大学课件：细胞核2.ppt

1、细胞核细胞核系统的控制中心系统的控制中心 第二节第二节 染色质与染色体染色质与染色体(chromatin&chromosome)授课对象：2011级五年制本科授课教员：张艺授课单位：基础部细胞生物学教研室一、染色质的化学组成一、染色质的化学组成RNA非组蛋白非组蛋白组蛋白组蛋白DNA是遗传物质在细胞中的储存形式是遗传物质在细胞中的储存形式2.2.组蛋白组蛋白核小体组蛋白（核小体组蛋白（H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3、H H4 4）含量最高 富含带正电荷的氨基酸（Arg、Lys），与DNA分子紧密结合 组蛋白可被分为五种：H2A,H2B,H3,H4,H1染色质组成染色质组成

2、H2A,H2B,H3 and H4:高度保守，无种属和组织特异性高度保守，无种属和组织特异性 C端：均含有端：均含有“组蛋白折叠组蛋白折叠”（histone fold）结构）结构 （helix turn helix turn helix motif）端：端：histone tailhistone染色质组成染色质组成H1组蛋白与核小体的连接组蛋白与核小体的连接 H H1 1组蛋白组蛋白 有种属和组织特异性形成核小体时起连接作用保护DNA、参与基因调控染色质组成染色质组成Why？组蛋白的可修饰性组蛋白的可修饰性组蛋白乙酰化组蛋白乙酰化AcetylationAcetylation 乙酰化修饰大多发生

3、乙酰化修饰大多发生在在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 残基上。残基上。组蛋白甲基化组蛋白甲基化 Methylation Methylation 发生在发生在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 和和 Asp Asp 残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。组蛋白磷酸化组蛋白磷酸化 PhosphorylationPhosphorylation 发生与发生与 Ser Ser 残残基，一般与基因活化相关。基，一般与基因活化相关。组蛋白泛素化组蛋白泛素化 Ubiqu

4、itinationUbiquitination 一般是一般是C C端端LysLys修修饰，启动基因表达。饰，启动基因表达。组蛋白修饰组蛋白修饰组蛋白修饰的意义组蛋白修饰的意义 改变染色体的结构，直接影响转录活性（影响组蛋白改变染色体的结构，直接影响转录活性（影响组蛋白与与DNADNA双链的亲和性，改变染色质的疏松或凝集状态）双链的亲和性，改变染色质的疏松或凝集状态）核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性（影响其它转录因子与相互接触，从而间接影响转录活性（影响其它转录因子与结构基因启动子的亲和性）。结构基因启动子

5、的亲和性）。Acetylation of H3 and H4 is associated with active chromatin,while methylation is associated with inactive chromatin.Histone modification表观遗传学表观遗传学 表观遗传学是研究基表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达了可遗的情况下，基因表达了可遗传的变化的一门遗传学分支传的变化的一门遗传学分支学科。学科。Epigenetics Any changes in gene expression resulti

6、ng from either a DNA and chromatin modification or resulting from a post-transcriptional mechanism.遗传与表观遗传遗传与表观遗传3.3.非组蛋白非组蛋白 组蛋白之外的染色质蛋白质，种类多组蛋白之外的染色质蛋白质，种类多 特性特性：含有较多天冬氨酸、谷氨酸，属酸性蛋白质。含有较多天冬氨酸、谷氨酸，属酸性蛋白质。整个细胞周期都进行合成（组蛋白只在整个细胞周期都进行合成（组蛋白只在S S期合成）。期合成）。能识别特异的能识别特异的DNADNA序列，识别与结合氢键和离子键。序列，识别与结合氢键和离子键。功

7、能：功能：帮助帮助DNADNA分子折叠分子折叠 协助协助DNADNA复制复制 调节基因表达调节基因表达染色质组成染色质组成二、常染色质和异染色质二、常染色质和异染色质 染色质是细胞分裂间期细胞核中解螺旋染色体的形态表现。根据所含核蛋白螺旋化程度不一及其功能状态不同，分为两类。1.1.常染色质常染色质2.2.异染色质异染色质 常染色质和异染色质电镜图常染色质和异染色质电镜图（一）常染色质（一）常染色质（euchromatin）：）：间期细胞中结构松散、碱性染料着色较浅的染色质；直径10nm，螺旋化程度低，能活跃地进行复制和转录，多见于核中央 在S期的早、中期复制常染色质常染色质异染色质异染色质染

