第八章 细胞核与染色体

第八章细胞核与染色体●核被膜与核孔复合体●染色质●染色体●核仁●染色质结构和基因转录●核基质与核体1781年Trontana发现于鱼类细胞；1831年Brown发现于植物，命名为细胞核；大小：低等植物1～4um，动物10um。常以核质比（NP）来估算核的大小。植物分生组织NP约0.5；分化的细胞比值降低，成年细胞降到最低。形状：圆形，胚乳细胞（网状），蝶类丝腺细胞（分支状）位置：细胞中央，成熟植物细胞（边缘）数目：通常一个细胞一个核，成熟的筛管和红细胞（0），肝细胞和心肌细胞（1～2个），破骨细胞（6～50），骨骼肌细胞（数百），毡绒层细胞（2～4）结构：①核被膜②核仁③核基质④染色质⑤核纤层功能：①遗传②发育第一节核被膜与核孔复合体核被膜的结构组成◆外核膜（outernuclearmembrane），胞质面附有核糖体，是特殊的内质网（ER）内核膜（innernuclearmembrane），有特有的蛋白成分◆核纤层（nuclearlamina），内核膜核质面的一层纤维蛋白构成的网络状◆核周间隙（perinuclearspace），与内质网相通核孔（nuclearpore），内外膜融合的部位核纤层的功能为核膜提供支架有助于维持间期染色质高度有序的结构是联系胞质中间纤维与核骨架之间的桥梁核被膜的功能构成核、质之间的天然选择性屏障避免生命活动的彼此干扰，使生命活动更加井然有序保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤核质之间的物质交换与信息交流核被膜的崩解与装配新核膜来自旧核膜核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性◆核被膜的解体与重建的动态变化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。核孔复合体（NPC）核孔至少有50种不同的蛋白（nucleoporin)构成，称为核孔复合体（nuclearporecomplex,NPC)一般哺乳动物细胞核平均有3000个核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目多，反之则少在电镜下，核孔呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如fish-trap。结构模型胞质环（cytoplasmicring），外环核质环（nuclearring），内环辐（spoke）柱状亚单位（columnsubunit）腔内亚单位（luminalsubunit）环带亚单位（annularsubunit）中央栓（centralplug）：transporter核孔复合体成分的研究核孔复合体主要由蛋白质构成，推测有100余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。gp210：结构性跨膜蛋白p62：功能性蛋白，具有两个功能结构域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”，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在核孔复合体的核质交换功能活动中起作用p62：功能性的核孔复合体蛋白疏水性N端区：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，将p62分子稳定到核孔复合体上，为N端进行核质交换活动提供支持。核孔复合体的功能核孔复合体是双功能（被动扩散和主动运输）、双向性（入核和出核）的亲水性核质交换通道。被动运输（passivetransport）一般10nm的分子可以被动运输的方式自由出入核孔复合体，有的则由于含有信号序列或者和其它的分子结合成大分子而不能自由出入核孔复合体。核孔复合体功能直径9nm，长约15nm的通道。主动运输（activetransport）通过核孔复合体的主动运输主要是指亲核蛋白的入核，RNA分子及核糖核蛋白颗粒（SNP）出核运输。选择性：①对运输颗粒大小的限制；10～20nm，最大26nm有效直径可调。②是信号识别和载体介导的过程；③双向性：蛋白质的入核；RNA和核糖体亚单位的出核。亲核蛋白的入核转运机制亲核蛋白（karyophilicprotein）是指在细胞质内合成之后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。类型：进入核之后一直滞留在其中执行功能；穿梭于核质之间行使功能。1982年R.Laskey发现核内含量丰富的核质蛋白的C端有一个信号序列，可引导蛋白质进入细胞核，称为核定位信号（nuclearlocalizationsignal，NLS）。核定位信号NLS：引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列。受体为importin。第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，序列为：pro-pro-lys-lys-lys-arg-lys-val。NLS对连接的蛋白质无特殊要求，完成输入后不被切除。NLS由4-8个氨基酸组成，含有Pro、Lys和Arg。核输出信号NES:引导RNP输出细胞核，受体为exportin。Ran蛋白：一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。入核转运与出核转运之间有某种联系，它们可能需要某些共同的因子。亲核蛋白的转运步骤：结合（binding）（不需能量）转移（translocation）（需能量）参与转运的因子：NLS、GTP结合蛋白等含有丰富亮氨酸核输出信号的货物蛋白的输出模型RNA的出核转录的RNA需加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。RNA聚合酶I转录的rRNA分子：以RNP的形式离开细胞核；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5’端加帽和3’端附加多聚A序列以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA出核，5’端的m7GpppG“帽子”结构对mRNA的出核转运是必要的；无论在质还是核内，各种RNA均与相关蛋白质结合在一起，以RNP的形式存在。细胞核中既有正调控信号保证mRNA的出核转运，也有负调控信号防止mRNA的前体被错误地运输，后者与剪接体有关。