生物化學(xué)細(xì)胞核主要本實用教案

1、1第一節(jié) 核被膜與核孔復(fù)合體 核被膜(nuclear envelope) 核孔復(fù)合體（nuclear pore complex,NPC） 第1頁/共56頁第一頁，共56頁。2核被膜 電鏡下，核被膜由內(nèi)外兩層平行但不連續(xù)的單位膜構(gòu)成。 結(jié)構(gòu)組成： 外核膜（outer nuclear membrane），附有核糖體顆粒，常與rER相通連。 內(nèi)核膜（inner nuclear membrane），有特有的蛋白成份（如核纖層蛋白B受體），內(nèi)核膜的內(nèi)表面有一層網(wǎng)絡(luò)狀纖維蛋白質(zhì)，即核纖層（nuclear lamina），可支持核膜。 核周間隙（perinuclear space） 核孔（nuclear p

2、ore）和核孔復(fù)合體 核被膜的功能： 構(gòu)成核、質(zhì)之間的天然選擇性屏障 避免生命活動的彼此干擾 保護(hù)DNA不受細(xì)胞(xbo)骨架運動所產(chǎn)生的機械力的損傷 核質(zhì)之間的物質(zhì)交換與信息交流 核被膜在細(xì)胞(xbo)有絲分裂過程中有規(guī)律地解體與重建 第2頁/共56頁第二頁，共56頁。3核被膜在細(xì)胞在有絲分裂中有規(guī)律(gul)地解體與重建 新核膜來自舊核膜。 核被膜的去組裝是非隨機的，具有區(qū)域特異性（domain-specific）。 以非洲爪蟾卵提取物為基礎(chǔ)的非細(xì)胞核裝配(zhungpi)體系提供了實驗?zāi)Ｐ汀?核被膜的解體與重建的動態(tài)變化受細(xì)胞周期調(diào)控因子的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用可能與核纖層蛋白、核孔復(fù)合體蛋白的

3、 磷酸化與去磷酸化修飾有關(guān)。第3頁/共56頁第三頁，共56頁。4核孔復(fù)合體（nuclear pore complex,NPC）結(jié)構(gòu)(jigu)模型 核孔復(fù)合體成份的研究 核孔復(fù)合體的功能： 第4頁/共56頁第四頁，共56頁。5結(jié)構(gòu)(jigu)模型 fish-trap模型 從橫向上看，核孔復(fù)合體由周邊向核孔中心依次可分為環(huán)、輻、栓三種(sn zhn)結(jié)構(gòu)亞單位； 從縱向上看，核孔復(fù)合體由核外（胞質(zhì)面）向核內(nèi)（核質(zhì)面）依次可分為胞質(zhì)環(huán)、輻（十栓）、核質(zhì)環(huán)三種(sn zhn)結(jié)構(gòu)亞單位，形成“三明治”式的結(jié)構(gòu)。 胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmic ring），外環(huán) 核質(zhì)環(huán)（nuclear ring），內(nèi)

4、環(huán)；內(nèi)環(huán)向核內(nèi)伸入一小環(huán)，即核藍(lán)（nuclear basket）。 輻（spoke） 柱狀亞單位（column subunit） 腔內(nèi)亞單位(luminal subunit) 環(huán)帶亞單位（annular subunit） 中央栓（central plug）：transporter第5頁/共56頁第五頁，共56頁。6核孔復(fù)合體成份(chng fn)的研究 核孔復(fù)合體主要由蛋白質(zhì)構(gòu)成，其總相對分子質(zhì)量(zhling)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。 gp210：結(jié)構(gòu)性跨膜蛋白 介導(dǎo)核孔復(fù)合體與核被膜的連接，將核孔復(fù)合體 錨定在“孔膜區(qū)”，從而為核孔復(fù)

