第八章 細(xì)胞核和染色體-jian

第八章細(xì)胞核與染色體概述：1831年，Brown在植物中發(fā)現(xiàn)，并定名為細(xì)胞核大小：植物中1-4um，動物中10um數(shù)目：通常一個；無核；多核形狀：圓形；網(wǎng)狀（胚乳細(xì)胞）；分支狀（蝶類的絲腺細(xì)胞）位置：細(xì)胞中央；成熟的植物細(xì)胞位于邊緣結(jié)構(gòu)：核被膜；核仁；染色質(zhì)；核骨架功能：遺傳第一節(jié)核被膜與核孔復(fù)合體

●核被膜●核孔復(fù)合體（nuclearporecomplex，NPC）一、核被膜的結(jié)構(gòu)組成◆外核膜（outernuclearmembrane），胞質(zhì)面附有核糖體，是特殊的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）

內(nèi)核膜（innernuclearmembrane），有特有的蛋白成分◆核周間隙（perinuclearspace），與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相通

核孔（nuclearpore），內(nèi)外膜融合的部位◆核纖層（nuclearlamina），內(nèi)核膜核質(zhì)面的一層纖維蛋白構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)狀核被膜的功能

構(gòu)成核、質(zhì)之間的天然選擇性屏障

避免生命活動的彼此干擾，使生命活動更加井然有序

保護(hù)DNA不受細(xì)胞骨架運動所產(chǎn)生的機械力的損傷

核質(zhì)之間的物質(zhì)交換與信息交流二、核孔復(fù)合體（NPC）概述：組成：多種不同的蛋白組成的數(shù)量：哺乳動物細(xì)胞中平均含有3000個核孔

細(xì)胞核活動旺盛的細(xì)胞中數(shù)目多結(jié)構(gòu)：電鏡下圓形或者八角形，fish-trap（一）結(jié)構(gòu)模型

胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmicring），外環(huán)

核質(zhì)環(huán)（nuclearring），內(nèi)環(huán)

輻（spoke）

柱狀亞單位（columnsubunit）

腔內(nèi)亞單位（luminalsubunit）

環(huán)帶亞單位（annularsubunit）

中央栓（centralplug）：transporter（二）核孔復(fù)合體成分的研究核孔復(fù)合體主要由蛋白質(zhì)構(gòu)成，推測有100余種不同的多肽，共1000多個蛋白質(zhì)分子。

gp210：結(jié)構(gòu)性跨膜蛋白

p62：功能性蛋白，具有兩個功能結(jié)構(gòu)域（三）核孔復(fù)合體的功能核孔復(fù)合體是雙功能（被動擴散和主動運輸）、雙向性（入核和出核）的親水性核質(zhì)交換通道。被動運輸（passivetransport）允許條件：一般直徑10nm以下的分子；60KD以下的蛋白注：有的則由于含有信號序列或者和其它的分子結(jié)合成大分子而不能自由出入核孔復(fù)合體（組蛋白21KD）。主動運輸（activetransport）通過核孔復(fù)合體的主動運輸主要是指親核蛋白的入核，RNA分子及核糖核蛋白顆粒（RNP）出核運輸。特性：①選擇性：對運輸顆粒大小的限制（10-20nm)；②是信號識別和載體介導(dǎo)的過程；③雙向性：蛋白質(zhì)的入核；RNA和核糖體亞單位的出核。親核蛋白的入核轉(zhuǎn)運機制親核蛋白（karyophilicprotein）是指在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成之后，需要或能夠進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質(zhì)。類型：進(jìn)入核之后一直滯留在其中執(zhí)行功能；穿梭于核質(zhì)之間行駛功能。1982年R.Laskey發(fā)現(xiàn)核內(nèi)含量豐富的核質(zhì)蛋白的C端有一個信號序列，可引導(dǎo)蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核，稱為核定位信號（nuclearlocalizationsignal，NLS），富含有堿性氨基酸，但不同的NLS之間并沒有共有的序列特征。

