細(xì)胞核和染色體、核糖體1

第十章細(xì)胞核與染色體Nucleusandchromosome1781年,Trontana發(fā)現(xiàn)于魚類細(xì)胞；1831年，Brown發(fā)現(xiàn)于植物。細(xì)胞核的發(fā)現(xiàn)通常一個(gè)細(xì)胞一個(gè)核，肝細(xì)胞和心肌細(xì)胞可有雙核，破骨細(xì)胞可有6~50個(gè)細(xì)胞核，骨骼肌細(xì)胞可有數(shù)百個(gè)核。細(xì)胞核的主要結(jié)構(gòu)包括：①核被膜（nuclearenvelope）②核仁（nucleolus）③核基質(zhì)（nuclearmatrix）④染色質(zhì)（chromatin/chromosome）⑤核纖層（nuclearlamina）細(xì)胞核的主要結(jié)構(gòu)Nucleusstructure①核被膜②核仁③核基質(zhì)④染色質(zhì)⑤核纖層Nucleusstructure①核被膜②核仁③核基質(zhì)④染色質(zhì)⑤核纖層細(xì)胞核的主要功能有兩個(gè)方面：①遺傳:通過DNA染色體的復(fù)制和細(xì)胞分裂，維持物種的世代連續(xù)性;②發(fā)育:通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)的時(shí)空順序，控制細(xì)胞的分化，完成個(gè)體發(fā)育的使命。細(xì)胞核的主要功能第一節(jié)核被膜與核孔復(fù)合體

第二節(jié)染色質(zhì)

第三節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因活化

第四節(jié)染色體

第五節(jié)核仁第十章細(xì)胞核與染色體第一節(jié)核被膜與核孔復(fù)合體

Nuclearenvelope

andnuclearporecomplex核被膜是雙層膜結(jié)構(gòu)外核膜：常與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相通連，附有核糖體顆粒。核周隙：寬20~40nm，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通。核纖層：內(nèi)核膜內(nèi)表面的纖維網(wǎng)絡(luò)，支持核膜，并與染色質(zhì)、核骨架相連。Thenuclearenvelope電子顯微鏡下的核膜結(jié)構(gòu)圖NPC:nuclearporecomplex(核孔復(fù)合體)NM:nuclearmembrane(核膜)HC:heterochromatin(異染色質(zhì))核膜結(jié)構(gòu)示意圖核纖層(Lamina)核纖層由核纖肽構(gòu)成，屬于IF，分為A、B兩型。功能：1．保持核的形態(tài)：2．參與染色質(zhì)和核的組裝：M期核纖層被磷酸化，核膜解體。B型核纖肽與核膜殘余小泡結(jié)合，A型溶于胞質(zhì)。分裂末期，核纖肽去磷酸化重新組裝，介導(dǎo)核膜重建。核纖層ThestructureoflaminLamins核膜結(jié)構(gòu)示意圖核孔與核孔復(fù)合體

核孔是物質(zhì)運(yùn)輸?shù)耐ǖ?核內(nèi)蛋白在細(xì)胞質(zhì)中合成，通過核孔定向輸入細(xì)胞核；細(xì)胞核中合成的各類RNA、核糖體亞單位需要通過核孔輸出到細(xì)胞質(zhì)。由至少50種不同的蛋白構(gòu)成，稱為核孔復(fù)合體（nuclearporecomplex，NPC）。一般哺乳動(dòng)物細(xì)胞約3000個(gè)核孔。

