(整理)南农细胞生物学6.

第八章细胞核与染色体

细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是细胞遗传与代谢的调控中心。自1831年R．Brown首次命名细胞核(nucleus)以来，对于细胞核的研究始终倍受重视。

所有真核细胞，除高等植物韧皮部成熟的筛管和哺乳动物成熟的红细胞等极少数例外，都含有细胞核。一般说来，真核细胞失去细胞核后不久即导致细胞

胞核直径一般为5～20 μm，低等植物细胞核直径约1—4μm。

细胞核主要由核被膜、染色质、核仁及核骨架组成(图8—1)。细胞核是遗传信息的贮存场所，在这里进行基因复制、转录和转录初产物的加工过程，从而控制细胞的遗传与代谢活动。

第一节核被膜与核孔复合体

核被膜(nuclear envelope)位于间期细胞核的最外层，是细胞核与细胞质之间的界膜。由于它的特殊位置决定了它有两方面的功能，一方面核被膜构成了核、质之间的天然选择性屏障，它将细胞分成核与质两大结构与功能区域：DNA复制、RNA转录与加工在核内进行，蛋白质翻译则局限在细胞质中。这样就避免了彼此相互干扰，使细胞的生命活动更加秩序井然；同时核被膜还能保护核内的DNA分子免受由于细胞骨架运动所产生的机械力的损伤。另一方面，核被膜并不是完全封闭的，核质之间有频繁的物质交换与信息交流，这主要是通过核被膜上的核孔复合体进行的。

核被膜在普通光学显微镜下难以分辨，在相差显微镜下，由于细胞核与细胞质的折光率不同，可以看出核被膜的界限，只有在电子显微镜下才能看清核被膜的细微结构。关于核被膜的结构组成，目前有两种看法，一种意见认为核被膜有三种结构组分，即双层核膜、核孔复合体与核纤层(图8—1)。核纤层(nuclear lamina)紧贴内层核膜下，是一层由纤维蛋白构成的网络结构，它与胞质中间纤维、核内骨架有密切联系。当真核细胞用非离子去垢剂、核酸酶及高盐溶液等分级抽提后，核纤层往往与核孔复合体、胞质中间纤维、核内骨架一起被保存下来，成为贯穿于细胞核与细胞质的骨架结构体系；由此又有人认为核纤层不应该属于核被膜的一种结构组分。在这里我们把核纤层放在细胞骨架结构系统中介绍，本节着重介绍核被膜与核孔复合体。

一、核被膜

面内质网相通连，使核周间隙与内质网腔彼此相通。从这种结构上的联系出发，外核膜可以看作是糙面内质网的一个特化区域。②内核膜表面光滑，无核

糖体颗粒附着，但紧贴其内表面有一层致密的纤维网络结构，即核纤层。内核膜上有一些特有的蛋白成分，如核纤层蛋白B受体(1amin B receptor，LBR)。

双层核膜互相平行但并不连续，内、外核膜常常在某些部位相互融合形成环状开口，称为核孔(nuclear pore)。在核孔上镶嵌着一种复杂的结构，叫做核孔复合体。核孔周围的核膜特称为孔膜区(pore membrane domain)，它也有一些特有的蛋白成分，如核孔复合体特有的跨膜糖蛋白gp210、Poml21等。

(二)核被膜在细胞周期中的崩解与装配

在真核细胞的细胞周期中，核被膜有规律地解体与重建。在分裂期，双层核膜崩解成单层膜泡，核孔复合体解体，核纤层去装配；到分裂末期，核被膜开始围绕染色体重新形成。那么，子细胞的核被膜是来源于旧核被膜碎片?还是来自其他膜结构?对此一直有两种意见。通过对变形虫的研究，很多人支持第一种说法，即新核膜来自旧核膜。将变形虫培养在含有3H—胆碱的培养基中，

3H—胆碱掺人到膜脂的磷脂酰胆碱中，这样核膜便被3H标记。将带有放射性标记的核取出，移植到正常的去核变形虫中，追踪观察一个细胞周期，结果发现子代细胞形成后，原有的放射性标记全部平均分配到子细胞的核被膜中，说明旧核膜参与了新核膜的构建。

对于核膜装配的机制及其与核孔复合体、核纤层的关系，目前尚无定论。一种以非洲爪蟾(Xenopus laevis)卵提取物为基础的非细胞核装配体系(cell-free nuclear assembly system)为研究该问题提供了很好的实验模型。非洲爪蟾的卵母细胞成熟后处于第二次减数分裂中期，此时的卵母细胞体积很大，直径可达 1mm，其中储存了大量的营养物质，为受精后快速卵裂做准备，一个成熟的卵母细胞所储备的原料可供形成103—104个细胞核。现已设法将这种卵提取物在体外(in vitro)成功地模拟出细胞核的构建及解体过程。目前越来越多的证据表明，一种直径200 nm左右的单层小膜泡直接参与了核膜的形成。它们首先附着到染色质表面，在染色质表面排列并相互融合形成双层膜，同时在膜上的某些部位内、外膜相互融合并形成核孔复合体结构。对HeLa细胞的有丝分裂过程进行研究发现，核被膜在细胞周期中发生有序的去装配与重装配。从处于分裂期的HeLa细胞中可以分离出两种膜泡组分：一组富含LBR，另一组富含gp210。这说明核被膜的去装配不是随机的，而是具有区域特异性(domain- specific)。在有丝分裂后期核被膜重新装配时，富含LBR的膜泡首先与染色质结合，而富含gp210的膜泡与染色质结合较晚。此外，核被膜的去装配、重装配变化受细胞周期调控因子的调节，这种调节作用可能通过对核纤层蛋白、核孔复合体蛋白等进行磷酸化与去磷酸化修饰来实现。

