第八講 細胞核、核糖體與基因表達

1、2015. 11. 19細胞核細胞核基因（基因（gene）與基因組（）與基因組（genome） 遺傳基本單位，攜帶某種蛋白質(zhì)或RNA分子的遺傳信息。具有特定功能的連續(xù)的(脫氧)核糖核酸(DNA/RNA)，是染色體(chromosome)的組成部分。 一個生物儲存在單倍染色體組中的總遺傳信息，稱為該物種的基因組。包括所有基因和基因間序列。人類基因組約30億堿基對(base pairs，bp)。基因如何控制形狀？基因如何控制形狀？ 等位基因（allele）：同源染色體（ homologous chromosomes ）的相同位置上，控制相對性狀的一對基因。非編碼區(qū)（非編碼區(qū)（non-coding

2、DNA）生物種類生物種類基因組（基因組（M）基因總數(shù)基因總數(shù)蛋白質(zhì)總數(shù)蛋白質(zhì)總數(shù)大腸桿菌4.73,0004,300線蟲10020,00019,000擬南芥12529,00025,000河豚36538,000-家鼠3,00034,000-人類3,00034,00050,000 細胞核結(jié)構(gòu)細胞核結(jié)構(gòu)細胞核結(jié)構(gòu) 核膜 核周間隙 核孔復合體 核纖層 核仁 核基質(zhì) 染色質(zhì)細胞核功能1、遺傳物質(zhì)貯存、復制、表達的場所。2、細胞的控制中心，對細胞的分裂、生長、分化有重要的作用。 結(jié)構(gòu)與功能對應(yīng)結(jié)構(gòu)與功能對應(yīng) （一）核被膜（一）核被膜（nuclear envelope） 核膜：雙層膜，外膜延伸與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連

3、控制蛋白質(zhì)合成 核周間隙（perinuclear space） 核纖層（nuclear lamina）：纖維蛋白，緊貼內(nèi)層膜 核孔（nuclear pore complex, NPC） 核被膜核被膜功能功能l保護“司令部”l分隔核質(zhì)l物質(zhì)信息交流核孔復合體NPC在核被膜上非隨機地分布，穿過雙層核膜，構(gòu)成核質(zhì)之間親水性的物質(zhì)轉(zhuǎn)運通道。 核孔在核膜分布數(shù)目變化較大，和細胞轉(zhuǎn)錄活性有關(guān)核孔在核膜分布數(shù)目變化較大，和細胞轉(zhuǎn)錄活性有關(guān) 哺乳類細胞平均約哺乳類細胞平均約1111個個m m2 2； 人淋巴細胞人淋巴細胞3-43-4個個m m2 2， HelaHela細胞細胞46468 8個個m m2 2；

4、爪蟾卵母細胞高達爪蟾卵母細胞高達5151個個m m2 2NPC分子量？分子量？核孔復合體主要由蛋白質(zhì)構(gòu)成，其總相對分子質(zhì)量約為125106，推測可能含有100余種不同的多肽，共1 000多個蛋白質(zhì)分子。胞質(zhì)環(huán)(cytoplasmic ring)：外環(huán)，環(huán)上8條短纖維對稱分布伸向胞質(zhì)；核質(zhì)環(huán)(nuclear ring) ：內(nèi)環(huán)，8條細長的纖維末端形成一個直徑為60 nm的小環(huán)；與核質(zhì)“cable”的網(wǎng)絡(luò)通道相連通。 輻(spoke)：呈輻射狀八重對稱。分為三個結(jié)構(gòu)域：柱狀亞單位(column subunit)、腔內(nèi)亞單位(luminal subunit)、環(huán)帶亞單位(annular subuni

5、t)；栓：或稱中央栓(central plug)，呈顆粒狀或棒狀，又稱為中央顆粒(central granule)。核藍(nuclear basket) / 捕魚籠(fish-trap)fish-trap末端小環(huán)8個顆粒上又發(fā)出8條細長的纖維(cable)，相互交叉使cable成為遍布核質(zhì)、相互貫通的復雜網(wǎng)絡(luò)核纖層（核纖層（nuclear laminanuclear lamina）的功能）的功能 1.1.為核被膜、核孔復合體及染色質(zhì)提供結(jié)構(gòu)支持。為核被膜、核孔復合體及染色質(zhì)提供結(jié)構(gòu)支持。 2.2.分裂期中核纖層的可逆性解聚與重新裝配對核分裂期中核纖層的可逆性解聚與重新裝配對核膜的崩解與裝配有調(diào)

