第五章-細(xì)胞核與遺傳信息的流向2

1、第五章 細(xì)胞核與遺傳信息的流向,羅大極醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)系,細(xì)胞核是真核細(xì)胞內(nèi)最大、最重要的細(xì)胞器，是遺傳物質(zhì)儲(chǔ)存、復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的場所，是細(xì)胞生命活動(dòng)的控制中心。,細(xì)胞核的大小與細(xì)胞大小有關(guān)，最小的核直徑不足1μm，而最大的核如蘇鐵科某些植物卵細(xì)胞核直徑可達(dá)500~600μm。植物細(xì)胞核的直徑通常在1~4μm左右，動(dòng)物為10μm左右。 在同一種生物，由于遺傳物質(zhì)的含量是恒定的，因此核的大小也比較恒定。常以核質(zhì)比來估算核的大小

2、NP≈0.5，分裂期細(xì)胞NP>0.5，衰老細(xì)胞NP<0.5。,通常一個(gè)細(xì)胞一個(gè)核，肝細(xì)胞和心肌細(xì)胞可有雙核，破骨細(xì)胞可有6~50個(gè)細(xì)胞核，骨骼肌細(xì)胞可有數(shù)百個(gè)核；高等植物的氈絨層可有2~4個(gè)核。 正在生長的細(xì)胞中，核位于細(xì)胞中央，在分化成熟的細(xì)胞中，常因細(xì)胞內(nèi)含物或特殊結(jié)構(gòu)的存在，核被擠到邊緣。,細(xì)胞核的主要結(jié)構(gòu)包括：①核被膜(nuclear envelope)②核仁(nucleolus)③核基

3、質(zhì)(nuclear matrix)④染色質(zhì)(chromatin)⑤核纖層(nuclear lamina),細(xì)胞核的主要功能有兩個(gè)方面：①遺傳②發(fā)育 前者表現(xiàn)為通過染色體、DNA的復(fù)制和細(xì)胞分裂，維持物種的世代連續(xù)性。后者表現(xiàn)為通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)的時(shí)空順序，控制細(xì)胞的分化，完成個(gè)體發(fā)育的使命。,第二節(jié) 染色質(zhì)和染色體,染色質(zhì)與染色體是同一物質(zhì)周期性相互轉(zhuǎn)化的不同形態(tài)的表現(xiàn)。,肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn),1944年Avery等

4、利用肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明DNA是遺傳物質(zhì)。,基因(gene)： 細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)最小的結(jié)構(gòu)功能單位，是DNA分子中含有特定遺傳信息的核苷酸序列。基因組(genenome)： 細(xì)胞所含有的能代表全部遺傳信息的一整套基因。,根據(jù)化學(xué)特性和物理性質(zhì)染色質(zhì)和染色體的定義是染色質(zhì)(chromatin)： 細(xì)胞核內(nèi)被堿性染料著色的物質(zhì)，含有DNA與蛋白質(zhì)等成分結(jié)合形成的復(fù)合體。染色體(chromosom

5、e)： 在細(xì)胞有絲分裂時(shí)染色質(zhì)染色質(zhì)組裝成一條條能在光鏡下看到的棒狀或點(diǎn)狀的染色體。,◆染色質(zhì)（chromatin）: 指間期細(xì)胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復(fù)合結(jié)構(gòu), 是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。 ◆染色體(chromosome): 指細(xì)胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中, 由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)。?染色質(zhì)與染色體是在細(xì)胞周期不同的功能階段可以相互

6、轉(zhuǎn)變的的形態(tài)結(jié)構(gòu)?染色質(zhì)與染色體具有基本相同的化學(xué)組成，但包裝程度不同,構(gòu)象不同。,染色質(zhì)與染色體,一、染色質(zhì)的化學(xué)組成及種類,（一）染色質(zhì)的化學(xué)組成 生化分析顯示，染色質(zhì)的化學(xué)組成主要是DNA和組蛋白，此外還有非組蛋白和少量RNA。,真核生物功能性染色體DNA的三個(gè)必需序列： ①復(fù)制源序列。 ②著絲粒序列。 ③端粒序列。 四膜蟲：TTGGGG，重復(fù)約20

