第十章 细胞核与染色体

细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是细胞遗传与代谢的调控中心，是真核细胞区别于原核细胞最显著的标志之一。

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。

（1）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；

（2）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。

 

第一节 核被膜与核孔复合体

核被膜（nuclear envelope）位于细胞核的最外层，使细胞核与细胞质之间的界膜。

具有两种功能：一方面，核被膜构成了核、质之间的天然选择性屏障，将细胞分成核与质两大结构与功能区域，使得DNA复制、RNA转录与加工在核内进行，而蛋白质翻译则局限在细胞质中。另一方面，核被膜调控细胞核内外的物质交换和信息交流。

核被膜有3种结构组分：双层核膜、核孔复合体与核纤层。

一、核被膜

1、定义：位于间期细胞核的最外层，是核与基质之间的界膜。

 2、结构组成：

（1）外核膜（outer nuclear membrane）：附有核糖体颗粒，与糙面内质网相连；

（2）内核膜（inner nuclear membrane）：表面光滑，无核糖体颗粒附着，但紧密连接核纤层，上有核纤层蛋白受体。

（3）核纤层（nuclear lamina）：紧贴在内核膜内的一层致密的纤维网络结构。

  ①保持核的形态

②参与染色质和核的组装

（4）核周间隙（perinuclear space）：内外核膜之间的腔

（5）核孔（nuclear pore）：内外核膜融合的环状开口，在核孔上镶嵌一种复合结构，称为核孔复合体，核孔周围的核膜特称为孔膜区（pore membrane domain）。

3、核被膜功能：

（1）构成核、质之间的天然选择性屏障

（2）避免生命活动的彼此干扰

（3）保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤

（4）核质之间的物质交换与信息交流

4、核被膜在细胞周期中的崩解与装配：

（1）新核膜来自旧核膜

（2）核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性

（3）核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调控因子的调节，调节作用可能与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。

二、核孔复合体

 1、定义：镶嵌在核孔上的复杂结构

 2、结构模型：

（1）胞质环（cytoplasmic ring）：外环，位于核孔边缘胞质面侧；

（2）核质环（nuclear ring）：内环，内环上对称连有8条纤维，形成核蓝结构

（3）辐（spoke）：由核孔边缘伸向中心，呈辐射状8重对称。

①柱状亚单位（column subunit）：位于核孔边缘，连接内外环，起支持作用

②腔内亚单位(luminal subunit)：接触核膜部分的区域。

③环带亚单位（annular subunit）：在柱状亚单位之内，靠近核孔复合体中心部位。

（4）栓（中央栓）（central plug）：位于核孔中心，呈颗粒或棒状。

3、核孔复合体成分研究

（1）核孔复合体主要由蛋白质构成，代表蛋白是gp210 和 p62

（2）gp210：结构性跨膜蛋白

①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”，为核孔复合体装配提供一个起始位点

②在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用

③在核孔复合体的核质交换功能活动中起作用

（3）p62：功能性蛋白，具有两个功能结构域

①疏水性N端区：在核孔复合体功能活动中直接参与核质交换

②C端区：可能通过与其它核孔复合体蛋白相互作用，将p62分子稳定到核孔复合体上，为N端进行核质交换活动提供支持。

4、核孔复合体功能：核质交换的双向选择性亲水通道

（1）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：入核和出核

（2）通过核孔复合体的被动运输

    一般10nm的分子可以被动运输的方式自由出入核孔复合体，有的则由于含有信号序列或者和其它的分子结合成大分子而不能自由出入核孔复合体。

（3）通过核孔复合体的主动运输

通过核孔复合体的主动运输主要是指亲核蛋白的入核，RNA分子及核糖核蛋白颗粒（SNP）出核运输，具有高度的选择性，并且是双向的选择性表现在以下三个方面：

     ①对运输颗粒大小的限制；

     ②是信号识别和载体介导的过程；

     ③双向性：蛋白质的入核；RNA和核糖体亚单位的出核。

（4）亲核蛋白与核定位信号

    亲核蛋白（karyophilic protein）：在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质，进入核之后一直滞留在其中执行功能；穿梭于核质之间行驶功能。

