第九章 细胞核

● ●
小分子物质经核孔自由进出。 大分子及颗粒物质以特殊方式转运。
核转运受体（imporin，exportin），入核信号 NLS/出核信号NES、Ran。
●
转运时核孔孔径可暂时性扩大，允许超过孔径的颗粒 通过。 经核孔的运输是双向的。 RNA一般以RNP形式经核孔运出核。 入核蛋白的信号肽不被切除。
◆
细胞分 裂时，核纤 层蛋白被磷 酸化，发生 解聚，核膜 随之崩解， 染色质开始 凝集。B型核 纤层蛋白与 核膜残余小 泡结合，帮 助分裂末期 核膜重建。
二、核被膜功能
核膜将DNA与细胞Leabharlann Baidu分隔开，保护DNA分 子免受损伤；使 DNA的复制和RNA的翻译表达 分隔开。
●
●
●
是物质交换的通道。
参与生物大分子合成。

核仁呈裸露的海绵状，有3个特征性的区域： 致密纤维组分：呈环形或半月形，由rRNA、核 糖体蛋白和少量RNA结合蛋白构成的致密网架结 构构成。 纤维中心：是被致密纤维包围的一个或几个低电 子密度的圆形结构，主要成分为RNA聚合酶和 rDNA。 颗粒组分：位于纤维结构外侧，由直径15～20nm 的颗粒构成，可能是不同加工和成熟阶段的核糖 体亚基前体。

核仁由核仁组织者（nucleolar organizing region， NOR）组织形成， NOR由人13、14、15、21、22 号染色体伸出的带有rRNA基因的袢环构成。
三、核仁的功能
核仁的功能是：进行rRNA（5S rRNA除外） 的转录、加工和核糖体亚单位的组装。

45S rRNA转录 真核生物核糖体含有4种rRNA：


中央栓（central plug）：位于核孔中央的一粒状 或棒状颗粒，推测其在核质交换中起重要作用。 轮辐（spoke）：位于 核孔内，将胞质环、核 质环和中央栓连接在一 起。

（三）核纤层 内核膜的内表面有一层网架状纤维蛋白质， 叫核纤层（nuclear lamina）。
◆ 核纤层由核纤层蛋白（lamin）组成。 ◆ 核纤层蛋白是一类中间纤维，分为A、B、C型。 ◆ 组装完成后的核纤层纤维有较大刚性。 ◆ 细胞间期时，核纤层蛋白与核膜镶嵌蛋白相连， 能保持核的形态与核孔复合体的位置；蛋白形成 的网架还可以和染色质结合，为染色质提供附着 点。
非组蛋白：属酸性蛋白，带负电荷，富含天冬氨酸、 谷氨酸。多数非组蛋白能识别特异性的DNA序列。控制 基因复制与转录，调节基因表达。
（四）组蛋白乙酰化与去乙酰化对基因表达的 调控

组成核小体的组蛋白可以被多种化学加合物所修饰，
如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组蛋白的这类结构修饰可 使染色质的构型发生改变，称为染色质构型重塑。组蛋白
45S rRNA的剪切加工是以核糖核蛋白复合体 （RNP）的形式进行的。过程是： 剪接加工 20S 28S 18S
45S rRNA
32S
5.8S

核糖体亚基的组装 18S rRNA + 33种蛋白质 小亚基
5.8S rRNA
28S rRNA
+ 49种蛋白质
大亚基
5S rRNA （由核染色质转录后运至核仁） 大、小亚基经核孔运输到细胞质，最终在胞质内 形成成熟的核糖体。
（二）组蛋白
组蛋白：属碱性蛋白，富含带正电荷的精氨酸和赖氨 酸，分为H1、H2A、H2B、H3、H4五种，与带负电荷的 DNA紧密结合，构成染色质，抑制DNA的复制与转录。 H2A、H2B、H3、H4 属核小体组蛋白，有相互聚合 倾向，进化上极为保守。 H1组蛋白有一定组织特异性。
（三）非组蛋白


DNA复制要从DNA分子上特定位置开始。这个特 定位置被称为复制起始点。DNA复制从起点开始 双向进行直到终点为止，每一个这样的DNA单位 称为复制子或复制单元。

