1、第八章 细胞核与遗传信息储存,细胞核： 1 最大的细胞器 2 遗传物质储存、复制和转录的场所 3 生命活动的控制中心 4 真核生物与原核生物最大的区别,nucleus and the storage of genetic information,核质比,形态：随细胞的增殖过程呈现周期性的变化。间期可以 观察细胞核的完整结构。一般与细胞的形态相适 应, 圆形、椭圆形、杆状、分叶状。 大小：5-30m 数目：1个、2个（肝、肾细胞）、数百（破骨细胞） 位置：细胞中央或偏于某一端 组成部分：核被膜 核仁 染色质 核基质,染色质,Nucleus structure,第一节 核膜（nuclear env
2、elope） 一、核膜的化学组成 蛋白质、脂类、少量DNA和RNA 核被膜的化学组成与内质网相似 二、核膜的结构（电镜） 构成： 内核膜（inner nuclear membrane） 外核膜（outer nuclear membrane） 核周隙（perinuclear space）,The nuclear envelope,1.外核膜： 面向胞质， 与粗面内质网膜连续 有核糖体附着 表面有中间纤维 2. 内核膜： 面向核质 外表面无核糖体 内表面附有核 纤层 3. 核周隙： 与粗面内质网腔相通 宽：20-40nm,4. 核 孔 ：内外核膜融合所致，3000-4000个/细胞,Cytopla
3、smic face cytoplasmic particles,Nuclear face basket inner complex,核孔复合体（nuclear pore complex, NPC）： 捕鱼笼式核孔复合体： 胞质环 核质环 辐 中央栓 功能：介导细胞核与 细胞质间的物质运输,柱状亚单位,腔内亚单位,环带亚单位,三、核纤层 内核膜下的纤维状蛋白网，一侧结合于内核膜，一侧结 合于染色质.分三种核纤层蛋白（A、 B、C ）属于中间丝。,核纤层的功能：1）支持和固定核膜，稳定核的形状 2）对染色质的有序排列起一定作用 3）参与核膜的解体和重建,四、核被膜的主要功能 1.区域化作用 保证相
4、对稳定的内环境 遗传信息的表达得到得到更为精确的控制 2.合成生物大分子-蛋白质 3.控制核质间的物质流和信息流 核膜双层 核孔复合体 核定位序列,第二节 染色质(chromatin) 和染色体(chromosome) 染色质（chromatin）是指间期细胞核内由DNA、组蛋 白、非组蛋白及少量RNA组成的能被碱性染料染色的物 质，是间期遗传物质在细胞内的存在形式。,染色质和染色体是同一物质不同时相的不同表现形态 染色质（间期） 染色体（分裂期）,一染色质的化学组成 组成： DNA 组蛋白 非组蛋白 RNA 比例： 1 1 (0.5-1.5) 0.05,1染色体（质）DNA 基因组（geno
5、me）: 真核细胞单倍染色体组中所含有的全 部遗传信息为1个基因组 。 人基因组：22条常染色体+2条性染色体,单一序列（unique sequence),中度重复序列（middle repetitive sequence）,在基因组中仅有一个或几个拷贝，负责蛋白质氨基酸组成的信息，以三联体密码方式进行编码。大多数编码蛋白质(酶)的结构基因属这种结构形式 。,重复次数在10-105之间。多数是不编码的序列，构成基因的间隔序列，在基因调控中起重要作用。有一些是有编码功能的基因，如rRNA基因，tRNA基因，组蛋白的基因、核糖体蛋白的基因等。,高度重复序列（highly repetitive se
6、quence),由一些短的DNA序列呈串联重复排列，一般为几个、十几个或几十个bp，但重复拷贝数超过105，在染色体的端粒、着丝粒，构成结构基因的间隔，维系染色体结构，与减数分裂中同源染色体联会配对有关。,2染色体（质）蛋白 （1）组蛋白（histone） 1) 碱性蛋白,共5种 核心组蛋白（core histone）： H2A、H2B、H3、H4 高度保守, 与DNA盘绕形成核小体 连接组蛋白（linker histone）：H1 具有种属和组织特异性 2) 构建染色体的高级结构。 3) 合成于S期，与DNA合成同时进行， 4) 合成后立即进入核内与DNA装配成染色质。 5) 与DNA紧密结
7、合可抑制DNA的复制和RNA的转录。,（2）非组蛋白( nonhistone ) 酸性蛋白, 序列特异性DNA结合蛋白,有种属或组织特异性，整个周期都能合成 。 功能： 1）帮助DNA分子折叠以维持染色质的结构 2）协助启动DNA的复制 3）控制基因的转录和调节基因的表达 3RNA：含量很低,组蛋白与非组蛋白,二、 染色质的种类,常染色质 异染色质 Euchromatin heterochromatin 结构松散 结构紧密 着色较浅 着色较深 螺旋化程度低 螺旋化程度高 有功能，可活跃 转录不活跃 地进行复制和转录 均匀分布在核内 位于核的边缘 多位于中央 部分与核仁结合,组成性异染色质: 在
8、所有的细胞中,在整个细胞周期中都处于凝集状 态，既不转录也不编码蛋白，为高度重复序列， 见于着丝粒、端粒、次缢痕等部位，在S期合成。 兼性异染色质：只在特定阶段凝集而成（由原来的常染色质因丧失 基因转录活性而来） 常/异染色质的化学本质相同， 但以不同的状态存在而已， 一定条件下可互相转化。,巴氏小体（barr body）,三染色体的构建 6109DNA碱基对 / 细胞 / 46条染色体 / 人 5/DNA/染色体/条 总长度174cm 5m/核直径 需要包装、压缩、折叠染色单体（几微米）,DNA和组蛋白组成重复的亚单位:核小体的提出,（一）染色质的一级结构核小体(nucleosome) 基本
