第八章 细胞核与染色体

第八章细胞核与染色体1NuclearEnvelopeNuclearEnvelope,位于间期细胞核的最外层，是细胞核和细胞质之间的界膜。生物学意义：一方面构成核、质之间的天然选择性屏障；避免生命活动的彼此干扰；保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤。另一方面介导核质之间的物质交换与信息交流。是包在核外的双层膜结构。它将DNA与细胞质分隔开，形成核内特殊的微环境，保护DNA分子免受损伤；使DNA的复制和RNA的翻译表达在时空上分隔开来；此外染色体定位于核膜上，有利于解旋、复制、凝缩、平均分配到子核，核被膜还是核质物质交换的通道。1.1核被膜是双层膜结构1.1.1Structure外核膜outernuclearmembrane，附有核糖体颗粒内核膜innernuclearmembrane，有特有的蛋白成份（如LBR）核纤层nuclearlamina核周间隙perinuclearspace核孔nuclearpore核纤层：位于内核膜的内表面的纤维网络，可支持核膜，并与染色质及核骨架相连。核纤层由核纤层蛋白（lamin）构成，lamin是一类中间纤维，分为A、B两型。核纤层的作用：1．保持核的形态：2．参与染色质和核的组装：核纤层在细胞分裂时呈现出周期性的变化，在间期核中，核纤层提供了染色质（异染色质）在核周边锚定的位点。在前期结束时，核纤层被磷酸化，核膜解体。其中B型核纤肽与核膜残余小泡结合，A型溶于胞质中。在分裂末期，核纤肽去磷酸化重新组装，介导了核膜的重建。1.1.2核被膜在细胞周期中的崩解与装配新核膜来自旧核膜，且核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性domain-specific。1.2NuclearPoreComplex,NPC内外核膜在某些部位相互融合，形成环状开口，称为核孔Nuclearpore,在核孔上镶嵌着由多种蛋白质构成的复杂结构，称为核孔复合体NuclearPoreComplex,NPC。一般哺乳动物细胞平均有3000个核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。FishTrapModel1.胞质环cytoplasmicring，外环；2.核质环nuclearring，内环；3.辐spoke,可分三个结构域柱状亚单位（columnsubunit）腔内亚单位(luminalsubunit)环带亚单位（annularsubunit）4.中央栓centralplug，又称transporter。电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，一般认为其结构如fish-trap，主要包括以下几个部分：①胞质环（cytoplasmicring），位于核孔复合体胞质一侧，环上有8条纤维伸向胞质；②核质环（nuclearring），位于核孔复合体核质一侧，上面伸出8条纤维，纤维端部与端环相连，构成笼子状的结构；③转运器（transporter），核孔中央的一个栓状的中央颗粒；④辐（Spoke）：核孔边缘伸向核孔中央的突出物。1.2.1ThecompositionofNPC构成核孔复合体的蛋白统称为“核孔蛋白”nucleoporin，Nup。核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为125×106，推测可能含有100余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。Nup的两类代表：gp210：结构性跨膜蛋白；p62：功能性的核孔复合体蛋白,具有两个功能结构域。1.2.2ThefunctionofNPCNPC的功能：核质交换的双向、双功能、选择性亲水性通道。双向：入核、出核；双功能：被动运输、主动运输。(一)通过NPC的被动运输根据资料推测，NPC的中央通道在介导被动运输时直径约为9nm，相当于可以允许60kDa以下的球形蛋白自由通过；由于各种因素的影响，并不是所有直径10nm以下的分子在核被膜两侧均匀分布；(二)通过NPC的主动运输1.选择性和双向性对运输颗粒大小的限制：有效功能直径可被调节约10～20nm，甚至可达26nm；主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗能量，并表现出饱和动力学特征；－主动运输具有选择双向性，即选择性地对不同的物质进行核输入或核输出。2.亲核蛋白与核定位信号亲核蛋白（karyophilicprotein）:在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质.核定位信号（nuclearlocalizationsignal，NLS）：引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列。受体为importin。第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，序列为：pro-pro-lyslys-lys-Arg-Lys-val。NLS对连接的蛋白质无特殊要求，完成输入后不被切除。Ran蛋白，一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。3.出核转运和核输出信号不同RNA的出核转运：RNApolI转录的rRNA分子：以RNP的形式离开细胞核，需要能量；RNApolIII转录的5srRNA与tRNA的核输出由蛋白质介导；RNApolII转录的hnRNA，在核内进行5’端加帽和3’端附加PolyA序列以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA出核；核输出信号（nuclearexportsignal,NES），引导RNP输出细胞核，受体为exportin。mRNA的出核转运过程是有极性的，其5’端在前，3’端在后。2ChromatinChromatinVSChromosome染色质（chromatin）:指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构,是间期细胞遗传物质存在的形式。染色体(Chromosome):指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质聚缩而成的棒状结构。染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同,构象不同。2.1Chemicalcomposition组成：DNA、组蛋白Histone、非组蛋白Nonhistone、少量RNA。DNA:Histone较为稳定，约1:1；DNA:Nonhistone变化较大；DNA:RNA约为10:1。