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基因信息传递细胞生物学教研室方瑾转录翻译DNA核苷酸顺序RNA蛋白质氨基酸顺序细胞核DNA复制RNA合成（转录）蛋白质合成（翻译）基因表达调控细胞核的出现是细胞进化的重要标志，有无细胞核是真核细胞与原核细胞的根本区别。进化意义：2.使基因表达的两步在不同的时间和空间进行1.保护DNA，免受胞质机械运动影响细胞核TheCellNucleus(一）概述双层膜结构形状：与细胞形态相适应大小：5-10微米(10%)数量：通常一个位置：通常位于细胞中央只有处于间期的细胞中，才能观察到细胞核的完整结构（核被膜、核仁、染色质、核基质）一、细胞核的结构（二）核被膜nuclearenvelop化学成分：蛋白质：20多种酶类与内质网相似脂类：与内质网种类相似，含量有差别结构：外核膜内核膜核纤层核周隙核孔1.外核膜：面向胞质,与糙面内质网（rER）膜连续有核糖体（Ri）附着外表面分布有细胞骨架-中间纤维、微管维持细胞核形态2.内核膜：面向核质，与外核膜平行有特殊蛋白结合核纤层3.核周隙perinuclearspace内外核膜之间的腔隙，与rER连通内外核膜之间的缓冲区4.核孔(复合体)nuclearporecomplex(1)概述内外核膜融合产生的圆环状结构细胞核内外物质转运的通道代谢活跃细胞中数量多哺乳动物细胞3000～4000个/细胞胞质面核质面(2)结构组成由多种蛋白颗粒组成捕鱼笼模型A胞质环面向胞质一侧的环形结构对称分布有8条纤维，伸向胞质B核质环面向核质一侧的环形结构对称分布有8条纤维末端形成小环–核篮C辐由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称，由三个结构域组成柱状亚单位:连接内、外环，起支撑作用腔内亚单位在内外核膜交汇处插入核周隙，锚定复合物环状亚单位靠近核孔复合体中心部分8个颗粒成分环绕形成物质交换通道D中央栓位于核孔复合体的中心转录：聚合酶蛋白合成：mRNAtRNArRNA（6/min）Ri（3）功能转运各种物质进出细胞核复制：DNA+Hp，酶（106/3min）水溶性通道直径9nm长15nm分子量5000以下的分子可自由转运（被动自由扩散）水、离子、单糖、核苷酸大分子通过主动转运过程完成运输蛋白质、RNA选择性：孔径大小可调信号识别，消耗能量双向性A亲核蛋白的核输入被转运成分核定位信号NLS：4-8碱性氨基酸序列指导亲核蛋白入核入核后不被切除输入蛋白受体输入蛋白importin定位:细胞质基质功能:结合核孔复合体被转运成分RanGTP：为转运提供能量BRNA和核糖体亚基的核输出识别受体：输出蛋白exportin5.核纤层nuclearlamina(1)结构内核膜内表面一层纤维状的蛋白网外表面与内核膜的特殊部位结合内表面与染色质的特殊位点结合(2)分子组成核纤层蛋白A，B，C（中间纤维蛋白）(3)功能A在细胞核中起支架作用处理后保留与核骨架及中间纤维相连B通过磷酸化和去磷酸化参与核膜的崩解和重建核纤层蛋白去磷酸化C与染色质凝集有关间期：染色质与核纤层结合，染色质不能螺旋化分裂期：染色质与核纤层蛋白解离，染色质凝集D参与DNA复制6.核被膜功能(1)为基因表达提供时空屏障区域化功能分区(2)核内外物质转运(3)生物大分子合成(三)染色质和染色体（chromatin，chromosome）染色质是间期细胞核中由DNA和组蛋白构成的能被碱性染料着色的物质染色体是高度螺旋化的染色质染色质和染色体是相同物质在细胞周期不同时相的不同表现形式核酸（DNA，少量RNA）蛋白质（组蛋白，非组蛋白）（1）染色体DNA一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信息叫做一个基因组1.染色体（质）的组成1986年由美国生物学家杜伯克首次提出1990年10月美国投资30亿美元启动计划预计15年完成主要内容1.