细胞核与染色体

亲核蛋白运输机制
基本概念 ◆亲核蛋白(karyophilic protein) ◆核定位信号(nuclear localization signals ,NLS) ◆核输出信号(nuclear export signals, NES)
亲核蛋白ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 亲核蛋白是指在细胞质内合成, 然后运输到核内 起作用的一类蛋白质。如各种组蛋白、DNA合成 酶类、RNA转录和加工的酶类、各种起调控作用 的蛋白因子等。核蛋白一般都含有特殊的氨基酸 信号序列, 起蛋白质定向、定位作用。
2.通过NPC的主动运输是一个信号识别与载体介导的 过程，需ATP，并表现饱和动力学特征。
3.双向运输 • 亲核物质的核输入 • RNA及核糖体亚单位的核输出
通过核孔复合体物质运输的功能示意图（引自B.Talcott等，1999） （a）自由扩散；（b）协助扩散；（c）信号介导的核输入；（d） 信号介导的核输出。
– 内核膜：面向核质，有核纤层蛋白B受体。核纤层紧贴其 内表面。
– 核周隙：内外膜之间，宽20～40nm，连通内质网腔。 – 核孔：内外核膜的融合而成，环状开口，核孔周围核膜特
称孔膜区，镶嵌核孔复合体。含跨膜糖蛋白gp210、P62.
核被膜的结构
（二）核被膜的功能
◆核膜成为保护性屏障, 使核处于一微环境 ◆染色体的定位和酶分子的支架 ◆基因表达的时空隔离 ◆物质运输与信息交流
核输出信号(nuclear expotr-signal,NES)
作为核内物质输出细胞核的信号，帮助核内的某 些分子迅速通过核孔进入细胞质。另外, 有些蛋白并 非是核内常驻"人口", 通常要往返于核质和胞质之间, 这些穿梭蛋白既有NLS又有NES
核纤层
• 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呈正交网络组成 ，切面观呈片层结构，整体观呈球形结构。
– gP210：N-连接糖蛋白，位于孔膜区
①诱导内外核膜融合成核孔 ②为核孔复合体装配提供起始位点，将其锚定于孔膜区 ③参与核质交换
– P62：O-连接糖蛋白
① N端直接参与核质交换； ② C端稳定NPC
（三） NPC的功能
—核质物质交换的双功能、双向选择性亲水通道
核孔的被动运输
• 1965年，Ccarl Feldherr 将各种不同大小的金颗粒注 射到变形虫的细胞质中，然 后检查这些颗粒进入细胞核 的情况，发现∶小的金颗粒 很快进入了细胞核，但体积 越大进入的速度就越慢，大 于10nm的金颗粒就进不了细 胞核，由此推测∶核孔可作 为水性的运输通道，允许小 分子的物质自由扩散出入细 胞核
（三）核被膜在细胞周期中的崩解与装配
• 核被膜在细胞周期中发生有序的去装配与重 装配： – 分裂期双层膜崩解为单层膜泡，核孔复合 体解体，核纤层去装配； – 分裂末期，核被膜围绕染色体重新形成 – 细胞周期调控因子、RanGTP酶及结合蛋白 调节 – 磷酸化解体，去磷酸化重建。
• 重组的新核膜来自旧核膜 – 实验证据：将变形虫培养在含有3H-胆碱的培养基中， 使核被膜被标记 – 核移植至去核变形虫中，追踪观察一个细胞周期，发现 子代细胞核膜有放射性标记
• 上述单层膜泡已发现两种 – 内核膜小囊泡含LBR（核纤层蛋白B受体）组装时先结合 染色体 – 孔膜区小囊泡含gp210（核孔复合体特有的跨膜糖蛋白 ）组装时后结合形成核孔复合体。 – 说明核被膜的重组不是随机的，而是具有区域特异性。
二、核孔复合体
（nuclear pore complex,NPC）
• 通过NPC的被动扩散
– NPC是一圆形亲水通道，功能直径为9-10nm， 有的可达12.5nm，长约15nm。10nm以下的物质 原则上可以自由通过。
– 40-60×103可自由穿过。
通过NPC的主动运输
1. 对运输颗粒大小的限制。主动运输的功能直径比被 动运输大，约10～20nm，甚至可达26nm，其有效 直径的大小是可调节的。
• 一般认为，核纤层为核膜及染色质提供结构支架， 维持核孔的位置和核被膜的形状，并介导核膜与染 色质之间的相互作用。
核定位信号(nuclear localization signal, NLS)
– 第一个被确定NLS序列的蛋白质是SV40的T抗原。其野生型 氨基酸序列为Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val。
– 典型的NLS是一个短肽，由4～８个氨基酸残基组成，富含 带正电荷的Lys和Arg，通常还有Pro。
细胞核的形态结构
第一节 核被膜与核孔复合体
（nuclear pore complex,NPC）
一、核被膜
• 内外两层平行单位膜组成。每层厚约7.5nm。 （一）结构
– 外核膜：面向胞质，表面有核糖体，常与粗面内质网相连 。外核膜可以看成是内质网膜的一个特化区。另外，细胞 骨架成分常与外核膜相连，起着固定、网罗作用。
– 不同的NLS尚未发现共同的特征序列。 – NLS序列可定位在亲核蛋白的不同部位，连续也可分散存
在。 – 入核信号是蛋白质的永久性部分,在引导入核过程中,并不
被切除, 可以反复使用, 有利于细胞分裂后核蛋白重新入 核。
核定位信号
核定位信号
亲核蛋白核输入示意
NLS被磷酸化或蛋白质与胞质滞留因子（细胞骨架）结合都 可导致亲和蛋白不能入核。
成的环状结构，并相互交叉成网络 • 辐：分为柱状亚单位、腔内亚单位和环带亚单位 • 栓（中央颗粒）:位于核孔中心，参与核质交换。
（二）NPC成份的研究
核孔复合体主要由蛋白质构成，统称核孔蛋白 （Nup）。其总相对分子质量约为125×106，推测可 能含有30余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。
◆由内外两层膜的局部融合而成 ◆核孔的直径为80-120nm。 ◆一个典型的哺乳动物的核膜上有3000-4000个
核孔,相当于每平方微米的核膜上有10-60个。 ◆合成功能旺盛的细胞,核孔的数量较多。
扫描电镜观察的核孔复合物照片
（一）NPC结构模型
相对NPC轴心为八重对称，相对于核膜平面不对称， 结构进化上高度保守。 • 胞质环（外环）：8条短纤维对称分布伸向胞质 • 核质环（核篮）:核篮侧伸出8条纤维，周期性分布8个颗粒组