第八章细胞核与染色体.docx
《第八章细胞核与染色体.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章细胞核与染色体.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第八章细胞核与染色体
第八章细胞核与染色体
●核被膜与核孔复合体
●染色质
●染色体
●核仁
●染色质结构和基因转录
●核基质与核体
1781年Trontana发现于鱼类细胞；
1831年Brown发现于植物，命名为细胞核；
大小：
低等植物1～4um，动物10um。
常以核质比（NP）来估算核的大小。
植物分生组织NP约0.5；分化的细胞比值降低，成年细胞降到最低。
形状：
圆形，胚乳细胞（网状），蝶类丝腺细胞（分支状）
位置：
细胞中央，成熟植物细胞（边缘）
数目：
通常一个细胞一个核，成熟的筛管和红细胞（0），肝细胞和心肌细胞（1～2个），破骨细胞（6～50），骨骼肌细胞（数百），毡绒层细胞（2～4）
结构：
①核被膜②核仁③核基质④染色质⑤核纤层
功能：
①遗传②发育
第一节核被膜与核孔复合体
核被膜的结构组成
◆外核膜（outernuclearmembrane），胞质面附有核糖体，
是特殊的内质网（ER）
内核膜（innernuclearmembrane），有特有的蛋白成分
◆核纤层（nuclearlamina），内核膜核质面的一层纤维蛋白构成的网络状
◆核周间隙（perinuclearspace），与内质网相通
核孔（nuclearpore），内外膜融合的部位
核纤层的功能
为核膜提供支架
有助于维持间期染色质高度有序的结构
是联系胞质中间纤维与核骨架之间的桥梁
核被膜的功能
构成核、质之间的天然选择性屏障
避免生命活动的彼此干扰，使生命活动更加井然有序
保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤
核质之间的物质交换与信息交流
核被膜的崩解与装配
新核膜来自旧核膜
核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性
◆核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调控因子的调
节，调节作用可能与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的磷酸
化与去磷酸化修饰有关。
核孔复合体（NPC）
核孔至少有50种不同的蛋白（nucleoporin）构成，称为核孔复合体（nuclearporecomplex,NPC）
一般哺乳动物细胞核平均有3000个核孔。
细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目多，反之则少
在电镜下，核孔呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如fish-trap。
结构模型
胞质环（cytoplasmicring），外环
核质环（nuclearring），内环
辐（spoke）
柱状亚单位（columnsubunit）
腔内亚单位（luminalsubunit）
环带亚单位（annularsubunit）
中央栓（centralplug）：
transporter
核孔复合体成分的研究
核孔复合体主要由蛋白质构成，推测有100余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。
gp210：
结构性跨膜蛋白
p62：
功能性蛋白，具有两个功能结构域
gp210：
结构性跨膜蛋白
介导核孔复合体与核被膜的连接，将核孔复合体
锚定在“孔膜区”，为核孔复合体装配提供一个起始位点
在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用
在核孔复合体的核质交换功能活动中起作用
p62：
功能性的核孔复合体蛋白
疏水性N端区：
在核孔复合体功能活动中直接
参与核质交换
C端区：
可能通过与其它核孔复合体蛋白相互
作用，将p62分子稳定到核孔复合体上，为N
端进行核质交换活动提供支持。
核孔复合体的功能
核孔复合体是双功能（被动扩散和主动运输）、双向性（入核和出核）的亲水性核质交换通道。
被动运输（passivetransport）
一般10nm的分子可以被动运输的方式自由出入核孔复合体，有的则由于含有信号序列或者和其它的分子结合成大分子而不能自由出入核孔复合体。
核孔复合体功能直径9nm，长约15nm的通道。
主动运输（activetransport）
通过核孔复合体的主动运输主要是指亲核蛋白的入核，RNA分子及核糖核蛋白颗粒（SNP）出核运输。
选择性：
①对运输颗粒大小的限制；10～20nm，最大26nm
有效直径可调。
②是信号识别和载体介导的过程；
③双向性：
蛋白质的入核；RNA和核糖体亚单位的出核。
亲核蛋白的入核转运机制
亲核蛋白（karyophilicprotein）是指在细胞质内合成之后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。
