第八講細胞核、核糖體與基因表達

第八講

細胞核、核糖體與基因表達2015.11.19當前第1頁\共有44頁\編于星期五\23點細胞核當前第2頁\共有44頁\編于星期五\23點基因（gene）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(basepairs，bp)。當前第3頁\共有44頁\編于星期五\23點基因如何控制形狀？等位基因（allele）：同源染色體（homologouschromosomes）的相同位置上，控制相對性狀的一對基因。當前第4頁\共有44頁\編于星期五\23點非編碼區(qū)（non-codingDNA）生物種類基因組（M）基因總數(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當前第5頁\共有44頁\編于星期五\23點細胞核結構當前第6頁\共有44頁\編于星期五\23點細胞核結構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。

結構與功能對應當前第7頁\共有44頁\編于星期五\23點

（一）核被膜（nuclearenvelope）核膜：雙層膜，外膜延伸與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連控制蛋白質(zhì)合成核周間隙（perinuclearspace）核纖層（nuclearlamina）：纖維蛋白，緊貼內(nèi)層膜核孔（nuclearporecomplex,NPC）當前第8頁\共有44頁\編于星期五\23點當前第9頁\共有44頁\編于星期五\23點核被膜功能保護“司令部”分隔核質(zhì)物質(zhì)信息交流當前第10頁\共有44頁\編于星期五\23點核孔復合體NPC在核被膜上非隨機地分布，穿過雙層核膜，構成核質(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)錄活性有關哺乳類細胞平均約11個／μm2；人淋巴細胞3-4個／μm2，

Hela細胞46±8個／μm2；爪蟾卵母細胞高達51個／μm2NPC分子量？核孔復合體主要由蛋白質(zhì)構成，其總相對分子質(zhì)量約為125×106，推測可能含有100余種不同的多肽，共1000多個蛋白質(zhì)分子。當前第11頁\共有44頁\編于星期五\23點①胞質(zhì)環(huán)(cytoplasmicring)：外環(huán)，環(huán)上8條短纖維對稱分布伸向胞質(zhì)；②核質(zhì)環(huán)(nuclearring)：內(nèi)環(huán)，8條細長的纖維末端形成一個直徑為60nm的小環(huán)；與核質(zhì)“cable”的網(wǎng)絡通道相連通。③輻(spoke)：呈輻射狀八重對稱。分為三個結構域：柱狀亞單位(columnsubunit)、腔內(nèi)亞單位(luminalsubunit)、環(huán)帶亞單位(annularsubunit)；④栓：或稱中央栓(centralplug)，呈顆粒狀或棒狀，又稱為中央顆粒(centralgranule)。當前第12頁\共有44頁\編于星期五\23點核藍(nuclearbasket)/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)絡當前第13頁\共有44頁\編于星期五\23點當前第14頁\共有44頁\編于星期五\23點核纖層（nuclearlamina）的功能1.為核被膜、核孔復合體及染色質(zhì)提供結構支持。2.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)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。當前第15頁\共有44頁\編于星期五\23點（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當前第16頁\共有44頁\編于星期五\23點（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)。由DNA、蛋白質(zhì)（組蛋白和非組蛋白）和少量RNA組成。染色質(zhì)類型：常染色質(zhì)、異染色質(zhì)染色質(zhì)成分：DNA分子+蛋白蛋白質(zhì)：組蛋白、非組蛋白染色質(zhì)結構：

念珠狀細絲

核小體：4對組蛋白（H2A、H2B、H3、H4）構成核心，DNA分子鏈纏繞在核心外

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)活化過程中起作用當前第17頁\共有44頁\編于星期五\23點chromosome當前第18頁\共有44頁\編于星期五\23點常染色質(zhì)(euchromatin)

