细胞生物学细胞核与染色质

细胞生物学细胞核与染色质，细胞生物学各章知识总结

细胞核与染色质

• 核被膜
  • 核膜
    • 核膜结构
      • 外核膜
      • 核周间隙
      • 内核膜
      • 核孔复合体
      • 核纤层
    • 核膜特点
      • 外核膜胞质面附有核糖体，并与糙面内质网相连通，核周隙与内质网腔相通，因此可以说外核膜是内质网的一部分
      • 内核膜的内表面有一层网络状纤维蛋白质，叫核纤层。内核膜上有一些特有的蛋白成分，从而把核膜固定在核纤层上
      • 内外核膜在某些部位融合，形成环状开口，叫核孔。在核孔上镶着一种复杂的结构叫 核孔复合体。核孔周围的核膜特称为孔膜区。
    • 核膜的崩解与组装
      • 在细胞进行有丝分裂时，核被膜于前期解体，到末期又重新形成，规 律地解体与重建
      • 核膜的崩解与核纤层的解体和重新组装紧密关联的，有丝分裂前期核纤层蛋白磷酸化使核纤层解体，核膜崩解形成小囊泡；末期核纤层蛋白去磷酸化，核纤层再次组装形成网络状，核膜重建
      • 核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性，如孔膜区和核内膜分别形成独立的小囊泡
      • 组装 时内核膜形成的小泡先结合蛋白质，孔膜区膜形成的小囊泡后结合，再组装核孔复合体
      • 旧核膜参与新核膜的构建
  • 核孔复合体
    • 结构组分
      • 胞质环
      • 核质环
      • 辐
      • 栓（中央栓），又称为中央颗粒，还可以以叫做“transporter”
    • 组成成分：主要是蛋白质
      • gp210 和 p62 是最 具有代表性的两个成分
        • gp210 蛋白是一种定位于核孔的跨膜糖蛋白，其作用是介导核孔复合体与核被膜的连接， 将核孔复合体锚定在孔膜区，对稳定核孔复合体的结构有重要作用。此外，它可能在内外核膜融合形成核孔及核孔复合体的核质交换功能活动中起一定作用
        • p62 代表一类功能性的核孔复合体蛋白，也参与核质交换活动，在维持核孔复合体行使正常功能中发挥作用
    • 核孔复合体的功能
      • 从功能上讲，核孔复合体被认为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：被动扩散与主动运输。双向性表现在信号介导的核输入和信号介导的核输出
      • 通过核孔复合体的被动扩散
      • 通过核孔复合体的主动运输
        • 对运输颗粒大小的限制
        • 主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗能量
        • 具有双向性，即包括核输入和核输出
          • 亲核蛋白的核输入
            • 亲核蛋白一般含有一段特殊的氨基酸序列，证实这些信号序列起到“定向”或“定位”的作用，保证整个蛋白质通过核孔复合体输入细胞核，因此将这些信号序列命名为核定位序列或核定位信号（NSL）
            • 带有 NLS 序列的亲核蛋白进入细胞核分为几个不同的阶段
              • 结合：NLS 识别并 结合核孔复合体，不消耗能量
              • 转移：需 GTP 水解提供能量。该转运过程还有其他蛋白因子的参与，并受多个因素的影响
          • RNA 及核糖体亚单位的核输出
  • 核纤层
    • 核纤层的功能
      • 结构支撑
      • 调节基因表达
      • 调节 DNA 修复
      • 与细胞周期相关
• 染色质
  • 染色质 DNA
    • 基因组大小比较
      • 一般讲，基因组的大小随物种的复杂性而增加，但基因组的大小与生物有机体的复杂性并不完全相关
    • 基因组 DNA 类型
      • 主要分为以下几类
        • 蛋白质编码序列：主要是单一序列，以三联体密码方式进行编码
        • 编码 rRNA、tRNA、snRNA 和组蛋白的串联重复序列，一般有 20-300 个拷贝
