第六讲 细胞核与染色体 nucleus and chromo

分子生物学，内容有核膜（核孔）nuclear membrane、核纤层和核骨架nuclear lamina and nuclear scaffold、染色质和染色体chromatin and chromosome、核仁nucleolus、细胞核的功能。

第六讲 细胞核与染色体 nucleus and chromosome

• 第一节 核膜（核孔）nuclear membrane
  • 一、 亚显微结构
    • 又称 核被膜 nuclear envelope
      • 内核膜 inner nuclear membrane
        • 核膜中靠近核质的一层膜，外表面无核糖体附着，内测有一层致密的纤维蛋白网络，称为核纤层，对核膜起保护作用。
      • 外核膜 outer nuclear membrane
        • 面向胞质，厚4~10nm，与RER相连，外表面附着核糖体，能进行蛋白质合成。
      • 核周间隙 perinuclear space
        • 内外核膜之间的腔隙，使内外核膜之间的缓冲区。
      • 核孔（核孔复合体）nuclear pore (nuclear pore complex， NPC)
        • 电镜下，核孔为内外核膜局部融合形成的圆环状结构。
        • 是由多个蛋白质颗粒以特定的方式排列形成的蛋白质分子复合物，称为核孔复合体
        • 结构模型：捕鱼笼模型 fish trap
          • 胞质环 cytoplasmic ring
            • 8条胞质原纤维 cytoplasmic fibril
          • 核质环 nucleoplasmic ring
          • 终末环
          • 核篮 nuclear cage
          • 中央栓 central plug（轮辐 spoke）
        • 意义：核孔复合体是“门卫”，以主动运输的方式转运大分子和某些小颗粒物质。
  • 二、 核膜的功能
    • 1、区域化作用
      • 对真核细胞而言，RNA的转录和蛋白质的合成在时间和空间上得以分隔
    • 2、控制核质间的物质交换
      • 选择性
        • 无机离子和小分子可以自由通过核膜
        • 大分子和某些小颗粒物质通过核孔复合体运输
        • 核转运受体：位于核孔复合体上的可溶性的蛋白质或RNA-蛋白质复合体(RNA-protein complex, RNP complex)，具选择性。
        • 核定位信号（nuclear localization signal, NLS）：核蛋白上的一小段4-8个氨基酸多肽，可位于蛋白质的任何部位，富含Lys，Arg和Pro。
      • 双向性
      • Mg2+ ATP酶：提供能量
    • 3、合成生物大分子
      • 因为有核糖体附着
    • 4、在细胞分裂中参与染色体的定位和分离
• 第二节 核纤层和核骨架 nuclear lamina and nuclear scaffold
  • 一、 核纤层 nuclear lumina
    • （一）亚微结构
      • 内核膜下高电子密度的纤维蛋白网，厚10~20 nm
      • 核内与核基质/核骨架相连，核外与中间纤维相连，构成核与质的网架结构体系
    • （二）组成成分
      • 核纤层蛋白 Lamin A, Lamin B1/B2, Lamin C
      • 核纤层相关蛋白 lamina associated protein, LAP
    • （三）核纤层的功能
      • i. 稳定细胞核的结构
        • 核纤层蛋白的磷酸化与去磷酸化决定核膜的崩溃与重建
      • ii. 与染色体凝集有关
      • iii. 与核膜重建有关
  • 二、 核骨架 nuclear scaffold / 核基质 nuclear matrix
    • （一）亚微结构
      • 蛋白质纤维，直径3-30nm,与核纤层和中间丝构成贯穿于核、质之间的复合网络系统。
      • 是间期细胞核内除了染色体。核膜与核仁以外的非组蛋白组成的纤维网架
    • （二）组成成分
      • 主要由“核基质蛋白”和“核基质结合蛋白”（酶、调控蛋白、RNP等）构成
    • （三）核骨架的功能
      • 1、与DNA复制有关
        • ----DNA复制起点等结合在核骨架上
      • 2、与基因表达有关
        • ----RNA聚合酶及RNA都结合在核骨架上
          • 细胞内三种RNA都是在核骨架上合成
      • 3、与RNA转录后加工修饰和定向运输有关
        • 前体RNA RNA
      • 4、与染色体构建有关
        • ----核骨架是间期核内DNA的支架，也是分裂期染色体的支架。
• 第三节 染色质和染色体 chromatin and chromosome
  • 染色质
    • （一）染色质的化学组成
      • DNA
      • Histone 组蛋白
        • H1[非保守，具有种属特异性]， H2A, H2B, H3, H4 富含Arg，Lys这种碱性蛋白质 在S期与蛋白质一起合成
      • 非组蛋白
      • RNA和脂类
    • *（二）染色质的结构与组装
      • 1、染色质一级结构的基本单位：核小体* nuclesome
        • 本质：DNA将核小体连接起来组成的染色质纤维
