细胞生物学：第10章-2细胞核与染色体.pptx

三、染色质蛋白质三、染色质蛋白质 负责负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读分子遗传信息的组织、复制和阅读组蛋白组蛋白(histone)：是真核生物染色体的基本结是真核生物染色体的基本结 构蛋白构蛋白,是一类小分子是一类小分子碱性碱性蛋白质蛋白质,有有5种类型种类型,即即H1、H2A、H2B、H3、H4，它们富含，它们富含带带 正电荷正电荷的碱性氨基酸，能够同的碱性氨基酸，能够同DNA中带负电中带负电 荷的磷酸基团相互作用。荷的磷酸基团相互作用。染色质中的组蛋白与染色质中的组蛋白与DNADNA的含量之比为：的含量之比为：1111。组蛋白的功能组蛋白的功能:核小体组蛋白核小体组蛋白(nucleosomal histone),包括包括H2AH2A、H2BH2B、H3H3和和H4,H4,作用是与作用是与 DNADNA组装成核小体组装成核小体 H1H1不参加核小体的组建不参加核小体的组建,在构成核在构成核 小体时起连接作用小体时起连接作用,并赋予染色质以并赋予染色质以 极性。极性。非组蛋白非组蛋白(nonhistone)(nonhistone)概念概念:是指细胞核中组蛋白以外的蛋白质。指细胞核中组蛋白以外的蛋白质。特性特性:非组蛋白具多样性和异质性非组蛋白具多样性和异质性 对对DNA具有识别特异性，又称序列特异性具有识别特异性，又称序列特异性 DNA结合蛋白结合蛋白(sequence specific DNA binding proteins)具有多种功能，包括基因表达的调控和染具有多种功能，包括基因表达的调控和染 色质高级结构的形成。色质高级结构的形成。呈酸性、带负电荷。呈酸性、带负电荷。非组蛋白的功能非组蛋白的功能:参与染色体的构建参与染色体的构建;启动启动DNADNA的复制的复制;控制基因转录控制基因转录调控基因的表达。调控基因的表达。四、核小体（四、核小体（nucleosome）核小体的结构要点核小体的结构要点 Nucleosome is basic structural unit of chromatin。由由200200个左右碱基对的个左右碱基对的DNADNA和四种组蛋白结合而成；和四种组蛋白结合而成；其中四种组蛋白其中四种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各各2分子组成分子组成 八聚体的小圆盘，是核小体的核心结构；八聚体的小圆盘，是核小体的核心结构；146个碱基对的个碱基对的DNA绕在小圆盘外外面绕在小圆盘外外面1.75圈。每一圈。每一 分子的分子的H1与与DNA结合结合,起稳定核小体结构的作用；起稳定核小体结构的作用；两相邻核小体之间以连接两相邻核小体之间以连接DNA(linker DNA)相连相连,长度长度 为为080bp不等。不等。The organization of chromatin in nucleosomes 五、染色体的包装（五、染色体的包装（chromosome packing）核小体核小体(nucleosome)螺线管螺线管(solenoid)超螺线管超螺线管(supersolenoid)染色体染色体(chromosome)从核小体开始到染色体从核小体开始到染色体,DNA总共压缩总共压缩:压缩压缩7倍倍 压缩压缩6倍倍 压缩压缩40倍倍 压缩压缩5倍倍 DNA 核小体核小体螺线管螺线管-超螺线管超螺线管-染色单体染色单体30nm 30nm 纤维纤维染染色色体体的的四四级级结结构构六、常染色质和异染色质六、常染色质和异染色质 常染色质常染色质(euchromatin)指间期核内染色质纤维折叠压缩程度指间期核内染色质纤维折叠压缩程度 低低,处于伸展状态处于伸展状态,用碱性染料染色时着用碱性染料染色时着 色浅的那些染色质。色浅的那些染色质。特征特征:DNA包装比约为包装比约为1 0002 000分之一分之一 单一序列单一序列 DNA 和中度重复序列和中度重复序列DNA(如组蛋如组蛋 白基因和白基因和tRNA基因基因)并非所有基因都具有转录活性并非所有基因都具有转录活性,常染色质状态常染色质状态 只是基因转录的必要条件而非充分条件只是基因转录的必要条件而非充分条件 异染色质异染色质(heterochromatin)：概念：指在整个间期,仍然保持折叠压缩,处于聚缩状态,碱性染料染色时着色较深 的染色质组分。