细胞核整合11.ppt

基因信息传递 细胞生物学教研室细胞生物学教研室 方方 瑾瑾转录翻译DNADNA核苷酸顺序RNARNA蛋白质氨基酸顺序细胞核细胞核DNADNA复制复制RNARNA合成（转录）合成（转录）蛋白质合成（翻译）蛋白质合成（翻译）基因表达调控基因表达调控 细胞核的出现是细胞进化的重要标志，有无细胞核是真核细胞与原核细胞的根本区别 进化意义：2.使基因表达的两步在不同的时间和空间进行1.保护DNA，免受胞质机械运动影响 细 胞 核 The Cell Nucleus(一）概述 双层膜结构 形状： 与细胞形态相适应 大小： 5-10 微米(10%) 数量： 通常一个 位置：通常位于细胞中央只有处于间期的细胞中，才能观察到细胞核的完整结构（核被膜、核仁、染色质、核基质）一、细胞核的结构一、细胞核的结构（二）核被膜 nuclear envelop 化学成分：ü 蛋白质：20多种 酶类与内质网相似ü 脂类：与内质网种类相似，含量有差别 结构：外核膜 内核膜 核纤层 核周隙 核孔 1.外核膜： ü面向胞质,与糙面内质网（rER）膜连续ü有核糖体（Ri）附着ü外表面分布有细胞骨架 - 中间纤维、微管 维持细胞核形态2.内核膜：ü面向核质，与外核膜平行ü有特殊蛋白结合核纤层 3.3.核周隙 perinuclear spaceü 内外核膜之间的腔隙，与rER连通ü 内外核膜之间的缓冲区4.核孔(复合体) nuclear pore complex (1)概述 ü内外核膜融合产生的圆环状结构ü细胞核内外物质转运的通道ü代谢活跃细胞中数量多哺乳动物细胞哺乳动物细胞30003000～～40004000个个/ /细胞细胞胞质面核质面(2) 结构组成 由多种蛋白颗粒组成 捕鱼笼模型 A 胞质环ü面向胞质一侧的环形结构ü对称分布有8条纤维，伸向胞质B 核质环ü 面向核质一侧的环形结构ü 对称分布有8条纤维ü 末端形成小环 – 核篮C 辐 由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称， 由三个结构域组成 柱状亚单位: 连接内、外环，起支撑作用腔内亚单位 在内外核膜交汇处插入核周隙，锚定复合物环状亚单位靠近核孔复合体中心部分8个颗粒成分环绕形成物质交换通道D 中央栓 位于核孔复合体的中心转录：聚合：聚合酶蛋白合成：蛋白合成：mRNA tRNA rRNA （ （6/min） ）Ri （3）功能 转运各种物质进出细胞核 复制：复制：DNA+Hp， ，酶 （ （106/3min） ） 水溶性通道 直径 9nm 长15nm分子量5000 以下的分子可自由转运（被动自由扩散） 水、离子、单糖、核苷酸大分子通过主动转运过程完成运输Ø 蛋白质、RNAØ 选择性： 孔径大小可调 信号识别，消耗能量 双向性A 亲核蛋白的核输入被转运成分 核定位信号 NLS ： 4-8 碱性氨基酸序列ü 指导亲核蛋白入核ü 入核后不被切除 输入蛋白受体 输入蛋白 importin 定位: 细胞质基质 功能: 结合 核孔复合体 被转运成分 RanGTP：为转运提供能量B RNA和核糖体亚基的核输出 识别受体：输出蛋白 exportin 5.核纤层 nuclear lamina (1)结构 内核膜内表面一层纤维状的蛋白网ü外表面与内核膜的特殊部位结合ü内表面与染色质的特殊位点结合(2)分子组成 核纤层蛋白 A，B，C （中间纤维蛋白）(3)功能 A 在细胞核中起支架作用 处理后保留 与核骨架及中间纤维相连 B 通过磷酸化和去磷酸化参与核膜的崩解和 重建核纤层蛋白核纤层蛋白去去磷酸化磷酸化C 与染色质凝集有关 间期：染色质与核纤层结合，染色质不能螺旋化 分裂期：染色质与核纤层蛋白解离，染色质凝集D 参与DNA复制 6.核被膜功能(1)为基因表达提供时空屏障 区域化功能分区 (2)核内外物质转运(3)生物大分子合成(三)染色质和染色体（chromatin，chromosome） 染色质是间期细胞核中由DNA和组蛋白构成的能被碱性染 料着色的物质 染色体是高度螺旋化的染色质 染色质和染色体是相同物质在细胞周期不同时相的不同 表现形式 核酸（DNA，少量RNA） 蛋白质（组蛋白，非组蛋白） （1）染色体 DNA 一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信 息叫做一个基因组1.