细胞生物学翟中和编第十章-细胞核与染色体.ppt

真核细胞内最大、最重要的细胞器,细 胞 核,核质比=细胞核（体积）/细胞质（体积）,多数细胞的核质比约为10%,细胞核改变是病理状况下细胞坏死的主要标志，与正常细胞相比，肿瘤细胞核质比增高，大小形态参差不齐，呈现异型性，表现为核外形不规则。,真核细胞内最大、最重要的细胞器,细 胞 核,细胞遗传与代谢的调控中心,真核细胞区别于原核细胞最显著的标志之一,细胞核结构的电镜照片,细胞核结构模式图,细胞核-核 被 膜,核被膜又称核膜，是包围核质，不对称的双层膜，是整个内膜系统的一部分。包被在核外的双层膜结构，形成核内特殊的微环境，保护DNA分子免受损伤，使 DNA的复制和RNA的翻译表达在时空上分隔开来，染色体定位于核膜上，有利于解旋、复制、凝缩、平均分配到子核，核被膜还是核质物质交换的通道。,核 被 膜,核被膜结构,外核膜,核周隙,内核膜,核被膜-外核膜外核膜：上有核糖体,与糙面内质网相连。外核膜被认为是粗面内质网的特化区域，有利于核被膜与内质网间的物质交流及核被膜的更新。外核膜的外表面存在网状分布的中间纤维，与细胞核在细胞质的定位有关。,核被膜-内核膜外核膜核膜间隙：20-40nm，与糙面内质网腔相通，腔内电子密度低，一般不含固定的结构。内含多种蛋白质 酶及其它液态的不定形物质。核周隙与内质网相通，是细胞核和细胞质之间物质交流的重要通道。,核被膜-内核膜外核膜核膜间隙内核膜：朝向核质，表面光滑，无核糖体附着。内核膜上含有核纤层蛋白B受体，为核纤层蛋白B提供结合位点，从而将核被膜固定在核纤层上。,核 被 膜,核孔复合体,抽提后的核孔复合体胞质面结构,抽提后的核孔复合体核质面结构,核被膜-核孔复合体结构模型,在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，结构似fish-trap，主要包括以下几个部分：胞质环：位于核孔复合体胞质一侧，环上有8条纤维伸向胞质；核质环：位于核孔复合体核质一侧，上面伸出8条纤维，纤维端部与端环相连，构成笼子状的结构；栓：核孔中央的一个栓状的中央颗粒；辐：核孔边缘伸向核孔中央的突出物。,推测100余种不同的多肽，1000多个蛋白质分子，统称为核孔蛋白(nucleoporin,Nup)。已在酵母中鉴定到30余种，在脊椎动物中鉴定到10余种。,核被膜-核孔复合体结构模型成分 主要由蛋白质组成,核被膜-核孔复合体结构模型成分功能：双功能、双向性的亲水性核质交换通道,核 内,核 外,既介导蛋白质的入核转运，又介导RNA,核糖核蛋白颗粒出核转运。,核被膜-核孔复合体结构模型成分功能：双功能、双向性的亲水性核质交换通道,被动扩散,主动运输,特殊的跨膜运输蛋白复合体，具有双功能，双向性。一、被动扩散 是指通过自由扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量。,胶体金颗粒穿越核孔，估计核孔中央通道的直径为12.5nm,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，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。,核孔复合体的物质运输-被动扩散,特殊的跨膜运输蛋白复合体，具有双功能，双向性。一、被动扩散二、主动运输 是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式。,爪蟾卵母细胞核质蛋白注射试验,核定位信号：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够通过核孔复合体被转运至细胞核内。这段特殊的氨基酸序列被命名为核定位序列（nuclear localization sequence，NLS）。第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，它在胞质中合成后很快积累在核中。其NLS为：pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val，即使单个氨基酸被替换，亦失去作用。NLS由4-8个氨基酸组成，含有Pro、Lys和Arg。对其连接的蛋白质无特殊要求，并且完成核输入后不被切除。