5细胞核.

第五章细胞核（Nucleus）陈俊霞：教授，博士，细胞生物学及遗传学教研室主任E-mail:[e-mail]:13101379236教学目的及要求1.掌握细胞核的基本结构组成；2.掌握染色质的化学组成、超微结构及组装，染色体的结构特征，端粒，常染色质与异染色质染色质；3.掌握核仁的化学组成、超微结构与功能动态关系；4.了解核基质的概念；5.了解细胞核与医学的关系。1781年Trontana发现于鱼类细胞，1831年，Brown发现于植物。成熟的植物筛管和哺乳类红细胞没有细胞核。在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核（nucleiod）。核一般呈圆形，但因生物的种类而异。在旺盛分裂的组织中，核呈圆形，在长形细胞中多呈椭圆形，在扁平细胞中多为扁圆形，在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状，在胚乳细胞中呈网状。细胞核的大小与细胞大小有关，最小的核直径不足1μm，而最大的核如苏铁科某些植物卵细胞核直径可达500~600μm。植物细胞核的直径通常在1~4μm左右，动物为10μm左右。在同一种生物，由于遗传物质的含量是恒定的，因此核的大小也比较恒定。常以核质比来估算核的大小NP≈0.5，分裂期细胞NP0.5，衰老细胞NP0.5。通常一个细胞一个核，肝细胞和心肌细胞可有双核，破骨细胞可有6-50个细胞核，骨骼肌细胞可有数百个核；高等植物的毡绒层可有2-4个核。正在生长的细胞中，核位于细胞中央，在分化成熟的细胞中，常因细胞内含物或特殊结构的存在，核被挤到边缘。肝细胞心肌细胞细胞核的主要结构包括：①核膜（nuclearenvelope）、②核仁（nucleolus）、③核基质（nuclearmatrix）、④染色质（chromatin）、⑤核纤层（nuclearlamina）等部分间期的细胞核的形态结构细胞核是细胞内储存遗传物质的场所。真核生物的细胞都有细胞核,只有成熟的红细胞和植物成熟的筛管没有细胞核。细胞核的主要功能有两个方面：①遗传和②发育。前者表现为通过DNA染色体的复制和细胞分裂，维持物种的世代连续性。后者表现为通过调节基因表达的时空顺序，控制细胞的分化，完成个体发育的使命。第一节核膜(nuclearenvelope)是包在核外的双层膜结构。它将DNA与细胞质分隔开，形成核内特殊的微环境，保护DNA分子免受损伤；使DNA的复制和RNA的翻译表达在时空上分隔开来；此外染色体定位于核膜上，有利于解旋、复制、凝缩、平均分配到子核，核被膜还是核质物质交换的通道。核被膜的TEM照片核被膜由内膜（innernuclearmembrane）、外膜（outernuclearmembrane）和核周隙（perinuclearspace）核孔复合物（nuclearporecomplex）和核纤层（nuclearlamina）等5个部分组成。外膜面向细胞质基质,常附有核糖体,有些部位与内质网相连,外核膜可以看成是内质网膜的一个特化区。内膜面向核基质，与外核膜平行排列,其表面没有核糖体颗粒。核纤层在与核质相邻的核膜内表面有一层厚30～160nm网络状蛋白质,叫核纤层,对核被膜起支撑作用，又同染色质的特定部分相结合。核间隙是两层核膜之间的空隙,宽15～30nm,其中充满无定形物质。由于外核膜与粗面内质网相连,所以核周腔常与ER的腔相通。核孔是细胞核膜上沟通核质与胞质的开口,由内外两层膜的局部融合所形成,核孔的直径为80～120nm。核孔是细胞核与细胞质之间物质交换的通道，一方面核的蛋白都是在细胞质中合成的，通过核孔定向输入细胞核，另一方面细胞核中合成的各类RNA、核糖体亚单位需要通过核孔运到细胞质。核孔由至少50种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，称为核孔复合体（nuclearporecomplex，NPC）。一般哺乳动物细胞平均有3000个核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。如蛙卵细胞每个核可有37.7X106个核孔，但其成熟后细胞核仅150~300个核孔。高分辩率扫描电镜观察的核孔复合物照片(a).两栖类卵细胞分离的NPC的细胞质面,细胞质颗粒覆盖在NPC的胞质环上;(b).