6、節(jié)作用。膜的崩解與裝配有調(diào)節(jié)作用。 分裂前期核纖層的解聚為核膜崩解形成膜泡提供了必要的微環(huán)境。 分裂中期核纖層蛋白結(jié)合在核膜小泡上。 分裂末期，當核纖層蛋白去磷酸化與重裝配時，直接介導了核膜圍繞染色體的重裝配。 （核）仁（核）膜消失雙體（染色體、紡垂體）現(xiàn) 核膜在細胞周期中崩解與裝配核膜在細胞周期中崩解與裝配（二）染色質(zhì)（二）染色質(zhì)（chromatin）染色質(zhì)是細胞間期細胞核內(nèi)能被堿性染料染色的物質(zhì)。染色質(zhì)是細胞間期細胞核內(nèi)能被堿性染料染色的物質(zhì)。由由DNA、蛋白質(zhì)（組蛋白和非組蛋白）和少量蛋白質(zhì)（組蛋白和非組蛋白）和少量RNA組成。組成。染色質(zhì)類型：染色質(zhì)類型：常染色質(zhì)常染色質(zhì)、 異染色質(zhì)異

7、染色質(zhì)染色質(zhì)成分：染色質(zhì)成分：DNA分子分子+蛋白蛋白 蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)：組蛋白組蛋白、非、非組蛋白組蛋白染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：染色質(zhì)結(jié)構(gòu)： 念珠狀細絲念珠狀細絲 核小體：核小體：4對組蛋白（對組蛋白（H2A、H2B、H3、H4）構(gòu)成核心，）構(gòu)成核心，DNA分子分子鏈纏繞在核心外鏈纏繞在核心外 H1組蛋白起連接作用，賦予染色質(zhì)以極性，推測在染色質(zhì)活化過組蛋白起連接作用，賦予染色質(zhì)以極性，推測在染色質(zhì)活化過程中起作用程中起作用chromosome 常染色質(zhì)常染色質(zhì)(euchromatin) 概念：在有絲分裂完成之后概念：在有絲分裂完成之后, 能夠轉(zhuǎn)變成間期松散狀態(tài)能夠轉(zhuǎn)變成間期松散狀態(tài)的染色體部分。的染色體

8、部分。 常染色質(zhì)在分裂期染色常染色質(zhì)在分裂期染色深深, 但在間期染色但在間期染色淺淺。一般而言。一般而言, 常染色質(zhì)是常染色質(zhì)是具有轉(zhuǎn)錄活性區(qū)具有轉(zhuǎn)錄活性區(qū), 是基因區(qū)是基因區(qū) 。 異染色質(zhì)異染色質(zhì)(heterochromatin) 概念概念：在：在有絲分裂完成之后有絲分裂完成之后, 大多數(shù)高度壓縮的染色體大多數(shù)高度壓縮的染色體要轉(zhuǎn)變成間期的松散狀態(tài)。但是，大約有百分之十的染要轉(zhuǎn)變成間期的松散狀態(tài)。但是，大約有百分之十的染色質(zhì)在整個間期仍然保持色質(zhì)在整個間期仍然保持壓縮狀態(tài)壓縮狀態(tài)，將這種染色質(zhì)稱為，將這種染色質(zhì)稱為異染色質(zhì)異染色質(zhì)。組蛋白組蛋白(histone) 真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白

9、，是一類小分子堿性蛋真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，是一類小分子堿性蛋白質(zhì)白質(zhì), 有五種類型：有五種類型：H1 、H2A 、H2B 、H3 、H4，它們富，它們富含帶正電荷的堿性氨基酸，能夠同含帶正電荷的堿性氨基酸，能夠同DNA中帶負電荷的磷中帶負電荷的磷酸基團相互作用。酸基團相互作用。 染色質(zhì)中的組蛋白與染色質(zhì)中的組蛋白與DNA的含量之比為的含量之比為1:1。 組蛋白的基因非常保守。親緣關(guān)系較遠的種屬中，四種組蛋白的基因非常保守。親緣關(guān)系較遠的種屬中，四種組蛋白組蛋白(H2A、H2B、H3、H4)氨基酸序列都非常相似氨基酸序列都非常相似, 如如海膽組織海膽組織H3的氨基酸序列與來自小牛胸腺的的

