【重庆医科大学】细胞生物学---第八章-细胞核1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,四、染色体,染色体的数目、结构特征、类型和组型从核小体到染色体的结构模型（超螺旋结构模型、袢环结构模型）。,五、细胞核形态结构的异常变化,六、细胞核的功能,遗传信息储存、复制和传递的中枢（中心法则）。指导细胞内蛋白质的生物合成（遗传密码），一定程度上控制细胞的代谢活动。,1781年Trontana发现于鱼类细胞，1831年，Brown发现于植物。成熟的植物筛管和哺乳类红细胞没有细胞核。,在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核（nucleiod）。核一般呈圆形，但因生物的种类而异。在旺盛分裂的组织中，核呈圆形，在长形细胞中多呈椭圆形，在扁平细胞中多为扁圆形，在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状，在胚乳细胞中呈网状。,细胞核的大小与细胞大小有关，最小的核直径不足1m，而最大的核如苏铁科某些植物卵细胞核直径可达500600m。植物细胞核的直径通常在14m左右，动物为10m左右。在同一种生物，由于遗传物质的含量是恒定的，因此核的大小也比较恒定。常以核质比来估算核的大小NP0.5，分裂期细胞NP0.5，衰老细胞NP10,5,）。DNA的二级结构存在3种主要类型，即：B-DNA、Z-DNA、A-DNA,三种不同构象的,DNA,双螺旋,DNA的三种构型,染色质中的DNA是双螺旋结构。在构型上,主要是Waston和Crick提出的右手双螺旋DNA,即B-型DNA。此外还有A型和Z型DNA。,三种DNA构型中,沟的特征在遗传信息表达过程中起关键作用,调控蛋白都是通过其分子上氨基酸侧链与沟中碱基对两侧潜在的氢原子供体(=NH)或受体(O和N)形成氢键而识别DNA遗传信息的。,另外,Z型DNA同细胞癌变有一定的关系。Z-DNA最初在G和C碱基交替的序列中发现,但可能在许多嘌呤与嘧啶交替的序列中存在,在这种情况下,嘌呤绕糖苷键180,0,反转,呈顺式构象,嘧啶仍保持反式构象。,三种构型的DNA在直径、螺距、旋转角度等方面都有很大的差别,目的要求,一、细胞核的形态、大小和数目,二、细胞核的化学组成,三、间期核的超微结构,核被膜 核外膜、核内膜、核纤层（内致密层）核周间隙、核孔复合体、核被膜功能。染色质 化学成分、染色质结构亚单位核小体、常染色质和异染色质。核仁 化学成分、结构、核仁与rRNA转录（基质单位）、核仁的形成。核基质（核骨架）的形态结构和功能,染色体具有3个基本元素：,复制源序列,(replication origion sequence)，是DNA复制的起点，酵母基因组含200-400个ARS，大多数具有一个11bp富含AT的一致序列（ARS consensus sequence,ACS）；,着丝粒序列,(centromere DNA sequence,CEN)，由大量串联的重复序列组成，如卫星DNA，其功能是参与形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离；,端粒序列,(telomere DNA sequence,TEL)，不同生物的端粒序列都很相似，由长5-10bp的重复单位串联而成，人的重复序列为GGGTTA。,染色体的三种基本序列,2、,组蛋白,组蛋白带正电荷，含精氨酸，赖氨酸，属碱性蛋白，其含量恒定，在真核细胞中组蛋白共有5种，分为两类：,一类是高度保守的核心组蛋白（core histone）包括H,2,A、H,2,B、H,3,、H,4,四种；另一类是可变的连接组蛋白（linker histone）即H,1,。,核心组蛋白的结构是非常保守，特别是H,4,，牛和豌豆H,4,的102个氨基酸中仅有2个不同，而进化上两者分岐的年代约3亿年历史。核心组蛋白高度保守的原因可能有两个：其一是核心组蛋白中绝大多数氨基酸都与DNA或其它组蛋白相互作用，可置换而不引起致命变异的氨基酸残基很少；其二是在所有的生物中与组蛋白相互作用的DNA磷酸二脂骨架都是一样的。,四种核心组蛋白均由球形部和尾部构成，球形部借精氨酸残基与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心周围，形成核小体。