      • 2、染色质的二级结构：螺线管 solenoid*
        • 1、6个核小体构成一个螺旋。
        • 2、H1存在是构成螺线管的基础，其位于螺线管的内部，稳定螺线管
      • 3、染色体的高级结构
        • 多级螺旋模型
          • 超螺线管
        • 放射环（絆环）模型 【目前认为】（具有非组蛋白纤维支架）
      • 4、染色体的四级结构：染色单体
    • （三）染色质的分类
      • 常染色质 euchromatin: 松散，具有转录活性
      • 异染色质 heterchromatin： 凝聚，无或低转录活性
        • 组成性异染色质 constitutive heterochromatin
          • 指所有细胞类型的全部发育阶段都处于凝集状态的染色质，由相对简单的高度重复的DNA序列组成，不转录也不编码蛋白质,是异染色质的主要类型，位于大多数染色体的着丝粒区、端粒和次缢痕处。
        • 兼性异染色质 facultative heterochromatin
          • 在某些细胞中或在一定的发育阶段，由原来的常染色质失去转录活性，转变为凝集状态的异染色质，如X小体或巴氏小体（Barr body）
            • 例子：三色猫的形成
  • 染色体
    • （一）中期染色体的结构*
      • 主缢痕
        • 本质：着丝粒-动粒复合体
          • 动粒结构域 kinetochore domain
            • 外板 outer plate
            • 中间间隙 middle space
            • 内板 inner plate
          • 中心结构域 central domain
            • 抵抗 渗透、膨胀，核酸酶消化
          • 配对结构域 pairing domain
            • 连接 姐妹染色单体和染色单体连接蛋白（chromatid linking protein）
        • 存在意义：
          • 保证有丝分裂中染色体与纺锤体的整合及有序的配对和分离
      • 次缢痕
        • 作用：鉴别染色体的标志物
        • 重要存在：核仁组织者区 Nucleolar orginizor reagon NOR *
          • 存在位置：
            • 分裂期：染色体次裂痕处
            • 间期：核仁内染色质
          • 特点
            • 含rRNA基因 （5s rDNA除外），
            • 与间期细胞核仁形成有关的结构，有缔合核仁的功能；
      • 端粒 telomere
        • 染色体末端的特化部位，可维持染色体的稳定性，保证染色体DNA的完全复制及参与染色体在核内的空间排布。
        • 端粒 = 端粒DNA + 端粒结构蛋白
          • DNA富含GC，简单重复序列，如GGGTCC
          • 复制过程中会缩短，进而导致细胞老化或死亡.
            • 端粒酶 = 蛋白质 + 与端粒DNA互补的RNA
              • 可以用于补全端粒，一般癌症细胞会重新激活端粒酶
    • （二）染色体类型
      • 中央着丝粒染色体
      • 近中着丝粒染色体
      • 近端着丝粒染色体
      • 端着丝粒染色体
    • （三）染色体的数目
      • 一定要厘清概念
      • 单倍体 n
        • 只含有一组染色体的细胞或个体
      • 二倍体 2n
        • 含有两组染色体的细胞或个体
      • 多倍体
        • 含有三组或三组以上染色体的细胞或个体
    • （四）核型（karyotype*）和带型
      • 核型
        • 一个物种的全套染色体在有丝分裂中期的表（现）型，包括染色体的数目、大小和形态特征等方面。
        • 核型分析：对染色体进行测量计算，并进一步加以分组、排队、配对以进行形态分析。
      • 带形
        • 用荧光或化学物质对染色体进行染色后，染色体沿纵轴方向显示出宽窄、深浅、明暗各不相同的带纹。 常用的有Q带、G带、R带。
    • （五）核型异常
      • 唐氏综合征
        • 21号染色体数目异常
      • 费城综合征 CML
        • 7 <-> 22 异位
      • 慢性髓性白血病
• 第四节 核仁 nucleolus
  • 一、 化学组成
    • RNA
    • DNA
    • Protein
    • 水、脂类
  • 二、 核仁的亚微结构
    • • 记忆方法：中心法则
  • 三、 核仁周期
  • 四、 功能——核糖体组装
    • 1、合成核糖体RNA（rRNA）
      • 28S、18S和5.8S rRNA在核仁内合成 5S rRNA在核仁外常染色体上合成
    • 2、组装核糖体的大小亚基
      • 核糖核酸蛋白体（核糖体）= rRNA+rProtein
• 第五节 细胞核的功能
  • 遗传信息的储存、复制、传递及表达
    • i. 染色质/染色体：遗传物质DNA上碱基对的排列顺序构成遗传信息；
    • ii. 核基质：DNA复制、mRNA、tRNA及5S rRNA的转录；
    • iii. 核仁：合成rRNA，组装核糖体大小亚基；
    • iv. 核膜：核质间物质交换。