医学细胞生物学-8 细胞核(1)

第八章
细胞核nucleus •细胞核(nucleus)是真核细胞内最大的细胞器，是遗传物质存储、复制和转录的场所，是细胞生命
活动的控制中心。

•1831年，Brown在植物细胞中观察到细胞核并命名。

•大小：动物5~10μm。

通常占总体积的10%左右。

常用核质比来衡量细胞核的相对大小。

•形状：一般为圆形少数细胞核不规则：肌细胞核呈杆状；嗜中性细胞核呈分叶。

•细胞进入分裂期则看不见完整的细胞核。

（核膜解体，核仁消失等）
•位置：位于细胞中央；某些成熟细胞的边缘。

•数目：通常1个；成熟的植物筛管细胞和红细胞(0)；
肝细胞、心肌细胞(1-2)；破骨细胞(6-50)；骨骼肌细胞(上百)；
•结构：①核膜；②核纤层；③染色质；④核仁；⑤核骨架。

•功能：
①通过遗传物质的复制和细胞分裂保持细胞世代之
间的连续性；
②通过基因的选择性表达，控制细胞的活动。

间期细胞核的形态结构
电
镜
下
细
胞
核
的
形
态
结
构
第一节核膜
nuclear membrane •又称为核被膜（nuclear envelope）位于间期细胞核的最外层，是细胞质与细胞核之间的界膜。

•由内外两层平行膜构成。

一、核膜的化学组成
（一）蛋白质
约占65%~75%，包括组蛋白、基因调节蛋白、DNA和RNA聚合酶、RNA酶以及
电子传递有关的酶。

（二）脂类
胆固醇和甘油三酯含量较高。

二、核膜的结构与区域化作用（一）核膜由内外两层平行但不连续的非对称性单位膜构成。

①外核膜（outer nuclear membrane）：
可以看作内质网的特化区，外表面附有核
糖体。

胞质面附着中间纤维。

②内核膜（inner nuclear membrane）：
靠向核质，表面光滑，含有一些特异性蛋
白质，如核纤层蛋白B受体。

③核周间隙（perinuclear space）：
宽20~40nm，与内质网腔相通。

④核孔（nuclear pore）
典型哺乳动物细胞核核膜分布3000-4000核
孔。

细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较
多，反之较少。

⑤核纤层（nuclear lamina）
紧贴内层核膜下的一层由纤维蛋白构成的
网架结构，对核膜起支持作用。

The nuclear envelope
核膜随细胞周期的转运而进行有规律的解体与重建
大分子物质及小分子颗粒通过核孔复合体
选择运输实现核-质物质交换
三、核孔复合体
•核孔（nuclear pore）由至少100种不同的蛋白质构成，称为核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）。

•核孔的直径约为80~120nm，核孔复合体的直径约为120nm~150nm。

•在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如同捕鱼笼。

抽提后核孔胞质面的结构抽提后核孔核质面的结构
（一）核孔复合体的捕鱼笼式结构模型
核孔复合体有4种结构组分：
•胞质环（cytoplasmic ring）：
位于核孔边缘胞质面的一侧，又
称外环，环上有8条细长纤维对称
分布伸向胞质；
•核质环（nuclear ring）：
捕鱼笼式核孔复合体模型位于核孔边缘核质面的一侧，又
称内环，环上也对称连有8条细长
纤维，在纤维末端形成一个直径
60nm的小环，小环也由8个颗粒
构成；
•辐（spoke）：由核孔边缘伸向中
心，呈辐射状八重对称，可进一步
分为三个结构域：
柱状亚单位（连接胞质、核质环）、
腔内亚单位（核孔边缘向核周间
质）、
环带亚单位（向核孔中心）。

•中央栓（central plug）：位于核
孔中心，呈颗粒状或棒状，在物质
交换中可能起一定作用，又称中央
运输蛋白（central transporter）。