核輸出序列（nuclearexportsignal，NES）親核蛋白的入核RNA的出核轉(zhuǎn)錄的RNA需加工、修飾成為成熟的RNA分子后才能被轉(zhuǎn)運出核。

RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄的rRNA分子：以RNP的形式離開細(xì)胞核；

RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄的5srRNA與tRNA的核輸出由蛋白質(zhì)介導(dǎo)；

RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄的hnRNA，在核內(nèi)進(jìn)行5’端加帽（m7GpppG“帽子”結(jié)構(gòu)）和3’端加PolyA尾巴以及剪接等加工過程，然后形成成熟的mRNA出核。第二節(jié)染色質(zhì)1842年，Nali在植物細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)了桿狀的染色體。1848年，Hofmeister從鴨跖草的小孢子母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)染色體。

1879年，W.Flemming提出了染色質(zhì)（chromatin）。1888年，Waldeyer提出了染色體（Chromosome）。一、染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成染色質(zhì)的概念

◆染色質(zhì)（chromatin）

指間期細(xì)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(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。

◆染色體(chromosome)

指細(xì)胞在分裂過程中,由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)組成染色質(zhì)由DNA、組蛋白、非組蛋白、RNA組成，各組分的含量比例為1：1：0.6：0.1。其中DNA與組蛋白是染色質(zhì)的穩(wěn)定成分，非組蛋白和RNA的含量隨細(xì)胞生理狀態(tài)不同而發(fā)生變化。（一）染色質(zhì)DNADNA序列可分為三種類型：①單一序列②中度重復(fù)序列（101-5）③高度重復(fù)序列（大于105）DNA二級結(jié)構(gòu)的類型：B-DNA、A-DNA、Z-DNA(二)組蛋白(histone)

核小體組蛋白（核心組蛋白）H2B、H2A、H3和H4，幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

連接組蛋白：H1組蛋白，在構(gòu)成核小體時起連接作用

特點：

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(jìn)化上十分保守。(三)非組蛋白

對DNA具有識別特異性，又稱序列特異性DNA結(jié)合蛋白

非組蛋白具多樣性和異質(zhì)性

具有多種功能：幫助DNA折疊；協(xié)助DNA復(fù)制；調(diào)節(jié)基因表達(dá)二、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位—核小體1974年Kornberg等人根據(jù)染色質(zhì)的酶切降解和電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)核小體（nucleosome）是染色質(zhì)包裝的基本結(jié)構(gòu)單位，并提出染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的“串珠“模型。

實驗證據(jù)

核小體的結(jié)構(gòu)要點自然結(jié)構(gòu)鹽處理后實驗證據(jù)一染色質(zhì)

核酸酶完全酶解離心、電泳200bp的片段部分酶解離心、電泳單體、二體或三體等裸露的DNA酶解離心、電泳隨機大小的片段群體實驗證據(jù)二實驗證據(jù)三SV40微小染色體分析實驗證據(jù)四：X射線衍射、中子散射和電鏡三維重建核小體的結(jié)構(gòu)要點示意圖核小體的結(jié)構(gòu)要點◆每個核小體單位包括200bp左右的DNA超螺旋、一個組蛋白八聚體和一分子H1?！粲蒆2A、H2B、H3、H4各兩分子形成八聚體，構(gòu)成核心顆粒?！鬌NA分子螺旋纏繞在核心顆粒表面，每圈80bp，共1.75圈，約146bp，組蛋白H1在核心顆粒外結(jié)合額外20bpDNA，鎖住核小體DNA的進(jìn)出端，起穩(wěn)定核小體的作用?！粝噜徍诵念w粒之間以一段0～80bp的連接?！艚M蛋白與DNA之間的相互作用主要是結(jié)構(gòu)性的，基本不依賴于核苷酸的特異序列?！艉诵◇w沿DNA的定位受不同因素的影響，進(jìn)而通過核小體相位改變影響基因表達(dá)。。