核定位信号 (nuclear localization signal，NLS)：核质蛋白的C端有一个信号序列，可引导蛋白质进入细胞核

（5）亲核蛋白入核转运的步骤

    结合（binding）：需NLS识别并结合importin；

    转移（translocation）：需GTP水解提供能量

（6）核质蛋白向细胞核的输入可描述如下：①蛋白与NLS受体，即imporin α/β异二聚体结合，形成转运复合物；②转运复合物与受体的复合物与NPC胞质环上的纤维结合；③纤维向核弯曲，转运器构象发生改变，形成亲水通道，货物通过；④货物受体复合体与Ran-GTP结合，复合体解散，释放出货物；⑤与Ran-GTP结合的imporin β，输出细胞核，在细胞质中Ran结合的GTP水解，Ran-GDP返回细胞核重新转换为Ran-GTP；⑥imporin α在核内exportin的帮助下运回细胞质

（7）转录产物RNA的核输出

转录后的RNA通常需加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。

①RNA聚合酶I转录的rRNA分子：以RNP的形式离开细胞核，需要能量；

②RNA聚合酶III转录的5s rRNA与 tRNA的核输出由蛋白质介导；

③RNA 聚合酶II转录的hn RNA，在核内进行5’端加帽和3’端附加多聚A序列以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA出核，5’端的m⁷GpppG“帽子”结构对mRNA的出核转运是必要的；

④细胞核中既有正调控信号保证mRNA的出核转运，也有负调控信号防止mRNA的前体被错误地运输，后者与剪接体(spliceosome)有关。

⑤mRNA的出核转运过程是有极性的，其5’端在前，3’端在后。

⑥核输出信号 (Nuclear Export Signal，NES)：RNA分子的出核转运需要蛋白分子的帮助，这些蛋白因子本身含有出核信号。

⑦入核转运与出核转运之间有某种联系，它们可能需要某些共同的因子。

第二节    染色质

染色质是遗传物质的载体。1879年，W.Flemming提出了染色质（chromatin）这一术语，用以描述细胞核中能被碱性染料强烈着色物质。

染色质是指间期细胞核内由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形式。

一、染色质是细胞生命活动的基础（P319）

二、染色质DNA

（一）基因组

基因组（genome)：是指生物贮存在其单倍染色体组中的总的遗传信息。

基因组中遗传信息分类：

① 编码序列：为蛋白质氨基酸编码的序列，主要是非重复的单一DNA序列；

② 调控序列：为基因选择性表达进行调控的序列，多为中度重复序列DNA。

（二）染色质DNA的类型

生物基因组DNA可以分为以下几类（以人类基因组为例）：①蛋白编码序列，以三联体密码（triplet）方式进行编码。②编码rRNA、tRNA、snRNA和组蛋白的串联重复序列。③含有重复序列的DNA（可分为两个亚类：简单序列DNA和散在重复DNA）。使未分类的间隔DNA。

DNA一级结构的多样性：

①非重复序列DNA；

②中度重复DNA序列，在物种进化过程中是基因组中可移动的遗传元件，并且影响基因表达。

③高度重复DNA序列

卫星DNA（satellite DNA），主要分布在染色体着丝粒部位；

小卫星DNA（minisatellite DNA），又称数量可变的的串联重复序列，

卫星DNA（microsatellite DNA）重复单位序列最短，具高度多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标志。          

DNA二级结构的多样性：

                   A型DNA

①三种构型DNA    B型DNA

                   Z型DNA

②DNA构型的生物学意义：

A 沟（特别是大沟）的特征在遗传信息表达过程中起关键作用

B 沟的宽窄及深浅影响调控蛋白对DNA信息的识别

C 三种构型的DNA处于动态转变之中

D DNA二级结构的变化与高级结构的变化是相互关联的，这种变化在DNA复制与转录中具有重要的生物学意义。

三、染色质蛋白

负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读。

这些DNA结合蛋白质包括两类：一类是组蛋白（histone），与DNA结合但没有序列特异性；另一类是非组蛋白（nonhistone），与特定DNA序列或组蛋白相结合。

（一）组蛋白（histon）

①核小体组蛋白(nucleosomal histone)：H2B、H2A、H3和H4,帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构

②H1组蛋白：在构成核小体时H1起连接作用, 它赋予染色质以极性。

③特点： A 真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）；B 没有种属及组织特异性，在进化上十分保守。

（二）非组蛋白

与染色质组蛋白不同，非组蛋白主要是指与特异DNA序列相结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白（sequence specific DNA binding protein）。

1、非组蛋白的特性：

①非组蛋白具多样性和异质性。

②对DNA具有识别特异性，又称序列特异性DNA结合蛋白 （sequence specific DNA binding proteins）。

③具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。

2、序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式

①α螺旋-转角-α螺旋模式(helix-turn-helix motif)

