生物化学-细胞核主要版本.ppt

第八章第八章 细胞核细胞核(nucleus) （（2学时）学时）细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，它是基因复制、RNA转录的中心，是细胞生命活动的控制中心细胞核大多呈球形或卵圆形，但也随物种和细胞类型不同而有很大变化核的大小依物种不同而变化，直径为1-20微米不等细胞核的细胞核的结构组成结构组成：v核被膜核被膜(nuclear envelope)与核孔复合体与核孔复合体(NPC））v染色质染色质（（chromatin））v核仁核仁(nucleolus)v核基质核基质2021/3/101第一节第一节 核被膜与核孔复合体核被膜与核孔复合体核被膜核被膜(nuclear envelope) 核孔复合体核孔复合体（（nuclear pore complex,NPC）） 2021/3/102核被膜核被膜电镜下，核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成结构结构组成组成：： v外核膜（outer nuclear membrane），附有核糖体颗粒，常与rER相通连v内核膜（inner nuclear membrane），有特有的蛋白成份（如核纤层蛋白B受体），内核膜的内表面有一层网络状纤维蛋白质，即核纤层（nuclear lamina），可支持核膜。

v核周间隙（perinuclear space）v核孔（nuclear pore）和核孔复合体  核被膜的功能：核被膜的功能： v构成核、质之间的天然选择性屏障构成核、质之间的天然选择性屏障l避免生命活动的彼此干扰l保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤v核质之间的物质交换与信息交流核质之间的物质交换与信息交流 核被膜在细胞有丝分裂过程中有规律地核被膜在细胞有丝分裂过程中有规律地解体与重建解体与重建 2021/3/103核被膜在细胞在有丝分裂中有规律地核被膜在细胞在有丝分裂中有规律地核被膜在细胞在有丝分裂中有规律地核被膜在细胞在有丝分裂中有规律地解体与重建解体与重建解体与重建解体与重建新核膜来自旧核膜核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性（domain-specific）以非洲爪蟾卵提取物为基础的非细胞核装配体系提供了实验模型核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调控因子的调节，调节作用可能与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的 磷酸化与去磷酸化修饰有关2021/3/104核孔复合体核孔复合体（（nuclear pore complex,NPC））●结构模型结构模型 ●核孔复合体成份的研究核孔复合体成份的研究 ●核孔复合体的功能核孔复合体的功能：： 2021/3/105结构模型结构模型vfish-trap模型模型v从横向上看，核孔复合体由周边向核孔中心依次可分为环、辐、栓三种结构亚单位；v从纵向上看，核孔复合体由核外（胞质面）向核内（核质面）依次可分为胞质环、辐（十栓）、核质环三种结构亚单位，形成“三明治”式的结构。

胞质环（cytoplasmic ring），外环核质环（nuclear ring），内环；内环向核内伸入一小环，即核蓝（nuclear basket）辐（spoke）v柱状亚单位（column subunit）v腔内亚单位(luminal subunit)v环带亚单位（annular subunit）中央栓（central plug）：transporter2021/3/106核孔复合体成份的研究核孔复合体成份的研究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1 000多个蛋白质分子 gp210：结构性跨膜蛋白：结构性跨膜蛋白 v介导核孔复合体与核被膜的连接，将核孔复合体 锚定在“孔膜区”，从而为核孔复合体装配提供一个起始位点 p62：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域v可能在核孔复合体功能活动中直接参与核质交换2021/3/107核孔复合体的功能核孔复合体的功能核孔复合体是核质交换的双向性亲水通道核孔复合体是核质交换的双向性亲水通道核孔复合体是核质交换的双向性亲水通道核孔复合体是核质交换的双向性亲水通道 v双功能：两种运输方式：被动扩散和主动运输；v双向性：介导蛋白质的入核转运，又介导RNA、RNP的出核转运。

v核孔复合体物质运输功能示意图 亲核蛋白入核转运与核定位信号亲核蛋白入核转运与核定位信号 转录产物RNA的核输出2021/3/108亲核蛋白入核转运与核定位信号亲核蛋白入核转运与核定位信号亲核蛋白（亲核蛋白（karyophilic protein））v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 (nuclear localization signal，NLS)vNLS是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基，如Lys、Arg，此外还常含有ProvNLS的氨基酸残基片段可以是一段连续的序列（T抗原），也可以分成两段，两段之间间隔约10个氨基酸残基（核质蛋白）vNLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指导完成核输入后并不被切除核质蛋白（nucleoplasmin）的入核转运v结合：需NLS识别并结合importin；v转运：需GTP水解提供能量2021/3/109转录产物转录产物RNA的核输出的核输出转录后的RNA通常需加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核RNA聚合酶I转录的rRNA分子：以RNP的形式离开细胞核，需要能量；RNA聚合酶III转录的5s rRNA与 tRNA的核输出由蛋白质介导；RNA 聚合酶II转录的hn RNA，在核内进行5’端加帽和3’端附加多聚A序列以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA出核，5’端的m7GpppG “帽子”结构对mRNA的出核转运是必要的；mRNA的出核转运过程是有极性的，其5’端在前，3’端在后。