类型：
进入核之后一直滞留在其中执行功能；穿梭于核质之间行使功能。
1982年R.Laskey发现核内含量丰富的核质蛋白的C端有一个信号序列，可引导蛋白质进入细胞核，称为核定位信号（nuclearlocalizationsignal，NLS）。
核定位信号NLS：
引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列。
受体为importin。
第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，序列为：
pro-pro-lys-lys-lys-arg-lys-val。
NLS对连接的蛋白质无特殊要求，完成输入后不被切除。
NLS由4-8个氨基酸组成，含有Pro、Lys和Arg。
核输出信号NES:
引导RNP输出细胞核，受体为exportin。
Ran蛋白：
一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。
入核转运与出核转运之间有某种联系，它们可能需要某些共同的因子。
亲核蛋白的转运步骤：
结合（binding）（不需能量）
转移（translocation）（需能量）
参与转运的因子：
NLS、GTP结合蛋白等
含有丰富亮氨酸核输出信号的货物蛋白的输出模型
RNA的出核
转录的RNA需加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。
RNA聚合酶I转录的rRNA分子：
以RNP的形式离开细胞核；
RNA聚合酶III转录的5srRNA与tRNA的核输出由蛋白质介导；
RNA聚合酶II转录的hnRNA，在核内进行5’端加帽和3’端附加多聚A序列以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA出核，5’端的m7GpppG“帽子”结构对mRNA的出核转运是必要的；
无论在质还是核内，各种RNA均与相关蛋白质结合在一起，以RNP的形式存在。
细胞核中既有正调控信号保证mRNA的出核转运，也有负
调控信号防止mRNA的前体被错误地运输，后者与剪接体
有关。
mRNA的出核转运过程是有极性的，5’端-3’端。
核输出信号（NuclearExportSignal，NES）：
RNA分子
的出核转运需要蛋白分子的帮助，这些蛋白因子本身含有
出核信号。
chironomoustentans（摇蚊）BalbianiringsmRNA合成时螺旋状的hn-RNP的形成
（a）活跃转录的染色质环的电镜照片,显示特征性颗粒（箭头所指）;
（b）单个转录环的形成,其上结合许多RNP颗粒;
（c）BRhnRNP的结构和生物发生模型。
E．G．Balbiani（1881）在摇蚊唾腺染色体上发现的一种构造，整个蛹期都可看到，是多线染色体上的巨大结节状的RNA疏松。
了解得比较清楚的，是第四染色体上的这种构造。
这种巴尔比尼氏环与在双翅目以外的其他多数物种中所看到的RNA疏松同样含有大量RNA，是活跃地合成RNA和释放RNA的地方，当出现巨大的巴尔比尼氏环时，在染色体的特定部位厚厚折叠在一起的许多染色单体纤维各自松开而成为环状，一般认为这是由于旺盛地进行转录而出现的结构。
根据电子显微镜研究提出的BalbianiringsmRNAs输出核孔复合物的模型
螺旋化的mRNP移向核孔复合物的末端环,当它通过NPC的中央活塞时解螺旋。
5＇端引导并与核糖体结合,在运输过程中,NPC发生了构型的变化。
hn-RNP介导的mRNA输出细胞核的推测模型
（a）加工成熟的mRNA-hnRNP的5＇端形成帽结合复合物（CBC）,该端首先通过NPC;
（b）在通过核孔时,核限制hnRNP蛋白与mRNP脱离;
（c）细胞质中RanGAP促使RanGTP水解,穿梭的hnRNP回到细胞核,释放出的mRNA同胞质溶胶中的mRNP蛋白,包括poly（A）结合蛋白[poly（A）-bindingperotein,PABP]结合。
第二节染色质
1842年，Nali在植物细胞核中发现了杆状的染色体。
1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。
1879年，W.Flemming提出了染色质（chromatin）。
1888年，Waldeyer正式定名为Chromosome。
一、染色质的概念及化学组成
●染色质DNA
染色质组蛋白
染色质非组蛋白
染色质的概念
◆染色质（chromatin）
指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组
成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式。
◆染色体（chromosome）
指细胞在分裂过程中,由染色质聚缩而成的棒状结构。
染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白、RNA组成，各组分的含量比例为1：
1：
0.6：
