2021年生物竞赛辅导--细胞核与染色体课件.ppt

第十章 细胞核与染色体,1831年，Brown命名细胞核。大小：高等植物520m，动物510m。细胞核的体积约占细胞总体积的10%，常以核质比来估算核的大小。,形状：球形，卵圆形。位置：细胞中央，成熟植物细胞的边缘。数目：除成熟的筛管和红细胞都含有细胞核。结构：核被膜核纤层染色质核基质核仁。功能：遗传发育。,核纤层,核周腔,细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，细胞核主要的功能有两个：一是通过遗传物质的复制通过细胞分裂保持细胞世代之间的连续性；二是通过基因的选择性表达，控制细胞的活动。第一节、核被膜(nuclear envelope)与核孔复合体(NPC）第二节、染色质（chromatin）第三节、染色体(chromosome)第四节、核仁(nucleolus)第五节、染色质结构和基因转录第六节、核基质与核体,核 被 膜,结构组成 核被膜的功能 核被膜在细胞有丝分裂过程中有规律地解体与重建,内膜外膜核周间隙核纤层核孔复合体,核被膜的功能,构成核、质之间的天然选择性屏障，实现基因表达的时空隔离；作为保护性的屏障，使细胞核处于一个微环境中可以避免生命活动的彼此干扰，保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤；染色体的定位和酶分子的支架。,结构模型 核孔复合体成份的研究 核孔复合体的功能,核孔复合体（nuclear pore complex,NPC）,核孔是物质运输的通道,核孔由至少50种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，称为核孔复合体（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。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“捕鱼笼”fish-trap。,核孔复合体,Nuclear face basket inner complex,核纤层,核孔复合体成份的研究,核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为1.25108，推测可能含有30余种不同的多肽，共1000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,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,核质交换的双向性亲水通道 通过核孔复合体的主动运输 亲核蛋白与核定位信号亲核蛋白入核转运的步骤 转录产物RNA的核输出,通过核孔复合体的主动运输,生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的主动运输完成的，具有高度的选择性，并且是双向的。选择性表现在以下三个方面：对运输颗粒大小的限制：有效功能直径可被调节约1020nm，甚至可达26nm，主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗能量，并表现出饱和动力学特征主动运输具有双向性，即核输入与核输出,亲核蛋白与核定位信号,亲核蛋白（karyophilic 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。核质蛋白（nucleoplasmin）的入核转运核定位信号(nuclear localization signal，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。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。NLS只是亲核蛋白入核的一个必要条件而非充分条件。,亲核蛋白入核转运的步骤,结合：需NLS识别并结合胞质蛋白因子；转运：需GTP水解提供能量,转录产物RNA的核输出,转录后的RNA通常需加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。细胞核中既有正调控信号保证mRNA的出核转运，也有负调控信号防止mRNA的前体被错误地运输。mRNA的出核转运过程是有极性的，其5端在前，3端在后。RNA分子的出核转运都是以核糖核蛋白体的方式进行的，在这些蛋白质分子上协带有出核的信号，这些信号序列称为核输出信号(Nuclear Export Signal，NES)。,通过核孔复合体物质运输的功能示意图（引自B.Talcott等，1999）（a）自由扩散；（b）协助扩散；（c）信号介导的核输入；（d）信号介导的核输出。,双功能：被动扩散和主动运输双向性：介导蛋白质入核；介导RNA、核糖核蛋白颗粒出核转运,第二节 染 色 质,染色质的概念及化学组成 染色质的基本结构单位核小体 染色质组装的结构模型 常染色质和异染色质,一、染色质的概念及化学组成,染色质概念 染色质DNA 染色质蛋白,染色质概念,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):指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质聚缩而成的棒状结构。