第十三章间期细胞核与染色体.docx

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第十三章间期细胞核与染色体

第十三章间期细胞核与染色体

掌握染色质有关概念、核小体的结构要点、中期染色体的结构要点及有关概念

特殊染色体的结构特征、核骨架的结构特点和功能;熟悉间期核的结构、

核仁的结构和功能；了解核的形态大小、数目和位置。

如何理解细胞核

◆遗传学

◆生物化学

◆细胞生物学

●结构

●功能

▲通过遗传物质的复制和细胞分裂,保持细胞世代间的连续性（遗传）;

▲通过基因的选择性表达,控制细胞的代谢活动,以适应外界环境。

Ⅰ核的形态大小、数目和位置

Ⅱ核的结构（间期）

（一）核被膜、核纤层及核孔复合体

（二）染色质和染色体

（三）核仁

（四）核体

（五）核基质（核骨架）

一.核被膜、核纤层及核孔复合体

核被膜（nuclearenvelope）：

外核膜、内核膜、孔膜区

StructureoftheNuclearEnvelope

一般结构

◆Outernuclearmembrane

◆Innernuclearmembrane

◆Perinuclearspace：

两层核膜之间的空隙,宽15-30nm,其中充满无定形物质

◆核纤层（lamina）

FunctionsoftheNuclearEnvelope

◆基因表达的时空隔离

◆核膜成为保护性屏障,使核处于一微环境

◆染色体的定位和酶分子的支架

◆物质运输

核孔

◆由内外两层膜的局部融合而成

◆核孔的直径为9nm。

◆一个典型的哺乳动物的核膜上有3000-4000个核孔,相当于每平方微米的核膜上有10-60个。

◆合成功能旺盛的细胞,核孔的数量较多。

核孔复合体（nuclearporecomplex,NPC）

特殊的跨膜蛋白复合体

核质间双向选择性的亲水性通道

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

gp210氨基酸序列中有两段疏水区，其中靠近C端的疏水区位于孔膜区，是跨膜结构域，另一段疏水区则位于核周间隙内，推测当核孔复合体装配开始时，gp210位于核周间隙内的肽段构象发生变化，从而使其中的疏水区暴露，使之与核膜相互作用，通过这一方式诱导内外核膜融合；

在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定作用

用gp210核周间隙内肽段的抗体,能够降低蛋白质入核转运的速度.

p62：

功能性的核孔复合体蛋白

具有两个功能结构域

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。

核孔运输特点

◆被动运输

◆主动运输

●信号引导

●双向性

核蛋白运输机制

基本概念

◆核蛋白（nuclearprotein）

◆核定位信号（nuclearlocalizationsignals,NLS）

◆核输出信号（nuclearexportsignals,NES）

◆输入蛋白（importin）

◆输出蛋白（exportin）

核孔运输的信号引导

ThemechanismofnuclearproteintransportConception:

◆（亲）核蛋白（nuclearprotein）：

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.

◆核定位信号（nuclearlocalizationsignals,NLS）：

具有定向、定位作用的特殊氨基酸序列.

◆核输出信号（nuclearexportsignals,NES）对出核转运起决定性作用的氨基酸序列.

◆输入蛋白（importin）：

仅有核定位信号的蛋白质自身不能通过核孔复合体，它必须与水溶性的NLS受体结合才可穿过NPC，这种受体称为输入蛋白。

◆输出蛋白（exportin）：

存在于细胞核中，能够识别输出信号并与之结合的蛋白质。

核定位信号nuclearlocalizationsignals:

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（SV40T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,某种亲核蛋白是否被转运入核还受到其它因素的影响。