在原核生物中，每个DNA分子上就有一个复制子； 而在真核生物中，每个DNA分子有许多个复制子， 因此，真核细胞DNA的复制是由许多个复制子共 同完成的。
分裂期细胞核崩解，无完整结构。
第一节 核被膜（nuclear envelope）
一、核被膜的超微结构 也叫核膜（ nuclear membrane ），是包在 核外的双层膜结构，属于内膜系统，是真核细胞 的标志。
部分化学组分与内质网类似，但含量有差别。
（一）内外膜与核周间隙
内外膜 核膜的外膜与内质网相连，外表面附着有核 糖体，还附着有中间纤维等细胞骨架成分。 内侧核膜表面光滑，与核膜内侧的核纤层 相互关联。
HP1的结合转而会导致DNA分子上特定CpG岛的甲
基化和稳定的基因沉默。所以，染色质蛋白并非只是一 种包装蛋白，而是在DNA和细胞其他组分之间构筑了一 个动态的功能界面。
二、染色质的结构与组装

一级结构：染色质的基本结构单位——核小体 （nucleosome）
串珠样结构

二级结构：串珠样结构螺旋化，形成每6个核小体 绕一圈，构成外径30nm螺线管。

间期时根据染色质折叠压缩及形态功能的不同可 分为异染色质（heterochromatin）和常染色质 （euchromatin）。 常染色质能进行活跃复制转录，呈疏松状态，碱 性染料染色后着色较浅，有时以袢环形式伸入核 仁。


异染色质在间期的细胞核中处于高度缠绕的凝缩 状态，无转录活性，碱性染料染色后着色较深， 多靠近核膜内表面。

DNA的复制过程大体上可以分为复制的启动，复 制的延伸，和复制的终止三个阶段：
(一)复制的起始——引发
DNA复制的起始就是引物的合成。 DNA链的生成依靠DNA聚合酶，而由于DNA聚 合酶不能引发DNA新生链的合成，只能在已存在 的DNA链或RNA链上延长DNA，因此必须先由 引物酶催化引物RNA的合成。 DNA聚合酶的特性决定了DNA复制时先在复制起 始区合成一段RNA引物。
第九章 细胞核
Nucleus
第一节 核被膜
第二节 染色质与染色体
第三节 核仁
第四节 核基质
第五节 细胞核的功能
第六节 细胞核与疾病
细胞核（nucleus）是真核细胞中由双层单位 膜包围核物质而形成的多态性结构。 是细胞生命活动的调控中心： 贮存遗传信息 进行DNA复制 进行RNA转录

形态：与细胞形态相适应
异染色质（核内深染部分）和常染色质（核内浅染部分）
常染色质与异染色质的特性比较
特征 数量分布 常染色质 一般占染色体的极大 部分 异染色质
一般占染色体的少部分 , 位于 着丝粒区、端粒、核仁形成区， 染色体的中间、末端及整个染 色体臂
染色反应
DNA 复制 凝缩程度 固缩行为 组成特性 化学性质

着丝粒（centromere） 主缢痕（primary constriction） 动粒（kinetochore） 副缢痕（secondary constriction） 随体（satellite） 端粒（telomere） 核仁组织区（nucleolar organizing region， NOR） 核型（karyotype）
核周间隙 内外膜之间存在的腔隙称为核周间隙 （perinuclear space），与内质网腔连通，含多 种蛋白。
（二）核孔及核孔复合体
内外核膜在很多区域相互融合，形成了内外相通的 核孔（nuclear pore）。 核孔呈圆环形，电镜下是由多个蛋白质颗粒特定排 列成的复合体（nuclear pore complex，NPC），其中 央是含水通道。
中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型常染
色质（euchromatin）和有表达活性的基因相关联；而组 蛋白的甲基化则与浓缩的异染色质（hetero-Chromatin） 和表达受抑的基因相关联。
染色质构型重塑受专一性的酶系调制，并和DNA 甲基化相互作用，形成了个体发育中调控基因表达的所 谓组蛋白密码（histone code）。
核孔复合体的结构

胞质环（cytoplasmic ring）：又称外环，位于核 孔边缘的胞质面一侧，与外核膜相连。环上有8条 长约30∼50nm的细纤丝，对称分布伸向胞质。 核质环（nuclear ring）： 又称内环，位于核孔边 缘的核质面一侧，与内 核膜相连。环上也对称 地向核内伸入8条长约 100nm的细纤丝，被一 直径约60nm的端环连 接在一起，核篮。
第五节 细胞核的功能 （Functions of Nucleus）
一、细胞核的基本功能

