細(xì)胞核和染色體作用機(jī)理

細(xì)胞核和染色體作用機(jī)理第1頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月學(xué)習(xí)目標(biāo)Objectives熟悉細(xì)胞核這一細(xì)胞器核被膜(Nuclearenvelope)核孔(Pores)–掌握其結(jié)構(gòu)及在細(xì)胞中的作用核基質(zhì)染色質(zhì)和染色體的結(jié)構(gòu)了解細(xì)胞核的基本功能基因表達(dá)復(fù)制第2頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月

細(xì)胞核是細(xì)胞內(nèi)最大的細(xì)胞器，載有全部基因組的染色體。它是基因復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄的中心：是細(xì)胞生命活動(dòng)的控制中心。

第3頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月1781年Trontana發(fā)現(xiàn)于魚類細(xì)胞；1831年，Brown發(fā)現(xiàn)于植物。大?。褐参?~4μm，動(dòng)物10μm。正常細(xì)胞核質(zhì)比NP≈0.5，分裂期細(xì)胞NP>0.5，衰老細(xì)胞NP<0.5。Vc:細(xì)胞的體積Vn:細(xì)胞核的體積第4頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月形狀：圓形，胚乳(網(wǎng)狀）、蝶類絲腺(分支狀)。位置：細(xì)胞中央，成熟植物細(xì)胞的邊緣。數(shù)目：通常一個(gè)，成熟的篩管和哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞（0）、肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞(1-2）、破骨細(xì)胞(6~50）、骨骼肌細(xì)胞(數(shù)百）、植物氈絨層細(xì)胞(2~4)。成熟紅細(xì)胞第5頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月細(xì)胞核組成:核被膜、染色質(zhì)、核仁及核基質(zhì)第6頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)：核被膜核仁核基質(zhì)染色質(zhì)核纖層功能：①遺傳、②發(fā)育。第7頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)核被膜（核膜）

Nuclearenvelope第8頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月一、核被膜是雙層膜結(jié)構(gòu)（TEM)①外核膜：來源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，附有核糖體。③核周隙（perinuclearspace)：寬20~40nm，與ER腔相通。⑤核纖層：內(nèi)核膜內(nèi)表面的纖維網(wǎng)絡(luò)，支持核膜，并與染色質(zhì)、核骨架相連。②核內(nèi)膜（outernuclearmembrane）④核孔復(fù)合體第9頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月二、核孔是物質(zhì)運(yùn)輸?shù)耐ǖ?/p>

由至少50種不同的pr構(gòu)成，稱為核孔復(fù)合體（nuclearporecomplex，NPC）。一般哺乳動(dòng)物細(xì)胞約3000個(gè)核孔。電鏡下觀察核孔呈圓形或八角形，一般認(rèn)為其結(jié)構(gòu)如fish-trap。第10頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月在核被膜上由于內(nèi)、外兩層膜的局部融合形成核孔，在電鏡下顯示其復(fù)雜的、有規(guī)律性的結(jié)構(gòu)，呈圓形或八角形，稱為核孔復(fù)合物。主要包括以下幾部分：①細(xì)胞質(zhì)環(huán)②核質(zhì)環(huán)③轉(zhuǎn)運(yùn)子④輻第11頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月抽提后的核孔復(fù)合體胞質(zhì)面結(jié)構(gòu)抽提后的核孔復(fù)合體核質(zhì)面結(jié)構(gòu)第14頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月TheNuclearPore第15頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月三、核孔復(fù)合體的成分

推測(cè)100余種不同的多肽，1000多個(gè)蛋白質(zhì)分子，統(tǒng)稱為核孔蛋白(nucleoporin,Nup)。已在酵母中鑒定到30余種，在脊椎動(dòng)物中鑒定到10余種。第16頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月四、核孔的功能（核質(zhì)交換雙向選擇性親水通道）特殊的跨膜運(yùn)輸?shù)鞍讖?fù)合體，具有雙功能，雙向性。第17頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月一、被動(dòng)擴(kuò)散核孔有效直徑10nm左右，擴(kuò)散速度與分子量成反比。小于5×103的可自由進(jìn)入，大于60×103的球蛋白不能進(jìn)入。二、主動(dòng)運(yùn)輸

