细胞核与染色质(翟中和第四版).ppt
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1、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 um,高等植物5-20 um,低等植物1-4 um。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
2、、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,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,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
3、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
4、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
5、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
6、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P232: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910nm,有的可达12.5nm,即离子、小分子以及直径在10nm以下的物质
7、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4010360103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2.1103,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1020nm)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
8、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
9、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
10、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
11、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),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。,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,
12、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
13、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
14、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),
15、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):352-359,http:/,(二)核小体的结构,包括200 bp 左右的DNA 超螺 旋和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白H1组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心颗粒,由4 个异二聚体组成,包括两 个H2A H2B 和两个H3 H4,(二)核小体的结构,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20
16、bp DNA,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(linker DNA)相连,典型长度60bp,不同物种变化值为080bp不等。,(二)核小体的结构,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,Figure 4-27 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),四、染色质组装,人体细胞46条染色体含DNA约6109 bp,总长如何计算?,http:/www.chromatintoronto.ca/projects.html,
17、(一)染色质组装的前期过程,裸露DNA 组装直径30 nm 螺线管H3 H4 两个异二聚体结合两个H2A H2B 异二聚体加入组蛋白的去乙酰化,H1组蛋白结合伴随着核小体的折叠6 个核小体组成一个螺旋进一步的折叠事件,(二)染色质组装的多级螺旋模型,Nature Structural&Molecular Biology 12,6(2005),根据多级螺旋模型从DNA到染色体经过四级 包装:,(二)染色质组装的多级螺旋模型,五、染色质类型,常染色质(euchromatin)异染色质(heterochromatin)结构异染色质或组成型异染色质(constitutive heterochromat
18、in)兼性异染色质(facultative heterochromatin),(一)常染色质与异染色质,常染色质是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。异染色质是指间期核中,染色质纤维折叠压缩程度高,处于聚缩状态,用碱性染料染色时着色深的那些染色质。,结构异染色质或组成型异染色质指的是各种类型的细胞,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。,兼性异染色质是指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。,结构异染色质特征:,在中期染色体上多定位于着
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- 细胞核 染色质 中和 第四
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