染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构。染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同，构象不同。,染色质DNA,基因组（genome）DNA分子一级结构具有多样性 DNA二级结构具有多形性(polymorphism),基因组（genome）,凡是具有细胞形态的所有生物其遗传物质都是DNA。一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组。基因组大小通常随物种的复杂性而增加 基因组中两类遗传信息 编码序列 调控序列,物种 基因组大小 平均基因长（bp）基因数目 大肠杆菌 4.2106bp，1.2Kb 约2350酵母 1.3107bp 1.4Kb 约6100 果蝇 1.4108bp 11.3Kb 约8750 人 3109bp 16.3Kb 约30000,DNA分子一级结构具有多样性,非重复序列DNA，蛋白质编码序列。中度重复DNA序列，部分中度重复序列具编码功能，可以编码rRNA，tRNA和组蛋白（拷贝数在10个以上的序列称为重复序列，重复次数在102-105为中度重复序列）。高度重复DNA序列（重复次数在105以上）卫星DNA（satellite DNA），主要分布在染色体着丝粒部位；小卫星DNA（minisatellite DNA），又称数量可变的的串联重复序列，每个小卫星区重复序列的拷贝数是高度可变的，小卫星序列的改变可以影响临近基因的表达。微卫星DNA（microsatellite DNA）重复单位序列最短，具高度多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标志。,Paternity Test,DNA二级结构具有多形性(polymorphism),三种构型DNA：B型DNA（右手双螺旋DNA）；活性最高的DNA构象；A型DNA，B型DNA的重要变构形式，仍有活性；Z型DNA，Z型DNA是左手螺旋，B型DNA的另一种 变构形式，活性明显降低DNA构型的生物学意义,二级结构：两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。,主 要 特 征,螺 旋 类 型,A,B,Z,螺旋直径螺旋方向螺旋值bp每圈螺旋垂直升距bp螺旋轴位置大沟小沟,23 A右手+34.7o 11.02.56A位于大沟，不穿过碱基对窄而深宽而浅,19 A右手+34.6o10.43.38A穿过碱基对宽而深窄而浅,12 A左手-30 o12.05.71A位于小沟，不穿过碱基对平坦窄而深,DNA构型的生物学意义,沟（特别是大沟）的特征在遗传信息表达过程中起关键作用沟的宽窄及深浅影响调控蛋白对DNA信息的识别三种构型的DNA处于动态转变之中 DNA二级结构的变化与高级结构的变化是相互关联的，这种变化在DNA复制与转录中具有重要的生物学意义。,染色质蛋白,负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读。组蛋白(histone)：非组蛋白(nonhistone)：非组蛋白的不同结构模式,组蛋白(histone),核小体组蛋白(nucleosomal histone)：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,N端和C端两个臂的氨基酸变异较大，赋予染色质以极性。有一定的种属及组织特异性，进化上不如核小体蛋白保守。特点：真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带 正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）；,非组蛋白,非组蛋白是指与特异DNA序列相结合的蛋白质。它不仅包括以DNA作为底物的酶，也包括作用于组蛋白的一些酶，如组蛋白甲基化酶。此外还包括DNA结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调控蛋白。非组蛋白的特性：非组蛋白具有多样性：占染色体蛋白的6070%，不同组织细胞中的数量和种类都不相同。对DNA具有识别特异性，识别的信息来源于DNA核苷酸序列本身，识别位点存在于DNA双螺旋的大沟部分；具有多种功能：参与染色体的构建；启动基因的复制；调控基因的转录,非组蛋白的不同结构模式,螺旋-转角-螺旋模式(helix-turn-helix motif)锌指模式(Zinc finger motif)亮氨酸拉链模式(Leucine zipper motif，ZIP)螺旋-环-螺旋结构模式(helix-loop-helix motif，HLH)HMG-框结构模式（HMG-box motif）：,二、染色质的基本结构单位 核小体(nucleosome),主要实验证据 核小体结构要点,主要实验证据,铺展染色质的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应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究，发现核小体颗粒是直径为11nm、高6.0nm的扁园柱体，具有二分对称性（dyad symmetry），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SV40微小染色体（minichromosome）分析与电镜观察,核小体结构要点,每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子组蛋白H1。