8、色质类型染色质类型（二）异染色质（二）异染色质（heterochromatin）：）：间期细胞中结构紧密、碱性染料着色较深的染色质；直径20-30nm，螺旋化程度高，转录不活跃 一般位于核边缘，有的与核仁结合。常染色质常染色质异染色质异染色质染色质类型染色质类型结构异染色质结构异染色质兼性异染色兼性异染色质质Compacted state at all time:CentromereInactivated at certain phase of life原位荧光染色示着丝粒异染色质原位荧光染色示着丝粒异染色质染色质类型染色质类型 常染色质常染色质 异染色质异染色质结构 螺旋化程度 碱性染料着色

9、 位置 功能？染色质类型染色质类型常染色质和异染色质的关系常染色质和异染色质的关系常染色质与异染色质在螺旋化程度、DNA序列及功能上具明显区别，但化学本质相同；高分化细胞，异染色质90100%；低分化细胞常染色质呈高比例。常染色质和异染色质在一定条件下可互相转换。染色质类型染色质类型性别预测性别预测雌性哺乳动物雌性哺乳动物的一对的一对X X染色体染色体一条常染色质一条常染色质一条异染色质一条异染色质（巴氏小体）（巴氏小体）白细胞核中的巴氏小体白细胞核中的巴氏小体巴氏小体巴氏小体染色质类型染色质类型DNADNA分子长度分子长度染色体染色体DNADNA总长总长细胞核大小细胞核大小4-5 cm4-5

10、 cm约约 2 m2 m5-10 5-10 m m how？三、染色体的构建三、染色体的构建DNADNA链链核小体核小体螺线管螺线管超螺线管超螺线管染色质染色质中期染色中期染色体体染色体构建染色体构建1.1.核小体是染色体基本结构单位核小体是染色体基本结构单位 Nucleosome are the basic unit of eukaryotic chromosome structure.核小体（核小体（nucleosomenucleosome):):是染色体的基本结构单位，包括200bp左右DNA、一个组蛋白八聚体和一分子组蛋白H1。染色体构建染色体构建DNADNA分子在八聚体上缠绕分子在八

11、聚体上缠绕1.751.75圈，圈，146146个个bpbp。连接两核。连接两核小体有小体有60bp60bp的的DNADNA片段。片段。染色体构建染色体构建组蛋白八聚体组蛋白八聚体H4DNA双螺旋双螺旋(146bp(146bp、1.751.75圈）圈）H3H4H3H2AH2AH2BH2BH4H3H3H4H2AH2AH2BH2B 10nm连接连接DNADNA（60bp）核小体核小体 H1 H1核心核心DNADNA包装成核小体，包装成核小体，长度压缩了长度压缩了7 7倍。倍。染色体构建染色体构建 核小体串珠电镜图核小体串珠电镜图染色体构建染色体构建2.2.染色质的二级结构：染色质的二级结构：螺线管螺

12、线管 电镜下，染色质以电镜下，染色质以30nm30nm的染色质纤维存在的染色质纤维存在电镜下螺线管的结构电镜下螺线管的结构染色体构建染色体构建 核小体紧密连接，螺旋缠绕形成核小体紧密连接，螺旋缠绕形成中空性中空性管，管，外外径径30nm30nm，内径，内径10nm10nm；每一圈含每一圈含6 6个核小体个核小体 组蛋白组蛋白H1H1组蛋白H1促进核小体的缠绕促进核小体的缠绕稳定螺线管的结构稳定螺线管的结构染色体构建染色体构建螺线管，长度压缩了螺线管，长度压缩了6 6倍。倍。染色体构建染色体构建3.3.染色质的三级结构：染色质的三级结构：超螺线管超螺线管超螺线管，长度压缩了超螺线管，长度压缩了4