5、合體裝配提供一個起始位點 p62：功能性的核孔復(fù)合體蛋白，具有兩個功能結(jié)構(gòu)域 可能在核孔復(fù)合體功能活動中直接參與核質(zhì)交換。第6頁/共56頁第六頁，共56頁。7核孔復(fù)合體的功能(gngnng)第7頁/共56頁第七頁，共56頁。8親核蛋白入核轉(zhuǎn)運(zhun yn)與核定位信號 親核蛋白（karyophilic protein） 在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成后，需要或能夠進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質(zhì) 核定位信號 (nuclear localization signal，NLS) NLS是存在于親核蛋白內(nèi)的一些短的氨基酸序列片段，富含堿性氨基酸殘基，如Lys、Arg，此外還常含有Pro。 NLS的氨基酸殘基片段

6、可以是一段連續(xù)的序列（T抗原），也可以分成兩段，兩段之間間隔(jin g)約10個氨基酸殘基（核質(zhì)蛋白）。 NLS序列可存在于親核蛋白的不同部位，在指導(dǎo)完成核輸入后并不被切除。 核質(zhì)蛋白（nucleoplasmin）的入核轉(zhuǎn)運 結(jié)合：需NLS識別并結(jié)合importin； 轉(zhuǎn)運：需GTP水解提供能量第8頁/共56頁第八頁，共56頁。9轉(zhuǎn)錄(zhun l)產(chǎn)物RNA的核輸出 轉(zhuǎn)錄后的RNA通常需加工、修飾成為成熟的RNA分子后才能被轉(zhuǎn)運出核。 RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄的rRNA分子：以RNP的形式離開細(xì)胞核，需要能量(nngling)； RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄的5s rRNA與 tRNA的核輸出由蛋白質(zhì)

7、介導(dǎo)； RNA 聚合酶II轉(zhuǎn)錄的hn RNA，在核內(nèi)進(jìn)行5端加帽和3端附加多聚A序列以及剪接等加工過程，然后形成成熟的mRNA出核，5端的m7GpppG “帽子”結(jié)構(gòu)對mRNA的出核轉(zhuǎn)運是必要的； mRNA的出核轉(zhuǎn)運過程是有極性的，其5端在前，3端在后。 核輸出信號 (Nuclear Export Signal，NES)：RNA分子的出核轉(zhuǎn)運需要蛋白分子的幫助，這些蛋白因子本身含有出核信號。第9頁/共56頁第九頁，共56頁。10第二節(jié) 染 色 質(zhì) 染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成(z chn) 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位核小體(nucleosome) 染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型 常染色質(zhì)和異染色質(zhì) 第10頁/共56

8、頁第十頁，共56頁。11一、染色質(zhì)的概念(ginin)及化學(xué)組成染色質(zhì)概念(ginin) 染色體DNA 染色體蛋白質(zhì) 第11頁/共56頁第十一頁，共56頁。12染色質(zhì)概念(ginin) 染色質(zhì)（chromatin）: 指間期細(xì)胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復(fù)合結(jié)構(gòu), 是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。 染色體(chromosome): 指細(xì)胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中, 由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)。 染色質(zhì)與染色體是在細(xì)胞周期不同的功能階段可以相互轉(zhuǎn)變(zhunbin)的的形態(tài)結(jié)構(gòu) 染色質(zhì)與染色體具有基本相同的化學(xué)組成，但包裝程度不同,構(gòu)象不同。第12頁/共56頁第十二頁，

9、共56頁。13染色體DNA 基因組（genome） 凡是具有細(xì)胞形態(tài)的所有生物(shngw)其遺傳物質(zhì)都是DNA。在真核細(xì)胞中，每條未復(fù)制的染色體包裝一條DNA分子，一個生物(shngw)貯存在單倍染色體組中的總遺傳信息，稱為該生物(shngw)的基因組。 基因組大小通常隨物種的復(fù)雜性而增加。 DNA的序列可分為3種類型，即：單一序列、中度重復(fù)序列（101-5）和高度重復(fù)序列（105）。 DNA二級結(jié)構(gòu)具有多形性(polymorphism) 染色體具有3個基本元素： 自主復(fù)制序列(autonomously replicating DNA sequence, ARS)，是DNA復(fù)制的起點，酵母基