,转运复合物与Ran-GTP（小分子的GTP酶）结合，复合体解散，释放出亲核蛋白；,亲核蛋白从细胞质向细胞核输入的过程示意图,亲核蛋白通过NLS与NLS受体结合，即importin/二聚体结合；形成转运复合物。,转运复合物与核孔复合体胞质环上的纤维结合；,与Ran-GTP结合的importin，输出细胞核，在细胞质中Ran结合的GTP水解形成Ran-GDP并与importin 解离，Ran-GDP返回细胞核重新转换为Ran-GTP；,转运复合物通过改变构象的核孔复合体从胞质面被转移到核质面。,A：细胞核的功能 B：核被膜,核被膜与核孔复合体 知识框架：,结构功能,外核膜核周隙内核膜核孔复合体,核 纤 层概 念：核纤层是结合在内层核膜的内表面、由中间纤维相互交织而成的一层高电子密度的蛋白质网络结构，在所有真核细胞中普遍存在。一般厚约10-20nm。,B,C,A,外核膜,内核膜,核纤层蛋白,染色质纤维,胞质,受体,核纤层结构模式图,组成：三种中间纤维多肽交织而成，分别称为核纤层蛋白A、B、C，构成一层网络结构。B与内层膜结合，A、C与染色质结合。,核 纤 层,核纤层功能：（1）维持核孔位置和核被膜的形态；（2）为间期染色质提供附着位点；（3）有丝分裂中，与核被膜的解体和重建有关。,染色质：光学显微镜下可见间期核中有一种嗜碱性很强的的物质，是由DNA,组蛋白，非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是遗传物质的存在形式。,染 色 质,染色质是细胞生命活动的基础,染 色 质-成分,DNA 组蛋白 非组蛋白 少量RNA,DNA 与组蛋白是染色质的稳定成分非组蛋白与RNA的含量随细胞生理状态的不同而变化,染 色 质-成分-DNA,凡是具有细胞形态的生物其遗传物质都是DNA 只有少数病毒的遗传物质是RNA,人类基因组计划(human genome project,HGP),人类基因组计划 曼哈顿原子弹计划 阿波罗计划 并称为三大科学计划,人类基因组计划简介 人类基因组计划(human genome project,HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。,美国、英国、法兰西共和国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内约10万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的谱图。换句话说，就是要揭开组成人体10万个基因的30亿个碱基对的秘密。,人类基因组计划简介人类基因组计划自1990年启动至2003年结束，历时共13年。,最新分析报告:基因组序列共包含28.5亿个核苷酸，它近乎完整，涵盖了99以上的常染色质基因组序列；准确率为99999，误差小于1/10万分之一的精确版人类基因组图谱，也就是说误差率只有1个bp10万个bp，。而且还进一步纠正了蛋白编码基因的数量，仅为2万2.5万个，而非原先估计的10万个。,被用作模式生物的低等动物秀丽隐杆线虫（Celegans）只有1长，生命周期也只有短短数天，但其基因组却含有1.95万个左右的基因。,最新研究结果显示:研究显示,黑猩猩和人类基因组的DNA序列相似性达到99%,环球科技2009封面：人为什么能成为人,DNA的分子结构,磷酸和脱氧核糖DNA构成分子的基本骨架,与其连接的碱基对为随机分布排列，因而形成了DNA分子结构的复杂性和多样性。在这复杂多样的DNA分子中蕴藏着生物界无数的遗传信息。,DNA分子上的每一个片段都是基因吗？,DNA的分子结构,三种不同构象的DNA双螺旋,A-DNA：为右手螺旋，每圈螺旋10.9个碱基。Z-DNA：为左手螺旋，每圈螺旋12个碱基。B-DNA：为Watson&Click提出的右手螺旋模型，每圈螺旋10个碱基。,人类基因组DNA,人的每个体细胞中有2套染色体（2n）,故所含的DNA是由两个基因组（genome）构成。每个单倍体基因组约含3.2109bp。人类基因的平均长度为1-1.5kb，所以基因组以足以编码1.5106蛋白质，但实际上编码蛋白质的结构基因只不过2万2.5万个，仅占总基因组的2-3。