主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪x擇性。(1)對(duì)顆粒大小的限制，一般可達(dá)10-20nm，表明核孔復(fù)合體的有效直徑是可以調(diào)節(jié)的；(2)主動(dòng)運(yùn)輸是信號(hào)識(shí)別和載體介導(dǎo)的過程，需要ATP；(3)具有雙向性。親核蛋白包括駐留性的和穿梭性的。第18頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）對(duì)運(yùn)輸顆粒大小的限制可以運(yùn)輸象RNP（核糖核蛋白）大小的顆粒。說明核孔直徑的大小可以被調(diào)節(jié)。（2）核孔主動(dòng)運(yùn)輸是一個(gè)信號(hào)識(shí)別和載體介導(dǎo)的過程，需要ATP。（3）通過核孔的主動(dòng)運(yùn)輸是雙向的。親核蛋白的核運(yùn)：核質(zhì)蛋白具有頭尾兩個(gè)結(jié)構(gòu)域。如此大的蛋白質(zhì)不能有效的擴(kuò)散進(jìn)入核內(nèi)。那么親核的輸入信號(hào)位置在那？第19頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月金顆粒標(biāo)記的核蛋白穿越核孔第20頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月注如入胞質(zhì)核質(zhì)蛋白尾部頭部攝入細(xì)胞核細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核放射性爪蟾卵母細(xì)胞核質(zhì)蛋白質(zhì)注射實(shí)驗(yàn)第21頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月有限的水解注如細(xì)胞滯留在細(xì)胞質(zhì)放射性頭部放射性尾部攝入細(xì)胞核第22頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月膠體金包裹尾部的膠體金尾部注入細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞核第23頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月爪蟾卵母細(xì)胞核質(zhì)蛋白注射試驗(yàn)第24頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月通過核孔的物質(zhì)運(yùn)輸與信號(hào)序列有關(guān)核定位信號(hào)（NLS-NuclearLocalizationSignals）：引導(dǎo)蛋白進(jìn)入細(xì)胞核，受體為importin，4-8個(gè)氨基酸組成，含Pro（脯氨酸）、Lys（賴氨酸）和Arg（精氨酸）。完成核輸入后不被切除。第一個(gè)被確定的NLS是病毒SV40的T抗原，其NLS為：Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val核輸出信號(hào)（NES），引導(dǎo)RNP輸出細(xì)胞核，受體為exportin。Ran蛋白，屬G蛋白，調(diào)節(jié)貨物復(fù)合體的解體或形成。第25頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月ProcessofNuclearImport第26頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月三、核纖層

在真核細(xì)胞的核內(nèi)膜下,有一層纖層蛋白組成的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),稱為核纖層(nuclearlamina)。由核纖肽構(gòu)成，屬IF，分A、B兩型。1．保持核的形態(tài)：2.參與基因的表達(dá)調(diào)控。核纖層的功能第27頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月核纖層的功能3.參與染色質(zhì)和核的組裝：M期核纖層被磷酸化，核膜解體。B型核纖肽與核膜殘余小泡結(jié)合，A型溶于胞質(zhì)。分裂末期，核纖肽去磷酸化重新組裝，介導(dǎo)核膜重建。第28頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月間期前期末期末期第30頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)染色體1848年，Hofmeister發(fā)現(xiàn)于鴨跖草的小孢子母細(xì)胞。1879年，F(xiàn)lemming提出Chromatin。用以描述細(xì)胞核中被堿性染料染色后強(qiáng)烈著色的細(xì)絲狀物質(zhì)。1888年，Waldeyer提出Chromosome。后來的研究證明染色質(zhì)和染色體是同一物質(zhì)在細(xì)胞周期中不同階段的形態(tài)表現(xiàn)。第31頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月