7、-70次。 人類：TTAGGG，重復(fù)約500-5000次。 端粒酶，由RNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成的反轉(zhuǎn)錄酶。,染色體DNA,從染色體DNA到基因組 凡是具有細(xì)胞形態(tài)的所有生物其遺傳物質(zhì)都是DNA。在真核細(xì)胞中，每條未復(fù)制的染色體包裝一條DNA分子，一個(gè)生物貯存在單倍染色體組中的總遺傳信息，稱為該生物的基因組。 ?基因組大小通常隨物種的復(fù)雜性而增加 ?基因組中兩類遺傳信息

8、 ?編碼序列 ?調(diào)控序列,物種 基因組大小 平均基因長（bp） 基因數(shù)目 大腸桿菌 4.2×106bp 1.2Kb 約2 350酵母 1.3×107bp 1.4Kb 約6 10

9、0 果蠅 1.4×108bp 11.3Kb 約8 750 人 3×109bp 16.3Kb 約25 000,染色體蛋白,負(fù)責(zé)DNA分子遺傳信息的組織、復(fù)制和閱讀。,根據(jù)功能主要分為：1）組蛋白2）非組蛋白,?核小體組蛋白(n

10、ucleosomal histone)：H2B、H2A、H3和H4,幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)?H1組蛋白：在構(gòu)成核小體時(shí)H1起連接作用, 它賦予染色質(zhì)以極性。,組蛋白,組蛋白特點(diǎn)：?真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶正電荷的Arg和Lys等堿性氨基酸，屬堿性蛋白質(zhì)，可以和酸性的DNA緊密結(jié)合（非特異性結(jié)合）；?沒有種屬及組織特異性，在進(jìn)化上十分保守。,,非組蛋白具多樣性和異質(zhì)性 ?對DNA具有識(shí)別特異性，又稱

11、序列特異性DNA結(jié)合蛋白 (sequence specific DNA binding proteins) ?具有多種功能，包括基因表達(dá)的調(diào)控和染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu) 的形成。,非組蛋白,?α螺旋-轉(zhuǎn)角-α螺旋模式(helix-turn-helix motif) ?鋅指模式(Zinc finger motif) ?亮氨酸拉鏈模式(Leucine zipper motif，ZIP)?螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)模式(helix-loop-he

12、lix motif，HLH) ?HMG-盒結(jié)構(gòu)模式（HMG-box motif）,非組蛋白的不同結(jié)構(gòu)模型,（二）染色質(zhì)的種類 間期細(xì)胞核中的染色質(zhì)可分為兩類：常染色質(zhì)（euchromatin）和異染色質(zhì)（heterochromatin）。1、常染色質(zhì) 在間期細(xì)胞中結(jié)構(gòu)較為松散、堿性染料著色較淺的染色質(zhì)稱為常染色質(zhì)。,常染色質(zhì)的特點(diǎn)◆DNA包裝比約為1 000～2 000分之一；◆單一序列 DN

13、A 和中度重復(fù)序列DNA(如組蛋白基因和tRNA基因)；◆并非所有基因都具有轉(zhuǎn)錄活性,常染色質(zhì)狀態(tài)只是基因轉(zhuǎn)錄的必要條件而非充分條件 ；,2、異染色質(zhì) 可將異染色質(zhì)劃分為兩種類型：結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)(constitutive heterochromatin)和兼性異染色質(zhì)(facultative heterochromatin)。（1）結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)（2）兼性異染色質(zhì) 巴氏小體(Barr body)。,除

14、復(fù)制期以外，在整個(gè)細(xì)胞周期均處于聚縮狀態(tài)，形成多個(gè)染色中心。 結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)的特征：①在中期染色體上多定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕及染色體臂的某些節(jié)段；②由相對簡單、高度重復(fù)的DNA序列構(gòu)成；③具有顯著的遺傳惰性, 不轉(zhuǎn)錄也不編碼蛋白質(zhì)；④在復(fù)制行為上與常染色質(zhì)相比表現(xiàn)為晚復(fù)制早聚縮；⑤在功能上參與染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致染色質(zhì)區(qū)間性，作為核DNA的轉(zhuǎn)座元件，引起遺傳變異。,結(jié)構(gòu)異染色質(zhì),? 在某些細(xì)胞類型或一定的發(fā)育階段,