三、染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型

染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型

(multiplecoilingmodel)●染色體的骨架-放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型

(scaffoldradialloopstructuremodel)（一）染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型

◆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（二）染色體的骨架-放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型用高鹽或硫酸匍聚糖加肝素處理染色體，電鏡下看到一種網(wǎng)絡(luò)狀的染色體骨架結(jié)構(gòu)，由骨架伸出無數(shù)DNA側(cè)環(huán)。DNA酶消化后的骨架主要是非組蛋白，另外含有少量DNA和RNA?！粢患墸汉诵◇w；二級：螺線管◆由螺線管形成DNA復(fù)制環(huán)，每18個復(fù)制環(huán)呈放射狀平面排列，結(jié)合在核基質(zhì)上形成微帶(miniband)。微帶是染色體高級結(jié)構(gòu)的單位，大約106個微帶沿縱軸構(gòu)建成子染色體。結(jié)構(gòu)模型四、常染色質(zhì)和異染色質(zhì)

常染色質(zhì)(euchromatin)

異染色質(zhì)(heterochromatin)

常染色質(zhì)(euchromatin)◆概念：指間期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低,處于伸展?fàn)顟B(tài),用堿性染料染色時著色淺的那些染色質(zhì)。◆組成：單一序列DNA和中度重復(fù)序列DNA◆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。異染色質(zhì)(heterochromatin)◆概念：指間期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度高,處于聚縮狀態(tài),用堿性染料染色時著色深的那些染色質(zhì)?！纛愋?/p>

結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)（組成型異染色質(zhì)）

兼性異染色質(zhì)

第三節(jié)

染色體（chromosome）

●中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)●染色體DNA的三種功能元件●核型與染色體顯帶●巨大染色體

同一物種的染色體數(shù)目是相對穩(wěn)定的，性細(xì)胞染色體為單倍體（haploid），用n表示，體細(xì)胞為2倍體（diploid）以2n表示，還有一些物種的染色體成倍增加成為4n、6n、8n等多倍體。

一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

中期染色體類型

染色體的主要結(jié)構(gòu)

中期染色體的類型染色體的主要結(jié)構(gòu)◆著絲粒(centromere)◆次縊痕(secondaryconstriction)◆核仁組織區(qū)(NOR)◆隨體(satellite)◆端粒(telomere)著絲粒與著絲點(動粒)

著絲點結(jié)構(gòu)域

中央結(jié)構(gòu)域

配對結(jié)構(gòu)域著絲粒：將兩個染色單體連接在一起，并把染色體分成兩個臂。動粒：位于著絲粒兩側(cè)由蛋白質(zhì)構(gòu)成的三層盤狀或球狀結(jié)構(gòu)。動粒與紡錘體自然相連，與染色體的移動有關(guān)。次縊痕（secondaryconstriction）：除主縊痕外，染色體上其他呈淺縊縮的部分稱次縊痕，次縊痕的位置相對穩(wěn)定，是鑒定染色體個別性的一個顯著特征。核仁組織區(qū)（nucleolarorganizingregions,NORs）：是核糖體RNA基因所在的區(qū)域，其精細(xì)結(jié)構(gòu)呈燈刷狀。能夠合成核糖體的28S、18S和5.8SrRNA。位于次縊痕的部位。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。端粒（telomere）：是染色體端部的特化部分，位于染色體的端部來維持染色體的穩(wěn)定性。端粒由高度重復(fù)的短序列串聯(lián)而成，在進(jìn)化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似。端粒起到細(xì)胞分裂計時器的作用，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（telomerase）來完成，正常體細(xì)胞缺乏此酶，故隨細(xì)胞分裂而變短，細(xì)胞隨之衰老。

自主復(fù)制DNA序列（ARS）功能：DNA復(fù)制起點，確保染色體在細(xì)胞周期中能夠自我復(fù)制。