②锌指模式（Zinc finger motif）

③亮氨酸拉链模式（Leucine zipper motif，ZIP）

④螺旋-环-螺旋结构模式（helix-loop-helix motif，HLH）

⑤HMG-盒结构模式（HMG-box motif）：

四、染色质的基本结构单位-----核小体

1974年Kornberg等人根据染色质的酶切降解和电镜观察，发现核小体（nucleosome）是染色质包装的基

本结构单位，并提出染色质结构的“串珠“模型。

（一）主要实验证据

（1）铺展染色质的电镜观察未经处理的染色质自然结构为30nm的纤丝，经盐溶液处理后解聚的染

色质呈现10nm串珠状结构

（2）用非特异性微球菌核酸酶消化染色质，部分酶解片段分析结果

（3）应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究，发现核小体颗粒是直径为11nm、高6.0nm的扁园柱体，具有二分对称性（dyad symmetry），核心组蛋白的构成是先形成（H3）2﹒（H4）2四聚体，然后再与两个H2A﹒H2B异二聚体结合形成八聚体

由X-射线晶体衍射 所揭示的核小体三维结构（引自K.Luger等，1997）

a. 通过DNA超螺旋中心轴所显示的核小体核心颗粒8个组蛋白分子的位置；

b．垂直与中心轴的角度所见到的核小体核心颗粒的盘状结构；

c．半个核小体核心颗粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4种核心组蛋白分子，每种组蛋白由3 个α螺旋和一个伸展的N-端尾部组成。

N-端尾部有序排列，参与核小体之间的相互作用，以形成螺线管等高级结构。

（4） SV40微小染色体（minichromosome）分析

（二）核小体的结构要点

（1） 每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋、一个组蛋白八聚体和一分子H1。

（2） 由H2A、H2B、H3、H4组蛋白各两分子形成八聚体，构成核心颗粒。

（3） 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，组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。

（4） 相邻核心颗粒之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化值为0～80bp不等。

（5） 组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列。

（6） 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 。

五、染色质组装的模型

（一）染色质组装的前提过程

1、最开始是H3·H4四聚体（两个异二聚体）的结合，由CAF-1（chromatin assembly factor 1）介导与新合成的裸露的DNA结合。

2、然后是两个H2A·H2B二聚体有NAP-1和NAP-2（nucleosome assembly proteions）介导加入。

3、核小体最后的成熟需要ATP来创建一个规则的间距以及组蛋白的去乙酰化。

4、6个核小体组成一个螺旋或由其他的组装方式形成一个螺线管结构。

5、进一步的折叠时间将使染色质在细胞核中最终形成确定的结构。

    新复制的DNA主要通过以下两种途径组装成染色质：第一，在复制叉的移动期间，父代的核小体核心壳里与DNA分离，到该段DNA复制完成，父代的核小体核心颗粒直接转移到两条子链DNA的一条山；第二，染色质组装因子利用刚刚合成的、乙酰化的组蛋白介导核小体在复制DNA上组装。

（二）染色质包装的多级螺旋模型

（1）一级结构：核小体

（2）二级结构：螺线管（solenoid）

（3）三级结构：超螺线管（supersolenoid）

（4）四级结构：染色单体（chromatid）

（三）染色体的骨架-放射环结构模型

（1）非组蛋白构成的染色体骨架（chromsomal scaffold）和由骨架伸出的无数的DNA侧环。

（2）30nm的染色线折叠成环，沿染色体纵轴，由中央向四周伸出，构成放射环。

（3）由螺线管形成DNA复制环，每18个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带（miniband）。微带是染色体高级结构的单位，大约10⁶个微带沿纵轴构建成子染色体。

六、常染色质和异染色质

1、常染色质（euchromatin）

（1）概念：指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低, 处于伸展状态（典型包装率750倍）, 用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。

（2）DNA包装比：约为1 000～2 000分之一

（3）组成：单一序列 DNA 和中度重复序列DNA

（4）常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件 。

2 、异染色质（heterochromatin）

（1）概念：指间期核内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。

（2）类型：①结构异染色质（组成型异染色质）；②兼性异染色质。

（3）结构异染色质：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。

（4）兼性异染色质

① 在某些细胞类型或一定的发育阶段, 原来的常染色质聚缩, 并丧失基因转录活性, 变为异染色质，如X染色体随机失活

② 异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径