,高度重复顺序 每个基因组中至少含105拷贝，每个重复单位的长度大约是10300个bp,卫星DNA，重复单位长度5-100bp.,小卫星DNA,重复单位长度12-100bp.,高度重复DNA序列（占脊椎动物基因组10%）,微卫星DNA,重复单位长度1-5bp.,单一顺序 高度重复和中度重复约占基因组的60-65仅约10%为基因及基因相关序列,染 色 质-成分,DNA 组蛋白 非组蛋白 少量RNA,染 色 质-成分,DNA 组蛋白 基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg 和 Lys 等碱性氨基酸，可以和酸性的DNA紧密结合。与DNA结合没有序列特异性。,染 色 质-成分,DNA 组蛋白 非组蛋白 少量RNA,非组蛋白主要是指与特异DNA序列相结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白。非组蛋白则大多是酸性的。,凝胶延滞实验,非组蛋白的特性,螺旋-转角-螺旋 锌指 Leu拉链 螺旋-环-螺旋,非组蛋白特异性结合DNA的不同结构模式,常染色质和异染色质,间期染色质按其形态特征，活性状态和染色质性能区分为两种类型：常染色质和异染色质。,常染色质：指间期细胞核内染色质纤维折叠压缩程度低，相对处于伸展状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。,1.构成常染色质的DNA主要是单一序列DNA和中度重复序列DNA。2.处于常染色质状态是基因转录的必要条件，而不是充分条件。,异染色质：指间期细胞核内染色质纤维折叠压缩程度高，相对处于聚缩状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质。,异染色质又可以分为结构异染色质：各个类型的细胞中，除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，DNA组装比在整个细胞周期中基本没有较大变化的染色质。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。,雌性哺乳类体细胞的核内，两条X染色体之一在发育早期随机发生异染色质化而失活，形成巴氏小体（Barr body）,兼性异染色质的总量随不同细胞类型而变化，一般胚胎细胞含量很少，而高度特化的细胞含量较多，说明随着细胞分化，较多的基因渐次以聚凝缩状态关闭，从而再也不能接近基因活化蛋白。,如何在一个网球内包含有2km长的细线？,人的每个体细胞所含DNA约6x109bp分布在46条染色体中，总长可达2m，平均每条染色体DNA分子长约5m，而细胞核直径只有5-8um，这就意味着从染色质DNA组装成染色体要压缩近万倍，相当于一个网球内包含有2km长的细线。,染色质的基本结构单位核小体,盐处理前后的染色质丝的电镜照片A:自然结构：30nm的纤丝B：解聚的串珠状结构,核小体要点：1.每个核小体单位包括200bp 左右DNA链和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白H1.,核小体-念珠模型,核小体要点：2.组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心颗粒,由四个异二聚体组成,包括两个H2A、H2B和两个H3和H4 组蛋白.,核小体-念珠模型,核小体要点：3.146bp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。,核小体-念珠模型,核小体要点：4.两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化为0-80bp不等。,核小体-念珠模型,核小体要点：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。,核小体-念珠模型,核小体,核小体核心颗粒直径为10纳米，排成一串形成10纳米染色质丝。,核小体和螺线管的结构,多级螺旋模型 骨架-放射环结构模型,DNA 核小体 螺线管？