第八章 细胞核与染色体 复习题

第八章细胞核与染色体复习题
基本概念：
核纤层：是位于细胞核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维蛋白网络。

核纤层由一至三种核纤层蛋白多肽组成。

在细胞周期过程中，核纤层伴随着核纤层蛋白的磷酸化和去磷酸化而发生着解体和重建的变化。

核孔复合体：是镶嵌在内外核膜融合出形成的和孔上、直径约为120~150nm的一种复杂结构。

他是核质之间物质交换的双向选择性通道。

核定为信号：指亲和蛋白具有的、能保证其整个蛋白质分子通过核孔复合体而转运到细胞核内的一段特殊氨基酸序列。

第一个被确定序列的核定位信号来自猴肾病毒SV40的T抗原。

核质蛋白：是一种大分子五聚体、耐热的可溶性蛋白质。

最早由Laskey等人于1978年在非洲爪蟾卵母细胞的核中大量存在。

核质蛋白经水解可分为两部分，五聚体的核心是抗蛋白酶的，而每条尾巴则为蛋白酶敏感区。

如果五聚体的尾巴全部消化掉，则这种蛋白质不能进入细胞核中；若注射入细胞核中，也不被转运而留在核中；但只要留有一条尾巴。

即能积累于核中。

核质蛋白对DNA与组蛋白组装成核小体是必不可少的。

若缺少核质蛋白质，DNA与组蛋白在组装过程中会产生沉淀而不能形成正常核小体。

核质蛋白的作用在于即能促进组蛋白与DNA的相互作用，又可避免DNA与组蛋白间因强静电吸引而形成非特异性结合的不溶性聚合物。

但它本身并不参与核小体的组成。

染色质：建起细胞核中的DNA与蛋白质形成的复合物，其基本单位是以组蛋白八聚体为核心、DNA环绕其外两周所形成的核小体结构。

他在有丝分裂时浓缩成染色体。

核定位信号：指亲核蛋白具有德、能保证其整个蛋白质分子通过核孔复合体而转运到细胞核内的一段特殊氨基酸序列。

第一个被确定序列的NLS来自猴肾病毒（SV40）的T抗原。

核糖核蛋白颗粒：在电子显微镜下可以看到基因转录产物一旦出现立即与细胞核内的蛋白质结合，大约每500个核苷酸与蛋白质形成一个直径为20nm左右的复合颗粒。

MRNA前体的加帽、接尾、剪切、输出核孔直至mRNA在核糖体中翻译和降解等都是在RNA与蛋白质形成的复合物中进行的。

这种RNA与蛋白质形成的复合物统称核糖核蛋白颗粒。

ALU家族：是人类和哺乳动物基因组中一组约300bp长、散在的短重复序列，此序列内常含有ALU内切酶的切点。

在人类基因组中约有50~70万个ALU拷贝,相当平均大约每隔4kb 就有一个ALU序列.ALU序列具有种属特异性.
小卫星DNA:由几十个核苷酸顺序重复组成的一种多态性简单序列,重复3000次之多,也叫可变数目的串联重复顺序,常用作个体鉴定的DNA指纹图谱基础.另外发现小卫星序列的改变可以影响邻近基因的表达。

微卫星DNA：由前后排列的二、三或四个核苷酸重复单位顺序排列组成的简单串联重复序列，串联簇长度多为50~100bp。

人类基因组中至少有30000个不同的微卫星位点，呈高度微卫星多态性，不同个体间有明显差别，但在遗传上却是高度保守的，因此，可作为重要的遗传标志，用于构建遗传图谱。

高速泳动族蛋白：有些书上又称为高迁移率组蛋白。

是一族电泳速度快的非组蛋白。

其分子众多具有三个a螺旋结构组成boomerang-shaped结构模式，具有弯曲DNA的能力，能通过弯曲DNA、促进与邻近位点相结合的其他转录因子的相互作用而激活转录。

