第四章细胞核与染色体

1第四章细胞核与染色体细胞核是真核细胞最大、最显而易见的细胞器，是遗传信息贮存、复制和转录的地方，是细胞功能及细胞代谢、生长、增殖、分化的控制中心。细胞核的形状与细胞的形态、性质与及发育阶段有关，大多数细胞的核为圆形或椭圆形，但也可以有盘状、分叶状、分枝状等不规则形状。通常一个细胞含有一个核，但有些细胞有双核甚至多核。细胞核的内含成分主要是核酸和蛋白质。核酸绝大部分为脱氧核糖核酸（DNA），是承载遗传信息的物质，常被称为遗传物质。在间期(两次有丝分裂之间的时期)，核酸和蛋白质以染色质和核仁的形式存在，核外周有核被膜，核被膜上间隔存在核孔，内层核膜下有一个由纤维蛋白形成的核纤层，核内还存在一个蛋白质纤维组成的核骨架(又叫核基质，详见第七章“细胞骨架”)，它们共同维持核的形状、核内外物质交换和染色质、染色体的空间位置。在有丝分裂期，核被膜融解，核骨架解聚，核仁消失，染色质浓聚紧缩形成棒状的染色体，然后每条染色体纵向分裂，此时核消失。当细胞分裂完成，两个子细胞出现时，核又重新形成。细胞核早在1674年就被Leeuwenhoek在鱼类的红细胞中发现，到1831年才由Brown定名(nucleus)，并确认为真核细胞普遍存在的细胞器。百多年来人们对细胞核结构和功能有了逐步深入的认识，但是细胞核的许多奥秘仍未被揭示，以至于细胞核被说成是“发现最早而了解最少的细胞器”。第一节核被膜核被膜（nuclearenvelope）是将细胞核内物质包围起来的双层膜结构，又叫核膜（nuclearmembrane），其组成包括：内、外层核膜，核周间隙，核孔，核纤层（图4－1）。图4－1细胞核结构模式图（引自Alberts等，2002）参照前书图12-1一、内、外层核膜和核周间隙2内、外层核膜（innerandouternuclearmembrane）构成细胞核与细胞质的分隔。它们的化学组成和结构与其他细胞器的膜（统称为细胞内膜，详见第五、六章）一样。外层核膜在形态和生化性质上与细胞质中的糙面内质网膜相近，并且与糙面内质网膜是相连的，其外表面也常附着有核糖体颗粒（参见第五、十章）。内层核膜与外层核膜以同心圆形式平行排列，其表面无核糖体颗粒。在与核质相邻的核膜内表面附有一层纤维层，叫作核纤层，对内层核膜有支撑作用。内层核膜上有着供核纤层附着的特异性结合位点。在外层核膜与细胞质相邻的表面也有一层由中间丝交织的网架附着，但不像核纤层那么规则、完整。核纤层和外层核膜外周的中间丝网架两者共同构成对核的机械支撑（图4－1）。核膜的面积常随细胞功能变化而迅速扩大或缩小。如静止细胞开始大量合成RNA或DNA时，核膜面积迅速扩大。在细胞有丝分裂过程中，核膜能快速崩解形成核膜小泡，然后小泡互相融合构成新的核膜。内、外层核膜在核孔的位置互相融合。两层核膜之间的狭小腔隙称为核周间隙（perinuclearspace），宽约20～40nm。这一宽度常随细胞种类不同和细胞的功能状态不同而改变。核周间隙与胞质中的内质网腔是相通的（图4－2）。图4－2核被膜结构模式图（引自Alberts等，2002）参照前书图12-2二、核孔核被膜上间隔存在着一个个孔洞，称为核孔（nuclearpores）（图4－2）。它们给细胞核和细胞质的物质交换留下通道，使核-质两个区室有分隔又有沟通。一个典型的哺乳动物细胞核膜上约有核孔3000～4000个，相当于每平方微米核膜上10～60个。核孔的数目、疏密程度和分布形式在各个细胞有很大的变化，一般来说，转录功能旺盛的细胞核其核孔数目较多。在核孔的边缘，内、外两层核膜互相融合，但核孔并不就是简单地由两层核膜融合而成的孔洞。核孔是由一组蛋白质颗粒以特定方式排布形成的结构，这一结构可以从核膜上分离出来，被称为核孔复合体（nuclearporecomplex，NPC）。将分离提纯的核孔复合体作负染色后在电镜下观察，发现每一核孔复合体由一组排布成八角形的大颗粒组成。20世纪70年代以来对核孔复合体的结构模型曾有过多种假说。