15、 原來的 常染色質(zhì)聚縮, 并喪失基因轉(zhuǎn)錄活性, 變?yōu)楫?染色質(zhì)，如X染色體隨機(jī)失活 ? 異染色質(zhì)化可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑,兼行異染色質(zhì),巴氏小體,常染色質(zhì)與異染色質(zhì)在細(xì)胞中的分布及相互轉(zhuǎn)換1）分布相與細(xì)胞分化程度相關(guān) 分化程度愈高，致密異染色質(zhì)為主； 增殖活躍的細(xì)胞，疏松的常染色質(zhì)為主。2）常染色質(zhì)與兼性異染色質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)換,二、染色質(zhì)的包裝,染色單體由DNA

16、分子組成，人的二倍體細(xì)胞約含有6x109堿基對，分布在46條染色體上。,只有高度有序的包裝才能保證細(xì)胞分裂中遺傳物質(zhì)傳遞的穩(wěn)定性，才能保證基因復(fù)制和表達(dá)的準(zhǔn)確。,每條染色體DNA的平均長度約5cm，總長達(dá)174cm。如此長的DNA是如何排列在只有5um的細(xì)胞核中的呢？必須經(jīng)過包裝和壓縮！,DNA如何有序的包裝和壓縮最終構(gòu)成染色質(zhì)(體)呢？,染色質(zhì)的超微結(jié)構(gòu),鋪展染色質(zhì)的電鏡觀察 未經(jīng)處理的染色質(zhì)自然結(jié)構(gòu)為30nm的纖絲，經(jīng)鹽

17、溶液處理后解聚的染色質(zhì)呈現(xiàn)10nm串珠狀結(jié)構(gòu)；用非特異性微球菌核酸酶消化染色質(zhì)，部分酶解片段分析結(jié)果，應(yīng)用X射線衍射、中子散射和電鏡三維重建技術(shù)研究 發(fā)現(xiàn)核小體顆粒是直徑為11nm、高6nm的扁園柱體，具有二分對稱性(dyad symmetry)，核心組蛋白的構(gòu)成是八聚體。,由X-射線晶體衍射(2.8A)所揭示的核小體三維結(jié)構(gòu)（引自K.Luger等，1997）a。通過DNA超螺旋中心軸所顯示的核小體核心顆粒8個(gè)組蛋白分子

18、的位置；b．垂直與中心軸的角度所見到的核小體核心顆粒的盤狀結(jié)構(gòu)； c．半個(gè)核小體核心顆粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4種核心組蛋白分子，每種組蛋白由3 個(gè)α螺旋和一個(gè)伸展的N-端尾部組成。N-端尾部有序排列，參與核小體之間的相互作用，以形成螺線管等高級結(jié)構(gòu)。,染色體多級螺旋模型染色體袢環(huán)結(jié)構(gòu)模型,染色體多級螺旋模型,◆一級結(jié)構(gòu)：核小體◆二級結(jié)構(gòu)：螺線管(solenoid)◆三級結(jié)構(gòu)：超螺線管(supe

19、rsolenoid) ◆四級結(jié)構(gòu)：染色單體（chromatid） 壓縮7倍 壓縮6倍 壓縮40倍 壓縮5倍 DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體,(一)核小體（nucleosome) 染色質(zhì)的基本單位—核小體，由DNA和組蛋白組成的結(jié)構(gòu)。,染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)——核小體,,核小體的結(jié)構(gòu)：核小體核心：(H2A、H2B、H3、H4)×2 組成八聚體，八

20、聚體連接的順序是：H2A-H2B-H4-H3-H3-H4-H2B-H2A核小體DNA：146bp的DNA纏繞在八聚體的外面1.75圈。H1鎖住核小體DNA的進(jìn)出口處， DNA雙螺旋共纏繞2圈165bp。 加上H1稱為染色質(zhì)小體(chromotosome)。,每個(gè)核小體其直徑為10nm，高6nm的扁圓柱體。,連接DNA (1inker DNA)： 0到80bp不等的DNA(平均長度為60bp)將核小體串聯(lián)成直徑10nm

