细胞生物学教程 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。•大小：植物1~4μm，动物10μm。常以核质比来估算核的大小。正常细胞NP≈0.5，分裂期细胞NP0.5，衰老细胞NP0.5。NP=Vc-VnVn•形状：圆形，胚乳细胞(网状）蝶类丝腺细胞(分支状)。•位置：细胞中央，成熟植物细胞的边缘。•数目：通常一个，成熟的筛管和红细胞（0）、肝细胞、心肌细胞(1-2）、破骨细胞(6~50）、骨骼肌细胞(数百）、植物毡绒层细胞(2~4)。•结构：①核被膜、②核仁、③核基质、④染色质、⑤核纤层。•功能：①遗传、②发育。Nucleusstructure第一节核被膜Nuclearenvelope一、核被膜是双层膜结构•构成：①内核膜（innernuclearmembrane）②外核膜（outernuclearmembrane）③核周隙（perinuclearspace）•外核膜：内质网的一部分，胞质面附有核糖体。•核周隙：宽20~40nm，与内质网腔相通。•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。Thenuclearenvelope•核纤层由核纤肽（lamin）构成，核纤肽一类中间纤维，分为A、B两型。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。LaminsCytoplasmicfacecytoplasmicparticlesNuclearfacebasketinnercomplex二、核孔是物质运输的通道•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。•在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如fish-trap。TheNuclearPore•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-lys-lys-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。•核输出信号（nuclearexportsignal,NES），引导RNP输出细胞核，受体为exportin。•Ran蛋白，一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。三、通过核孔的物质运输与信号序列有关ProcessofNuclearImportColloidalgoldlabeledNucleoplasminweretransportedintonucleus.Mitochondrion第二节、染色体•1848年，Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞。•1888年，Waldeyer提出Chromosome。•1879年，W.Flemming提出Chromatin。一、染色质的化学组成•组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA•比例：1:1:(1-1.5):0.05。（一）DNA•3种序列：①单一序列；②中度重复序列（101~5）；③高度重复序列（105）。•3种构像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。•3种基本元素：–①自主复制序列(ARS)，是DNA复制的起点。–②着丝粒序列(CEN)，含α卫星DNA。–③端粒序列(TEL)。•酵母人工染色体(YAC)：含上述3种成分，用于转基因。ThreeDNAconformationsThreekeyregionsofachromosome•带正电荷，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：高度保守，尤其是H4。–核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg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上，形成核小体，尾部含有大量Arg和Lys，为组蛋白转译后进行修饰的部位。•H1多样性，具有属(genus)和组织特异性。（二）组蛋白•序列特异性DNA结合蛋白。•特性：1.含有较多天冬氨酸、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，组蛋白只在S期合成。3.能识别特异的DNA序列，识别与结合籍氢键和离子键。•功能：帮助DNA折叠；协助DNA复制；调节基因表达。（三）非组蛋白二、染色质的结构•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。nucleosomes(10nm)condensedform(30nm)二、从DNA到染色体•核小体（nucleosome）：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，通过酶消化实验建立。–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。•通过核小体，DNA长度压缩7倍，形成11nm的纤维。•但是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，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。•对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域。•solenoidChromatinPackingChromatinPacking三、异染色质和常染色质•间期核中染色质可分为异染色质（heterochromatin）和常染色质（enchromatin）。异染色质的特点：–①在间期核中处于凝缩状态，无转录活性、是遗传惰性区。–②在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩（异固缩现象）。