最近提出的核孔复合体结构模型如下所述（图4－3）。从横切面上看，核孔复合体由4种结构部件组成：（1）柱状亚单位(columnsubunits)，组成核孔壁的大部，（2）环带亚单位(annularsubunits)，它们朝核孔中央突起，从而形成环带的“轮辐”，（3）腔内亚单位(lumenalsubunits)，它们是一些跨膜蛋白，在内外两层核膜交会处插入核膜腔，从而将核孔复合体锚定于核膜上，（4）核质环(ringsubunits)，它们分别形成核孔复合体的核表面和胞质表面。另外，纤维分别自核孔复合体的核侧和胞质侧伸出，核侧的纤维互相会聚形成象捕鱼笼似的“核篮”(nuclearbasket)或“核笼”（nuclearcage）结构。有些核孔复合体中央有一颗粒，3它不一定是复合体的组成部分，可能是正在通过核孔的大分子复合物。核孔复合体的外径约100nm，总分子量约125X106。核孔复合体含50多种不同的蛋白质，统称为核孔蛋白(nucleoporins)。它们可能在经核孔的主动物质运输中起作用。另外有一些叫做核运输受体(nuclear-transportreceptors)的蛋白质也在这样的过程中起作用。核运输受体可能跨越核孔复合体的胞质端到核篮的距离，而核孔蛋白所含有的一些特异的多次重复短序列可能与核运输受体有特殊亲和力，从而提供运输时所需的附着位点。虽然对于核孔复合体的结构已经有了相当细节性的了解，但对这一结构究竟在介导核－质物质运输中如何起作用仍所知甚少。图4－3核孔复合体示意图（引自Alberts等，2002）参照前书图12-3核孔是沟通核被膜两侧的孔道，影响核、质之间物质运输的一个主要因素是核孔的孔径。核孔的有效孔径为核孔复合体中央通道的直径，它的大小是通过观察不同分子量标志的非核内成分进出核的速率来测算的。分子量为5，000以下的小分子可自由出入核孔，分子量在17，000～44，000的蛋白质需数分至数十分钟才在胞质与核之间达到平衡，60，000以上分子量的球蛋白则几乎不能扩散进入核内。据此分析，核孔复合体中央是一条直径9nm，长15nm的圆柱形含水通道。这一推算数据与部分电镜照片显示的核孔复合体中央孔道大小基本相符。直径大于9nm直至25nm的蛋白质和核苷酸蛋白复合体不能扩散出入核孔，它们是通过一种主动运输机制进出核孔的。第十章“细胞内蛋白质的分选和运输”将对大分子物质进出核孔的运输作详细叙述。三、核纤层在高等真核细胞的内层核膜下，有一个由纤维蛋白形成的网络壳层，叫做核纤层（nuclearlamina）。核纤层的厚度在各个细胞有很大变化，有的厚达100nm，用超薄切片技术可直接观测到，而大多数细胞中核纤层很薄，约20～80nm，只有用非离子去垢剂抽提的方法处理细胞，将核膜溶解并将各种核酸和蛋白质去除后，在保存下来的纤维网络结构中才能观察到。早在20世纪50年代就有人在电镜下观察到核纤层这一结构，但常规的电镜样品制备方法不能稳定地显示这一十分纤薄的结构。直至70年代末，由于免疫细胞化学技术和非离子去垢剂抽提方法的应用，才得以证明核纤层是一种在高等真核细胞中普遍存在的结构，并对其超微结构、生化组成和功能进行了逐步深入的研究。（一）核纤层的形态、结构和化学组成核纤层成分在分裂期细胞中以单体形式存在，在间期细胞中则大多以多聚体形式存在，从而形成直径为10nm左右的核纤层纤维。纤维纵横交错，编织成一个网络衬于内层核膜下面。因此，核纤层从整体观呈一球形网络，从切面观呈一片层（图4－1，2，3）。核纤层的化学成分叫作核纤层蛋白（lamin），是种类不多的几种多肽。在哺乳动物细4胞中有3种，即核纤层蛋白A、B（包括B1、B2）、C。各类核纤层蛋白的分子量相近，但等电点有很大差异，因此用双向电泳技术可将不同核纤层蛋白分离。各种核纤层蛋白的一级结构分析表明它们的氨基酸序列各不相同，但其间表现出一定的同源性，用单克隆抗体免疫化学分析表明，几种不同核纤层蛋白有一个或多个共同的抗原决定簇。