第五章 細胞核與遺傳信息的流向2

第五章

細胞核與遺傳信息的流向羅大極醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)系細胞核是真核細胞內(nèi)最大、最重要的細胞器，是遺傳物質(zhì)儲存、復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的場所，是細胞生命活動的控制中心。

細胞核的大小與細胞大小有關(guān)，最小的核直徑不足1μm，而最大的核如蘇鐵科某些植物卵細胞核直徑可達500~600μm。植物細胞核的直徑通常在1~4μm左右，動物為10μm左右。

在同一種生物，由于遺傳物質(zhì)的含量是恒定的，因此核的大小也比較恒定。常以核質(zhì)比來估算核的大小NP≈0.5，分裂期細胞NP>0.5，衰老細胞NP<0.5。

通常一個細胞一個核，肝細胞和心肌細胞可有雙核，破骨細胞可有6~50個細胞核，骨骼肌細胞可有數(shù)百個核；高等植物的氈絨層可有2~4個核。正在生長的細胞中，核位于細胞中央，在分化成熟的細胞中，常因細胞內(nèi)含物或特殊結(jié)構(gòu)的存在，核被擠到邊緣。細胞核的主要結(jié)構(gòu)包括：①核被膜(nuclearenvelope)②核仁(nucleolus)③核基質(zhì)(nuclearmatrix)④染色質(zhì)(chromatin)⑤核纖層(nuclearlamina)細胞核的主要功能有兩個方面：①遺傳②發(fā)育

前者表現(xiàn)為通過染色體、DNA的復(fù)制和細胞分裂，維持物種的世代連續(xù)性。后者表現(xiàn)為通過調(diào)節(jié)基因表達的時空順序，控制細胞的分化，完成個體發(fā)育的使命。第二節(jié)染色質(zhì)和染色體染色質(zhì)與染色體是同一物質(zhì)周期性相互轉(zhuǎn)化的不同形態(tài)的表現(xiàn)。肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗1944年Avery等利用肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗證明DNA是遺傳物質(zhì)。基因(gene)：

細胞內(nèi)遺傳物質(zhì)最小的結(jié)構(gòu)功能單位，是DNA分子中含有特定遺傳信息的核苷酸序列?；蚪M(genenome)：細胞所含有的能代表全部遺傳信息的一整套基因。根據(jù)化學(xué)特性和物理性質(zhì)染色質(zhì)和染色體的定義是染色質(zhì)(chromatin)：細胞核內(nèi)被堿性染料著色的物質(zhì)，含有DNA與蛋白質(zhì)等成分結(jié)合形成的復(fù)合體。染色體(chromosome)：在細胞有絲分裂時染色質(zhì)染色質(zhì)組裝成一條條能在光鏡下看到的棒狀或點狀的染色體?！羧旧|(zhì)（chromatin）:

指間期細胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復(fù)合結(jié)構(gòu),是間期細胞遺傳物質(zhì)存在的形式?！羧旧w(chromosome):

指細胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中,由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)。

染色質(zhì)與染色體是在細胞周期不同的功能階段可以相互轉(zhuǎn)變的的形態(tài)結(jié)構(gòu)

染色質(zhì)與染色體具有基本相同的化學(xué)組成，但包裝程度不同,構(gòu)象不同。染色質(zhì)與染色體一、染色質(zhì)的化學(xué)組成及種類（一）染色質(zhì)的化學(xué)組成生化分析顯示，染色質(zhì)的化學(xué)組成主要是DNA和組蛋白，此外還有非組蛋白和少量RNA。

真核生物功能性染色體DNA的三個必需序列：①復(fù)制源序列。②著絲粒序列。③端粒序列。四膜蟲：TTGGGG，重復(fù)約20-70次。人類：TTAGGG，重復(fù)約500-5000次。端粒酶，由RNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成的反轉(zhuǎn)錄酶。染色體DNA

從染色體DNA到基因組凡是具有細胞形態(tài)的所有生物其遺傳物質(zhì)都是DNA。在真核細胞中，每條未復(fù)制的染色體包裝一條DNA分子，一個生物貯存在單倍染色體組中的總遺傳信息，稱為該生物的基因組。