类型 结构异染色质（或组成性异染色质）(constitutive heterochromatin)兼性异染色质(facultative heterochromatin)结构异染色质 除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心形成多个染色中心 结构异染色质的特征：结构异染色质的特征：在中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕在中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕 及染色体臂的某些节段及染色体臂的某些节段,呈现呈现C带染色；带染色；由相对简单、高度重复的由相对简单、高度重复的DNA序列构成序列构成,如卫星如卫星DNA；具有显著的遗传惰性具有显著的遗传惰性,不转录也不编码蛋白质；不转录也不编码蛋白质；在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩；在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩；在功能上参与染色质高级结构的形成，导致染色质区在功能上参与染色质高级结构的形成，导致染色质区 间性，作为核间性，作为核DNA的转座元件，引起遗传变异。的转座元件，引起遗传变异。兼性异染色质 在在某某些些细细胞胞类类型型或或一一定定的的发发育育阶阶段段,原原来来的的常常染染色色质质聚聚缩缩,并并丧丧失失基基因因转转录录活活性性,变为异染色质，如变为异染色质，如X X染色体随机失活染色体随机失活 异异染染色色质质化化可可能能是是关关闭闭基基因因活活性性的的一一种途径种途径 活性染色质：具有转录活性的染色质非活性染色质：无转录活性的染色质第三节第三节 染色体染色体 中期染色体的形态结构中期染色体的形态结构中期染色体的形态结构中期染色体的形态结构 染色体染色体DNA的三种功能元件的三种功能元件（functional elements）巨大染色体（巨大染色体（giant chromosome）一一.中期染色体的形态结构中期染色体的形态结构中期染色体的典型形态中期染色体的典型形态类型 染色体的主要结构染色体的主要结构 染染色色体体的的电电镜镜照照片片类 型中着丝粒染色体中着丝粒染色体中着丝粒染色体中着丝粒染色体(metacentric chromosome)(metacentric chromosome)近（近（近（近（亚）中着丝粒染色体亚）中着丝粒染色体亚）中着丝粒染色体亚）中着丝粒染色体 (submetacentric chromosome)(submetacentric chromosome)近（近（近（近（亚）端着丝粒染色体亚）端着丝粒染色体亚）端着丝粒染色体亚）端着丝粒染色体 (subtelocentric chromosome)(subtelocentric chromosome)端着丝粒染色体端着丝粒染色体端着丝粒染色体端着丝粒染色体(telocentric chromosome)(telocentric chromosome)。四种不同位置着丝粒的染色体四种不同位置着丝粒的染色体根据着丝粒位置进行的染色体分类根据着丝粒位置进行的染色体分类根据着丝粒位置进行的染色体分类根据着丝粒位置进行的染色体分类 着丝粒位置染色体符号着丝粒比 着丝粒指数中着丝粒中着亚中着丝粒近端着丝粒端着丝粒msmstt1.001.671.683.003.017.007.01007.007.01000.5000.3750.3740.2500.2940.1250.1240.000长臂长度短臂长度;短臂长度染色体总长度(根据Levan等,1964;Green等,1980)染色体的主要结构染色体的主要结构着丝粒着丝粒(centromere)与与动粒动粒(kinetochore)主缢痕主缢痕(Primary constriction)次缢痕次缢痕(secondary constriction)核仁组织区核仁组织区(nucleolar organizing region,NOR)随体随体(satellite)端粒端粒(telomere)着丝粒与着丝点着丝粒与着丝点(动粒动粒)着丝点结构域(kinetochore domain)内板(inner plate)中间间隙(middle space),innerzone外板(outer plate)纤维冠(fibrouscorona)中央结构域(central domain)配对结构域(pairing domain)：内部着丝粒蛋白INCENP(inner centromere protein)染色单体连接蛋白clips(chromatid linking proteins)roteins)着着丝丝粒粒与与动动粒粒染染色色体体主主要要结结构构二二二二.