細胞核和染色體、核糖體

1、第十章 細胞核與染色體,Nucleus and chromosome,1781年, Trontana發(fā)現(xiàn)于魚類細胞；1831年，Brown發(fā)現(xiàn)于植物。,,細胞核的發(fā)現(xiàn),通常一個細胞一個核，肝細胞和心肌細胞可有雙核，破骨細胞可有6~50個細胞核，骨骼肌細胞可有數(shù)百個核。,細胞核的主要結(jié)構(gòu)包括：①核被膜（nuclear envelope）②核仁（nucleolus）③核基質(zhì)（nuclear matrix）④染色質(zhì)（chromat

2、in/chromosome）⑤核纖層（nuclear lamina）,,細胞核的主要結(jié)構(gòu),Nucleus structure,①核被膜②核仁③核基質(zhì)④染色質(zhì)⑤核纖層,,Nucleus structure,①核被膜②核仁③核基質(zhì)④染色質(zhì)⑤核纖層,細胞核的主要功能有兩個方面：①遺傳: 通過DNA染色體的復制和細胞分裂，維持物種的世代連續(xù)性;②發(fā)育: 通過調(diào)節(jié)基因表達的時空順序，控制細胞的分化，完成個體發(fā)育的使命。,,細

3、胞核的主要功能,第一節(jié) 核被膜與核孔復合體第二節(jié) 染色質(zhì)第三節(jié) 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因活化第四節(jié) 染色體第五節(jié) 核仁,第十章 細胞核與染色體,第一節(jié) 核被膜與核孔復合體Nuclear envelope and nuclear pore complex,核被膜是雙層膜結(jié)構(gòu),外核膜：常與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相通連，附有核糖體顆粒。核周隙：寬20~40nm，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通。核纖層：內(nèi)核膜內(nèi)表面的纖維網(wǎng)絡(luò)，支持核膜，并與染色質(zhì)、核骨架相連。,,

4、The nuclear envelope,電子顯微鏡下的核膜結(jié)構(gòu)圖,NPC: nuclear pore complex (核孔復合體)NM: nuclear membrane (核膜)HC: heterochromatin (異染色質(zhì)),核膜結(jié)構(gòu)示意圖,,核纖層 (Lamina),,核纖層由核纖肽構(gòu)成，屬于IF，分為A、B兩型。功能：1．保持核的形態(tài)：2．參與染色質(zhì)和核的組裝：M期核纖層被磷酸化，核膜解體。B型核纖肽與核膜殘余小

5、泡結(jié)合，A型溶于胞質(zhì)。分裂末期，核纖肽去磷酸化重新組裝，介導核膜重建。,核纖層,,The structure of lamin,Lamins,核膜結(jié)構(gòu)示意圖,,核孔與核孔復合體,核孔是物質(zhì)運輸?shù)耐ǖ? 核內(nèi)蛋白在細胞質(zhì)中合成，通過核孔定向輸入細胞核；細胞核中合成的各類RNA、核糖體亞單位需要通過核孔輸出到細胞質(zhì)。由至少50種不同的蛋白構(gòu)成，稱為核孔復合體（nuclear pore complex，NPC）。一般哺乳動物細胞約3000

6、個核孔。,,在電鏡下觀察，核孔是呈圓形或八角形，結(jié)構(gòu)似fish-trap，主要包括以下幾個部分：①胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmic ring），位于核孔復合體胞質(zhì)一側(cè)，環(huán)上有8條纖維伸向胞質(zhì)；②核質(zhì)環(huán)（nuclear ring），位于核孔復合體核質(zhì)一側(cè)，上面伸出8條纖維，纖維端部與端環(huán)相連，構(gòu)成籠子狀的結(jié)構(gòu)；③轉(zhuǎn)運器（transporter），核孔中央的一個栓狀的中央顆粒；④輻（spoke）：核孔邊緣伸向核孔中央的突出物。,核孔復

