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第十一章细胞核与染色质
第十一章细胞核与染色质
亲核蛋白是指在细胞质内合成后,需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。
大多数的亲核蛋白往往在一个细胞周期中一次性地被转运到核内,并一直停留在核内行使功能,典型的如组蛋白、核纤层蛋白等;但也有一些亲核蛋白需要穿梭于核质之间。
亲核蛋白一般都含有特殊的氨基酸序列,这些内含的特殊短肽保证了整个蛋白质能成够通过核孔复合体被转运到细胞核内。
这段具有“定向”“定位”作用的序列被命名为核定位序列或核定位信号”(NLS)目前认为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,此外还常常含有Pro。
这些氨基酸残基片段可以是一段连续的序列,也有分成两段存在于亲核蛋白的氨基酸序
列,“两段之间往往间隔约10个氨基酸残基,如核质蛋白的NLS。
亲核蛋白通过核孔复合体是分步进行的,根据整个过程对能量的需求可粗略分为两步:
结合与转移。
亲核蛋白首先结合到核孔复合体的胞质面,这一步不需要能量,但依赖正常的NLS,随后的转移步骤则需要GTP水解供能。
亲核蛋白除了本身具有NLS外,其入核转运还需要一些胞质蛋白因子的帮助。
目前比较确定的因子有importinα.importinβ、Ran和NTF2等。
在它们的参与下,亲核蛋白的入核转运可分为如下几个步骤:
①亲核蛋白通过NLS识别importinα,与可溶性NLS受体importinα/improtinβ异二聚体结合,形成转运复合物。
②在importinβ的介导下,转运复合物与核孔复合体的胞质纤维结合。
③转运复合物通过改变构象的核孔复合体从胞质面被转移到核质面。
④转运复合物在核质面与Ran-GTP结合,并导致复合物解离,亲核蛋白释放。
⑤受体的亚基与结合的Ran返回胞质,在胞质内Ran-GTP水解形成Ran-GDP并与importinβ解离,Ran-GDP返回核内再转换成Ran-GTP状态。
三、核纤层
哺乳动物体细胞的核纤层主要由3种核纤层蛋白构成,它们分别是laminA、laminB以及laminC。
核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构。
核纤层的功能主要包括以下几个方面:
①结构支撑功能。
核纤层蛋白形成骨架结构支撑于核被膜的内侧,使得核被膜能起到细胞核与细胞质之间的隔离与信息交换功能。
核纤层的骨架功能还得以使细胞核维持正常的形状与大小。
②调节基因表达。
③调节DNA修复。
研究表明,laminA核纤层蛋白是双链DNA断裂修复必需的。
核纤层蛋白功能异常病人细胞中的基因组变得不稳定,DNA修复反应滞后,端粒变短。
④与细胞周期的关系。
细胞分裂过程中,核纤层蛋白解聚成可溶的单体我与崩解后的核被膜相结合。
新核形成时,核被膜与染色质结合的同时,核纤层也最后重新形成。
一、核小体
(一)核小体的发现
(l)用温和的方法裂解细胞核,将染色质铺展在电镜铜网上,通过电镜观察,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一系列核小体彼此连接的串珠状结构。
(2)用非特异性微球菌核酸酶消化染色质时,经过蔗糖梯度离心及琼脂糖凝胶电冰分析,发现绝大多数DNA被降解成大约200bp的片段:
如果部分酶解,则得到的片段是以200bp为单位的单体、二体(400bp)、三体(600bp)等。
(3)应用X射线行射、中子散射和电镜一维重建技术。
研究染色质结晶颗粒,发现核小体颗粒是直径为11nm.高6.0m的后圈柱体、具有二分对称性。
(4)SV40微小染色体分析。
用SV40病毒路染细胞,病毒DNA进入细胞后,与宿主的组蛋白结合,形成串珠状微小染色体。
(二)核小体的结构