染色体染色体染色体染色体DNADNA的三种功能元件的三种功能元件的三种功能元件的三种功能元件（functional elementsfunctional elements）自主复制自主复制DNA序列序列(autonomously replicating DNA sequence,ARS)：具有一段具有一段11-14bp的同源性很高的富含的同源性很高的富含AT的共有序列及其上下游的共有序列及其上下游 各各200bp左右的区域是维持左右的区域是维持ARS功能所必需的。功能所必需的。着丝粒着丝粒DNA序列序列(centromere DNA sequence,CEN)：两个相邻的核心区：80-90bp的AT区；11bp的保守区。端粒端粒DNA序列序列(telomere DNA sequence,TEL)：端粒序列的复制端粒序列的复制 端粒酶端粒酶，在生殖细胞和部分干细胞中有端粒酶活性，在生殖细胞和部分干细胞中有端粒酶活性，端粒重复序列的长度与细胞分裂次数和细胞衰老有关。端粒重复序列的长度与细胞分裂次数和细胞衰老有关。三三.巨大染色体巨大染色体多线染色体（polytene chromosome）灯刷染色体（lampbrush chromosome）多线染色体 存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞、某些植物细胞 多线染色体的来源：核内有丝分裂 多线染色体的带及间带：带和间带都含有基因，可能“管家”基因(housekeeping gene)位于间带,“奢侈”基因(luxury gene)位于带上。多线染色体与基因活性：胀泡是基因活跃转录的形态学标志 Polytene chromosome灯刷染色体（lampbrush chromosomelampbrush chromosome）灯刷染色体是卵母细胞进行减数第一次灯刷染色体是卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体。分裂时停留在双线期的染色体。灯刷染色体的超微结构灯刷染色体的超微结构灯刷染色体的转录功能 灯灯刷刷染染色色体体第四节第四节 核核 仁仁(nucleolus)核仁的超微结构核仁的超微结构 核仁的功能核仁的功能 核仁周期核仁周期 一、核仁的超微结构一、核仁的超微结构纤维中心(fibrillar centers,FC)致密纤维组分(dense fibrillar component,DFC)颗粒组分(granular component,GC)核仁相随染色质(nucleolar associated chromatin)与核仁基质（(nucleolar matrix)Structure of the nucleolus二、核仁的功能二、核仁的功能核仁是细胞制造核糖体的装置。核仁是细胞制造核糖体的装置。rRNArRNA的合成的合成rRNArRNA前体的加工前体的加工参与核糖体大小亚基的装配参与核糖体大小亚基的装配控制蛋白质合成的速度控制蛋白质合成的速度rRNA基因转录的形态及组织特征基因转录的形态及组织特征组织特征位于组织特征位于NORs的的rDNA是是rRNA的信的信息来源。息来源。形态特征形态特征:“圣诞树圣诞树”样结构。样结构。rRNA基因的转录采取受控的级联放大机基因的转录采取受控的级联放大机制。制。rRNA前体的加工前体的加工加工过程加工过程修饰与加工修饰与加工小分子核仁小分子核仁RNA(snoRNAs)、小分、小分子核仁核糖核蛋白（子核仁核糖核蛋白（snoRNPs）引导引导RNA（guide RNA）核糖体亚单位的组装核糖体亚单位的组装加工下来的蛋白质和小的加工下来的蛋白质和小的RNA存留在存留在 核仁中核仁中,可能起着催化核糖体构建的作用；可能起着催化核糖体构建的作用；核糖体的成熟作用只发生在转移到细胞 质以后,从而阻止有功能的核糖体与核内 加工不完全的hnRNA分子接近；核仁的另一个功能涉及mRNA的输出与降解输出与降解。Ribosome Ribosome Ribosome Ribosome 组装过程组装过程组装过程组装过程核核仁仁中中进进行行的的核核糖糖体体装装配配三、核仁周期三、核仁周期核仁的动态变化核仁的动态变化核仁结构的核仁结构的动态变化依赖于动态变化依赖于 rDNA转录活性和细胞周期的运转录活性和细胞周期的运 行行 四、核体四、核体 间期核内除染色质与核仁结构外，在染色质之间的空间还含许多形态上不同的亚核结构域（subnuclear domain），统称为核体。如螺旋体和早幼粒细胞白血病蛋白体。在细胞的各种事件中，核体可能与不同核组分的合成、组装和储存有关。