第十一章-细胞核与染色体-细胞生物学课件.ppt

1、第十一章 细胞核与染色体第一节 核被膜第二节 染色质第三节 染色质的复制与表达第四节 染色体第五节 核仁与核体第六节 核基质第一节核被膜一、核膜二、核孔复合体（nuclear pore complex,NPC）三、核纤层（一）核膜结构（二）核膜的崩解与组装（一）结构模型（二）组成成分（三）功能外核膜内核膜核纤层核周间隙核孔核孔复合体（一）核膜结构（二）核膜的崩解与组装?胞质环，外环?核质环，内环?辐?柱状亚单位?腔内亚单位?环带亚单位?中央栓（一）结构模型（二）组成成分核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为1.25 108，推测可能含有30 余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。

2、迄今已鉴定的脊椎动物的核孔复合体蛋白成分已达到10 多种，其中最具代表性的为：?gp210：结构性跨膜蛋白?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?在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用?在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定作用?p62：功能性的核孔复合体蛋白?疏水性N端区：可能在核孔复合体功能活动中直接参与核质交换?C端区：可能通过与其它核孔复合体蛋白相互作用，从而将 p62 分子稳定到核孔复合体上，为其N端进行核质交换活动提供支持。（三）核孔复合体的功能从功能上讲，NPC是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，并且是一个双功能、双向性核质交

3、换通道。1.通过核孔复合体的被动扩散2.核孔复合体的主动运输1.通过核孔复合体的被动扩散NPC作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为910nm，有时可达12.5nm，即离子、小分子以及直径在10nm 以下的物质原则上可以自由通过。但实际上并不是所有符合以上条件的蛋白质都可以随意出入细胞核。许多小分蛋白本身带有核输入或核输出信号，有的不带信号但可以与其他带信号的结合被同时主动运输。还有的小分子蛋白可能与其他大分子结合，或与一些不溶性结构成分（如中间丝、核骨架等）结合而被限制在细胞质或细胞核。2.核孔复合体的主动运输生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的主动运输完成的，具有高度的选择性，并且是双

4、向的。主动运输的选择性表现在以下三个方面：?对运输颗粒大小的限制：有效功能直径可被调节为10 20nm，甚至可达26nm。?主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗ATP 能量，并表现出饱和动力学特征。?主动运输具有双向性，即核输入与核输出。主动运输是一个信号识别与载体介导的过程?亲核蛋白（karyophilic protein）：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。?核质蛋白（nucleoplasmin）的入核转运?核定位信号(nuclear localization signal，NLS)?核输出信号（nuclear export signal，NES）核

5、定位信号?NLS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 Pro。?NLS的氨基酸残基片段可以是一段连续的序列(SV40 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)。?NLS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。?NLS只是亲核蛋白入核的一个必要条件而非充分条件核输出信号三、核纤层功能：1.结构支撑2.调节基因表达3.调节DNA修复4.与细胞周期的关系第二节 染色质染色质是指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构。染色体是指细胞在有丝分裂或减数分裂的特定阶

6、段，由染色质聚缩而成的棒状结构。一、染色质DNA二、染色质蛋白三、核小体四、染色质组装五、染色质类型一、染色质DNA（一）基因组(genome)大小比较凡是具有细胞形态的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。某一生物储存于单倍染色体组中的总遗传信息，组成该生物的基因组。基因组大小通常随物种的复杂性而增加。（二）基因组DNA 类型（二）基因组DNA 类型高度重复DNA 序列DNA 的二级结构高度重复DNA 序列真核细胞基因组中，还含有高度重复 DNA序列，由一些短的DNA 序列呈串联重复排列，每个基因组中至少含105拷贝，约占脊椎动物总DNA 的10%。

7、可分为：卫星DNA（satelliteDNA），重复单位长 5100bp，主要分布在染色体着丝粒部位；小卫星 DNA（minisatelliteDNA），重复单位长 12100bp，重复3000次之多，又称数量可变的的串联重复序列，常用于DNA指纹技术（DNAfinger-printing）作个体鉴定；微卫星DNA（microsatellite DNA）重复单位序列最短，只有15bp，具高度多态性，在遗传上高度保守，可作为重要的遗传标记，用于构建遗传图谱及个体鉴定。DNA 的二级结构与染色质DNA结合的蛋白负责DNA 分子遗传信息的组织、复制和阅读。包括两类：（一）组蛋白(histone)?核

