細(xì)胞生物學(xué)課件：第9章間期細(xì)胞核和染色體3-5節(jié)

第三節(jié)中期染色體在細(xì)胞周期的大部分時(shí)間里，遺傳物質(zhì)以染色質(zhì)的形式存在。

30nm粗纖維不是染色體的恒定結(jié)構(gòu)，在整個(gè)細(xì)胞周期過(guò)程中，染色體進(jìn)行著凝縮和松展的周期性變化。在細(xì)胞有絲分裂的中期，形成高度凝縮的染色體，這種具有特定形態(tài)結(jié)構(gòu)的染色體稱為中期染色體。中期染色體結(jié)構(gòu)的形成：DNA雙螺旋10納米核小體絲（一級(jí)結(jié)構(gòu)）30納米粗纖維（二級(jí)結(jié)構(gòu)）30nm粗纖維螺旋化形成超粗纖維（三級(jí)結(jié)構(gòu)）超粗纖維染色體進(jìn)一步螺旋折疊,形成染色單體（四級(jí)結(jié)構(gòu)）。

壓縮7倍壓縮6倍壓縮40倍DNA———→核小體———→螺線管———

→超螺線壓縮5倍管———→染色單體

一個(gè)典型的有絲分裂中期的染色體近末端區(qū)域的掃描電鏡照片一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)：1、中期染色體上的區(qū)域：

染色體的較細(xì)處稱為縊痕。其中著絲粒處的縊痕稱為主縊痕；除著絲粒處的主縊痕外，其它處的縊痕叫次縊痕；有的染色體在一末端附近有一次縊痕，有組織核仁的功能，稱核仁組織區(qū)，這種有核仁組織區(qū)的染色體叫核仁組織染色體。染色體臂：染色體由著絲粒劃分為兩部分，即兩個(gè)臂。一條中期染色體——兩條姊妹染色單體兩條姊妹染色單體——著絲粒相連隨體次縊痕主縊痕端粒著絲粒染色體各部分的名稱根據(jù)著絲粒的位置將染色體分四種：中著絲粒染色體；近中著絲粒染色體；近端著絲粒染色體；端著絲粒染色體。2、染色體倍性變化情況各種生物的體細(xì)胞的染色體一般成對(duì)存在，每一對(duì)染色體的形狀、大小和著絲粒的位置相同，這一對(duì)染色體互稱為同源染色體。體細(xì)胞的染色體組為二倍體（diploid)，2n表示；成熟的生殖細(xì)胞中染色體數(shù)為體細(xì)胞的一半，稱為單倍體(haploid)，1n表示。有些物種的染色體成倍增加形成多倍體(polyploid)，用4n、6n、8n等表示。染色體的數(shù)目因物種而異，如人類2n=46，黑猩猩2n=48，果蠅2n=8，家蠶2n=56，水稻2n=24，洋蔥2n=16.不同生物物種的染色體數(shù)目相對(duì)恒定，對(duì)保持物種的穩(wěn)定性有重要意義。一般，正常細(xì)胞的染色體呈整倍性（n的整倍數(shù)），但一些轉(zhuǎn)化細(xì)胞如腫瘤細(xì)胞的染色體數(shù)往往呈非整倍性（一般大于2n）。相應(yīng)的名詞：染色體組(chromosomecomplement)：指一個(gè)配子或合子核，或體細(xì)胞所攜帶的全部染色體，故可指單倍體，也可指二倍體或多倍體所含的全部染色體。染色體套(chromosomeset)—在真核生物中由物種的必需染色體各1條所組成的有活力的最小染色體組。在基本染色體套中的染色體數(shù)稱為基數(shù)，一般染色體套代表1n染色體?；蚪M(genome)—真核生物1個(gè)物種的基本染色體套所含的全部基因。3、染色體主要區(qū)域的分子結(jié)構(gòu)（A）著絲粒和動(dòng)粒