捕鱼笼式核孔复合体模型
（二）核孔复合体介导细胞核与
细胞质间的物质交换
1. 核孔复合体是核质与胞质之间进行物质交换的通道。

经核孔复合
体的运输具有双功能和双向选择性，因此可将它视为特殊的跨膜运输蛋白复合体。

•双功能表现为两种运输方式：被动扩散与主动运输；
①核孔的大小限制了被动运输的物质（<10nm），但对少数离子仍
有屏障作用，如Na+；
②主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗ATP提供
能量（<26nm）；
•双向选择性表现在两个方面：
①介导蛋白质的入核转运；
②介导RNA、核糖体蛋白颗粒的出核转运。

2、核定位信号介导亲核蛋白入核
在细胞质基质中合成并运到核内执行功能的蛋白质，称为亲核蛋白（karyophilic protein）。

如核质蛋白。

•亲核蛋白一般都含有4~8aa组成的特殊氨基酸序列，即核定位信号（nuclear localization signal，NLS）。

可引导亲核蛋白进入细胞核。

–NLS是富含碱性氨基酸的序列。

–NLS对连接的蛋白质无特殊要求，完成输入后不被切除。

•主动运输还需要核转运受体（nuclear transport receptor）或称为入核素（importin）及RanGTP酶系统的参与。

Process of Nuclear Import
核孔蛋白FG重复序列
NLS-入核素α/β复合体
☆核孔蛋白FG重复序列：由苯丙氨酸（Phe，F）和甘氨酸（Gly，G）组成的重复序列，可与核转运受体-入核素β相互作用。

☆RanGTP酶，一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。

核质蛋白有选择性地通过核孔复合体的实验
四、核纤层的结构与功能
•核纤层（nuclear lamina）是附着于内核膜下的纤维蛋白网，由核纤层蛋白构成，属于中间纤维。

•功能：
第二节染色质与染色体
概念
•染色质（chromatin）:
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, 是间期细胞遗传物质存在的形式。

•染色体(chromosome):
指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中, 由染色质聚缩而成的棒状结构。

✧染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构
✧染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同,构象不同。

一、染色质的组成成分
•染色质是间期细胞遗传物质的存在形式。

最早是1879年Flemming提出的用以描述核中染色后强烈着色的物质。

•组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA
•DNA : 组蛋白 : 非组蛋白 : 少量RNA = 1 : 1 : 0.6 : 0.01
•DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，非组蛋白与RNA的含量则随细胞生理状态的不同而变化。

•组蛋白和非组蛋白都可被磷酸化，进而发挥它们在细胞核内信息的传递及转录调控方面的重要作用。

（一）染色质中的DNA是遗传信息的载体
•一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信息称为一个基因组。

