第9章 细胞核与染色体 [兼容模式]

一、染色质的化学组成
• 组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA。 • 肝细胞上述成分比例：1:1:0.6:0.1。
染色质DNA的多样性
• 染色质DNA一级结构的多样性
– 单一序列：只有一个拷贝，具有基因功能 – 中度重复序列：平均重复频率10～105之间。
• 不编码序列：可能起调控作用。 • 有编码功能的基因
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第9章 细胞核与染色质
• 1831年，Brown发现于植物。 第一节 核被膜 核膜与核孔复合体；核孔通道物质转运。 第二节 染色质 染色质DNA组成；染色质组蛋白与非组蛋白；染色 质的组装；染色质结构与基因活化。 第三节 染色体 染色体结构；核型与染色体显带；巨大染色体。 第四节 第五节 核仁 核仁结构；核仁的功能；核仁周期；亚核结构。 核基质 核基质的构成及功能。 • 大小：高等植物 5~20μm ，高等动物 5~10μm 。正常细胞核占 细胞总体积大多在10％左右，分裂期细胞的比例稍大。 • 形状：圆形、胚乳（网状）、蝶类丝腺（分支状）。 • 位置：细胞中央 ，成熟植物细胞的边缘。 • 数目：通常一个，成熟的筛管和哺乳动物红细胞（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)。
在细胞周期中核膜的崩解和重建 ——重建
1. 有丝分裂中期到后期，激酶失活，磷酸化的核膜、核孔、 核纤层成分被去磷酸化，激活核膜重建， 2. 核膜成分与染色体结合，膜泡融合，其中，Lamin、 Lamin B 受体等都可以与DNA直接或间接结合， 3. 核孔形成，核孔复合体装配， 4. 核纤层形成，细胞核体积增大， 5. Ran-GTP、Ran-GTP 修饰因子以及 Importin 等在核膜重 建中起到重要作用。
– 高度重复序列：重复频率在 高度重复序列 重复频率在105以上。不转录。 以上 不转录 – 卫星DNA：富含AT的高度重复序列。
• DNA二级结构的多形性
– B型DNA（经典的右手螺旋） – A型DNA（右手螺旋） – Z型DNA（左手螺旋） 三种构型可能处于动态转变之中，提供某种空间的信号
DNA三种构象
组蛋白与非组蛋白性质的异同（化学的）
• 组蛋白
– 带正电荷 – 富有精氨酸、赖氨酸，为 碱性蛋白质 – 不含色氨酸 – 周转速度慢 – 用电泳可分为5个主要带 – 能进行磷酸化作用 – 在细胞质中合成 – 大都只能在S期合成
• 非组蛋白蛋ห้องสมุดไป่ตู้质
– 带负电荷 – 富有天冬氨酸、谷氨酸， 为酸性蛋白质 – 含有色氨酸 – 周转速度快 – 电泳图谱复杂可多至22个 带 – 能进行磷酸化作用 – 在细胞质中合成 – 整个细胞周期都能合成
一个生物储存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物 的基因组（genome）。
•总体上，生物越复杂，基因组越大，但有例外。 •有些两栖类动物和植物具有比人更大的基因组！
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（一）染色质DNA类型
• 蛋白编码序列：主要是非重复的单一DNA序列，一 个拷贝或多个拷贝； • 编码rRNA、tRNA、snRNA和组蛋白的串联重复序 列：在基因组中一般有 列：在基因组中 般有20-300个拷贝； • 含有重复序列的DNA：基因组中占大多数，包括： 简单序列DNA和散在重复序列； • 未分类的间隔DNA
a， 更有效， 100 组蛋白/NP/min 3 核糖体亚基/NP/min 比被动扩散能运输更大的分子颗粒，<=26nm, NPC 有效孔径可能被调节。 有 能被 节 b， 是一个信号识别和载体介导的过程，消耗GTP，具有 饱和动力学特征。 c， 双向主动运输。
通过核孔的主动运输与蛋白信号序列有关
• 核定位信号（NLS）：引导蛋白进入细胞核。 • 核定位信号特点：无特异保守序列，富含碱性氨基酸，通常 为一段连续多肽，偶尔分为两段，间隔约10个氨基酸，发现 于多肽链的任何区段，而非定位于N或C端，完成核输入后不 被切除。 • 受体：importin。 • 第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，其NLS为：ProPro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val • Ran蛋白，属G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。 • 核输出信号（NES），引导RNP输出细胞核。 • 受体为exportin。
（二）染色质蛋白
• 负责DNA分子遗传信息的组织、复制、修复和阅读，可大致 分为组蛋白和非组蛋白两大类， • 组蛋白： – 核小体组蛋白：H2B、H2A、H3和H4，帮助DNA卷曲形成 核小体的稳定结构，没有种属及组织特异性，在进化上十 分保守。 – H1组蛋白：在构成核小体时H1起连接作用, 形成染色体高 级结构； H1具多样性，具有属和组织特异性。 – 特点： 真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg 和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的 DNA紧密结合（非特异性结合）；