染色質(zhì)是細(xì)胞核內(nèi)能被堿性染料染色的物質(zhì)。是DNA的載體，是細(xì)胞核最重要的部分。它隨著細(xì)胞周期的不同而呈不同形態(tài)。在間期細(xì)胞核中呈現(xiàn)絲網(wǎng)狀的不規(guī)則形態(tài)結(jié)構(gòu)；而進(jìn)入有絲分裂時(shí)則形成形態(tài)不同而各具特征的高度折疊、盤曲而凝聚成條狀或棒狀的染色體。第32頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月DNA是遺傳信息的攜帶者，是染色體中結(jié)構(gòu)性質(zhì)穩(wěn)定、數(shù)量恒定的基本成分。

DNA含量不隨生物體的復(fù)雜性而增加。真核細(xì)胞中含有許多重復(fù)序列（垃圾基因？？？）第33頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月一、染色質(zhì)的化學(xué)組成組成：DNA、組蛋白、非組蛋白、少量RNA。比例：1:1:(1-1.5):0.05。第34頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）DNA3種序列：①單一序列；②中度重復(fù)序列（101~5）；③高度重復(fù)序列（>105）。1983年，A.W.Murray等人首次成功構(gòu)建了包括ARS、CEN、TEL和外源DNA，總長度為55kb的酵母人工染色體(yeastartificialchromosome,YAC)。YAC可用于轉(zhuǎn)基因和構(gòu)建基因文庫，容納插入片段的能力遠(yuǎn)高于質(zhì)粒。YAC與BAC：含上述3種成分，用于轉(zhuǎn)基因。第35頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月3種構(gòu)像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。第36頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月3種基本元素：①自主復(fù)制序列(ARS)；②著絲粒序列(CEN)；③端粒序列(TEL)。第37頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）染色質(zhì)蛋白質(zhì)組蛋白：基本結(jié)構(gòu)蛋白帶正電荷，含精氨酸，賴氨酸，屬堿性蛋白，其含量豐富；與DNA緊密結(jié)合，對(duì)維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的完整性起關(guān)鍵作用。在真核細(xì)胞中組蛋白共有5種（H1，H2A，H2B，H3，H4）；分為兩組：核心組蛋白，H1組蛋白（接頭組蛋白）第38頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)：高度保守，尤其是H4。核心組蛋白由球形部和尾部構(gòu)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，為轉(zhuǎn)譯后修飾的部位。H1多樣性，具有屬和組織特異性。第39頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）非組蛋白序列特異性DNA結(jié)合蛋白。特性：帶負(fù)電，屬酸性蛋白。整個(gè)細(xì)胞周期都合成，組蛋白只在S期合成。能識(shí)別特異DNA序列，結(jié)合籍氫鍵和離子鍵。功能：幫助DNA折疊、復(fù)制；調(diào)節(jié)基因表達(dá)。第40頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月二、從DNA到染色體核小體（nucleosome）：一種串珠狀結(jié)構(gòu)，由核心顆粒和連結(jié)線DNA兩部分組成，通過酶消化實(shí)驗(yàn)建立。由長約200bp的DNA和5種組蛋白組成。第41頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月由H2A、H2B、H3、H4各兩分子形成八聚體，構(gòu)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42頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月在低鹽親水介質(zhì)中展開的染色質(zhì)，示串珠狀的核小體（JA，Gall1981）第43頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月三、染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型雙鏈核小體螺線管超螺線管染色單體一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)壓縮7倍壓縮6倍壓縮40倍壓縮5倍基本包裝螺旋纏繞螺旋纏繞折疊共壓縮8000~10000倍第44頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月Humanchromosome2第45頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月三、染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型第46頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月四、常染色質(zhì)和異染色質(zhì)細(xì)胞分裂間期的細(xì)胞核中染色質(zhì)可分為異染色質(zhì)（heterochromatin）和常染色質(zhì)（euchromatin）。

常染色質(zhì)在間期核中染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低，呈疏松的分散狀態(tài)，有功能活性。

異染色質(zhì)在間期核中染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度高，處于凝縮狀態(tài)，無轉(zhuǎn)錄活性；分為結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)和兼性異染色質(zhì)。

結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)：細(xì)胞周期中在染色體上有固定位置，一般為DNA重復(fù)序列，常見于染色體著絲粒及其周圍。

