细胞生物学第十一章 细胞核与染色体

细胞生物学第十一章的要点概括，细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是真核细胞中遗传信息储存的场所，是真核细胞与原核细胞最根本的区别，除极少数高度特化的细胞外，真核细胞均具有细胞核。

细胞核与染色体

• 10.1 细胞核概述
  • 一、细胞核的概念
    • 细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是真核细胞中遗传信息储存的场所，是真核细胞与原核细胞最根本的区别。除极少数高度特化的细胞外， 真核细胞均具有细胞核。
    • 例外
      • 高等植物韧皮部成熟的筛管细胞
      • 哺乳动物成熟的红细胞
  • 二、细胞核的组成
    • 核被膜、染色质/染色体、核仁、核基质
  • 三、细胞核的功能
    • 细胞核是真核生物遗传物质的主要储存场所，是细胞遗传与代谢的调控中心。
    • 细胞核通过复制、分裂将遗传信息传递给子细胞。
    • 细胞核中还进行遗传信息的转录，进行初始转录产物的加工， 并经由核孔进入细胞质中转译， 以此调控细胞的生命活动。
  • 四、 细胞核的意义
    • 真核细胞与原核细胞最大的区别即含有完整的细胞核，使遗传物质与细胞质相分离。
    • 遗传物质的复制在细胞核中进行，而遗传物质的表达则拥有严格的阶段性与区域性，受到多个 层次的调控， 这对于真核细胞复杂的生命过程至关重要。
• 10.2 核被膜
  • 一、核被膜的概念
    • 核被膜是指包被于细胞核最外层的，分离核、质的界膜。
    • 能够选择性控制物质进出细胞核， 分为内外两层。
  • 核被膜的组成
    • 核被膜的组成： 外膜、核周腔、内膜、核纤层、核孔
  • 二、核被膜的功能
    • （1）核被膜将细胞分为核、质两大功能区域， 使遗传信息的表达具有严格的阶段性与区域 性， 避免核、质之间相互干扰， 同时起到保护遗传物质的作用。
    • （2）核被膜构成核、质间选择性屏障， 细胞核通过核孔复合体调控核、质间物质运输与信 息交流。
  • 三、核被膜周期性解体与重建
    • 真核细胞有丝分裂时， 核被膜于前期解体， 末期重现， 进行规律性的解体与重建。
    • （1）有丝分裂前期： 核被膜非随机、有区域特异性的解体， 形成单层膜泡， 核孔复合体消 失， 核纤层去组装。
    • （2）有丝分裂末期： 核被膜围绕染色体重建， 旧核膜与膜泡参与这一过程。首先附着于染 色体表面，并相互融合形成双层核膜，同时膜上的某些功能区域相互融合，与蛋白质组装形 成核孔复合体。
    • （3）核被膜的解体与重建受到细胞促进成熟因子（MPF）的调控， 与核纤层蛋白、核孔复 合体蛋白磷酸化与去磷酸化有关。
  • 四、 核被膜的结构
    • 1.核被膜的基本结构
      • 核被膜由两层平行不连续的单位膜构成，两层膜之间存在 20～40nm 的空隙，称为核周 腔 or 核周间隙，其宽度随细胞种类与功能的不同而变化。
      • 外膜外表面通常伴随核糖体附着，并与粗面内质网相连，核周腔与粗面内质网管腔相通。
      • 内膜外表面光滑，无核糖体附着。内表面附着有一层致密的纤维网状结构，称为核纤层， 其本质为中间丝， 具有组织特异性。
    • 2.核纤层的功能
      • （1）核纤层向外与整联蛋白相连， 对核被膜起到机械支撑的作用， 使遗传物质不因细胞形 态的改变而改变。
      • 高盐溶液、非离子型去污剂、核酸酶等去除大部分核物质后，核纤层仍能维持核的轮廓。
      • （2）核纤层内连核骨架，外接细胞质中间丝，使核骨架与细胞质骨架形成连续的整体结构。
      • （3）核纤层向内与染色体骨架相连，在分裂间期为染色体锚定提供结合位点，稳定染色质。
      • （4）在有丝分裂前期与末期，核纤层蛋白通过磷酸化与去磷酸化，介导核被膜解体与重建。
  • 五、核孔复合体
    • 1.核孔复合体的概念
      • 两层核膜间平行但不连续，在某些功能区域内，内、外核膜局部融合形成环状孔洞，称 为核孔。核孔与一些蛋白质相互整合，形成核孔复合体（NPC），以调控核、质间的物质运 输与信息交流。
    • 2.核孔复合体的结构