8、小体组蛋白：H2A、H2B、H3和H4?H1：在构成核小体时 H1 起连接作用,它赋予染色质以极性。特点：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；没有种属及组织特异性（H1 有一定的种属及组织特异性），在进化上十分保守。（二）非组蛋白(nonhistone)二、染色质蛋白（二）非组蛋白非组蛋白主要是指染色体上与特异 DNA序列相结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白(sequencespecificDNAbindingproteins)。具有以下特性：?非组蛋白具多样性非组蛋白占染色体蛋白的60%70%，代谢周转

9、快，具组织特异性。?识别DNA 具有特异性能识别特异的DNA 序列，识别信息来源在于 DNA核苷酸序列本身，识别位点存在于DNA 双螺旋的大沟部分，识别和结合靠氢键和离子键。?具有功能多样性包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。如：帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域；协助启动DNA复制，控制基因转录，调节基因表达。1.非组蛋白的特性?非组蛋白具多样性非组蛋白占染色体蛋白的60%70%，代谢周转快，具组织特异性。?识别DNA具有特异性能识别特异的DNA 序列，识别信息来源在于DNA 核苷酸序列本身，识别位点存在于 DNA双螺旋的大沟部分，识别和结合靠氢键和离子键。?具有功能多样性包括基因

10、表达的调控和染色质高级结构的形成。如：帮助DNA 分子折叠，以形成不同的结构域；协助启动DNA 复制，控制基因转录，调节基因表达。2.非组蛋白的不同结构模式 螺旋-转角-螺旋模式 锌指模式 亮氨酸拉链模式 螺旋-环-螺旋结构模式 HMG-框结构模式（HMG-box motif）三、核小体（一）核小体的发现（二）核小体的结构（二）核小体结构要点 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。两个H2A H2B 和两个H3H4 组成八聚体，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20bpD

11、NA，锁住核小体DNA 的进出端，起稳定核小体的作用。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。组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列，实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质。核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达。四、染色质组装（一）染色质组装的前期过程（二）染色质组装的多级螺旋模型(multiple coiling model)（三）染色质组装的放射环结构模型(scaffold radial loop structure model)（一）染色质组装的前期

12、过程（二）染色质组装的多级螺旋模型压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍DNA双螺旋核小体螺线管超螺线管染色单体2nm 10nm 30nm 0.4m 210m 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）（三）染色质组装的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(miniban

13、d),大约106个微带沿纵轴构建成子染色体。五、染色质类型（一）常染色质与异染色质（二）常染色质与异染色质间的转变（三）活性染色质与非活性染色质1.活性染色质对DNase I 超敏感2.活性染色质的蛋白组成与修饰变化（一）常染色质与异染色质间期染色质按其形态特征、活性状态和染色性能区分为两种类型：1.常染色质(euchromatin)指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。DNA组装比约为1/20001/1000。主要是单一序列 DNA和中度重复序列 DNA(如组蛋白基因和 tRNA 基因)。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

14、要条件而非充分条件。2.异染色质(heterochromatin)：指间期细胞核中,折叠压缩程度高,处于聚缩状态，用碱性燃料染色时着色深的那些染色质。异染色质有分为：结构异染色质或组成型异染色质（constitutive heterochromatin）兼性异染色质（facultative heterochromatin）结构异染色质或组成型异染色质指除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，DNA组装比在整个细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。在间期核中聚集形成多个染色中心。结构异染色质具有如下特征：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；由相对简单、高度重复的

15、 DNA序列构成,如卫星DNA；具有显著的遗传惰性,不转录也不编码蛋白质；在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩；占有较大部分核 DNA，在功能上参与染色质高级结构的形成，导致染色质区间性，作为核 DNA的转座元件，引起遗传变异。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。异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径，如哺乳动物X染色体随机失活。1.活性染色质对DNase I 超敏感如果用很低浓度的 DNase I 处理染色质，切割将首先发生在少数特异性位点上，这些特异性位点叫做 DNase I 超敏感位点。DNase I 超敏感位点大部分

