细胞生物学-细胞核与染色体课件

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,*,Cell Nucleus and Chromosome,第八章 细胞核与染色体,间期的细胞核的形态结构,典型的真核生物细胞核的结构由,4,个主要组成部分,：,核被膜、,染色质,、核仁,及核骨架,。,外核膜,内核膜,核纤层,核周间隙,核孔复合体,（一）,核被膜的结构,(,Structure of the Nuclear Envelope,),外核膜,内核膜,核纤层,核周间隙,核孔复合体,（一）,核被膜的结构,(,Structure of the Nuclear Envelope,),核纤层,核纤层由核纤肽（,lamin,）构成，是一类中间纤维。核纤层的作用有以下两个方面：,1,保持核的形态,2,参与染色质和核的组装,（二）核被膜在细胞周期中的崩解与装配,新核膜来自旧核膜,核膜装配的机制及其与核孔复合体、核纤层的关系，目前尚无定论,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。,在真核细胞的细胞周期中，核被膜有规律地解体与重建。,核孔由至少,50,种不同的蛋白质构成。,核孔在核膜上的密度很大，一个典型的哺乳动物细胞核膜上有,3000-4000,个核孔。,转录功能活跃的细胞，其核孔复合体数量较多。,核孔复合体,（,nuclear pore complex,，,NPC,）,已知所有的真核细胞，间期细胞核普遍存在核孔复合体。,电镜下显示的核孔复合体,Cytoplasmic face,cytoplasmic particles,两栖类卵细胞分离的,NPC,的细胞质面,细胞质颗粒覆盖在,NPC,的胞质环上,;,Nuclear face,basket inner complex,当观察,NPC,核质面时,可以看到与核孔复合物相连的篮,（,1,）从横向上看，核孔复合体由周边向核孔中心依次可分为环、辐、栓三种结构亚单位；,（,2,）从纵向上看，核孔复合体由核外（胞质面）向核内（核质面）依次可分为胞质环、辐（栓）、核质环三种结构亚单位。,综合起来，核孔复合体主要有以下,4,种结构组分：,胞质环,核质环,辐,中央栓,核孔复合体结构模型,核孔蛋白,”,（,nucleoporin,，,Nup,）,核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为,12510,6,，推测可能含有,100,余种不同的多肽，共,1 000,多个蛋白质分子。,gp210,：结构性跨膜蛋白,p62,：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域,（二） 核孔复合体成分的研究,蛋白名称,对应的,NPC,结构,功能与特性,gp210,Pom121,Nup153,Nup180,Nup155,P62,P58,P54,P45,Nup84,（大鼠）,或,Nup88,（人）,Nup214/CAN,Nup107p,Nup98p,Nup155,p260/Tpr,孔膜区，跨膜蛋白,孔膜区，跨膜蛋白,“,fish-trap”,胞质环及其纤维,核质面与胞质面,中央颗粒,胞质环纤维,胞质环纤维,能与,ConA,结合；,N,端位于膜间腔，,C,端将,NPC,锚定在核膜上。,能与,WGA,结合；,C,端有,FXFG,重复序列。,能与,WGA,结合；,N,端有,FXFG,重复序列；具有锌指结构，能够结合,DNA,（,in vitro,）。,不能与,WGA,结合；其抗体对核质交换没有抑制作用；介导,NPC,与胞质骨架的联系。,不能与,WGA,结合。,能与,WGA,结合；具有,FXFG,重复序列；其抗体对核质交换有抑制作用；能与,p58,，,p54,，,p45,形成,p62,复合体；与酵母的,Nsp1p,同源。,具有,FG,重复序列；与酵母的,Nup49p,同源。,具有,FG,重复序列；与酵母的,Nup57p,同源。,具有,FG,重复序列。,能与,WGA,结合。,酵母的,Nup84p,同源。,具有,GLFG,重复序列；与酵母的,Nup116p,同源。,与酵母的,Nup170,同源。,不能与,WGA,结合。,已知的脊椎动物核孔复合体的蛋白成份简表,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”，从而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一定作用,p62,：功能性的核孔复合体蛋白，具,有两个功能结构域,疏水性,N,端区：可能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，从而将,p62,分子稳定到核,孔复合体上，为其,N,端进行核质交,换活动提供支持。,核孔复合体的功能,从功能上讲，核孔复合体可以看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，并且是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道。,双功能表现在它有两种运输方式：被动扩散与主动运输。