组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈,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。两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化值为080bp。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，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。,solenoid,螺线管,三、染色质组装的结构模型,染色质组装的多级螺旋模型染色体的骨架-放射环结构模型,染色质包装的多级螺旋模型,一级结构：核小体二级结构：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,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(chromsomal scaffold)和由骨架伸出的无数的DNA侧环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。由螺线管形成DNA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(miniband)。微带是染色体高级结构的单位，大约106个微带沿纵轴构建成子染色体。,四、常染色质和异染色质,常染色质(euchromatin)异染色质(heterochromatin),间期染色质按其形态特征、活性状态和染色性能可分为：,常染色质(euchromatin),概念：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。DNA包装比约为1 0002 000分之一。构成常染色质的DNA主要是单一序列 DNA 和中度重复序列DNA。常染色质并非所有基因都具有转录活性，处于常染色质状态只是基因转录的必要条件，而非充分条件。,异染色质(heterochromatin),概念：指间期细胞核中，折叠压缩程度高，处于聚缩状态的染色质组分，用碱性染料染色时着色深的染色质。类型结构异染色质（或组成型异染色质）(constitutive heterochromatin)兼性异染色质(facultative heterochromatin),异染色质,结构异染色质或组成型异染色质,除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态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；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DNA的转座元件，引起遗传变异。,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。异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。,Example of facultative heterochromatin:Random inactivation of X chromosome in different cells during early embryonic development creates a mosaic of tissue patches.,Barr body in a womans cell,Male Or?female,A calico cat:a mosaic patches,巴氏小体（barr body）。雌性哺乳动物细胞中一条异固缩化的X染色体。人的胚胎发育到16天以后，出现巴氏小体。,barr body,第三节 染色体,中期染色体的形态结构 染色体DNA的三种功能元件 核型与染色体显带 巨大染色体,中期染色体的形态结构,中期染色体的典型形态类型 染色体的主要结构,类型,中着丝粒染色体,亚中着丝粒染色体,亚端着丝粒染色体,端着丝粒染色体,根据着丝粒位置进行的染色体分类,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),染色体相关的术语,随体,次缢痕,主缢痕（着丝粒）,端粒,长臂,短臂,Human chromosome No.14,染色体的主要结构,着丝粒与动粒次缢痕：除主缢痕外，在染色体上其他的浅染缢缩部位。