核蛋白的输入

◆核质蛋白（nucleoplasmin）实验

◆核蛋白输入机理

●输入蛋白

●Ran蛋白

●RCC1

核内RNA与蛋白质输出

◆mRNA的输出

●异质核糖核蛋白（heterogeneousribonucleoprotein,hnRNP）

●信使RNP（messengerRNP,mRNP）

●mRNA的输出

◆核内蛋白质输出

◆snRNA的输出

转录产物RNA的核输出

RNA聚合酶I转录的rRNA分子：

以RNP的形式离开细胞核，需要能量；

RNA聚合酶III转录的5srRNA与tRNA的核输出由蛋白质介导；

RNA聚合酶II转录的hnRNA，在核内进行加帽和加尾等剪接加工，形成成熟的mRNA出核，5’端的m7GpppG“帽子”结构对mRNA的出核转运是必要的；mRNA的出核转运是有极性的，其5’端在前，3’端在后。

核纤层（nuclearlamina）

内层核膜靠核质的一侧有一层蛋白（V型中间丝蛋白）组成的纤维网络结构。

向外与内膜上的镶嵌蛋白相连;向内与染色质上的特异部位相结合。

为核膜和染色质提供结构支架，在细胞的有丝分裂中与核膜的崩解和重建密切相关。

成分——核纤层蛋白（Lamin）

◆哺乳动物和鸟类细胞中有核纤层蛋白A核纤层蛋白B核纤层蛋白C

thedisassemblingandrebuildingofnuclearenvelope

●核被膜的解体与重建受细胞周期调控因子的调节，调节作用可能与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。

●核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性（domain-specific）。

从处于分裂期的HeLa细胞中可以分离出两种膜泡组分：

一组富含LBR，另一组富含gp210。

●新核膜来自旧核膜。

在有丝分裂后期核被膜重新装配时，富含LBR的膜泡首先与染色质结合，而富含gp210的膜泡与染色质结合较晚。

二、染色质和染色体

（一）染色质的概念和类型

（二）染色质的化学组成

（三）染色质的基本结构单位—核小体（四）染色体

（一）染色质的概念和类型

染色质（chromatin）:

细胞核内被碱性染料染色的物质，DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合物，间期细胞遗传物质存在的形式。

常染色质异染色质

euchromatinheterochromatin

弱嗜碱性强嗜碱性

折叠压缩程度低折叠压缩程度高

伸展状态凝集状态

有的具转录活性无转录活性

由单一序列DNA和中度部分由相对简单、

重复序列DNA构成高度重复的DNA

序列构成

S期早期和中期复制S期晚期复制

染色质的类型

◆常染色质（euchromatin）

◆异染色质（heterochromatin）

●结构性异染色质（constitutiveheterochromatin）

●兼性异染色质（facultativeheterochromatin）

▲X失活（X-inactivation）

◆异固缩（heteropythosis）

结构异染色质兼性异染色质

着丝粒区性染色体

端粒巴尔氏小体

次缢痕

活性染色质（activechromatin）与非活性染色质（inactivechromatin）

活性染色质是具有转录活性的染色质

活性染色质的核小体发生构象改变，具有疏松的染色质结构，从而便于转录调

控因子与顺式调控元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。

非活性染色质是没有转录活性的染色质

（二）染色质的化学组成

DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA

1.真核生物四类DNA序列的特性

DNA

类别

在基因组中

的百分比

R值*

基本特性

在基因组中的部位和功能

单一序列

10~80

1

一个单元106bp

大多数结构基因

轻度重复

2~10

中度重复

10~50

10~105

每一重复单元为102~107bp，可再分为R值不同的几种亚类

（1）基因内和基因间的间隔序列；

（2）为rRNA、tRNA、组蛋白和抗体编码的重复基因

高度重复

0~50

105

每一重复单元为5~300bp，碱基组成不同于DNA的其它成分。

可分离为随体DNA

着丝粒处的DNA序列，无编码功能

*R值：

指在整个基因组中具有不同长度和重复程度的若干重复序列的平均重复率。

2.  组蛋白（histone）的性质和类型

富含Arg、Lys等碱性氨基酸，等电点PI>10.0

5种成分:

H1、H2A、H2B、H3、H4

１）核小体组蛋白

H2A、H2B、H3、H4

无种属和组织特异性进化上保守

２）H1组蛋白

有一定的种属和组织特异性

◆精细胞中由精蛋白代替组蛋白，成熟的鱼类和鸟类

的红细胞中H1则被H5所取代

◆染色质中的组蛋白与DNA的含量之比为：

1∶1。

组蛋白的一般特性

①进化上的极端保守性牛、猪、大鼠的H4氨基酸序列完全相同。

牛的H4序列与豌豆序列相比只有两个氨基酸的差异（豌豆H4中的异亮氨基酸60→缬氨酸60，精氨酸77→赖氨酸77）。

H3的保守性也很大，鲤鱼与小牛胸腺的H3只差一个氨基酸，小牛胸腺与豌豆H3只差4个氨基酸。

②无组织特异性到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。

③肽链上氨基酸分布的不对称性碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。

例如，N端的半条链上净电荷为+16，C端只有+3，大部分疏水基团都分布在C端。

④组蛋白的修饰作用包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。

⑤富含赖氨酸的组蛋白H5鸟类、两栖类、鱼类红细胞分离的H5均有种的特异性。

组蛋白的功能

◆核小体组蛋白（nucleosomalhistone）,包括H2A、H2B、H3和H4,作用是与DNA组装成核小体。

◆H1不参加核小体的组建,在构成核小体时起连接作用,并赋予染色质以极性。

组蛋白的化学修饰：

组蛋白分子的氨基酸序列是高度保守的，也会进行一些化学修饰，如酰基化、甲基化、磷酸化，以及ADP核糖化等。

3. 非组蛋白（Nonhistoneproteins）

Nonhistonechromosomalproteinsincludealargenumberofwidelydiversestructural,enzymatic,andregulatoryproteins.

主要指染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质，又称序列特异性DNA结合蛋白（sequencespecificDNAbindingproteins）。

◆特性:

非组蛋白具多样性和异质性

不同组织细胞中其种类和数量都不相同，代谢周转快。

包括多种参与核酸代谢与修饰的酶类，如DNA和RNA聚合酶、染色体骨架蛋白、基因表达调控蛋白等。

对DNA具有识别特异性

识别信息来源于DNA核苷酸序列本身，识别位点存在于DNA双螺旋的大沟部分。

识别与结合靠氢键和离子键。

具有多种功能，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。

呈酸性、带负电荷。

序列特异性DNA结合蛋白的结构模式

α螺旋-转角-α螺旋模式（helix-turn-helixmotif）

锌指模式（Zincfingermotif）

亮氨酸拉链模式（Leucinezippermotif，ZIP）

螺旋-环-螺旋结构模式（helix-loop-helixmotif，HLH）

HMG-框结构模式（HMG-boxmotifmotif））

（三）染色质的基本结构单位-核小体

念珠模型

核小体（nucleosome）

Nucleosomeisbasicstructuralunitofchromatin。

核小体（nucleosome）的结构特点

◆由200个左右碱基对的DNA和四种组蛋白结合而成；

◆其中四种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各2分子组成八聚体的小圆盘，是核小体的核心结构；

◆146个碱基对的DNA绕在小圆盘外面1.75圈。

每一分子的H1与DNA结合,起稳定核小体结构的作用；

◆两相邻核小体之间以连接DNA（linkerDNA）相连,长度为～80bp不等。

◆核小体与DNA的复制

●八聚体的组蛋白进行部分解离;

●其中（H3-H4）2四聚体在一起,并且在两条子代双链上随机分布;

●原核小体中的H2A-H2B则是以两个二聚体存在,并相互分离;

●随机与子代双链上原或新合成的（H3-H4）2四聚体结合组成核小体。

◆核小体与DNA的转录：

即使正在转录的基因仍然有核小体结构,表明转录并不要求整个基因都处于无核小体状态。

（四）染色体（chromosome）

１．染色体包装的结构模型

２．中期染色体的形态结构

３．染色体DNA关键序列

４．核型与染色体显带

５．特殊染色体

１．染色体包装的结构模型

１）   多级螺旋模型multiplecoilingmodel

二级结构：

30nm纤维

三级结构：

超螺线管

四级结构：

超螺线管进一步螺旋折叠形成长2~10um的染色单体。

染色质又被压缩近5倍.