因此具有HMG 框结构的转录因子又称为构件因子。

亮氨酸拉链：常见于DNA结合蛋白中的二聚体化结构域。

在这类蛋白肽链的羧基端约有35个氨基酸残基形成a螺旋，每两圈有一个亮氨酸残基，这样，在a螺旋一侧的亮氨酸残基排列一排，两个蛋白肽链的a螺旋之间的疏水作用力形成一条拉链状结构，但这类蛋白与DNA
结合的结构域不是拉链区，而是与拉链区相邻的N端带正电荷的碱性区。

锌指模式：是DNA结合蛋白中常见的一类结构模式。

在约30个氨基酸残基的一段肽链中由两对半胱氨酸或一对半胱氨酸和一对组氨酸的侧链与Zn2+形成配位键而构成一个锌指。

每个锌指单位是一个DNA结合结构域，由其C端形成的a螺旋负责与DNA结合。

染色体骨架：是指染色体中由非组蛋白构成的结构支架。

骨架四周是DNA放射环；DNA 放射环的根部结合在染色体骨架上。

染色体非组蛋白骨架在维持中期染色体的基本形状和将DNA组织成染色体方面起重要作用。

染色质Loop结构域：在蛋白质形成的染色体轴上，由直径30nm的螺旋管环化形成一系列Loop结构域，每个Loop结构域含有3X104~1X105bpDNA,这种结构域又称为DNA复制环,被认为是染色质高级结构的一般特征.
着丝粒：是染色体上的一种重要关键结构，它连接两个染色单体，并将染色体分为两臂，而且与细胞分裂时染色体的分配有密切关系。

着丝粒是一种高度有序的整合结构，至少包括三种不同的结构域：着丝粒结构域、中央结构域和配对结构域。

端粒：端粒是线性染色体端部的特化结构，由端粒DNA和端粒蛋白构成，端粒DNA含有短的富含G的串联重复序列，端粒蛋白主要是端粒酶，为一种核糖核蛋白，具有反转录酶的性质，可保证染色体DNA完全复制。

端粒的生物学作用在于维持染色体的稳定与其在核内的空间排列。

端粒酶：又称端粒蛋白，由RNA和蛋白质构成的一种核糖核蛋白，该酶能够识别染色体端粒重复序列的富含G的DNA单链，并以该酶本身富含C的RNA片段为模版，使端粒富含G的DNA链按5‘---3’方向延长，从而解决染色体端粒序列伴随复制而不断缩短的问题。

自主复制DNA序列：是染色体中能保证DNA分子顺利自我复制的特殊核苷酸序列，他首先在酵母基因组DNA序列中发现，它能使含有这一序列的重组质粒高校转化酵母细胞，并能在酵母中独立于宿主染色体而存在。

根据不同来源的ARS的DNA序列分析，发现它们都具有一段11~14bp左右的同源性很高的富含AT共有序列，而且这段共有序列上、下游各200bp左右的区域是维护ARS功能所必需的。

人工微小染色体：指采用分子生物学技术把真核细胞染色体的复制起始点、着丝粒、端粒这三种DNA关键序列相互搭配或改造而构成的微小染色体。

B染色体：B染色体又称超数染色体，是指在有些动植物细胞中数目不等的比A染色体小，互不同源，在减数分裂中也不互相配对的超额染色体，多为以染色质构成，据遗传惰性，对生物的表型一般影响不大。

核型模式图：将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来或用摄影方式记录下来，再按染色体长短、形态等特征排列起来的图示，称作核型模式图，它代表一个物种的核型模式。

负超螺旋：指DNA双链的空间扭曲方向与其双螺旋结构中两条DNA链间的折叠方向相反。

如果方向相同，则为正朝螺旋。

多线染色体：染色体持续复制过程中由于复制产物未彼此分离所致。

例如，果蝇唾液腺染色体可连续复制10次，导致1024个拷贝平行排列。

在光镜下该染色体中呈现出深色、致密的染色体带，其间隔为浅色、疏松的间带。

由于比普通染色体大得多且长，故又称为巨大染色体。

灯刷染色体：是卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体，他是一个二价体，包含四条染色单体，其染色体轴由染色粒轴丝构成。