尾部则含有大量赖氨酸和精氨酸残基，为组蛋白翻译后进行修饰的部位，如乙酰化、甲基化、磷酸化等。,H,1,不仅具有属特异性，而且还有组织特异性，所以H,1,是多样性的。,3.,非组蛋白,与组蛋白不同，非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白，非组蛋白的特性是：含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质；整个细胞周期都进行合成，不象组蛋白只在S期合成，并与DNA复制同步进行；能识别特异的DNA序列，识别信息存在于DNA本身，位点在大沟部分，识别与结合籍氢键和离子键。,非组蛋白的功能,是：帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域，从而有利于DNA的复制和基因的转录；协助启动DNA复制；控制基因转录，调节基因表达。,非组蛋白的特性,非组蛋白是一类不均一的蛋白质，所含酸性氨基酸超过碱性氨基酸，故呈酸性，带负电荷。另外,非组蛋白常常是被磷酸化的。,非组蛋白在作用时具有以下特性：,能识别特异的DNA序列,识别的信息来源于DNA核苷酸序列的本身,识别位点存在于DNA双螺旋的大沟部分;,识别与结合靠氢键和离子键,而非共价键；,在不同的基因组文库之间发现这些序列特异性结合蛋白所识别的DNA序列在进化上是保守的。,（二）染色质的种类,间期核中染色质可分为常染色质（euchromatin）和异染色质（heterochromatin）,1、常染色质,常染色质是进行活跃转录的部位，结构疏松，螺旋化程度低，纤维直径约10nm，浅染，均匀较亮，多位于核的中央。,2、,异染色质,异染色质的特点是：在间期核中处于凝缩状态，纤维直径约20-30nm，螺旋化程度高，深染，较暗，无转录活性，在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩，即异固缩现象，(heteropycnosis)，一般位于核的边缘或与核仁结合。,异染色质又被分为两类:,结构性异染色质,(constitutive heterochromatin)和,兼性异染色质,(facultative heterochromatin)。前者是指各种类型细胞中在整个细胞周期内都处于凝集状态的染色质，即永久性的呈现异固缩的染色质。后者是指在一定的细胞类型或一定的发育阶段呈现凝集状态的异染色质。,结构（恒定）异染色质（constitutive heterochromatin）：在所有细胞内和都呈异固缩的染色质，多定位于着丝粒区，端粒，次缢痕及染色体臂的某些节段，在间期聚集成多个染色中心（chromocenter），由相对简单的高度重复序列构成。,荧光原位杂交显示的着丝粒卫星,DNA,异染色质（核内深染部分）和常染色质（核内浅染部分,二、,染色质的包装,人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内全部DNA连结起来约1.7-2.0m，而细胞核直径不足10um。因此，不难想象DNA是以螺旋和折叠的方式压缩起来的，压缩比例高达上万倍，这种压缩的最初级结构就是核小体。,（一）,染色质的一级结构核小体,R.Kornberg建立了,核小体模型,。核小体是一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，可描述如下：每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H,1,；由H,2,A、H,2,B、H,3,、H,4,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，两端被H,1,锁合；相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。,核小体的结构特点,核小体是染色质的基本结构单位。由200个(160-240)左右碱基对的DNA和五种组蛋白结合而成。其中四种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各2 分子组成八聚体的小圆盘，146个碱基对的DNA在小圆盘外面绕1 3/4圈。每一分子的H1与DNA结合,锁住核小体DNA的进出口,起稳定核小体结构的作用。