第八章細胞核(nucleus)與染色體(chromosome)細胞核的結構組成

核被膜與核孔復合體

染色質(chromatin)

染色體(chromosome)

核仁(nucleolus)

核基質(nuclearmatrix)第一節(jié)核被膜與核孔復合體一.核被膜

外膜(outer),附有核糖體顆粒

內膜(inner),含特有蛋白成份

核纖層(nuclearlamina)

核周間隙(perinuclearspace)

核孔(nuclearpore)

1.結構組成2.核被膜的功能

天然選擇性屏障(1)避免生命活動的彼此干擾(2)保護DNA不受機械力的損傷

物質交換與信息交流

新核膜來自舊核膜

去組裝是非隨機的,具有區(qū)域特異性

實驗模型:非洲爪蟾卵提取物

解體與組裝受細胞周期調控因子的調節(jié),可能與核纖層蛋白、核孔復合體蛋白的磷酸化與去磷酸化修飾有關3.核被膜的解體與組裝二.核孔復合體(NPC)(1)胞質環(huán)(cytoplasmicring),外環(huán)(2)核質環(huán)(nuclearring),內環(huán)(3)輻(spoke)(4)中央栓(centralplug):transporter1.結構模型NuclearenvelopesofXenopusoocytesvisualizedbyfieldemissionin-lensSEMCut-awaymodeloftheNPC

NPC三維結構模型

八重對稱結構

由八個輻環(huán)繞中央通道組裝而成

八個輻在核質表面處與內、外環(huán)相連NPC電鏡照片2.核孔復合體成份的研究

由蛋白質構成,MW約125

106

100余種多肽,1000多個分子3.核孔復合體的功能

雙向性親水通道

被動擴散

主動運輸Moleculartrafficthrough

NPCMostproteinsandRNAspassthroughNPCbyanactiveprocess.

親核蛋白的入核轉運機制

輸入蛋白(importin)

核質蛋白(nucleoplasmin)

核定位信號(NLS)爪蟾卵母細胞核質蛋白注射實驗親核蛋白入核轉運的過程

NLS與輸入蛋白結合→轉運復合物

與NPC的胞質纖維結合

從胞質面轉移到核質面

與Ran-GTP結合,復合物解離,親核蛋白釋放

ProteinimportthroughNPC

RoleoftheRanproteininnuclearimport

轉錄產物的核輸出轉運有極性RNA-蛋白復合體

三.核纖層的結構與功能核纖層蛋白

Ⅴ型中間纖維蛋白N及C端發(fā)生化學修飾核纖層的功能維持核的形態(tài)參與核膜的組裝和去組裝

第二節(jié)染色質

染色質的概念及化學組成

核小體(nucleosome)

染色質包裝的結構模型

常染色質和異染色質一.

染色質的概念及組成

染色質(chromatin)間期細胞核內由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復合結構

染色體(chromosome)細胞分裂過程中,由染色質聚縮成的棒狀結構染色質與染色體的區(qū)別

兩者具有相同的化學組成,但包裝程度不同,構象不同

細胞周期的不同階段,可以相互轉變1.染色質DNA

基因組(genome)

單拷貝序列

中度重復序列

高度重復序列2.染色質蛋白

組蛋白(histone)

非組蛋白(nonhistone)

非組蛋白的不同結構模式(1)組蛋白

組成及功能

?H2B、H2A、H3和H4,結構組分?H1:核小體間的連接

特點?結構蛋白,富含Arg和Lys?進化上十分保守Fivemajortypesofhistones

incalfthymusHistoneMassResidueNoLys(%)Arg(%)H1H2AH2BH3H4225001396013774152731123621512912513510229111610111961314Nterminaltailsaresubjecttocovalentmodification-importantfortranscription(2)

非組蛋白

組成上的多樣性與異質性

識別DNA的特異性

功能的多樣性非組蛋白的不同結構模式

螺旋-轉角-螺旋(helix-turn-helix)

鋅指結構(zincfinger)

亮氨酸拉鏈(leucinezipper,ZIP)

螺旋-環(huán)-螺旋基序(helix-loop-helix,HLH)

HMG-框基序(HMG-boxmotif）a.螺旋的3個平面形成motifb.同源域結合于DNA分子的主溝Cys和His殘基結合在Zn2+上突出的氨基酸環(huán)形成指狀結構

a.兩個螺旋間的Leu殘基形成二聚體b.拉鏈以外的區(qū)域成Y狀,以剪刀狀構型與DNA結合螺旋-環(huán)-螺旋基序螺旋+轉角二聚體HMG-框基序(HMG-boxmotif）高遷移率族蛋白構建因子二.核小體(nucleosome)1.主要實驗證據(jù)(1)鋪展染色質的電鏡觀察(2)微球菌核酸酶消化(3)X射線晶體衍射(4)SV40微小染色體分析

