搜索
第十章细胞核与染色体细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是细胞遗传与代谢的调控中心。所有真核细胞，除高等植物韧皮部成熟的筛管和哺乳动物成熟的红细胞等极少数例外，都含有细胞核。细胞核主要由核被膜、染色质及核仁组成。一、核被膜与核孔复合体(一)核被膜1．结构组成核被膜(nuclearenvelope)位于间期细胞核的最外层，是细胞核与细胞质之间的界膜。它是核与质之间的天然选择性屏障，并将细胞分成核与质两大结构与功能区域。DNA复制、RNA转录与加工在核内进行，蛋白质翻译则局限在细胞质中。同时核膜在核与质问也有频繁的物质交换与信息交流，这主要是通过核被膜上的核孔复合体进行的。核被膜的结构：核被膜在电镜下可分为双层核膜、核孔复合体与核纤层。双层核膜：面向核质的一层膜被称为内(层)核被膜(innernuclearmembrane)，面向胞质的另一层膜称为外(层)核被膜(outernuclearmembrane)，两层膜厚度均为7．5nm，两层膜之间有20～40nm的透明空隙，称为核周间隙(perinuclearspace)或核周池(perinuclearcisternae)。主要特点：(1)外核膜表面常附有核糖体颗粒，且常常与糙面内质网相通连，使核周间隙与内质网腔彼此相通。(2)内核膜表面光滑，无核糖体颗粒附着，但紧贴其内表面有一层致密的纤维网络结构，即核纤层。内核膜上有一些特有的蛋白成分，如核纤层蛋白B受体(1aminBreceptor，LBR)。(3)内外膜之间平行，但并不连续，某些部位相互融合形成环状开口，称为核孔(nuclearpore)，在核孔上镶嵌着一种复杂的结构，称为核孔复合体(nuclearporecomplex，NPC)。核孔周围的核膜特称为孔膜区(poremembranedomain)，它有一些特有的蛋白成分如核孔复合体特有的跨膜糖蛋白gp210、p62等。核纤层(nuclearlamina)是一层紧贴于内层核膜下，由纤维蛋白构成的网络结构，它与细胞质中间纤维、核内骨架有密切的关系。2．核被膜在细胞周期中的崩解与装配在真核细胞的细胞周期中，核被膜有规律地解体与重建。在分裂期，双层核膜崩解成单层膜泡，核孔复合体解体，核纤层去装配。到分裂末期，核被膜开始围绕染色体重新形成。实验证明在核被膜重建时，旧核膜参与了新核膜的重建。大量证据表明，有一种直径200nm左右的单层小膜泡直接参与了核膜的形成。(二)核孔复合体核孔复合体的数量与分布，随细胞类型、细胞核的功能状态而差异很大。一般而言，转录功能活跃的细胞，其核孔复合体数量较多。一个典型的哺乳动物细胞核被膜上的核孔复合体总数约3000～4000个，相当于10～20个／μm2。1．结构模型对于这个结构模型目前有两种理解：①从横向上看，核孔复合体有周边像核孔中心依次可分为环、辐、栓三种结构亚单位；②从纵向上看，核孔复合体由核外(胞质面)向核内(核质面)依次可分为胞质环、辐(+栓)、核质环三种结构亚单位，形成“三明治”结构。综合起来，核孔复合体主要有以下4种结构组分：胞质环：位于核孔边缘的胞质面一侧，又称外环，环上有8条短纤维对称分布伸向胞质；核质环：位于核孔边缘的核质面一侧，又称内环，内环比外环结构复杂，环上也对称地连有8条细长纤维，向核内伸入50～70nm，在纤维的末端形成一个直径为60nm的小环，小环由8个颗粒构成。这样整个核质环就像一个“捕鱼笼”样的结构，也有人称为核篮结构；辐：由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称。它的结构也比较复杂，可进一步分为三个结构域：主要的区域位于核孔边缘，连接内外环，起支撑作用，称作“柱状亚单位”。在这个结构域之外，接触核膜部分的区域称为“腔内亚单位”，它穿过核膜伸入双层核膜的膜间腔。在“腔内亚单位”之内，靠近核孔复合体中心的部分称作“环带亚单位”，由8个颗粒状结构环绕形成核孔复合体核质交换的通道。栓：或称中央栓，位于核孔的中心，呈颗粒状或帮状，所以又称为中央颗粒；由于推测它在核质交换中起一定作用，所以还把它叫做“transporter”。2．核孔复合体的成分核孔复合体主要有蛋白质组成，大约含有1000多个蛋白质分子。已鉴定的脊椎动物的核孔复合体蛋白成分已达到十余种。gp210代表一类结构性跨膜蛋白，位于核膜的“孔膜区”，故认为它在锚定核孔复合体的结构上有重要作用。目前认为它有三个功能：①介导核孔复合体与核被膜的连接，将核孔复合体锚定于“孔膜区”，从而为核孔复合体装配提供一个起始点；②在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用；③在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定的作用。p62代表一类功能性的核孔复合体蛋白，脊椎动物p62主要有两个区域：①疏水性N端区，具有FXFG(F：苯丙氨酸，X：任意氨基酸，G：甘氨酸)形式的重复序列，适合形成β-折叠。该区域在核孔复合体功能活动中直接参与核质交换；②C端区，具有疏水性的七肽重复序列，适合形成α-螺旋。它对核孔复合体行使正常功能非常重要。3．核孔复合体的功能：核质交换的双向选择性亲水通道从功能上讲，核孔复合体可以看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，且是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道。双功能表现在它有两种运输方式：被动扩散与主动扩散；双向性表现在既介导蛋白质的入核转运，又介导RNA、核糖体蛋白颗粒(RNP)的出核转运。(1)通过核孔复合物的被动扩散。通过将PVP包被的胶体金颗粒，通过显微注射引入变形虫细胞质，然后在电镜下检查金颗粒的分布，结果发现它们是经过核孔复合物的中心进入细胞核的。再根据一些定量分析资料推断，核孔复合物是一个圆形亲水通道。(2)通过核孔复合体的主动运输。其主动运输具有选择性，表现在：①对运输颗粒大小的限制，像核糖体亚单位那样大的RNP颗粒也可以通过核孔复合物从核内运输到细胞质中，说明核孔复合体的有效直径的大小是可被调节的；②通过核孔复合体的主动运输是一个信号识别与载体介导过程，需要消耗ATP能量，爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验，证实核定位信号的存在；③通过核孔复合体的主动运输具有双向性，即核输入和核输出。