著絲粒是染色體的一個(gè)特殊分化區(qū)域，由富含重復(fù)堿基序列的DNA異染色質(zhì)組成，此處的染色體較細(xì)，稱為主縊痕。著絲粒為有絲分裂時(shí)紡錘絲附著的部位，但紡錘絲并不直接和著絲粒相連，而是連接在著絲粒一側(cè)的盤狀蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上，這一結(jié)構(gòu)稱為動(dòng)?；蛑z盤(kinetochore)。動(dòng)粒的類型和組成：a.三層式結(jié)構(gòu):動(dòng)物和少數(shù)低等植物b.杯球狀：高等植物三層式動(dòng)粒的結(jié)構(gòu)-中間密度小，兩側(cè)密度大內(nèi)層：40-60nm，同著絲粒緊密相連。中間間隙：25-30nm,無(wú)定形結(jié)構(gòu)。外層：40-60nm，與紡錘絲微管相連。{著絲粒（centromere）和動(dòng)粒（kinetochore）是兩個(gè)不同的概念。著絲粒指中期染色單體相互聯(lián)系在一起的特殊部位。動(dòng)粒指主縊痕處兩個(gè)染色單體外側(cè)表層部位的特殊結(jié)構(gòu)，它與紡錘絲微管相接觸。動(dòng)粒和著絲粒在結(jié)構(gòu)和功能以及空間位置上具有密切關(guān)系，哺乳動(dòng)物細(xì)胞中染色體的主縊痕稱為著絲粒-動(dòng)粒復(fù)合體：含3個(gè)結(jié)構(gòu)域，即：動(dòng)粒結(jié)構(gòu)域（kinetochoredomain）、中心結(jié)構(gòu)域（centraldomain）、配對(duì)結(jié)構(gòu)域（paringdomain）。動(dòng)粒結(jié)構(gòu)域——位于著絲粒的外表面直徑：0.2--0.5um結(jié)構(gòu)：動(dòng)粒三層結(jié)構(gòu)內(nèi)板：與中心域的著絲粒異染色質(zhì)結(jié)合中間間隙：電子密度低外板：與微管纖維結(jié)合三層結(jié)構(gòu)外：纖維冠（微管蛋白構(gòu)成）：有摩托蛋白，如胞質(zhì)Dynein，為染色體的分離提供動(dòng)力。

中央結(jié)構(gòu)域—著絲粒主體，位于動(dòng)粒結(jié)構(gòu)域的下方，由高度重復(fù)序列DNA和著絲粒蛋白構(gòu)成，對(duì)著絲粒-動(dòng)粒復(fù)合體的形成和正常功能活性的維持有重要作用。配對(duì)結(jié)構(gòu)域：位于著絲粒結(jié)構(gòu)的內(nèi)層，中期兩條染色單體在此處相互連結(jié)，在此區(qū)域發(fā)現(xiàn)有兩類蛋白，一類為內(nèi)著絲粒蛋白INCENP（innercentromereprotein），另一類為染色單體連接蛋白CLIP（chromatidlinkingprotein），對(duì)染色體的配對(duì)連接和分離有重要作用。（B）端粒染色體端部的一種特化結(jié)構(gòu)，由端粒DNA和端粒蛋白構(gòu)成，其生物學(xué)作用在于維持染色體的穩(wěn)定性，保證DNA的完全復(fù)制和參與染色體在核內(nèi)的分布有關(guān)。用X射線將染色體打斷，不具端粒的染色體末端有粘性，會(huì)與其它片段相連或兩端相連而成環(huán)狀。熒光原位雜交顯示的端粒（上）和端粒序列（下）四膜蟲(chóng)