0.1。
其中DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，非组蛋白和RNA的含量随细胞生理状态不同而发生变化。
（一）染色质DNA
真核细胞中，每条未复制的染色体包装一条DNA分子。
DNA序列可分为三种类型：
①单一序列
②中度重复序列（101-5）
③高度重复序列（大于105）
DNA二级结构的类型：
B-DNA、Z-DNA、A-DNA
（二）组蛋白
带正电荷，含Arg,Lys,属碱性蛋白，共5种，分为
－核心组蛋白：
H2A,H2B,H3,H4
－连接组蛋白：
H1
*结构：
高度保守，尤其H4。
－核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二酯骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量的Arg和Lys，为组蛋白转译后进行修饰的部位。
－H1具多样性，具有属和组织特异性。
大多数细胞中都有部分组蛋白的某些碱性氨基酸侧链被磷酸化、乙酰化或甲基化以及ADP-核糖化等修饰,这些修饰中和了侧链的正电荷或被转变成带负电。
（三）非组蛋白
序列特异性DNA结合蛋白
特性：
1.含有较多天冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质。
2.整个细胞周期都进行合成，组蛋白只在S期与DNA复制同步进行。
3.能识别特异的DNA序列，识别与结合籍氢键和离子键。
功能：
帮助DNA折叠；协助DNA复制；调节基因表达。
序列特异性DNA结合蛋白的结构特征
顺式作用元件与反式作用因子相互作用与基因转录起始复合物的形成
二、染色质的基本结构单位—核小体
1974年Kornberg等人根据染色质的酶切降解和电镜观察，
发现核小体（nucleosome）是染色质包装的基本结构单位，并提出染色质结构的“串珠“模型。
X射线衍射、中子散射和电镜三维重建
核小体的结构要点
◆每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋、一个组蛋白八聚体和一分子H1。
◆由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒。
◆DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。
◆相邻核心颗粒之间以一段0～80bp的线连接。
◆组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列。
◆核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达。
组蛋白在DNA的A=T富集和G=C富集区分布适宜的部位,通过与AT的结合形成8聚体的核
核小体如何打开让DNA进行复制的推测模型
一旦组蛋白和DNA装配成核小体,组蛋白基本上不再与所结合的DNA分开。
在DNA复制时,核小体也不会解体。
因此,在DNA复制期间,复制叉必须以某种方式通过核小体。
按照一种假说,在DNA复制时,每一个核小体暂时分成两半,允许DNA聚合酶复进行DNA的复制（图11-28）。
在电镜下观察正在复制的染色质时,可以看到复制叉上有一条DNA链没有核小体结构。
并进一步证明,有核小体的是先导链,无核小体的是滞后链。
复制叉通过后核小体重新装配。
在该模型中，核小体组蛋白能够永久性与DNA结合，不过核小体只是完整地遗传到前导链的DNA中，滞后链复制后要重新装配核小体。
三、染色质包装的结构模型
染色质包装的多级螺旋模型
（multiplecoilingmodel）
●染色体的骨架-放射环结构模型
（scaffoldradialloopstructuremodel）
●染色体包装的不同组织水平
（一）染色质包装的多级螺旋模型
◆一级结构：
核小体
◆二级结构：
螺线管（solenoid）
◆三级结构：
超螺线管（supersolenoid）
◆四级结构：
染色单体（chromatid）
压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍
DNA核小体螺线管超螺线管染色单体
染色质30nm螺线管装配模型
DNA经四级包装形成染色体
人的最长的1号染色体中的DNA包装成染色体时压缩了8800倍
（二）染色体的骨架-放射环结构模型
◆非组蛋白构成的染色体骨架（chromsomalscaffold）和由骨架伸出的无数的DNA侧环。
◆30nm的染色线折叠成环，沿染色体纵轴，由中央向四周伸出，构成放射环。
◆由螺线管形成DNA复制环，每18个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带（miniband）。
微带是染色体高级结构的单位，大约106个微带沿纵轴构建成子染色体
（三）染色体包装的不同组织水平
四、常染色质和异染色质
常染色质（euchromatin）
◆概念：