(1)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以及一个分子的组蛋白H1。
(2)组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心颗粒,相对分子质量为100×103,由4个异二聚体组成,包括两个H2A·H2B和两个H3·H4。
(3)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20bpDNA.锁住核小体DNA的进出端,起稳定核小体的作用。
(4)两个相邻核小体之间以连接DNA相连,典型长度为60bp,不固物种变化值为0-80bp不等。
(5)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。
正常情况下不与组蛋白结合的DNA,当与从动、植物中分离纯化的组蛋白共同孵育时,可以体外组装成核小体亚单位。
(6)核小体沿DNA的定位受不同因素的影响。
二、染色质组装
(一)染色质组装的前期过程
①最开始是H3·H4四聚体(两个异二聚体)的结合,由CAF-1介导与新合成的裸露的DNA结合。
②然后是两个H2A·H2B异二聚体由NAP-1和NAP-2介导加入。
为了形成一个核心颗粒,新合成的组蛋白被特异地修饰。
组蛋白H4的Lys5和Lys12两个位点被乙酰化。
③核小体最后的成熟需要ATP来创建一个规则的间距以及组蛋白的去乙酰化。
ISWI和SWI/SNF家族的蛋白参与此过程的调节。
连接组蛋白(H1)的结合伴随着核小体的折叠。
④6个核小体组成一个螺旋或由其他的组装方式形成一个螺线管结构。
⑤进一步的折叠事件将使染色质在细胞核中最终形成确定的结构。
(二)染色质组装的多级螺旋模型啊
由DNA与组蛋白组装成核小体,在组蛋白H1的介导下核小体彼此连接形成直径约10nm的核小体串珠结构,这是染色质组装的一级结构。
在有组蛋白H1存在的情况下,由直径10nm的核小体串珠结构螺旋盘绕,每圈6个核小体,形成外径25-30nm,螺距12nm的螺线管。
组蛋白H1对螺线管的稳定起着重要作用。
螺线管是染色质组装的二级结构。
螺线管进一步螺旋化形成直径为0.4um的圆简状结构,称为超螺线管这是染色质组装的三级结构。
这种超螺线管进一步螺旋折叠,形成长2-10um的染色单体,即染色质组装的四级结构。
根据多级螺旋模型(multiplecoilingmodel),
从DNA到染色体经过四级组装:
DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体
(三)染色质组装的放射环结构模型
Coffey(1984)对该模型进行了较详细的描述:
首先是直径2nm的双螺旋DNA与组蛋白八聚体构建成连续重复的核小体串珠结构,其直径10nm。
然后按每圈6个核小体为单位盘绕成直径30nm的螺线管。
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。
微带是染色体高级结构的单位。
(2)组蛋白H1的磷酸化组蛋白H1丝氨酸残基的磷酸化主要发生在有丝分裂期,细胞分裂后其磷酸化水平下降到峰值的20%。
由于H1在染色质组装过程中发挥重要作用,它确定核小体的方向,并对30nm的螺线管起维持稳定的作用,因此,H1磷酸化必然导致染色质疏松,直接影响染色质的活性。
(3)不同组蛋白修饰之间的关系乙酰化一般是活性染色质的标志,而甲基化和磷酸化则在活性染色质与非活性染色质中都存在。
组蛋白H3K9的甲基化在调节基因表达、染色质组装和异染色质的形成过程中发挥重要作用。
然而,H3S10的短暂磷酸化足以使H3K9甲基化引起的染色质浓缩变得统松。
这是一个两
种组蛋白修饰同时调节染色质组装状态的典型例子:
稳定的甲基化和动态的磷酸化标记。
3.HMG蛋白的影响
高速泳动族非组蛋白HMGl和HMG2有A、B和C3个结构城:
A、B结构相似,C含有酸性的羧基端尾部,
与H1结合。
RNA聚合酶I相关的转录因子UBF的DNA结合域是85个氨基酸残基的重复区,与HMG1
和HMG2的A、B结构相似,所以这种特征性结构被命名为“HMG”结构城。
具有一个或多个HMG结构域的蛋白质称为HMG结构城蛋白。
HMG结构城蛋白有细胞特异性,根据结构域拷贝数、序列识别特性和进化关系等分为两个亚簇:
一个亚簇广泛存在于各种细胞中,该类蛋白一般有多个HMG结构城,没有DNA识别特异性,执行不同的功能。
另一个亚簇只存在于特定的细胞中,能识别特异的DNA序列。
HMG结构城蛋白结合在DNA双螺旋的小沟中,以40倍的优势选择富含嘧啶的核苷酸元件。
HMG结构域可识别某些异型的DNA结构,使DNA链产生90-1300的弯折。
具转录活性的核小体常缺乏H1,但有非组蛋白HMG14.HMG17存在。
(一)染色质失活
1,X染色体失活
通过比较有活性的X染色体(Xa)与失活的X染色体(Xi),我们可以发现:
雌性哺乳动物中失活的X
染色体上的H4组蛋白不发生乙酰化,而雄性中有活性的X染色体上的H4都是乙酰化的,前者不表达,后者表达。
2.位置花斑效应
基因表达有位置效应,有的活性基因转位到异染色质区附近时会失活。
这一现象称为位置花斑效应。
位于抑制状态与活化状态的染色质结构域之间、能防止不同状态的染色质结构域的结构特征向两侧扩展的染色质DNA序列,称为隔离子。
研究表明,隔离子可能有以下作用:
一是作为异染色质定向形成的起始位点;二是作为结构域两端的锚定点,提供拓扑隔离区,使结构域外的增强子成分不能进入;三是涉及追踪机制,远端增强子处组成的复合体沿染色质模板运动直到启动子,而隔离子可阻止这个复合体超越正常作用范围。
三、染色质与基因表达调控
(一)以染色质为模板的转录
真核细胞中基因转录的模板是染色质而不是裸露的DNA,因此染色质呈疏松或紧密结构,即是否处于活
化状态是决定RNA聚合酶能否有效行使转录功能的关键。
(二)转录因子介导的基因表达调控
DNA序列对转录的调节,并不依靠DNA本身,而是依靠特异识别这些DNA序列并与之结合的蛋白
质,这些蛋白质叫做转录因子。
转录因子从功能上可分为两类:
通用转录因子,与结合RNA聚合酶的核心启动子位点结合,特异转录因子,特异基因的各种调控位点结合,促进或阻遏这些基因的转录。
在转录水平上参与基因表达调控的转录因子也含有不同的结构域。
典型的转录因子至少包括两个结构域:
DNA结合域,结合特异的DNA序列;激活结构域,激活转录。
此外,许多转录因子还含有一个促进该蛋白与其他蛋白形成二聚体的表面。
二聚体的形成是许多不同类型转录因子的共同特征,在基因表达调控中起重要作用。
除了激活转录的转录因子之外,还有一些转录因子起抑制基因转录的作用。
编码这些转录因子的基因发生突变,会导致某些基因的转录失控,由调节型表达变为组成型表达。
转录抑制因子在功能上与转录激活因子正好相反,它们结合于特定的调节DNA序列,抑制结合区附近的基因转录。
在结构上,转录抑制因子也是由两部分组成,即DNA结合域和抑制结构域。
它的活性也受到其他蛋白质的调控。
激活与抑制转录因子的作用决定了某个基因在组织甚至细胞水平表达的特异性,即某个基因可能在同一组织的某些细胞中表达,而同时在另外一些细胞中不表达。
(三)DNA甲基化介导的基因表达调控
现有研究发现,DNA甲基化(DNAmethylation)与基因表达的阻遏有关。
甲基化作用通过两种方式抑制转录:
一是干扰转录因子对DNA结合位点的识别,二是将转录激活因子
识别的DNA序列转换为转录抑制因子的结合位点。
(四)组蛋白修饰介导的基因表达调控
真核生物转录因子调节基因转录的一种重要机制,就是调整染色质的结构,以影响通用转录因子对启动子的结合能力。
如果基因的启动子位于核小体当中,则组蛋白核心会阻碍通用转录因子在启动子上的组装以及RNA聚合酶与启动子的结合。
基因转录就无法进行。