两相邻核小体之间以连接DNA(linker DNA)相连(图11-24),连接DNA的长度变化不等,因不同的种属和组织而异,但通常是60个碱基对。,核小体和螺线管的结构,核小体的结构,通过核小体，DNA长度压缩了7倍，形成直径为11nm的纤维。但是染色质不以这种状态存在，在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，这种纤维的形成有两种解释：由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，构成外径30nm的中空管，长度压缩6倍；由核小体纤维Z字形折叠而成，长度压缩40倍。30nm纤维的形成与核小体之间蛋白质的相互作用有关，连接组蛋白H,1,和核心组蛋白尾部均参与这种相互作用，去除组蛋白H,1,的染色质中，30nm纤维解体为更细的纤维。,30nm,和,11nm,染色质纤维,用低离子浓度的溶液(如0.7%NaCl)处理染色质,可选择性地除去组蛋白H1。在电子显微镜下观察用盐处理的染色质时,可见到核小体核心颗粒和连接DNA是分开的,看起来似绳珠结构,核小体的装配是染色体装配的第一步,DNA包装成核小体,大约压缩了7倍。,染色质以核小体作为基本结构逐步进行包装压缩,经30nm染色质纤维、超螺旋环、最后压缩包装成染色体,总共经过四级包装。,（二）,染色质的二级结构螺线管,(solenoid),核小体通过自身形成螺旋的方式形成致密的、外径为30nm的管状结构,称为螺线管,又称30nm染色质纤维。从核小体到螺线管压缩了6倍。,染色质30nm螺线管装配模型,在这一模型中,每一螺旋由6-8个核小体组成,并呈规则排列。,（三）,染色质的三级结构,-,超螺线管,(supersolenoid),30nm的染色质纤维进一步螺旋化,形成一系列的螺旋域(coiled domain)或环(loop),这些环附着在骨架(scaffold)蛋白上。螺旋域的直径是300nm。然后,螺旋环进一步形成超螺旋环(supercoiled loops),或超螺旋域,此时的直径为700nm,每个环估计含有50-100kb DNA,推测染色质环仍然是基因协同表达的功能单位。,从螺线管到超螺线管的包装,30nm的染色质纤维沿染色体骨架蛋白形成直径为300nm的放射环,然后进一步压缩成直径为700nm的超螺线管。,典型的超螺旋的环的开头和结束都是AT富集序列并与核骨架或核基质蛋白结合在一起,其中包括型拓扑异构酶,推测该酶调节DNA的超螺旋程度。DNA从螺线管到超螺线管估计又压缩了40倍。,（四）,染色质的四级结构,-,染色单体,超螺线管进一步螺旋化,形成直径为12m,长度为210m的中期染色体,从超螺线管到染色体大约压缩了5倍。由此看来,DNA经核小体到染色体,DNA总共压缩了8400倍:,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,染色体组装的多级螺旋模型,DNA经四级包装形成染色体,DNA包装成染色体的比例,一般为10000倍左右,因有丝分裂期的1m长度的染色体通常含有1cm长度的DNA。据此推算,DNA包装压缩比为10,000:1。这也是一种粗略的估计,不同的染色体在压缩时可能有所差异,如人的最长的1号染色体中的DNA包装成染色体时压缩了8800倍,1号染色体中的DNA包装倍数,1号染色体中的双螺旋DNA总长88,000m,包装成染色体后只有10m长。,对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域，这种环状的结构散布于细胞核中。用盐溶液去除组蛋白，在电镜下可以看到，无论有丝分裂的染色体、灯刷染色体、间期的唾腺染色体上，都有大量的结合在骨架上的放射环，说明这种环并不是有丝分裂染色体所特有的。,第二节 染色质和染色体,目前对染色质的高级结构普遍接受的两种结构模型,1.多级螺旋模型,2.,染色体的袢环结构模型,染色体的袢环结构模型,该模型认为直径30nm的染色质纤维进一步折叠形成一系列袢环结构域，再经多次折叠盘曲，形成染色单体。袢环沿染色体纵轴由中央向周围放射状伸出，基部集中于染色单体的中央，并与染色单体非组蛋白相连。每个袢环DNA含30000-100000个bp，约21m，共含315个核小体。,袢环结构模型很好地解释了电镜下观察到的10,nm,及30,nm纤维产生的结构基础，同时对染色质中非组蛋白的作用也进行了说明。