      • 核孔复合体由四部分组成： 胞质环、核质环、中央栓、辐
      • （1）胞质环： 胞质环位于核孔边缘细胞质基质一侧， 又称外环。环上有八条纤维对称分布 伸向细胞质基质。
      • （2）核质环： 核质环位于核孔边缘细胞核基质一侧， 又称内环。环上有八条纤维对称分布 伸向细胞核基质， 其末端形成由八个蛋白质构成的环， 称为核篮。
      • （3）中央栓： 中央栓位于核孔中心， 呈颗粒状 or 棒状， 在核质交换过程中起重要作用。
      • （4）辐： 辐由核孔边缘伸向核孔中心， 呈辐射状八重对称， 由三个结构域构成， 包括柱状 亚单位、腔内亚单位 and 环带亚单位。
      • 核孔复合体在核膜的轴向呈辐射状八重对称；
      • 核孔复合体在核膜的平行向不对称，即胞质面与核质面不对称，这与其功能的不对称性 相一致。
    • 3.核孔复合体的功能
      • 核孔复合体是亲水性核、质交换通道，具有双向性，包括亲核蛋白入核 and RNA、RNPs 的出核。
      • （1）被动运输
      • ①易化扩散： 分子量小于 50×103D 的小分子可以通过易化扩散出入 NPC，不与之发生 相互作用， 不消耗代谢能量。
      • ②协助扩散： 某些蛋白质可以在中央栓作用下通过协助扩散出入 NPC ，与 NPC 发生相 互作用， 但不消耗代谢能量。
      • （2）主动运输
      • ①亲核蛋白的输入
      • 亲核蛋白是指在细胞中中合成后，需要进入细胞核发挥功能的蛋白质，含有核定位序列 （NLS）。NLS 富含碱性氨基酸，可位于亲核蛋白的不同位置。可连续存在，也可间断存在。
      • 亲核蛋白的单向输入： 亲核蛋白的 NLS 通过特异性识别输入蛋白α中的特异性序列， 与输入蛋白α/β异二聚体相结合， 形成转运复合物。在输入蛋白β的介导下， 转运复合物 与胞质环结合， 改变构象， 由胞质面转运至核质面， 在核质面与 Ran-GTP 结合， 转运复合 物分离，亲核蛋白释放。输入蛋白异二聚体与结合的 Ran-GTP 返回细胞质，Ran-GTP 水解， 与输入蛋白β分离， 返回核内， 重新形成 Ran-GTP。
      • 亲核蛋白单向输入的原因：
      • A.核孔复合体本身结构不对称；
      • B.胞质与核质中的 Ran-GTP 的浓度梯度。
      • 亲核蛋白入核与胞质中蛋白质分选的差异性：
      • A.亲核蛋白由核孔复合体介导入核， 受到核孔复合体调控， 而非载体蛋白。
      • B.亲核蛋白的信号序列 NLS 在入核后不被切除。
      • C.亲核蛋白以完全天然的构象入核， 无需分子伴侣协助其解折叠。
      • ②RNA and RNPs 的输出
      • 由 RNA pol I 转录形成的 rRNA，需要在核内装配形成核糖核蛋白亚单位（RNPs）， 再 经由核孔复合体转运至细胞质， 此过程消耗代谢能量。
      • 由 RNApol II 转录形成的 hnRNA，需要经过转录后加工， 即 3’端加尾， 5’端加帽以及 剪接等过程后由核孔复合体输出。
      • 由 RNApol III 转录形成的 5S rRNA 、tRNA，经中央栓蛋白转运输出。
• 10.3 染色质与染色体
  • 一、染色质与染色体概述
    • 1.染色质与染色体的概念
      • 在细胞中 DNA 不是单独存在的，而是与蛋白质相结合形成复合物，称为染色质。染色 质是有丝分裂间期细胞遗传物质的主要存在形式。
      • 在有丝分裂分裂期， 染色质高度螺旋化， 压缩为构象最紧密的状态， 彼此间相互独立， 称为染色体。
    • 2.DNA 与蛋白质结合， 包装为染色质的意义
      • （1）压缩 DNA 以适应其所处空间的大小， 降低 DNA 的可接近性， 为 DNA 行为的调控提 供了可能。
      • （2）保护 DNA 免受核酸酶等物质的损伤。
      • （3）确保 DNA 在细胞分裂时平均分给两个子细胞， 保持细胞遗传上的稳定性。
      • （4）有助于基因表达以及亲代染色体间的重组， 增加遗传多样性。
    • 3.染色质的分类
      • （1）常染色质