基因組大小通常隨物種的復(fù)雜性而增加

基因組中兩類遺傳信息

編碼序列

調(diào)控序列

物種基因組大小平均基因長（bp）基因數(shù)目大腸桿菌4.2×106bp

1.2Kb約2350酵母1.3×107bp1.4Kb約6100果蠅1.4×108bp11.3Kb約8750

人3×109bp16.3Kb約25000染色體蛋白負責(zé)DNA分子遺傳信息的組織、復(fù)制和閱讀。根據(jù)功能主要分為：1）組蛋白2）非組蛋白

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(jié)構(gòu)

H1組蛋白：在構(gòu)成核小體時H1起連接作用,它賦予染色質(zhì)以極性。組蛋白組蛋白特點：

真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶正電荷的Arg和Lys等堿性氨基酸，屬堿性蛋白質(zhì)，可以和酸性的DNA緊密結(jié)合（非特異性結(jié)合）；

沒有種屬及組織特異性，在進化上十分保守。非組蛋白具多樣性和異質(zhì)性

對DNA具有識別特異性，又稱序列特異性DNA結(jié)合蛋白(sequencespecificDNAbindingproteins)

具有多種功能，包括基因表達的調(diào)控和染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu) 的形成。非組蛋白

α螺旋-轉(zhuǎn)角-α螺旋模式(helix-turn-helixmotif)

鋅指模式(Zincfingermotif)

亮氨酸拉鏈模式(Leucinezippermotif，ZIP)

螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)模式(helix-loop-helixmotif，HLH)

HMG-盒結(jié)構(gòu)模式（HMG-boxmotif）非組蛋白的不同結(jié)構(gòu)模型

（二）染色質(zhì)的種類間期細胞核中的染色質(zhì)可分為兩類：常染色質(zhì)（euchromatin）和異染色質(zhì)（heterochromatin）。1、常染色質(zhì)

在間期細胞中結(jié)構(gòu)較為松散、堿性染料著色較淺的染色質(zhì)稱為常染色質(zhì)。常染色質(zhì)的特點◆DNA包裝比約為1000～2000分之一；◆單一序列DNA和中度重復(fù)序列DNA(如組蛋白基因和tRNA基因)；◆并非所有基因都具有轉(zhuǎn)錄活性,常染色質(zhì)狀態(tài)只是基因轉(zhuǎn)錄的必要條件而非充分條件；2、異染色質(zhì)可將異染色質(zhì)劃分為兩種類型：結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)(constitutiveheterochromatin)和兼性異染色質(zhì)(facultativeheterochromatin)。（1）結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)（2）兼性異染色質(zhì)巴氏小體(Barrbody)。除復(fù)制期以外，在整個細胞周期均處于聚縮狀態(tài)，形成多個染色中心。結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)的特征：①在中期染色體上多定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕及染色體臂的某些節(jié)段；②由相對簡單、高度重復(fù)的DNA序列構(gòu)成；③具有顯著的遺傳惰性,不轉(zhuǎn)錄也不編碼蛋白質(zhì)；④在復(fù)制行為上與常染色質(zhì)相比表現(xiàn)為晚復(fù)制早聚縮；⑤在功能上參與染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致染色質(zhì)區(qū)間性，作為核DNA的轉(zhuǎn)座元件，引起遺傳變異。結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)

在某些細胞類型或一定的發(fā)育階段,原來的常染色質(zhì)聚縮,并喪失基因轉(zhuǎn)錄活性,變?yōu)楫惾旧|(zhì)，如X染色體隨機失活

異染色質(zhì)化可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑兼行異染色質(zhì)巴氏小體常染色質(zhì)與異染色質(zhì)在細胞中的分布及相互轉(zhuǎn)換1）分布相與細胞分化程度相關(guān)分化程度愈高，致密異染色質(zhì)為主；增殖活躍的細胞，疏松的常染色質(zhì)為主。2）常染色質(zhì)與兼性異染色質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)換二、染色質(zhì)的包裝染色單體由DNA分子組成，人的二倍體細胞約含有6x109堿基對，分布在46條染色體上。