当观察NPC核质面时,可以看到与核孔复合物相连的篮(basket)。核孔复合物的结构模型该三维模型显示了核孔复合物与核被膜的内、外核膜的关系。中央运输蛋白伸出的8个辐条与胞质环和核质环相连,另有8个篮和8个细胞质颗粒在核孔复合物中呈现8重对称分布。核孔复合物作为运输通道既有被动运输,又有主动运输。被动运输是通过简单扩散,主动运输是一个信号识别与载体介导的过程,需要ATP,并表现出饱和动力学特征。核孔复合物进行的运输不仅具有选择性,而且具有双向性,不仅能够将翻译所需要的RNA、组装好的核糖体亚基从细胞核内运送到细胞质,同时也能把DNA复制和转录所需的酶以及帮助DNA装配的一些蛋白质从细胞质运进细胞核,这些蛋白均是在细胞质的游离核糖体上合成的,核内物质的输出和输入都是信号介导的过程。核被膜的功能核被膜是真核生物和原核生物之间的重要区别，具有十分重要的功能。■基因表达的时空隔离真核生物的结构复杂,而且大多数基因都有内含子,转录后需要经过复杂的加工,所以核膜的出现,为基因的表达提供了时空隔离的屏障,便于DNA在核内活动的多样性,DNA转录形成RNA的多样性,从而导致细胞的多样性。■核膜作为保护性屏障,使核处于一微环境中核膜的出现，为细胞遗传信息的保存、复制、传递及发挥其对细胞代谢和发育的指导作用创造了特定的微环境，提高了上述各项活动的效率；避免直接受细胞内其它各种生命活动的干扰，并防止细胞中这个调度中枢的功能轻易地随环境条件的变化而变化，以保持其相对的稳定性，这些都是核膜出现的进化意义。■染色体的定位和酶分子的支架另外,核内的一些酶是以膜蛋白的形式存在的,这就有利于核内生化反应的区域化,从而发挥高度的催化活性。所以核膜是染色体和酶分子的支架和固着部位。第二节染色质和染色体1848年Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。1888年，Waldeyer正式定名为Chromosome。1879年，W.Flemming提出了染色质（chromatin）这一术语，用以描述染色后细胞核中强烈着色的细丝状物质。后来的研究证明染色质和染色体是同一物质在不同细胞周期中的形态表现。一、染色质的化学组成及种类（一）染色质的化学组成染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，比例为1：1：（1-1.5）：0.05。可见DNA与组蛋白的含量比较恒定，非组蛋白的含量变化较大，RNA含量最少。1、染色质骨架——DNA除少数RNA病毒外,DNA几乎是所有生物遗传信息的携带者,是遗传信息的一级载体。在真核生物中,每个DNA分子都被包装到染色体中,一个生物储存在单倍体染色体组中的总遗传信息称为该生物的基因组(genome）。染色体具有3个基本元素：①复制源序列(replicationorigionsequence)，是DNA复制的起点，酵母基因组含200-400个ARS，大多数具有一个11bp富含AT的一致序列（ARSconsensussequence,ACS）；②着丝粒序列(centromereDNAsequence,CEN)，由大量串联的重复序列组成，如α卫星DNA，其功能是参与形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离；③端粒序列(telomereDNAsequence,TEL)，不同生物的端粒序列都很相似，由长5-10bp的重复单位串联而成，人的重复序列为GGGTTA。染色体的三种基本序列2、组蛋白组蛋白带正电荷，含精氨酸，赖氨酸，属碱性蛋白，其含量恒定，在真核细胞中组蛋白共有5种，分为两类：一类是高度保守的核心组蛋白（corehistone）包括H2A、H2B、H3、H4四种；另一类是可变的连接组蛋白（linkerhistone）即H1。核心组蛋白的结构是非常保守，特别是H4，牛和豌豆H4的102个氨基酸中仅有2个不同，而进化上两者分岐的年代约3亿年历史。核心组蛋白高度保守的原因可能有两个：其一是核心组蛋白中绝大多数氨基酸都与DNA或其它组蛋白相互作用，可置换而不引起致命变异的氨基酸残基很少；其二是在所有的生物中与组蛋白相互作用的DNA磷酸二脂骨架都是一样的。