细胞核与染色质(翟中和第四版)

,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,*,*,翟中和 王喜忠 丁明孝 主编,细胞生物学（第,4,版）,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,*,*,翟中和 王喜忠 丁明孝 主编,细胞生物学（第,4,版）,Copyright,高等教育出版社,2011,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,*,*,第,11,章 细胞核与染色质,细胞核概述,真核细胞中，除高等植物成熟的筛管和哺乳类成熟的红细胞外，都有细胞核。在原核细胞中，,DNA,集中，但无核膜包围，故称拟核（,nucleiod,）。,真核细胞,大多,具细胞核,原核细胞的拟核,分布：,所有真核细胞（高等植物韧皮部成熟的筛管和哺乳动物成熟的红细胞除外）,数量：,通常一个，成熟的筛管和红细胞（,0,）、肝细胞、心肌细胞,(1-2,）、破骨细胞,(650,）、骨骼肌细胞,(,数百,),、植物毡绒层细胞,(24),。,大小：,占总体积的,10%,，高等动物一般,5-10,u,m,高等植物,5-20,u,m,低等植物,1-4,u,m,。,形态：,一般呈圆球状与卵圆形，随物种和细胞类型不同有很大变化。,组成：,核被膜、核纤层、染色质、核仁及核体组成。,功能：,遗传 发育。,细胞核特征,肝细胞和心肌细胞可有双核,哺乳类成熟红细胞无细胞核,植物成熟筛管细胞无细胞核,a,a,a,a,a,破骨细胞可有,6-50,个细胞核,本章主要内容,*,核被膜,*,染色质,染色质的复制与表达,*,染色体,*,核仁与核体,核基质,第一节 核被膜,http:/faculty.samford.edu/djohnso2/44962/405/nucleus.html,三部分构成,核被膜结构,双层核膜,核纤层,核孔复合体,一、核膜,第一节 核被膜,核周间隙,核纤层,核孔复合物,外核膜,内核膜,异染色质,(,双层膜,),(,异染色质,),电镜图,核被膜由内外两层平行但不连续的,单位膜,构成。,外核膜胞质面附有,核糖体,，与糙面内质网相联。核周隙与内质网腔相通，外核膜是内质网的一部分。,核被膜内层光滑，内表面紧贴一层致密的,核纤层,；可支持核膜，并与染色质及核骨架相连。,核周间隙,宽,20-40nm,，腔内电子密度低，一般不含固定的结构，与内质网腔相通。,双层核膜在某些部位相互融合，形成环状开口，称为,核孔,。,在核孔上镶嵌着一种复杂的结构叫做,核孔复合体,。,（一）核膜结构,（二）核膜的崩解与组装,间期存在，分裂期解体,核膜的动态特点：,在真核细胞中，核膜伴随着细胞周期进行有规律的解体与重建。,分裂期：双层核膜崩解成单层泡膜，核孔复合体解体，核纤层去装配；,分裂末期：核被膜开始围绕染色体重新形成。,二、核孔复合体,核孔复合体,(Nuclear pore complex,NPC),一般哺乳动物细胞平均有,3000,个核孔。,细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。,核被膜上由内外两层膜局部融合形成的许多核孔，核孔是由一组蛋白质（至少,50,种不同的蛋白质）以一定方式排布形成的复杂结构，可沟通核质和胞质。,在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如,fish-trap,（,鱼笼）,。,（一）结构模型,“fish-trap”(,鱼笼,),胞质面,核质面,（一）结构模型,“fish-trap”(,鱼笼,),胞质环（,cytoplasmic ring,）,核质环（,nuclear ring,）,辐（,spoke,）：柱状亚单位；腔内亚单位；环带亚单位,中央栓（,central plug,），中央颗粒（,central granule,）,（二）组成成分,Nature Reviews Molecular Cell Biology 11,490-501(July 2010)|doi:10.1038/nrm2928,核孔蛋白（,nucleoporin,，,Nup,）,核孔蛋白（nucleoporin，Nup）,Gp210,：结构性跨膜蛋白,介导,NPC,与核被膜连接,在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用,在核质交换中起作用,p62,：功能性,Nup,疏水性,N,端区：具有,FXFG,重复序列,C,端区：具有疏水性的,7,肽重复序列,http:/npd.hgu.mrc.ac.uk/user/?page=nuc_pore,从功能上讲，可看作一种特殊的跨膜运输蛋白复合体（一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道）,双功能,有两种运输方式：被动扩散与主动运输。,双向性,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。,（图,P,232,：,通过核孔复合体物质运输的功能示意图）,（三）功能,主动运输,通过,转运受体,把大分子,运入和运出核孔,从胞质运入核的转运受,体为,importins,从核运,入胞质的转运受体为,exportins,。,被动运输,简单扩散,运输离子、小分子及,直径在,10nm,以下的,物质。,1,通过核孔复合体的被动扩散,10nm,直径,9-10nm,NPC,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,，即离子、小分子以及直径在,10nm,以下的物质原则上可以自由通过。扩散速度与分子大小成反比。,1,通过核孔复合体的被动扩散,这种有效直径相当于允许相对分子质量在,4010,3,6010,3,以下的蛋白质分子自由穿过核孔。,实际上并不是所有符合此条件的蛋白质都可随意出入细胞核。,有许多小分子量的蛋白质，如组蛋白,H1,，是通过主动运输进入细胞核的。