细胞核与染色质ppt课件

第十一章细胞核与染色质 第一节核被膜第二节染色质第三节染色质的复制与表达第四节染色体第五节核仁与核体第六节核基质 1 细胞核截面图 2 细胞核的分布 形态 大小 数目 分布 绝大多数真核生物细胞中 例外 哺乳动物的成熟的红细胞 高等植物成熟的筛管细胞等极少数的细胞 形态 球形或者卵形或圆形大小 约占细胞总体积的10 数目 一般一个 大多数生物体细胞中都是一个有的多个 植物个体发育过程中的多数胚乳核 草履虫等原生动物 人的骨胳肌细胞中的细胞核可达数百个 3 细胞核与细胞质之间的界膜功能 核 质之间的天然选择屏障 核酸复制 转录和加工在核内 蛋白质翻译在细胞质中调控核内外的物质交换和信息交流 核孔复合体结构组分 双层核膜 核孔复合体和核纤层 第一节 核被膜 4 一 核膜 5 内层核膜 innernuclearmembrane 外层核膜 outernuclearmembrane 核周间隙 perinuclearspace 外层核膜与内质网相通 常带有核糖体 内核膜光滑 无核糖体 内贴核纤层 借助核纤层蛋白B受体 LaminBreceptor LBR 等与核纤层连接 内外膜平行 融合处形成核孔 nuclearpore 核孔处镶嵌着核孔复合体 nuclearporecomplex NPC 一 核膜结构 6 二 核膜的崩解和组装 有丝分裂早前期 核膜崩解 是一个受调控的过程 Cdk1 PKC 染色体凝集 核孔复合体解散 核纤层解聚 双层核膜膜泡化 以膜泡或膜片的形式分散到细胞质中 内层核膜蛋白也随膜成分分散于细胞质中 在核膜崩解中 核膜成分中的蛋白质被磷酸化是最主要的调控机制 其中 至少有多个核孔复合体蛋白 内层核膜上的LaminB受体以及核纤层蛋白等都被磷酸化 崩解 7 组装 有丝分裂中期到后期 激酶失活 磷酸化的核膜 核孔 核纤层成分去磷酸化 激活核膜重建 核膜成分与染色体结合 膜泡融合 其中 Lamin LaminB受体等都可以与DNA直接或间接结合 核孔形成 核孔复合体装配 核纤层形成 细胞核体积增大 Ran GTP Ran GTP修饰因子等在核膜重建中起到重要作用 8 二 核孔复合体 NuclearPoreComplex NPC NPC经典研究手段 树脂包埋超薄切片 负染色技术 冷冻蚀刻 冷冻蚀刻电镜技术观察NPC 高分辨率扫描电镜观察NPC 9 1949 1950年 Callan和Tomlin发现 一个典型的哺乳动物细胞核上约3000 4000个 细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多 反之较少 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 核质交换的双向 选择性 亲水通道 10 核孔复合体结构模型 一 结构模型 结构组分 1 胞质环 位于核孔边缘的胞质面一侧 又称外环 2 核质环 位于核孔边缘的核质面一侧 又称内环 3 辐 由核孔边缘伸向中心 呈辐射状八重对称的纤维 4 栓 又称中央栓 位于核孔中心 呈颗粒状或棒状 有争议 11 胞质面结构 12 核质面结构 篮状复合体 13 二 组成成分 核孔蛋白 14 NPC的功能特点 双向性 入核 蛋白质 出核 RNA 核酸核蛋白复合体 RNP 双功能 被动扩散 离子 小分子等 直径 10nm 主动运输 亲核蛋白输入 RNA及RNP输出等 三 功能 15 16 核孔复合体的主动运输 高度选择性 运输颗粒直接10 20nm 且大小可调节需要消耗ATP的信号识别与载体介导的过程具有饱和动力学特征双向性 核输入 DNA复制转录 染色体构建和核糖体亚单位组装等所需的各种因子核输出 RNA 组装好的核糖体亚单位等亲核蛋白 karyophilicprotein 细胞质内合成 进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质可停留于核内 也可穿梭于核 质之间含有核定位信号 nuclearlocalizationsignal NLS 17 核输入 核定位序列验证试验 18 Wild type T antigeninnucleus Mutant type T antigenincytosol 第一个被鉴定的NLS 猴肾病毒的T抗原 19 