在電鏡下觀察，核孔是呈圓形或八角形，結(jié)構(gòu)似fish-trap，主要包括以下幾個(gè)部分：①胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmicring），位于核孔復(fù)合體胞質(zhì)一側(cè)，環(huán)上有8條纖維伸向胞質(zhì)；②核質(zhì)環(huán)（nuclearring），位于核孔復(fù)合體核質(zhì)一側(cè)，上面伸出8條纖維，纖維端部與端環(huán)相連，構(gòu)成籠子狀的結(jié)構(gòu)；③轉(zhuǎn)運(yùn)器（transporter），核孔中央的一個(gè)栓狀的中央顆粒；④輻（spoke）：核孔邊緣伸向核孔中央的突出物。核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)TheNuclearPoreComplexCytoplasmicface:cytoplasmicparticlesNuclearface:basketinnercomplexBreakdownandreformationofnuclearenvelopeduringmitosis核質(zhì)交換的雙向選擇性親水通道。雙功能：被動(dòng)擴(kuò)散和主動(dòng)運(yùn)輸；雙向性：蛋白質(zhì)的入核轉(zhuǎn)運(yùn)和RNA及核糖核蛋白顆粒(RNP)的出核轉(zhuǎn)運(yùn)

。核孔復(fù)合體的功能核定位信號（NLS）：引導(dǎo)蛋白進(jìn)入細(xì)胞核，受體為importin，4-8個(gè)氨基酸組成，含Pro、Lys和Arg。完成核輸入后不被切除。第一個(gè)被確定的NLS是病毒SV40的T抗原，其NLS為：Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val通過核孔的物質(zhì)運(yùn)輸與信號序列有關(guān)信號介導(dǎo)的核輸入Normalpyruvate(丙酮酸)kinase:incytosolChimericpyruvatekinasecontainingSV40NLS:innucleusNLSdrivesproteinintonucleusProcessofNuclearImport大多數(shù)情況下，細(xì)胞核內(nèi)的RNA是與蛋白質(zhì)形成RNP復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞核的。RNP的蛋白質(zhì)上具有核輸出信號（nuclearexportsignal,NES），可與細(xì)胞內(nèi)的受體exportin結(jié)合，形成RNP-exportin-Ran-GTP復(fù)合體，輸出細(xì)胞核后，Ran-GTP水解，釋放出結(jié)合的RNA，Ran-GDP、exportin和RNP蛋白返回細(xì)胞核。信號介導(dǎo)的核輸出第二節(jié)染色質(zhì)/染色體1848年，Hofmeister發(fā)現(xiàn)于鴨跖草的小孢子母細(xì)胞。1879年，F(xiàn)lemming提出Chromatin。1888年，Waldeyer提出Chromosome。染色質(zhì)的化學(xué)組成組成：DNA、組蛋白、非組蛋白、少量RNA。細(xì)胞核DNA3種序列：①單一序列；②中度重復(fù)序列（101~5拷貝）；③高度重復(fù)序列（>105拷貝）。3種構(gòu)像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。3種基本元素：①自主復(fù)制序列(ARS)；②著絲粒序列(CEN)；③端粒序列(TEL)。酵母人工染色體(YeastArtificialChromosome，YAC)：含上述3種成分，用于轉(zhuǎn)基因。帶正電荷，含Arg，Lys，屬堿性蛋白，共5種，分為：核心組蛋白（corehistone）：H2A、H2B、H3、H4；連接組蛋白（linkerhistone）：H1。組蛋白(Histone)結(jié)構(gòu)：高度保守，尤其是H4。牛和豌豆H4的102個(gè)氨基酸中僅有2個(gè)不同。核心組蛋白由球形部和尾部構(gòu)成，球形部借Arg與磷酸二脂骨架間的靜電作用使DNA分子纏繞在組蛋白核心上，形成核小體，尾部含有大量Arg和Lys，為轉(zhuǎn)譯后修飾的部位,如乙?；⒓谆?、磷酸化等。H1多樣性，具有屬和組織特異性。組蛋白(Histone)StructuralorganizationofthecorehistonesTheAssemblyoftheCoreHistonesNoticethelongtailsoftheoctamer!TheAssemblyoftheCoreHistonesX-raydiffractionanalysesofcrystalstructureofanucleosomecoreparticleTailsprotrudingfromthecorehistones核心組蛋白尾部含有大量Arg和Lys，為轉(zhuǎn)譯后修飾的部位,如乙?；⒓谆?、磷酸化等。CovalentModificationofcorehistonetailsAcetylationoflysines；