第五节第五节 染色质结构和基因转录染色质结构和基因转录活性染色质及其主要特征活性染色质及其主要特征 染色质结构与基因转录染色质结构与基因转录 一、活性染色质及其主要特征一、活性染色质及其主要特征活性染色质活性染色质(active chromatin)与与 非活性染色质非活性染色质(inactive chromatin)活性染色质主要特征活性染色质主要特征 （一）活性染色质与非活性染色质（一）活性染色质与非活性染色质 活性染色质是具有转录活性的染色质活性染色质是具有转录活性的染色质 活性染色质的核小体发生构象改变，具 有疏松的染色质结构，从而便于转录调 控因子与顺式调控元件结合和RNA 聚合 酶在转录模板上滑动。非活性染色质是没有转录活性的染色质（二）活性染色质主要特征（二）活性染色质主要特征活性染色质具有活性染色质具有DNase I超敏感位点超敏感位点 （DNase I hypersensitive site）染色质活性基因染色质活性基因DNase I敏感性的检测敏感性的检测活性染色质在生化上具有特殊性活性染色质在生化上具有特殊性活性染色质很少有组蛋白活性染色质很少有组蛋白H1与其结合；与其结合；活性染色质的组蛋白乙酰化程度高；活性染色质的组蛋白乙酰化程度高；活性染色质的核小体组蛋白活性染色质的核小体组蛋白H2B很少被磷酸化；很少被磷酸化；活性染色质中核小体组蛋白活性染色质中核小体组蛋白H2A在许多物种在许多物种 很少有变异形式；很少有变异形式；HMG14和和HMG17只存在于活性染色质中。只存在于活性染色质中。二、染色质结构与基因转录二、染色质结构与基因转录 疏松染色质结构的形成疏松染色质结构的形成 染色质的区间性染色质的区间性 染色质模板的转录染色质模板的转录（一）疏松染色质结构的形成（一）疏松染色质结构的形成DNA局部结构的改变与核小体相位的影响局部结构的改变与核小体相位的影响当调控蛋白与染色质当调控蛋白与染色质DNA的特定位点结合时，的特定位点结合时，染色质易被引发二级结构的改变；进而引起其染色质易被引发二级结构的改变；进而引起其 它的一些结合位点与调控蛋白的结合。它的一些结合位点与调控蛋白的结合。核小体通常定位在核小体通常定位在DNA特殊位点而利于转录特殊位点而利于转录 组蛋白的修饰组蛋白的修饰组蛋白的修饰改变染色质的结构，直接或间接组蛋白的修饰改变染色质的结构，直接或间接 影响转录活性影响转录活性组蛋白赖氨酸残基乙酰基化（组蛋白赖氨酸残基乙酰基化（acetylation），影响转录），影响转录 HMG结构域蛋白的影响结构域蛋白的影响 HMG结构域可识别某些异型的结构域可识别某些异型的DNA结构，与结构，与DNA 弯折和弯折和DNA-蛋白质复合体高级结构的形成有关蛋白质复合体高级结构的形成有关（二）染色质的区间性（二）染色质的区间性（二）染色质的区间性（二）染色质的区间性基因座控制区（基因座控制区（locus control region,LCR）染色体染色体DNA上一种顺式作用元件，具有稳定上一种顺式作用元件，具有稳定 染色质疏松结构的功能；染色质疏松结构的功能；与多种反式因子的结合序列可保证与多种反式因子的结合序列可保证DNA复制复制 时与启动子结合的因子仍保持在原位。时与启动子结合的因子仍保持在原位。隔离子（隔离子（insulator）防止处于阻遏状态与活化状态的染色质结构防止处于阻遏状态与活化状态的染色质结构 域之间的结构特点向两侧扩展的染色质域之间的结构特点向两侧扩展的染色质DNA 序列，称为隔离子。序列，称为隔离子。作用：作为异染色质定向形成的起始位点；作用：作为异染色质定向形成的起始位点；提供拓扑隔离区提供拓扑隔离区（三）染色质模板的转录基因转录的模板不是裸露的基因转录的模板不是裸露的DNA，染色质，染色质是否处于活化状态是决定转录功能的关键是否处于活化状态是决定转录功能的关键 转录的转录的“核小体犁核小体犁”（nucleosome plow）假说假说 第六节第六节 核基质与核体核基质与核体 核基质核基质(nuclear matrix)（见第十章）（见第十章）核体（核体（nuclear bodies，NBs）核体概念核体概念 间期核内除染色质与核仁结构外，在染色质之间的空间还含许多形态上不同的亚核结构域（subnuclear domain），统称为核体。如螺旋体和早幼粒细胞白血病蛋白体。在细胞的各种事件中，核体可能代表不同核组分的储存或查封位点或称之为分子货仓（molecular warehouse）。螺旋体（螺旋体（coiled bodies，CBs）小核糖核蛋白质（sn RNPs）、细胞周期控 制蛋白 和几种基本转录因子，如p80 coilin螺旋体的功能与snRNP的生物发生（biogenesis）有关；CBs在基因表达协调反馈调节中有作用。早幼粒细胞白血病蛋白体早幼粒细胞白血病蛋白体PML体的功能转录调节病毒感染的靶结构PML体组成的改变与某些疾病 表型的发生有关PML蛋白的功能可能是作为负生 长调节子和肿瘤抑制子而发挥作用PML可能介导程序性细胞死亡，PML 体在细胞周期调控中起作用