第十一章細胞核與染色質

細胞核截面圖本文檔共69頁；當前第1頁；編輯于星期三\13點50分細胞核的分布、形態(tài)、大小、數(shù)目分布：絕大多數(shù)真核生物細胞中；例外：哺乳動物的成熟的紅細胞，高等植物成熟的篩管細胞等極少數(shù)的細胞。形態(tài)：球形或者卵形或圓形大?。杭s占細胞總體積的10%數(shù)目：一般一個：大多數(shù)生物體細胞中都是一個有的多個：植物個體發(fā)育過程中的多數(shù)胚乳核，草履蟲等原生動物；人的骨胳肌細胞中的細胞核可達數(shù)百個。本文檔共69頁；當前第2頁；編輯于星期三\13點50分細胞核與細胞質之間的界膜功能：核、質之間的天然選擇屏障：核酸復制、轉錄和加工在核內，蛋白質翻譯在細胞質中調控核內外的物質交換和信息交流——核孔復合體結構組分：雙層核膜、核孔復合體和核纖層第一節(jié)、核被膜本文檔共69頁；當前第3頁；編輯于星期三\13點50分一、核膜本文檔共69頁；當前第4頁；編輯于星期三\13點50分內層核膜(innernuclearmembrane),外層核膜(outernuclearmembrane),核周間隙(perinuclearspace),外層核膜與內質網(wǎng)相通，常帶有核糖體，內核膜光滑，無核糖體，內貼核纖層，借助核纖層蛋白B受體(LaminBreceptor,LBR)等與核纖層連接，內外膜平行，融合處形成核孔(nuclearpore),核孔處鑲嵌著核孔復合體（nuclearporecomplex,NPC）（一）核膜結構本文檔共69頁；當前第5頁；編輯于星期三\13點50分（二）核膜的崩解和組裝有絲分裂早前期，核膜崩解，是一個受調控的過程，Cdk1，PKC，染色體凝集，核孔復合體解散，核纖層解聚，雙層核膜膜泡化，以膜泡或膜片的形式分散到細胞質中，內層核膜蛋白也隨膜成分分散于細胞質中。在核膜崩解中，核膜成分中的蛋白質被磷酸化是最主要的調控機制，其中，至少有多個核孔復合體蛋白、內層核膜上的LaminB受體以及核纖層蛋白等都被磷酸化?！澜獗疚臋n共69頁；當前第6頁；編輯于星期三\13點50分—組裝有絲分裂中期到后期，激酶失活，磷酸化的核膜、核孔、核纖層成分去磷酸化，激活核膜重建，核膜成分與染色體結合，膜泡融合，其中，Lamin、LaminB受體等都可以與DNA直接或間接結合，核孔形成，核孔復合體裝配，核纖層形成，細胞核體積增大，Ran-GTP、Ran-GTP修飾因子等在核膜重建中起到重要作用。本文檔共69頁；當前第7頁；編輯于星期三\13點50分二、核孔復合體(NuclearPoreComplex，NPC)NPC經典研究手段:樹脂包埋超薄切片，負染色技術，冷凍蝕刻。冷凍蝕刻電鏡技術觀察NPC高分辨率掃描電鏡觀察NPC本文檔共69頁；當前第8頁；編輯于星期三\13點50分1949-1950年，Callan和Tomlin發(fā)現(xiàn)，一個典型的哺乳動物細胞核上約3000-4000個，細胞核活動旺盛的細胞中核孔數(shù)目較多，反之較少，在電鏡下觀察，核孔是呈圓形或八角形，現(xiàn)在一般認為其結構如fish-trap，核質交換的雙向、選擇性、親水通道。本文檔共69頁；當前第9頁；編輯于星期三\13點50分核孔復合體結構模型（一）結構模型結構組分：1.胞質環(huán)：位于核孔邊緣的胞質面一側，又稱外環(huán)；2.核質環(huán)：位于核孔邊緣的核質面一側，又稱內環(huán)；3.輻：由核孔邊緣伸向中心，呈輻射狀八重對稱的纖維；4.栓：又稱中央栓。位于核孔中心，呈顆粒狀或棒狀(有爭議)。本文檔共69頁；當前第10頁；編輯于星期三\13點50分胞質面結構本文檔共69頁；當前第11頁；編輯于星期三\13點50分核質面結構：籃狀復合體本文檔共69頁；當前第12頁；編輯于星期三\13點50分（二）組成成分核孔蛋白gp210p62疏水性N端區(qū)：直接參與核質交換C端區(qū)：疏水性7肽重復序列，穩(wěn)定p62分子介導核孔復合體與核被膜的鏈接，提供NPC組裝起始位點介導內、外核膜融合形成核孔介導核、質交換功能30多種不同的多肽，1000多個蛋白質分子。本文檔共69頁；當前第13頁；編輯于星期三\13點50分NPC的功能特點雙向性：入核——蛋白質，出核——RNA、核酸核蛋白復合體(RNP)。雙功能：被動擴散——離子、小分子等（直徑<10nm）主動運輸——親核蛋白輸入、RNA及RNP輸出等。（三）功能本文檔共69頁；當前第14頁；編輯于星期三\13點50分本文檔共69頁；當前第15頁；編輯于星期三\13點50分核孔復合體的主動運輸高度選擇性：運輸顆粒直接10-20nm，且大小可調節(jié)需要消耗ATP的信號識別與載體介導的過程具有飽和動力學特征雙向性：核輸入：DNA復制轉錄、染色體構建和核糖體亞單位組裝等所需的各種因子核輸出：RNA，組裝好的核糖體亞單位等親核蛋白（karyophilicprotein）：細胞質內合成，進入細胞核內發(fā)揮功能的一類蛋白質可停留于核內，也可穿梭于核、質之間含有核定位信號(nuclearlocalizationsignal，NLS)本文檔共69頁；當前第16頁；編輯于星期三\13點50分核輸入核定位序列驗證試驗本文檔共69頁；當前第17頁；編輯于星期三\13點50分Wild-type:T-antigeninnucleusMutant-type:T-antigenincytosol第一個被鑒定的NLS：猴腎病毒的T抗原本文檔共69頁；當前第18頁；編輯于星期三\13點50分親核蛋白通過NPC的主動運輸本文檔共69頁；當前第19頁；編輯于星期三\13點50分核輸出CRM1識別NES（核輸出信號）從而介導出核，CRM1與Cargo的結合也是受到Ran-GTP活性的調控，CRM1像Importin一樣，可以與NPC直接結合，由RNA聚合酶Ⅰ轉錄的rRNA,在核仁中合成，形成核糖體亞基后以RNP形式被運出核外，由RNA聚合酶Ⅲ轉錄的5sRNA和tRNA,由蛋白介導出核，由RNA聚合酶Ⅱ轉錄的核內異質RNA（hnRNA）,加帽、加尾、剪切加工后形成成熟的mRNA出核。本文檔共69頁；當前第20頁；編輯于星期三\13點50分三、核纖層(nuclearlamina)本文檔共69頁；當前第21頁；編輯于星期三\13點50分核纖層由核纖肽（lamin）構成，核纖肽是一類中間纖維，分為A、B、C三型。帶NLS(核定位信號);LaminA/C的表達：具有組織與發(fā)育時期的特異性；LaminB：所有哺乳動物細胞均有表達。功能：1、結構支撐，保持核的形態(tài)與大小