mRNA的出核转运过程是有极性的，5’端-3’端。核输出信号(NuclearExportSignal，NES)：RNA分子的出核转运需要蛋白分子的帮助，这些蛋白因子本身含有出核信号。chironomoustentans(摇蚊)BalbianiringsmRNA合成时螺旋状的hn-RNP的形成(a)活跃转录的染色质环的电镜照片,显示特征性颗粒(箭头所指);(b)单个转录环的形成,其上结合许多RNP颗粒;(c)BRhnRNP的结构和生物发生模型。E．G．Balbiani（1881）在摇蚊唾腺染色体上发现的一种构造，整个蛹期都可看到，是多线染色体上的巨大结节状的RNA疏松。了解得比较清楚的，是第四染色体上的这种构造。这种巴尔比尼氏环与在双翅目以外的其他多数物种中所看到的RNA疏松同样含有大量RNA，是活跃地合成RNA和释放RNA的地方，当出现巨大的巴尔比尼氏环时，在染色体的特定部位厚厚折叠在一起的许多染色单体纤维各自松开而成为环状，一般认为这是由于旺盛地进行转录而出现的结构。根据电子显微镜研究提出的BalbianiringsmRNAs输出核孔复合物的模型螺旋化的mRNP移向核孔复合物的末端环,当它通过NPC的中央活塞时解螺旋。5＇端引导并与核糖体结合,在运输过程中,NPC发生了构型的变化。hn-RNP介导的mRNA输出细胞核的推测模型(a)加工成熟的mRNA-hnRNP的5＇端形成帽结合复合物(CBC),该端首先通过NPC;(b)在通过核孔时,核限制hnRNP蛋白与mRNP脱离;(c)细胞质中RanGAP促使RanGTP水解,穿梭的hnRNP回到细胞核,释放出的mRNA同胞质溶胶中的mRNP蛋白,包括poly(A)结合蛋白[poly(A)-bindingperotein,PABP]结合。第二节染色质1842年，Nali在植物细胞核中发现了杆状的染色体。1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。1879年，W.Flemming提出了染色质（chromatin）。1888年，Waldeyer正式定名为Chromosome。一、染色质的概念及化学组成●染色质DNA染色质组蛋白染色质非组蛋白染色质的概念◆染色质（chromatin）指间期细胞核内由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(chromosome)指细胞在分裂过程中,由染色质聚缩而成的棒状结构。染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白、RNA组成，各组分的含量比例为1：1：0.6：0.1。其中DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，非组蛋白和RNA的含量随细胞生理状态不同而发生变化。（一）染色质DNA真核细胞中，每条未复制的染色体包装一条DNA分子。DNA序列可分为三种类型：①单一序列②中度重复序列（101-5）③高度重复序列（大于105）DNA二级结构的类型：B-DNA、Z-DNA、A-DNA（二）组蛋白带正电荷，含Arg,Lys,属碱性蛋白，共5种，分为－核心组蛋白：H2A,H2B,H3,H4－连接组蛋白：H1*结构：高度保守，尤其H4。－核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二酯骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量的Arg和Lys，为组蛋白转译后进行修饰的部位。－H1具多样性，具有属和组织特异性。大多数细胞中都有部分组蛋白的某些碱性氨基酸侧链被磷酸化、乙酰化或甲基化以及ADP-核糖化等修饰,这些修饰中和了侧链的正电荷或被转变成带负电。（三）非组蛋白序列特异性DNA结合蛋白特性：1.含有较多天冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质。2.整个细胞周期都进行合成，组蛋白只在S期与DNA复制同步进行。3.能识别特异的DNA序列，识别与结合籍氢键和离子键。功能：帮助DNA折叠；协助DNA复制；调节基因表达。序列特异性DNA结合蛋白的结构特征顺式作用元件与反式作用因子相互作用与基因转录起始复合物的形成二、染色质的基本结构单位—核小体1974年Kornberg等人根据染色质的酶切降解和电镜观察，发现核小体（nucleosome）是染色质包装的基本结构单位，并提出染色质结构的“串珠“模型。X射线衍射、中子散射和电镜三维重建核小体的结构要点◆每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋、一个组蛋白八聚体和一分子H1。◆由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒。◆DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，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。◆相邻核心颗粒之间以一段0～80bp的线连接。◆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。◆核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达。组蛋白在DNA的A=T富集和G=C富集区分布适宜的部位,通过与AT的结合形成8聚体的核核小体如何打开让DNA进行复制的推测模型一旦组蛋白和DNA装配成核小体,组蛋白基本上不再与所结合的DNA分开。在DNA复制时,核小体也不会解体。因此,在DNA复制期间,复制叉必须以某种方式通过核小体。按照一种假说,在DNA复制时,每一个核小体暂时分成两半,允许DNA聚合酶复进行DNA的复制(图11-28)。在电镜下观察正在复制的染色质时,可以看到复制叉上有一条DNA链没有核小体结构。并进一步证明,有核小体的是先导链,无核小体的是滞后链。复制叉通过后核小体重新装配。在该模型中，核小体组蛋白能够永久性与DNA结合，不过核小体只是完整地遗传到前导链的DNA中，滞后链复制后要重新装配核小体。三、染色质包装的结构模型染色质包装的多级螺旋模型(multiplecoilingmodel)●染色体的骨架-放射环结构模型(scaffoldradialloopstructuremodel)●染色体包装的不同组织水平（一）染色质包装的多级螺旋模型◆一级结构：核小体◆二级结构：螺线管(solenoid)◆三级结构：超螺线管(supersolenoid)◆四级结构：染色