10、氨基酸序列與來自小牛胸腺的H3的氨基酸序列間只的氨基酸序列間只有一個氨基酸的差異有一個氨基酸的差異, 小牛胸腺的小牛胸腺的H3的氨基酸序列與豌豆的的氨基酸序列與豌豆的H3也只也只有有4個氨基酸不同。個氨基酸不同。 不同生物的不同生物的H1序列變化較大，在某些組織中，序列變化較大，在某些組織中，H1被特殊被特殊的組蛋白所取代。如成熟的魚類和鳥類的紅細胞中的組蛋白所取代。如成熟的魚類和鳥類的紅細胞中H1 則則被被H5 所取代，精細胞中則由精蛋白代替組蛋白。所取代，精細胞中則由精蛋白代替組蛋白。非組蛋白非組蛋白(nonhistone proteins) 非組蛋白是指細胞核中組蛋白以外的酸性蛋白質(zhì)。非

11、組蛋白是指細胞核中組蛋白以外的酸性蛋白質(zhì)。 非組蛋白包括非組蛋白包括: DNA作為底物的酶。作為底物的酶。 作用于組蛋白的一些酶作用于組蛋白的一些酶, 如組蛋白甲基化酶。如組蛋白甲基化酶。 DNA結(jié)合蛋白、組蛋白結(jié)合蛋白和調(diào)節(jié)蛋白。結(jié)合蛋白、組蛋白結(jié)合蛋白和調(diào)節(jié)蛋白。 非組蛋白常常與非組蛋白常常與DNA或組蛋白結(jié)合，所以在染色質(zhì)或染色或組蛋白結(jié)合，所以在染色質(zhì)或染色體中也有非組蛋白的存在，如染色體骨架蛋白。體中也有非組蛋白的存在，如染色體骨架蛋白。DNA與染色質(zhì)小體、染色質(zhì)、染色體的關(guān)系 組蛋白H1和核小體結(jié)構(gòu)又稱染色質(zhì)小體(chromotosome)染色體染色體DNA的的3種功能元件種功能元

12、件（functionnal elements） DNADNA復制起點，自主復制序列（復制起點，自主復制序列（autonomously autonomously replicating sequencereplicating sequence，ARSARS）：自我復制，細）：自我復制，細胞世代傳遞連續(xù)性胞世代傳遞連續(xù)性 著絲粒（著絲粒（centromerecentromere，CENCEN）：已復制染色體平）：已復制染色體平均分配到子細胞均分配到子細胞 端粒（端粒（telomeretelomere，TELTEL）：）：“末端復制問題末端復制問題”，telomerasetelomerase巨大染色

13、體（巨大染色體（giant chromosome） 多線染色體（多線染色體（ployteneploytene chromosome chromosome） 燈刷染色體（燈刷染色體（lamp-brush chromosomelamp-brush chromosome）核型（核型（karyotype）分析）分析 核型核型/ /染色體組型，染色體組在有絲分裂中期的染色體組型，染色體組在有絲分裂中期的表型，包括染色體數(shù)目、大小、形態(tài)特征等。表型，包括染色體數(shù)目、大小、形態(tài)特征等。 將一個染色體組的全部染色體逐個按其特征繪將一個染色體組的全部染色體逐個按其特征繪制下來，再按長短、形態(tài)等特征排列起來的圖制

14、下來，再按長短、形態(tài)等特征排列起來的圖像稱為核型模式圖（像稱為核型模式圖（idiogramidiogram）。）。 核型分析對于探討人類遺傳病的機制、物種親核型分析對于探討人類遺傳病的機制、物種親緣關(guān)系與進化、遠緣雜交的鑒定等具有重要意緣關(guān)系與進化、遠緣雜交的鑒定等具有重要意義。義。（三）核基質(zhì)（三）核基質(zhì)（nuclear matrix）形態(tài)：纖維網(wǎng)狀形態(tài)：纖維網(wǎng)狀成分：蛋白質(zhì)成分：蛋白質(zhì)功能：對核有支持作用，功能：對核有支持作用，染色質(zhì)附著點，與染色質(zhì)附著點，與DNA復制和基因表達密切相關(guān)。復制和基因表達密切相關(guān)。核基質(zhì)是由蛋白質(zhì)組成的細胞核內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分布在整個細胞核內(nèi)，參與和支持DNA