2、調節(jié)基因表達，3、調節(jié)DNA修復——LaminA4、與細胞周期相關——解聚和重組裝本文檔共69頁；當前第22頁；編輯于星期三\13點50分薄層網(wǎng)狀結構的核纖層本文檔共69頁；當前第23頁；編輯于星期三\13點50分第二節(jié)、染色質(chromatin)1879年，W.Flemming（德）提出Chromatin——染色質——描述細胞核中被堿性染料著色的物質，

1888年，Waldeyer（德）提出Chromosome——染色體。本文檔共69頁；當前第24頁；編輯于星期三\13點50分染色質:指間期細胞核內由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復合結構,是間期細胞遺傳物質存在的形式。染色體:細胞在有絲分裂或減數(shù)分裂的特點階段、由染色質聚縮而成的棒狀結構。染色質和染色體是在細胞周期不同階段，可以互相轉變的形態(tài)結構；化學組成相同、包裝程度不同。

110.60.1本文檔共69頁；當前第25頁；編輯于星期三\13點50分DNA復制、轉錄和重組都是在染色質水平進行中心之中心本文檔共69頁；當前第26頁；編輯于星期三\13點50分有些兩棲類動物和植物具有比人更大的基因組！總體上，生物越復雜，基因組越大，但有例外。（一）基因組大小比較一、染色質DNA基因組：某一生物細胞中儲存于單倍染色體組中的總遺傳信息。本文檔共69頁；當前第27頁；編輯于星期三\13點50分1.

