1、第十章 细胞核与染色体,Nucleus and chromosome,1781年, Trontana发现于鱼类细胞；1831年，Brown发现于植物。,细胞核的发现,通常一个细胞一个核，肝细胞和心肌细胞可有双核，破骨细胞可有650个细胞核，骨骼肌细胞可有数百个核。,细胞核的主要结构包括：核被膜（nuclear envelope）核仁（nucleolus）核基质（nuclear matrix）染色质（chromatin/chromosome）核纤层（nuclear lamina）,细胞核的主要结构,Nucleus structure,核被膜核仁核基质染色质核纤层,Nucleus structur
2、e,核被膜核仁核基质染色质核纤层,细胞核的主要功能有两个方面：遗传: 通过DNA染色体的复制和细胞分裂，维持物种的世代连续性;发育: 通过调节基因表达的时空顺序，控制细胞的分化，完成个体发育的使命。,细胞核的主要功能,第一节 核被膜与核孔复合体第二节 染色质第三节 染色质结构与基因活化第四节 染色体第五节 核仁,第十章 细胞核与染色体,第一节 核被膜与核孔复合体Nuclear envelope and nuclear pore complex,核被膜是双层膜结构,外核膜：常与粗面内质网相通连，附有核糖体颗粒。核周隙：宽2040nm，与内质网腔相通。核纤层：内核膜内表面的纤维网络，支持核膜，并与
3、染色质、核骨架相连。,The nuclear envelope,电子显微镜下的核膜结构图,NPC: nuclear pore complex (核孔复合体)NM: nuclear membrane (核膜)HC: heterochromatin (异染色质),核膜结构示意图,核纤层 (Lamina),核纤层由核纤肽构成，属于IF，分为A、B两型。功能：1保持核的形态：2参与染色质和核的组装：M期核纤层被磷酸化，核膜解体。B型核纤肽与核膜残余小泡结合，A型溶于胞质。分裂末期，核纤肽去磷酸化重新组装，介导核膜重建。,核纤层,The structure of lamin,Lamins,核膜结构示意图
4、,核孔与核孔复合体,核孔是物质运输的通道: 核内蛋白在细胞质中合成，通过核孔定向输入细胞核；细胞核中合成的各类RNA、核糖体亚单位需要通过核孔输出到细胞质。由至少50种不同的蛋白构成，称为核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）。一般哺乳动物细胞约3000个核孔。,在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，结构似fish-trap，主要包括以下几个部分：胞质环（cytoplasmic ring），位于核孔复合体胞质一侧，环上有8条纤维伸向胞质；核质环（nuclear ring），位于核孔复合体核质一侧，上面伸出8条纤维，纤维端部与端环相连，构成笼子状的结构；转运器（transp
5、orter），核孔中央的一个栓状的中央颗粒；辐（spoke）：核孔边缘伸向核孔中央的突出物。,核孔复合体的结构,The Nuclear Pore Complex,Cytoplasmic face: cytoplasmic particles,Nuclear face: basket inner complex,Breakdown and reformation of nuclear envelope during mitosis,核质交换的双向选择性亲水通道。双功能：被动扩散 和 主动运输；双向性：蛋白质的入核转运 和 RNA及核糖核蛋白颗粒(RNP)的出核转运 。,核孔复合体的功能,核定位信
6、号（NLS）：引导蛋白进入细胞核，受体为importin，4-8个氨基酸组成，含Pro、Lys和Arg。完成核输入后不被切除。第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，其NLS为：Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val,通过核孔的物质运输与信号序列有关,信号介导的核输入,Normal pyruvate (丙酮酸) kinase: in cytosol,Chimeric pyruvate kinase containing SV40 NLS: in nucleus,NLS drives protein into nucleus,Process of Nuclear Import
7、,大多数情况下，细胞核内的RNA是与蛋白质形成RNP复合物转运出细胞核的。RNP的蛋白质上具有核输出信号（nuclear export signal, NES），可与细胞内的受体exportin结合，形成RNP-exportin-Ran-GTP复合体，输出细胞核后，Ran-GTP水解，释放出结合的RNA，Ran-GDP、exportin和RNP蛋白返回细胞核。,信号介导的核输出,第二节 染色质/染色体,1848年，Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞。1879年，Flemming提出Chromatin。1888年，Waldeyer提出Chromosome。,染色质的化学组成,组成：D
8、NA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA。,细胞核DNA,3种序列：单一序列；中度重复序列（1015拷贝）；高度重复序列（105拷贝）。3种构像：B-DNA、Z-DNA、A-DNA。3种基本元素：自主复制序列(ARS)；着丝粒序列(CEN) ；端粒序列(TEL)。酵母人工染色体(Yeast Artificial Chromosome，YAC )：含上述3种成分，用于转基因。,带正电荷，含Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为： 核心组蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4； 连接组蛋白（linker histone）：H1。,组蛋白(Histone),结构：高度保守，尤其是H