染色体（质）的组成 1986年由美国生物学家杜伯克首次提出1990年10月美国投资30亿美元启动计划 预计15年完成 主要内容 1.用5-10年的时间绘制23对染色体的图谱 2.用15年时间测定所有染色体的DNA序列 国际化研究项目 美国、英国、日本、法国、德国1993 我国启动“中华民族基因组中若干位点基因 结构的研究”项目1997 我国启动“重大疾病相关基因的定位、克隆、 结构与功能研究”项目1999.7 我国注册承担人类基因组1%测序任务2000.3 我国科学家完成3号染色体测序2000.6 美国、英国宣布人类基因组草图完成2001.2 《SCIENCE》、《NATURE》杂志正式发表 人类基因组工作框架图2003.4.14 美国联邦国家人类基因组研究项目负责人 弗朗西斯·柯林斯博士在华盛顿宣布，六国 科学家经过１３年努力共同绘制完成了人 类基因组序列图，人类基因组计划的所有 目标全部实现。

人类基因组是全人类的共同财富国内外专家普遍认为，基因组序列图首次在分子层面上为人类提供了一份生命“说明书”，不仅奠定了人类认识自我的基石，推动了生命与医学科学的革命性进展，而且为全人类的健康带来了福音 主要应用疾病诊断、预测及治疗 疾病易感性的研究 癌症研究基础研究 基因结构与功能的研究新技术的开发后续研究 功能基因组学 蛋白质组学 比较基因组学染色质DNA序列单一序列（unique sequence) 基因组中只有单一拷贝或几个拷贝 一般为具有编码功能的基因重复序列 （repetitive sequence) 中度重复序列 重复次数101-105 非编码序列：基因调控 编码序列：rRNA,tRNA,组蛋白,核糖体蛋白 高度重复序列 重复次数 ＞105， 非编码，维系染色体结构 - 端粒、着丝粒 功能性染色体 A 能够进行自我复制 复制源（（replication origin））( (多个多个) ) B 分裂时两拷贝分离 着丝粒（（centromere））(1(1个个) ) C 维持自身在传代中的完整 端粒（（telomere）） (2(2个个) ) 着着丝粒粒复制源复制源端粒端粒复制源：是复制源：是DNADNA的复制起点的复制起点着丝粒：是两条姐妹染色单体着丝粒：是两条姐妹染色单体的连接部位的连接部位端粒：是染色体两端串联重复端粒：是染色体两端串联重复重复序列重复序列A 组蛋白 特性：碱性蛋白，带正电荷 分类：核小体组蛋白 ♦ H2A H2B H3 H4 ♦ 102-135 aa ♦ 无种属和组织特异性 连接组蛋白 H1 215 aa ♦与染色体高级结构有关 (连接核小体) ♦有种属和组织特异性 （2）染色体蛋白 组蛋白（histone）：染色质的基本结构蛋白 非组蛋白Ø S期合成Ø 与DNA结合，抑制复制、转录Ø 组蛋白修饰影响染色质活性 磷酸化/乙酰化：激活 甲基化：抑制B 非组蛋白 特性：酸性蛋白，带负电荷 有种属和组织特异性 识别特异的DNA序列 功能：多功能性 作为结构蛋白 参与基因表达调控2.常染色质和异染色质 (enchromatin,heterochromatin) 异染色质 常染色质碱性染料 着色深 着色浅形态 螺旋化程度高 螺旋化程度低 卷曲成粗大颗粒 解旋的细纤维丝序列特性 高度重复序列 单一序列、中度重复功能 转录不活跃 转录活跃部位 核被膜内表面 核中央3.染色体的组装ü 一条染色体包含一个DNA分子，平均长度5cmü 人体细胞含DNA 3×109 bp （1个基因组） 分布在24条染色体上（单倍体）ü 细胞核平均直径 5μm (1)染色质一级结构-核小体 （nucleosome） 染色体的基本结构单位组蛋白核心H2A、H2B、H3、H4构成圆盘状颗粒核小体组蛋白核心DNA 146bp 60bp linker（2）染色质二级结构 — 螺线管在H1参与下完成H1是螺线管形成和稳定的关键因素马鞭草提取物诱导肿瘤细胞凋亡马鞭草提取物诱导肿瘤细胞凋亡（引自课题组相关工作）（引自课题组相关工作）（3）染色单体骨架-放射环模型多级螺旋模型核小体30nm染色质纤维袢环（18个袢环形成微带，106微带）染色单体 一级结构 7～10×二级结构 — 螺线管 6×三级结构 — 超螺线管 40×四级结构 — 染色单体 4～5×4.