细胞生物学细胞核

Transmembrane ring Nups:
GP210, NDC1, POM121
Central FG Nups:
NUP98, NUP62, NUP54, NUP58, NUP45
Inner ring Nups:
NUP133, NUP160 NUP96, NUP75 NUP107 SEH1 SEC13 NUP43 NUP37
核膜的崩解
1.核孔复合体解聚 2.核膜崩解 3. 核纤层的崩解
有丝分裂过程中核被膜的崩解和重新构建
有丝分裂过程中核被膜的崩解和重新构建
Inter Pro
Merge
Prometa Meta Ana
Telo
DAPI
Lamin A/C
第二节 核仁（nucleolus）
一、概述 二、核仁的超微结构 三、核仁的功能 四、核仁周期
❖5’端 “帽子”结构对mRNA的出核是必要 的，防止 mRNA 前体被错误地运输。
RanGTP 在转运中的作用
NPC功能：核转运机制
主动运输需要: 核转运因子（Nuclear transport factors ，NTFs）:
Karyopherin (Kap, importin) 家族蛋白 转运信号（Transport signals）:
❖ 是浅染的低 电子密度区。
❖ 是rRNA基 因，即 rDNA存在 区域，不形 成核小体， 无组蛋白。
致密纤维组分 （Dense Fibrillar Component）
❖ 由致密的、 高电子密度 的纤维构成， 呈环形或半 月形包围纤 维中心。
❖ 是rRNA前 体存在区域。
颗粒组分（Granular Component）
Mitochondrion
Nuclear pore
Nuclear Membrane
Cytoskeletal fibers
Peroxisome Nucleus Nucleolus
Smooth ER Rough ER Golgi complex Lysosome
Structure of the animal cell
载体介导的过程，需要消耗ATP。
❖ 通过NPC的主动运输具有双向性，即核
输入与核输出。
爪 蟾 卵 母 细 胞 核 质 蛋 白 注 射 实 验
金颗粒标记的核蛋白穿越核孔
核输入
❖亲核蛋白是指在细胞质内合成，然后输入 到核内发挥作用的一类蛋白质。
❖亲核蛋白的核输入需要核定位信号 （nuclear localization sequence，NLS）
核孔复合体的结构模型
❖1992 年 Goldberg 等提出车轮状模型 ❖胞质环：由8个环亚单位组成 ❖核质环：核篮结构 ❖辐 ：柱状亚单位 、腔内亚单位、环带亚单位 ❖中心栓：在核质间物质交换中起转运作用。
核孔复合体结构模型
核孔复合体的功能
❖ 一种特殊的跨膜运输载体蛋白复合体 ❖ 构成核质之间双向运输的亲水性通道 ❖ 运输方式有：被动扩散与主动运输 ❖ 具有双向性 ：核输入与核输出
一、概述
❖ 核仁是间期核中最明显的 结构。
❖ 核仁的大小、形状和数目 随生物的种类、细胞类型 和细胞代谢状态的不同而 变化 。
❖ 核仁是高度动态的结构。
rRNA基因（rDNA）
❖ 与核仁形成有关的染色体次缢痕部位称为
核仁组织区（NOR）。
❖ rRNA基因定位于染色体的核仁组织区。 ❖ 人类共有5对染色体具有核仁组织区，即
Nuclear localization sequences (NLSs; for import);
Nuclear export sequences (NESs; for export) NTFs与被转运分子上的转运 信号NES 或NLS结合
三、核纤层（nuclear lamina）
❖ 分布于内核膜与染色质之间、紧贴内核膜的一层蛋白网 络结构。由一层特殊的中间纤维组成正交网络，切面观 呈片层结构，整体观呈球形网络。
❖ 是核仁的主 要结构，由 直径15～ 20nm的致 密颗粒构成。
❖ 是未成熟的 核糖体亚单 位前体存在 区域。
核仁基质（nucleolar matrix）
❖低电子密度、无定形的蛋白质液体物 质，为上述三种结构的存在环境。
❖与核基质相连通。
三、核仁的功能
❖ 合成加工rRNA并组装核糖核蛋白体亚 单位
被动扩散（passive diffusion）
❖NPC 是直径约9nm，长约15nm的亲水通道 ❖允许离子和水溶性小分子（代谢分子）以
自由扩散和协助扩散的方式穿梭于核质之 间。
主动运输（active transport）
❖ 大分子的核质分配主要是通过NPC的主
动运输完成的，具有高度的选择性。
❖ 通过NPC的主动运输是一个信号识别与
❖核周间隙 perinuclΒιβλιοθήκη Baiduar cistea
❖内核膜 inner nuclear membrane
❖核孔 nuclear pores
❖核纤层 nuclear lamina
核被膜的结构组成
外核膜(outer nuclear membrane)
外核膜
❖ 面向胞质，表 面附有大量核 糖体，常与 RER相延续。 实际上，外核 膜可被看作是 内质网膜的一 个特化区域。
细胞核的结构与功能
北大医学部基础医学院 细胞生物学系 邵根泽
概述
❖ 细 胞 核 （ nucleus ） 是 真 核 细 胞 内 最 大的细胞器。
❖细胞核是细胞生命活动的控制中心。 ❖真核生物和原核生物的最大区别。
❖细胞核具有显著的细胞周期时相变化。 ❖细胞核主要由核被膜、染色质、核仁
及核基质四部分组成。
D组（13、14、15）和 G 组（21、22）染 色体。 ❖ 在间期上述10条染色体的rDNA以袢环的 形式伸入到核仁的纤维中心区。
核仁组织区(Nucleolar Organizer Regions , NORs)
C: TG cell, after specific AgNOR protein staining, at the electron microscopy level. Only the fibrillar centers and the associated dense fibrillar component are stained. e: Same preparation as in d, but visualized with light microscopy. The silver-stained structures appeared as well-defined, darkly stained dots clustered in the nucleolus.