用5-10年的时间绘制23对染色体的图谱2.用15年时间测定所有染色体的DNA序列国际化研究项目美国、英国、日本、法国、德国1993我国启动“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”项目1997我国启动“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研究”项目1999.7我国注册承担人类基因组1%测序任务2000.3我国科学家完成3号染色体测序2000.6美国、英国宣布人类基因组草图完成2001.2《SCIENCE》、《NATURE》杂志正式发表人类基因组工作框架图2003.4.14美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯·柯林斯博士在华盛顿宣布，六国科学家经过１３年努力共同绘制完成了人类基因组序列图，人类基因组计划的所有目标全部实现。人类基因组是全人类的共同财富。国内外专家普遍认为，基因组序列图首次在分子层面上为人类提供了一份生命“说明书”，不仅奠定了人类认识自我的基石，推动了生命与医学科学的革命性进展，而且为全人类的健康带来了福音。主要应用疾病诊断、预测及治疗疾病易感性的研究癌症研究基础研究基因结构与功能的研究新技术的开发后续研究功能基因组学蛋白质组学比较基因组学染色质DNA序列单一序列（uniquesequence)基因组中只有单一拷贝或几个拷贝一般为具有编码功能的基因重复序列（repetitivesequence)中度重复序列重复次数101-105非编码序列：基因调控编码序列：rRNA,tRNA,组蛋白,核糖体蛋白高度重复序列重复次数＞105，非编码，维系染色体结构-端粒、着丝粒功能性染色体A能够进行自我复制复制源（replicationorigin）(多个)B分裂时两拷贝分离着丝粒（centromere）(1个)C维持自身在传代中的完整端粒（telomere）(2个)着丝粒复制源端粒复制源：是DNA的复制起点着丝粒：是两条姐妹染色单体的连接部位端粒：是染色体两端串联重复重复序列A组蛋白特性：碱性蛋白，带正电荷分类：核小体组蛋白♦H2AH2BH3H4♦102-135aa♦无种属和组织特异性连接组蛋白H1215aa♦与染色体高级结构有关(连接核小体)♦有种属和组织特异性（2）染色体蛋白组蛋白（histone）：染色质的基本结构蛋白非组蛋白S期合成与DNA结合，抑制复制、转录组蛋白修饰影响染色质活性磷酸化/乙酰化：激活甲基化：抑制B非组蛋白特性：酸性蛋白，带负电荷有种属和组织特异性识别特异的DNA序列功能：多功能性作为结构蛋白参与基因表达调控2.常染色质和异染色质(enchromatin,heterochromatin)异染色质常染色质碱性染料着色深着色浅形态螺旋化程度高螺旋化程度低卷曲成粗大颗粒解旋的细纤维丝序列特性高度重复序列单一序列、中度重复功能转录不活跃转录活跃部位核被膜内表面核中央3.染色体的组装一条染色体包含一个DNA分子，平均长度5cm人体细胞含DNA3×109bp（1个基因组）分布在24条染色体上（单倍体）细胞核平均直径5μm(1)染色质一级结构-核小体（nucleosome）染色体的基本结构单位组蛋白核心H2A、H2B、H3、H4构成圆盘状颗粒核小体组蛋白核心DNA146bp60bplinker（2）染色质二级结构—螺线管在H1参与下完成H1是螺线管形成和稳定的关键因素马鞭草提取物诱导肿瘤细胞凋亡（引自课题组相关工作）（3）染色单体骨架-放射环模型多级螺旋模型核小体30nm染色质纤维袢环（18个袢环形成微带，106微带）染色单体一级结构7～10×二级结构—螺线管6×三级结构—超螺线管40×四级结构—染色单体4～5×4.