第8章 細胞核與染色體

第八章細胞核(nucleus)與染色體(chromosome)細胞核的結(jié)構(gòu)組成

核被膜與核孔復(fù)合體

染色質(zhì)(chromatin)

染色體(chromosome)

核仁(nucleolus)

核基質(zhì)(nuclearmatrix)第一節(jié)核被膜與核孔復(fù)合體一.核被膜

外膜(outer),附有核糖體顆粒

內(nèi)膜(inner),含特有蛋白成份

核纖層(nuclearlamina)

核周間隙(perinuclearspace)

核孔(nuclearpore)

1.結(jié)構(gòu)組成2.核被膜的功能

天然選擇性屏障(1)避免生命活動的彼此干擾(2)保護DNA不受機械力的損傷

物質(zhì)交換與信息交流

新核膜來自舊核膜

去組裝是非隨機的,具有區(qū)域特異性

實驗?zāi)Ｐ?非洲爪蟾卵提取物

解體與組裝受細胞周期調(diào)控因子的調(diào)節(jié),可能與核纖層蛋白、核孔復(fù)合體蛋白的磷酸化與去磷酸化修飾有關(guān)3.核被膜的解體與組裝二.核孔復(fù)合體(NPC)(1)胞質(zhì)環(huán)(cytoplasmicring),外環(huán)(2)核質(zhì)環(huán)(nuclearring),內(nèi)環(huán)(3)輻(spoke)(4)中央栓(centralplug):transporter1.結(jié)構(gòu)模型NuclearenvelopesofXenopusoocytesvisualizedbyfieldemissionin-lensSEMCut-awaymodeloftheNPC

NPC三維結(jié)構(gòu)模型

八重對稱結(jié)構(gòu)

由八個輻環(huán)繞中央通道組裝而成

八個輻在核質(zhì)表面處與內(nèi)、外環(huán)相連NPC電鏡照片2.核孔復(fù)合體成份的研究

由蛋白質(zhì)構(gòu)成,MW約125

106

100余種多肽,1000多個分子3.核孔復(fù)合體的功能

雙向性親水通道

被動擴散

主動運輸Moleculartrafficthrough

NPCMostproteinsandRNAspassthroughNPCbyanactiveprocess.

親核蛋白的入核轉(zhuǎn)運機制

輸入蛋白(importin)

核質(zhì)蛋白(nucleoplasmin)

核定位信號(NLS)爪蟾卵母細胞核質(zhì)蛋白注射實驗親核蛋白入核轉(zhuǎn)運的過程

NLS與輸入蛋白結(jié)合→轉(zhuǎn)運復(fù)合物

與NPC的胞質(zhì)纖維結(jié)合

從胞質(zhì)面轉(zhuǎn)移到核質(zhì)面

與Ran-GTP結(jié)合,復(fù)合物解離,親核蛋白釋放

ProteinimportthroughNPC

RoleoftheRanproteininnuclearimport

轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的核輸出轉(zhuǎn)運有極性RNA-蛋白復(fù)合體

三.核纖層的結(jié)構(gòu)與功能核纖層蛋白

Ⅴ型中間纖維蛋白N及C端發(fā)生化學(xué)修飾核纖層的功能維持核的形態(tài)參與核膜的組裝和去組裝

第二節(jié)染色質(zhì)

染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成

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)一.

染色質(zhì)的概念及組成

染色質(zhì)(chromatin)間期細胞核內(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)

染色體(chromosome)細胞分裂過程中,由染色質(zhì)聚縮成的棒狀結(jié)構(gòu)染色質(zhì)與染色體的區(qū)別

兩者具有相同的化學(xué)組成,但包裝程度不同,構(gòu)象不同

細胞周期的不同階段,可以相互轉(zhuǎn)變1.染色質(zhì)DNA

基因組(genome)

單拷貝序列

中度重復(fù)序列

高度重復(fù)序列2.染色質(zhì)蛋白

組蛋白(histone)

非組蛋白(nonhistone)

非組蛋白的不同結(jié)構(gòu)模式(1)組蛋白

組成及功能

?H2B、H2A、H3和H4,結(jié)構(gòu)組分?H1:核小體間的連接

特點?結(jié)構(gòu)蛋白,富含Arg和Lys?進化上十分保守Fivemajortypesofhistones

incalfthymusHistoneMassResidueNoLys(%)Arg(%)H1H2AH2BH3H4225001396013774152731123621512912513510229111610111961314Nterminaltailsaresubjecttocovalentmodification-importantfortranscription(2)

非組蛋白

組成上的多樣性與異質(zhì)性

識別DNA的特異性

功能的多樣性非組蛋白的不同結(jié)構(gòu)模式

螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(helix-turn-helix)

鋅指結(jié)構(gòu)(zincfinger)

亮氨酸拉鏈(leucinezipper,ZIP)

螺旋-環(huán)-螺旋基序(helix-loop-helix,HLH)