9、4。牛和豌豆H4的102个氨基酸中仅有2个不同。核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量Arg和Lys，为转译后修饰的部位, 如乙酰化、甲基化、磷酸化等。H1多样性，具有属和组织特异性。,组蛋白(Histone),Structural organization of the core histones,The Assembly of the Core Histones,Notice the long tails of the octamer!,The Assembly of the Core Histones
10、,X-ray diffraction analyses of crystalstructure of a nucleosome core particle,Tails protruding from the core histones,核心组蛋白尾部含有大量Arg和Lys，为转译后修饰的部位, 如乙酰化、甲基化、磷酸化等。,Covalent Modification of core histone tails Acetylation of lysines； Methylation of lysines； Phosphorylation of serines. Ubiquitination of
11、 lysines,表观遗传学(epigenetics ),The function of Histone H1,核心组蛋白高度保守的原因可能有两个：其一是核心组蛋白中绝大多数氨基酸都与DNA或其它组蛋白相互作用，可置换而不引起致命变异的氨基酸残基很少；其二是在所有的生物中与组蛋白相互作用的DNA磷酸二脂骨架都是一样的。,组蛋白(Histone)的保守性,序列特异性DNA结合蛋白。特性：带负电，属酸性蛋白。整个细胞周期都合成，组蛋白只在S期合成。能识别特异DNA序列，结合藉氢键和离子键。功能：帮助DNA折叠、复制；调节基因表达。,非组蛋白,非组蛋白,非组蛋白的特性: (1)种类和数量多样性； (
12、2)识别DNA的特异性； (3)功能多样性。,序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式,染色质的基本结构单位核小体,Eukaryotes package DNA in Chromatin and chromosomes,Chromosomes exist in different states throughout the life of a cell：Chromatin: (Interphase) Fibers, 10-30nm in diameter, Dispersed through the nucleus， DNA + Proteins + RNA.Chromosomes: (M ph
13、ase) Cell division, these fibers condense and fold into larger, compact structure,从DNA到染色体-四级结构,从DNA到染色体,核小体（nucleosome）：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，通过酶消化实验建立。核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1。,由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；,相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接DNA。,Nucleos
14、omes are the basic unit of chromatin structure,3-D of nucleosome：X-ray diffraction studies,Nature 389:251, 1997,在低盐亲水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体（JA，Gall 1981）,Isolated from interphase nucleus: 30nm thick,Chromatin unpacked, show the uncleosome,人体的细胞核内DNA是以螺旋和折叠的方式压缩起来的，压缩比例高达上万倍。一、染色体包装的多级螺旋模型二、染色体的骨架放射环结构模型
15、,染色质包装的结构模型,核小体：DNA螺旋缠绕组蛋白形成核小体，长度压缩了7倍，形成直径为10nm的纤维。螺线管：电镜下可观察直径30nm的染色质纤维，纤维由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，构成外径30nm、内径为10nm的中空管，长度压缩6倍。超螺线管：直径0.4um的圆筒状结构，也称单位线，40倍。染色体：超螺线管进一步螺旋折叠形成染色体，5倍。,染色体包装的多级螺旋模型,solenoid,染色质包装的多级螺旋模型,用高盐或硫酸葡聚糖加肝素处理染色体，电镜下看到一种网络状的染色体骨架结构，由骨架伸出无数DNA侧环。 认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染
16、色体骨架），结合点是富含AT的区域，这种环状的结构散布于细胞核中。,染色体的骨架放射环结构模型,Nucleoid spread with 2 long axes made up of bundles of fibers,Radial loops of chromatin in undisrupted chromosomes,对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域 。,对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。一、染色体包装的多级螺旋模型: 强调螺旋化；二、染色体的骨架放射环结构模型: 强调环化与折叠。,染色体包装的综合模型,
