山大醫(yī)學細胞生物學課件08細胞核

1、第八章 細胞核發(fā)現：1674年， Vanleenwenhook ，鮭魚細胞發(fā)現1831年，Robert Brown ，蘭科植物表皮細胞，定名為細胞核。功能：遺傳物質的主要貯存庫一定程度上控制細胞的代謝、生長、分化和繁殖與細胞的壽命有一定相關性細胞核：是真核細胞內最重要的細胞器，是細胞生命活動的控制中心，是真核細胞和原核細胞的最大區(qū)別。間期細胞核的結構組成：核被膜核仁染色質核基質 第一節(jié) 核膜一、核膜的化學組成二、核膜的結構與區(qū)域化作用三、核孔復合體與核-質間的物質運輸四、核纖層的結構與功能核膜電鏡照片 一、核膜的化學組成（一）蛋白質：65%-75%，含有20多種蛋白質，包括組蛋白、基因調節(jié)蛋白

2、、DNA和RNA聚合酶、RNA酶以及電子傳遞有關的酶類等。（二）脂類：卵磷脂和磷脂酰乙醇胺，含量低；膽固醇和甘油三酯，含量高。二、核膜的結構與區(qū)域化作用（一）核膜由兩層平行但不連續(xù)的非對稱性單位膜構成1、外核膜（outer nuclear membrane）:與粗面內質網相連,表面有核糖體附著。胞質面附著有中間纖維和微管等降表骨架成分，與細胞核定位有關。2、內核膜(inner nuclear membrane)：與外核膜平行排列，核質面附著有致密的核纖層纖維網絡結構。3、核周間隙（perinuclear space）：內外兩層核膜之間的腔隙。4、核孔(nuclear pore): 核內外兩層核

3、膜融合形成的圓環(huán)狀結構。 (二) 核膜具有區(qū)域化作用，并控制著核-質間的物質交換1、核膜的區(qū)域化作用：使DNA復制、RNA轉錄與蛋白質的翻譯在不同的時間和空間上進行；維持細胞核相對穩(wěn)定的內環(huán)境。2、核膜控制著核-質間的交換 三、核孔復合體與核-質間的物質運輸（一）核孔核孔復合體（nuclear pore complex,NPC）：由多個蛋白質顆粒以特定方式排列而成的蛋白分子復合物。目前普遍接受的捕魚籠式（fish-trap）結構模型認為核孔復合體主要由四種組分構成： 胞質環(huán) 核質環(huán) 輻：柱狀亞單位，腔內亞單位，環(huán)帶亞單位 中央栓(二) 核孔復合體介導核-質間的物質交換核孔復合體可通過主動運輸和

4、被動運輸方式實現核-質間的物質轉運 被動運輸：離子、小分子及直徑小于10nm的物質可 通過核孔復合體自由轉運。 主動運輸：大分子物質如RNA、核糖體、蛋白質等的運輸方式。其特點是一個信號識別與載體介導的耗能過程，具有飽和性。2. 核定位信號介導親核蛋白入核親核蛋白（karyophilic protein）:在細胞質內合成后，需要或能夠進入細胞核內發(fā)揮功能的一類蛋白質。 核定位信號（nuclear localization signal, NLS）: 存在于親核蛋白內的特殊氨基酸序列，可引導蛋白質通過核孔復合體被轉運到核內。轉運條件：核定位信號核轉運受體：入核素-存在于胞質中，既可以與核孔復合體

5、結合，又可以與被轉運物質結合。RanGTP酶：水解GTP，為核轉運提供能量；激活入核素，使其釋放親核蛋白入核。通過核孔復合體物質運輸的功能示意圖（引自B.Talcott等，1999） （a）自由擴散； （b）協助擴散；（c）信號介導的核輸入；（d） 信號介導的核輸出。 四、核纖層的結構與功能（一）核纖層的結構核纖層：附著于內核膜下的纖維蛋白網。分子組成：核纖層蛋白，屬于中間纖維 哺乳動物和鳥類細胞的核纖層由三種蛋白構成： 核纖層蛋白A-僅見于分化細胞 核纖層蛋白C 核纖層蛋白B所有體細胞（二）核心層的功能核纖層在細胞核中起支架作用 維持核的輪廓；使胞質骨架和核骨架形成連續(xù)網絡結構核纖層與核膜重

6、建及染色質凝集關系密切（1）參與核膜重建：細胞分裂前期，核纖層蛋白被磷酸化解聚，核膜崩解為小泡；細胞分類末期，核纖層蛋白去磷酸化，重新組裝（2）為染色質提供錨定位點，與染色質凝集有關3. 核纖層參與了細胞核構建與DNA復制第二節(jié) 染色質和染色體 染色質和染色體的形態(tài)*光鏡和電鏡下看到的形態(tài)不同*細胞分裂間期和分裂期看到的形態(tài)不同 一、染色質的組成成分染色質組分：DNA和組蛋白占98%，少量RNA和非組蛋白。（一）染色質DNA染色質中的DNA是遺傳信息的載體。真核細胞每條未復制的染色體均由一條線性DNA分子構成。一個真核細胞單倍染色體組中所含的全部遺傳信息，叫做基因組（genome）。染色質DN