中期染色体形态特征 由姐妹染色单体构成,着丝粒处相连 (1)着丝粒 姐妹染色单体的连接部位 (2)主缢痕 primary constriction 着丝粒存在部位向内的凹陷  (3)动粒 kinetochore 着丝粒两侧由蛋白质构成的特化部位 动粒域：连接微管中心域：着丝粒区主体配对域：染色单体相互作用 (4)次缢痕 secondary constriction 部分染色体上存在的着色较浅的缢痕 可作为染色体鉴定标志  (4)随体 satellite 部分染色体上存在的末端球形结构 通过次缢痕与染色体主体部分相连 核仁组织区 (5)端粒 保证染色体末端复制的完整性 保证染色体末端稳定 5.染色体核型一个体细胞中的全部染色体，按大小、数目、形态特征顺序排列所构成的图像A-TG 带G-CR 带 ( (四四) ) 核仁 nucleolus 是真核细胞间期核中最明显的结构 光镜下为均质、无包膜的球形小体成分：蛋白质、DNA、RNA大小：蛋白合成旺盛的细胞中较大数目：1-21.结构特点 (1)纤维中心 电镜下为浅染的低电子密度区域 所含主要成分为rDNA 核仁组织者：rDNA rRNA 核仁 （nucleolus organizer） 一个核仁组织者由一个DNA袢环组成，人类rRNA基因位于5条不同染色体上（13、14、15、21、22）的次缢痕部位核仁变小rRNA合成停止核仁消失rRNA合成重新开始(2)致密纤维组分 是核仁内电子密度最高的区域所含主要成分为正在转录的rRNA(+RNA结合蛋白)(3)颗粒组分 镜下呈致密的颗粒结构，在核仁中占比例最大所含主要成分为核糖体前体颗粒（rRNA前体颗粒） 核仁基质：核仁中无定形的蛋白质液体2.功能 (1)rRNA的合成和加工 rDNA的初级产物为45SrRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA 45SrRNA (2)核糖体的装配 核糖体组成：蛋白质+rRNA 由胞质输入  (五)核基质 nuclear matrix （核骨架）  1.组成 间期核中，除染色质、核仁、核被膜以外的 精密的网架系统 2.成分 纤维蛋白、少量RNA 3.分类 核基质蛋白 (共有) 核基质结合蛋白（功能性） 与细胞类型、分化程度及病理、生理状态有关 4.功能 (1)参与DNA复制 DNA聚合酶结合位点 DNA复制起始点结合 新合成的DNA 结合提高复制效率(2)参与基因转录和加工 A 参与RNA合成 RNA聚合酶结合位点 新合成RNA结合 转录活性基因结合位点 B 参与RNA加工 袢环结构袢环结构(3)参与染色体构建 (4)与细胞分化相关二、细胞核的功能1.储存遗传信息，完成遗传信息的传代 — 复制2.RNA的合成 — 转录、加工 三、细胞核与疾病 1.细胞核形态结构异常与肿瘤 细胞核具有高核质比 形状异形性 核孔数量增加 核仁体积大，数目多 组蛋白磷酸化加强2.染色体异常 数目异常： 结构异常： 染色体发生结构畸变的基础是断裂及断裂后 的重接 缺失、重复、倒位、易位核被膜 外核膜 结构：：与内质网膜连续,Ri 表面有骨架成分分布 功能：与蛋白合成有关内核膜核纤层 组成：核纤层蛋白 功能：支架、核膜崩解与重建、染色体凝集 DNA复制核周隙核孔 结构：核孔复合体-胞质环、核质环、辐 功能：核内外物质转运 小分子：自由扩散 大分子：主动运输 NLS、受体、RanGTP 染色体 染色体DNA 染色体序列（单一、重复） 复制源：DNA复制起始点 使染色体能够进行复制 着丝粒：姐妹染色单体连接部位 细胞分裂时使两拷贝分离 端 粒：染色体末端 保证DNA复制的完整性 染色体蛋白 组蛋白 H2A H2B H3 H4—核小体 H1 — 染色体高级结构 非组蛋白 染色体组装：两个模型 中期染色体特点 染色质的种类：常染色质和异染色质的区别核基质 结构组成： 功能：DNA复制、基因转录加工、染色体构建 核仁 结构：三个特征性功能区 纤维中心：rDNA （核仁组织者） 纤维成分：rRNA 颗粒成分：成熟的rRNA前体 功能：rRNA 合成、加工 核糖体装配 BACKback引自教研室相关研究工作三位科学家的发现解决了一个生物学的重要课题，即染色体在细三位科学家的发现解决了一个生物学的重要课题，即染色体在细胞分裂过程中是怎样实现完全复制，同时染色体如何受到保护而胞分裂过程中是怎样实现完全复制，同时染色体如何受到保护而不至于发生降解不至于发生降解 20092009年诺贝尔医学或生理学奖年诺贝尔医学或生理学奖卡萝尔·格雷德 伊丽莎白·布莱克本 杰克·绍斯塔克 backBACKBACKback引自学生实验课结果引自学生实验课结果肌肉细胞肌肉细胞back蟾蜍血细胞蟾蜍血细胞。