4．亲核蛋白(karyophilicprotein)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被转运到核内，并一直停留在核内行使功能活动，典型的如组蛋白、核纤层蛋白等。但也有的一些亲核蛋白需要穿梭于核质之间进行功能活动，如importins。通过研究核质蛋白(nucleoplasmin)的入核转运，人们逐渐发现了指导亲核蛋白入核的信号。现已知，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”作用的序列称为核定位序列或核定位信号(nuclearlocalizationsequenceornuclearlocalizationsignal，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。亲核蛋白通过核孔复合体的转运机制：①亲核蛋白通过NLS识别importinα，与可溶性NLS受体importinα／imponinβ异二聚体结合，形成转运复合物。这一步不需要能量；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水解成Ran-GDP并与importinβ解离，Ran-GDP返回核内再换成Ran-GTP。二、染色质(一)染色质是细胞生命活动的基础染色质是指问期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式。染色体是指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，由染色质聚缩而成的棒状结构。两者的区别，不在于化学组成的差异，而在于包装程度的不同。反映了它们处于细胞周期的不同的功能阶段。在真核细胞的周期中，大部分时间是以染色质的形态而存在的。染色质是遗传信息的载体，是一切生命活动的基础。(二)染色质DNA凡是具有细胞形态的所有生物遗传物质都是DNA，只有少数病毒遗传物质是RNA。在真核细胞中，每条未复制的染色体包装一条DNA分子。一个生物储存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组(genome)。生物基因组的遗传信息大体上可分为两类：(1)负责编码蛋白质的信息，以三联体密码(triplet)方式进行编码，巧妙地解决了在有限的小空间储存大量遗传信息的矛盾。(2)中度重复序列DNA，它们是关于基因选择性表达的信息。即不同的物种、个体发育的不同阶段、不同的组织以及不同的细胞类型中，各种基因是关闭还是表达，表达的强度如何，都是不相同的。中度重复序列又分为两类：①短散在重复元件(shortinterspersedelements，SINEs)，典型的SINEs其长度少于500bp，如人和灵长类基因组中大量分散存在的Alu家族；②长散在重复元件(longinterspersedelements，LINEs)，典型的LINEs其长度多于1000bp，如人基因组中L1家族。此外，真核细胞基因组中，还含有高度重复的DNA序列，约占脊椎动物总DNA的10％。高度重复DNA序列由一些短的DNA序列呈串联重复排列，可进一步分为几种不同类型：(1)卫星DNA(satelliteDNA)，主要分布在染色体着丝粒部位。(2)小卫星DNA(minisatelliteDNA)，又称数量可变的串联重复序列，每个小卫星区重复序列的拷贝数是高度可变的，因此常用：DNA指纹技术(DNAfinger-printing)作个体鉴定。(3)微卫星：DNA(microsatelliteDNA)重复单位序列最短，只有1-5bp，串联成簇长度50～100bp的微卫星序列。人类基因组中至少有30000个不同的微卫星位点，具高度微卫星多态性，不同个体间有明显差别，但在遗传上却是高度保守的，因此可作为重要的遗传标志，用于构建遗传图谱(geneticmap)生物的遗传信息储存在DNAA的核苷酸序列中，其生物多样性也储存在DNA分子4种核苷酸的不同排列之中。DNA分子不仅有一级结构多样性，而且二级结构也具有多形性(polymorphism)。所谓DNA二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。DNA二级结构构型可分为三种：①B型DNA(右手双螺旋DNA)，是“经典”的Watson-Crick结构。细胞内天然DNA大多为此型；②A型DNA，是一般B型DNA的重要变构形式，同样是右手双螺旋DNA；③Z型DNA，是左手螺旋，也是B型DNA的变构形式。三者的比较如表10-1所示。(三)染色质蛋白质染色质DNA结合蛋白负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读。DNA结合蛋白包括两类：组蛋白(histone)，与DNA非特异性结合；非组蛋白(nonhistone)，与DNA特异性结合。1．组蛋白组蛋白是构成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，等电点一般在pH10以上，属碱性蛋白质。用聚丙烯凝胶电泳可以将组蛋白分为5种组分：H1、H2A、H2B、H3和H4。5种组蛋白在功能上分为2组：(1)核小体组蛋白(nucleosomalhistone)，包括H2B、H2A、H3和H4，这4种组蛋白有相互作用形成聚合体的趋势，它们通过C端的疏水氨基酸互相结合，而N端带正电荷的氨基酸则向四面伸出以便与DNA结合，从而帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构。这4种组蛋白没有种属及组织特异性。(2)H1组蛋白，其球形中心在进化上保守，而N端和C端两个“臂”的氨基酸变异较大，故H1在进化上不如核小体组蛋白保守。在构成核小体时H1起连接作用。H1有一定的种属和组织特异性。2．非组蛋白与染色体组蛋白不同，非组蛋白主要是染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质，故又称为序列特异性DNA结合蛋白