15、的各種功能, 包括DNA復制、轉(zhuǎn)錄、加工、接收外部信號以及維持染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)等，作用方式主要是提供作用位點。這種結(jié)構(gòu)又稱為核骨架（nuclear skeleton）。 高等細胞的間期核內(nèi)除染色質(zhì)與核仁外，還發(fā)現(xiàn)許多形態(tài)上不同的亞核結(jié)構(gòu)域（subnuclear domain），統(tǒng)稱核體（nuclear bodies，NBs）。（四）核仁（四）核仁（nucleolus） 真真核細胞間期核細胞間期核中最明顯的結(jié)核中最明顯的結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 是是細胞核內(nèi)細胞核內(nèi)rRNA轉(zhuǎn)錄、加工，轉(zhuǎn)錄、加工，并組裝成核糖體亞基的功能結(jié)并組裝成核糖體亞基的功能結(jié)構(gòu)區(qū)域構(gòu)區(qū)域。 核仁的大小、形狀和數(shù)目隨生核仁的大小、形狀和數(shù)目隨

16、生物的種類、細胞類型和細胞代物的種類、細胞類型和細胞代謝狀態(tài)而變化。謝狀態(tài)而變化。 核仁中主要含蛋白質(zhì)核仁中主要含蛋白質(zhì)(80%)、RNA(10%) 、少量、少量DNA和脂類。和脂類。 結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點：(1)(1)沒有膜包被沒有膜包被； (2) (2)具核仁周期具核仁周期。 核仁分布、數(shù)量及功能核仁分布、數(shù)量及功能蛋白質(zhì)合成旺盛、代謝活躍的細胞，如分泌細胞、卵母細胞的核仁大，可占核體積的25%。不具蛋白質(zhì)合成能力的細胞如肌肉細胞、休眠的植物細胞，其核仁很小。大多數(shù)細胞只含有一個或兩個核仁，但也有少數(shù)細胞含有多個甚至上千個核仁。核仁的主要功能是進行核糖體RNA的合成。核糖體的生物發(fā)生核糖體的

17、生物發(fā)生(ribosome biogenesis)是一個向量過程是一個向量過程(vetorical process)：從核仁纖維組分開始，再向顆粒組分延續(xù)。：從核仁纖維組分開始，再向顆粒組分延續(xù)。 這一過程包括這一過程包括rRNA的合成、加工和核糖體亞單位的裝配。的合成、加工和核糖體亞單位的裝配。 核糖體（核糖體（ribosome）古老而復雜、高效而精巧“微型機器” 核糖體的產(chǎn)生？ 核糖(核酸)核蛋白體(ribonucleoprotein particle, RNP)，簡稱核糖體或核蛋白體 核糖體是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的分子機器：惟一功能是按照mRNA的指令將氨基酸合成蛋白質(zhì)多肽鏈 原核細胞、線粒

18、體、葉綠體均含有核糖體； 目前僅發(fā)現(xiàn)極少特化細胞(無核紅細胞)無核糖體 核糖體類型分布核糖體類型分布 結(jié)合核糖體(membrane) bound ribosome) 糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(rough endoplasmic reticulum, ER) 游離核糖體(free ribosome) 滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(smooth ER) 分布在細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成旺盛的區(qū)域。 在指數(shù)生長的細菌中，數(shù)以萬計ribosome/cell，可達細胞 干重的_%；饑餓細胞中，幾百個ribosome/cell。 40 核糖體組成結(jié)構(gòu)核糖體組成結(jié)構(gòu) prokaryotic / eukaryotic (cell)S: Svedber

19、g, sedimentation rate/coefficient 沉降系數(shù) 核糖體組成結(jié)構(gòu)核糖體組成結(jié)構(gòu)Atomic structure:50S Subunit from Haloarcula marismortui, 30S Subunit from Thermus thermophilus. Proteins are shown in blue and the single RNA chain in orange.The small patch of green in the center of the subunit is the active site.rRNA、rDNA在物種鑒定中

20、的作用在物種鑒定中的作用核糖體小亞單位rRNA的二級結(jié)構(gòu)(a) E.coli 16S rRNA；（紅色為高度保守區(qū)）(b) Yeast 18S rRNA，它們都具有類似的40個臂環(huán)結(jié)構(gòu)，其長度和位置往往非常保守。prokaryote：16S rRNA eukaryote：18S + 5.8S + 28S rDNA中心法則中心法則genetic central dogmaDNA replication, transcription, translationOkazaki fragment岡崎片段DNA的半保留復制(semi-conservative replication)DNA的半連續(xù)復制(semi-disconti