中期染色体形态特征由姐妹染色单体构成,着丝粒处相连(1)着丝粒姐妹染色单体的连接部位(2)主缢痕primaryconstriction着丝粒存在部位向内的凹陷(3)动粒kinetochore着丝粒两侧由蛋白质构成的特化部位动粒域：连接微管中心域：着丝粒区主体配对域：染色单体相互作用(4)次缢痕secondaryconstriction部分染色体上存在的着色较浅的缢痕可作为染色体鉴定标志(4)随体satellite部分染色体上存在的末端球形结构通过次缢痕与染色体主体部分相连核仁组织区(5)端粒保证染色体末端复制的完整性保证染色体末端稳定5.染色体核型一个体细胞中的全部染色体，按大小、数目、形态特征顺序排列所构成的图像A-TG带G-CR带(四)核仁nucleolus是真核细胞间期核中最明显的结构光镜下为均质、无包膜的球形小体成分：蛋白质、DNA、RNA大小：蛋白合成旺盛的细胞中较大数目：1-21.结构特点(1)纤维中心电镜下为浅染的低电子密度区域所含主要成分为rDNA核仁组织者：rDNArRNA核仁（nucleolusorganizer）一个核仁组织者由一个DNA袢环组成，人类rRNA基因位于5条不同染色体上（13、14、15、21、22）的次缢痕部位核仁变小rRNA合成停止核仁消失rRNA合成重新开始(2)致密纤维组分是核仁内电子密度最高的区域所含主要成分为正在转录的rRNA(+RNA结合蛋白)(3)颗粒组分镜下呈致密的颗粒结构，在核仁中占比例最大所含主要成分为核糖体前体颗粒（rRNA前体颗粒）核仁基质：核仁中无定形的蛋白质液体2.功能(1)rRNA的合成和加工rDNA的初级产物为45SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA45SrRNA(2)核糖体的装配核糖体组成：蛋白质+rRNA由胞质输入(五)核基质nuclearmatrix（核骨架）1.组成间期核中，除染色质、核仁、核被膜以外的精密的网架系统2.成分纤维蛋白、少量RNA3.分类核基质蛋白(共有)核基质结合蛋白（功能性）与细胞类型、分化程度及病理、生理状态有关4.功能(1)参与DNA复制DNA聚合酶结合位点DNA复制起始点结合新合成的DNA结合提高复制效率(2)参与基因转录和加工A参与RNA合成RNA聚合酶结合位点新合成RNA结合转录活性基因结合位点B参与RNA加工袢环结构(3)参与染色体构建(4)与细胞分化相关二、细胞核的功能1.储存遗传信息，完成遗传信息的传代—复制2.RNA的合成—转录、加工三、细胞核与疾病1.细胞核形态结构异常与肿瘤细胞核具有高核质比形状异形性核孔数量增加核仁体积大，数目多组蛋白磷酸化加强2.染色体异常数目异常：结构异常：染色体发生结构畸变的基础是断裂及断裂后的重接缺失、重复、倒位、易位核被膜外核膜结构：与内质网膜连续,Ri表面有骨架成分分布功能：与蛋白合成有关内核膜核纤层组成：核纤层蛋白功能：支架、核膜崩解与重建、染色体凝集DNA复制核周隙核孔结构：核孔复合体-胞质环、核质环、辐功能：核内外物质转运小分子：自由扩散大分子：主动运输NLS、受体、RanGTP染色体染色体DNA染色体序列（单一、重复）复制源：DNA复制起始点使染色体能够进行复制着丝粒：姐妹染色单体连接部位细胞分裂时使两拷贝分离端粒：染色体末端保证DNA复制的完整性染色体蛋白组蛋白H2AH2BH3H4—核小体H1—染色体高级结构非组蛋白染色体组装：两个模型中期染色体特点染色质的种类：常染色质和异染色质的区别核基质结构组成：功能：DNA复制、基因转录加工、染色体构建核仁结构：三个特征性功能区纤维中心：rDNA（核仁组织者）纤维成分：rRNA颗粒成分：成熟的rRNA前体功能：rRNA合成、加工核糖体装配BACKback引自教研室相关研究工作三位科学家的发现解决了一个生物学的重要课题，即染色体在细胞分裂过程中是怎样实现完全复制，同时染色体如何受到保护而不至于发生降解2009年诺贝尔医学或生理学奖卡萝尔·格雷德伊丽莎白·布莱克本杰克·绍斯塔克backBACKBACKback引自学生实验课结果肌肉细胞back蟾蜍血细胞