锌指模式 （Zinc finger motif）
亮氨酸拉链模式 （Leucine zipper motif ）
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非组蛋白：
• 序列特异性（相对的）DNA结合蛋白,富含天冬氨酸、谷氨酸 等酸性氨基酸。可能包括各种酶和调节因子、分子伴侣及结 构蛋白。 特性： 1. 具有多样性和异质性，不同组织和细胞中不同，占染色质 蛋白的60-70%，包括参与核酸代谢和修饰的酶类、核质蛋 白、染色体骨架蛋白、基因表达调控蛋白等。 2. 整个细胞周期都进行合成，组蛋白只在S期合成。 3. 能识别特异的DNA序列，识别与结合靠氢键和离子键。 • 功能： 帮助DNA折叠；协助DNA复制；调节基因表达。
核孔复合体胞质面结构
核孔复合体核质面
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NPC成分的研究
• 主要由蛋白质组成，统称核孔蛋白
– gP210：N‐连接糖蛋白，位于孔膜区，锚定NPC，并与NPC 的组装、运输功能有关 – P62：O‐连接糖蛋白，N端参与核质交换；C端稳定NPC －转运受体 转运受体 －Ran：一种GTP结合蛋白
通过核孔复合体的物质转运
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• 含NLS的蛋白质仍可能因: (1)NLS被修饰(如磷酸化) ；(2)与细胞质滞留因子(cytoplasmic retention factor) 结合, 而滞留细胞质中，往往为调控靶点。 滞留细胞质中 往往为 控靶点
正常的丙酮酸激酶在细胞质中
加上SV40 核定位信号序列的丙 酮酸激酶进入细胞核
• 从酵母到人核孔蛋白有很强的同源性，NPC的整个 结构在进化上是高度保守的。
三、核孔的功能：通过核孔的物质运输
核孔复合体运输特点： 双向性 蛋白质入核； RNA、 核酸核蛋白复合体(RNP)出核。 双功能 被动扩散：直径小于10nm，分子量小于60×103； 主动运输：直径小于26nm。
核孔主动运输特点：
组蛋白与非组蛋白性质的异同（功能的）
• 组蛋白
– 活动的与不活动的组织中 含量相似 – 活动的与不活动的染色质 中含量相似 – 抑制依赖DNA的RNA合成 – DNA合成的抑制物能制止 它的合成 – 与DNA的连接无特异性 – 无种和组织的特异性
几种常见的结合DNA的蛋白结构域
螺旋-转角-螺旋模式 （Helix-turn-helix motif）
超薄切片，负染色技术，冷冻蚀刻显示核孔。
NPC结构模型
核孔直径80～120nm 120 • • • • • • 相对NPC轴心为八重对称，相对于核膜平面不对称 胞质环（外环）：8条短纤维对称分布伸向胞质 核质环（核篮） 辐：分为柱状亚单位、腔内亚单位和环带亚单位 栓（中央颗粒） 新发现：核篮侧伸出8条纤维，周期性分布8个颗粒组 成的环状结构，并相互交叉成网络
在细胞周期中核膜的崩解和重建
第二节 染色质
• 1848年， Hofmeister发现 于鸭跖草的小孢 子母细胞。 • 1879年， 1879年 Flemming提出 Chromatin。 • 1888年， Waldeyer提出 Chromosome。
–DNA复制、转录和重组都是在染色质水平进行的
染色质的概念及化学组成
核膜
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内膜与外膜蛋白不 同；内膜含有与核 纤层、染色质等结 合的跨膜蛋白
核膜结构模式图
二、核孔是物质运输的通道
• 1949年，Callan和Tomlin发现， • 核孔由至少50种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，称 为核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）， • 一种特殊的跨膜运输蛋白复合体， • 一个典型的哺乳动物细胞核上约3000-4000个， • 细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少， • 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， • 核质交换的双向选择性亲水通道。
mRNA出核转运
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在细胞周期中核膜的崩解和重建 ——崩解
1. 有丝分裂早前期，核膜崩解，是一个受调控的过程，Cdk1， PKC； 2. 染色体凝集； 3. 核孔复合体解散； 4 核纤层解聚； 4. 5. 双层核膜膜泡化，以膜泡或膜片的形式分散到细胞质中； 6. 内层核膜蛋白也随膜成分分散于细胞质中。 7. 在核膜崩解中，核膜成分中的蛋白质被磷酸化是最主要的调 控机制，其中，至少有多个核孔复合体蛋白、内层核膜上的 LaminB 受体以及核纤层蛋白等都被磷酸化。
• 非组蛋白蛋白质
– 活动的比不活动的组织含 量更多 – 活动的比不活动的染色质 中含量更多 – 解除被组蛋白抑制的依赖 DNA的RNA合成 – DNA合成的抑制物不能制 止它的合成 – 与DNA的连接有特异性即 与特定基因连结在一起 – 有种和组织的特异性
最简单、最普遍的DNA结合蛋白的结构模式；与DNA结合时形成同型二 聚体，同型二聚体的每个单体由20个氨基酸的小肽组成螺旋‐ 转角‐ 螺旋结构，其中C端的螺旋为识别螺旋；蛋白质与DNA以氢键结合， 以二聚体形式发挥作用。