16、位于基因 5端启动子区域，实际上是一段长 100200bp的DNA序列暴露的染色质区域，该序列不被核小体保护。活性基因的超敏感位点建立在启动子附近，并与启动子功能有关，很可能是为 RNA聚合酶、转录因子或其他蛋白调控因子提供结合位点。现有证据表明基因 5端超敏感位点的建立发生在转录之前，但很可能是起始转录的必要条件而非充分条件。2.活性染色质的蛋白组成与修饰变化 很少有组蛋白H1 与其结合；组蛋白乙酰化程度高；核小体组蛋白H2B 很少被磷酸化；核小体组蛋白H2A 在许多物种很少有变异形式存在；组蛋白H3 的变种H3.3 只在活跃转录的染色质中出现；HMG14 和HMG17 只存在于活性染色质中

17、，与DNA 结合，平均每10 个核小体中有一个是与HMG14 和HMG17 结合的。研究表明，一些组蛋白的修饰直接影响染色质的活性。这些修饰包括甲基化、乙酰化和磷酸化。乙酰化一般是活性染色质的标志。第三节 染色质的复制与表达一、染色质的复制与修复（自学）二、染色质的激活与失活三、染色质与基因表达调控四、染色质与表观遗传二、染色质的激活与失活染色质的疏松状态源于核小体的结构改变或核小体解聚。根据核小体结构与功能关系，可能有以下原因：1.DNA 结构与核小体相位的变化2.组蛋白的修饰 核心组蛋白的赖氨酸残基乙酰化 组蛋白H3 的甲基化 组蛋白H1 的磷酸化 不同组蛋白修饰之间的关系3.HMG 蛋白

18、的影响1.DNA 结构与核小体相位的变化当调控蛋白与染色质DNA的特定位点结合时，染色质易被引发二级结构的改变；进而引起其它的一些结合位点与调控蛋白的结合。核小体通常定位在DNA 特殊位点而利于转录（a）基因的关键调控元件被留在核心颗粒外面，从而有利于结合转录因子；（b）位于DNA上调控元件被盘绕在核心组蛋白上，因为组蛋白使DNA 上的关键 调控元件靠得很近，它们可以通过转录因子而联系。核心组蛋白的赖氨酸残基乙酰化三、染色质与基因表达调控1.激活因子SWI5 与增强子结合并于染色质重构复合物SWI/SNF 相互作用，基因转录开始被激活。2.染色质解凝聚，暴露出组蛋白尾巴。3.含有GCN5 的组

19、蛋白乙酰酶复合体与SWI5 结合，乙酰化组蛋白，染色质继续解凝聚。4.SWI5 解离，使SBF与近基因启动子段位点结合。5.SBF 与转录介导因子复合物结合。6.RNA 聚合酶Pol II的结合及基础转录因子共同组装成转录起始复合物，转录开始四、染色质与表观遗传表观遗传（epigenetics）概念：基因与环境相互作用产生的可遗传表型。遗传学的变化是通过 DNA序列的突变实现的，通过生殖细胞得以遗传。表观遗传的变化是通过组蛋白和 DNA的不同修饰而实现的。它只在体细胞中出现。主要包括：DNA甲基化修饰、基因组印记、组蛋白修饰、染色质重塑、RNA介导的基因沉默等第四节 染色体一、染色体的形态结构

20、二、染色体DNA的三种功能元件三、核型与染色体显带四、巨大染色体一、中期染色体的形态结构（一）中期染色体的类型（二）染色体各部分的主要结构（一）中期染色体的类型着丝粒位置染色体符号着丝粒比着丝粒指数中着丝粒近中着丝粒近端着丝粒端着丝粒msmstt1.00 1.671.68 3.003.01 7.007.01 000.5000.3750.3740.2500.2940.1250.1240.000长臂长度短臂长度;短臂长度染色体总长度近近1.着丝粒(centromere)与动粒（kinetochore)2.次缢痕(secondary constriction)3.核仁组织区(nucleolar or

