRNA基因DFCrRNA儲存、加工rRNA初級轉(zhuǎn)錄本GCRNP組裝、儲存ribosome亞基59當前第59頁\共有76頁\編于星期四\21點rRNAgenesaretandemly(串聯(lián))arrayedChristmas-Liketreewhentranscribed游離端(5‘端)首先形成RNP顆粒(一)rRNA基因的轉(zhuǎn)錄TranscriptionofribosomalRNA60當前第60頁\共有76頁\編于星期四\21點

RibosomalRNAGenesrRNArRNAgene(rDNA)聚合酶移動及RNA鏈生長的方向61當前第61頁\共有76頁\編于星期四\21點pre-rRNAtranscriptionunits轉(zhuǎn)錄單位ShowingtworRNAgenesseperatedbynontranscribedspacerDNA.兩個rRNA基因被分隔62當前第62頁\共有76頁\編于星期四\21點

aclusteroftandemlyrepeatedrRNAgenes

primaryRNAtranscript,knownas45SrRNA.串聯(lián)重復(fù)排列增加了啟動子的局部濃度RNA聚合酶Ⅰ能連續(xù)運作63當前第63頁\共有76頁\編于星期四\21點(二)rRNA前體的加工

45SRNA5.8SrRNA,18SrRNA,and28SrRNA.

ProcessingofribosomalRNA64當前第64頁\共有76頁\編于星期四\21點Assemblyofribosomalsubunits(三)核糖體亞單位的組裝65當前第65頁\共有76頁\編于星期四\21點剪切45SrRNARibosomeAssembly(組裝)manydifferentproteins

RNP(80