在每条染色体周围有很多从染色粒伸出的近似对称的侧环，而使整个染色体像一个灯刷。

每个环相当于一个环状结构域。

在环上正在进行着RNA的转录。

随体：指位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区域染色体主体部分相连。

它是识
别染色体的重要形态特征之一，有随体的染色体称为SAT染色体。

核仁周期：在细胞周期中，核仁是一种高度动态的结构，细胞进入有丝分裂时，核仁变小，在前期结束时随着染色质凝集，核仁解体，所有RNA合成停止；在有丝分裂末期，rRNA 合成重新开始，形成小的分散的前核仁体，到G1完成核仁重建。

这一动态过程称为核仁周期。

DNA酶I超敏感位点：指用很低浓度Dnase I处理染色质时,切割将首先发生在少数特异性位点,这样的位点即称为DNA酶I超敏感位点.它是活性染色质的特点,实际上,DNA酶I超敏感位点是一段100~200bp的DNA序列特异暴露的染色质区域.
活性染色质:指具有转录活性的染色质,其核小体构型往往变得比较松散.便于转录调控因子与其顺式调控元件结合和RNA聚合酶在模板上滑动.
限制性片段长度多态性（RFLP）:指基因组中特定的或相对保守的DNA序列上,由于个体、群体或种属间DNA的差异而在限制性酶酶解时产生不同长度酶解片段，通常指并不引起表型差异的遗传多态性。

在某些疾病状态下，与疾病相关基因或脆性位点上的DNA正巧与某个内切酶切点有关，此时酶切片段长度的改变，有可能用于协助疾病诊断或发现突变位点。

种属间印迹：用Southern印迹法检测某一种属的DNA探针与来自多个种属基因组DNA杂交的活性。

常染色质：是转录活跃的DNA部分，在间期细胞核中为解旋的细纤维丝，折叠盘曲度小，分散度大。

常染色质含有单一和重复顺序的DNA，在一定条件下可以进行复制和转录，是正常情况下经常处于功能活跃状态的染色质。

异染色质：是指间期或分裂前期核内染色很深的块状结构。

异染色质的DNA分子与组蛋白等紧密结合，螺旋缠绕紧密，很少转录，功能上处于静止状态，是低活性的染色质。

在分裂期，异染色质位于着丝粒、端粒或在染色体臂的常染色质之间。

动粒：是指在主缢痕处两条染色单体的外侧表层部位的特殊结构。

是纺锤丝微管的连接处，是微管蛋白的组织中心之一。

动粒的超微结构可分外、中、内三层。

外层电子密度中等，纺锤丝微管主要与外层相连，少数微观伸入外层以内；中层的电子密度低，是一些无结构的亮区；内层电子密度高，是一些类似于染色质的颗粒状结构。

核仁组织者区：是存在于细胞内特定染色体区段，常位于染色体端部的次缢痕处，含有主要rRNA基因，是产生核仁的部位。

人类染色体rRNA基因家族位于5对染色体的随体内侧（13，14，15，21，22）。

产生的核仁可融合形成一个大的核仁。

问答题：
1细胞核的基本结构及主要功能
细胞核主要是由核被膜、染色质、核仁及核基质组成，核被膜位于间期核的最外层，是细胞核与细胞之间的界膜。

由于它的特殊位置决定了他的两方面的功能：
第一，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转录和加工在核内进行，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 分子面受由于细胞骨架运动所产生的机械损伤，第二，核被膜并不是完全封闭的，核质之间有频繁的物质交换和信息交流。