      • 常染色质是指，在分裂间期细胞内折叠、压缩程度较低，形态较伸展，用碱性染料染色 时着色较浅的染色质。
      • 常染色质有利于转录， 但并非都能够转录。
      • （2）异染色质
      • 异染色质是指，在分离间期细胞内折叠、压缩程度较高，形态较收缩，用碱性染料染色 时着色较深的染色质。分为结构异染色质 and 兼性异染色质。
      • ①结构异染色质
      • 结构异染色质是指，除复制期外，在整个细胞周期中均处于压缩程度较高的染色质，不 转录，其功能为参与染色质高级结构的形成，使染色质具有区间性。可作为 DNA 转座元件。
      • eg： 着丝粒区、端粒区等
      • ②兼性异染色质
      • 兼性异染色质是指，在某一类细胞或细胞发育的不同阶段中，由常染色质压缩而来的丧 失表达功能的染色质， 是细胞关闭相关基因的一种形式。
      • eg： 巴氏小体等
    • 4.巨大染色体
      • （1）多线染色体（双翅目昆虫）
      • 来源于核内有丝分裂， DNA 复制多次而细胞不分开， 且同源染色体配对， 从而阻止染 色质的压缩， 此类细胞永久处于分裂间期。
      • 多线染色体某些区域疏松膨大， 形成胀泡， 是基因表达活跃的标志。
      • （2）灯刷染色体（两栖类卵母细胞）
      • 两栖类卵母细胞减数第 I 次分裂停在双线期的染色体，每条染色体上含有 4 条染色单体， 由于联会未解除， 因而可以交叉。
      • 灯刷染色体大部分以颗粒状存在， 无表达活性， 侧环表达活性较高。
  • 二、 染色质与染色体的组成
    • 1.染色体基因组
      • （1）基因组的概念
        • 基因组是指一个生物体或细胞中一套完整遗传物质的总合。
        • 对于病毒： 核酸（DNA 或 RNA）
        • 对于原核生物： 拟核 ＋ 质粒
        • 对于真核生物： 配子中染色体组 ＋ 另一条性染色体 ＋ 细胞器 DNA
      • （2）原核生物与真核生物的基因组
        • 整体
          • ①原核生物基因组相对较小， 结构简单。
            • 真核生物基因组相对较大， 结构复杂。
        • DNA与蛋白质的关系
          • ②原核生物中 DNA 不与组蛋白结合。
            • 真核生物中 DNA 与组蛋白结合， 形成复杂的染色体。
        • 非编码区域
          • ③原核生物中非编码区比例较小， 基因为连续基因， 不含内含子。
            • 真核生物中非编码区比例较大， 基因为断裂基因， 含有内含子。
        • 基因表达产物
          • ④原核生物基因表达产物可能为多顺反子 mRNA，可转译多种蛋白。
            • 真核生物基因表达产物为单顺贩子 mRNA，只转译为一种蛋白。
        • 基因表达方式
          • ⑤原核生物基因组表达在时空上有连续性， 同时进行。
            • 真核生物基因组表达在时空上严格分开， 具有阶段性与区域性。
    • 2.染色体组蛋白
      • （1）组蛋白的概念
        • 组蛋白是真核生物染色体的主要成分， 富含碱性氨基酸， 参与构成核小体的核心结构。 包括： H1 、H2A 、H2B 、H3 、H4 五种组蛋白。
      • （2）核小体组蛋白（H2A 、H2B 、H3 、H4）
        • 核小体组蛋白又称核心组蛋白，包括 H2A、H2B、H3、H4，每个核小体各含两个拷贝。 分子量约为 11～15kD，没有组织特异性， 高度保守， 尤其是 H3 、H4。
        • 核小体组蛋白由 C-端折叠域和N-端尾巴构成。
          • ①C 端折叠域： 核小体组蛋白中高度保守的结构域， 介导组蛋白中间体的组装。
          • ②N 端尾巴： 核小体组蛋白 N 端可变区域， DNA 与组蛋白的结合无需 N 端尾巴。
          • N 端尾巴的功能：
            • A.N 端尾巴能够从核小体特定位置伸出，指导 DNA 以左手螺旋方式缠绕核小体组蛋白， 以储存负超螺旋， 有利于 DNA 局部解旋。