rRNA的合成
❖ rRNA基因由专一性的RNA聚合酶I进行转录 ❖ “圣诞树”样结构 ❖ 首先转录出一段45S的rRNA前体。
rRNA的合成
蛋白质颗粒 转录的终点
rRNA
rDN A
间 隔 片 段
转录的起点 RNA聚合酶I
基质单位 转录单位
3nm
rRNA加工与成熟
❖ 45SrRNA前体降解加工为18S rRNA、
核输入
❖核定位信号（NLS）是存在于亲核蛋白 内的一段4～8个氨基酸序列，富含带正 电荷的碱性氨基酸，进入核后不被剪切。
❖NLS首先在 SV40 病毒的大T 抗原上被证 实，其序列为 Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-LysVal。
核输入
❖亲核蛋白入核过程 ➢ 结合：需NLS识别并结合 importin ➢ 转运：需GTP结合蛋白Ran 的参与， 水解GTP提供能量。
Montanaro L, AJP, 2008
二、核仁的超微结构
❖纤维中心 Fibrillar Center, FC ❖致密纤维组分 Dense Fibrillar Component ❖颗粒组分 Granular Component ❖核仁基质 Nucleolar Matrix）
核仁电镜图
纤维中心（fibrillar center）
28S rRNA 和 5.8S rRNA。 ❖ 18S rRNA与核糖体蛋白组装成 40S 的小
亚单位。 ❖ 核仁内的 28S rRNA 和 5.8S rRNA 与来
自核仁外的 5S rRNA一起与核糖体蛋白 组装成 60S 的大亚单位。
rRNA加工与成熟
Nucleus
Nucleolus
➢纤维中心：rDNA 的储存 ➢纤维中心与致密纤维组分交界处：
rDNA的转录 ➢致密纤维组分：rRNA前体的加工 ➢颗粒组分：核糖体亚单位的装配
Model of Ribosome Biogenesis
Boisvert, FM. Nature Review, Molecular and Cell Biology, 2007
❖ 与细胞有丝分裂过程中核被膜的崩解
与重建密切相关。
细胞质 核周腔
膜蛋白
核纤层结构示意图
外核膜
内核膜 核纤层蛋白 染色质
核被膜的崩解与重建
❖核被膜在细胞有丝分裂时有规律地崩解 与重建：在早中期核膜解体为许多小囊 泡，在末期核被膜小囊泡围绕染色体聚 集，重新融合成一个完整的核被膜。
❖核被膜的动态变化与核纤层蛋白的磷酸 化与去磷酸化修饰直接相关。
抽提
细
后的
胞
核孔
核 孔 复 合
复合 体胞 质面 结构
体
结 构 电 镜
抽提 后的 核孔 复合 体核
图
质面
结构
核孔复合体的化学组成
Cytoplasmic FG Nups and filament:
NUP358, NUP214, NLP1
Nuclear Pore Complex Structure
Nups:Nucleoporins
的类型及功能状态不同而异 ❖细胞核的形态：圆球形、椭球形、多叶形
第一节 核被膜与核孔复合体
一、核被膜 二、核孔复合体 三、核纤层
一、核被膜（nuclear envelope）
❖细胞核的界膜，由内、外两层平行 的单位膜构成。
❖每层膜的厚度为70～80nm。
❖外核膜 outer nuclear membrane
内核膜（inner nuclear membrane）
内核膜
❖ 面向核质，表 面光滑，没有 核糖体，但有 特异蛋白，如 核纤层蛋白B 受体。
核周间隙（perinuclear space）
核周间膜
❖ 位于内、外核 膜之间，宽约 20～40nm，与 内质网相通， 充满液态不定 形物质。
核被膜的功能
亲核蛋白质从细胞质向细胞核转运的过程
核输出
❖核输出的主要成分有：RNA、核糖体亚单位 ❖核输出是具有高度选择性的信号引导过程 ❖核输出信号（Nuclear export signal，NES）
核输出
❖真核细胞的RNA要经过加工、修饰成为成 熟的RNA分子后，才能被转运出细胞核。
❖RNA的输出需要通过与具有NES的蛋白质 结合来完成。
Nuclear FG Nups and the basket:
NUP153, TPR
Linker Nups:
NUP93, NUP88
Inner ring Nups:
NUP205,NUP188 NUP155, NUP35
Nucleoporins (Nups)
Classes of NUPs: Transmembrane Core scaffold (inner ring and outer ring) Linker Phe-Gly (FG)
典型的细胞核结构示意图
细胞核具有显著的细胞周期时相变化
interphase
cytokinesis
prophase
telophase
prometaphase
metaphase
anaphase
细胞核主要由核被膜、染色质、核仁及核基质四部分组成。
概述
❖细胞核的数目：单核、双核、多核 ❖细胞核的大小：随生物的种类、细胞
❖ 构成核、质之间的天然选择性屏障。 ❖ 介导细胞核与细胞质之间物质与信息
的有序交流。
二、核孔复合体 （nuclear pore complex，NPC）
❖核的内、外膜在一些位点融合形成环状开 口，称为核孔（nuclear pores）。
❖核孔不是一个简单的通道，而是一个复杂 而精细的结构体系， 称为核孔复合体。
核纤层的结构组成
❖在哺乳动物细胞中，核纤层由 3 种属于 中等纤维家族的蛋白质组成，即核纤层 蛋白A、B、C （Lamin A、B、Ｃ ）。
❖A型：Lamin A和C；是一个基因的不同 加工产物。
❖B型： Lamin B
核纤层的功能
❖ 为核膜及染色质提供结构支架，并介
导核膜与染色质的相互作用。