9、结构单位 八聚体/组蛋白（H3 H4和H2A H2B） + 140bpDNA分子 （缠绕1.75圈） 核心颗粒 之间为60bp的连接DNA片段 直径11nm圆盘状颗粒核小体(压缩1/7),多级螺旋结构模型,（二）染色质的二级结构 螺线管 H1参与下，核小体紧密连接、螺旋缠绕（6个/圈）染 色质纤维（30nm） (压缩1/6),30nm,（三）染色质的三级结构超螺线管(压缩1/40) 进一步盘绕形成，直径400nm,（四）染色质的四级结构染色单体(压缩1/5) 再次折叠而成chromatid （长2-10uM）,5/DNA2-10m/染色单体 长度压缩了近万倍四级结构螺旋模型,DNA,核小体,螺
10、线管,超螺线管,染色单体,压缩7倍,压缩6倍,压缩40倍,压缩5倍,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,染色体多级螺旋模型 染色体四级结构模型,染色质纤维（30nm）折叠袢环结构域（沿染色体纵轴 向中央四周伸出，形成放射环）再多次折叠盘曲染色单体,袢环结构模型,袢环模型（loop model）,染色体支架（非组蛋白）,袢环（ 30nm螺线管）,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,四染色体的形态特征 1中期染色体的形态结构 （1）染色单体： DNA双链盘曲折叠 一条染色单体着丝粒相连两条姐妹染色单体一个染色体,（2）着丝粒和主缢痕： 主缢
11、痕：着丝粒的两侧向内凹陷处，光镜下相对不着色。 着丝粒： 两条染色单体相连的中心部位，一段高度重复的DNA 序列，不与组蛋白结合，而与纺锤丝结合参与染色体 向两极的移动。 动粒（着丝点） ： 主缢痕两侧的一对三层板状结构 是纺锤丝微管聚合中心,动粒域-外，微管组织中心 着丝粒-动粒复合体 中心域-中，高度重复的DNA序列 配对域 -内，连接姐妹染色单体,中央着丝粒染色体（1/25/8） 分类 亚中着丝粒染色体（5/87/8） 长臂（q）, 短臂（p） 近端着丝粒染色体（7/81） 端着丝粒染色体（末端）,（3）次缢痕和随体： 次缢痕：近端着丝粒染色体（13，14，15，21，22）的 短臂上，
12、常与核仁的形成有关核仁组织区 （NOR） 。 随 体： 染色体末端、与次缢痕相连的棒状小体 （satellite）,由异染色质组成，是识别染色体形 态的重要特征之一 。,（4）端粒（telomere） 染色体末端的特化部位 简单的重复序列组成（人：TTAGGG） 维持染色体结构的稳定性，防止末端的相互粘连 正常染色体每复制一次丢失50-120bp 细胞的生命钟，衰老的标志 肿瘤细胞因具有端粒酶活性而自行合成端粒细胞无限繁殖,stop,端 粒 长 度,2. 染色体稳定遗传的功能序列 1) 复制源 (replication origin)：DNA复制的起点有多个 不同区域多点同时进行。 2) 着丝
13、粒（centromer ): 两条染色单体连接部位， 分裂期与纺锤丝相连，保证染色体平均分配。 3) 端粒（telomere )：染色体末端富含G重复序列， 保证 DNA分子的完整性。 酵母人工染色体(YAC )：含上述3种成分，用于转基因,五、染色体的数目、核型 （一）数目 数目恒定，多为二倍体细胞（2n），生殖细胞为n.,( 二 ) 核型 核型（karyotype）： 一个物种的全部染色体数目、大小和每条染色体 所特有的形态特征的总和，是有丝分裂中期的表型。 核型分析： 对染色体进行分组、排列、配对所做的形态分析。 人：46，XX（女）；46XY（男）,（三）带型 是染色体中非组蛋白DNA
14、碱基对呈现的特殊带纹。,灯刷染色体,巨型染色体（giant chromosome）在某些生物的细胞中，可以观察到一些特殊的、体积巨大的染色体，被称为巨型染色体。,果蝇唾液腺细胞的多线染色体,第三节 核仁（nucleolus） 在间期细胞的核中最明显，光镜下为均匀、海绵状的球体 1-2个/细胞，与蛋白质的合成密切相关 在核中的位置不固定 ，生长旺盛的细胞“核仁趋边”现象 无膜包裹 一. 核仁的形态结构和化学组成 组成： 蛋白质占80% RNA占11% DNA占8%,形态结构： （电镜下） 1纤维中心： 浅染的低电子密度的圆形结构， 是 rRNA基因的rDNA存在部位， 位于5对染色体上（13、
15、14、 15、21、22）， 共同构成核仁组织区（次缢痕部位）。,2致密纤维成分： 核仁内电子密度最高的的区域， 位于浅染区的周围 含有正在 转录 的rRNA分子 含有一些特异性的RNA结合蛋白（核 仁素 nucleolin ：可使核仁被特征性地银染）,rDNA,rRNA,转录的起点,转录的终点,RNA聚合酶,蛋白质颗粒,rDNA,rRNA(45S rRNA前体、纤维状),颗粒状（18s 5.8s 28srRNA、蛋白质颗粒）,核糖体的亚基,3. 颗粒成分： 核仁的外周，致密的颗粒成熟核糖体亚单位前体,二核仁的功能 1）合成rRNA；2）装配核糖体的大、小亚基 三核仁周期 有丝分裂期：核仁变小
16、、消失分裂末期：核仁重现,第四节 核骨架（核基质） 除核被膜、染色质和核仁以外的网架系统，又称核骨架 (nuclea skeleton)。是非组蛋白构成的纤维状结构。 (一)核基质的形态结构和化学组成 纤维蛋白成分构成的纤维网架结构， 分布于核空间， 与核纤层和核孔复合体相连。,(二)核基质的功能 1. 为DNA的复制提供支架 2. 是基因转录加工的场所 3. 与染色体构建有关,第六节 细胞核与疾病,一 细胞核形态异常与肿瘤 肿瘤细胞：高核/质比；异型核结构；染色质近核 膜处，颗粒状；核仁rRNA高转录活性， 体积大，数目多；组蛋白磷酸化高， 结合 DNA能力下降；核孔数目增多显著。,二 染色
17、体异常与肿瘤 数目异常： 超二倍体、亚二倍体和多倍体 结构异常：易位、重复、缺失、倒位、环状 慢粒：费城小体22号、长臂与9号长臂部分区段异 位标记染色体（95%） 视网膜母细胞瘤：13号长臂中间缺失 Wilms瘤：11号染色体短臂中间缺失,Three key regions of a chromosome,随体,（3）次缢痕和随体： 次缢痕：近端着丝粒染色体（13，14，15，21，22）的 .,Nucleolus 形态结构： （电镜下）,Down syndrome,Criduchatsyndrome（5p）,Summary of Chapter 8 The nucleus is a sph