蛋白質編碼序列：主要為非重復的單一DNA序列，一般1個拷貝。2.

編碼rRNA、tRNA,組蛋白的串聯(lián)重復序列，一般有20-300個拷貝。3.含有重復序列的DNA：

簡單序列DNA

散在重復序列：轉座子、反轉（錄）座子等。4.高度重復DNA序列：大于105個拷貝衛(wèi)星DNA(SatelliteDNA)/小衛(wèi)星DNA/微衛(wèi)星DNA。5.未分類的間隔DNA。（二）基因組DNA的類型本文檔共69頁；當前第28頁；編輯于星期三\13點50分二、染色質蛋白負責DNA分子遺傳信息的組織、復制、修復和閱讀，可大致分為組蛋白和非組蛋白兩大類。（一）組蛋白(Histone)：定義：p237。核小體組蛋白(nucleosomalHistone)：H2B、H2A、H3和H4,幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結構，沒有種屬及組織特異性，在進化上十分保守；H1組蛋白：在構成核小體時H1起連接作用,形成染色體高級結構，本文檔共69頁；當前第29頁；編輯于星期三\13點50分（二）非組蛋白(nonhistone)：

序列特異性（相對的）DNA結合蛋白，占染色體蛋白的60-70%。特性：具有多樣性和異質性：包括參與核酸代謝和修飾的酶類、核質蛋白、染色體骨架蛋白、基因表達調控蛋白等；識別DNA具有特異性，識別與結合靠氫鍵和離子鍵，位于DNA雙螺旋的大溝部分。與DNA結合的螺旋區(qū)具有蛋白二聚化能力；具有功能多樣性：幫助DNA折疊；協(xié)助啟動DNA復制；調節(jié)基因表達。本文檔共69頁；當前第30頁；編輯于星期三\13點50分序列特異性DNA結合蛋白的不同結構模式α螺旋-轉角-α螺旋模式（Helix-turn-helixmotif）羧基端α螺旋識別DNA大溝的特異堿基信息本文檔共69頁；當前第31頁；編輯于星期三\13點50分鋅指模式（Zincfingermotif）鋅原子本文檔共69頁；當前第32頁；編輯于星期三\13點50分亮氨酸拉鏈模式（Leucinezippermotif）每7個氨基酸中的第7個氨基酸是亮氨酸。本文檔共69頁；當前第33頁；編輯于星期三\13點50分螺旋-環(huán)-螺旋模式（Helix-loop-helixmotif）本文檔共69頁；當前第34頁；編輯于星期三\13點50分高遷移率組蛋白盒HMG(highmobilitygroup)boxmotif特殊的彎曲DNA的功能本文檔共69頁；當前第35頁；編輯于星期三\13點50分傳統(tǒng)觀點認為染色質是組蛋白包裹在DNA外面形成的纖維狀結構。1974，Kornberg根據(jù)染色質的酶切和電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)核小體是染色質組裝的基本結構單位，提出染色質結構的“串珠”模型。三、核小體核小體是染色質的基本構成單位。本文檔共69頁；當前第36頁；編輯于星期三\13點50分鋪展染色質的電鏡觀察，經鹽溶液處理后解聚的染色質呈現(xiàn)10nm串珠狀結構；用非特異性微球菌核酸酶消化染色質，部分酶解片段分析結果:200bp片段為單位；X射線衍射等技術研究，發(fā)現(xiàn)核小體顆粒具有二分對稱性（dyadsymmetry），核心組蛋白的構成是先形成含2個H3和2個H4的四聚體，然后再與兩個H2A/H2B異二聚體結合形成八聚體，SV40微小染色體分析：病毒DNA和宿主組蛋白可以自主組裝成核小體。（一）核小體的發(fā)現(xiàn)本文檔共69頁；當前第37頁；編輯于星期三\13點50分核小體的發(fā)現(xiàn)本文檔共69頁；當前第38頁；編輯于星期三\13點50分（二）核小體的結構約200bp的DNA組蛋白核心復合體一個H160bp的連接DNA本文檔共69頁；當前第39頁；編輯于星期三\13點50分四、染色質組裝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1.7~2.0m，而細胞核的直徑只有5-10um。？Compactionratio=nearly10000-fold.壓縮近一萬倍平均長度5cm核直徑5-10umNo本文檔共69頁；當前第40頁；編輯于星期三\13點50分（一）染色質組裝的過程本文檔共69頁；當前第41頁；編輯于星期三\13點50分一級結構：核小體(nucleosome)二級結構：螺線管(solenoid)三級結構：超螺線管(supersolenoid)四級結構：染色單體(chromatid)