,双向性表现在既介导蛋白质的入核转运，又介导,RNA,、核糖核蛋白颗粒（,RNP,）的出核转运,1.,通过核孔复合体的被动扩散,核孔复合体作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为,9,10nm,，有的可达,12.5nm,，离子、小分子以及直径在,10nm,以下的物质原则上可以自由通过。,10nm,2.,通过核孔复合体的主动运输,生物大分子的核质分配如亲核蛋白的核输入，,RNA,分子及,RNP,颗粒的核输出，在细胞核功能活性的控制中起非常重要的作用。,被动运输（,passive transport,）,小于,10nm,的分子自由出入,主动运输（,active transport,）,具有入核信号的蛋白的入核,RNA,分子,核糖核蛋白颗粒出核,主动运输的选择性表现在以下三个方面：,（,1,）对运输颗粒大小的限制。主动运输的功能直径比被动运输大，约,10,20nm,，甚至可达,26nm,。核孔复合体的有效直径的大小是可被调节的；,（,2,）通过核孔复合体的主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要能量；,（,3,）通过核孔复合体的主动运输具有双向性，即核输入与核输出，它既能把复制、转录、染色体构建和核糖体亚单位组装等所需要的各种因子运输到核内；同时又能将翻译所需的,RNA,、组装好的核糖体亚单位从核内运送到细胞质。,核蛋白运输机制,基本概念,亲核蛋白,(nuclear protein),：,在细胞质内合成后，需要,或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。,核定位信号,(,nuclear localization signals,NLS),：,NLS,是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基，如,Lys,、,Arg,，此外还常含有,Pro,具有定向,定位作用,。,NLS,序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指导完成核输入后并,不被切除,。,亲核蛋白入核转运还需要一些胞质蛋白因子的帮助。目前比较确定的因子有,importin,、,importin,、,Ran(,一种,GTP,结合蛋白,),。,核定位信号,(,nuclear localization signals, NLS),核蛋白输入机理,（,1,）亲核蛋白通过,NLS,识别,importin,，与可溶性,NLS,受体,importin/ improtin,异二聚体结合，形成转运复合物；,（,2,）在,importin,的介导下，转运复合物与核孔复合体的胞质纤维结合；,（,3,）转运复合物通过改变构象的核孔复合体被转移到核质面；,（,4,）转运复合物在核质面与,Ran-GTP,结合，并导致复合物解离，亲核蛋白释放；,（,5,）受体的亚基与结合的,Ran,返回胞质，在胞质内,Ran-GTP,水解形成,Ran-GDP,并与,importin,解离，,Ran-GDP,返回核内再转换成,Ran-GTP,状态。,NLS,只是亲核蛋白入核的一个必要条件，某种亲核蛋白是否被转运入核还受到其它因素的影响。,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。,染色体与染色质,二者之间的区别主要并不在于化学组成上的差异，而在于包装程度不同，反映了它们处于细胞周期中不同的功能阶段。,DNA,分子一级结构具有多样性,非重复序列,DNA(,单一序列或,1-5,个拷贝,),：,编码序列,中度重复,DNA,序列,（拷贝数在,10,个以上的序列称为重复序列，重复次数在,10,2,-10,5,为中度重复序列）,有些是调控序列,有,些是编码,rRNA,和,tRNA,以及组蛋白的基因。但多数是不编码任何产物,高度重复,DNA,序列 （重复次数在,10,5,以上）,卫星,DNA:,是高度重复序列中,AT,含量很高的简单的高度重复序列。由于,AT,段浮力密度小,所以在,DNA,片段进行,CsCl,密度梯度离心时,常会在,DNA,主带上有一个次要的带相伴随,因此称为卫星,DNA,。,DNA,二级结构的多样性,DNA B helix,right handed10.5 residues/turndiameter 2nm,DNA Z helix,left handed12 residues/turndiameter 1.8nm,DNA A helix,right handed11 residues/turndiameter 28 nm,(,二,),染色质蛋白质,染色质,DNA,结合蛋白负责,DNA,分子遗传信息的组织、复制和阅读。这些,DNA,结合蛋白包括两类：,一是组蛋白（,histone,），与,DNA,非特异性结合；另一类是非组蛋白（,nonhistone,），与,DNA,特异性相结合。,组蛋白,(histone),：是真核生物染色体的基本结构蛋白,是一类小分子,碱性,蛋白质,有,5,种类型,即,H1,、,H2A,、,H2B,、,H3,、,H4,，它们富含,带正电荷,的碱性氨基酸，能够同,DNA,中带负电荷的磷酸基团相互作用。,染色质中的组蛋白与,DNA,的含量之比为：,11,。