第11章__细胞核与染色质20150506

翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）第11章细胞核与染色质细胞核概述真核细胞中，除高等植物成熟的筛管和哺乳类成熟的红细胞外，都有细胞核。在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核（nucleiod）。真核细胞大多具细胞核原核细胞的拟核•分布：所有真核细胞（高等植物韧皮部成熟的筛管和哺乳动物成熟的红细胞除外）•数量：通常一个，成熟的筛管和红细胞（0）、肝细胞、心肌细胞(1-2）、破骨细胞(6~50）、骨骼肌细胞(数百)、植物毡绒层细胞(2~4)。•大小：占总体积的10%，高等动物一般5-10um,高等植物5-20um,低等植物1-4um。•形态：一般呈圆球状与卵圆形，随物种和细胞类型不同有很大变化。•组成：核被膜、核纤层、染色质、核仁及核体组成。•功能：①遗传②发育。细胞核特征肝细胞和心肌细胞可有双核哺乳类成熟红细胞无细胞核植物成熟筛管细胞无细胞核aaaaa破骨细胞可有6-50个细胞核本章主要内容•*核被膜•*染色质•染色质的复制与表达•*染色体•*核仁与核体•核基质第一节核被膜~djohnso2/44962/405/nucleus.html三部分构成核被膜结构双层核膜核纤层核孔复合体一、核膜第一节核被膜核周间隙核纤层核孔复合物外核膜内核膜异染色质(双层膜)(异染色质)电镜图核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成。外核膜胞质面附有核糖体，与糙面内质网相联。核周隙与内质网腔相通，外核膜是内质网的一部分。核被膜内层光滑，内表面紧贴一层致密的核纤层；可支持核膜，并与染色质及核骨架相连。核周间隙宽20-40nm，腔内电子密度低，一般不含固定的结构，与内质网腔相通。双层核膜在某些部位相互融合，形成环状开口，称为核孔。在核孔上镶嵌着一种复杂的结构叫做核孔复合体。（一）核膜结构（二）核膜的崩解与组装间期存在，分裂期解体核膜的动态特点：在真核细胞中，核膜伴随着细胞周期进行有规律的解体与重建。分裂期：双层核膜崩解成单层泡膜，核孔复合体解体，核纤层去装配；分裂末期：核被膜开始围绕染色体重新形成。二、核孔复合体核孔复合体(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。核被膜上由内外两层膜局部融合形成的许多核孔，核孔是由一组蛋白质（至少50种不同的蛋白质）以一定方式排布形成的复杂结构，可沟通核质和胞质。在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如fish-trap（鱼笼）。（一）结构模型——“fish-trap”(鱼笼)胞质面核质面（一）结构模型——“fish-trap”(鱼笼)•胞质环（cytoplasmicring）•核质环（nuclearring）•辐（spoke）：柱状亚单位；腔内亚单位；环带亚单位•中央栓（centralplug），中央颗粒（centralgranule）（二）组成成分NatureReviewsMolecularCellBiology11,490-501(July2010)|doi:10.1038/nrm2928核孔蛋白（nucleoporin，Nup）核孔蛋白（nucleoporin，Nup）•Gp210：结构性跨膜蛋白–介导NPC与核被膜连接–在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用–在核质交换中起作用•p62：功能性Nup–疏水性N端区：具有FXFG重复序列–C端区：具有疏水性的7肽重复序列=nuc_pore•从功能上讲，可看作一种特殊的跨膜运输蛋白复合体（一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道）双功能——有两种运输方式：被动扩散与主动运输。双向性——既介导蛋白质的入核转运，又介导RNA、核糖核蛋白颗粒（RNP）的出核转运。（图P232：通过核孔复合体物质运输的功能示意图）（三）功能主动运输通过转运受体把大分子运入和运出核孔从胞质运入核的转运受体为importins,从核运入胞质的转运受体为exportins。被动运输简单扩散运输离子、小分子及直径在10nm以下的物质。1．通过核孔复合体的被动扩散10nm直径9-10nmNPC作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为9～10nm，有的可达12.5nm，即离子、小分子以及直径在10nm以下的物质原则上可以自由通过。扩散速度与分子大小成反比。1．通过核孔复合体的被动扩散•这种有效直径相当于允许相对分子质量在40×103～60×103以下的蛋白质分子自由穿过核孔。•实际上并不是所有符合此条件的蛋白质都可随意出入细胞核。有许多小分子量的蛋白质，如组蛋白H1，是通过主动运输进入细胞核的。（其相对分子质量虽只有2.1×103，它本身带有具信号功能的氨基酸序列）有的小分子量蛋白质本身虽然没有信号序列，但可以与其它有信号序列的成份结合，一起被主动运输到核内。2．核孔复合体的主动运输A对运输颗粒大小的限制。主动运输的功能直径（约10～20nm）比被动运输大，核孔复合体的有效直径的大小是可被调节的；B是一个信号识别与载体介导的过程复合体，需要消耗ATP能量，表现出饱和动力学特征；C有核输出与核输入双向性。1）亲核蛋白的入核转运（karyophilicprotein）亲核蛋白：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地被转运到核内，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；有一些亲核蛋白需穿梭于核质之间进行功能活动，如importins。核定位序列或核定位信号（NLS）•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”作用的序列被命名为核定位序列或核定位信号。受体为importin。•NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，并且在指导亲核蛋白完成核输入后并不被切除。NuclearlocalizationsignalsNormalpyruvatekinase:incytosolChimericpyruvatekinasecontainingSV40NLS:innucleusNuclearlocalizationsignals亲核蛋白的入核转运过程亲核蛋白除了本身具有NLS外，其入核转运还需要一些胞质蛋白因子的帮助。目前比较确定的因子有：importinα、importinβ：核定位信号受体。Ran：一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。1.带有核定位信号(NSL)片段的蛋白质与受体importin/结合；2.复合体与胞质内的纤丝结合；3.复合体被送入核内；4.与Ran-GTP相互作用,复合体解散；5.importin被Ran-GTP送回胞质,Ran-GTP水解成Ran-GDP,Ran-GDP返回核内,importin回到胞质。蛋白质从细胞质经核孔向细胞核的运输2）RNA及核糖体亚基的出核转运真核细胞中RNA一般要经过转录后加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。核输出信号（nuclearexportsignal,NES）：引导RNP输出细胞核，对蛋白的出核转运起决定作用的氨基酸序列，受体为exportin。由RNA聚合酶I转录的rRNA分子。由RNA聚合酶Ⅲ转录的5srRNA与tRNA由RNA聚合酶Ⅱ转录的核内异质RNA（hnRNA）核纤层(lamina)核骨架为核膜内表面由核纤层蛋白构成的一层连续致密的网状结构。核膜核孔核纤层核膜与内质网相连处染色质三、核纤层功能：对核被膜起支撑作用，为染色体提供支架；调节基因表达；调节DNA修复；与细胞周期有关。组成：•3种核纤层蛋白：laminA、B、C•核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构动态特点：在分裂期，核纤层解体，以蛋白单体形式存在于胞质中。三、核纤层第二节染色质•染色质是间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构一、染色质DNA•染色质和染色体是在细胞周期不同阶段可以互相转变的形态结构（一）基因组大小比较（二）基因组DNA类型A型是另一种右手双螺旋DNA，与B型的差别在于DNA的大小沟有所不同，A型的更紧密。Z(zig-zag)型是左手螺旋DNA，在结构上与B型很不同。发生在高盐浓度下的CGCGCG短链中，生物功能不详。体现DNA双螺旋结构的可塑性。DNA3种构型三种DNA构型中,大沟的特征在遗传信息表达过程中起关键作用,调控蛋白都是通过其分子上氨基酸侧链与沟中碱基对两侧潜在的氢原子供体(=NH)或受体(O和N)形成氢键而识别DNA遗传信息的。另外,Z型DNA同细胞癌变有一定的关系。DNA3种构型二、染色质蛋白•组蛋白（histone）–与DNA结合没有序列特异性•非组蛋白（nonhistone）–与特定DNA序列或组蛋白相结合NatureReviewsNephrology6,332-341(June2010)（一）组蛋白•属碱性蛋白质，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，可以和酸性DNA紧密结合，一般不要求特殊核苷酸序列•核小体组蛋白–H2A、H2B、H3和H4–没有种属及组织特异性，进化上十分保守•H1组蛋白–有一定的种属和组织特异性（二）非组蛋白•序列特异性DNA结合蛋白•特性–多样性–识别DNA具有特异性–具有功能多样性锌指模式亮氨酸拉链模式α螺旋-转角-α螺旋模式凝胶延滞实验（gelretardationassay）•序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式：•1）α螺旋-转角-α螺旋模式（helix-turn-helixmotif）：最简单、最普遍的DNA结合蛋白的结构模式。结合时，形成对称的同型二聚体（symmetrichomodimer）结构模式。•2）锌指模式（Zincfingermotif）：RNA聚合酶Ⅲ所必需的转录因子TFⅢA，含9个有规律的锌指重复单位，每个单位30个氨基酸残基，其中一对半胱氨酸和一对组氨酸与Zn2+形成配位键。•3）亮氨酸拉链模式（Leucinezippermotif，ZIP):形成二聚体是识别特异DNA序列蛋白的相互的共同原则。染色质蛋白①α螺旋-转角-α螺旋模式•这类蛋白质在与DNA结合的结构域形成对称的同型二聚体；•二聚体的每个单体由20个氨基酸组成，2个单体各构成一个α螺旋，由中间的转角相连,组成了α螺旋-转角-α螺旋结构；•其中C端的α螺旋为识别螺旋，负责识别DNA大沟的特异碱基信息。三、染色质蛋白②锌指模式（Zinc-fingermotif）•如转录因子Ⅲ（TFⅢA）。•这类蛋白在与DNA结合的结构域由多个有规律的重复单位构成；•每个单位有30个氨基酸和1个Zn2+,中间的Zn2+与周围的1对Cys和1对His形成配位键，从而形成一个手指状结构——锌指单位；•每个锌指单位是一个DNA结合结构域，每个锌指的C末端形成α螺旋负责与DNA结合。•在有些锌指模式中，含有2对Cys，而不含有His。三、染色质蛋白③亮氨酸拉链模式•这类蛋白质在与DNA结合的结构域附近形成α螺旋，每两圈（7个氨基酸残基）有一个leu，共含有4或5个leu，在α螺旋一侧的leu排成一排。•两个蛋白质分子α螺旋之间靠Leu之间的疏水作用形成一条拉链，故名亮氨酸拉链模式。④螺旋-环-螺旋模式⑤HMG框模式•4）螺旋-环-螺旋结构模式（helix-loop-helixmotif，HLH):具有螺旋-环-螺旋结构的蛋白家族成员之间形成同源或异源二聚体是这类蛋白与DNA结合的必要条件，却少α螺旋的二聚体不能牢固结合DNA。•5)HMG框结构模式（HMG-boxmotif）：有三个α螺旋组成的结构模式，具有弯曲DNA的能力，因此，具有HMG框结构的转录因子又称“构件因子”（architecturalfactors），它们通过弯曲DN