染色体,染色质组装的前期过程被大多科学家认可,染色质组装的多级螺旋模型,DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色体,一级结构,二级结构,进一步螺旋化,三级结构,四级结构,染色体的骨架-放射环结构模型,染色体骨架示意图,非组蛋白构成的染色体骨架和由骨架伸出的无数的DNA侧环,染色体的骨架-放射环结构模型,染色体的骨架-放射环结构模型：30nm的螺旋管形成DNA复制环，每18个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质（核骨架）上形成微带（三级结构），大约106个微带沿纵轴构成子染色体。,DNA 核小体 螺线管（放射环）微带 染色体,第三节 染色质结构与基因活化,按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染色质。,活性染色质：具有转录活性的染色质。占基因总数的10%左右。非活性染色质：没有转录活性的染色质。占基因总数的90%左右。,活性染色质的主要特征如下：1.活性染色质具有DNaseI超敏感位点（指在对染色质进行低DNaseI处理，切割将先发生在少数特异性位点上，这些特异性位点叫做DNaseI超敏感位点），超敏感位点为染色质上无核小体的DNA片段，常位于5，-启动子区，长100-200bp，是起始转录的必要条件。可为RNA聚合酶，转录因子和调控因子提供结合位点。2.活性染色质很少与组蛋白H1结合。3.组蛋白乙酰化程度高。4.核小体组蛋白H2B很少磷酸化。5.H2A少有变异形式。6.H3的变种只在活性染色质存在。7.HMG14和HMG17（非组蛋白的一种）只存在于活性染色质中。8.组蛋白存在泛素化修饰。,组蛋白修饰是指组蛋白在相关酶作用下发生甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修饰的过程。组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而提供一种识别的标志，为其它蛋白与DNA的结 合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转录调控成分，称为组蛋白密码。,组蛋白赖氨酸残基乙酰化是核小体变构的一种重要方式。乙酰化后的组蛋白赖氨酸侧链不再带有正电荷，这样就失去了与DNA紧密结合的能力，使相邻核小体的聚合受阻。,染色体,染色体是间期细胞染色质结构紧密组装的结果。它由两条相同的姐妹染色单体构成，彼此以着丝粒。,染色体的形态结构,根据着丝粒的位置将染色体分四种：中央着丝粒染色体；亚中央着丝粒染色体；近端着丝粒染色体；端着丝粒染色体。,着丝粒（centromere）位于染色体主缢痕的染色质部位，具有保守的着丝粒DNA序列，在其上有特异的动粒（着丝点）蛋白与之相结合。,着丝粒：含3个结构域，即：动粒结构域（kinetochore domain）、中心结构域（central domain）和配对结构域（paring domain）。,Chapter 12 Cell Cycle,Cohesin(分子胶,凝聚蛋白,整合素),姐妹染色单体之间分离,Chapter 12 Cell Cycle,中央结构域：位于动粒结构域的下方,含有高度重复的卫星DNA构成的异染色质。配对结构域：位于着丝粒结构的内层，中期两条染色单体在此处相互连结，在此区域发现有两类蛋白，一类为内着丝粒蛋白INCENP（inner centromere protein），另一类为染色单体连接蛋白CLIP（chromatid linking protein）.,（B）端粒 是染色体端部的特化部分，由端粒DNA和端粒蛋白构成，其生物学作用在于维持染色体的稳定性。如果用X射线将染色体打断，不具端粒的染色体末端有粘性，会与其它片段相连或两端相连而成环状。,荧光原位杂交显示的端粒（上）和端粒序列（下）,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，人的序列为GGGTTA。端粒起到细胞分裂计时器的作用，端粒核苷酸复制和基因DNA不同，每复制一次减少50-100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶（telomerase）来完成，正常体细胞缺乏此酶，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。,（E）随体（satellite)：指位于染色体末端的球形或圆柱形染色体节段，通过次缢痕区与染色体主体部分相连。