2.1.1DNA凡是具有细胞形态的所有生物其遗传物质都是DNA。在真核细胞中，每条未复制的染色体包装一条DNA分子。Genome：一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组。（一）DNA分子一级结构具有多样性1.单一序列；2.中度重复DNA序列；短散在重复元件（shortinterspersedelements，SINEs）长散在重复元件（longinterspersedelements，LINEs）3.高度重复DNA序列卫星DNA（satelliteDNA），主要分布在染色体着丝粒部位；小卫星DNA（minisatelliteDNA），又称数量可变的的串联重复序列，常用于DNA指纹技术（DNAfinger-printing）作个体鉴定；微卫星DNA（microsatelliteDNA）重复单位序列最短，具高度多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标志。（二）DNA二级结构具有多形性①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。2.1.2Histone真核生物染色体的基本结构蛋白，带正电荷(?)，富含Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为：–核心组蛋白（corehistone）：H2A、H2B、H3、H4；–连接组蛋白（linkerhistone）：H1。结构：核心组蛋白高度保守，没有种属及组织特异性，尤其是H4。H1是多样性，具有一定的属(genus)和组织特异性。2.1.3Nonhistone非组蛋白具多样性和异质性；对DNA具有识别特异性，又称序列特异性DNA结合蛋白(sequencespecificDNAbindingproteins)；功能：帮助DNA折叠；协助DNA复制；调节基因表达。多以α-helix和DNA大沟识别并结合，进而影响复制和转录。非组蛋白和DNA不同的结合模式：1.α螺旋-转角-α螺旋模式(helix-turn-helixmotif)2.锌指模式(Zincfingermotif)3.亮氨酸拉链模式(Leucinezippermotif，ZIP)4.螺旋-环-螺旋结构模式(helix-loop-helixmotif，HLH)5.HMG-盒结构模式（HMG-boxmotif）。2.2Nuleosome染色质的基本结构单位—核小体(nucleosome)。2.2.1Mainexperimentalproof1.铺展染色质的电镜观察2.用非特异性微球菌核酸酶消化染色质，部分酶解片段分析结果.3.应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究.核小体颗粒是直径为11nm、高6.0nm的扁园柱体，具有二分对称性。核心组蛋白的构成是先形成(H3)2.(H4)2四聚体，然后再与两个H2A﹒H2B异二聚体结合形成八聚体。4.SV40微小染色体（minichromosome）分析与电镜观察。SV40DNA为环形，约5.0Kb,若200bpDNA包装成一个核小体，则可形成25个核小体。2.2.2核小体结构要点1.每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体核心(Core)及一个分子H1；2.由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；3.146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈,组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用；4.两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化值为0～80bp；5.组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列；6.核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达。2.3ThePackingModelofChromatin人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内全部DNA连结起来约1.7~2.0m。2.3.1多级螺旋模型multiplecoilingmodel一级结构：核小体Nucleosome二级结构：螺线管(solenoid)电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，这种纤维的由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，长度压缩6倍。三级结构：超螺线管(supersolenoid)四级结构：染色单体（chromatid）DNA压缩7倍核小体压缩6倍螺线管压缩40倍超螺线管压缩5倍染色单体2.3.2骨架-放射环结构模型scaffoldradialloopstructuremodel认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop），沿染色体纵轴结合在染色体骨架chromsomalscaffold。由螺线管形成DNA复制环,每18个复制环呈放射状平面排列,结合在核基质上形成微带(miniband)。染色体包装的不同组织水平：染色体包装的实际形式可能是多种机制（模型）的融合。2.4Euchromatin&Heterochromatin间期核中染色质可分为常染色质(enchromatin）和异染色质（heterochromatin）。2.4.1Enchromatin概念：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。DNA包装比约为1000～2000分之一；主要由单一序列DNA和中度重复序列DNA构成。并非所有基因都具有转录活性,常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件2.4.2Heterochromatin概念：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度高,处于聚缩状态,用碱性染料染色时着色深的那些染色质。类型：－结构异染色质(组成型异染色质)constitutiveheterochromatin；概念：存在于各种细胞中，除复制期以外在整个细胞周期均处于聚缩状态，DNA包装比在整个细胞周期没有较大变化的异染色质。特点：①在中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段；②由相对简单、高度重复的DNA序列构成,如卫星DNA；③具有显著的遗传惰性