指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态（典型包装率750倍）,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。
◆组成：
单一序列DNA和中度重复序列DNA
◆常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件。
异染色质（heterochromatin）
◆概念：
指间期核内染色质纤维折叠压缩程度高,处于聚缩状态,用碱性染料染色时着色深的那些染色质。
◆类型
结构异染色质（组成型异染色质）
（constitutiveheterochromatin）
兼性异染色质（facultativeheterochromatin）
结构异染色质
概念：
除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，DNA
包装比在整个细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。
特征：
①位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段；
②由相对简单、高度重复的DNA序列构成；
③有显著的遗传惰性，不转录也不编码蛋白质；
④在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制、早聚缩；
⑤在功能上参与染色质高级结构的形成，导致染色质区
间性，作为核DNA的转座元件，引起遗传变异。
兼性异染色质
概念：
在某些细胞类型或一定的发育阶段,原来的常染色质聚缩,并丧失基因转录活性,变为异染色质
异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。
巴氏小体用于检测胎儿性别和性染色体异常的患者。
在哺乳动物体细胞核中，除一条X染色体外，其余的X染色体常浓缩成染色较深的染色质体，此即为巴氏小体。
又称X小体，通常位于间期核膜边缘。
在人类，男性细胞核中很少或根本没有巴氏小体，而女性则有1个。
以后研究表明，巴氏小体就是性染色体异固缩（细胞分裂周期中与大部分染色质不同步的螺旋化现象）的结果。
通过巴氏小体检查可确定胎儿性别和查出性染色体异常的患者
第三节染色体（chromosome）
●中期染色体的形态结构
●染色体DNA的三种功能元件
●核型与染色体显带
●特殊染色体
同一物种的染色体数目是相对稳定的，性细胞染色体为单倍体（haploid），用n表示，体细胞为2倍体（diploid）以2n表示，还有一些物种的染色体成倍增加成为4n、6n、8n等多倍体。
染色体的数目因物种而异，如人类2n=46，黑猩猩2n=48，果蝇2n=8，家蚕2n=56，小麦2n=42，水稻2n=24，洋葱2n=16。
在植物中染色体最少的是一种菊科植物Haplopapusgracillis仅2对染色体，最多的是瓶尔草属phioglossum的一些物种，可达400-600对。
在动物中染色体最少的是一种介壳虫的雄虫steatococcustuberculatus仅有2条染色体，最多的是灰蝶，有217-223对染色体。
染色单体（Chromatid）：
中期染色体由两条染色单体组成，两者在着丝粒的部位相互结合，每一条染色单体是由一条DNA双链经过螺旋和折叠而形成的。
染色线（Chromonema）：
前期或间期核内的染色质细线，代表一条染色单体。
染色粒（Chromomere）：
前期染色体上呈线性排列的念珠状颗粒，是DNA局部收缩形成的，异染色质的染色粒一般较大，而常染色质的染色粒较小，在染色体上位于着丝粒两边的染色粒一般较大，而向染色体端部的染色体较小。
一、中期染色体的形态结构
中期染色体的类型
划分的标准有：
①臂比值r（长臂长/短臂长），②着丝粒指数i[（短臂长/染色体长）×100%]，③短臂长臂比。
正中部着丝粒染色体（M，1.00）
中部着丝粒染色体（m，1.07-1.70），水稻、玉米染色体
亚中部着丝粒染色体（sm，1.71-3.00），小麦染色体
亚端部着丝粒染色体（st，3.01-7.00）
端部着丝粒染色体（t，大于7.01）
正端部着丝粒染色体（T，无穷大），测不出短臂
染色体的主要结构
◆着丝粒（centromere）
◆次缢痕（secondaryconstriction）
◆核仁组织区（NOR）
◆随体（satellite）
◆端粒（telomere）
着丝粒与着丝点（动粒）
着丝粒：
将两个染色单体连接在一起，并把染色体分成两个臂。
动粒：
位于着丝粒两侧由蛋白质构成的三层盘状或球状结构。
动粒与纺锤体自然相连，与染色体的移动有关。
着丝粒
着丝点结构域（kinetochoredomain）
中央结构域（centraldomain）
高度重复的α卫星DNA构成的异染色质
配对结构域（pairingdomain）：
内部着丝粒蛋白INCENP（innercentromereprotein）
染色单体连接蛋白clips（chromatidlinkingproteins）
着丝点结构域
内板（innerplate）
中间间隙（middlespace）,innerzone