beadsonastring-nucleosomefrominterphasenucleusRogerKornberg(1974):2006年諾貝爾化學獎得主串珠模型30nm

fiberX射線晶體衍射所揭示的核小體三維結構

K.LugerNature1997,389:251

2602.核小體結構要點(1)核小體單位:200bpDNA,1個八聚體,1分子H1(2)組蛋白八聚體構成核小體的盤狀核心結構(3)146bpDNA盤繞八聚體1.75圈,H1在核心顆粒外鎖住核小體DNA的進出端,穩(wěn)定核小體(4)相鄰核小體間以連接DNA相連,典型長度60bp(5)組蛋白與DNA間的相互作用無堿基序列特異性(6)核小體重塑影響基因表達Nucleosomeremodelinginfluencestheexpressionofindividualgenes三.染色質包裝的結構模型1.四級結構模型(1)一級結構:核小體(2)二級結構:螺線管(solenoid)(3)三級結構:超螺線管(supersolenoid)(4)四級結構:染色單體(chromatid)

7

6

40

5

DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體The30-nmfiber:ahigherlevelofchromatinstructure

2.染色體的骨架-放射環(huán)結構模型(1)非組蛋白構成的染色體骨架和由骨架伸出的無數(shù)的DNA側環(huán)(2)30nm染色線折疊成環(huán),沿染色體縱軸,由中央向四周伸出,構成放射環(huán)(3)由螺線管形成DNA復制環(huán),每18個復制環(huán)呈放射狀平面排列,結合在核基質上形成微帶,約106個微帶沿縱軸構建成子染色體HeLa細胞去除組蛋白的中期染色體電鏡照片3.染色體包裝的不同組織水平四.染色質結構和基因轉錄1.DNA酶超敏位點

活性染色質

非活性染色質2.活性染色質主要特征(1)具有DNaseI超敏位點(2)在生化上具有特殊性

很少有組蛋白H1與其結合；

組蛋白乙?；潭雀?；

H2B很少磷酸化,H2A很少變異；

具有獨特的HMG14和HMG17組分3.組蛋白的化學修飾乙?；姿峄谆核鼗?常染色質和異染色質1.常染色質(euchromatin)(1)概念:間期核內染色質纖維折疊壓縮程度低,處于伸展狀態(tài),用堿性染料染色時著色較淺的染色質(2)組成:單一序列和中度重復序列(3)DNA包裝比約為1/20001/1000(4)并非所有基因都具有轉錄活性,常染色質狀態(tài)只是基因轉錄的必要條件而非充分條件2.異染色質(heterochromatin)(1)概念:間期細胞核中,折疊壓縮程度高,處于聚縮狀態(tài)的染色質組分(2)類型

組成型異染色質(constitutive

)

兼性異染色質(facultative

)InterphaseChromatin組成型異染色質

除復制期以外,整個細胞周期均處于聚縮狀態(tài),形成多個染色中心

結構異染色質的特征①在中期染色體上多定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕及染色體臂的某些節(jié)段;②由相對簡單、高度重復的DNA序列構成;③具有顯著的遺傳惰性,不轉錄;④復制行為:晚復制早聚縮；⑤功能:參與染色質高級結構的形成兼性異染色質

在某些細胞類型或一定的發(fā)育階段,原來的常染色質聚縮,并喪失基因轉錄活性,變?yōu)楫惾旧|,如哺乳類X染色體失活

異染色質化可能是關閉基因活性的一種途徑TheinactiveXchromosome:anexampleoffacultativeheterochromatin第三節(jié)染色體中期染色體的形態(tài)結構1.中期染色體的類型(1)中著絲粒染色體(metacentricCS)(2)亞中著絲粒染色體(submetacentricCS)(3)亞端著絲粒染色體(subtelocentricCS)(4)端著絲粒染色體(telocentricCS)

2.染色體的主要結構著絲粒與動粒(2)次縊痕(3)核仁組織區(qū)(NOR)(4)隨體(satellite)(5)端粒(telomere)著絲粒的結構組成(1)動粒結構域

內板(innerplate)

中間間隙(middlespace)

外板(outerplate)

纖維冠(fibrouscorona)(2)中央結構域(centraldomain)

CENP-E盒與動粒蛋白(3)配對結構域(pairingdomain)

內部著絲粒蛋白INCENP

染色單體連接蛋白clips著絲粒結構示意圖動粒(kinetochore)TheDrosophilacentromereconsistsoftwosatellitesequences,transposableelements,andnonrepetitiveDNATheFunctionsofcentromeresRequiredforchromosomestabilitySisterchromatidpairingMitoticandmeioticspindleattachmentChromosomemovementCellcyclecheckpointcontrol

Theimportanceoftelomeraseinmaintainingchromosomeintegrity二.染色體DNA的三種功能元件1.自主復制序列(ARS)

一段11-14bp富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的區(qū)域酵母的AR