HMG-框基序(HMG-boxmotif）a.螺旋的3個平面形成motifb.同源域結(jié)合于DNA分子的主溝Cys和His殘基結(jié)合在Zn2+上突出的氨基酸環(huán)形成指狀結(jié)構(gòu)

a.兩個螺旋間的Leu殘基形成二聚體b.拉鏈以外的區(qū)域成Y狀,以剪刀狀構(gòu)型與DNA結(jié)合螺旋-環(huán)-螺旋基序螺旋+轉(zhuǎn)角二聚體HMG-框基序(HMG-boxmotif）高遷移率族蛋白構(gòu)建因子二.核小體(nucleosome)1.主要實驗證據(jù)(1)鋪展染色質(zhì)的電鏡觀察(2)微球菌核酸酶消化(3)X射線晶體衍射(4)SV40微小染色體分析

beadsonastring-nucleosomefrominterphasenucleusRogerKornberg(1974):2006年諾貝爾化學(xué)獎得主串珠模型30nm

fiberX射線晶體衍射所揭示的核小體三維結(jié)構(gòu)

K.LugerNature1997,389:251

2602.核小體結(jié)構(gòu)要點(1)核小體單位:200bpDNA,1個八聚體,1分子H1(2)組蛋白八聚體構(gòu)成核小體的盤狀核心結(jié)構(gòu)(3)146bpDNA盤繞八聚體1.75圈,H1在核心顆粒外鎖住核小體DNA的進出端,穩(wěn)定核小體(4)相鄰核小體間以連接DNA相連,典型長度60bp(5)組蛋白與DNA間的相互作用無堿基序列特異性(6)核小體重塑影響基因表達Nucleosomeremodelinginfluencestheexpressionofindividualgenes三.染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型1.四級結(jié)構(gòu)模型(1)一級結(jié)構(gòu):核小體(2)二級結(jié)構(gòu):螺線管(solenoid)(3)三級結(jié)構(gòu):超螺線管(supersolenoid)(4)四級結(jié)構(gòu):染色單體(chromatid)

7

6

40

5

DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體The30-nmfiber:ahigherlevelofchromatinstructure

2.染色體的骨架-放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型(1)非組蛋白構(gòu)成的染色體骨架和由骨架伸出的無數(shù)的DNA側(cè)環(huán)(2)30nm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)(3)由螺線管形成DNA復(fù)制環(huán),每18個復(fù)制環(huán)呈放射狀平面排列,結(jié)合在核基質(zhì)上形成微帶,約106個微帶沿縱軸構(gòu)建成子染色體HeLa細胞去除組蛋白的中期染色體電鏡照片3.染色體包裝的不同組織水平四.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因轉(zhuǎn)錄1.DNA酶超敏位點

活性染色質(zhì)

非活性染色質(zhì)2.活性染色質(zhì)主要特征(1)具有DNaseI超敏位點(2)在生化上具有特殊性

很少有組蛋白H1與其結(jié)合；

組蛋白乙?；潭雀撸?/p>

H2B很少磷酸化,H2A很少變異；

具有獨特的HMG14和HMG17組分3.組蛋白的化學(xué)修飾乙?；姿峄谆核鼗?常染色質(zhì)和異染色質(zhì)1.常染色質(zhì)(euchromatin)(1)概念:間期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低,處于伸展狀態(tài),用堿性染料染色時著色較淺的染色質(zhì)(2)組成:單一序列和中度重復(fù)序列(3)DNA包裝比約為1/20001/1000(4)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2.異染色質(zhì)(heterochromatin)(1)概念:間期細胞核中,折疊壓縮程度高,處于聚縮狀態(tài)的染色質(zhì)組分(2)類型

組成型異染色質(zhì)(constitutive

)

兼性異染色質(zhì)(facultative

)InterphaseChromatin組成型異染色質(zhì)

除復(fù)制期以外,整個細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①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;②由相對簡單、高度重復(fù)的DNA序列構(gòu)成;③具有顯著的遺傳惰性,不轉(zhuǎn)錄;④復(fù)制行為:晚復(fù)制早聚縮；⑤功能:參與染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成兼性異染色質(zhì)

在某些細胞類型或一定的發(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),如哺乳類X染色體失活

異染色質(zhì)化可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑TheinactiveXchromosome:anexampleoffacultativeheterochromatin第三節(jié)染色體中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)1.中期染色體的類型(1)中著絲粒染色體(metacentricCS)(2)亞中著絲粒染色體(submetacentricCS)(3)亞端著絲粒染色體(subtelocentricCS)(4)端著絲粒染色體(telocentricCS)

2.染色體的主要結(jié)構(gòu)著絲粒與動粒(2)次縊痕(3)核仁組織區(qū)(NOR)(4)隨體(satellite)(5)端粒(telomere)著絲粒的結(jié)構(gòu)組成(1)動粒結(jié)構(gòu)域

內(nèi)板(innerplate)

中間間隙(middlespace)

外板(outerplate)

纖維冠(fibrouscorona)(2)中央結(jié)構(gòu)域(centraldomain)

CENP-E盒與動粒蛋白(3)配對結(jié)構(gòu)域(pairingdomain)

內(nèi)部著絲粒蛋白INCENP

染色單體連接蛋白clips著絲粒結(jié)構(gòu)示意圖動粒(kinetochore)TheDrosophilacentromereconsistsoftwosatellitesequences,transposableelements,andnonrepetitiveDNATheFunctionsofcentromeresRequiredforchromosomestabilitySisterchromatidpairingMitoticandmeioticspindleattachmentChromosomemovementCellcyclecheckpointcontrol

Theimportanceoftelomeraseinmaintainingchromosomeintegrity二.染色體DNA的三種功能元件1.自主復(fù)制序列(ARS)

一段11-14bp富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的區(qū)域酵母的AR