核输出信号核输出信号 (Nuclear Export Signal，，NES)：RNA分子的出核转运需要蛋白分子的帮助，这些蛋白因子本身含有出核信号2021/3/1010第二节第二节 染染 色色 质质 ●染色质的概念及化学组成染色质的概念及化学组成 ●染色质的基本结构单位染色质的基本结构单位—核小体核小体(nucleosome) ●染色质包装的结构模型染色质包装的结构模型 ●常染色质和异染色质常染色质和异染色质 2021/3/1011一、染色质的概念及化学组成一、染色质的概念及化学组成●染色质概念染色质概念 ●染色体染色体DNA 染色体蛋白质染色体蛋白质 2021/3/1012染色质概念染色质概念染色质（染色质（chromatin））:v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染色体(chromosome):v 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v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v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2021/3/1013染色体染色体DNA基因组（基因组（genome）） v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，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v基因组大小通常随物种的复杂性而增加 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二级结构具有多形性二级结构具有多形性(polymorphism) 染色体具有3个基本元素：v①①自主复制序列自主复制序列(autonomously replicating DNA sequence, ARS)(autonomously replicating DNA sequence, 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（ARS consensus sequence, ACS）；v②②着丝粒序列着丝粒序列(centromere DNA sequence,CEN)(centromere DNA sequence,CEN) ，由大量串联的重复序列组成，如卫星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；v③③端粒序列端粒序列(telomere DNA sequence,TEL)(telomere DNA sequence,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GGGTTA。

2021/3/1014染色体蛋白质染色体蛋白质负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读组蛋白组蛋白(histone)：： v核小体组蛋白(nucleosomal histone)：H2B、H2A、H3和H4,帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构vH1组蛋白：在构成核小体时H1起连接作用, 它赋予染色质以极性v特点：l真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带 正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）；l没有种属及组织特异性，在进化上十分保守 非组蛋白非组蛋白(nonhistone)：： v非组蛋白具多样性和异质性v对DNA具有识别特异性，又称序列特异性v具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成 2021/3/1015二、染色质的基本结构单位二、染色质的基本结构单位—核小体核小体(nucleosome)主要实验证据主要实验证据 核小体结构要点核小体结构要点 2021/3/1016主要实验证据主要实验证据 铺展染色质的电镜观察v未经处理的染色质自然结构为30nm的纤丝，经盐溶液处理后解聚的染色质呈现10nm串珠状结构 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应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究，发现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（dyad symmetry），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。

2021/3/1017核小体结构核小体结构要点要点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及一 个分子H1组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构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20bp DNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用 包括组蛋白H1和166bp DNA的核小体结构又称染色质小体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实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质2021/3/1018三、染色质包装的结构模型三、染色质包装的结构模型染色质包装的多级螺旋模型染色质包装的多级螺旋模型     (multiple coiling model) ●染色体的骨架染色体的骨架-放射环结构模型放射环结构模型 (scaffold radial loop structure model) ●染色体包装的不同组织水平染色体包装的不同组织水平 2021/3/1019染色质包装的染色质包装的多级螺旋模型多级螺旋模型◆一级结构：核小体◆二级结构：螺线管(solenoid)◆三级结构：超螺线管(supersolenoid) ◆四级结构：染色单体（chromatid）        压缩7倍            压缩6倍             压缩40倍                压缩5倍    DNA———→核小体———→螺线管———→超螺线管———→染色单体 2021/3/1020染色体的骨架染色体的骨架-放射环结构模型放射环结构模型◆◆非组蛋白构成的染色体骨架(chromsomal scaffold)和由骨架伸出的无数的DNA侧环）◆◆30nm的染色线折叠成环, 沿染色体纵轴, 由中央向四周伸出,构成放射环。

◆◆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)微带是染色体高级结构的单位,大约106个微带沿纵轴构建成子染色体 2021/3/1021四、四、常染色质和异染色质常染色质和异染色质常染色质常染色质(euchromatin) v指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低, 处于伸展状态（典型包装率750倍）, 用碱性染料染色时着色浅的那些染色质v常染色质是进行活跃转录的部位，呈疏松的环状，电镜下表现为浅染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 异染色质异染色质(heterochromatin)：：v指间期细胞核中, 折叠压缩程度高, 处于聚缩状态，碱性染料染色时着色较深的染色质组分v类型l结构异染色质（或组成型异染色质）(constitutive heterochromatin) l兼性异染色质(facultative heterochromatin) 2021/3/1022结构异染色质或组成型异染色质结构异染色质或组成型异染色质  结构异染色质，除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心。