13、040倍。倍。超螺旋模型超螺旋模型 由螺线管进一步由螺线管进一步盘绕形成盘绕形成,直径直径300nm300nm染色体构建染色体构建染色体支架（非组蛋白支架）螺线管螺线管折叠折叠袢环结构域袢环结构域1818个袢环，沿染色体纵个袢环，沿染色体纵轴向四周伸出，放射环轴向四周伸出，放射环染色体骨架染色体骨架-放射环模型结构放射环模型结构 袢环（袢环（loop loop）袢 环放射环染色体构建染色体构建4.4.染色质的四级结构：染色质的四级结构：染色单体染色单体 DNA的长度在三级结构的基础上被压缩5倍。超螺线管或袢环再进一步螺旋折叠则形成染色单体。染色体构建染色体构建核小体核小体（11nm）螺线管螺线

14、管（30nm）超螺线管超螺线管（300nm）染色单体染色单体压缩压缩6倍倍压缩压缩40倍倍压缩压缩5倍倍DNA DNA(2nm)压缩压缩7倍倍一级一级二级二级三级三级四级四级5cm5-10 m由由DNADNA到染色（单）体经过压缩到染色（单）体经过压缩8000-100008000-10000倍倍染色体构建染色体构建有丝分裂细胞中的染色体有丝分裂细胞中的染色体 有丝分裂中期，染色质高度螺旋化，凝集有丝分裂中期，染色质高度螺旋化，凝集形成光镜下明显的形态特征。形成光镜下明显的形态特征。四、染色体形态特征四、染色体形态特征中期染色体中期染色体的形态特征的形态特征 一条中期染色体均含两条姐妹染色单体

15、1条染色单体是1个DNA分子 着丝粒、主缢痕、次缢痕、着丝粒、主缢痕、次缢痕、端粒、随体端粒、随体中期染色体结构中期染色体结构染色体形态染色体形态染色单体染色单体次缢痕次缢痕短臂（短臂（p）长臂（长臂（q）随体随体常染色质区常染色质区端粒端粒着丝粒着丝粒（主缢痕）（主缢痕）1.1.主缢痕和着丝粒：主缢痕和着丝粒：主缢痕(primary constriction)：两个姐妹染色单体相连处向内凹陷的缢痕。着丝粒(centromere)：处于主缢痕中心部位，是主缢痕内部高度重复的异染色质结构。动粒(kinetochore)：位于主缢痕染色单体外侧表面，是纺锤丝微管的附着部位。着丝粒动粒复合体着丝粒动

16、粒复合体着丝粒动粒复合体模式图着丝粒动粒复合体模式图染色体形态染色体形态 动粒结构域（动粒结构域（kinetochore kinetochore domaindomain）：）：外板、内板、中间间隙 中心结构域中心结构域(central(central domain)domain)：异染色质 配对结构域配对结构域(pairing(pairing domain)domain)：内着丝粒蛋白、染色单体连接蛋白，对染色单体的配对和分离起重要作用。三种成分共同作用，保证染三种成分共同作用，保证染色体和纺锤体整合及染色体分色体和纺锤体整合及染色体分离。离。着丝粒着丝粒-动粒复合体的结构域动粒复合体的结构

17、域染色体形态染色体形态 中央着丝粒染色体中央着丝粒染色体 亚中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体 近端着丝粒染色体近端着丝粒染色体 端着丝粒染色体端着丝粒染色体染色体形态染色体形态2.2.次缢痕（次缢痕（secondary constrictionsecondary constriction）次缢痕次缢痕随体随体3.3.随体（随体（satellite)satellite)鉴别标志鉴别标志中期染色体的形态特征中期染色体的形态特征 与次缢痕相连的球形或棒状小体。与次缢痕相连的球形或棒状小体。人类染色体中，随体位于第人类染色体中，随体位于第1313，1414，1515，2121，2222号染色体上。号染色