Methylationoflysines；

Phosphorylationofserines.Ubiquitinationoflysines表觀遺傳學(xué)(epigenetics)ThefunctionofHistoneH1核心組蛋白高度保守的原因可能有兩個(gè)：其一是核心組蛋白中絕大多數(shù)氨基酸都與DNA或其它組蛋白相互作用，可置換而不引起致命變異的氨基酸殘基很少；其二是在所有的生物中與組蛋白相互作用的DNA磷酸二脂骨架都是一樣的。組蛋白(Histone)的保守性序列特異性DNA結(jié)合蛋白。特性：帶負(fù)電，屬酸性蛋白。整個(gè)細(xì)胞周期都合成，組蛋白只在S期合成。能識別特異DNA序列，結(jié)合藉氫鍵和離子鍵。功能：幫助DNA折疊、復(fù)制；調(diào)節(jié)基因表達(dá)。非組蛋白非組蛋白非組蛋白的特性:(1)種類和數(shù)量多樣性；

(2)識別DNA的特異性；

(3)功能多樣性。序列特異性DNA結(jié)合蛋白的不同結(jié)構(gòu)模式染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位－核小體EukaryotespackageDNAinChromatinandchromosomesChromosomesexistindifferentstatesthroughoutthelifeofacell：Chromatin:(Interphase)Fibers,10-30nmindiameter,Dispersedthroughthenucleus，

DNA+Proteins+RNA.Chromosomes:(Mphase)Celldivision,thesefiberscondenseandfoldintolarger,compactstructure從DNA到染色體--四級結(jié)構(gòu)從DNA到染色體核小體（nucleosome）：一種串珠狀結(jié)構(gòu)，由核心顆粒和連結(jié)線DNA兩部分組成，通過酶消化實(shí)驗(yàn)建立。核小體單位包括約200bp的DNA、一個(gè)組蛋白核心和一個(gè)H1。由H2A、H2B、H3、H4各兩分子形成八聚體，構(gòu)成核心顆粒；DNA分子以左手螺旋纏繞在核心顆粒表面，每圈80bp，共1.75圈，約146bp，兩端被H1鎖合；相鄰核心顆粒之間為一段60bp的連接DNA。Nucleosomesarethebasicunitofchromatinstructure3-Dofnucleosome：X-raydiffractionstudiesNature389:251,1997在低鹽親水介質(zhì)中展開的染色質(zhì)，示串珠狀的核小體（JA，Gall1981）Isolatedfrominterphasenucleus:30nmthickChromatinunpacked,showtheuncleosome人體的細(xì)胞核內(nèi)DNA是以螺旋和折疊的方式壓縮起來的，壓縮比例高達(dá)上萬倍。一、染色體包裝的多級螺旋模型二、染色體的骨架－放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型核小體：DNA螺旋纏繞組蛋白形成核小體，長度壓縮了7倍，形成直徑為10nm的纖維。螺線管：電鏡下可觀察直徑30nm的染色質(zhì)纖維，纖維由核小體螺旋化形成，每6個(gè)核小體繞一圈，構(gòu)成外徑30nm、內(nèi)徑為10nm的中空管，長度壓縮6倍。超螺線管：直徑0.4um的圓筒狀結(jié)構(gòu)，也稱單位線，40倍。染色體：超螺線管進(jìn)一步螺旋折疊形成染色體，5倍。染色體包裝的多級螺旋模型solenoid染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型

用高鹽或硫酸葡聚糖加肝素處理染色體，電鏡下看到一種網(wǎng)絡(luò)狀的染色體骨架結(jié)構(gòu)，由骨架伸出無數(shù)DNA側(cè)環(huán)。認(rèn)為30nm的纖維折疊為一系列的環(huán)（loop）結(jié)合在核骨架上（或稱染色體骨架），結(jié)合點(diǎn)是富含AT的區(qū)域，這種環(huán)狀的結(jié)構(gòu)散布于細(xì)胞核中。染色體的骨架－放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型Nucleoidspreadwith2l