这主要是通过核被膜的核孔复合体进行的。

在核膜的下方连接着核纤层，核纤层为核膜与染色质提供了结构支架。

染色质是指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是间期细胞核遗传物质存在的形式。

染色体是指细胞在有丝分裂活减数分裂过程中由染色质聚缩成的棒状结构，实际上，两者之间的区别主要并不在于化学组成上的差异，而在于包装程度不同，反映了他们出于细胞周期中不同的功能阶段，在真核细胞的细胞周期中大部分时
间是以染色质形态而存在的，染色质中的DNA分子携带着遗传信息，染色质中的蛋白质负责DNA遗传信息的组织、复制和阅读，其中组蛋白是基本结构蛋白，与DNA非特异性结合；非组蛋白是序列特异性DNA结合蛋白，是重要的基因调控蛋白，它们具有不同的结构模式，形成不同的DNA结合蛋白家族。

核仁是真核细胞间期核中最显著的结构，普遍存在三种组分：纤维中心、致密纤维组分和颗粒组分。

新近比较一致的看法是纤维中心是rRNA基因存在的位点，转录主要发生纤维中心和致密纤维组分的交界处。

初始rRNA的转录物首先出现在致密纤维组分中，在那里加工；某些加工的步骤也发生在颗粒组分的地方，并负责将rRNA和核糖体蛋白装配成核糖体亚单位.所以颗粒组分代表核糖体亚单位成熟和储存的位点,核仁的主要功能涉及核糖体的生物发生,包括rRNA合成\加工和核糖体亚单位的装配.
在真核细胞的核内除染色质、核膜和核仁外，还有一个以蛋白质成分为主的网架结构体系，即核基质，这一结构体系与DNA复制、基因表达和染色体包装与构建有密切关系。

综上所述：细胞核是遗传信息储存的场所，在核内进行基因复制、转录和转录初产物的加工，从而控制细胞的遗传与代谢或活动。

2.核孔复合体的结构及其功能。

核孔复合体主要有以下四种结构组分：一是胞质环，位于核孔边缘的报纸面一侧，又称外环，环上有8条短纤维对称分布伸向胞质。

二是核质环，位于核孔边缘的核质面一侧，又称内环，内环结构比外环复杂，环上也对称地连有8条细长的纤维，向核内深入，并在末端形成一直径为60nm的小环，小环由8个颗粒组成，这样整个核质环就像一个捕鱼笼养的结构。

三是辐，由核孔边缘伸向中心，呈现辐射状八重对称。

其结构较为复杂。

四是拴，或称中央拴，位于核孔的中心，呈现颗粒状或棒状。

由于推测它在核质交换中起一定作用，所以还把它叫做transporter。

由上述可见，核孔复合体对于垂直于核膜通过核孔中心得轴呈辐射状八重对称结构，而相对于核膜平面则是不对称的，这与其在功能上的不对称性是一致的。

从功能上讲，核孔复合体可看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，并且是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道。

双功能表现在它有两种运输方式：被动运输和主动运输。

双向性表现在既介导蛋白质的入核运转，又介导RNA、核糖核蛋白颗粒的出核转运。

（1）核孔复合体作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为9~10nm，离子、小分子以及直径在10nm 以下物质原则上可以自由通过。

（2）
核孔复合体主动运输的选择表现在以下三个方面：a.对运输颗粒大小的限制。

其有效直径的大小是可被调节的，b.通过核孔复合体的主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需消耗ＡＴＰ，并表现出胞核动力学特征，c.通过核孔复合体的主动运输具有双向性，即核输入和核输出。

它既能把复制、转录、染色体构建和核糖体蛋白等运输到核内；t同时又能将翻译所需的RNA、装配好和核糖体亚单位从核内送到细胞质。

3.蛋白质可以两种方式在核内积累。

首先一种是被动扩散到核内并与核内组分结合；另一种是主动运输到核内。

为了验证这两种和输入机制，可以设计如下实验：将带有放射性标记的核脂蛋白分别注射到蛙卵母细胞的细胞质和细胞核中，如书上的图所示。

问题1.核质蛋白分子那一部分负责其在核内定位？为什么？
我们从图中可以看出，负责核质蛋白定位在细胞核内的信号肯定在蛋白肽链尾部序列。

因为在进行胞质注射时，仅有去掉尾部的核脂蛋白不能进入核内，而保留有尾部甚至只保留一条尾部肽段的核质蛋白都可以进入到核内。

问题2.这些实验如何区分两种核质蛋白的和输入机制？是由核定位信号所指导的主动运输，还是由于被动扩散进入核内并与核内组分结合？
实验表明，核质蛋白尾部带有核定位信号，而且核质蛋白在核内的积累不是被动扩散的结果。