7、A 的三類功能序列：（1）端粒（telomere）序列： 存在于真核生物染色體末端的一個富含G的簡單重復序列；維持DNA分子兩末端復制的完整性；維持染色體的穩(wěn)定性。（2）著絲粒（centromere）序列：是復制完成的兩姐妹染色單體的連接部位；在分裂中期，與紡錘體相連，使復制后的染色體平均分配到兩個子細胞中。（3）復制源（replication origin）序列：是細胞進行DNA復制的起始點；維持染色體在世代傳遞中的連續(xù)性。(二)組蛋白*總量相當于DNA量*含大量帶正電荷氨基酸，能中和DNA所帶負電荷。*分成5種兩類：H1- H1組蛋白H2AH2BH3H4核小體組蛋白*主要功能： 染色體構建

8、 S期 調控基因轉錄 甲基化或乙?；揎?（三）非組蛋白總量遠少于組蛋白 種類繁多 能識別特異DNA序列并與之結合 功能各異： - 參與染色體構建 - 啟動DNA復制 - 調控基因轉錄高遷移率組非組蛋白 HMG 二、常染色質與異染色質間期染色質按其形態(tài)特征與染色性質的不同可分為兩類：常染色質與異染色質。（一）常染色質（euchromatin）:為間期核內堿性染料染色時著色較淺，螺旋化程度較低，處于伸展狀態(tài)的染色質細絲，含有基因轉錄活躍部位。在核內均勻分布，多位于核中央。多在S期的早、中期復制。（二）異染色質（heterochromatin）：間期核中處于凝縮狀態(tài)，結構致密，無轉錄活性，用堿性染

9、料染色時著色較深的染色質組分。多位于核周近核膜處。分類：結構異染色質（constitutive heterochromatin）：是異染色質的主要類型，在所有細胞類型及各個發(fā)育階段中均處于凝集狀態(tài)。兼性異染色質（facultative heterochromatin）：是在某些細胞類型或一定的發(fā)育階段，原有的常染色質凝集并喪失轉錄活性后轉變而成的異染色質，可轉化為常染色質。當基因轉錄變得活躍，異染色質減少，常染色質增多異染色質與常染色質的區(qū)分不是一成不變的，而是可以互相轉換的包裝(折疊、緊縮)雙螺旋包裝(折疊、緊縮)？ 三、染色質組裝成染色體（一）核小體-染色質的一級結構核小體（nucleos

10、ome）:是染色體的基本結構單位，為由200bp左右的DNA分子及一個組蛋白八聚體構成的圓盤狀顆粒。組裝：核小體組蛋白H2A、H2B、H3和H4各兩分子組成八聚體。146bp的DNA分子盤繞組蛋白八聚體1.75圈，形成核小體兩個相鄰核小體之間以連接DNA相連，典型長度為60bp組蛋白H1結合于連接DNA，位于核小體核心DNA雙鏈的進出端，起穩(wěn)定核小體的作用。串珠狀纖維 (核小體)（二）螺線管-染色質的二級結構螺線管（solenoid）是在組蛋白H1協助下，由核小體串珠結構盤旋而成的中空結構。組裝：螺線管每圈6個核小體，螺距11nm，外徑30nm，內徑10nm。組蛋白H1對螺線管的穩(wěn)定起重要作用

11、。30nm染色質纖維組蛋白核心DNAH1組蛋白5種組蛋白共同作用把相鄰核小體拉在一起,折疊成直徑30nm的規(guī)則結構。30nm染色質纖維核小體（三）螺線管的進一步包裝關于螺線管如何進一步包裝成染色體，目前有兩種模型：多級螺旋化模型和染色體骨架-放射環(huán)模型。多級螺旋化模型（multiple coiling model） 一級結構核小體 二級結構 螺線管 三級結構超螺線管（supersolenoid）：由螺線管進一步螺旋化形成的圓筒狀結構 四級結構染色單體（chromatid）：超螺線管進一步螺旋折疊形成2. 染色體骨架-放射環(huán)模型（scaffold radial loop structure mo

12、del）一級結構核小體二級結構螺線管（30nm染色質纖維） 袢環(huán)結構高級結構 染色單體螺線管以后的高級結構由30nm染色質纖維折疊成的袢環(huán)構成 袢環(huán)沿染色體縱軸由中央向周圍伸出，形成放射環(huán)；每18個袢環(huán)呈放射狀排列形成微帶（miniband），微帶是染色質高級結構的組成單位；約106個微帶沿縱軸排列形成染色單體。 四、染色體的形態(tài)結構在有絲分裂中期，染色質高度凝集，染色體形態(tài)、結構特征明顯，可作為染色體一般形態(tài)和結構的標準。中期染色體是由著絲粒相連的兩條姐妹染色單體構成，主要包括以下幾部分：（一）著絲粒1. 主縊痕（primary constriction）：指中期染色體的兩條姐妹染色單體的連

