第十二章 细胞核

1781年Trontana发现于鱼类细胞，1831年，Brown发现于植物。成熟的植物筛管和哺乳类红细胞没有细胞核。在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核（nucleiod）。核一般呈圆形，但因生物的种类而异。在旺盛分裂的组织中，核呈圆形，在长形细胞中多呈椭圆形，在扁平细胞中多为扁圆形，在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状，在胚乳细胞中呈网状。细胞核的大小与细胞大小有关，最小的核直径不足1μm，而最大的核如苏铁科某些植物卵细胞核直径可达500~600μm。植物细胞核的直径通常在1~4μm左右，动物为10μm左右。在同一种生物，由于遗传物质的含量是恒定的，因此核的大小也比较恒定。常以核质比来估算核的大小NP≈0.5，分裂期细胞NP0.5，衰老细胞NP0.5。通常一个细胞一个核，肝细胞和心肌细胞可有双核，破骨细胞可有6~50个细胞核，骨骼肌细胞可有数百个核；高等植物的毡绒层可有2~4个核。正在生长的细胞中，核位于细胞中央，在分化成熟的细胞中，常因细胞内含物或特殊结构的存在，核被挤到边缘。细胞核的主要结构包括：①核被膜（nuclearenvelope）、②核仁（nucleolus）、③核基质（nuclearmatrix）、④染色质（chromatin）、⑤核纤层（nuclearlamina）等部分（图12-1）。图12-1细胞核的结构，n为核仁，N为常染色质细胞核的主要功能有两个方面：①遗传和②发育。前者表现为通过DNA染色体的复制和细胞分裂，维持物种的世代连续性。后者表现为通过调节基因表达的时空顺序，控制细胞的分化，完成个体发育的使命。第一节核被膜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。一、核被膜是双层膜结构核被膜由内核膜（innernuclearmembrane）、外核膜（outernuclearmembrane）和核周隙（perinuclearspace）三部分构成。核被膜上有核孔与细胞质相通（图12-2、3）。外核膜胞质面附有核糖体，并与内质网相连，核周隙与内质网腔相通，可以说是内质网的一部分。外核膜上附着10nm的中间纤维intermediatefilament，可见核是被内质网和中间纤维相对固定的。核周隙宽20~40nm，腔内电子密度低，一般不含固定的结构。内核膜的内表面有一层网络状纤维蛋白质，叫核纤层（nuclearlamina），可支持核膜（图12-3、4）。图12-2核被膜的TEM照片图12-3核被膜的结构核纤层由核纤肽（lamin）构成，核纤肽分子量约60~80KD，是一类中间纤维，在哺乳类和鸟类中可分为A、B两型。核纤层的作用有以下两个方面：1．保持核的形态：是核被膜的支架，用高盐溶液、非离子去污剂和核酸酶去除大部分核物质，剩余的核纤层仍能维持核的轮廓。此外，核纤层与核骨架以及穿过核被膜的中间纤维相连，使胞质骨架和核骨架形成一连续网络结构。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。图12-4核纤层结构二、核孔是物质运输的通道核孔是细胞核与细胞质之间物质交换的通道，一方面核的蛋白都是在细胞质中合成的，通过核孔定向输入细胞核，另一方面细胞核中合成的各类RNA、核糖体亚单位需要通过核孔运到细胞质。此外注射实验证明，小分子物质能够以自由扩散的方式通过核孔进入细胞核。核孔由至少50种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，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。如蛙卵细胞每个核可有37.7X106个核孔，但其成熟后细胞核仅150~300个核孔。图12-4抽提后核孔胞质面的结构图12-5抽提后核孔核质面的结构在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形（图12-4、5），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（图12-6）。图12-6核孔结构模型三、通过核孔的物质运输与信号序列有关1982年R.Laskey发现核内含量丰富的核质蛋白（nucleoplasmin）的C端有一个信号序列，可引导蛋白质进入细胞核（图12-7），称作核定位信号（nuclearlocalizationsignal，NLS）。第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，它在胞质中合成后很快积累在核中。其NLS为：pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val，即使单个氨基酸被替换，亦失去作用。图12-7金标记的核质素穿越核孔NLS由4-8个氨基酸组成，含有Pro、Lys和Arg。对其连接的蛋白质无特殊要求，并且完成核输入后不被切除。Karyopherin是一类与核孔选择性运输有关的蛋白家族，相当于受体蛋白。其中imporin负责将蛋白从细胞质运进细胞核，exportin负责相反方向的运输。通过核孔复合体的转运还涉及Ran蛋白，Ran是一种G蛋白，调节货物受体复合体的组装和解体，在细胞核内Ran-GTP的含量远高于细胞质。核质蛋白向细胞核的输入可描述如下：①蛋白与NLS受体，即imporinα/β二聚体结合；②货物与受体的复合物与NPC胞质环上的纤维结合；③纤维向核弯曲，转运器构象发生改变，形成亲水通道，货物通过；④货物受体复合体与Ran-GTP结合，复合体解散，释放出货物；⑤与Ran-GTP结合的imporinβ，输出细胞核，在细胞质中Ran结合的GTP水解，Ran-GDP返回细胞核重新转换为Ran-GTP；⑥imporinα在核内exportin的帮助下运回细胞质（图12-8）。图12-8核质素输入细胞核的过程对细胞核向细胞质的大分子输出了解较少，大多数情况下，细胞核内的RNA是与蛋白质形成RNP复合物转运出细胞核的。