        • 含有重复序列的 DNA
        • 未分类的间隔 DNA
      • DNA 的二级结构构型分 3 种：A 型 DNA、B 型 DNA（右手双螺旋 DNA）和 Z 型 DNA。3 种构型的 DNA 处于动态转变之中，通过构型转变来调节活性
        • B 型 DNA：生理条件下，B 型 DNA 双螺旋是最主要的存在形式，是活性最高的 DNA 构象
        • A 型 DNA：是 B 型 DNA 的重要变构形式，仍有活性
        • Z 型 DNA：呈左手螺旋，也是 B 型 DNA 的另一种变构形式，活性明显降低
      • 在这几种构象的 DNA 结构特征中，沟（groove，特别是大沟）是调控蛋白识别遗传信息的位点，沟的宽窄及深浅也直接影响碱基对的暴露程度，从而影响调控蛋白对 DNA 遗传信息的识别。此外，DNA 双螺旋进一步扭曲盘绕形成特定的高级结构，正、负超螺旋是 DNA 高级结构的主要形式
  • 染色质蛋白
    • 组蛋白：非序列特异性DNA结合蛋白
      • 可以区分 5 种不同的组蛋白：H1、H2A、H2B、H3 和 H4，几乎存在于所有的真核细胞
      • 从功能上，5 种组蛋白可分为两组
        • 核小体组蛋白，包括 H2A、H2B、H3 和 H4
        • H1 组蛋白，有一定的种属和组织特异性。H1 组蛋白在构成核小体时起连接作用。在成熟的鱼类和鸟类红细胞中 H1 被 H5 取代
    • 非组蛋白：序列特异性DNA结合蛋白
      • 特性
        • 多样性
        • 识别 DNA 具有特异性
        • 具有功能多样性，包括基因表达的调控和协助染色质高级结构的形成
      • 非组蛋白与 DNA 结合的不同结构模式
        • α 螺旋-转角-α 螺旋模式
        • 亮氨酸拉链模式
        • 锌指模式
  • 核小体
    • 每个核小体包括：约 200 bp DNA 超螺旋、一个组蛋白八聚体、一分子 H1
    • 八聚体：H2A, H2B, H3, H4 各 2 分子组成核心结构
    • H1 与 DNA 结合，锁住核小体 DNA 的进出口
    • 两相邻核小体之间以连接 DNA 相连
    • 核小体沿 DNA 的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达
  • 染色质组装
    • 染色质组装的前期过程
      • 染色质组装的前期过程，即从裸露的DNA组装成直径30nm的染色质纤维已有直接的实验证据
    • 染色质组装的多级螺旋模型
      • DNA（2 nm）→核小体（10 nm）→螺线管（30 nm）→超螺线管（0.4 μ m）→染色单体（2~10 μ m）
    • 染色质组装的放射环结构模型
      • DNA（2 nm）→核小体（10 nm）→螺线管（30 nm）→DNA复制环→微带→染色体
  • 染色质类型
    • 常染色质和异染色质
      • 间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质
      • 常染色质状态是基因具有转录活性所必需的，但并非所有基因都具有转录活性
      • 间期核中，染色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，用碱性染料染色时，着色深的那些染色质
      • 异染色质又分为结构异染色质或组成型异染色质和兼性异染色质
    • 常染色质与异染色质的转变
      • 常伴随着组蛋白和 DNA 的修饰
• 染色体
  • 染色体的形态结构
    • 根据着丝粒在染色体上所处的位置，将染色体分类
    • 染色体的结构
      • 着丝粒与动粒（着丝点）
        • 位于染色体臂的缢缩处或染色体端部，该缢缩处称为主缢痕
        • 包括 3 个结构域: 动粒结构域、中央结构域和配对结构域
      • 次缢痕
        • 鉴别染色体的标志
      • 核仁组织区（NOR）