10、因組含200-400個ARS，大多數(shù)具有一個11bp富含AT的一致序列（ARS consensus sequence, ACS）； 著絲粒序列(centromere DNA sequence,CEN) ，由大量串聯(lián)的重復(fù)序列組成，如衛(wèi)星DNA，其功能是參與形成著絲粒，使細(xì)胞分裂中染色體能夠準(zhǔn)確地分離； 端粒序列(telomere DNA sequence,TEL) ，不同生物(shngw)的端粒序列都很相似，由長5-10bp的重復(fù)單位串聯(lián)而成，人的重復(fù)序列為GGGTTA。第13頁/共56頁第十三頁，共56頁。14染色體蛋白質(zhì) 負(fù)責(zé)DNA分子遺傳信息的組織、復(fù)制和閱讀 組蛋白(histone)：

11、 核小體組蛋白(nucleosomal histone)：H2B、H2A、H3和H4,幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu) H1組蛋白：在構(gòu)成核小體時H1起連接作用, 它賦予染色質(zhì)以極性。 特點： 真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶 正電荷的Arg和Lys等堿性氨基酸，屬堿性蛋白質(zhì)，可以和酸性的DNA緊密結(jié)合（非特異性結(jié)合）； 沒有種屬及組織特異性，在進(jìn)化上十分保守。 非組蛋白(nonhistone)： 非組蛋白具多樣性和異質(zhì)性 對DNA具有識別特異性，又稱序列特異性 具有多種功能(gngnng)，包括基因表達(dá)的調(diào)控和染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成。 第14頁/共56頁第十四頁，共56頁。15二、染色質(zhì)

12、的基本結(jié)構(gòu)(jigu)單位核小體(nucleosome)主要實驗證據(jù) 核小體結(jié)構(gòu)(jigu)要點 第15頁/共56頁第十五頁，共56頁。16主要實驗(shyn)證據(jù) 鋪展染色質(zhì)的電鏡觀察 未經(jīng)處理的染色質(zhì)自然結(jié)構(gòu)為30nm的纖絲，經(jīng)鹽溶液處理后解聚的染色質(zhì)呈現(xiàn)10nm串珠狀結(jié)構(gòu) 用非特異性微球菌核酸酶消化染色質(zhì)，部分酶解片段分析結(jié)果 應(yīng)用X射線衍射、中子散射和電鏡三維重建技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)核小體顆粒是直徑為11nm、高6.0nm的扁園柱體，具有二分對稱性（dyad symmetry），核心組蛋白的構(gòu)成(guchng)是先形成（H3）2（H4）2四聚體，然后再與兩個H2AH2B異二聚體結(jié)合形成八聚體

13、。第16頁/共56頁第十六頁，共56頁。17核小體結(jié)構(gòu)(jigu)要點 每個核小體單位包括200bp左右的DNA超螺旋和一個組蛋白八聚體及一 個分子H1。 組蛋白八聚體構(gòu)成(guchng)核小體的盤狀核心結(jié)構(gòu)。 146bp的DNA分子超螺旋盤繞組蛋白八聚體1.75圈, 組蛋白H1在核心顆粒 外結(jié)合額外20bp DNA，鎖住核小體DNA的進(jìn)出端，起穩(wěn)定核小體的作用。 包括組蛋白H1和166bp DNA的核小體結(jié)構(gòu)又稱染色質(zhì)小體。 兩個相鄰核小體之間以連接DNA 相連，典型長度60bp，不同物種變化值為080bp。 實驗表明，核小體具有自組裝（self-assemble）的性質(zhì)。第17頁/共56頁