21、的串珠鏈，是染色質(zhì)（體）的一級結(jié)構(gòu)。,螺線管(solenoid)10nm的串珠鏈細(xì)線螺旋化形成30nm的中空管稱螺線管，每圈由6個(gè)核小體組成，H1位于中空的螺線管的內(nèi)部，對螺線管的穩(wěn)定起著重要的作用。螺線管是染色體的二級結(jié)構(gòu)。,染色質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)——螺線管,超螺線管(supersolenoid):　　是由30nm螺線管經(jīng)螺旋化形成直徑為0.2～0.4?m的圓筒狀結(jié)構(gòu)，即染色質(zhì)(染色體)的三級結(jié)構(gòu)。,染色質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)——超螺線管,染色單

22、體:　　超螺線管進(jìn)一步螺旋折疊形成染色單體，即染色質(zhì)(染色體)的四級結(jié)構(gòu)。,染色質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)——染色單體,壓縮比例：　　　７倍　　?。侗丁　?40倍　　 ５倍ＤＮＡ　　核小體　　 螺線管　 超螺線管　　染色單體Total：8400倍,,,,,,1977年Laemmli用NaCl溶液或硫酸葡聚糖加肝素處理Hela細(xì)胞中期染色體，去除組蛋白等成分后，在電鏡下可看到由非組蛋白構(gòu)成的染色體骨架，在這個(gè)基礎(chǔ)上提出了“袢環(huán)”模型。,H

23、eLa細(xì)胞去除組蛋白染色體的電鏡照片非組蛋白支架為2條染色單體的支架結(jié)構(gòu)，DNA由支架區(qū)域發(fā)出。,染色體袢環(huán)結(jié)構(gòu)模型,該模型認(rèn)為染色單體的非組蛋白支架在著絲粒區(qū)域相連接，直徑為30nm的螺線管一端與支架的某一點(diǎn)結(jié)合，另一端向周圍呈環(huán)狀迂回后再回到結(jié)合點(diǎn)處，這樣的環(huán)狀螺旋管稱為“袢環(huán)”。,每18個(gè)袢環(huán)在同一平面散開成一個(gè)單位，叫微帶。微帶在染色單體上沿縱軸排列。,人12號染色體的整裝電鏡圖顯示由30nm的纖維組成的兩條染色單體及其在著絲粒

24、處結(jié)合。,(一)染色體的形態(tài)特征 在細(xì)胞有絲分裂中期，染色質(zhì)高度螺旋化，凝集形成光學(xué)顯微鏡下具有明顯形態(tài)特征的染色體。不同生物體的染色體常具有不同的大小、數(shù)目和形態(tài)。1.中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu),三、染色體,,著絲粒(centromere)：　　染色體的兩條染色單體(CHRTD)借以底面相聯(lián)結(jié)的兩個(gè)半球狀或片狀的基質(zhì)(M)集結(jié)在一起，染色單體臂間有染色質(zhì)纖(50nm)穿過基質(zhì)，使 染色單體兩臂保持連續(xù)，紡錘絲束

25、(SF-1，2，3，4)也與基質(zhì)相連，每個(gè)基質(zhì)與兩個(gè)紡錘絲束接觸，整個(gè)著絲粒共有四個(gè)紡錘絲束。,Haskins(1969)的著絲粒模型,1.近中著絲粒染色體2.近端著絲粒染色體3.亞中著絲粒染色體4.端部著絲粒染色體,根據(jù)著絲粒位置對染色體的分類：,次縊痕和隨體,次縊痕,主縊痕,隨體主要由異染色質(zhì)組成，不具有常染色質(zhì)所具有的功能活性。,端粒是存在于染色體末端的特化結(jié)構(gòu)，通常由一簡單重復(fù)的序列組成，進(jìn)化上高度保守，人體細(xì)胞中的序列為

26、GGGTAA。 端粒的生物學(xué)作用1）維持染色體的穩(wěn)定，防止染色體末端的彼此相粘；2）使染色體具有極性，保證染色體在細(xì)胞周期中的正常功能；正常染色體每復(fù)制一次，端粒序列減少50-100bp，端粒是正常細(xì)胞衰老的標(biāo)志；腫瘤細(xì)胞具有端粒酶活性，可進(jìn)行端粒的合成，表現(xiàn)出無限繁殖的特性。,(二)基因組與核型 基因組(genome)是生物體內(nèi)單倍體染色體的組成，它代表了一個(gè)生物體染色體儲(chǔ)存的全部遺傳信息。 核型(