18、体上。染色体上除主缢痕外向内缢缩染色体上除主缢痕外向内缢缩的部位。的部位。染色体形态染色体形态4.4.端粒端粒（telomeretelomere）：染色体末端的特化部位。染色体末端的特化部位。（TTAGGGTTAGGG）维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性 端粒的长短与细胞衰老端粒的长短与细胞衰老相关。相关。端粒与肿瘤有关端粒与肿瘤有关端粒酶端粒酶染色体形态染色体形态肿瘤细胞表现出无限繁殖的特性肿瘤细胞表现出无限繁殖的特性端粒酶结构示意图端粒酶结构示意图染色体形态染色体形态染色体形态染色体形态肿瘤细胞表现出无限繁殖的特性肿瘤细胞表现出无限繁殖的特性5 5、核仁组织区、核仁组织区人类染色体中，有

19、随体染色体的人类染色体中，有随体染色体的次缢痕处包含次缢痕处包含核仁组织区核仁组织区（nuclear nuclear organizer region,NORorganizer region,NOR）。该区含编码该区含编码rRNArRNA基因（基因（rDNArDNA），），能在细胞间期缔合核仁。能在细胞间期缔合核仁。核仁组织区核仁组织区染色体形态染色体形态五、染色体的核型和带型五、染色体的核型和带型 性细胞染色体为单倍体（性细胞染色体为单倍体（haploidhaploid），用），用n n表示表示;体细胞为体细胞为2 2倍体（倍体（diploiddiploid）以）以2n2n表示，还有一些物种

20、表示，还有一些物种的染色体成倍增加成为的染色体成倍增加成为4n4n、6n6n、8n8n等，称为多倍体。等，称为多倍体。染色体的数目因物种而异，如染色体的数目因物种而异，如人类人类2n=462n=46，黑猩猩，黑猩猩2n=482n=48，果蝇，果蝇2n=82n=8，家蚕，家蚕2n=562n=56，小麦，小麦2n=422n=42，水稻，水稻2n=242n=24，洋葱，洋葱2n=16.2n=16.1.1.染色体的数目染色体的数目 The two closely related species of deer with very different chromosome numbers2.2.核型核型

21、 一个体细胞中的全部染色体在有丝分裂中期的表型，就构成核型（karyotype)。数目、大小和形态男性：男性：4646，XYXY女性：女性：4646，XXXX小鼠细胞染色体制备小鼠细胞染色体制备固定固定低渗低渗破裂破裂染色染色观察观察性性别别鉴鉴定定斯坦尼斯洛娃斯坦尼斯洛娃瓦洛斯维奇（波兰）瓦洛斯维奇（波兰）染色质异常染色质异常441212运动失调运动失调染色体移位染色体移位染色质异常染色质异常21三体综合征三体综合征染色质异常染色质异常3.带型（带型（band）是染色体经特定染色后显示处深浅各异、宽窄不等的带纹。1号染色体号染色体第三节第三节 核仁核仁(nucleolus)(nucleolu

22、s)光镜下为均质球体蛋白合成旺盛细胞中核仁很大；反之很小位置不固定；核仁趋边 一、核仁的化学组成和形态结构一、核仁的化学组成和形态结构(一一)化学组成化学组成 由蛋白质、RNA、DNA和酶类组成；蛋白质占80%；无膜包裹，由多种成分构成一种大的网络结构 （二）核仁的亚微结构（二）核仁的亚微结构纤维中心纤维中心致密纤维组分致密纤维组分颗粒成分颗粒成分核仁的亚微结构模式图核仁的亚微结构模式图 纤维中心（纤维中心（fibrillar center）：电镜下浅染区，转录rRNA的rDNA的存在部位 rDNA是从染色体上伸出的DNA袢环，袢环上有rRNA基因串联排列，高速转录，在组织、形成核仁中发挥作用

23、；每一个rRNA基因的袢环称为一个核仁组织核仁组织者者（nuleolar organizer）5 5对染色体对染色体核仁与核仁组织者核仁与核仁组织者 核仁组织者共同构成的区域称为核仁组织区核仁组织区，通常定位于染色体次缢痕。致密纤维组分致密纤维组分(dense fibrillar component)：核仁内电子密度最高的区域，位于浅染区的周围，含有正在转录的rRNA分子和RNA结合蛋白，还存在一些特异性的RNA结合蛋白。核仁结构模式图核仁结构模式图颗粒成分颗粒成分 (granular component)呈致密的颗粒，直径1520nm，是成熟的核糖体亚单位前体颗粒。代谢活性纤维中心：含有rD