核仁组织区：位于次缢痕部位，与间期细胞核仁形成有关。随体：位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕与染色体主体相连。端粒,着丝粒与动粒,动力结构域(动粒)：可分为3个区域：与着丝粒中央结构域相联系的内板中间间隙外板在没有动粒微管结合时，覆盖在外板上的区域称为纤维冠，由微管蛋白构成。中央结构域：着丝粒的主体，由串联重复的卫星DNA组成。配对结构域：位于着丝粒内表面，代表中期姐妹染色单体相互作用的位点，与染色单体配对有关。,纤维冠,中间区,动粒,动力蛋白,丝粒蛋白,纤维,端粒（telomere）：由高度重复的短序列组成，高度保守。作用：维持染色体的完整性和独立性。端粒的长度与细胞及商务个体的寿命有关。,染色体DNA的三种功能元件,三种功能元件的实验证明自主复制DNA序列：具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的区域，是维持自主复制DNA序列功能所必需的。着丝粒DNA序列：两个相邻的核心区：80-90bp的AT区；11bp的保守区。端粒DNA序列：由端粒酶合成后添加到染色体末端。体细胞每分裂一次，端粒重复序列就缩短一些。,端粒及端粒酶,端粒序列的复制端粒和端粒酶端粒酶只在生殖细胞、部分干细胞和癌细胞中有端粒酶活性，在正常的细胞中不具有端粒酶的活性，端粒重复序列的长度与细胞分裂次数和细胞衰老相关。,端粒和端粒酶,一个DNA复制起点，确保染色体在细胞周期中能够自我复制；一个着丝粒，使细胞分裂时已完成的复制的染色体能平均分配到子细胞中；两端有端粒，保存染色体的稳定性和独立性。,荧光原位杂交（FISH）人端粒:TTAGGG500-3000 copies,核型与染色体显带,核型（karyotype）：是指染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征的总和。核型模式图（idiogram）：将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来,再按长短、形态等特征排列起来的图象称为核型模式图，它代表一个物种的核型模式。染色体显带技术：鉴别一个核型中的任何一条染色体，乃至一个易位片段，也用与基因定位和染色体重构。,主要显示着丝粒结构异染色质及其他染色体区域的异染色质部分。,将中期染色体经胰酶、碱、热、尿素或去垢剂等处理后再用Giemsa染料染色后所呈现的染色体区带。,显示中期染色体经喹吖因或双盐酸喹吖因染色后，在紫外线照射下所呈现的荧光亮带和暗带。,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或某些植物细胞多线染色体的来源：核内有丝分裂(endomitosis)多线染色体的带及间带：带和间带都含有基因，可能“管家”基因位于间带，“奢侈”基因位于带上。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。,多线染色体：由Balbiani(1881)发现于摇蚊幼虫唾腺细胞，特点：体积巨大，是由于核内有丝分裂的结果；多线性；体细胞联会；横带纹。膨突和环。在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成膨突（puff），或巴氏环（Balbiani ring）。用H3标记的尿嘧啶核苷处理细胞，发现膨突被标记，说明膨突是基因活跃转录的区域。,灯刷染色体,灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，两栖类卵母细胞的灯刷染色体最典型灯刷染色体的来源：卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体，是一个二价体，包含4条染色单体。灯刷染色体的超微结构灯刷染色体的转录：大部分DNA以染色粒存在，没有转录活性，侧环转录活跃。,染色粒,第四节 核仁(nucleolus),核仁的超微结构 核仁的功能 核仁周期,一、核仁的超微结构,超微结构 三种基本核仁组分和rRNA的转录与加工形成RNP的不同事件有关,超微结构,纤维中心(fibrillar centers,FC)：包埋在颗粒组分内部一个或几个浅染的低电子密度的圆形区域。致密纤维组分(dense fibrillar component,DFC）：是核仁中电子密度最高的部分。颗粒组分(granular component,GC)：核仁的主要结构，由核糖核蛋白颗粒构成。核仁相随染色质(nucleolar associated chromatin)与核仁基质(nucleolar matrix),三种基本核仁组分和rRNA的转录与加工形成RNP的不同事件有关,纤维中心（FC）是rRNA基因的储存位点；转录主要发生在FC与致密纤维中心（DFC）的交界处，并加工初始转录本；颗粒组分区（GC）负责装配核糖体亚单位，是核糖体亚单位成熟和储存的位点。,二、核仁的功能,主要功能：核糖体的生物发生是一个向量过程：从核仁纤维组分开始,再向颗粒组分延续。