,三、染色体,间期染色质分散于细胞核，但在分裂期，染色质通过盘旋折叠压缩近万倍，包装成大小不等、形态各异的短棒状染色体。中期染色体由于形态比较稳定是观察染色体形态和计数的最佳时期，一般所描述的染色体的形态结构都是中期染色体,。,中期染色体的形态结构,着丝粒(centromere)和动粒(kinetochore),着丝粒是染色体中连接两个染色单体,并将染色单体分为两臂:短臂(p)和长臂(q)的部位。,根据着丝粒在染色体上的位置,分为四种类型。,中着丝粒染色体(metacentric chromosome),着丝粒位于染色体的中部,两臂长度相等或大致相等。,亚中着丝粒(submetacentric chromosome),着丝粒偏离中部,染色体的两个臂长短不一,短的叫做短臂,简写为p,来自法文petit的字头;长的叫做长臂,简写为q。,亚端部着丝粒染色体(subtelocentric chromosome),着丝粒靠近染色体一端,长臂极长,短臂极短,甚至不易觉察,又叫做近端着丝粒染色体。,端部着丝粒染色体(telocentric chromosome),着丝粒位于染色体末端,只有一个长臂。,着丝粒在染色体中的不同位置,及染色体的分类,动粒是由着丝粒结合蛋白在有丝分裂期间特别装配起来的、附着于主缢痕外侧的圆盘状的结构。,哺乳动物的动粒可分为三个不同的区域:即内层、中间层和外层,直径约为200nm,有丝分裂中的着丝粒和动粒结构,随体,(satellite)随体是位于染色体末端的、圆形或圆柱形的染色体片段,通过次缢痕与染色体主要部分相连。它是识别染色体的主要特征之一。根据随体在染色体上的位置,可分为两大类:随体处于末端的,称为端随体;处于两个次缢痕之间的称为中间随体。,端粒,端,（,telomere）：是染色体端部的特化部分，其生物学作用在于维持染色体的稳定性。端粒由高度重复的短序列串联而成，人的序列为GGGTAA。端粒起到细胞分裂计时器的作用，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。,肿瘤细胞具有端粒酶活性，可进行端粒的合成，能进行无限的增殖。,染色体数目,染色体的数目因物种而异，同一物种染色体的数目是恒定的，如人类2n=46，黑猩猩2n=48，果蝇2n=8，家蚕2n=56，小鼠2n=40,次缢痕,(secondary constriction)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。,核仁组织区,(nucleolar organizing region,NOR)是细胞核特定染色体的次缢痕处，含有rRNA基因的一段染色体区域，与核仁的形成有关，故称为核仁组织区。具有核仁组织区的染色体数目依不同细胞种类而异，人有5对染色体即13、14、15、21、22号染色体上有核仁组织区。,荧光原位杂交显示的端粒,基因组（genome）与核型(karyotype),人类基因 组是指人的所有遗传信息的总和即单倍体染色体的组成，人为二倍体生物，拥有两套基因组。,核型 是指染色体组在有丝分裂中期的表型,是染色体数目、大小、形态特征的总和。在对染色体进行测量计算的基础上,进行分组、排队、配对,并进行形态分析的过程叫核型分析。,人的染色体核型,染色体分带(chromosome banding),用特殊的染色方法,使染色体产生明显的色带(暗带)和未染色的明带相间的带型(banding patterns),形成不同的染色体个性,以此作为鉴别单个染色体和染色体组的一种手段。,常用的分带技术有以下几种:,Q带(Q-banding)、G带(Giemsa-banding)、C带(C-banding)、N带(N-banding)、,R-带(Reverse-banding)、T-带(terminal-banding)。,人的染色体带型,第三节 核基质,核基质（nuclear matrix）或称核骨架（nucleoskeleton）为真核细胞核内的网络结构，是指除核被膜、染色质、核纤层及核仁以外的核内网架体系。由于核基质与DNA复制，RNA转录和加工，染色体组装及病毒复制等生命活动密切相关，故日益受到重视。,核基质,（一）、核基质的组成,核基质的组成较为复杂，主要组分有三类：,非组蛋白性纤维蛋白,，分子量40-60KD，占96%以上，其中,相当一部分是含硫蛋白,，其二硫键具有维持核骨架结构完整性的作用；除纤维蛋白外，还有10多种次要蛋白质，包括肌动蛋白和波形蛋白，后者构成核骨架的外罩；核骨架碎片中还存在三种支架蛋白（scaffold proteins，SC、SC、SC)，SC、的功能尚不明确，SC是DNA拓朴异构酶。