7、合體的結(jié)構(gòu),,The Nuclear Pore Complex,Cytoplasmic face: cytoplasmic particles,Nuclear face: basket inner complex,,Breakdown and reformation of nuclear envelope during mitosis,核質(zhì)交換的雙向選擇性親水通道。雙功能：被動擴散 和 主動運輸；雙向性：蛋白質(zhì)的入核轉(zhuǎn)運 和 RN

8、A及核糖核蛋白顆粒(RNP)的出核轉(zhuǎn)運 。,核孔復合體的功能,,核定位信號（NLS）：引導蛋白進入細胞核，受體為importin，4-8個氨基酸組成，含Pro、Lys和Arg。完成核輸入后不被切除。第一個被確定的NLS是病毒SV40的T抗原，其NLS為：Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val,通過核孔的物質(zhì)運輸與信號序列有關(guān),信號介導的核輸入,,Normal pyruvate (丙酮酸) kinase: in cyto

9、sol,Chimeric pyruvate kinase containing SV40 NLS: in nucleus,NLS drives protein into nucleus,,Process of Nuclear Import,,大多數(shù)情況下，細胞核內(nèi)的RNA是與蛋白質(zhì)形成RNP復合物轉(zhuǎn)運出細胞核的。RNP的蛋白質(zhì)上具有核輸出信號（nuclear export signal, NES），可與細胞內(nèi)的受體exportin結(jié)合，

10、形成RNP-exportin-Ran-GTP復合體，輸出細胞核后，Ran-GTP水解，釋放出結(jié)合的RNA，Ran-GDP、exportin和RNP蛋白返回細胞核。,信號介導的核輸出,,第二節(jié) 染色質(zhì)/染色體,1848年，Hofmeister發(fā)現(xiàn)于鴨跖草的小孢子母細胞。1879年，F(xiàn)lemming提出Chromatin。1888年，Waldeyer提出Chromosome。,,染色質(zhì)的化學組成,組成：DNA、組蛋白、非組蛋白、少量RN

11、A。,,細胞核DNA,3種序列：①單一序列；②中度重復序列（101~5拷貝）；③高度重復序列（>105拷貝）。3種構(gòu)像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。3種基本元素：①自主復制序列(ARS)；②著絲粒序列(CEN) ；③端粒序列(TEL)。酵母人工染色體(Yeast Artificial Chromosome，YAC )：含上述3種成分，用于轉(zhuǎn)基因。,,帶正電荷，含Arg，Lys，屬堿性蛋白，共5種，分為： 核心

12、組蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4； 連接組蛋白（linker histone）：H1。,組蛋白(Histone),,結(jié)構(gòu)：高度保守，尤其是H4。牛和豌豆H4的102個氨基酸中僅有2個不同。核心組蛋白由球形部和尾部構(gòu)成，球形部借Arg與磷酸二脂骨架間的靜電作用使DNA分子纏繞在組蛋白核心上，形成核小體，尾部含有大量Arg和Lys，為轉(zhuǎn)譯后修飾的部位, 如乙?；?、甲基化、磷酸化等。H1多樣性，具有屬和組織

13、特異性。,,組蛋白(Histone),Structural organization of the core histones,,The Assembly of the Core Histones,,Notice the long tails of the octamer!,The Assembly of the Core Histones,,X-ray diffraction analyses of crystalstructure

14、 of a nucleosome core particle,Tails protruding from the core histones,,核心組蛋白尾部含有大量Arg和Lys，為轉(zhuǎn)譯后修飾的部位, 如乙?；?、甲基化、磷酸化等。,Covalent Modification of core histone tails Acetylation of lysines； Methylation of lysines； Phos

15、phorylation of serines. Ubiquitination of lysines,表觀遺傳學(epigenetics ),The function of Histone H1,,核心組蛋白高度保守的原因可能有兩個：其一是核心組蛋白中絕大多數(shù)氨基酸都與DNA或其它組蛋白相互作用，可置換而不引起致命變異的氨基酸殘基很少；其二是在所有的生物中與組蛋白相互作用的DNA磷酸二脂骨架都是一樣的。,,組蛋白(Histone)