亲核蛋白通过NPC的主动运输 20 核输出 CRM1识别NES 核输出信号 从而介导出核 CRM1与Cargo的结合也是受到Ran GTP活性的调控 CRM1像Importin一样 可以与NPC直接结合 由RNA聚合酶 转录的rRNA 在核仁中合成 形成核糖体亚基后以RNP形式被运出核外 由RNA聚合酶 转录的5sRNA和tRNA 由蛋白介导出核 由RNA聚合酶 转录的核内异质RNA hnRNA 加帽 加尾 剪切加工后形成成熟的mRNA出核 21 三 核纤层 nuclearlamina 22 核纤层由核纤肽 lamin 构成 核纤肽是一类中间纤维 分为A B C三型 带NLS 核定位信号 LaminA C的表达 具有组织与发育时期的特异性 LaminB 所有哺乳动物细胞均有表达 功能 1 结构支撑 保持核的形态与大小2 调节基因表达 3 调节DNA修复 LaminA4 与细胞周期相关 解聚和重组装 23 薄层网状结构的核纤层 24 第二节 染色质 chromatin 1879年 W Flemming 德 提出Chromatin 染色质 描述细胞核中被碱性染料着色的物质 1888年 Waldeyer 德 提出Chromosome 染色体 25 染色质 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 细胞在有丝分裂或减数分裂的特点阶段 由染色质聚缩而成的棒状结构 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 化学组成相同 包装程度不同 110 60 1 26 DNA复制 转录和重组都是在染色质水平进行 中心之中心 27 有些两栖类动物和植物具有比人更大的基因组 总体上 生物越复杂 基因组越大 但有例外 一 基因组大小比较 一 染色质DNA 基因组 某一生物细胞中储存于单倍染色体组中的总遗传信息 28 1 蛋白质编码序列 主要为非重复的单一DNA序列 一般1个拷贝 2 编码rRNA tRNA 组蛋白的串联重复序列 一般有20 300个拷贝 3 含有重复序列的DNA 简单序列DNA散在重复序列 转座子 反转 录 座子等 4 高度重复DNA序列 大于105个拷贝卫星DNA SatelliteDNA 小卫星DNA 微卫星DNA 5 未分类的间隔DNA 二 基因组DNA的类型 29 二 染色质蛋白 负责DNA分子遗传信息的组织 复制 修复和阅读 可大致分为组蛋白和非组蛋白两大类 一 组蛋白 Histone 定义 p237 核小体组蛋白 nucleosomalHistone H2B H2A H3和H4 帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构 没有种属及组织特异性 在进化上十分保守 H1组蛋白 在构成核小体时H1起连接作用 形成染色体高级结构 30 二 非组蛋白 nonhistone 序列特异性 相对的 DNA结合蛋白 占染色体蛋白的60 70 特性 具有多样性和异质性 包括参与核酸代谢和修饰的酶类 核质蛋白 染色体骨架蛋白 基因表达调控蛋白等 识别DNA具有特异性 识别与结合靠氢键和离子键 位于DNA双螺旋的大沟部分 与DNA结合的螺旋区具有蛋白二聚化能力 具有功能多样性 帮助DNA折叠 协助启动DNA复制 调节基因表达 31 序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式 螺旋 转角 螺旋模式 Helix turn helixmotif 羧基端 螺旋识别DNA大沟的特异碱基信息 32 锌指模式 Zincfingermotif 锌原子 33 亮氨酸拉链模式 Leucinezippermotif 每7个氨基酸中的第7个氨基酸是亮氨酸 34 螺旋 环 螺旋模式 Helix loop helixmotif 35 高迁移率组蛋白盒HMG highmobilitygroup boxmotif 特殊的弯曲DNA的功能 36 传统观点认为染色质是组蛋白包裹在DNA外面形成的纤维状结构 1974 Kornberg根据染色质的酶切和电镜观察 发现核小体是染色质组装的基本结构单位 提出染色质结构的 串珠 模型 三 核小体 核小体是染色质的基本构成单位 37 铺展染色质的电镜观察 