–③分为两类：结构（恒定）异染色质（constitutiveheterochromatin）、兼性（功能）异染色质（facultativeheterochromatin）•巴氏小体（barrbody）。雌性哺乳动物细胞中一条异固缩化的X染色体。•人的胚胎发育到16天以后，出现巴氏小体。barrbody四、染色体•一、染色体相关的术语随体次缢痕主缢痕端粒长臂短臂•核仁组织区（nucleolarorgnizingregionsNORs）•构成核仁，位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。Howanucleolusisorganized•端粒（telomere）：由高度重复的短序列组成，高度保守。•作用：1.维持染色体的稳定性。2.起细胞分裂计时器的作用。端粒核苷酸复制和基因DNA不同，每复制一次减少50~100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶来完成，正常体细胞缺乏此酶，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。•性细胞染色体为单倍体（haploid），用n表示;•体细胞为2倍体（diploid）以2n表示，还有一些物种的染色体成倍增加成为4n、6n、8n等，称为多倍体。•染色体的数目因物种而异，如人类2n=46，黑猩猩2n=48，果蝇2n=8，家蚕2n=56，小麦2n=42，水稻2n=24，洋葱2n=16.（二）染色体的数目•着丝粒（centromere）和着丝点（kinetochore）是两个不同的概念，前者指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位，后者指主缢痕处两个染色单体外侧与纺锤体微管连接的部位。•着丝粒包含3个结构域•1、着丝点结构域（kinetochoredomain）•位于着丝粒的表面，包括三层板状结构和围绕外层的纤维冠(fibrouscorona)。（三）着丝粒的结构OPinterzoneIP•SatelliteDNA(FISHimage)•2、中央结构域•位于着丝粒结构域的下方。其中含有高度重复的卫星DNA。•3、配对结构域•位于着丝粒结构的内层，中期两条染色单体在此处相互连结。•对于着丝粒蛋白研究主要是使用ACA来研究的。用ACAs发现鉴定出来的CENP主要有6种，即：CENP-A至F。CentromericproteinsProteinsassociatedwiththecentromerehavebeenidentifiedusingantibodiesfromsclerodermapatientsCENPproteinsCENP-Acentromere-specifichistoneCENP-BbindscentraldomainsatelliteDNACENP-CbindskinetochoreCENP-DbindskinetochoreCENP-Ekinesin-likemotor,involvedinchromatidsegregationCENP-FbindskinetochoreINCENPproteinsINCENP-AsisterchromatidassociationINCENP-Bsisterchromatidassociation•1.核型：即细胞分裂中期染色体特征的总和。包括染色体的数目、大小和形态特征等方面。•2.带型：染色体经物理、化学因素处理后，再进行分化染色，使其呈现特定的深浅不同带纹（band）的方法。•分带技术可分为两类：–一类是产生的染色带分布在整过染色体的长度上如：Q、G和R带，另一类是局部性的显带，如C、Cd、T和N带。（四）核型与带型•1.多线染色体：•由Balbiani(1881)发现于摇蚊幼虫唾腺细胞，特点：–①体积巨大，是由于核内有丝分裂的结果；–②多线性；–③体细胞联会；–④横带纹。–⑤膨突和环。在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成膨突（puff），或巴氏环（Balbianiring）。用H3-UdR处理细胞，发现膨突被标记，说明膨突是基因活跃转录的区域。（五）几类的特殊的染色体PolytenechromosomesLampbrushchromosomefromPleurodelesoocytePolytenechromosome•2、灯刷染色体•最早发现于鱼类、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期，双线期是卵黄合成的旺盛期。由于染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。侧环是RNA活跃转录的区域。•3、B染色体•1928年伦道夫（Randolph）把生物的正常染色体叫做A染色体，而把存在于许多动、植物中，形态和行为不同为A染色体的超数染色体呈B染色体。第三节核仁•核仁（nucleolus）见于间期的细胞核内，呈圆球形，一般1~2个，有时多达3~5个。主要功能是转录rRNA和组装核糖体单位。•一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很小或缺如。•核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。一、核仁形态•①纤维中心(fibrillarcenters，FC)：是被致密纤维包围的一个或几个低电子密度的圆形结构，主要成分为RNA聚合酶和rDNA，这些rDNA是裸露的分子。•②致密纤维组分(densefibrillarcomponent，DFC)：呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，是新合成的RNP，转录主要发生在FC与DFC的交界处。•③颗粒组分(granularcomponent，GC)：由直径15-20nm的颗粒构成，是不同加工阶段的RNP。Nucleolus•（一）核糖体的结构•含40%的蛋白质、60%的RNA，由两个亚单体构成。•分为70S和8