核纤层蛋白形成纤维结构的过程分两步。先是核纤层蛋白A和C自我装配形成杆状二聚体。二聚体由一个约50nm长的杆部和两个球状头部组成，头部为分子的羧基端区域，杆部由分子的α－螺旋区构成。然后是核纤层蛋白A和C构成纤维网络，通过核纤层蛋白B固着于内层核膜上。核纤层蛋白的氨基酸序列和中间丝的蛋白成分有很高的同源性，核纤层蛋白装配成的纤维其直径和形状也与中间丝很相近，因此认为核纤层蛋白属于一种中间丝蛋白（参见第七章“细胞骨架”）。（二）核纤层在核膜和染色质构建中的作用根据核纤层的结构、位置和生化行为，推测其功能与核膜、染色质乃至整个细胞核的构建有关。核纤层在位置上与核膜、染色质、核孔复合体关系密切。内层核膜上有核纤层附着的专一位点，含核纤层蛋白B受体。在细胞分裂期中，核纤层蛋白被磷酸化而解聚，此时核膜崩解形成小泡，核纤层蛋白A和C分散于胞质，而核纤层蛋白B仍特异地与核膜小泡相连接。分裂末期核纤层蛋白去磷酸化而重新装配成核纤层时，核膜小泡被引导至染色体表面，实现了新核膜围绕染色体的重建。在无细胞的核组装体外系统中若选择性地除去核纤层蛋白，将全面抑制核膜和核孔复合体围绕染色质组装进程。这些现象表明，核纤层对于核膜的形成起着支架的作用，并且在分裂期可能通过其解聚－装配的转变对核膜的崩解和重建起着调控作用。核纤层蛋白除了与核膜有着亲和力外，与染色质也有亲和力。这种亲和力可能通过与特异或非特异的DNA序列结合或与染色质蛋白结合而形成。虽然详尽的生化机理尚不清楚，根据一些现象可以推测，核纤层在间期为染色质提供了核周“锚定”部位，在分裂期，可能为染色体的构建提供附着的部位，并可能作为核膜周围围绕染色体组装进而重建核的中介。近年发现，在一种由生理或病理因素诱导的细胞自杀性死亡“凋亡(apoptosis)”过程中，可见染色质和核膜发生特征性改变-染色质浓聚固缩，核膜出芽或起泡(blebbing)，进而细胞核裂解成小片。引发这一过程的物质中最重要的成分是一系列胱冬肽酶(caspases)，该系列终端的胱冬肽酶被称为凋亡执行者，其主要作用位点就在于核纤层。这也间接证明核纤层在间期对染色质的锚定和核的结构所起的重要作用。四．核被膜的功能核被膜的首要功能不言而喻是将细胞的遗传物质包围起来，维持细胞核的形状，使遗传物质与细胞质发生分隔，或者说使细胞核与细胞质成为两个独立区室。原核细胞是没有核的，它的遗传物质位于细胞质的局部，称为拟核(nucleoid)。细胞在进化上出现核这一独立区室，使遗传物质与细胞质有了分隔，这具有重要的生物学意义。从真核细胞的两个特点推测进化过程中出现细胞核的意义可能有两点。原核细胞没有细胞骨架，它们的运动依赖象细菌鞭毛这样的外部结构。细胞骨架由胞质中的微管和微丝组成，它们执行功能时会产生机械应力和剪切力。真核细胞DNA由核被膜包裹在核内，与胞质5分隔，可以保护纤长的DNA分子不因细胞骨架的作用力而受损。第二，原核细胞的RNA合成（转录）与蛋白质的合成（翻译）发生于同一时间和地点：在RNA的3’端尚在合成中时，其5’端就在核糖体上被翻译成蛋白质，所以合成的RNA在被翻译成蛋白质之前几乎没有机会作任何改变。真核细胞基因从DNA转录至RNA后，需经过复杂的加工、修饰才能参与指导蛋白质合成，其中包括最重要的事件－RNA拼接(splicing)，即把一部分核苷酸序列切除。在核内，RNA一转录出来就被包装成用于拼接的核糖核蛋白复合体；只有完成了拼接，RNA分子才能被运输至胞质中，然后在胞质中核糖体上开始蛋白质翻译的过程（详见本章第五节）。也就是说，真核细胞在遗传信息的转录和翻译之间有一个重要的中间步骤。核被膜的存在使转录和翻译两个环节在时间上和空间上得以分离，即转录发生在核内，翻译发生在胞质中，这可能有助于真核细胞基因表达的准确和高效。这样，真核细胞特有的基因表达方式才可能出现，即一个基因表达成多个不同的蛋白质分子，或者一个蛋白质由数个不同基因编码（详见本章第五节）。从前述形态结构可以看到核被膜