储存有完整的人类基因组（human genome） 细 胞 内 遗 传 信 息 的 流 动 （ the flow of genetic information
二、遗传信息的复制与传递

DNA分子中不同的碱基排列顺序构成信息，通过 DNA 的复制不断传递给子细胞，构成遗传信息。 所以遗传信息的传递是由DNA的复制开始的。 1953 年， Watson 和 Crick 在提出 DNA 双螺旋模型 时就指出，由于互补碱基的配对原则，在DNA复 制时，只要双链DNA解开，以每一条链为模板以 合成其互补链，即可形成两个与亲代完全一样的 DNA分子。
核仁在核糖体合成与组装中的作用
四、核仁周期 核仁周期：核仁的结构呈周期性动态变化。
Nucleolar fusion of human fibroblast in cultrue
第四节
核基质（Nuclear Matrix）
核基质也叫核骨架，指除核被膜、染色质、
核纤层及核仁以外的由纤维蛋白组成的核内网 架体系。与DNA复制，RNA转录和加工，染 色体组装等生命活动密切相关。
正常染色反应
正常复制 折叠疏松
间期解螺旋，分裂时形 成螺旋，分裂中期达到 高峰
特有染色反应
晚复制 折叠紧密 异固缩（正、负异固缩）
结构异染色质含重复和非重复 DNA ，不能转录；兼性异染色 质含有活动基因，有转录活性
含单一和重复序列， 能进行转录 无差别
无差别
巴尔小体
四、染色体 中期染色体形态比较稳定，是观察染色体形 态和计数的最佳时期。
5.8S rRNA
18S rRNA
28S rRNA
5S rRNA
前三种rRNA的基因组成 一个转录单位
在 RNA聚合酶I 的作用下，rRNA基因进行快
速的转录。在展开的核仁染色质标本中可观察到，
一根长 DNA 纤维上有一系列重复的箭头样结构单 位。

rRNA前体的加工 45S rRNA是18S、5.8S和28S三种rRNA的前体。 负责rRNA前体加工的酶是RNA酶。
● ● ●
第二节 染色质与染色体
一、染色质和染色体化学组成
由DNA、蛋白质、 RNA组成，易被碱性染料染色。 间期时染色质（ chromatin）成细丝状，弥散；细胞分 裂时则高度凝缩形成染色体（chromosome）。
（一）DNA、RNA
DNA：遗传信息的携带者，性质稳定。序列可分 为单一序列、重复序列。 RNA：含量少，主要为新合成的前体RNA。
人类染色体非显带核型图
Human karyotype 46, XX; 46, XY Abnormal karyotypes 47, +21, 45, X
第三节 核仁（nucleolus）
一、核仁的分子组成

位于间期的细胞核内，呈球形，数目、位置、大 小不固定，随细胞种类和功能而异。
二、核仁的结构

多级螺旋化模型： 30nm 的螺线管进一步螺旋化 形成超螺线管，再进一步螺旋、折叠形成染色单 体。 支架－袢环模型：

灯刷染色体


30nm的染色质纤维折叠为一系列的袢环（loop） 结合在染色体骨架上 微带 染色单体。 染色体骨架：由非组蛋白构成的纤维网络骨架。
染 色 体 的 组 装
三、常染色质和异染色质

组蛋白H3的第9位氨基酸赖氨酸的乙酰化修饰是 和基因活性表达相关联的，一旦经组蛋白脱乙酰酶 （histone deacetylase, HDAC）作用而脱去乙酰基， 又经组蛋白甲基转移酶（histone methyltransferase） 作用在同一位置加合上甲基，则会形成一个异染色质 蛋白HI（heterochromatin protein 1, HP1）或其他抑 制性染色质因子的结合位点。
数目、位置与细胞类型相关

大小：有差异，动物一般5~10μm

被双层膜包被 含有控制细胞生命活动的遗传物质
间期时细胞核结构完整，主要包括：核膜 （nuclear membrane）、核仁（nucleolus）、 核 骨 架 （ nuclear scaffold ） 、 染 色 质 （chromatin）