第八讲 细胞核、核糖体与基因表达

第八讲细胞核、核糖体与基因表达2015.11.19细胞核基因（gene）与基因组（genome）•遗传基本单位，携带某种蛋白质或RNA分子的遗传信息。具有特定功能的连续的(脱氧)核糖核酸(DNA/RNA)，是染色体(chromosome)的组成部分。•一个生物储存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该物种的基因组。包括所有基因和基因间序列。人类基因组约30亿碱基对(basepairs，bp)。基因如何控制形状？•等位基因（allele）：同源染色体（homologouschromosomes）的相同位置上，控制相对性状的一对基因。非编码区（non-codingDNA）生物种类基因组（M）基因总数蛋白质总数大肠杆菌4.73,0004,300线虫10020,00019,000拟南芥12529,00025,000河豚36538,000-家鼠3,00034,000-人类3,00034,00050,000细胞核结构细胞核结构•核膜•核周间隙•核孔复合体•核纤层•核仁•核基质•染色质细胞核功能1、遗传物质贮存、复制、表达的场所。2、细胞的控制中心，对细胞的分裂、生长、分化有重要的作用。结构与功能对应（一）核被膜（nuclearenvelope）•核膜：双层膜，外膜延伸与粗面内质网相连控制蛋白质合成•核周间隙（perinuclearspace）•核纤层（nuclearlamina）：纤维蛋白，紧贴内层膜•核孔（nuclearporecomplex,NPC）核被膜功能保护“司令部”分隔核质物质信息交流核孔复合体NPC在核被膜上非随机地分布，穿过双层核膜，构成核质之间亲水性的物质转运通道。核孔在核膜分布数目变化较大，和细胞转录活性有关哺乳类细胞平均约11个／μm2；人淋巴细胞3-4个／μm2，Hela细胞46±8个／μm2；爪蟾卵母细胞高达51个／μm2NPC分子量？核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为125×106，推测可能含有100余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。①胞质环(cytoplasmicring)：外环，环上8条短纤维对称分布伸向胞质；②核质环(nuclearring)：内环，8条细长的纤维末端形成一个直径为60nm的小环；与核质“cable”的网络通道相连通。③辐(spoke)：呈辐射状八重对称。分为三个结构域：柱状亚单位(columnsubunit)、腔内亚单位(luminalsubunit)、环带亚单位(annularsubunit)；④栓：或称中央栓(centralplug)，呈颗粒状或棒状，又称为中央颗粒(centralgranule)。核蓝(nuclearbasket)/捕鱼笼(fish-trap)fish-trap末端小环8个颗粒上又发出8条细长的纤维(cable)，相互交叉使cable成为遍布核质、相互贯通的复杂网络核纤层（nuclearlamina）的功能1.为核被膜、核孔复合体及染色质提供结构支持。2.分裂期中核纤层的可逆性解聚与重新装配对核膜的崩解与装配有调节作用。–分裂前期核纤层的解聚为核膜崩解形成膜泡提供了必要的微环境。–分裂中期核纤层蛋白结合在核膜小泡上。–分裂末期，当核纤层蛋白去磷酸化与重装配时，直接介导了核膜围绕染色体的重装配。（核）仁（核）膜消失双体（染色体、纺垂体）现核膜在细胞周期中崩解与装配（二）染色质（chromatin）•染色质是细胞间期细胞核内能被碱性染料染色的物质。由DNA、蛋白质（组蛋白和非组蛋白）和少量RNA组成。•染色质类型：常染色质、异染色质•染色质成分：DNA分子+蛋白蛋白质：组蛋白、非组蛋白•染色质结构：念珠状细丝核小体：4对组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）构成核心，DNA分子链缠绕在核心外H1组蛋白起连接作用，赋予染色质以极性，推测在染色质活化过程中起作用chromosome•常染色质(euchromatin)•概念：在有丝分裂完成之后,能够转变成间期松散状态的染色体部分。•常染色质在分裂期染色深,但在间期染色浅。一般而言,常染色质是具有转录活性区,是基因区。•异染色质(heterochromatin)•概念：在有丝分裂完成之后,大多数高度压缩的染色体要转变成间期的松散状态。但是，大约有百分之十的染色质在整个间期仍然保持压缩状态，将这种染色质称为异染色质。组蛋白(histone)•真核生物染色体的基本结构蛋白，是一类小分子碱性蛋白质,有五种类型：H1、H2A、H2B、H3、H4，它们富含带正电荷的碱性氨基酸，能够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用。•染色质中的组蛋白与DNA的含量之比为1:1。•组蛋白的基因非常保守。亲缘关系较远的种属中，四种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)氨基酸序列都非常相似,如海胆组织H3的氨基酸序列与来自小牛胸腺的H3的氨基酸序列间只有一个氨基酸的差异,小牛胸腺的H3的氨基酸序列与豌豆的H3也只有4个氨基酸不同。•不同生物的H1序列变化较大，在某些组织中，H1被特殊的组蛋白所取代。如成熟的鱼类和鸟类的红细胞中H1则被H5所取代，精细胞中则由精蛋白代替组蛋白。非组蛋白(nonhistoneproteins)•非组蛋白是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质。•非组蛋白包括:•DNA作为底物的酶。•作用于组蛋白的一些酶,如组蛋白甲基化酶。•DNA结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白。•非组蛋白常常与DNA或组蛋白结合，所以在染色质或染色体中也有非组蛋白的存在，如染色体骨架蛋白。