            • B.N 端尾巴与相邻核小体的相互作用对染色体 30nm 纤维的形成至关重要。
            • C.N 端尾巴中存在多个化学修饰位点， 能够改变核小体的功能与可接近性。
      • （3）非核小体组蛋白（H1）
      • 非核小体组蛋白又称连接组蛋白，包括 H1，每个核小体中含有一个拷贝。分子量约为 20kD ，有一定组织特异性，保守性较低，与连接 DNA 结合，保护约 20bp DNA 免于被核酸 酶降解。
    • 3.染色体非组蛋白
      • （1）非组蛋白的概念
      • 非组蛋白是指与特异性 DNA 序列相结合的蛋白质，参与染色体高级结构的形成与基因 表达的调控， 其识别的 DNA 序列在演化上是保守的。
      • 非组蛋白的几种基序： 螺旋-转角-螺旋、螺旋-突环-螺旋、锌指、亮氨酸拉链
  • 三、 染色体的结构
    • 1.染色体的一级结构
      • 染色体的一级结构是指 10nm 核小体串珠结构，基本单位为核小体。
      • 核小体由 8 个核心组蛋白构成的八聚体核心和缠绕在核心组蛋白上的核心 DNA 构成。 核小体之间由连接 DNA 相连， 组蛋白 H1 与之结合。
      • （1）核心八聚体由（H2A 、H2B 、H3 、H4）×2 构成。
      • （2）核心 DNA 约含 147 个碱基对， 缠绕核心组蛋白 1.75 周， 无物种特异性。
      • （3）连接 DNA 约含 20~60 个碱基对， H1 与之结合， 稳定核小体， 有物种特异性。
      • （4）DNA 与组蛋白的结合不依赖 DNA 的序列特异性， 是动态结构。
      • （5）DNA 中没有被包装到核小体中的部分与基因表达、调控等行为相关，通常与非组蛋白 结合。
    • 2.染色体的高级结构
      • （1）染色体高级结构的基础
        • ①组蛋白 H1 与核小体的结合对染色体高级结构的形成至关重要。H1 的结合使 DNA 与 核心组蛋白的缠绕更为紧密，以介导形成染色体的高级结构，并使其可接触性降低，结构稳 定。
        • ②核心组蛋白 N 端尾巴与相邻核小体间的相互作用对形成染色体高级结构至关重要。 （2）染色体的二级结构
      • 染色体的二级结构是指 30nm 螺线管结构，以 6 个核小体为一圈，旋转排列形成外径约 30nm 的螺线管。由 10nm 核小体串珠到 30nm 螺线管， DNA 压缩了 6 倍。
      • （3）染色体的高级结构模型： 共压缩 8400 倍
      • ①多级螺旋模型
        • 30nm 螺线管进一步盘区缠绕，形成外径约 400nm 的超螺线管结构，再由超螺线管组装 形成染色单体。
      • ②绊环模型
        • 30nm 螺线管进一步盘曲折叠，形成 DNA 复制环，每 18 个复制环平面放射状排列，与 核基质结合形成微带， 约 106 个微带沿纵轴排列形成染色单体。
    • 3.有丝分裂中期染色体的结构
      • （1）着丝粒与动粒
      • 着丝粒又称主缢痕， 是染色体中一段非编码 DNA，介导中期两条染色单体的连接。 着丝粒包含三个结构域， 即动粒结构域、中央结构域 and 配对结构域。
      • （2）次缢痕
      • 次缢痕是指染色体中除去主缢痕外其他缢缩的部分，位置不固定，可用于染色体的鉴定。 （3）核仁组织区（NOR）
      • 核仁组织区通常位于染色体次缢痕处，但并非所有次缢痕都是 NOR，有丝分裂完成时， 核仁定位于 NOR。
      • 核仁组织区编码 rRNA，与间期核仁形成有关。
      • （4）随体
      • 随体是位于染色体末端的球型片段， 通过次缢痕与染色体相连。可用于染色体的鉴定。 （5）端粒
      • 端粒是染色体末端的特化结构，由短重复串联序列构成，富含 TG，在演化中高度保守。 其作用作用维持染色体的独立性与稳定性。
    • 4.维持染色体稳定的三元件
      • （1）复制起点序列
      • 复制起点序列是细胞周期中 DNA 复制的起点，维系染色体在细胞分裂过程中的连续性。 原核生物只有一个复制起点。
      • 真核生物有多个复制起点。
