第11章 细胞核与染色质

（三）染色质组装的放射环结构模型
http://web.virginia.edu/Heidi/chapter12/chp12.htm
Chromatin has highly complex structure with several levels of organization
http://www.nature.com/scitable/topicpage/eukaryotic-genome-complexity-437
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
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
http://faculty.samford.edu/~djohnso 2/44962/405/nucleus.html
（二）基因组DNA类型
Classification of eukaryotic DNA
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21791/
DNA 3 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）
（二）核小体的结构
• 146 bp • 166 bp • 200 bp • Linker DNA
（二）核小体的结构
• 组蛋白与DNA 之间的相 互作用主要是结构性的 ，基本不依赖于核苷酸
的特异序列
• 核小体沿DNA 的定位受
不同因素的影响
Figure 4-27 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Nature Reviews Molecular Cell Biology 11, 490-501 (July 2010) | doi:10.1038/nrm2928
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
Barr Bodies: heterochromatinized X-chromosomes
http://www.mun.ca/biology/scarr/Barr_Bodies.html
（二）常染色质与异染色质间的转变
• 异染色质或常染色质之间随着发育时期或细胞周期的变化 可能相互转化 • 异染色质与常染色质之间的转变 常常需要组蛋白与DNA 修饰
• Ran蛋白，属G蛋白，调节货物复合体的解体或 形成
Nuclear localization signals
NLS of SV40’s T-antigen
Wild-type: T-antigen in nucleus
Mutant-type: T-antigen in cytosol
Figure 12-11 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
（一）结构模型—— “fish-trap”
• • • • 胞质环（cytoplasmic ring） 核质环（nuclear ring） 辐（spoke）：柱状亚单位；腔内亚单位；环带亚单位 中央栓（central plug），中央颗粒 （central granule）
（二）组成成分
核孔蛋白 （nucleoporin，Nup）
Ran GTP/ GDP
NPC mediates bidirectional nucleocytoplasmic trafficking
Science 30 November 2007: Vol. 318 no. 5855 pp. 14121416
亲核蛋白通过核孔复合体的转运
三、核纤层
• 3 种核纤层蛋白：lamin A、B 、C • 核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构
Condensation of DNA into chromatin and chromosome
五、染色质类型
• 常染色质（euchromatin） • 异染色质 （heterochromatin）
– 结构异染色质或组成型异染色质 （constitutive heterochromatin）
– 兼性异染色质 （facultative
– 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
http://npd.hgu.mrc.ac.uk/user/?page=nuc_pore
（三）功能
• 双功能、双向性的亲水 性核质交换通道 • Passive transport • Active transport
•
•
Signal
Bidirectional traffic
通过核孔复合体的物质运输
1．通过核孔复合体的被动扩散
<10nm
直径9-10nm
2．核孔复合体的主动运输
爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验（1）
入核是否由分 子大小决定呢？
爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验（1）
核质蛋白哪部分负 责其在核内定位？ 该实验如何证明其 入核是由核定位信 号指导的主动运输， 而不是被动扩散？
Nuclear localization signals
Normal pyruvate kinase: in cytosol
Chimeric pyruvate kinase containing SV40 NLS:
in nucleus
2．核孔复合体的主动运输
• 对运输颗粒大小的限制 • 信号识别与载体介导 • 需要消耗ATP 能量 • 具有双向性，即核输入与核输出
（三）活性染色质与非活性染色质
• 活性染色质(active chromatin)
– 具有转录活性 – 具有疏松的染色质结构
• 非活性染色质(inactive
chromatin)
– 没有转录活性
1．活性染色质对DNase Ⅰ超敏感
2．活性染色质的蛋白组成与修饰变化
• 活性染色质很少有组蛋白H1 与其结合 • 与非活性染色质相比，活性染色质上组蛋白乙酰化程度高 • 与非活性染色质相比，活性染色质核小体组蛋白H2B很少 被磷酸化 • 核小体组蛋白H2A 在活性染色质中很少有变异形式存在 • 组蛋白H3 变种H3.3 只在活跃转录的染色质中出现 • HMG14 和HMG17 只存在于活性染色质中，与DNA 结合
三、核小体
（一百度文库核小体的发现
• 透射电镜显示串珠状11 nm 的核小体结构
Figure 4-22 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
（一）核小体的发现
• 非特异性微球菌核酸酶消化染色质
（一）核小体的发现
• X 射线晶体衍射揭示核小体三维结构
– 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
凝胶延滞实验（gel retardation assay）
http://bioweb.wku.edu/courses/biol350/Transcriptome17/Review.html
第二节 染色质
• 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
Figure 1-37 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008)
核纤层蛋白
Genes & Dev. 2008. 22: 832-853
核纤层的功能 nuclear lamina
• • • • 结构支撑功能 调节基因表达 调节DNA 修复 与细胞周期有关
http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_lamina
Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome (HGPS)
heterochromatin）
（一）常染色质与异染色质
Nucleosome arrangement in transcriptionally inactive heterochromatin and active euchromatin
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1471491411001389
– 与特定 DNA 序列或组蛋白 相结合
Nature Reviews Nephrology 6, 332-341 (June 2010)
（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
2．活性染色质的蛋白组成与修饰变化
• 活性染色质标志：H3 N 端第4 个赖氨酸的甲基化，第9 和 14 个赖氨酸的乙酰化以及第10 个丝氨酸 的磷酸化； • 非活性染色质标志：H3 N 端第9 个赖氨酸甲基化而不是
乙酰化
第三节 染色质的复制与表达
http://www.scottishchromatin.co.uk/SCG7%20Glasgow%20June%202010/Image1.gif
In HGPS patients the cell nucleus has dramatically aberrant morphology (bottom, right) rather than the uniform shape typically found in healthy individuals (top, right)
四、染色质组装
• 人体细胞46条染色体含DNA约6×109 bp，总长如何计算？
http://www.chromatintoronto.ca/projects.html
（一）染色质组装的前期过程
• 裸露DNA 组装直径30 nm 螺线管
– H3 • H4 两个异二聚体结合 – 两个H2A • H2B 异二聚体加入 – 组蛋白的去乙酰化，H1组蛋白结合 伴随着核小体的折叠 – 6 个核小体组成一个螺旋 – 进一步的折叠事件
（一）核小体的发现
• SV40 微小染色体（minichromosome）分析
Virology, 2009, 384(2): 352-359
http://hpdb.hbu.cn/molecule/sv40/sv40.asp
（二）核小体的结构
• 包括200 bp 左右的DNA 超螺 旋和一个组蛋白八聚体以及 一个分子的组蛋白H1 • 组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心颗粒，由4 个异二聚 体组成，包括两 个H2A • H2B 和两个H3 • H4
一、核膜
http://www.sciencemag.org/content/318/5855/1408/F1.large.jpg
（一）核膜结构
（二）核膜的崩解与组装
Breakdown and reformation of nuclear envelope during mitosis
二、核孔复合体
（二）染色质组装的多级螺旋模型
• 一级结构：核小体 • 二级结构：螺线管 • 三级结构：超螺线管 • 四级结构：染色单体
Nature Structural & Molecular Biology 12, 6 (2005)
Figure 4-72 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
信号与Ran蛋白
• 核定位信号（NLS）：引导蛋白进入细胞核，受 体为importin，4-8个氨基酸组成，含Pro、Lys和 Arg。完成核输入后不被切除
• 第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，其 NLS为：Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val • 核输出信号（NES），引导RNP输出细胞核，受 体为exportin