位于染色体末端的随体称为端随体，位于两个次缢痕中间的称中间随体。,染色体DNA的关键序列：自主复制序列(autonomously replicating DNA sequence,ARS)，是DNA复制的起点，酵母基因组含200-400个ARS，大多数具有一个11bp富含AT的一致序列（ARS consensus sequence,ACS）；,着丝粒序列(centromere DNA sequence,CEN)，由大量串联的重复序列组成，如卫星DNA，其功能是参与形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离；端粒序列(telomere DNA sequence,TEL)，不同生物的端粒序列都很相似，由长5-10bp的重复单位串联而成，人的重复序列为GGGTTA。,染色体的三种基本序列,特殊形态染色体（特定发育阶段）-巨大染色体,多线染色体,灯刷染色体,（1）多线染色体1881年意大利的Balbiani发现于双翅目摇蚊幼虫的唾腺细胞。其特点是：体积巨大，比其它体细胞染色体长100-200倍，体积大1000-2000倍，这是由于核内有丝分裂的结果，即染色体多次复制而不分离。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。,来源于核内有丝分裂，核内DNA多次复制产生的子染色体平行排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密结合在一起，从而阻止了染色体纤维进一步聚缩，形成体积很大的由多条染色体组成的结构叫多线染色体。,多线染色体上含有一系列交替分布的带和间带。带区的染色质组装程度比间带染色质高的多，所以带区呈现深染而间带浅染。,在果蝇个体发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成膨突。-是基因活跃转录的形态学标志。,（2）灯刷染色体 灯刷染色体：形如灯刷状，是一类处于伸展状态具有正在转录的环状突起（是RNA活跃转录的区域）的巨大染色体。,灯刷染色体,1.核仁是真核细胞间期核中最显著的结构。2.没有被膜包裹。,核仁,核仁结构,纤维中心,致密纤维成分,颗粒成分,核仁是一个高度动态的结构,核仁的大小，形态和数目随生物的种类，细胞类型和细胞代谢状态不同而变化。,蛋白质合成旺盛，活跃生长的细胞（如：分泌细胞，卵母细胞）的核仁大，可占总核体积的25%,不具蛋白质合成能力的细胞如：肌细胞，休眠的植物细胞，其核仁很小。,核仁周期：在细胞周期中，进入有丝分裂时期，核仁消失；有丝分裂末期，核仁重建。,功能与核糖体的生物发生相关。包括：rRNA 合成，rRNA加工，和核糖体亚单位的组装场所。功能还涉及mRNA的输出与降解。,核仁的功能,核糖体的生物发生是一个向量过程，从核仁纤维组分开始，再向颗粒组分延伸。,rRNA 前体合成,加工,装配,纤维中心致密纤维组分,致密纤维组分颗粒组分,细胞质,rRNA基因的转录,真核生物核糖体含有4种rRNA，即 5.8S rRNA,18S rRNA,28S rRNA,5S rRNA,与为蛋白质编码的mRNA不同，rRNA分子是rRNA基因的最终产物。,（前三种的基因组成一个转录单位）,在核糖体生物发生过程中，rRNA前体被广泛修饰与加工，涉及一系列的核酸降解，切割以及碱基修饰。,注意：45s rRNA 前体转录以后很快与蛋白质结合，因此rRNA前体的加工过程是以核蛋白而不是游离rRNA的方式进行的。,rRNA前体加工 核糖体亚单位的组装,核基质,核基质亦称核骨架。有广义和狭义两种概念。广义概念认为核基质包括核基质-核纤层-核孔复合体结构体系；狭义概念是指真核细胞核内除去核膜、核纤层、染色质、核仁以外存在的一个由纤维蛋白构成的网架体系。目前较多使用狭义概念。,迄今为止，对核骨架的研究认识大致可归纳为：1）核骨架是存在于真核细胞核内的结构体系。2）核骨架与核纤层，中间丝相互作用连接形成的网络体系，是 贯穿于核与质的一个相对独立的结构体系。3）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。少量RNA的存在可能对维持核骨架结构的完整性是必要的。4）核骨架与DNA复制，基因表达及染色体的组装与构建有密切关系。,