兼性異染色質(zhì)：第47頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月常染色質(zhì)是具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)，結(jié)構(gòu)疏松，電子密度低。異染色質(zhì)的特點(diǎn)：①凝縮狀態(tài)，無轉(zhuǎn)錄活性、是遺傳惰性區(qū)。②在細(xì)胞周期中表現(xiàn)為晚復(fù)制、早凝縮。③分為兩類：結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)、兼性異染色質(zhì)第48頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月雌性哺乳動(dòng)物細(xì)胞中一條異固縮化的X染色體。人胚胎發(fā)育16天后出現(xiàn)巴氏小體。barrbody巴氏小體第49頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月四、染色體染色體（Chromosome）姊妹染色單體（Sisterchromatid）根據(jù)著絲粒在染色體上的位置：中著絲粒染色體（Metacentricchromosome）近中著絲粒染色體（Submetacentricchromosome）近端著絲粒染色體（Arocentricchromosome）端著絲粒染色體（Telocentricchromosome）染色體的各部分名稱第50頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月端粒（telomere）：由高度重復(fù)的短序列組成。作用：維持染色體穩(wěn)定性。起細(xì)胞分裂計(jì)時(shí)器的作用。DNA每復(fù)制一次端粒減少50~100bp。第52頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月生物化學(xué)家發(fā)現(xiàn)端粒酶結(jié)構(gòu)有助于更快研制抗癌藥物抗腫瘤抗衰老第53頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）染色體的數(shù)目性細(xì)胞染色體為單倍體，用n表示；體細(xì)胞為2倍體，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(shù)目因物種而異。第54頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）著絲粒的結(jié)構(gòu)著絲粒（centromere）和著絲點(diǎn)（kinetochore）是兩個(gè)不同的概念。著絲粒包含3個(gè)結(jié)構(gòu)域：1.著絲點(diǎn)結(jié)構(gòu)域（kinetochoredomain）位于著絲粒的表面，包括三層板狀結(jié)構(gòu)和圍繞外層的纖維冠(fibrouscorona)。第55頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2.中央結(jié)構(gòu)域位于著絲粒結(jié)構(gòu)域的下方，含α衛(wèi)星DNA。3.配對(duì)結(jié)構(gòu)域位于著絲粒內(nèi)層，中期連結(jié)染色單體。4.著絲點(diǎn)蛋白用ACAs發(fā)現(xiàn)的著絲粒蛋白主要有6種（CENPA-F）第56頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月Centromere第57頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月如果將一個(gè)染色體組的全部染色體逐個(gè)按形狀、大小等特征依順序排列起來的圖象叫核型圖。核型分析對(duì)于探討人類遺傳病的機(jī)制，物種親緣關(guān)系與進(jìn)化、遠(yuǎn)緣雜種的鑒定等都有重要意義。第58頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)核仁間期細(xì)胞核內(nèi)呈圓球形的結(jié)構(gòu)，一般1~2個(gè)。功能是轉(zhuǎn)錄rRNA和組裝核糖體亞單位。蛋白合成旺盛和分裂增殖較快的細(xì)胞有較大和較多的核仁，反之核仁很小或缺如。核仁在分裂前期消失，末期又重新出現(xiàn)。第59頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月一、核仁形態(tài)①纖維中心：是致密纖維包圍的低電子密度的圓形結(jié)構(gòu)，主要成分為RNA聚合酶和rDNA。②致密纖維組分：呈環(huán)形或半月形包圍FC，由致密纖維構(gòu)成，是新合成的RNP。③顆粒組分：由直徑15-20nm的顆粒構(gòu)成，是不同加工階段的RNP。第60頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月Nucleolus第61頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）結(jié)構(gòu)含40%蛋白、60%RNA，2亞單位構(gòu)成。分為70S和80S兩類。大小亞單位只在合成蛋白時(shí)結(jié)合在一起，合成終止后解離。多個(gè)核糖體結(jié)合在一條mRNA上，稱多聚核糖體。二、核糖體ribosome第62頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月核糖體的組成第63頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）核糖體組裝rDNA為重復(fù)基因，人體細(xì)胞中約有200個(gè)拷貝，rDNA沒有組蛋白核心，是裸露的DNA節(jié)段，相鄰基因之間為非轉(zhuǎn)錄的間