四种核心组蛋白均由球形部和尾部构成，球形部借精氨酸残基与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心周围，形成核小体。尾部则含有大量赖氨酸和精氨酸残基，为组蛋白翻译后进行修饰的部位，如乙酰化、甲基化、磷酸化等。H1不仅具有属特异性，而且还有组织特异性，所以H1是多样性的。3.非组蛋白与组蛋白不同，非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白，非组蛋白的特性是：①含有较多的天门冬氨酸、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，不象组蛋白只在S期合成，并与DNA复制同步进行；③能识别特异的DNA序列，识别信息存在于DNA本身，位点在大沟部分，识别与结合籍氢键和离子键。非组蛋白的功能是：①帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域，从而有利于DNA的复制和基因的转录；②协助启动DNA复制；③控制基因转录，调节基因表达。非组蛋白的特性非组蛋白是一类不均一的蛋白质，所含酸性氨基酸超过碱性氨基酸，故呈酸性，带负电荷。另外,非组蛋白常常是被磷酸化的。非组蛋白在作用时具有以下特性：●能识别特异的DNA序列,识别的信息来源于DNA核苷酸序列的本身,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,而非共价键；●在不同的基因组文库之间发现这些序列特异性结合蛋白所识别的DNA序列在进化上是保守的。（二）染色质的种类间期核中染色质可分为常染色质（euchromatin）和异染色质（heterochromatin）1、常染色质常染色质是进行活跃转录的部位，结构疏松，螺旋化程度低，纤维直径约10nm，浅染，均匀较亮，多位于核的中央。2、异染色质异染色质的特点是：在间期核中处于凝缩状态，纤维直径约20-30nm，螺旋化程度高，深染，较暗，无转录活性，在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩，即异固缩现象，(heteropycnosis)，一般位于核的边缘或与核仁结合。异染色质又被分为两类:结构性异染色质(constitutiveheterochromatin)和兼性异染色质(facultativeheterochromatin)。前者是指各种类型细胞中在整个细胞周期内都处于凝集状态的染色质，即永久性的呈现异固缩的染色质。后者是指在一定的细胞类型或一定的发育阶段呈现凝集状态的异染色质。结构（恒定）异染色质（constitutiveheterochromatin）：在所有细胞内和都呈异固缩的染色质，多定位于着丝粒区，端粒，次缢痕及染色体臂的某些节段，在间期聚集成多个染色中心（chromocenter），由相对简单的高度重复序列构成。荧光原位杂交显示的着丝粒卫星DNA异染色质（核内深染部分）和常染色质（核内浅染部分二、染色质的包装体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内全部DNA连结起来约1.7-2.0m，而细胞核直径不足10um。因此，不难想象DNA是以螺旋和折叠的方式压缩起来的，压缩比例高达上万倍，这种压缩的最初级结构就是核小体。人目前对染色质的高级结构普遍接受的两种结构模型1.多级螺旋模型2.染色体的袢环结构模型（一）染色质的一级结构核小体R.Kornberg建立了核小体模型。核小体是一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，可描述如下：①每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1；②由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；③DNA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，两端被H1锁合；④相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。核小体的结构特点核小体是染色质的基本结构单位。由200个(160-240