•真核细胞中每条未复制的染色体均含有一条线型DNA分子。

•染色体的3种基本元素：
–①复制源序列（replication origin，Ori），是DNA复制的起点。

–②着丝点序列（centromere sequence），姐妹染色单体的连接部位，与染色体的分离有关。

–③端粒序列（telomere sequence），保证染色体的独立性和遗传稳定性。

染色体DNA的三种基本序列
端粒序列
复制源序列
着丝点序列
（二）组蛋白
•组蛋白（histone）是构成真核生物染色体的基本结构蛋白。

带正电荷，富含Arg，Lys，属碱性蛋白。

可与酸性DNA分子紧密结合。

•根据在核小体中的作用分为两类：
–核小体组蛋白（nucleosomal histone）：H2A、H2B、H3、H4。

无种属及组织特异性，进化上高度保守；协助DNA卷曲
成核小体的稳定结构。

–连接组蛋白（linker histone）：H1。

有种属特异性和组织特异性；与核小体的进一步包装有关。

（三）非组蛋白
•与染色体组蛋白不同, 非组蛋白（nonhistone）是指细胞核中组蛋白以外的染色体结合蛋白，是序列特异性DNA 结合蛋白。

•特性：
–含有较多天冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质。

具多样性和异质性。

–非组蛋白在整个细胞周期都进行合成，组蛋白只在S期合成。

–能识别特异的DNA序列，识别与结合借助氢键和离子键。

•功能：帮助DNA折叠；协助DNA复制；调节基因表达。

二、常染色质和异染色质
•间期核中染色质可分为常染色质（euchromatin）和异染色质（heterochromatin）。

•常染色质是在有丝分裂完成之后，能够转变成间期松散状态的染色质部分。

常染色质在分裂期染色深，但在间期染色浅。

一般而言，常染色质是具有转录活性区，是基因区。

•大约有百分之十的染色质在整个间期仍然保持压缩状态，将这种染色质称为异染色质。

异染色质在分裂期和间期的着色力相同。

无转录活性，是遗传惰性区。

图中的N和n分别表
示细胞核和核仁, 核
仁外染色深的区域是
异染色质。

骨髓干细胞
异染色质分类：
结构异染色质或组成型异染色质
除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心。

结构异染色质的特征：
①在中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段；
②由相对简单、高度重复的DNA序列构成, 如卫星DNA；
③具有显著的遗传惰性, 不转录也不编码蛋白质；
④在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩；
⑤在功能上参与染色质高级结构的形成，导致染色质区间性，作为核DNA的转座元件，引起遗传变异。

兼性异染色质
•巴氏小体（barr body）：
雌性哺乳动物细胞中两条X
染色体之一在发育早期随
机发生异染色质化失活。

•雄性哺乳类细胞的单个X染
色体呈常染色质状态。

三、染色质组装成染色体
（一）核小体（nucleosome）
是染色体的基本单位
•核小体：一种串珠状结构，由核心颗
粒和连接DNA两部分组成
①每个核小体单位包括约200bp的DNA、
一个核心组蛋白和一个H1；
②由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成
八聚体，构成核心组蛋白；
③DNA分子以左手螺旋缠绕在核心组蛋
白表面，每圈83bp，共1.75圈，约
146bp，两端被H1锁合；
④相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接
线DNA；
（二）核小体进一步螺旋形
成螺线管
•核小体通过自身形成螺旋的方式形成致密的、外径为30nm的管
状结构,称为螺线管（solenoid）
又称30nm染色质纤维。

•在螺线管中, 每一螺旋由6个核小体组成, 并呈规则排列。

•H1组蛋白位于螺线管内侧，起稳定作用。

•从核小体到螺线管压缩了6倍。

（三）螺线管进一步包装成染色体
⏹DNA从螺线管到超螺线管
（Φ0.2-0.4μm）大约压缩了40倍。

⏹超螺线管进一步螺旋折叠，形成
直径为1~2μm、长度为2~10μm 的染色单体，约压缩5倍。

⏹由此看来, DNA经核小体到染色
体，DNA总共压缩了8400倍。

84，000
8400倍
1号染色体中的DNA包装倍数
染色体的组装-动画
四、染色体的形态结构
染色体形态结构一般
是指中期染色体。

•着丝粒与动粒
•次缢痕
•端粒
•随体
•核仁组织区
随体
（一）着丝粒位于两条姐妹染色单体的连接处
着丝粒（centromere）是染色体中连接两个染色单体的染色质,
并将染色单体分为短臂(p)和长臂(q)。