,（其相对分子质量虽只有,2.110,3,，它本身带有具信号功能的氨基酸序列）,有的小分子量蛋白质本身虽然没有信号序列，但可以与其它有信号序列的成份结合，一起被主动运输到核内。,2,核孔复合体的主动运输,A,对运输颗粒,大小的限制。,主动运输的功能直径（约,10,20nm,）比被动运输大，核孔复合体的有效直径的大小是可被调节的；,B,是一个信号识别与载体介导的过程复合体，需要消耗,ATP,能量，表现出,饱和动力学特征；,C,有核输出与核输入,双向性。,1,）亲核蛋白的入核转运（,karyophilic protein,）,亲核蛋白：,指在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。,大多数的亲核蛋白往往在一个细胞周期中一次性地被转运到核内，并一直停留在核内行使功能活动，典型的如,组蛋白、核纤层蛋白,等；,有一些亲核蛋白需穿梭于核质之间进行功能活动，如,importins,。,核定位序列或核定位信号（,NLS,）,亲核蛋白一般都含有特殊的氨基酸序列，这些内含的特殊短肽保证了整个蛋白质能够通过核孔复合体被转运到细胞核内。,这段具有“定向”、“定位”作用的序列被命名为核定位序列或核定位信号。,受体为,importin,。,NLS,序列可存在于亲核蛋白的不同部位，并且在指导亲核蛋白,完成核输入后并不被切除,。,Nuclear localization signals,Normal pyruvate kinase:,in cytosol,Chimeric pyruvate kinase containing SV40 NLS:,in nucleus,Nuclear localization signals,亲核蛋白的入核转运过程,亲核蛋白除了本身具有,NLS,外，其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,：,核定位信号受体。,Ran,：,一类,G,蛋白，调节货物复合体的解体或形成。,带有核定位信号,(NSL),片段的蛋白质与受体,importin,/,结合；,复合体与胞质内的纤丝结合；,复合体被送入核内；,4.,与,Ran-GTP,相互作用,复合体解散；,5.,importin,被,Ran-GTP,送回胞质,Ran-GTP,水解成,Ran-GDP,Ran-GDP,返回核内,importin,回到胞质。,蛋白质从细胞质经核孔向细胞核的运输,2,）,RNA,及核糖体亚基的出核转运,真核细胞中,RNA,一般要经过转录后加工、修饰成为成熟的,RNA,分子后才能被转运出核。,核输出信号（,nuclear export signal,NES,）：引导,RNP,输出细胞核，对蛋白的出核转运起决定作用的氨基酸序列，,受体为,exportin,。,由,RNA,聚合酶,I,转录的,rRNA,分子。,由,RNA,聚合酶,转录的,5s rRNA,与,tRNA,由,RNA,聚合酶,转录的核内异质,RNA,（,hn RNA,）,核纤层,(lamina),核骨架,为核膜内表面由核纤层蛋白构成的一层连续致密的网状结构。,核膜,核孔,核纤层,核膜与,内质网,相连处,染色质,三、核纤层,功能：,对核被膜起支撑作用，为染色体提供支架；调节基因表达；调节,DNA,修复；与细胞周期有关。,组成：,3,种核纤层蛋白：,lamin,A,、,B,、,C,核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构,动态特点：,在分裂期，核纤层解体，以蛋白单体形式存在于,胞质中。,三、核纤层,第二节 染色质,染色质是间期细胞核内由,DNA,、,组蛋白,、,非组蛋白,及,少量,RNA,组成的线性复合结构,一、染色质,DNA,染色质和染色体是在细胞周期不同阶段可以互相转变的形态结构,（一）基因组大小比较,Figure 1-37,Molecular Biology of the Cell,Fifth Edition(Garland Science 2008),（一）基因组大小比较,（二）基因组,DNA,类型,A,型是另一种右手双螺旋,DNA,，与,B,型的差别在于,DNA,的大小沟有所不同，,A,型的更紧密。,Z(zig-zag,),型是左手螺旋,DNA,，在结构上与,B,型很不同。发生在高盐浓度下的,CGCGCG,短链中，生物功能不详。体现,DNA,双螺旋结构的可塑性。,DNA 3,种构型,三种,DNA,构型中,大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。,DNA 3,种构型,二、染色质蛋白,组蛋白（,histone,）,与,DNA,结合没有序列特异性,非组蛋白（,nonhistone,）,与特定,DNA,序列或组蛋白相结合,Nature Reviews Nephrology 6,332-341(June 2010),（一）组蛋白,属,碱性蛋白质,，富含带正电荷的,Arg,和,Lys,等碱性氨基酸，可以和酸性,DNA,紧密结合，一般不要求特殊核苷酸序列,核小体组蛋白,H2A,、,H2B,、,H3,和,H4,没有种属及组织特异性，进化上十分保守,H1,组蛋白,有一定的种属和组织特异性,（二）非组蛋白,序列特异性,DNA,结合蛋白,特性,多样性,识别,DNA,具有特异性,具有功能多样性,锌指模式,亮氨酸拉链模式,螺旋,-,转角,-,螺旋模式,凝胶延滞实验（,gel retardation assay,）,http:/bioweb.wku.edu/courses/biol350/Transcriptome17/Review.html,三、核小体,（一）核小体的发现,透射电镜显示串珠状,11 nm,的核小体结构,Figure 4-22,Molecular Biology of the Cell,(Garland Science 2008),串珠结构,螺线管,30nm,（一）核小体的发现,非特异性微球菌核酸酶消化染色质,（一）核小体的发现,X,射线晶体衍射揭示核小体三维结构,（一）核小体的发现,SV40,微小染色体（,minichromosome,）分析,Virology,2009,384(2