DNA与染色质小体、染色质、染色体的关系组蛋白H1和核小体结构又称染色质小体(chromotosome)染色体DNA的3种功能元件（functionnalelements）•DNA复制起点，自主复制序列（autonomouslyreplicatingsequence，ARS）：自我复制，细胞世代传递连续性•着丝粒（centromere，CEN）：已复制染色体平均分配到子细胞•端粒（telomere，TEL）：“末端复制问题”，telomerase巨大染色体（giantchromosome）•多线染色体（ploytenechromosome）•灯刷染色体（lamp-brushchromosome）核型（karyotype）分析•核型/染色体组型，染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征等。•将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来，再按长短、形态等特征排列起来的图像称为核型模式图（idiogram）。•核型分析对于探讨人类遗传病的机制、物种亲缘关系与进化、远缘杂交的鉴定等具有重要意义。（三）核基质（nuclearmatrix）•形态：纤维网状•成分：蛋白质•功能：对核有支持作用，•染色质附着点，与DNA复制和基因表达密切相关。核基质是由蛋白质组成的细胞核内的网络结构，分布在整个细胞核内，参与和支持DNA的各种功能,包括DNA复制、转录、加工、接收外部信号以及维持染色质的结构等，作用方式主要是提供作用位点。这种结构又称为核骨架（nuclearskeleton）。高等细胞的间期核内除染色质与核仁外，还发现许多形态上不同的亚核结构域（subnucleardomain），统称核体（nuclearbodies，NBs）。（四）核仁（nucleolus）•真核细胞间期核中最明显的结构。•是细胞核内rRNA转录、加工，并组装成核糖体亚基的功能结构区域。•核仁的大小、形状和数目随生物的种类、细胞类型和细胞代谢状态而变化。•核仁中主要含蛋白质(80%)、RNA(10%)、少量DNA和脂类。•结构特点：(1)没有膜包被；(2)具核仁周期。核仁分布、数量及功能•蛋白质合成旺盛、代谢活跃的细胞，如分泌细胞、卵母细胞的核仁大，可占核体积的25%。不具蛋白质合成能力的细胞如肌肉细胞、休眠的植物细胞，其核仁很小。•大多数细胞只含有一个或两个核仁，但也有少数细胞含有多个甚至上千个核仁。核仁的主要功能是进行核糖体RNA的合成。•核糖体的生物发生(ribosomebiogenesis)是一个向量过程(vetoricalprocess)：从核仁纤维组分开始，再向颗粒组分延续。这一过程包括rRNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配。核糖体（ribosome）——古老而复杂、高效而精巧“微型机器”核糖体的产生？核糖(核酸)核蛋白体(ribonucleoproteinparticle,RNP)，简称核糖体或核蛋白体核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器：惟一功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链原核细胞、线粒体、叶绿体均含有核糖体；目前仅发现极少特化细胞(无核红细胞)无核糖体核糖体类型分布结合核糖体((membrane)boundribosome)糙面内质网(roughendoplasmicreticulum,ER)游离核糖体(freeribosome)滑面内质网(smoothER)分布在细胞内蛋白质合成旺盛的区域。在指数生长的细菌中，数以万计ribosome/cell，可达细胞干重的__%；饥饿细胞中，几百个ribosome/cell。40核糖体组成结构differencebetweenprokaryoteandeukaryote？prokaryotic/eukaryotic(cell)S:Svedberg,sedimentationrate/coefficient沉降系数核糖体组成结构Atomicstructure:50SSubunitfromHaloarculamarismortui,30SSubunitfromThermusthermophilus.ProteinsareshowninblueandthesingleRNAchaininorange.Thesmallpatchofgreeninthecenterofthesubunitistheactivesite.rRNA、rDNA在物种鉴定中的作用核糖体小亚单位rRNA(a)E.coli16SrRNA；（红色为高度保守区）(b)Yeast18SrRNA，它们都具有类似的40个臂环结构，其长度和位置往往非常保守。prokaryote：16SrRNAeukaryote：18S+5.8S+28SrDNA中心法则geneticcentraldogmaDNAreplication,transcription,translationOkazakifragment冈崎片段DNA的半保留复制(semi-conservativereplication)DNA的半连续复制(semi-discontinuousreplication)telomereandtelomerase?post-transcriptionalprocessing转录后加工prokaryote多顺反子/操纵子operonpre-mRNAprocessinghnRNA(heterogeneousRNA)exon-intron5’capping3’polyAaddingIntronsplicingmaturemRNA密码子简并性，wobblehypothesis摇摆假说Initiationcodon起始密码子：主要为AUG(Met甲硫氨酸/蛋氨酸)；少数细菌以GUG(Val缬氨酸)或UUG(Leu亮氨酸)为起始密码；线粒体和叶绿体以AUG、AUU、AUA(Ile异亮氨酸)为起始密码子。对应DNA碱基：ATG、GTG、TTG、ATT、ATAStopcodon终止密码子：UAG、UAA、UGAUGA(Seleniumcysteine硒半胱氨酸)、UAG(pyrrolysine吡咯赖氨酸)3种延伸因子：EF-Tu/EF-TsEF-G(translocase移位酶)ribozyme核酶peptidyltransferase肽酰转移酶：由rRNA执行功能RNA在进化中的地位？polyribosomepost-translationalprocessingmodification修饰translocation运输-signalpeptidefolding