根据着丝粒在染色体上的
位置, 分为中着丝、亚中着丝、亚端部着丝和端部着丝四种类型。

主缢痕指姐妹染色单体连接处，向内凹陷，着色较浅的缢痕。

•动粒（kinetochore）是存在于主缢痕两侧的特化的圆盘状结构，由蛋白质构成，细胞分裂时纺锤体微管连接的部位。

着丝粒-动粒区域是一种高度有
序的、在结构上和组成上非均一
的整合结构。

包含3个结构域：
1.动粒结构域（kinetochore
domain）
位于着丝粒的表面，电镜下呈三
层板状结构。

2.中心结构域（central domain）
位于动粒结构域的内表面。

包括着
丝粒的大部分，其中含有高度重复
序列DNA。

3.配对结构域（pairing domain）
位于着丝粒结构的内层，中期两条
染色单体在此处相互连结。

（二）次缢痕（secondary constriction）是染色体上的一
个缢缩部位，它的数量、位置和大小是某些染色体的重要形
态特征。

（三）端粒（telomere）：
是染色体两个端部的特
化区，由高度重复的短
序列组成，富含鸟苷酸
G，高度保守。

•作用：
①维持染色体的稳定性。

②起细胞分裂计时器的作
用。

原位杂交实验显示位于人染色体末端的端粒
（四）随体（satellite）是位于染色体末端的、圆形或圆柱形的染色体片段，通过次缢痕与染色体主要部分相连。

随体是识别染色体的主要特征之一。

（五）核仁组织区（nucleolar orgnizing regions NORs）是染色体上rRNA基因(5SRNA基因除外)所在部位，位于染色体的次缢痕区，与核仁形成有关。

（六）特殊染色体
1. 多线染色体（Polytene chromosome）：
2、灯刷染色体（lampbrush chromosome ）
•最早发现于鱼类、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期，染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。

侧环是DNA活跃转录的区域。

鱼类卵母细胞灯刷染色体
五、核型与染色体带型
•核型（karyotype）：是指
某一个体细胞的全部染色体在
有丝分裂中期的表型，包括染
色体的数目、大小和形态特征
等方面。

•正常男性体细胞核型为：46，XY；
•正常女性体细胞核型为：46，XX
•带型（banding patterns）：染色体经显带染色技术处理后，使其沿长轴呈现特定的深浅不同、宽窄不等的带纹（band）的方法。

•染色体显带技术的应用主要为鉴别任何一条染色体，甚至某一异位片段。

对于探讨人类遗传病的发病机制，物种间的亲缘关系及远缘杂交的鉴定具有重要意义.
•G带（Giemsa-banding）：将染色体制片经盐溶液、胰酶或碱处理，再用Giemsa染料染色，在光镜下进行检查, 见
到特征性的带。

一般富含AT碱基的DNA区段表现为暗带。

此法可制成永久性的标本。

Q带（Q-banding）：又叫荧光分带法。

用喹吖因(quinacrine)荧光染料染色，在紫外光激发下,显现明暗不同的带区,可在荧光显微镜下观察。

一般富含AT碱基的DNA区段表现为亮带，富含GC碱基的区段表现为暗带。

此法的优点是分类简便，可显示独特的带型。

缺点是标本易褪色，不能做成永久性标本片。

•C带（C-banding）：主要显示着丝粒结构异染色质, 及其它区段的异染色质部分。

标本可用酸(HCl)及碱〔Ba(OH)
〕变性处理, 再经
2
2×SSC在60℃中温育1小时, 最后用Giemsa染料染色显带。

第三节核仁
•核仁（nucleolus）见于间期的细胞核内，呈圆球形，一般1~2个，有时多达3~5个。

•核仁总是位于染色体组中一定染色体的特定部位。

•主要功能是rRNA转录，加工和组装核糖体单位。

•一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很小或缺失。

一、核仁的形态结构和化学组成
主要化学组成：
●蛋白质80%
●RNA11%，主要为rRNA基因转录产物
●DNA8%，主要为rRNA基因
核仁的三种基本结构组分：
（一）纤维中心（fibrillar centers，FC）：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rDNA和RNA聚合酶，这些rDNA是从染色体上伸出的袢环。

（二）致密纤维组分（dense fibrillar component，DFC）：呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，是正在转录的rRNA和核糖体蛋白。