14、第十七頁，共56頁。18三、染色質(zhì)包裝(bozhung)的結(jié)構(gòu)模型染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型 (multiple coiling model) 染色體的骨架(gji)-放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型 (scaffold radial loop structure model) 染色體包裝的不同組織水平 第18頁/共56頁第十八頁，共56頁。19染色質(zhì)包裝的多級螺旋(luxun)模型一級結(jié)構(gòu)：核小體二級結(jié)構(gòu)：螺線管(solenoid)三級結(jié)構(gòu)：超螺線管(supersolenoid) 四級結(jié)構(gòu)：染色單體(dn t)（chromatid） 壓縮7倍 壓縮6倍 壓縮40倍 壓縮5倍 DNA核小體螺線管超螺線管染色單體(

15、dn t) 第19頁/共56頁第十九頁，共56頁。20染色體的骨架-放射環(huán)結(jié)構(gòu)(jigu)模型非組蛋白構(gòu)成的染色體骨架(chromsomal scaffold)和由骨架伸出的無數(shù)的DNA側(cè)環(huán)）30nm的染色線折疊成環(huán), 沿染色體縱軸, 由中央向四周伸出,構(gòu)成放射環(huán)。由螺線管形成DNA復(fù)制環(huán),每18個復(fù)制環(huán)呈放射狀平面( p n g m i n ) 排 列 , 結(jié) 合 在 核 基 質(zhì) 上 形 成 微 帶(miniband)。微帶是染色體高級結(jié)構(gòu)的單位,大約106個微帶沿縱軸構(gòu)建成子染色體。 第20頁/共56頁第二十頁，共56頁。21四、常染色質(zhì)和異染色質(zhì) 常染色質(zhì)(euchromatin) 指間

16、期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低, 處于伸展?fàn)顟B(tài)（典型包裝率750倍）, 用堿性染料(rnlio)染色時著色淺的那些染色質(zhì)。 常染色質(zhì)是進(jìn)行活躍轉(zhuǎn)錄的部位，呈疏松的環(huán)狀，電鏡下表現(xiàn)為淺染。并非所有基因都具有轉(zhuǎn)錄活性,常染色質(zhì)狀態(tài)只是基因轉(zhuǎn)錄的必要條件而非充分條件 異染色質(zhì)(heterochromatin)： 指間期細(xì)胞核中, 折疊壓縮程度高, 處于聚縮狀態(tài)，堿性染料(rnlio)染色時著色較深的染色質(zhì)組分。 類型 結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)（或組成型異染色質(zhì)）(constitutive heterochromatin) 兼性異染色質(zhì)(facultative heterochromatin) 第21頁/共56頁

17、第二十一頁，共56頁。22結(jié)構(gòu)(jigu)異染色質(zhì)或組成型異染色質(zhì) 結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)，除復(fù)制(fzh)期以外，在整個細(xì)胞周期均處于聚縮狀態(tài)，形成多個染色中心。 結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)的特征：在中期染色體上多定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕 及染色體臂的某些節(jié)段；由相對簡單、高度重復(fù)的DNA序列構(gòu)成, 如衛(wèi)星DNA；具有顯著的遺傳惰性, 不轉(zhuǎn)錄也不編碼蛋白質(zhì)；在復(fù)制(fzh)行為上與常染色質(zhì)相比表現(xiàn)為晚復(fù)制(fzh)早聚縮；第22頁/共56頁第二十二頁，共56頁。23兼性異染色質(zhì) 在某些(mu xi)細(xì)胞類型或一定的發(fā)育階段, 原來的常染色質(zhì)聚縮, 并喪失基因轉(zhuǎn)錄活性, 變?yōu)楫惾旧|(zhì)，如X染色體隨機失活。 異染色

18、質(zhì)化可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑。 第23頁/共56頁第二十三頁，共56頁。24第四節(jié) 核仁(h rn) (nucleolus) 核仁（necleolus）見于間期的細(xì)胞核內(nèi)，呈圓球形，一般1-2個，也有多達(dá)3-5個的。核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近(kojn)內(nèi)核膜，核仁的數(shù)量和大小因細(xì)胞種類和功能而異。 核仁的超微結(jié)構(gòu) 核仁的功能 核仁周期 ：核仁的動態(tài)變化第24頁/共56頁第二十四頁，共56頁。25一、核仁(h rn)的超微結(jié)構(gòu) 核仁沒有界膜包圍，在電子顯微鏡下可辨認(rèn)出有3個特征性的區(qū)域： 纖維中心(fibrillar centers，F(xiàn)C)： 是被致密纖維包圍的一個或幾個低電子