,少量RNA和DNA,，RNA对维持核骨架的三维结构是必需的，而DNA称为基质或支架附着区（matrix/scaffold associated region,MAR或SAR），通常为富含AT的区域。,少量磷脂,（1.6%）,和糖类,（0.9%）。,核骨架纤维粗细不等，直径为3-30nm，形成三维网络结构与核纤层，与核孔复合体相接，将染色质和核仁网络在其中。核骨架-核纤层-中间纤维三者相互联系形成一个贯穿于核、质间的统一网络系统。这一系统较微管、微丝具有更高的稳定性。,（二）核骨架的功能,1,为DNA的复制提供支架,，DNA是以复制环的形式锚定在核骨架上的，核骨架上有DNA复制所需要的酶，如：DNA聚合酶、DNA引物酶、DNA拓朴异构酶II等。DNA的自主复制序列（ARS）也是结合在核骨架上。,2,是基因转录加工的场所,，RNA的转录同样需要DNA锚定在核骨架上才能进行，核骨架上有RNA聚合酶的结合位点，使之固定于核骨架上，RNA的合成是在核骨架上进行的。新合成的RNA也结合在核骨架上，并在这里,进行加工和修饰。,3,与染色体构建有关,，现在一般认为核骨架与染色体骨架为同一类物质，30nm的染色质纤维就是结合在核骨架上，形成放射环状的结构，在分裂期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体,染色质结合在核骨架/染色体骨架上,第四节 核仁（nucleolus）,见于间期的细胞核内，,呈圆或卵圆形,无外界膜包围,，,一般1-2个，也有多达3-5个的。核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近内核膜，核仁的数量和大小因细胞种类和功能而异。一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很小或缺如。核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。,核仁的主要功能是转录rRNA和组装核糖体单位。,核仁是细胞核中一个匀质的球体，由,纤维区、颗粒区、核仁染色质、基质,等四部分所组成,主要功能是进行核糖体RNA的合成。,核仁形态和化学组成,核仁与其他的细胞器不同，周围没有界膜包围，在电子显微镜下可辨认出有3个特征性的区域：,纤维中心,(fibrillar centers，FC)：是被致密纤维包围的一个或几个低电子密度的圆形结构，主要成分为,RNA聚合酶和rDNA,，这些rDNA是裸露的分子。,致密纤维成分,(dense fibrillar component，DFC)：呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，电子密度高，,含有正在转录的rRNA分子,及一些特异性的RNA结合蛋白,颗粒组分,(granular component，GC)：由直径15-20nm的颗粒构成，是不同加工阶段的,核糖体压单位的前体,颗粒。,核仁的化学组成,RNA（11%）、DNA（8%）、蛋白质（80%）,和酶类等。,核仁结构,核仁的功能,核仁是细胞合成核糖体的工厂,涉及rRNA的转录加工和核糖体大小亚基的装配,核糖体组装,编码rRNA的DNA片段称rRNA基因，它是重复的多拷贝基因，人的一个细胞中约有200个拷贝。rDNA没有组蛋白核心，是裸露的DNA节段，两个相邻基因之间为一段非转录的间隔DNA。,转录时，RNA聚合酶沿DNA分子排列，此酶由基因头端向末端移动，转录好的rRNA分子从聚合酶处伸出，愈近末端愈长，并且从左右两侧均可伸出，呈羽毛状。rRNA首先出现在纤维部，而后转向颗粒部。,rRNA,的转录,纤维部的纤维状物质是新合成的45SrRNA，它与蛋白质形成RNP复合体，45SrRNA甲基化以后经RNA酶裂解为2个分子，18SrRNA和32SrRNA，后者再裂解为28SrRNA的5.8SrRNA。成熟的rRNA仅为45SrRNA的一半，丢失的大部分是非甲基化和GC含量较高的区域。,5SrRNA的基因并不定位在核仁上，通常定位在常染色体，5SrRNA合成后被转运至核仁区参与大亚基的装配。,核糖体的组装,核仁在核糖体合成中的作用,