（三）颗粒组分（granular component，GC）：由直径15-20nm的颗粒构成，是正在加工和成熟的核糖体亚单位。

总之，核仁的三种基本结构结合在一起，共同完成核仁的功能。

人成纤维细胞中核仁的电子显微镜照片（A）是完整的核；（B）局部观察的照片，主要是致密区
核仁组织染色体
二、核仁的功能
•核仁是细胞合成核糖体的工厂，涉及rRNA的转录、加工
和核糖体大小亚基的装配。

45S rRNA
装配成的核糖体颗粒经核孔进入细胞质，在胞质中进一步装配成成熟的功能性核糖体。

三、核仁周期
•核仁是一种动态结构，随细胞有丝分裂周期的变化而变化，即形成→消失→形成,这种变化称为核仁周期。

•核仁形成的分子机理尚不清楚，目前仅知道需要rRNA基因的激活。

第四节核骨架
•1974年Ronald Berezney和Donald Coffey首次用核酸酶和去垢剂处理细胞核, 除去了95%的核物质后, 剩下的水不溶的纤维网络，将这种结构称为核基质（nuclear matrix），又称为核骨架（nuclear scaffold）。

•核骨架是指核内的一个纤维蛋白性质的网架结构体系，是真核细胞间期核中除核膜、染色质及核仁以外的核内网架体系。

一、核骨架的形态结构与化学组成
二、核骨架的生物学功能
①为DNA的复制提供支架。

–核骨架上结合有DNA复制所需要的酶如DNA聚合酶α、DNA引物酶、DNA拓扑异构酶Ⅱ等。

–DNA的复制点连续不断的结合在核骨架上。

②是基因转录加工的场所。

–核骨架上有RNA聚合酶的结合位点，基因DNA只有结合在核骨架上才能进行转录。

–新合成的RNA也结合在核骨架上，并在这里进行加工和修饰。

③与染色体和核膜的构建有关。

–由核小体紧密包裹形成的30nm染色质纤维可进一步折
叠形成袢环结构，结合锚定在核骨架上，在分裂期进
一步包装成光学显微镜下可见的染色体。

–核骨架也参与有丝分裂后期核膜的重建。

第五节细胞核的功能
•遗传信息的贮存
•遗传信息的复制
•遗传信息的转录
5’3’ori ori ori ori
5’
3’
5’
5’3’
3’
5’
5’3’
3’复制叉DNA复制
领头链的合成：
领头链的子链沿着5'→3'方向可以连续地延长。

转录延长：
第六节细胞核与疾病
一、细胞核形态异常与肿瘤
高核质比，核外形不规则；染色质聚集在近核膜处；核仁体积增大，数
目增多；核孔数目增多等肿瘤细胞
代谢活跃，生长旺盛
二、染色体异常与肿瘤
染色体数目异常，结构异常
本章思考题
1.概述细胞核的基本结构及主要功能
2.试述核孔复合体的结构及其功能。

3.概述染色体的类型及其特性。

4.核型的定义及正常人类男女核型的描述。

5.试述从DNA到染色体的包装过程。

6.概述核仁的结构及功能。

•细胞骨架是由哪种物质构成的 ( ) A.糖类 B.脂类 C.核酸 D.蛋白质
•与核仁形成有关的部位是
A．主缢痕B．次缢痕C．端粒D．随体
•染色体是指( )
A．在细胞间期核中染色质呈现的伸展、分散的细丝网状结构
B. 在细胞分裂其核中染色质呈现的伸展、分散的细丝网状结构
C．在细胞间期核中染色质呈现的高度浓缩、折叠、盘曲成特殊形态的短棒状小体
D．在细胞分裂期核中染色质呈现的高度浓缩、折叠、盘曲成特殊形态的短棒状小体
•核仁的主要成分是( )
A．DNA+蛋白质 B.DNA+RNA C．RNA+蛋白质
D．DNA+RNA+蛋白质
•核小体的化学成分是 ( ) A.RNA和非组蛋白 B.RNA和组蛋白
C.DNA和非组蛋白
D.DNA和组蛋白。