13、接處，一向內凹陷、著色較淺的縊痕。2. 著絲粒：主縊痕的染色質部分，由高度重復的異染色質組成根據著絲粒在染色體的位置，將中期染色體分為4類：中著絲粒染色體（metacentric chromosome）亞中著絲粒染色體（submetacentric chromosome）端著絲粒染色體（telocentric chromosome）近端著絲粒染色體（acrocentric chromosome）3. 動粒（kinetochore）：位于主縊痕兩側的特化的圓盤狀結構，由蛋白質構成，是紡錘絲微管的附著部位，參與分裂后期染色體向兩極的遷移。4. 著絲粒動粒復合體：是位于著絲粒動粒區(qū)域的高度有序的整合

14、結構，有三個結構與功能結構域： 動粒結構域（kinetochore domain） 中央結構域（central domain） 配對結構域（pairing domain）原位雜交實驗顯示位于人染色體末端的端粒（以含有TTAGGG序列的DNA作為探針）（二）次縊痕（secondary constriction）：指染色體上除主縊痕之外的縊縮部位，數量、位置和大小可作鑒別染色體的標記。（三）端粒（telomere）：指染色體末端的特化部位，由富含嘌呤核苷酸（G）的端粒DNA和 蛋白質構成。(四)隨體（satellite）：是位于染色體末端的球形或棒狀結構，主要由異染色質構成，它通過次縊痕區(qū)與染色體

15、主體部分相連。（五）核仁組織區(qū)與核仁組織者1. 核仁組織區(qū)（nucleolar organizing region）：是含有RRNA基因的染色體區(qū)域2. 核仁組織者（nucleolar organizer）：RRNA基因是從染色體上伸出的DNA袢環(huán)，每個RDNA袢環(huán)就是一個核仁組織者。(六) 特殊類型的染色體1. 多線染色體2. 燈刷染色體 五、核型與染色體帶型核型（karyotype）：指某一個體細胞的全部染色體在有絲分裂中期的表型，包括染色體的數目、大小和形態(tài)特征。帶型（band）：指將染色體經過一定處理，用特定的染料染色后，使染色體沿其長軸顯示深淺各異、寬窄不等的帶紋。 第三節(jié) 核 仁

16、一、核仁的形態(tài)結構和化學組成（一）核仁的化學組成核仁的主要化學組成為RNA、DNA、蛋白質和酶類等。（二）核仁的形態(tài)結構核仁無膜包裹，電鏡下可見三個特征性區(qū)域：纖維中心（fibrillar center,FC）致密纖維組分（dense fibrillar component, DFC）顆粒成分（granular component, GC）人間期細胞核仁組織區(qū)及10條染色體的rDNA袢環(huán)1. 纖維中心：包埋于顆粒組分內部的一個或幾個低電子密度的圓形結構體。主要成分是rRNA基因rDNA的存在部位。2. 致密纖維：核仁內電子密度最高的區(qū)域，由致密的纖維構成環(huán)形或半月形結構。主要成份是含有正在轉錄

17、的rRNA分子，核糖體蛋白及某些特異性的RNA結合蛋白。3. 顆粒成分：呈致密顆粒，位于核仁的外周。由正在加工、成熟的核糖體亞單位前體顆粒構成，顆粒成分的數量決定核仁的大小。4. 其他結構核仁基質（nucleolar matrix）核仁周圍染色質（perinucleolar chromatin）核仁相隨染色質（nucleolar associated chromatin) 二、核仁的功能（一）核仁是rRNA基因轉錄和加工的場所rRNA基因轉錄：哺乳動物核仁中串聯重復排列的rRNA基因，在RNA聚合酶作用下進行轉錄，每個基因都轉錄出長度為13,000bp的初始轉錄產物，即45S rRNA。rRN

18、A加工哺乳動物45S rRNA前體經過加工修飾，最終形成5.8S rRNA、18S rRNA、28S rRNA 。（二）rRNA與核糖體蛋白在核仁內組裝成核糖體的大、小亞基核糖體大亞基（60S）：28S rRNA、5.8S rRNA 、5S rRNA、49種蛋白質；核糖體小亞基（40S）：18S rRNA和33種蛋白質。 三、核仁周期核仁周期（nucleolar cycle）：在進行有絲分裂的細胞中，核仁出現一系列結構與功能的周期性變化。核仁的周期性變化；前期：核仁變小，染色質凝集，RNA合成停止中期和后期：核仁消失末期：rRNA重新開始合成，形成小核仁極小的核仁進一步合并最終形成核仁。 第四節(jié) 核 骨 架一、核骨架的形態(tài)結構與化學組成核骨架（nuclear scaffold），又稱核基質（nuclear matrix），是真核細胞間期核中除核膜、染色質和核仁以外的部分，是一個以非組蛋白為主構成的纖維網架結構。核骨架蛋白可分為兩類：核基質蛋白（nuclear