      • （2）着丝粒序列
      • 着丝粒序列介导姐妹染色单体相连，并通过动粒与纺锤体微管相连，以确保染色体能够 平均分配到两个子细胞中。
      • 一个染色体只有一个着丝粒， 由串联重复序列构成， 具有物种特异性。
      • （3）端粒序列
      • 端粒序列位于染色体末端，多以单链形式存在，由简单重复序列串联而成，有物种特异 性。人类端粒序列为 5’-TTAGGG-3’。
      • 端粒能够保护染色体末端， 避免末端被降解或重组。
      • 端粒是高度特化的复制起点，通过端粒酶复制，不依赖染色体 DNA 复制，由此解决线 性染色体末端复制问题。
      • 四、 染色体的行为
      • 真核细胞染色体的复制与分离发生在细胞周期中的不同时相， 有严格的阶段性与区域 性。
      • G1 期： DNA 准备合成。
      • S 期： DNA 合成期，每条染色体 DNA 完整复制，形成两条染色单体，通过着丝粒相连。 G2 期： 染色体准备分离。
      • M 期： 分裂期， 姐妹染色单体通过动粒介导与纺锤体微管相连， 动粒牵引两条染色单 体分离， 向细胞两极移动， 在子细胞中平均分配。
• 10.4 核仁与核基质
  • 一、 核仁的概念
    • 核仁是真核细胞有丝分裂间期最显著的结构，是细胞核中 rRNA 转录以及核糖体亚基加 工的场所， 在细胞周期中有规律的消失与重现。
  • 二、核仁的结构
    • 1.纤维中心（FC）：FC 是包埋于颗粒组分内的一个或几个电子密度较低的结构区域， 染色 较浅。内含 rDNA 与 DNA 聚合酶。
    • 2.致密纤维组分（DFC）：DFC 是包埋于颗粒组分内的电子密度较高的结构区域， rDNA 在 FC 于 DFC 交界处转录为pre-rRNA。
    • 3.颗粒组分（GC）：GC 由核糖核蛋白（RNP）构成， 是核仁的主要成分， 是核糖体亚基的 装配、成熟与储存的场所， 负责 pre-rRNA 的加工。
    • 4.核仁相随染色质：包括核仁周边染色质与核仁内染色质， 构成核仁组织区。
    • 5.核仁基质：核仁中的无定形物质， FC 、DFC 、GC 等均包埋其中。
  • 三、 核仁的功能
    • 核仁的主要功能为核糖体的发生，包括 rRNA 的合成、加工以及核糖体亚单位的装配等。
    • 1.rDNA 的转录（于 FC 、DFC 交界）
      • 核仁组织区（NOR）是指细胞核中染色体的特异性片段， 通常位于染色体次缢痕处， 是核仁的产生部位， 内含 rDNA。
      • rDNA 中含有大量 rRNA 基因拷贝串联而成的重复序列，成簇分布于染色体中，被组织 与 NOR 内， 一方面能够增加基因浓度， 另一方面能够实现 RNA pol I 作用下的连续转录。
      • 真核细胞四种 rRNA 中， 5.8S 、18S 、28S rRNA 在核仁中转录。
      • 2.pre-rRNA 的加工（于 DFC 、GC 交界）
      • 在核仁中一类小分子核仁核糖核蛋白（snoRNPs）的作用下，由gRNA 指导，进行 rRNA 前体的编辑与加工。这一过程涉及一系列核酸的降解与碱基修饰。
      • 3.核糖体亚单位的组装。
  • 四、核仁周期性消失与重现
    • 核仁是高度动态的结构， 在有丝分裂中周期性的消失与重现。
    • 1.有丝分裂前期
      • 核膜解体， 核仁缩小， 随着染色体的聚集， 核仁消失， rDNA 转录停止。
    • 2.有丝分裂末期
      • 核膜重建， 核仁物质聚集， 之后于 NOR 周围融合形成新的核仁， rDNA 重现开始转录。
  • 五、 核基质
    • 1.核基质的概念
      • 核基质是指真核细胞细胞核除核被膜、染色体与核仁以外的，一个由蛋白质为主构成的 空间网络结构， 与 DNA 的复制、基因表达、染色质的包装等过程密切相关。
    • 2.核骨架
      • （1）核骨架是存在于真核细胞细胞核中的， 由蛋白质构成的空间网络结构。
      • （2）核骨架与核纤层、中间丝相连， 是贯穿于细胞核与细胞质的相对独立的整体结构。
      • （3）核骨架的主要成分为非组蛋白构成的纤维蛋白， 含有少量 RNA。