        • 与间期细胞核仁形成有关
      • 随体
        • 识别染色体重要形态特征之一，带有随体的染色体称为 sat 染色体
      • 端粒
        • 染色体端部的异染色质结构
        • 作用在于维持染色体的独立性和稳定性，与染色 体在核内的空间排布及减数分裂时同源染色体的配对有关
        • 端粒的长度与细胞及生物个体的寿命有关
  • 染色体的功能元件
    • 结构要素
      • 自主复制序列
      • 着丝粒 DNA 序列
      • 端粒 DNA 序列
    • 构成染色体 DNA 的这 3 种关键序列，称为染色体 DNA 的功能元件
    • 端粒 DNA
      • 维持染色体的稳定性，参与细胞核中一系列活动，如染色体定位、转录抑制、异染色体形成等，在 细胞内的有丝分裂中起“时钟”作用，从而保证细胞在有丝分裂时染色体能够准确分离
      • 端粒的长度维持在一定的范围内是细胞正常有丝分裂的保证。正常体细胞每传代一次，端粒丢失一定长度。
      • 在端粒长度的维持过程中有两类重要蛋白，即端粒相关蛋白和端粒酶
      • 端粒酶是一种反转录酶，以 RNA 为模板合成 DNA，但又与大多数反转录酶不同，端粒酶本身就含有作为模板的 RNA，能将新的重复单位加到子 DNA 链末端
  • 染色体带型
  • 特殊染色体
    • 多线染色体
      • 存在于双翅目昆虫的唾腺、气管、肠和马氏管的细胞内
      • 来源于核内有丝分裂
      • 即核内 DNA 多次复制而细胞不分裂，复制后的子染色体不能分配到子细胞中，且有序地并行排列；又由于体细胞内同源染色体配对，紧密结合在一起从而阻止染色质纤维进一步聚缩，最终形成体积很大的多线染色体
    • 灯刷染色体
      • 存在于动物卵母细胞
      • 卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体
      • 是一个二价体，包含４条染色单体
      • 双线期染色体的主要特点是交叉现象明显
• 核仁
  • 匀质的球状小体，一个或多个
  • 大小、形状和数目随生物的种类、细胞形状和生理状态而异
  • 蛋白质合成旺盛、生长活跃的细胞，核仁很大
  • 高度动态的结构，在有丝分裂期间表现出周期性的消失与重建
  • 真核生物的核仁是 rRNA 合成、加工和核糖体亚单位的组装场所
  • 核仁的结构
    • 纤维中心（FC）
      • 存在 rDNA、RNA 聚合酶 I 和结合的转录因子
    • 致密纤维组分（DFC）
      • 含有正在转录 的 rRNA 分子和蛋白
      • 转录主要发生在 FC 与 DFC 的交界处
    • 颗粒组分（GC）
      • 含有正在加工、成熟的核糖体亚单位前体颗粒
    • 间期核中核仁的大小差异主要是由颗粒组分数量的差异造成的
  • 核仁的功能
    • rRNA 的转录、加工和核糖体亚单位的装配
    • rRNA基因的转录
      • 合成 rRNA 需要有 rRNA 基因（rDNA），这种基因被定位在核仁组织区（NOR），NOR 区 基因编码 18S、28S 和 5.8S rRNA，这三个基因能形成一个转录单位，由专一的 RNA 聚合酶进行连续转录， 产生 rRNA 前体，前体经过 RNA 聚合酶的加工才能成为有功能的 rRNA
      • 5S rRNA 在核仁外转录，由 RNA 聚合酶Ⅲ转录
    • rRNA前体的加工与核糖体亚单位的组装
      • 每个 rRNA 基因转录单位在 RNA 聚合酶Ⅰ作用下产生原初转录产物 rRNA 前体
      • 核糖体的作用只发生在亚单位被转运到细胞质以后，即大、小亚基被转移到细胞质后才能 形成功能单位
  • 核仁的动态周期变化
    • 当细胞进入有丝分裂前期时，核仁变形和变小，然后随着染色质凝集，核仁消失，所有 rRNA 合成停止
    • 进入有丝分裂末期，核仁组织区 DNA 解凝集，重新开始 rRNA 合成，极小的核仁重新出现在核仁组织区附近，而重现的核仁物质可能由一些小的核仁前体物聚集而来