经盐溶液处理后解聚的染色质呈现10nm串珠状结构 用非特异性微球菌核酸酶消化染色质 部分酶解片段分析结果 200bp片段为单位 X射线衍射等技术研究 发现核小体颗粒具有二分对称性 dyadsymmetry 核心组蛋白的构成是先形成含2个H3和2个H4的四聚体 然后再与两个H2A H2B异二聚体结合形成八聚体 SV40微小染色体分析 病毒DNA和宿主组蛋白可以自主组装成核小体 一 核小体的发现 38 核小体的发现 39 二 核小体的结构 约200bp的DNA 组蛋白核心复合体 一个H1 60bp的连接DNA 40 四 染色质组装 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 而细胞核的直径只有5 10um Compactionratio nearly10000 fold 压缩近一万倍 平均长度5cm 核直径5 10um No 41 一 染色质组装的过程 42 一级结构 核小体 nucleosome 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 二 染色质组装的多级螺旋模型 7 6 40 5 8400 43 三 染色质组装的放射环结构模型模型 30nm的螺线管基本没有异议 但三级结构以上现在还没有定论 除超螺线管模型以外 有人提出染色体骨架 放射环模型 30nm的螺线管折叠成环 沿染色体纵轴 由中央向四周伸出 构成复制环 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 约106个微带沿纵轴构成染色单体 44 基因组结构和染色质组装一览图 45 五 染色质类型 常染色质 异染色质 间期核内染色质纤维折叠压缩程度低 处于伸展状态 碱性染料染色时着色浅 活跃转录的部位 并非所有基因都具有转录活性 只是基因转录的必要条件而非充分条件 间期核内折叠压缩程度高 处于聚缩状态 碱性染料染色时着色较深 异染色质中的基因没有转录活性 并且可以抑制插入DNA片段的表达 类型 组蛋白与DNA的修饰 DNA甲基化 46 组成型 定位于着丝粒区 端粒 次缢痕及染色体臂的某些节段 由相对简单 高度重复的DNA序列构成 如卫星DNA 具有显著的遗传惰性 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 占有较大部分核DNA 功能 参与染色体高级结构的形成 导致染色质区间性 作为核DNA的转座元件引起遗传变异 异染色质 兼性异染色质 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 如X染色体随机失活 异染色质在胚胎细胞中较少 而在高度分化的细胞中较多 是关闭基因活性的一种途径 47 活性染色质10 非活性染色质90 染色质 具有DNase 超敏感位点 一段长100 200bp的DNA序列特异暴露的染色质区域 为RNA聚合酶 转录因子或调控蛋白提供结合位点 组蛋白乙酰化是活性染色质的标志 很少有组蛋白H1与其结合 组蛋白H2B很少被磷酸化 组蛋白H2A很少发生变异 组蛋白H3的变种H3 3只在活性染色质中出现 HMG蛋白较丰富 按功能状态分类 48 第三节染色质的复制与表达 自学 49 根据着丝粒位置进行的染色体分类图示 一 中期染色体的形态结构 第四节染色体 50 一 着丝粒与动粒着丝粒 指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位 动粒 指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构 它与仿锤丝微管相接触 着丝粒 中央结构域 动粒结构域 配对结构域 外板 内板 中间间隙 围绕外层的纤维冠 51 荧光原位杂交显示着丝粒卫星DNA 52 二 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 数目 位置和大小是鉴定染色体个别性的一个显著特征 三 核仁组织区 nucleolarorganizingregions NORs 核糖体RNA基因 5SrRNA基因除外 所在的区域 核仁组织区位于染色体的次缢痕区 但并非所有的次缢痕都是NORs 53 五 端粒 telomere 