19、密度的圓形結(jié)構(gòu)，主要成分為RNA聚合酶和rDNA，這些rDNA是裸露的分子。 致密纖維組分(dense fibrillar component，DFC)： 呈環(huán)形或半月形包圍FC，由致密的纖維構(gòu)成(guchng)，是新合成的RNP（指結(jié)合蛋白質(zhì)的rRNA），轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在FC與DFC的交界處。 顆粒組分(granular component，GC)： 由直徑15-20nm的顆粒構(gòu)成(guchng)，是不同加工階段的RNP。是核糖體亞單位成熟和儲存的位點。 核仁相隨染色質(zhì)(nucleolar associated chromatin) 核仁相隨染色質(zhì)分為兩部分，一部分位于核仁周圍，稱為核仁周染色

20、質(zhì)，屬異染色質(zhì)，一部分位于核仁內(nèi)，為常染色質(zhì)，即核仁組織區(qū)（NOR），是rDNA所在的位置。第25頁/共56頁第二十五頁，共56頁。26二、核仁(h rn)的功能 核糖體的生物發(fā)生(ribosome biogenesis) 過程包括rRNA的合成、加工和核糖體亞單位的裝配。 rRNA基因轉(zhuǎn)錄的形態(tài)及組織特征 基因轉(zhuǎn)錄的組織特征： 位于NORs的rDNA是rRNA的信息(xnx)來源。 基因轉(zhuǎn)錄的形態(tài)特征:“圣誕樹”樣結(jié)構(gòu)。 rRNA前體的加工 加工過程 修飾與加工 核糖體亞單位的組裝 第26頁/共56頁第二十六頁，共56頁。27第五節(jié) 核基質(zhì)(j zh)(nuclear matrix) 核基質(zhì)

21、或核骨架(nuclear skeleton)的概念 狹義概念僅指核基質(zhì)，即細(xì)胞核內(nèi)除了核被膜、核纖層、 染色質(zhì)與核仁以外的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系。 廣義概念應(yīng)包括核基質(zhì)、核纖層(或核纖層-核孔復(fù)合體結(jié) 構(gòu)體系),以及染色體骨架。 目前對核骨架的研究結(jié)論 核骨架是存在于真核細(xì)胞核內(nèi)真實的結(jié)構(gòu)體系； 核骨架與核纖層、中間纖維相互連接形成貫穿于核與質(zhì)的一個獨立結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 核骨架的主要成分是由非組蛋白(dnbi)的纖維蛋白(dnbi)構(gòu)成的, 含有多種蛋白(dnbi)成分及少量RNA； 核骨架與DNA復(fù)制、基因表達(dá)及染色體的包裝與構(gòu)建有密切關(guān)系。 第27頁/共56頁第二十七頁，共56頁。28第28頁/共56頁第二十八頁，共56頁。29第29頁/共56頁第二十九頁，共56頁。30第30頁/共56頁第三十頁，共56頁。31第31頁/共56頁第三十一頁，共56頁。32第32頁/共56頁第三十二頁，共56頁。33通過核孔復(fù)合體物質(zhì)(wzh)運輸?shù)墓δ苁疽鈭D（引自B.Talcott等，1999） （a）自由擴散；（b）協(xié)助擴散；（c）信號介導(dǎo)的核輸入；（d） 信號介導(dǎo)的核輸出。 第33頁/共56頁第三十三頁，共56頁。34第34頁/共56頁第三十四頁，共56頁。35第35頁/共56頁第三十五頁，共56頁。36第36頁/共56頁第三十六頁