只有高度有序的包裝才能保證細胞分裂中遺傳物質(zhì)傳遞的穩(wěn)定性，才能保證基因復(fù)制和表達的準(zhǔn)確。

每條染色體DNA的平均長度約5cm，總長達174cm。如此長的DNA是如何排列在只有5um的細胞核中的呢？必須經(jīng)過包裝和壓縮！DNA如何有序的包裝和壓縮最終構(gòu)成染色質(zhì)(體)呢？染色質(zhì)的超微結(jié)構(gòu)鋪展染色質(zhì)的電鏡觀察未經(jīng)處理的染色質(zhì)自然結(jié)構(gòu)為30nm的纖絲，經(jīng)鹽溶液處理后解聚的染色質(zhì)呈現(xiàn)10nm串珠狀結(jié)構(gòu)；用非特異性微球菌核酸酶消化染色質(zhì)，部分酶解片段分析結(jié)果，應(yīng)用X射線衍射、中子散射和電鏡三維重建技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)核小體顆粒是直徑為11nm、高6nm的扁園柱體，具有二分對稱性(dyadsymmetry)，核心組蛋白的構(gòu)成是八聚體。由X-射線晶體衍射(2.8A)所揭示的核小體三維結(jié)構(gòu)（引自K.Luger等，1997）a。通過DNA超螺旋中心軸所顯示的核小體核心顆粒8個組蛋白分子的位置；b．垂直與中心軸的角度所見到的核小體核心顆粒的盤狀結(jié)構(gòu)；

c．半個核小體核心顆粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4種核心組蛋白分子，每種組蛋白由3個α螺旋和一個伸展的N-端尾部組成。N-端尾部有序排列，參與核小體之間的相互作用，以形成螺線管等高級結(jié)構(gòu)。染色體多級螺旋模型染色體袢環(huán)結(jié)構(gòu)模型染色體多級螺旋模型◆一級結(jié)構(gòu)：核小體◆二級結(jié)構(gòu)：螺線管(solenoid)◆三級結(jié)構(gòu)：超螺線管(supersolenoid)◆四級結(jié)構(gòu)：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(一)核小體（nucleosome)

染色質(zhì)的基本單位—核小體，由DNA和組蛋白組成的結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)——核小體

核小體的結(jié)構(gòu)：核小體核心：(H2A、H2B、H3、H4)×2

組成八聚體，八聚體連接的順序是：H2A-H2B-H4-H3-H3-H4-H2B-H2A核小體DNA：146bp的DNA纏繞在八聚體的外面1.75圈。H1鎖住核小體DNA的進出口處，DNA雙螺旋共纏繞2圈165bp。加上H1稱為染色質(zhì)小體(chromotosome)。每個核小體其直徑為10nm，高6nm的扁圓柱體。

連接DNA(1inkerDNA)：

0到80bp不等的DNA(平均長度為60bp)將核小體串聯(lián)成直徑10nm的串珠鏈，是染色質(zhì)（體）的一級結(jié)構(gòu)。螺線管(solenoid)10nm的串珠鏈細線螺旋化形成30nm的中空管稱螺線管，每圈由6個核小體組成，H1位于中空的螺線管的內(nèi)部，對螺線管的穩(wěn)定起著重要的作用。螺線管是染色體的二級結(jié)構(gòu)。

染色質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)——螺線管超螺線管(supersolenoid):是由30nm螺線管經(jīng)螺旋化形成直徑為0.2～0.4

m的圓筒狀結(jié)構(gòu)，即染色質(zhì)(染色體)的三級結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)——超螺線管染色單體:超螺線管進一步螺旋折疊形成染色單體，即染色質(zhì)(染色體)的四級結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)——染色單體壓縮比例：７倍６倍40倍５倍ＤＮＡ核小體螺線管超螺線管染色單體Total：8400倍

1977年Laemmli用NaCl溶液或硫酸葡聚糖加肝素處理Hela細胞中期染色體，去除組蛋白等成分后，在電鏡下可看到由非組蛋白構(gòu)成