概念：在有絲分裂完成之后,能夠轉(zhuǎn)變成間期松散狀態(tài)的染色體部分。常染色質(zhì)在分裂期染色深,但在間期染色淺。一般而言,常染色質(zhì)是具有轉(zhuǎn)錄活性區(qū),是基因區(qū)。異染色質(zhì)(heterochromatin)概念：在有絲分裂完成之后,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色質(zhì)在整個間期仍然保持壓縮狀態(tài)，將這種染色質(zhì)稱為異染色質(zhì)。當前第19頁\共有44頁\編于星期五\23點組蛋白(histone)真核生物染色體的基本結構蛋白，是一類小分子堿性蛋白質(zhì),有五種類型：H1、H2A、H2B、H3、H4，它們富含帶正電荷的堿性氨基酸，能夠同DNA中帶負電荷的磷酸基團相互作用。染色質(zhì)中的組蛋白與DNA的含量之比為1:1。組蛋白的基因非常保守。親緣關系較遠的種屬中，四種組蛋白(H2A、H2B、H3、H4)氨基酸序列都非常相似,如海膽組織H3的氨基酸序列與來自小牛胸腺的H3的氨基酸序列間只有一個氨基酸的差異,小牛胸腺的H3的氨基酸序列與豌豆的H3也只有4個氨基酸不同。不同生物的H1序列變化較大，在某些組織中，H1被特殊的組蛋白所取代。如成熟的魚類和鳥類的紅細胞中H1則被H5所取代，精細胞中則由精蛋白代替組蛋白。當前第20頁\共有44頁\編于星期五\23點非組蛋白(nonhistoneproteins)非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:DNA作為底物的酶。作用于組蛋白的一些酶,如組蛋白甲基化酶。DNA結合蛋白、組蛋白結合蛋白和調(diào)節(jié)蛋白。非組蛋白常常與DNA或組蛋白結合，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。當前第21頁\共有44頁\編于星期五\23點DNA與染色質(zhì)小體、染色質(zhì)、染色體的關系組蛋白H1和核小體結構又稱染色質(zhì)小體(chromotosome)當前第22頁\共有44頁\編于星期五\23點染色體DNA的3種功能元件（functionnalelements）DNA復制起點，自主復制序列（autonomouslyreplicatingsequence，ARS）：自我復制，細胞世代傳遞連續(xù)性著絲粒（centromere，CEN）：已復制染色體平均分配到子細胞端粒（telomere，TEL）：“末端復制問題”，telomerase當前第23頁\共有44頁\編于星期五\23點巨大染色體（giantchromosome）多線染色體（ploytenechromosome）燈刷染色體（lamp-brushchromosome）當前第24頁\共有44頁\編于星期五\23點核型（karyotype）分析核型/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。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像稱為核型模式圖（idiogram）。核型分析對于探討人類遺傳病的機制、物種親緣關系與進化、遠緣雜交的鑒定等具有重要意義。當前第25頁\共有44頁\編于星期五\23點（三）核基質(zhì)（nuclearmatrix）形態(tài)：纖維網(wǎng)狀成分：蛋白質(zhì)功能：對核有支持作用，染色質(zhì)附著點，與DNA復制和基因表達密切相關。核基質(zhì)是由蛋白質(zhì)組成的細胞核內(nèi)的網(wǎng)絡結構，分布在整個細胞核內(nèi)，參與和支持DNA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)的結構等，作用方式主要是提供作用位點。這種結構又稱為核骨架（nuclearskeleton）。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)上不同的亞核結構域（subnucleardomain），統(tǒng)稱核體（nuclearbodies，NBs）。當前第26頁\共有44頁\編于星期五\23點（四）核仁（nucleolus）真核細胞間期核中最明顯的結構。是細胞核內(nèi)rRNA轉(zhuǎn)錄、加工，并組裝成核糖體亞基的功能結構區(qū)域。核仁的大小、形狀和數(shù)目隨生物的種類、細胞類型和細胞代謝狀態(tài)而變化。核仁中主要含蛋白質(zhì)(80%)、RNA(10%)、少量DNA和脂類。結構特點：(1)沒有膜包被；

(2)具核仁周期。

當前第27頁\共有44頁\編于星期五\23點核仁分布、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(ribosomebiogenesis)是一個向量過程(vetoricalprocess)：從核仁纖維組分開始，再向顆粒組分延續(xù)。這一過程包括rRNA的合成、加工和核糖體亞單位的裝配。

當前第28頁\共有44頁\編于星期五\23點

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(ribonucleoproteinparticle,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)無核糖體當前第29頁\共有44頁\編于星期五\23點

核糖體類型分布結合核糖體((membrane)boundribosome)

糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(roughendoplasmicreticulum,ER)

游離核糖體(freeribosome)滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(smoothER)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當前第30頁\共有44頁\編于星期五\23點

核糖體組成結構differencebetweenprokaryoteandeukaryote？

prokaryotic/eukaryotic(cell)S:Svedberg,sedimentationrate/coefficient沉降系數(shù)

當前第31頁\共有44頁\編于星期五\23點

核糖體組成結構Atomicstructure:50SSubunitfrom

Haloarculamarismortui,30SSubunitfrom

Thermusthermophilus.

ProteinsareshowninblueandthesingleRNAchaininorange.Thesmallpatchofgreeninthecenterofthesubunitistheactivesite.當前第32頁\共有44頁\編于星期五\23點rRNA、rDNA在物種鑒定中的作用核糖體小亞單位rRNA的二級結構(a)E.coli16SrRNA；（紅色為高度保守區(qū)）(b)Yeast18SrRNA，它們都具有類似的40個臂環(huán)結構，其長度和位置往往非常保守。prokaryote：16SrRNAeukaryote：18S+5.8S+28SrDNA當前第33頁\共有44頁\編于星期五\23點中心法則geneticcentraldogmaDNAreplication,transcription,translation當前第34頁\共有44頁\編于星期五\23點Okazakifragment岡崎片段DNA的半保留復制(semi-conservativereplication)DNA的半連續(xù)復制(semi-discontinuousreplication)telomereandtelomerase?當前第35頁\共有44頁\編于星期五\23點post-transcriptionalprocessing轉(zhuǎn)錄后加工prokaryote多順反子/操縱子operonpre-mRNAprocessinghnRNA(heterogeneousRNA)exon-intron5’capping3’polyAaddingIntronsplicingmaturemRNA當前第36頁\共有44頁\編于星期五\23點密碼子簡并性，wobblehypothesis搖擺假說當前第37頁\共有44頁\編于星期五\23點Initiationcodon起始密碼子：主要為AUG(Met甲硫氨酸/蛋氨酸)；少數(shù)細菌以GUG(Val纈氨酸)或UUG(Leu亮氨酸)為起始密碼；線粒體和葉綠體以AUG、AUU、AUA