端粒由高度重復(fù)的短序列串聯(lián)而成，在進(jìn)化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似。正常細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂時(shí)，端粒的長(zhǎng)度會(huì)相應(yīng)縮短，達(dá)到一定臨界長(zhǎng)度時(shí)，阻止細(xì)胞的進(jìn)一步分裂，細(xì)胞將衰老死亡，端粒起到細(xì)胞分裂計(jì)時(shí)器的作用，其長(zhǎng)度決定了細(xì)胞分裂的次數(shù)和壽命。端粒核苷酸復(fù)制和基因DNA不同，每復(fù)制一次減少50-100bp，其復(fù)制要靠具有反轉(zhuǎn)錄酶性質(zhì)的端粒酶（telomerase）來(lái)完成，正常體細(xì)胞缺乏此酶，故隨細(xì)胞分裂端粒變短，細(xì)胞隨之衰老。（C）次縊痕：除著絲粒區(qū)主縊痕以外的其它縊痕。此處部分DNA松解，變細(xì)而形成。次縊痕的數(shù)目、位置和大小相對(duì)穩(wěn)定，可作為鑒定某條染色體標(biāo)志。有些次縊痕可以形成核仁組織區(qū)。（D）核仁組織區(qū)（NORs）核仁組織區(qū)位于染色體的次縊痕區(qū)，但并非所有的次縊痕都是NORs。核仁組織區(qū)是核糖體RNA基因所在的區(qū)域，其精細(xì)結(jié)構(gòu)呈燈刷狀，可伸出DNA環(huán)（含有主體rRNA的基因），為rRNA的合成提供模板，可活躍合成28S、18S和5.8SrRNA。核仁組織者中心形成核仁

核仁組織染色體（E）隨體：位于染色體末端的球形或圓柱形染色體節(jié)段，通過(guò)次縊痕區(qū)與染色體主體部分相連，是識(shí)別染色體的重要特征之一。位于染色體末端的隨體稱為端隨體，位于兩個(gè)次縊痕中間的稱中間隨體。二、染色體DNA的關(guān)鍵序列：染色體在細(xì)胞世代中要保持穩(wěn)定，需要具有自主復(fù)制、保證復(fù)制的完整性且平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中的能力，這就需要染色體DNA具有發(fā)揮這些能力的結(jié)構(gòu)序列。包括：自主復(fù)制DNA序列；著絲粒DNA序列；端粒DNA序列。①自主復(fù)制序列(autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS)，具有DNA復(fù)制的起點(diǎn)，能夠確保染色體在細(xì)胞周期中能夠自我復(fù)制，保證染色體在世代傳遞中具有穩(wěn)定性和連續(xù)性。真核生物的染色體具有多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，保證染色體的快速?gòu)?fù)制。酵母基因組含200-400個(gè)自主復(fù)制序列，大多數(shù)具有一個(gè)11-14bp富含AT的高度保守序列，此序列及其上游和下游約200bp的區(qū)段對(duì)自主復(fù)制序列的功能是必需的。②著絲粒DNA序列(centromereDNAsequence,CEN)，由大量串聯(lián)的重復(fù)序列組成，如α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)確地平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中。③端粒序列(telomereDNAsequence,TEL)，不同生物的端粒序列都很相似，由長(zhǎng)5-10bp的重復(fù)單位串聯(lián)而成。確保DNA鏈的完整復(fù)制，進(jìn)而保證染色體的獨(dú)立性和遺傳穩(wěn)定性。染色體的三種基本序列三、特殊染色體某些細(xì)胞在發(fā)育的某個(gè)階段會(huì)出現(xiàn)一些體積很大的特殊染色體，如多線染色體和燈刷染色體。1、多線染色體1881年意大利的Balbiani發(fā)現(xiàn)于雙翅目搖蚊幼蟲(chóng)的唾腺細(xì)胞。其特點(diǎn)是：①體積巨大，比其它體細(xì)胞染色體長(zhǎng)100-200倍，體積大1000-2000倍，這是由于核內(nèi)有絲分裂的結(jié)果，即染色體多次復(fù)制而不分離。②多線性，每條多線染色體由500-4000條解旋的染色體合并在一起形成。③同源染色體緊密配對(duì)，并合并成一個(gè)染色體。④橫帶紋，染色后呈現(xiàn)出明暗相間的帶紋，由平行排列的染色質(zhì)纖維彼此對(duì)應(yīng)包裝而成。帶的顏色比較暗是因?yàn)榇颂幦旧|(zhì)纖維的凝集程度高或者結(jié)合的蛋白多，或者兩者兼有。⑤膨突和環(huán)，在幼蟲(chóng)發(fā)育的某個(gè)階段，多線染色體的某些帶區(qū)疏松膨大，形成脹泡（puff），或巴氏環(huán)（大的脹泡）（Balbianiring）。脹泡是基因活躍轉(zhuǎn)錄的形態(tài)學(xué)標(biāo)志，是基因正在進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的表現(xiàn)。果蠅幼蟲(chóng)唾液腺多線染色體唾腺染色體2、燈刷染色體這種染色體最早發(fā)現(xiàn)于魚(yú)類、兩棲類和爬行類卵母細(xì)胞減數(shù)分裂的雙線期。由于染色體主軸兩側(cè)有側(cè)環(huán)，狀如燈刷，故名燈刷染色體。由兩條同源染色體組成，在交叉處結(jié)合，每條同源染色體含2條染色單體。軸上有一些染色粒，代表染色質(zhì)緊密螺旋化的部位。同時(shí)兩條染色單體向兩邊伸出許多側(cè)環(huán)，側(cè)環(huán)是RNA活躍轉(zhuǎn)錄的區(qū)域。燈刷染色體四分體二價(jià)體染色質(zhì)側(cè)環(huán)染色粒轉(zhuǎn)錄單位/側(cè)環(huán)B染色體和大腸桿菌染色體（156-157）第四節(jié)核仁核仁（necleolus）見(jiàn)于間期的細(xì)胞核內(nèi)，呈圓球形，核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近內(nèi)核膜，核仁的數(shù)量和大小因細(xì)胞種類和功能而異一般蛋白質(zhì)合成旺盛和分裂增殖較快的細(xì)胞有較大和數(shù)目較多的核仁，反之核仁很小或缺失。一般1-2個(gè)，也有多達(dá)3-5個(gè)的。一、核仁超微結(jié)構(gòu)