这一过程包括rRNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配。rRNA基因转录rRNA前体的加工 核糖体亚单位的组装,核仁的另一个功能涉及mRNA的输出与降解。,rRNA基因转录的形态及组织特征,形态特征:“圣诞树”样结构。rRNA基因在染色体轴丝上串联排列，沿转录方向，新生的rRNA链逐级增长，形成圣诞树样结构。rRNA基因的转录采取受控的级联放大机制。,13，14，15，21，22,初期的核糖体核糖核蛋白,rRNA前体的加工,加工过程修饰与加工,rRNA转录单位由RNA聚合酶I转录产生相同的初始转录产物rRNA前体。加工过程是不同的剪切方式。,rRNA的修饰可以分为两种形式：甲基化和假尿嘧啶。rRNA的修饰的作用：1、可以防止被酶切；2、可以帮助rRNA折叠成正确的构象；3、可以促进rRNA与其它分子的相互作用。,核糖体亚单位的组装,rRNA前体转录后与蛋白质结合，因此rRNA前体的加工过程是以核蛋白颗粒进行的。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RNA分子接近。,三、核仁周期,核仁的动态变化核仁结构的动态变化依赖于rDNA转录活性和细胞周期的运行,细胞进入有丝分裂期，核仁变形，变小，然后染色质凝缩，核仁消失，rRNA合成停止，中期和后期细胞核内没有核仁。有丝分裂末期，rRNA合成重新开始，形成前核仁体，然后发育成核仁。,第五节 染色质结构和基因转录,活性染色质及其主要特征 染色质结构与基因转录,活性染色质及其主要特征,活性染色质(active chromatin)与非活性染色质(inactive chromatin)活性染色质主要特征,活性染色质(active chromatin)与非活性染色质(inactive chromatin),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。,活性染色质主要特征,活性染色质具有DNase I超敏感位点（DNase I hypersensitive site，DHS）：通常位于5-启动子区，长度100200bp的DNA序列特异暴露的染色质区域，可阻止核小体组装。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H1与其结合；活性染色质的组蛋白乙酰化程度高；活性染色质的核小体组蛋白H2B很少被磷酸化；活性染色质中核小体组蛋白H2A在许多物种很少有变异形式；组蛋白H3的变种H3.3只在活跃转录的染色质中出现；高速泳动族非组蛋白HMG14和HMG17只存在于活性染色质中。活性染色质在组蛋白修饰上的特异性：组蛋白的修饰可以直接影响染色质的活性，包括甲基化、乙酰化和磷酸化。,珠蛋白,神经细胞,红细胞,染色质结构与基因转录,疏松染色质结构的形成 染色质的区间性 染色质模板的转录,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：当调控蛋白与染色质DNA的特定位点结合时，染色质易被引发二级结构的改变；进而引起其它的一些结合位点与调控蛋白的结合。核小体通常定位在DNA特殊位点而利于转录 组蛋白的修饰：组蛋白的修饰改变染色质的结构，直接或间接影响转录活性（磷酸化、甲基化、乙酰化）；组蛋白赖氨酸残基乙酰基化（acetylation），影响转录。组蛋白H3的甲基化：甲基化/去甲基化 组蛋白H1的磷酸化：H1的磷酸化导致对DNA亲和力下降，染色质疏松HMG结构域蛋白等染色质变构因子的影响 HMG结构域可识别某些异型的DNA结构，与DNA弯折和DNA-蛋白质复合体高级结构的形成有关,（a）基因的关键调控元件被留在核心颗粒外面，从而有利于结合转录因子；（b）位于DNA上调控元件被盘绕在核心组蛋白上，因为组蛋白使DNA上的关键调控元件靠得很近，它们可以通过转录因子而联系。,核小体相位在协助转录中的作用,核小体,组蛋白的赖氨酸残基乙酰化是核小体变构的重要方式。乙酰化的组蛋白赖氨酸不带正电荷，不与DNA紧密结合，相邻核小体的聚合受阻，导致蛋白质的选择性降解，利于转录因子结合，转录开始。去乙酰基化伴随着对转录的抑制。,辅激活子通过组蛋白乙酰基化在转录调控中作用的模型,染色质的区间性,基因座控制区（locus control region,LCR）染色体DNA上一种顺式作用元件，具有稳定染色质疏松结构的功能；与多种反式作用因子的结合序列可保证DNA复制时与启动子结合的因子仍保持在原位。隔离子（insulator）处于抑制状态与活化状态的染色质结构域之间，能防止不同状态的染色体结构域的结构特征向两侧扩展的染色质DNA序列，称为隔离子。作用：作为异染色质定向形成的起始位点；提供拓扑隔离区。,染色质模板的转录,基因转录的模板不是裸露的DNA，染色质是否处于活化状态是决定转录功能的关键 转录的“核小体犁”（nucleosome plow）假说,通过核小体核心结构的转录的模型（引自C.C.Adams等）,第一步，RNA聚合酶使核小体不稳定，撤掉2个H2A-H2B，形成H3-H4四聚体复合物；第二步，组蛋白核心的另一半（H3-H4四聚体）被移开并转到聚合酶后面自由DNA上；第三步，2个H2A-H2B二聚体重新结合到DNA上，有形成一个完整的核小体核心结构。