转录因子能够调节组蛋白核心的结构,从而改变核小体和染色质的紧密程度,影响通用转录因子和RNA聚合酶对启动子的结合,调控基因的表达。
转录激活因子的存在,通常有利于那些导致染色质或组蛋白结构松散的蛋白质复合物发挥作用,如组蛋白乙酰化酶。
每种组蛋白的N端以及组蛋白H2A的C端,都从核小体表面向外伸出、称为组蛋白尾。
这些组蛋白的尾部能够被某些酶可逆修饰,从而改变核小体的结构。
其中组蛋白乙酰化酶对组蛋白H3和H4的修
饰对核小体结构的调节起了最重要的作用。
转录抑制因子通常会加强那些促进染色质结构紧密的蛋白质的作用,如组蛋白去乙酰化酶。
它的作用与乙酰化酶正好相反,使核小体结构更紧密,转录起始复合物越发难以结合到启动子上。
四、染色质与表观遗传
(一)表观遗传与遗传
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。
表观遗传修饰可以遗传但富于变化,它是通过改变染色质的结构而改变基因组信息的表达。
(二)表观遗传的工作模型
(三)表观遗传的问题
三、染色体带型
核型是指染色体组在有丝分裂电期的表型,是染色体数目、大小形态特征的总和。
核型分析是在对染色体进行测量让算的基础上,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。
将一个染色体组的全部染色体逐个按基特征绘制下来,再按长短、形态等特征排引起来的图像称为核型模式语,它代表该物种的核型模式。
Q带技术即喹吖因荧光染色技术,显示中期染色体经氮芥喹吖因或双盐酸喹吖因染色以后,在紫外线照射下所呈现的荧光亮带和暗带。
一般富含AT碱基的DNA区表现为亮带,富含GC碱基的DNA区段表现为暗带。
G带即Giemsa带,是将中期染色体制片经胰酶或碱、热、尿素、去污剂等处理后再用Giemsa染料染色后所呈现的染色体区带。
R带是指中期染色体经磷酸盐缓冲液保温处理,以吖定橙或Giemsa染色一结果所显示的带型和G带明暗相间带型正好相反,所以又称反带。
C带主要显示着丝粒结构异染色质及其他染色体区段的异染色质部分。
T带又称末端带,是染色体端粒部位经吖啶橙染色后所呈现的区带,在分析染色体末端结构畸变时有用。
N带又称Ag-As染色法,主要用于染核仁组织者区的酸性蛋白质。
四、特殊染色体
(一)多线染色体
多线染色体来源于核内有丝分裂,即核内DNA多次复制而细胞不分裂。
产生的子染色体并行排列,且体细胞内同源染色体配对,紧密结合在一起从而阻止染色质纤维进一步聚缩,形成体积很大的多线染色体。
多线化的细胞处于永久间期,并且体积也相应增大。
(二)灯刷染色体
灯刷染色体几乎普遍存在于动物界的卵母细胞中。
灯刷染色体是卵母细胞进行减数分裂第一次分裂时,停留在双线期的染色体。
它是一个二价体,包含4条染色单体。
此时同源染色体尚未完全解触联会,因此可见到几处交叉。
这一状态在卵母细胞中可维持数月或数年之久。
灯刷染色体由染色粒轴丝构成,从染色粒向两侧伸出两个相类似的侧环,每个环相当于一个袢环结构域,
灯刷染色体的形态与卵子发生过程中营养物储备是密切相关的。
大部分DNA以染色粒形式存在,没有转
录活性,而侧环是RNA活跃转录的区域,一个侧环往往事一个大的转录单位或几个转录单位组合构城的。
第六节核基质
核基质就是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。
迄今为止,对核骨架的研究认识大致可归纳为:
(1)核骨架是存在于真核细胞核内的结构体系。
(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,含有多种蛋白质成分。
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关系。
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