電鏡下可見(jiàn)，核仁與其它的細(xì)胞器不同，周圍沒(méi)有界膜包圍，由5部分組成：a.顆粒組分；b.原纖維中心（纖絲中心）；c.致密纖維組分（致密纖絲成分）；d.核仁結(jié)合染色質(zhì)；e.核仁基質(zhì)。1、顆粒組分：位于核仁邊緣部分，是核仁的主要結(jié)構(gòu)。由直徑15-20nm的顆粒構(gòu)成，是不同加工階段的核糖體亞單位前體（RNP）。2、原纖維中心（纖絲中心）：由直徑5-10nm的原纖維組成。存在裸露的rDNA分子、rRNA轉(zhuǎn)錄物、RNA聚合酶I和結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子。3、致密纖維組分（致密纖絲成分）：以環(huán)形或半月形圍繞在原纖維中心的周圍，新合成的RNP，即結(jié)合蛋白質(zhì)的rRNA。轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在原纖維中心與致密纖維組分的交界處。4、核仁結(jié)合染色質(zhì)：核仁染色質(zhì)分為兩部分：一部分位于核仁周圍，稱為核仁周染色質(zhì)，屬異染色質(zhì)；一部分位于核仁內(nèi)，稱為核仁內(nèi)染色質(zhì)，為常染色質(zhì)，是rDNA所在的位置。5、核仁基質(zhì)：懸浮前4種成分的無(wú)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)性溶液。核仁結(jié)構(gòu)原纖維中心致密纖維成分顆粒成分二、核仁功能

1、核仁是rRNA轉(zhuǎn)錄，前體rRNA的加工和核糖體亞單位組裝的場(chǎng)所。

2、參與許多核內(nèi)及核質(zhì)間的運(yùn)輸過(guò)程，包括核糖體蛋白及5SrRNA的運(yùn)進(jìn)和核糖體亞單位的運(yùn)出核仁。3、端粒酶和信號(hào)識(shí)別顆粒的裝配，tRNA的加工完成。4、核仁具有一些重要的調(diào)節(jié)功能，如參與細(xì)胞周期調(diào)控，在細(xì)胞增殖及存活方面發(fā)揮重要作用。參與剪接的rRNA和Pr的循環(huán)利用核糖體的組裝三、核仁周期