壓縮7倍壓縮6倍壓縮40倍壓縮5倍DNA———→核小體———→螺線管———→超螺線管———→染色單體

（二）染色質組裝的多級螺旋模型7×6×40×5=8400本文檔共69頁；當前第42頁；編輯于星期三\13點50分（三）染色質組裝的放射環(huán)結構模型模型30nm的螺線管基本沒有異議，但三級結構以上現(xiàn)在還沒有定論，除超螺線管模型以外，有人提出染色體骨架-放射環(huán)模型；30nm的螺線管折疊成環(huán)，沿染色體縱軸，由中央向四周伸出，構成復制環(huán)，每18個復制環(huán)呈放射狀平面排列，結合在核基質上形成微帶，約106個微帶沿縱軸構成染色單體。本文檔共69頁；當前第43頁；編輯于星期三\13點50分基因組結構和染色質組裝一覽圖本文檔共69頁；當前第44頁；編輯于星期三\13點50分五、染色質類型常染色質異染色質間期核內染色質纖維折疊壓縮程度低，處于伸展狀態(tài)堿性染料染色時著色淺活躍轉錄的部位，并非所有基因都具有轉錄活性,只是基因轉錄的必要條件而非充分條件間期核內折疊壓縮程度高,處于聚縮狀態(tài)堿性染料染色時著色較深異染色質中的基因沒有轉錄活性，并且可以抑制插入DNA片段的表達類型組蛋白與DNA的修飾：DNA甲基化本文檔共69頁；當前第45頁；編輯于星期三\13點50分組成型定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕及染色體臂的某些節(jié)段由相對簡單、高度重復的DNA序列構成,如衛(wèi)星DNA具有顯著的遺傳惰性,不轉錄也不編碼蛋白質在復制行為上與常染色質相比表現(xiàn)為晚復制早聚縮占有較大部分核DNA功能：參與染色體高級結構的形成；導致染色質區(qū)間性；作為核DNA的轉座元件引起遺傳變異異染色質兼性異染色質某些細胞類型或一定的發(fā)育階段,原來的常染色質聚縮,并喪失基因轉錄活性,變?yōu)楫惾旧|，如X染色體隨機失活異染色質在胚胎細胞中較少，而在高度分化的細胞中較多，是關閉基因活性的一種途徑本文檔共69頁；當前第46頁；編輯于星期三\13點50分活性染色質10%非活性染色質90%染色質具有DNaseⅠ超敏感位點一段長100-200bp的DNA序列特異暴露的染色質區(qū)域，為RNA聚合酶、轉錄因子或調控蛋白提供結合位點組蛋白乙?；腔钚匀旧|的標志很少有組蛋白H1與其結合組蛋白H2B很少被磷酸化組蛋白H2A很少發(fā)生變異組蛋白H3的變種H3.3只在活性染色質中出現(xiàn)HMG蛋白較豐富按功能狀態(tài)分類本文檔共69頁；當前第47頁；編輯于星期三\13點50分第三節(jié)染色質的復制與表達

（自學）本文檔共69頁；當前第48頁；編輯于星期三\13點50分根據(jù)著絲粒位置進行的染色體分類圖示一、中期染色體的形態(tài)結構第四節(jié)染色體本文檔共69頁；當前第49頁；編輯于星期三\13點50分（一）著絲粒與動粒著絲粒:

指中期染色單體相互聯(lián)系在一起的特殊部位；動粒:

指主縊痕處兩個染色單體外側表層部位的特殊結構，它與仿錘絲微管相接觸。著絲粒中央結構域動粒結構域配對結構域外板內板中間間隙圍繞外層的纖維冠本文檔共69頁；當前第50頁；編輯于星期三\13點50分熒光原位雜交顯示著絲粒衛(wèi)星DNA本文檔共69頁；當前第51頁；編輯于星期三\13點50分（二）次縊痕（secondaryconstriction）除主縊痕外，染色體上第二個呈淺縊縮的部分稱次縊痕，次縊痕的位置相對穩(wěn)定，數(shù)目、位置和大小是鑒定染色體個別性的一個顯著特征。（三）核仁組織區(qū)（nucleolarorganizingregions,NORs）核糖體RNA基因（5SrRNA基因除外）所在的區(qū)域。核仁組織區(qū)位于染色體的次縊痕區(qū)，但并非所有的次縊痕都是NORs。本文檔共69頁；當前第52頁；編輯于星期三\13點50分（五）端粒（telomere）染色體端部的特化部分，作用是維持染色體的完整性和個體性。端粒由高度重復的短序列串聯(lián)而成，在進化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似，哺乳類的序列為TTAGGG，500-3000次重復。（四）隨體（satellite）指位于染色體末端的球形染色體節(jié)段，通過次縊痕區(qū)與染色體主體部分相連。

本文檔共69頁；當前第53頁；編輯于星期三\13點50分熒光原位雜交顯示端粒和端粒序列本文檔共69頁；當前第54頁；編輯于星期三\13點50分二、染色體的功能元件自主復制序列DNA復制的起點具有一個11-14bp，富含AT的共有序列著絲粒序列端粒序列具有兩個彼此相鄰的核心區(qū)，一個是80-90bp的AT區(qū)，另一個是11bp的保守區(qū)參與形成著絲粒，使細胞分裂中染色體能夠準確地分離大量串聯(lián)的重復序列組成，如α衛(wèi)星DNA長5-10bp的重復單位串聯(lián)而成由端粒酶（telomerase）合成后添加到染色體末端功能元件本文檔共69頁；當前第55頁；編輯于星期三\13點50分端粒序列和端粒酶本文檔共69頁；當前第56頁；編輯于星期三\13點50分核型(Karyotype)：染色體組在有絲分裂中期的表型，包括染色體數(shù)目、大小、形態(tài)特征等。核型是物種特異的。三、染色體帶型低滲處理：中期細胞的染色體分散良好秋水仙素的應用：富集中期細胞分裂相植物凝集素：刺激血淋巴細胞轉化、分裂本文檔共69頁；當前第57頁；編輯于星期三\13點50分核型分析定義：是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；依據(jù)：染色體形態(tài)和著絲粒位置的差別；意義：對于探討人類遺傳病的機制，研究物種親緣關系、進化，研究人細胞癌變機理等都有重要意義。本文檔共69頁；當前第58頁；編輯于星期三\13點50分核型分析本文檔共69頁；當前第59頁；編輯于星期三\13點50分（一）多線染色體（polytenechromosome）發(fā)現(xiàn)于雙翅目搖蚊幼蟲的唾腺細胞的染色體;體積巨大，染色體比其它體細胞染色體長100-200倍，體積大1000-2000倍;多線性，每條多線染色體由500-4000條解旋的染色體合并在一起形成;體細胞聯(lián)會，同源染色體緊密配對，并合并成一個染色體;橫帶紋，染色后呈現(xiàn)出明暗相間的帶紋;膨突和環(huán)，多線染色體是由于核內有絲分裂的結果，即染色體多次復制而不分離的結果。四、特殊染色體本文檔共69頁；當前第60頁；編輯于星期三\13點50分果蠅唾涎細胞中全套多線染色體本文檔共69頁；當前第61頁；編輯于星期三\13點50分多線染色體帶和脹泡形成示意圖本文檔共69頁；當前第62頁；編輯于星期三\1