完整核质蛋白分子和具有部分尾部的样品所得到的结果在两种注射方式中相同，这说明核质蛋白尾部带有核定位信号序列或带有核内结合位点。

否定被动扩散的关键实验是仅有头部的核质蛋白的实验结果，在胞质注射的情况下，他不能再核内积累，这并不是因为头部缺少核内组分的结合位点，因为在进行核注射时，仅有头部的核质蛋白也能滞留在核内。

4.基于与DNA结合的蛋白质区域，DNA结合蛋白至少可分为哪些类型？
到目前为止已鉴别的DNA结合蛋白基于他与DNA结合区域的不同至少可以分为五大类型：（1）DNA结合蛋白中最大的一类是具有折叠成螺旋-转角-螺旋域（Helix-turn-helix domain,HTH domain）的氨基酸序列。

HTH域称为同源域，而编码HTH域基因
的部分称为同源框。

带有同源框的基因称为同源基因，因为这些基因中发现的
第一个是促进大多数动物中同源体节（昆虫的腹节）分化的。

同源基因的产物
被称为同源蛋白。

这种蛋白质与DNA结合时，形成对成的同型二聚体结构模
式。

构成同型二聚体的每个单体由20个氨基酸的小肽组成a螺旋-转角-a螺旋
结构，两个a螺旋相互连接构成β转角，其中，羧基端的a螺旋为识别螺旋，
负责识别DNA大沟的特异碱基信息，另一个螺旋没有碱基特异性，与DNA磷
酸戊糖链骨架接触。

在与DNA特异结合时,以二聚体形式发挥作用,结合靠蛋白
质的氨基酸侧链与特异碱基对之间形成氢键.
（2）第二类DNA结合蛋白具有一个或多个锌指结构域.每个鋅指结构域单位是在约30个氨基酸残基的一段肽链中有两对半胱氨酸或一对半胱氨酸和一对组氨酸
与Zn2+形成配位键构成的.每个锌指单位是一个DNA结合结构域,由其C端形成
的a螺旋负责与DNA结合.转录因子TFIIIA和SPI具有锌指结构域;大多数类固
醇激素受体具有一个或多个锌指结构域;果蝇类固醇激素—蜕皮激素的受体是
一个螺旋-鋅指蛋白.
（3）第三类DNA结合蛋白具有亮氨酸拉链,这类蛋白质是作为二聚体来起作用.在每个蛋白肽链的羧基端约有35个氨基酸残基形成a螺旋,每两圈(7个氨基酸残基)
有一个亮氨酸残基,这样,在a螺旋一侧的亮氨酸残基排成一排,两个蛋白肽链的a
螺旋之间靠亮氨酸残基之间的疏水作用力形成一条拉链状结构.但这类蛋白质
与DNA结合的结构域不是拉链区,而是与拉链区相邻的N端带正电荷的碱性区.
真核生物中启动DNA复制和激活mRNA合成的转录激活物属于这类DNA结
合蛋白如,Myc、Fos和Jun。