18、erical, sometimes elongated structure that contains the genetic material, the DNA of the cell. The highly organized chromatin is enveloped by a nuclear membrane that contains numerous pores for the transport of large macromolecules and ribosomal subunits to the cytoplasm. The nuclear envelope is act
19、ually two parallel unit membranes with an intervening space. Ribosomes are often attached to the outside membrane and it is sometimes continuous with the rough ER.,Functional aspects of nuclear,It is the largest organelle in the cell and the place for genetic storage, replication and transcription.
20、It is the control center of living activity and the hallmark to distinguish eucaryotic cells from prokaryotic ones. Chromatin consists of coiled DNA bound to basic proteins called histones and non-histone proteins. The degree of coiling of the chromatin varies during cell activity. From microscopic
21、examination, two types of chromatin can be seen: 1) dark, dense heterochromatin and 2) light euchromatin. Cells with light nuclei / uncoiled chromatin are more active than those with condensed, dark nuclei. Lightly coiled DNA facilitates transcription because there is more surface area available.,A
22、DNA molecule is an enormously long, unbranched, linear polymer that can contain many millions of nucleotides arranged in an irregular but nonrandom sequence. The genetic information is contained in the linear order of the nucleotides. Each DNA molecule is packaged in a separate chromosome, and the t
23、otal genetic information stored in the chromosomes of an organism is said to constitute its genome.,Each chromosome is formed from a single long DNA molecule. Each DNA molecule that forms a chromosome must contain a centromere, two telomeres and replicating origins. Most chromosomal DNA does not cod
24、e for essential proteins or RNAs. Therefore, only a few percent of mammalian genome can be involved in regulating or encoding essential proteins. Besides these nonessential DNA sequences, even the essential coding regions are often interrupted by long stretches of noncoding DNA.,Chromosomes contain
25、a variety of proteins bound to specific DNA sequences. Histones are the principal structural proteins of eucaryotic chromosomes. Association of histones with DNA leads to the formation of nucleosomes, a “bead-on-a-string” unit particle of chromatin. Nucleosomes are usually packed together to form regular higher-order structures. rRNA synthesis can proceed through nucleosomes.,