16、的保守性,序列特異性DNA結(jié)合蛋白。特性：帶負電，屬酸性蛋白。整個細胞周期都合成，組蛋白只在S期合成。能識別特異DNA序列，結(jié)合藉氫鍵和離子鍵。功能：幫助DNA折疊、復制；調(diào)節(jié)基因表達。,非組蛋白,,非組蛋白,,非組蛋白的特性: (1)種類和數(shù)量多樣性； (2)識別DNA的特異性； (3)功能多樣性。,,序列特異性DNA結(jié)合蛋白的不同結(jié)構(gòu)模式,染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位

17、－核小體,Eukaryotes package DNA in Chromatin and chromosomes,Chromosomes exist in different states throughout the life of a cell：Chromatin: (Interphase) Fibers, 10-30nm in diameter,

18、 Dispersed through the nucleus， DNA + Proteins + RNA.Chromosomes: (M phase) Cell division, these fibers condense and fold into larger, compact structure,,,從

19、DNA到染色體--四級結(jié)構(gòu),從DNA到染色體,核小體（nucleosome）：一種串珠狀結(jié)構(gòu)，由核心顆粒和連結(jié)線DNA兩部分組成，通過酶消化實驗建立。核小體單位包括約200bp的DNA、一個組蛋白核心和一個H1。,,由H2A、H2B、H3、H4各兩分子形成八聚體，構(gòu)成核心顆粒；DNA分子以左手螺旋纏繞在核心顆粒表面，每圈80bp，共1.75圈，約146bp，兩端被H1鎖合；,相鄰核心顆粒之間為一段60bp的連接DNA。,Nucleo

20、somes are the basic unit of chromatin structure,,3-D of nucleosome：X-ray diffraction studies,Nature 389:251, 1997,,在低鹽親水介質(zhì)中展開的染色質(zhì)，示串珠狀的核小體（JA，Gall 1981）,Isolated from interphase nucleus: 30nm thick,Chromatin unpacked, s

21、how the uncleosome,人體的細胞核內(nèi)DNA是以螺旋和折疊的方式壓縮起來的，壓縮比例高達上萬倍。一、染色體包裝的多級螺旋模型二、染色體的骨架－放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型,,染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型,核小體：DNA螺旋纏繞組蛋白形成核小體，長度壓縮了7倍，形成直徑為10nm的纖維。螺線管：電鏡下可觀察直徑30nm的染色質(zhì)纖維，纖維由核小體螺旋化形成，每6個核小體繞一圈，構(gòu)成外徑30nm、內(nèi)徑為10nm的中空管，長度壓縮6倍。超螺線

22、管：直徑0.4um的圓筒狀結(jié)構(gòu)，也稱單位線，40倍。染色體：超螺線管進一步螺旋折疊形成染色體，5倍。,,染色體包裝的多級螺旋模型,solenoid,染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型,用高鹽或硫酸葡聚糖加肝素處理染色體，電鏡下看到一種網(wǎng)絡(luò)狀的染色體骨架結(jié)構(gòu)，由骨架伸出無數(shù)DNA側(cè)環(huán)。 認為30nm的纖維折疊為一系列的環(huán)（loop）結(jié)合在核骨架上（或稱染色體骨架），結(jié)合點是富含AT的區(qū)域，這種環(huán)狀的結(jié)構(gòu)散布于細胞核中。,,染色體的骨架－放射環(huán)

23、結(jié)構(gòu)模型,Nucleoid spread with 2 long axes made up of bundles of fibers,Radial loops of chromatin in undisrupted chromosomes,對于更高級染色體包裝方式，至今尚不明確。目前多認為30nm的纖維折疊為一系列的環(huán)（loop）結(jié)合在核骨架上（或稱染色體骨架），結(jié)合點是富含AT的區(qū)域 。,對于更高級染色體包裝方式，至今尚不明確。