,第六节 核基质,核基质（nuclear matrix）,核基质(nuclear matrix),核基质或核骨架(nuclear skeleton)的概念 狭义概念仅指核基质，即细胞核内除了核被膜、核纤层、染色质与核仁以外的网架结构体系。广义概念应包括核基质、核纤层(或核纤层-核孔复合体结构体系),以及染色体骨架。目前对核骨架的研究结论 核骨架是存在于真核细胞核内真实的结构体系；核骨架与核纤层、中间纤维相互连接形成贯穿于核与质的一个独立结构系统。核骨架的主要成分是由非组蛋白的纤维蛋白构成的,含有多种蛋白成分及少量RNA；核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的包装与构建有密切关系。,核体（nuclear bodies，NBs）,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（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,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,核基质(Nuclear Matrix),形态结构成分功能,研究核骨架的分级抽提方法1、非离子去垢剂溶解膜结构系统，胞质中可溶性成分随之流失2、再用Tween40和脱氧胆酸钠处理，胞质中的微管、微丝与一些蛋白结构被溶去，胞质中只有中间纤维网能完好存留;3、然后用核酸酶与0.25mol/L硫酸铵处理，染色质中DNA、RNA和组蛋白被抽提,最终核内呈现一个精细发达的核骨架网络,结合非树脂包埋-去包埋剂电镜制样方法，可清晰地显示核骨架-核纤层-中间纤维结构体系。,核,细胞质,核基质纤维,核纤层,成分,核骨架不象胞质骨架那样由非常专一的蛋白成分组成,核骨架的成分比较复杂,主要成分是核骨架蛋白及核骨架结合蛋白,并含有少量RNA。核骨架蛋白骨架结合蛋白其它,功 能,核骨架与DNA复制核骨架与基因表达 大量研究工作表明真核细胞中RNA的转录和加工均与核骨架有关。具有转录活性的基因是结合在核骨架上的;RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点。核骨架与病毒复制核骨架与染色体构建,为核膜及染色质提供了结构支架,分裂期，双层核膜崩解成单层膜泡，核孔复合体解体，核纤层去组装；分裂末期，核被膜开始围绕染色体重新形成。,胞质环,外环,核质环，内环,辐,中央栓,胞质颗粒,核纤层,核被网格,核篮,核糖体亚基,核糖体蛋白,核质蛋白在细胞质中合成后就通过核定位信号运送到细胞核，是一种丰富的核蛋白，在核小体的装配中起作用。亲核的输入信号存在于尾部片段。,Wild-type:T-antigen in nucleus,Mutant-type:T-antigen in cytosol,NLS are present only in nuclear proteins A typical NLS contains several consecutive basic amino acids,Normal pyruvate kinase:in cytosol,Chimeric pyruvate kinase containing SV40 NLS:in nucleus,亲核蛋白形成转运复合体,转运复合体与核孔复合体的胞质纤维结合,复合体改变构象从胞质面转移到核质面,复合体在核质面与Ran-GTP结合，解离，释放,返回利用,被告,由X-射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构（Nature，1997）a 通过DNA超螺旋中心轴所显示的核小体核心颗粒8个组蛋白分子的位置；b垂直与中心轴的角度所见到的核小体核心颗粒的盘状结构；c半个核小体核心颗粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4种核心组蛋白分子，每种组蛋白由3 个螺旋和一个伸展的N-端尾部组成。N-端尾部有序排列，参与核小体之间的相互作用，以形成螺线管等高级结构。,核小体的性质及结构要点示意图（引自B.Alberts等）在用微球菌核酸酶降解染色质时，反应早期可得到166bp的片段，但不稳定；进一步降解则得到146bp片段，比较稳定。推测可能原因是失去H1后，DNA两端各有10bp的DNA，易被核酸酶作用而降解。,架,具有比较稳定的形态由两条相同的姐妹染色单体构成依靠着丝粒相连,PHA,图解表明多线染色体上的带和间带的形成,多线染色体胀泡形成示意图,顺式作用元件：存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列。包括：启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等。反式作用因子：能直接或间接的识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率和蛋白质。,转录的激活与转录起始物的形成,SW15激活因子与SWI/SNF染色体重构复合物相互作用,RNA聚合酶Pol II的结合及基础转录因子共同组装,