,五种组蛋白在功能上分为两组：,核小体组蛋白,：,包括,H2A,、,H2B,、,H3,和,H4,作用是与,DNA,组装成核小体,相对分子质量较小,(102,135,个氨基酸残基,),它们的作用是将,DNA,分子盘绕成核小体。它们没有种属及组织特异性,在进化上十分保守。,H1,组蛋白：,不参加核小体的组建,在构成核小体时起连接作用,并赋予染色质以极性。,H1,有一定的组织和种属特异性。,H1,的相对分子质量较大,有,215,个氨基酸残基,在进化上也较不保守,。,组蛋白的功能,:,DNA,聚合酶,DNA,合成,RNA,聚合酶,RNA,合成,核酸酶,切割,DNA,和,/,或,RNA,DNA,连接酶,在,DNA,复制和修复时进行,DNA,连接,Poly-A,聚合酶,在,mRNA3,添加,poly A,尾,DNA,甲基化酶,DNA,甲基化,拓扑异构酶,将超螺旋,DNA,转变成松弛型,螺旋去稳定酶,DNA,解旋,形成稳定的单链,蛋白酶,蛋白质切割,组蛋白乙酰化与去乙酰化酶,组蛋白乙酰化和去乙酰化,蛋白激酶,组蛋白和非组蛋白的磷酸化,组蛋白甲基化酶,组蛋白甲基化,以核酸作为底物的酶,作用于染色质蛋白的酶,非组蛋白,(nonhistone),指染色体上与特异,DNA,序列相结合的蛋白质,。,特性,:,非组蛋白具多样性和异质性。,包括多种参与核酸代谢与修饰的酶类如,DNA,和,RNA,聚合酶、核质蛋白、染色体骨架蛋白、肌动蛋白和基因表达调控蛋白等。,对,DNA,具有识别特异性,识别信息来源于,DNA,核苷酸序列本身，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。,呈酸性、带负电荷。,参与染色体的构建,:,这方面的作用与组蛋白相辅佐。组蛋白把,DNA,双链分子装配成核小体串珠结构后,非组蛋白则帮助折叠、盘曲,以形成在复制和转录功能上相对独立的结构域,启动基因的复制,:,以复合物的形式结合在一段特异,DNA,序列上,复合物中包括启动蛋白、,DNA,聚合酶、引物酶等,启动和推进,DNA,分子的复制。,调控基因的转录,:,一般为基因调控蛋白它们往往以竞争性或协同性结合的方式,作用于一段特异,DNA,序列上,以调节有关基因的表达,非组蛋白的功能,二、染色质的基本结构单位,核小体,1974,年,Kornberg,等人根据电镜观察和染色质的酶切降解，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。,用温和的方法裂解细胞核，将染色质铺展在电镜铜网上，通过电镜观察，未经处理的染色质自然结构为,30nm,的纤丝，经盐溶液处理后解聚的染色质呈现一系列核小体彼此连接的串珠状结构，念珠的直径为,10nm,（,1,）电镜,实验证据,（,2,）,核酸酶水解从大鼠肝细胞中分离的染色质,用非特异性微球菌核酸酶消化染色质时，经过蔗糖梯度离心及琼脂糖凝胶电泳分析，发现绝大多数,DNA,被降解成大约,200bp,的片段；如果部分酶解，则得到的片段的大小是,200bp,的整数倍。,Gel electrophoresis after removal of chromatin proteins,Analyzed by electron microscopy,The basic repeat unit, containing an average of 200bp of DNA associated with a protein particle, is the,nucleosome,（,3,）应用,X,射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术，研究染色质结晶颗粒,核小体颗粒是直径为,11nm,、高,6.0nm,的扁园柱体，核心组蛋白的构成是先形成（,H3,）,2,（,H4,）,2,四聚体，然后再与两个,H2AH2B,异二聚体结合形成八聚体。,3-D of nucleosome,Nature,389:251, 1997,用,SV40,病毒感染细胞，病毒,DNA,进入细胞后，与宿主的组蛋白结合，形成串珠状微小染色体，电镜观察,SV40 DNA,为环状，周长,1 500nm,，约,5.0kb,。若,200bp,相当于一个核小体，则可形成,25,个核小体，实际观察到,23,个，与推断基本一致。,（,4,）,SV40,微小染色体（,minichromosome,）分析。,1.,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,。,核小体的结构要点,:,2.,由,H2A,、,H2B,、,H3,、,H4,各两分子形成八聚体，构成核心颗粒。,(H2A-H2B)-,(H3-H4)-(H3-H4),-(H2A-H2B),15-50bp,3. DNA,分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，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。,Core particle,4.,两个相邻核小体之间以连接,DNA,（,linker DNA,）相连,5.,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。