   结构异染色质的特征：v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；v由相对简单、高度重复的DNA序列构成, 如卫星DNA；v具有显著的遗传惰性, 不转录也不编码蛋白质；v在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩；2021/3/1023兼性异染色质兼性异染色质  在某些细胞类型或一定的发育阶段, 原来的常染色质聚缩, 并丧失基因转录活性, 变为异染色质，如X染色体随机失活   异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径 2021/3/1024第四节第四节 核仁核仁 (nucleolus) 核仁（necleolus）见于间期的细胞核内，呈圆球形，一般1-2个，也有多达3-5个的核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近内核膜，核仁的数量和大小因细胞种类和功能而异核仁的超微结构核仁的超微结构 核仁的功能核仁的功能 核仁周期核仁周期 ：：核仁的核仁的动态变化动态变化2021/3/1025一、核仁的一、核仁的超微结构超微结构 核仁没有界膜包围，在电子显微镜下可辨认出有核仁没有界膜包围，在电子显微镜下可辨认出有3个特征性的区域个特征性的区域：：v①纤维中心纤维中心(fibrillar centers，，FC)：：l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。

v②致密纤维组分致密纤维组分(dense fibrillar component，，DFC)：：l呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，是新合成的RNP（指结合蛋白质的rRNA），转录主要发生在FC与DFC的交界处v③颗粒组分颗粒组分(granular component，，GC)：l由直径15-20nm的颗粒构成，是不同加工阶段的RNP是核糖体亚单位成熟和储存的位点 核仁相随染色质核仁相随染色质(nucleolar associated chromatin) v核仁相随染色质分为两部分，一部分位于核仁周围，称为核仁周染色质，属异染色质，一部分位于核仁内，为常染色质，即核仁组织区（NOR），是rDNA所在的位置2021/3/1026二、核仁的功能二、核仁的功能核糖体的生物发生(ribosome biogenesis) 过程包括rRNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配rRNA基因转录的形态及组织特征基因转录的形态及组织特征 v基因转录的组织特征： 位于NORs的rDNA是rRNA的信息来源v基因转录的形态特征:“圣诞树”样结构rRNA前体的加工前体的加工 v加工过程v修饰与加工核糖体亚单位的组装核糖体亚单位的组装 2021/3/1027第五节第五节 核基质核基质(nuclear matrix)核基质核基质或核骨架核骨架(nuclear skeleton)的概念v狭义概念仅指核基质，即细胞核内除了核被膜、核纤层、 染色质与核仁以外的网架结构体系。

v广义概念应包括核基质、核纤层(或核纤层-核孔复合体结 构体系),以及染色体骨架 目前对核骨架的研究结论v核骨架是存在于真核细胞核内真实的结构体系；v核骨架与核纤层、中间纤维相互连接形成贯穿于核与质的一个独立结构系统v核骨架的主要成分是由非组蛋白的纤维蛋白构成的, 含有多种蛋白成分及少量RNA；v核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的包装与构建有密切关系 2021/3/10282021/3/10292021/3/10302021/3/10312021/3/10322021/3/1033通过核孔复合体物质运输的功能示意图（引自通过核孔复合体物质运输的功能示意图（引自B.TalcottB.Talcott等，等，19991999）） （（a a）自由扩散；（）自由扩散；（b b）协助扩散；（）协助扩散；（c c）信号介导的核输入；（）信号介导的核输入；（d d）） 信号介导的核输出信号介导的核输出 2021/3/10342021/3/10352021/3/10362021/3/10372021/3/10382021/3/10392021/3/10402021/3/1041由由X-射线晶体衍射射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构所揭示的核小体三维结构（引自K.Luger等，1997）a。

通过DNA超螺旋中心轴所显示的核小体核心颗粒8个组蛋白分子的位置；b．垂直与中心轴的角度所见到的核小体核心颗粒的盘状结构； c．半个核小体核心颗粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4种核心组蛋白分子，每种组蛋白由3 个α螺旋和一个伸展的N-端尾部组成N-端尾部有序排列，参与核小体之间的相互作用，以形成螺线管等高级结构2021/3/10422021/3/10432021/3/10442021/3/10452021/3/10462021/3/10472021/3/10482021/3/1049人间期细胞核仁组织区含有人间期细胞核仁组织区含有rRNA基因的基因的10个染色体袢环延伸进入并簇集在核仁个染色体袢环延伸进入并簇集在核仁（引自B.Alberts） 2021/3/10502021/3/10512021/3/10522021/3/10532021/3/10542021/3/10552021/3/1056。