RNP的蛋白质上具有核输出信号（nuclearexportsignal,NES），可与细胞内的受体exportin结合，形成RNP-exportin-Ran-GTP复合体，输出细胞核后，Ran-GTP水解，释放出结合的RNA，Ran-GDP、exportin和RNP蛋白返回细胞核。第二节染色体1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。1888年，Waldeyer正式定名为Chromosome。1879年，W.Flemming提出了染色质（chromatin）这一术语，用以描述染色后细胞核中强烈着色的细丝状物质。后来的研究证明染色质和染色体是同一物质在不同细胞周期中的形态表现。一、染色质的化学组成染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，比例为1：1：（1-1.5）：0.05。可见DNA与组蛋白的含量比较恒定，非组蛋白的含量变化较大，RNA含量最少。（一）DNADNA是遗传信息的携带者，DNA的序列可分为3种类型，即：单一序列、中度重复序列（101-5）和高度重复序列（105）。DNA的二级结构存在3种主要类型，即：B-DNA、Z-DNA、A-DNA（图12-9）。图12-9三种不同构象的DNA双螺旋染色体具有3个基本元素（图12-10）：①自主复制序列(autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS)，是DNA复制的起点，酵母基因组含200-400个ARS，大多数具有一个11bp富含AT的一致序列（ARSconsensussequence,ACS）；②着丝粒序列(centromereDNAsequence,CEN)，由大量串联的重复序列组成，如α卫星DNA，其功能是参与形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离；③端粒序列(telomereDNAsequence,TEL)，不同生物的端粒序列都很相似，由长5-10bp的重复单位串联而成，人的重复序列为TTAGGG。图12-10染色体的三种基本序列1983年，A.W.Murray等人首次成功构建了包括ARS、CEN、TEL和外源DNA，总长度为55kb的酵母人工染色体(yeastartificialchromosome,YAC)。YAC可用于转基因和构建基因文库，容纳插入片段的能力远高于质粒。（二）组蛋白组蛋白带正电荷，含精氨酸，赖氨酸，属碱性蛋白，其含量恒定，在真核细胞中组蛋白共有5种，分为两类：一类是高度保守的核心组蛋白（corehistone）包括H2A、H2B、H3、H4四种；另一类是可变的连接组蛋白（linkerhistone）即H1。核心组蛋白的结构是非常保守，特别是H4，牛和豌豆H4的102个氨基酸中仅有2个不同，而进化上两者分岐的年代约3亿年历史。核心组蛋白高度保守的原因可能有两个：其一是核心组蛋白中绝大多数氨基酸都与DNA或其它组蛋白相互作用，可置换而不引起致命变异的氨基酸残基很少；其二是在所有的生物中与组蛋白相互作用的DNA磷酸二脂骨架都是一样的。四种核心组蛋白均由球形部和尾部构成，球形部借精氨酸残基与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心周围，形成核小体。尾部则含有大量赖氨酸和精氨酸残基，为组蛋白翻译后进行修饰的部位，如乙酰化、甲基化、磷酸化等。H1不仅具有属特异性，而且还有组织特异性，所以H1是多样性的。（三）非组蛋白与组蛋白不同，非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白，非组蛋白的特性是：①含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质；②整个细胞周期都进行合成，不象组蛋白只在S期合成，并与DNA复制同步进行；③能识别特异的DNA序列，识别信息存在于DNA本身，位点在大沟部分，识别与结合籍氢键和离子键。非组蛋白的功能是：①帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域，从而有利于DNA的复制和基因的转录；②协助启动DNA复制；③控制基因转录，调节基因表达。二、从DNA——到染色体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，而细胞核直径不足10um。因此，不难想象DNA是以螺旋和折叠的方式压缩起来的，压缩比例高达上万倍，这种压缩的最初级结构就是核小体。用非特异性核酸酶（如微球菌核酸酶）处理染色质，大多数情况下可得到大约200bp的片段，但处理裸露的DNA分子会得到随机降解的片段。以这个实验为基础，R.Kornberg建立了核小体模型。核小体是一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，可描述如下（图12-11）：①每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1；②由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；③DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；④相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。图12-11核小体和螺线管的结构通过核小体，DNA长度压缩了7倍，形成直径为11nm的纤维(图12-12)。但是染色质不以这种状态存在，在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，这种纤维的形成有两种解释：①由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，构成外径30nm的中空管（图12-12），长度压缩6倍；②由核小体纤维Z字形折叠而成，长度压缩40倍。30nm纤维的形成与核小