21、ganizing region,NOR)4.随体(satellite)5.端粒(telomere)（二）染色体各部分的主要结构1.着丝粒与动粒（1）动粒结构域(kinetochore domain)内板，中间间隙，外板，纤维冠（2）中央结构域(central domain)着丝粒区的主体，由串联重复的卫星DNA 组成。（3）配对结构域(pairing domain)：与染色单体配对有关内部着丝粒蛋白INCENP(inner centromere protein)染色单体连接蛋白clips(chromatid linking proteins)二、染色体DNA 的三种功能元件1.自主复制DNA序

22、列(autonomously replicating DNAsequence,ARS)：具有一段1114bp的同源性很高的富含 AT的共有序列及其上下游各200bp 左右的区域是维持 ARS功能所必需的。2.着丝粒DNA序列(centromere DNAsequence,CEN)：3.端粒DNA序列(telomere DNAsequence,TEL)：端粒酶，在生殖细胞和部分干细胞中有端粒酶活性，?“人造微小染色体”(artificialminichromosome)。(TTAGGG)n(TTTAGGG)n猪水仙风信子长春花“人造微小染色体人造微小染色体”三、核型与染色体显带1.核型(kary

23、otype)是指染色体组在有丝分裂中期的表型,包括染色体数目、大小、形态特征的总和。核型分析是在对染色体进行测量的基础上，进行分组、排队、配对并进行形态分析的过程。核型分析对于探讨人类遗传病的机制、物种亲缘关系、远缘杂种的鉴定等都有重要意义。2.核型模式图(idiogram)将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来,再按长短、形态等特征排列起来的图象称为核型模式图,它代表一个物种的核型模式。3.染色体显带技术Q带、G带、R带、C带、T带、N带、高分辨G带四、巨大染色体在某些生物的细胞中，特别是在发育的某些阶段，可以观察到一些特殊的体积很大的染色体，称为巨大染色体（giantchromos

24、ome），包括：（一）多线染色体（polytene chromosome）1.多线染色体的来源：核内有丝分裂(endomitosis)2.多线染色体的带及间带3.多线染色体与基因活性（二）灯刷染色体（lampbrush chromosome）1.灯刷染色体的超微结构2.灯刷染色体的转录功能1.多线染色体的来源2.多线染色体的带及间带带和间带都含有基因，可能：“管家”基因(housekeeping gene)位于间带“奢侈”基因(luxury gene)位于带上。3.多线染色体与基因活性多线染色体的某些带区变得疏松膨大而形成胀泡（puff）。最大的胀泡叫Balbiani 环。胀泡是基因活跃转录的

25、标志。1.灯刷染色体的超微结构普遍存在于动物界的卵母细胞，是进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体，包含 4条染色单体，未完全解除联会，可看到几处交叉。在卵母细胞中可维持数月或数年。第五节核仁与核体一、核仁的超微结构二、核仁的功能（一）rRNA 基因的转录（二）rRNA 前体的加工（三）核糖体亚单位的组装三、核仁周期四、亚核结构（核体）一、核仁的超微结构1.纤维中心(FC)2.致密纤维组分(DFC)3.颗粒组分(GC)?核仁相随染色质?核仁基质（一）rRNA基因的转录（二）rRNA前体的加工（三）核糖体亚单位的组装三、核仁周期研究表明，核仁的动态变化是rDNA 转录和细胞周期依赖性的。四、亚

26、核结构（核体）间期核内除染色质与核仁结构外，在染色质之间的空间还含许多形态上不同的亚核结构统称为核体。包括：Cajal体GEMS（Gemini of coiled bodies）染色质间颗粒（interrchromatin granule clusters,speckles）这些组分与在基因表达过程中起作用的生物大分子的合成、组装和储存相关。第六节核基质（nuclear matrix）核基质是指在真核细胞的细胞核内，除了核被膜、核纤层、染色质与核仁以外的以蛋白质成分为主的网架结构体系。1.核骨架是存在于真核细胞核内真实的结构体系；2.核骨架与核纤层、中间丝相互连接形成的网络体系，是贯穿于核与质的一个相对独立的结构系统。3.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。少量RNA的存在可能对维持核骨架结构的完整性是必要的。4.核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的组装与构建有密切系。