,Rich in positively charged basic amino acids, which interact with the negtively charged phosphate groups in DNA,6.,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,如非组蛋白与,DNA,特异性位点的结合，可影响邻近核小体的相位；,球状组蛋白核心,H,4,DNA,双螺旋,(140-160bp,、,1.75,圈）,H,3,H,4,H,3,H,2,A,H,2,A,H,2,B,H,2,B,H,4,H,3,H,3,H,4,H,2,A,H,2,A,H,2,B,H,2,B,10nm,连接,DNA,（,50-60bp,）,H,1,H,1,核小体,核心部,连接部,DNA,分子：,140-160bp,、,1.75,圈,组 蛋 白：,2,（,H,2,A,、,H,2,B,、,H,3,、,H,4,）,组 蛋 白：,H,1,DNA,分子：,5060bp,八聚体,核小体,DNA,被压缩,7,倍,染色质的结构,染色质包装的多级螺旋模型,(multiple coiling model),染色体的骨架,-,放射环结构模型,(scaffold radial loop structure model),三、染色质包装的结构模型,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。,（一）,染色质包装的多级螺旋模型,一级结构：核小体,每个碱基对长度为,0.34nm ,200,个碱基对的核小体,DNA,伸展开来的长度是,70nm,一个核小体的直经是,10nm,二级结构：螺线管,(solenoid),螺旋管是染色质的二级结构，,6,个核小体缠绕一圈形成的中空性管,.,外,30nm;,内,10nm,组蛋白,H1,位于螺旋管内侧。将,DNA,分子长度压缩,6,倍，螺旋管即为,30nm,的染色质纤维。,组蛋白,内,10nm,外,30nm,螺线管进一步螺旋化形成直径为,0.4m,的圆筒状结构，称为超螺线管，这是染色体包装的三级结构。,这种超螺线管进一步螺旋折叠，形成长,2,10,m,的染色单体，即染色质包装的四级结构。,根据多级螺旋模型，从,DNA,到染色体经过四级包装：,螺线管,超螺线管,染色单体,DNA,核小体,该模型认为,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。,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,2nm DNA 11nm nucleosome 30nm fiber Loop Metaphase chromosome,Evidence for Scaffold Radial Loop Model,中期染色体,染色质串珠结构,DNA,双螺旋,染色质纤维（螺旋管）,一段伸展的染色体,中期染色体致密区,染色质的分类,是指间期细胞内染色质丝折叠压缩程度高，处于凝集状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质。异染色质又分为结构异染色质或称组成性异染色质和兼性异染色质。,指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。,异染色质（,heterochromatin,）,常染色质,(euchromatin),No transcriptional activity;,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，,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。,人的胚胎发育到,第,16-28,天,，体细胞将随机保持一条,X,染色体有转录活性，呈常染色质状态；而另一条,X,染色体则失去转录活性，成为异染色质，形成染色深的颗粒，位于核膜边缘，,在上皮细胞核内,这个,X,染色体称为,巴尔氏小体,其子代细胞将延续这些特点。可用于性别鉴定。,barr body,巴尔氏小体（,barr body,）,兼性异染色质,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,染色质的类型,类型,分布,特点,功能,活性,常染色质,单一序列,中度重复序列,基因转录的必要条件，而不是充分条件。,异染色质,兼性异染色质,常染色质凝缩，并丧失基因转录活性,胚胎细胞含量很少，特化细胞含量很多,关闭基因活性的一种途径,结构异染色质,多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段,中、高度重复的,DNA,序列,不转录也不编码蛋白质 ，晚复制早凝缩,复习内容：,名词解释：,核孔复合体（,nuclear pore complex, NPC,）,核定位信号（,nuclear localization signal,NLS,）,核小体（,nucleosome,）,染色质（,chromatin,）,常染色质（,euchromatin,）,异染色质（,heterochromatin,）,结构异染色质（,constitutive heterochromatin,）,兼性异染色质（,facultative heterochromatin,）,问答题：,1,核小体结构要点,2,核孔复合体的结构和功能,3,染色质组装的模型,