27、karyotype)是指將一個(gè)物種所特有的染色體數(shù)目和每一條染色體所特有的形態(tài)特征，核型包括染色體的長度、著絲粒的位置、隨體的有無、次縊痕的數(shù)目及位置、常染色質(zhì)和異染色質(zhì)的分布等等。,正常人核型分組及其特征：按染色體的大小和著絲粒的位置，可分為7組(A～G組)。X染色體屬于C組Y染色體屬于G組,染色體顯帶技術(shù),通過特殊處理再用染色，可使染色體的長、短臂上顯出清晰的橫紋。,經(jīng)過顯帶染色，每條染色體所含帶的大小、染色的深淺、數(shù)量、排

28、列順序構(gòu)成這條染色體的帶型。,帶型,第三節(jié) 核基質(zhì),核基質(zhì)(nuclear matrix) 又被稱為核骨架(nuclear skeleton) 。狹義概念僅指核基質(zhì)，即細(xì)胞核內(nèi)除了核被膜、核纖層、 染色質(zhì)與核仁以外的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系。廣義概念應(yīng)包括核基質(zhì)、核纖層(或核纖層-核孔復(fù)合體結(jié) 構(gòu)體系),以及染色體骨架。,目前對核骨架的研究結(jié)論核骨架是存在于真核細(xì)胞核內(nèi)真實(shí)的結(jié)構(gòu)體系；核骨架與核纖層、中間纖維相互連接形成貫穿于核與質(zhì)的一個(gè)

29、獨(dú)立結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。核骨架的主要成分是由非組蛋白的纖維蛋白構(gòu)成的, 含有多種蛋白成分及少量RNA；核骨架與DNA復(fù)制、基因表達(dá)及染色體的包裝和構(gòu)建有密切關(guān)系。,核基質(zhì)的功能核基質(zhì)是DNA復(fù)制的基本位點(diǎn)和空間支架；基因轉(zhuǎn)錄在核基質(zhì)上進(jìn)行；核基質(zhì)還可能是細(xì)胞核內(nèi)RNA前體的加工場所；,第四節(jié) 核仁,核仁(necleolus)見于間期的細(xì)胞核內(nèi)，呈圓球形，一般1-2個(gè)，也有多達(dá)3-5個(gè)的。核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近內(nèi)核膜，核

30、仁的數(shù)量和大小因細(xì)胞種類和功能而異。,核仁沒有界膜包圍，在電子顯微鏡下可辨認(rèn)出有3個(gè)特征性的區(qū)域：①纖維中心(fibrillar centers，F(xiàn)C)： 是被致密纖維包圍的一個(gè)或幾個(gè)低電子密度的圓形結(jié)構(gòu)，主要成分為RNA聚合酶和rDNA，這些rDNA是裸露的分子。②致密纖維組分(dense fibrillar component，DFC)： 呈環(huán)形或半月形包圍FC，由致密的纖維構(gòu)成，是新合成的RNP（指

31、結(jié)合蛋白質(zhì)的rRNA），轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在FC與DFC的交界處。③顆粒組分(granular component，GC)： 由直徑15-20nm的顆粒構(gòu)成，是不同加工階段的RNP，是核糖體亞單位成熟和儲(chǔ)存的位點(diǎn)。,核仁的超微結(jié)構(gòu),核仁相隨染色質(zhì)(nucleolar associated chromatin) 核仁相隨染色質(zhì)分為兩部分， 一部分位于核仁周圍，稱為核仁周染色質(zhì)，屬異染色質(zhì)； 一部

32、分位于核仁內(nèi)，為常染色質(zhì)，即核仁組織區(qū)(NOR)，是rDNA所在的位置。,核糖體的生物發(fā)生(ribosome biogenesis) 過程包括rRNA的合成、加工和核糖體亞單位的裝配。rRNA的合成、加工： 是被致密纖維包圍的一個(gè)或幾個(gè)低電子密度的圓形結(jié)構(gòu)，主要成分為RNA聚合酶和rDNA，這些rDNA是裸露的分子。rRNA基因轉(zhuǎn)錄的形態(tài)及組織特征 基因轉(zhuǎn)錄的組織特征：位于NORs的rDNA是rRNA的信息來源。基