（4）第四类属于螺旋-环-螺旋结构域（helix-loop-helix motif,HLH）,这一结构模式广泛存在于动植物DNA结合中。

HLH由40~50个氨基酸组成两个两性a螺旋，
两个a螺旋中间被一个或几个β转角组成的环所分开。

每个a螺旋由15~16个
氨基酸组成，并含有几个保守的氨基酸残基。

具有疏水面和亲水面的两性a螺
旋有助于二聚体的形成。

A螺旋邻近的肽链N端也有带正电荷的氨基酸碱性区
与靶DNA大沟结合。

具有螺旋-环-螺旋结构的蛋白家族成员之间形成同源或异
源二聚体是这类蛋白质与DNA结合的必要条件，缺失a螺旋的二聚体不能牢
固结合DNA。

具有这类结构模式的转录因子如哺乳类的MyoD、昆虫的AC—S
等。

（5）第五类具有HMG框基序（HMG-box motif）。

该结构具有三个a螺旋组成boomerang-shaped 框结构模式，具有弯曲DNA的能力。

能通过弯曲DNA、促
进与邻近位点相结合的其他转录因子的相互作用而激活转录，因此，具有HMG
框结构的转录因子又称为“构件因子”。

SRY属于这类蛋白质。

5．比较组蛋白与非组蛋白的特点及其作用。

组蛋白与非组蛋白是构成染色质结构的两类中药成分，但他们具有明显的区别，现归纳
如下：
组蛋白非组蛋白
氨基酸组成富含Arg、Lys等碱性氨基酸没有典型的特征性氨基酸组成
与DNA 不要求特异性核苷酸序列与特异的DNA序列相结合
结合性质
种类一般为五种，且高度保守具有多样性和异质性
功能主要参与维系染色质结构及较具有多种功能，包括基因表达的调控和简单的基因调控作用染色质高级结构的形成
6.在增殖的真核细胞中，对于DNA片段的增殖、维持和正确分配需要什么特殊的DNA序列？
任何DNA片段增殖和维持需要一个或多个复制的起始位点和特殊的末端，即端粒。

复制位置起点是特殊的DNA序列，在此起始DNA的复制。

端粒是保护线形染色体末端，以免被细胞内从末端降解核酸的外切酶所降解。

在细胞周期中，如果他们具有着丝粒，DNA 分子就能平均分配进入子代细胞。

因此上述三种DNA片段被称为染色体DNA的三种功能元件或三种关键序列。

通过加上自主复制序列、端粒和着丝粒，任何DNA片段都可被构建成人工染色体。

大量的酵母人工染色体以此方式被构建。

这些人工染色体最小尺寸似乎约为100000碱基对。

7.什么是端粒？在线性真核染色体末端的RNA引物如何被DNA置换的？
真核细胞染色体末端形成一种特殊的结构成为端粒。

他们是由短的串联重复的核苷酸序列构成。

在某些情况下，每个链的末端被共价连接，从而保证该末端免受外切核酸酶的降解。

如原生动物四膜虫染色体末端的重复序列是5‘TTGGGG3’。

在其端粒有数百个这样的重复序列。

一条链的3‘端被一个特殊的酶所延伸，这个延伸了的末端能自身形成氢键，因此该末端具有发卡结构。

为了完成染色体复制，在染色体每个末端的RNA引物被除去并且以DNA置换。

虽然，RNA 引物可被外切核酸酶除去，但是，没有任何一个正常的DNA聚合酶在没有引物存在的情况下合成DNA。

有一种特殊类型的DNA聚合酶成为端粒酶，它由蛋白质和一个RNA分子（由此蛋白质部分以该RNA的一段作为模版反转录为端粒的重复DNA片段）
构成。

进而延伸出端粒的一条链，与此链互补的另一条链是由DNA聚合酶以此链为模板合成的。

有一模型提出：一条链的5‘端的RNA引物被外切核酸酶消化。

端粒酶通过其所含的RNA亚单位模板（3‘AAAACCCCAACUUA5’）与DNA的5‘TTGGGG3’相结合。

催化加上另外的重复5‘TTGGGG3’。

在某些情况下，这新合成的DNA可形成发卡结构，它可作为新的引物其作用。

这个多G片段能形成非Watson-Crick碱基配对。

即形成A=T和G=C 以外的任何配对。

填充缺口的DNA聚合酶β或DNA聚合酶ε利用发卡结构末端的3‘-OH 作为一个引物来填补端粒末端的另一条链。

8.什么是常染色质和异染色质？在DNA复制和基因表达的过程中，他们的作用是什么？
异染色质是高度浓缩的染色质，除了在DNA复制过程中他被去凝集，异染色质在整个细胞。