24、NA致密纤维组分：合成加工rRNA颗粒成分：组装核糖体亚单位核仁电镜照片核仁电镜照片二、核仁的功能二、核仁的功能 核糖体组成成分核糖体组成成分The nucleolus is a ribosome producing factoryrRNA转录转录1.rRNA 1.rRNA 合成中心合成中心 45S rRNA2.rRNA加工区域加工区域 5.8S、18S、28S rRNA转录与加工转录与加工 5SrRNA5SrRNA胞质合成后转运胞质合成后转运至核仁参与大亚基的装配至核仁参与大亚基的装配 3.3.核糖体大小亚基的装配场所核糖体大小亚基的装配场所核糖体亚单位组装核糖体亚单位组装三、核仁的周期三、

25、核仁的周期l 有丝分裂期，核仁变小消失l 分裂末期，染色体分散为染色质，核仁组织区开始装配，融合形成大核仁。核仁周期核仁周期(示核仁融合示核仁融合)核仁为什么周期性出现和消失？核仁为什么周期性出现和消失？核仁是一种动态结构，随细胞周期出现一系列结构和功能变化，称为核仁周期。第四节第四节 核纤层与核骨架核纤层与核骨架一、核纤层（一、核纤层（nuclear lamina)附着于核膜内层的纤维蛋附着于核膜内层的纤维蛋白网；白网；厚厚3030160nm160nm 一侧结合内核膜特殊部位，一侧结合内核膜特殊部位，另一侧结合染色质特殊位点；另一侧结合染色质特殊位点；属于中间纤维。属于中间纤维。核纤层核纤层

26、核纤层纤维直径约核纤层纤维直径约10nm10nm，具有较大的刚性。，具有较大的刚性。The nuclear lamina structure under the transmission electron microscopy核纤层核纤层核纤层蛋白（核纤层蛋白（laminlamin）是核纤层的主要组分。）是核纤层的主要组分。A型核纤层蛋白：分化细胞B型核纤层蛋白：所有细胞 为核被膜提供支架，维持核孔位置以及核被膜形为核被膜提供支架，维持核孔位置以及核被膜形状；状；在间期锚定染色质，阻碍其螺旋化形成染色体；在间期锚定染色质，阻碍其螺旋化形成染色体；核纤层功能核纤层功能核纤层核纤层核纤层参与细胞核

27、的构建核纤层参与细胞核的构建核纤层磷酸化核纤层磷酸化laminlamin 磷酸化磷酸化laminlamin解聚解聚核膜崩解核膜崩解laminlamin 去磷酸化去磷酸化laminlamin聚合聚合核膜重建核膜重建核纤层核纤层DNADNA的复制和基因的表达的复制和基因的表达与核纤层、核孔相连与中间纤维相连核骨架电镜图核骨架电镜图 以非组蛋白为主的纤维网架，是真核细胞间期核中除核被膜、染色质和核仁外的网架系统。二、核骨架二、核骨架(nuclear scaffold)核基质蛋白：共有成分核基质蛋白：共有成分核基质结合蛋白：细胞特异性核基质结合蛋白：细胞特异性核骨架核骨架核骨架核骨架核骨架的功能核骨架

28、的功能 参与参与DNADNA复制复制 构成DNA复制的空间支架 参与基因表达调控参与基因表达调控 转录、加工DNA环与核骨架关系环与核骨架关系核骨架核骨架 参与染色体的构建和核膜的重建参与染色体的构建和核膜的重建 核骨架与细胞分化核骨架与细胞分化 核骨架的结构和功能改变影响核基因的选择性转录，导致细胞分化。袢环结构核骨架核骨架小结小结一、核膜一、核膜 结构、功能结构、功能二、染色体二、染色体 组成、组成、种类、形态、种类、形态、组装组装三、核仁三、核仁 结构结构：纤维中心、致密纤维组分、颗粒成分纤维中心、致密纤维组分、颗粒成分 功能功能四、核纤层、核骨架四、核纤层、核骨架 结构、功能结构、功能Thank you！