核仁結(jié)構(gòu)是高度動(dòng)態(tài)變化的，在細(xì)胞周期中發(fā)生解體和重建的規(guī)律性變化。當(dāng)rRNA基因轉(zhuǎn)錄活躍時(shí)圍繞著由核仁組織區(qū)伸展開(kāi)的rDNA環(huán)形成了核仁。分裂間期——核仁明顯分裂前期——核仁開(kāi)始變小消失分裂中期、后期——核仁完全消失分裂末期——核仁重建，一些小的前核仁體（PNB）聚集在核仁組織區(qū)周圍。到G1期融合形成新的核仁。第五節(jié)核質(zhì)、核體及核骨架一、核質(zhì)間期細(xì)胞核中，在染色質(zhì)和核仁的周圍的無(wú)定形的著色淺的液體。其中存在著一些由RNA和蛋白質(zhì)組成的顆粒狀和細(xì)絲狀物質(zhì)。二、核體存在于核基質(zhì)（骨架）中的異質(zhì)性核內(nèi)（核質(zhì)）結(jié)構(gòu)集合體。包括含有球形和纖維狀物質(zhì)的多個(gè)結(jié)構(gòu)域排列成卷曲小體、囊、球或環(huán)狀結(jié)構(gòu)。核基質(zhì)是核體的結(jié)構(gòu)支架。核體參與前體mRNA的合成、加工、剪接、包裝、核內(nèi)運(yùn)輸、向核孔的運(yùn)送及其向胞質(zhì)的運(yùn)輸。三、核骨架狹義上講核骨架是指核內(nèi)的一個(gè)纖維蛋白性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，即核基質(zhì)，指去除核被膜、核纖層-核孔復(fù)合體體系、染色體骨架及核仁以外的核內(nèi)網(wǎng)架體系。廣義：核骨架包括核基質(zhì)、核纖層-核孔復(fù)合體體系、殘存的核仁、染色體骨架。核骨架不僅對(duì)于維持細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)及核內(nèi)的有序組織起著重要作用，而且參與核內(nèi)DNA的復(fù)制、基因表達(dá)以及染色體的構(gòu)建等。此外核骨架與細(xì)胞分化、細(xì)胞癌變以及病毒感染等過(guò)程都有關(guān)。

四、核基質(zhì)形態(tài)結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成核基質(zhì)纖維粗細(xì)不等，直徑為3-30nm，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與核纖層、核孔復(fù)合體相接，將染色質(zhì)和核仁包圍在其中。核基質(zhì)-核纖層-中間纖維三者相互聯(lián)系形成一個(gè)貫穿于核、質(zhì)間的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)較微管、微絲具有更高的穩(wěn)定性。構(gòu)成核基質(zhì)的蛋白成分比較復(fù)雜，目前已知的有四類蛋白：核基質(zhì)蛋白，構(gòu)成核基質(zhì)的主要成分；Nuc2+蛋白，在分裂期染色體的分離過(guò)程中起作用；核內(nèi)肌動(dòng)蛋白，很可能在mRNA的合成過(guò)程中起作用；附著區(qū)結(jié)合蛋白，與DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維持有關(guān)。

核基質(zhì)的生物學(xué)功能：（1）與DNA復(fù)制有關(guān)為DNA的復(fù)制提供空間支架和基本位點(diǎn)，DNA是以復(fù)制環(huán)的形式錨定在核骨架上的，核骨架上有DNA復(fù)制所需要的酶，如：DNA聚合酶α、DNA引物酶、DNA拓樸異構(gòu)酶II等。DNA的自主復(fù)制序列（ARS）也是結(jié)合在核骨架上。（2）與RNA轉(zhuǎn)錄和加工有關(guān)核基質(zhì)是基因轉(zhuǎn)錄加工的場(chǎng)所，RNA的轉(zhuǎn)錄同樣需要DNA錨定在核骨架上才能進(jìn)行，核骨架上有RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)，使之固定于核骨架上，RNA的合成是在核骨架上進(jìn)行的。新合成的RNA也結(jié)合在核骨架上，并在這里進(jìn)行加工和修