染色体端部的特化部分 作用是维持染色体的完整性和个体性 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 哺乳类的序列为TTAGGG 500 3000次重复 四 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 54 荧光原位杂交显示端粒和端粒序列 55 二 染色体的功能元件 56 端粒序列和端粒酶 57 核型 Karyotype 染色体组在有丝分裂中期的表型 包括染色体数目 大小 形态特征等 核型是物种特异的 三 染色体带型 低渗处理 中期细胞的染色体分散良好 秋水仙素的应用 富集中期细胞分裂相 植物凝集素 刺激血淋巴细胞转化 分裂 58 核型分析 定义 是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 依据 染色体形态和着丝粒位置的差别 意义 对于探讨人类遗传病的机制 研究物种亲缘关系 进化 研究人细胞癌变机理等都有重要意义 59 核型分析 60 一 多线染色体 polytenechromosome 发现于双翅目摇蚊幼虫的唾腺细胞的染色体 体积巨大 染色体比其它体细胞染色体长100 200倍 体积大1000 2000倍 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 体细胞联会 同源染色体紧密配对 并合并成一个染色体 横带纹 染色后呈现出明暗相间的带纹 膨突和环 多线染色体是由于核内有丝分裂的结果 即染色体多次复制而不分离的结果 四 特殊染色体 61 果蝇唾涎细胞中全套多线染色体 62 多线染色体带和胀泡形成示意图 63 二 灯刷染色体 lamp brushchromosome 发现于鱼类 两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期 由两条同源染色体组成 在交叉处结合 每条同源染色体含2条染色单体 同时两条染色单体向两边伸出许多侧环 一个平均大小的环约含100bpDNA 两栖类一套灯刷染色体大约有一万个侧环 灯刷染色体中大部分DNA以染色粒形式存在 没有转录活性 侧环是RNA活跃转录的区域 一个侧环是一个转录单位或几个转录单位的组合 侧环的粗细与转录状态有关 64 Lampbrushchromosome 两栖类卵母细胞中 光镜 免疫组化 65 灯刷染色体结构模型 66 见于细胞核内的圆球状结构 大小 形状 数目随物种 细胞类型和代谢状态而变 在蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞中有较大和较多的核仁 反之核仁很小或缺失 真核细胞间期核中最显著的结构 核仁在分裂前期消失 分裂末期又重新出现 主要功能是转录rRNA和组装核糖体亚单位 第五节 核仁 nucleolus 67 一 核仁的结构 68 纤维中心 fibrillarcenters 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 致密纤维组分 densefibrillarcomponent DFC 呈环形或半月形包围FC 由致密的纤维构成 是新合成的RNP 转录主要发生在FC与DFC的交界处 颗粒组分 granularcomponent GC 由直径15 20nm的颗粒构成 是不同加工阶段的RNP 二 核仁的结构 69 主要功能是核糖体的生物发生 包括rRNA的合成 加工和核糖体的亚单位的装配 涉及mRNA的输出和降解 二 核仁的功能 70 三 核仁的动态周期变化细胞周期中核仁是高度动态的结构 有丝分裂前期末核仁解体 末期核仁开始重建 四 核体没有膜的包被 高度动态变化 Cajal体 GEMS 染色质间颗粒 与在基因表达过程中起作用的生物大分子的合成 组装和储存有关 71 第六节 核基质 nuclearmatrix 概念 真核细胞的核内除染色质 核膜和核仁以外的 以蛋白质成分为主的网架结构体系 又称核骨架 狭义 核骨架的认识 1 存在于真核细胞核内的结构体系 2 与核纤层 中间丝相互连接成网络体系 3 主要成分为非组蛋白 少量的RNA 4 参与DNA复制 基因表达及染色体的组织与构建 72 Theend 73