外板（outerplate）
纤维冠（fibrouscorona）
次缢痕（secondaryconstriction）：
除主缢痕外，染色体上第二个呈浅缢缩的部分称次缢痕，次缢痕的位置相对稳定，是鉴定染色体个别性的一个显著特征。
随体（satellite）：
指位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区与染色体主体部分相连。
位于染色体末端的随体称为端随体，位于两个次缢痕中间的称中间随体。
核仁组织区（nucleolarorganizingregions,NORs）：
是核糖体RNA基因所在的区域，其精细结构呈灯刷状。
能够合成核糖体的28S、18S和5.8SrRNA。
端粒（telomere）：
是染色体端部的特化部分，位于染色体的端部来维持染色体的稳定性。
端粒由高度重复的短序列串联而成，在进化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似。
端粒起到细胞分裂计时器的作用，端粒核苷酸复制和基因DNA不同，每复制一次减少50-100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶（telomerase）来完成，正常体细胞缺乏此酶，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。
二、染色体DNA稳定遗传的三种功能元件
自主复制DNA序列（ARS）
具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列及其上
下游各200bp左右的区域是维持ARS功能所必需的。
着丝粒DNA序列（CEN）
共同点是两个相邻的核心区：
80-90bp的AT区；11bp的保守区。
端粒DNA序列（TEL）
◆端粒序列的复制
◆端粒酶sino-
1983年，A.W.Murray等人首次成功构建了包括ARS、CEN、TEL和外源DNA，总长度为55kb的酵母人工染色体（yeastartificialchromosome,YAC）。
YAC可用于转基因和构建基因文库，容纳插入片段的能力远高于质粒。
三、核型与染色体显带
核型（karyotype）
是指染色体组在有丝分裂中期特征的总和，包括染色体数
目、大小、形态特征的总和。
核型模式图（idiogram）
将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来,再按长短、形态等特征排列起来的图象称为核型模式图,它代表一个物种的核型模式。
染色体显带技术
人的染色体核型
一种蝉（Platypleurakaempferi）的有丝分裂核型
核型分析是指对生物某一个体或某一分类单位的体细胞的染色体按一定特征排列起来的图象的分析。
分析方法有：
常规的形态分析、带型分析、着色区段分析、定量细胞化学方法等。
染色体显带技术：
是指经过物理、化学因素处理后，再用
染料对染色体进行染色，使其呈现特定的深浅不同带纹的技术。
根据产生的带在染色体上的分布分两类：
带分布在整条染色体上，如G、Q、R带等
带局部分布在染色体上，如C、cd、T、N带等。
将染色体制片经盐溶液、胰酶或碱处理,再用吉母萨染料染色,在光镜下进行检查,见到特征性的带。
一般富含AT碱基的DNA区段表现为暗带。
此法可制成永久性的标本。
荧光分带法。
用氮芥喹吖因（quinacrine）荧光染料染色,在紫外光激发下,显现明暗不同的带区,可在荧光显微镜下观察。
一般富含AT碱基的DNA区段表现为亮带,富含GC碱基的区段表现为暗带。
此法的优点是分类简便,可显示独特的带型。
缺点是标本易褪色,不能做成永久性标本片。
四、特殊染色体
多线染色体
◆多线染色体是1881年意大利细胞学家Balbiani发现的，存
在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞和某些植物细胞中。
◆来源：
核内的DNA多次复制但细胞不分裂，产生的子染色
体并行排列，且在体细胞内同源染色体配对，紧密结合在
一起形成。
◆特征：
①体积巨大，比其它体细胞染色体长100-200倍，
体积大1000-2000倍。
②多线性，每条多线染色体由500-
4000条解旋的染色体合并在一起形成。
③体细胞联会，同源染色体紧密配对，并合并成一个染色体。
④横带纹，染
色后呈现出明暗相间的带纹。
⑤膨突和环，在幼虫发育的
某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成膨突
（puff），或巴氏环（Balbianiring）。
多线染色体并非是细胞内的惰性结构,而是动态的,含有许多在发育的特定阶段形成胀泡的区域,是DNA转录成RNA的结果
灯刷染色体
◆灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，
两栖类卵母细胞的灯刷染色体最典型
◆灯刷染色体的来源：
卵母细胞进行减数第
一次分裂时停留在双线期的染色体。
◆灯刷染色体的超微结构
升级会员 