Chromosomepacking：

◆核小体（nucleosome）◆螺线管（solenoid）◆超螺线管supersolenoid）

◆染色体（chromosome）

从核小体开始到染色体,DNA总共压缩:

压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍

DNA-→核小体→螺线管-→超螺线管-→染色单体

2）骨架-放射环结构模型scaffold-radialloopstructuremodel

染色体的“袢环”模型

每一个袢环含315个核小体，18个袢环形成微带。

它是由螺线管沿染色体纵轴由中央向四周伸出袢环,每18个袢环呈放射状平面排列（结合在染色体骨架上形成微带，是染色体高级结构单位）。

将染色质长度压缩近40倍。

一条染色单体约有106个微带

2.中期染色体

形态和类型

中期染色体是以两条姐妹染色体（chromatid）构成,彼此以着丝粒相连。

染色体（chromosome）Chromatinfibersarethoughttofolduponthemselvesfurthertoformthecompactmetaphasechromosomesofmitoticcells,inwhichtheDNAhasbeencondensednearly10,000-fold

染色体的主要结构

◆着丝粒（centromere）

●主缢痕（Primaryconstriction）

◆次缢痕（secondaryconstriction）

◆动粒（kinetochore）

◆核仁组织区（nucleolarorganizingregion,NOR）

◆随体（satellite）

◆端粒（telomere）

着丝粒centromere与动粒kinetochore

主缢痕与次缢痕

端粒telomere：

染色体两个端部特化的结构,由富含鸟苷酸的串联重复序列组成。

端粒DNA端粒蛋白

防止染色体末端彼此粘连,保护染色体结构的完整性、独立性,保证染色体末端DNA的完全复制，在维持细胞核的三维结构及染色体配对中起一定作用。

间期异染色质

3.染色体DNA关键序列

DNA结构稳定遗传的功能序列

（１）自主复制DNA序列（DNA复制起点）autonomouslyreplicatingsequence,ARS

（２）着丝粒DNA序列centromereDNAsequence,CEN

Thecentromereisaspecializedregionofthechromosomethatplaysacriticalroleinensuringthecorrectdistributionofduplicatedchromosomestodaughtercellsduringmitosis

（３）端粒DNA序列telomereDNAsequence,TEL

Thesequencesattheendsofeukaryoticchromosomes,calledtelomeres,playcriticalrolesinchromosomereplicationandmaintenance.

◆人工染色体（artificialchromosome）

人工构建的含有稳定染色体的天然结构序列，即ARS、CEN、TEL序列的微小染色体，可以像天然染色体一样在寄主细胞中稳定复制和遗传，称为人工染色体。

４．核型（karyotype）与

染色体分带技术（chromosomebinding）

核型分析:

根据染色体的形态和着丝粒的位置,对中期细胞染色体进行分组、排队、配对并进行形态分析的过程。

染色体显带技术：

a） 荧光分带法（Q带法）

氮芥喹吖因（quinacrinemustard）

富含AT碱基的DNA区段亮带

富含GC碱基的DNA区段暗带

b） Giemsa分带法（G带法）

Giemsa染色

G带与Q带相符

标本可长期保存

c） 反带法（R带法）reversebanding

吖啶橙或Giemsa染色

显示的带与G带明暗相间正好相反

d） C-分带法（c-banding）

主要显示着丝粒附近的异染色质

e） T带法（terminalbanding）端粒带

f） N-带Ag-As染色法核仁组织区（NOR）的酸性蛋白质

g） BG带姐妹染色单体的交换

1975美细胞遗传学家Yunis染色体高分辨显带技术

氨甲喋呤培养细胞同步化

秋水仙胺短暂处理

晚前期和早中期分裂相

5．特殊染色体

（1）多线染色体polytenechromosomes

◆多线染色体（polytenechromosome）

●概念●时相：

间期●存在的组织

▲双翅目昆虫的幼虫组织内,如唾液腺、气管等。

▲体积也相应增大

特征

1）来源于正常体细胞核内有丝分裂endomitosis

2）其上有带和间带,带和间带都含有基因，可能“管家”基因（housekeepinggene）位于间带,“奢侈”基因（luxurygene）位于带上。

3）形态变化与基因表达有关

胀泡是基因活跃转录的形态学标志

4）每条带代表一个特异基因区

（2）灯刷染色体（lampbrushchromosome）

灯刷染色体是卵母细胞进行减数第一次分裂时,停留在双线期的染色体。

它是一个二价体,含4条染色单体。

它由轴和侧丝组成,形似灯刷。

（3）B染色体

B染色体也称额外染色体（extrachromosome）、超数染色体（supernumerarychromosome）或附属染色体（accessorychromosome）。

B染色体存在于自然界的很多动物和植物种群中。

到目前为止，已经在1000多种植物及300多种动物中发现了B染色体。

B染色体特征

1.B染色体通常比A染色体小得多，而且大多为端部或亚端部着丝粒类型，由大量的异染色质构成。

2.它们与同一细胞中的任何一条A染色体都不同源，且在减数分裂过程中只在B染色体之间发生配对

3.B染色体的遗传是不规则的，一般不表现孟德尔式的遗传特征，其原因是由于配对的失败或在减数分裂中传递方式的不同使得平衡力失调。

当B染色体的数量较大时，可表现出数量遗传的特性。

4.偶尔也会观察到B染色体可以形成核仁，但一般来说它们的遗传都是惰性的，其上不携带与主要性状相关的基因。

5.在同一物种中，B染色体也以多种形态出现。

B染色体的数目是可变的，在同一物种不同的组织、细胞、世代或个体之间，在有丝分裂和减数分裂中都常会有变化。

例如在有些植物中，B染色体数目在0～16个之间，而多数情况下维持在1～2个。

三、核仁nucleolus

Themostprominentsubstructurewithinthenucleusisthenucleolus,whichisthesiteofrRNAtranscriptionandprocessing,andofribosomeassembly.

Ultramicrostructure（超微结构）

fibrillarcenters,FC（纤维中心）

densefibrillarcomponent,DFC（致密纤维组分）

granularcomponent,GC（颗粒组分）

nucleolarassociatedchromatin（核仁相随染色质）andnucleolarmatrix（核仁基质）

FundamentalnucleoluscomponentsrelatewithrRNAtranscription,processandtheformationofRNP

三种基本核仁组分和rRNA的转录与加工形成RNP的不同事件有关

FCs是rRNA基因的depotsite（储存位点）；

transcriptionmainlygenesisintheboundaryofFCandDFC（转录主要发生在FC与DFC的交界处），processincipienttranscript（并加工初始转录本）；

granularcomponent（颗粒组分区,GC）takeresponsibilityassemblyofribosomesubunit（负责装配核糖体亚单位），ribosomalsubunitmatureanddepotsite（是核糖体亚单位成熟和储存的位点）。

nucleolarfunction（核仁的功能）

核糖体的生物发生（ribosomebiogenesis）是一个向量过程（vetoricalprocess）：

从核仁纤维组分开始,再向颗粒组分延续。

这一过程包括rRNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配。

rRNA基因转录的形态及组织特征

rRNA前体的加工