二、核孔复合体

1949—1950年间，H．G．Callan与S．G．Tomlin在用透射电子显微镜观察两栖类卵母细胞的核被膜时发现了核孔，随后人们逐渐认识到核孔并不是一个简单的孔洞，而是一个相对独立的复杂结构。1959年M．L．Watson将这种结构命名为核孔复合体(nuclear pore complex，NPC)。迄今已知所有的真核细胞，从酵母到人，其间期细胞核普遍存在核孔复合体。核孔复合体在核被膜上的数量、分布密度与分布形式随细胞类型、细胞核的功能状态而有很大的差异。一般来说，转录功能活跃的细胞，其核孔复合体数量较多。一个典型的哺乳动物细胞核被膜上的核孔复合体总数约3 000～4 000个，相当于10～60个/ m2。

(一)结构模型

核孔复合体镶嵌在内外核膜融合形成的核孔上，核孔的直径约为80～120 nm，而核孔复合体稍大一些，直径为120～150 nm，因为它有一部分结构嵌入核被膜内。有关核孔复合体的结构一直是一个令人感兴趣的问题，自被发现以来，不断有新的结构模型提出，但至今并不完善，仍有一些关键性的问题有待阐明。这主要是因为分离纯化核孔复合体的方法还不够完善，并且还受到电镜制样技术与观察方法的限制。研究核孔复合体形态结构的经典方法主要有三种：树脂包埋超薄切片技术、负染色技术与冷冻蚀刻技术(图8—2)。20世纪80年代以来，计算机图像处理技术应用于电镜的图像分析，高分辨率场发射扫描电镜技术 (HR—FESEM)的发展，以及快速冷冻—冷冻干燥制样技术的发展，使人们对核孔复合体的形态结构有了更深入的了解。综合已有的资料人们提出了一个最新的核孔复合体结构模型(图8—3)。细胞核用电镜超薄切片技术(A)和冷冻蚀刻技术 (B)显示的核孔复合体(NPC) 图8—3 核孔复合体结构模型(引自B．Alberts)

对于这个模型的结构组成目前有两种理解：①从横向上看，核孔复合体由周边向核孔中心依次可分为环、辐、栓三种结构亚单位；②从纵向上看，核孔复合体由核外(胞质面)向核内(核质面)依次可分为胞质环、辐(

三种结构亚单位，形成“三明治”(sandwich)

(nuclear ring)

杂，环上也对称地连有8条细长的纤维，向核内伸人50～70 nm，在纤维的末端形成一个直径为60 nm的小环，小环由8个颗粒构成。这样整个核质环就像捕鱼笼”(fish-trap)样的结构，也有人称为核篮(nuclear basket)结构；

：由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称。它的结构也比较复

支撑作用，称作“柱状亚单位”(column subunit)。在这个结构域之外，接触核膜部分的区域称为“腔内亚单位”(1uminal subunit)，它穿过核膜伸人双层核膜的膜间腔。在“柱状亚单位”之内，靠近核孔复合体中心的部分称作“环带亚单位”，由8个颗粒状结构环绕形成核孔复合体核质交换的通

(centralplug)，位于核孑L的中心，呈颗粒状或棒

(centralgranule)；由于推测它在核质交换中起一定的作用，所以还把它叫做“transporter”。不过不是在所有的核孔复合体中都能观察到这种结构，因此有人认为它不是核孔复合体的结构组分，而只是正在通过核孔复合体的被转运的物质。由上述结构模型可见，核孔复合体对于垂直于核膜通过核孔中心的轴呈辐射状八重对称结构，而相对于平行于核膜的平面则是不对称的，即核孔复合体在核质面与胞质面两侧的结构明显不对称，这与其在功能上的不对称性是一致的。

最近，对于"fish-trap”结构又有新的发现。H．Ris与M．Malecki运用高分辨率场发射扫描电镜(HR—FESEM)观察非洲爪蟾卵母细胞核膜上的核孔复合体，发现"fish-trap"并非中断并游离在核质中，而是与一种称为“cable”的网络通道相连通。这种cable由与“fish-trap”类似的结构单位串联而成，看上去像是“fish-trap”上的纤维与小环在核质中的周期性重复与延续。从"fish-trap”末端小环的8个颗粒上又发出8条细长的纤维，在纤维上周期性地间隔有8个颗粒构成的环状结构。不同的“fish—trap"发出的cable相互交叉，使