1、Chapter 10 The cell nucleus and chromosome,Overall structure,10.1 核膜結(jié)構(gòu) 10.2 染色質(zhì) DNA 二級(jí)結(jié)構(gòu) DNA 一級(jí)結(jié)構(gòu) 染色質(zhì)蛋白 nucleosomes 核小體 染色質(zhì)包裝 染色質(zhì)類型 染色質(zhì)與基因調(diào)控 10.3 染色體 10.4 核仁,10.1 Structure of nuclear envelope,10.1.1 Nuclear envelope,Nuclear pores complex,Nucleus Membrane,10.1.1Nuclear membrane,Inner membrane (7.5nm

2、) contact with nucleus lamina,outer membrane (7.5nm) connected to ER,Peri-nuclear space(20-40nm),Nuclear pore,（一）結(jié)構(gòu)組成,（二）核被膜的功能,1構(gòu)成核質(zhì)之間的天然選擇性屏障，避免生命活動(dòng)的彼此干擾，保護(hù)DNA不受細(xì)胞骨架運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生機(jī)械力的損傷 2 核質(zhì)之間的物質(zhì)交換與信息交流，主要通過(guò)核孔進(jìn)行。,（三）核被膜在細(xì)胞周期中的崩解與組裝,在細(xì)胞有絲分裂中，受細(xì)胞周期調(diào)控因子的調(diào)節(jié)，核被膜有規(guī)律地解體與重建，此過(guò)程與核纖層蛋白、核孔復(fù)合體蛋白的磷酸化與去磷酸化修飾有關(guān)，這些蛋白磷酸化時(shí)核

3、膜解體，去磷酸化則促使核膜重新組裝。 1 核被膜的去組裝是非隨機(jī)的，具有區(qū)域特異性。如孔膜區(qū)膜和內(nèi)核膜分別形成獨(dú)立的小囊泡。 2 組裝時(shí)內(nèi)核模形成的小泡先結(jié)合染色體，孔膜區(qū)膜形成的小囊泡后結(jié)合，再組裝核孔復(fù)合體。 3 舊核膜參與新核膜構(gòu)建。,0.1um,10.1. 2 The nuclear pores,Side view of nuclear pore,NPC,1胞質(zhì)環(huán)：也稱外環(huán)，位于核孔胞質(zhì)面，上連8條胞質(zhì)纖維，在核孔運(yùn)輸中起作用 2核質(zhì)環(huán)：也稱內(nèi)環(huán)，位于核孔邊緣的核質(zhì)面，上有8條纖維，其末端形成小環(huán)，形成了核籃狀結(jié)構(gòu)。 3輻： 1）柱狀亞單位：位于核孔邊緣，連接內(nèi)外環(huán)，支撐核孔。 2）腔

4、內(nèi)亞單位：分布在柱狀亞單位外側(cè)，穿膜進(jìn)入核周間隙。 3）環(huán)帶亞單位：分布在柱狀亞單位內(nèi)側(cè)，核質(zhì)交換通道,（二）核孔復(fù)合體成份的研究,核孔蛋白：所有核孔復(fù)合體蛋白稱為核孔蛋白。 1 gp210：位于孔膜區(qū)的結(jié)構(gòu)性跨膜蛋白，作用如下： 誘導(dǎo)內(nèi)、外核膜融合成核孔。 為核孔復(fù)合體裝配提供起始位點(diǎn)，將其錨定于孔膜區(qū)。 參與核質(zhì)交換功能。 2 P262：功能性的核孔復(fù)合體蛋白，具有兩個(gè)功能結(jié)構(gòu)域 疏水性N端區(qū)：直接參與核質(zhì)交換 C端區(qū)：與其它核孔蛋白互作，將p62固定到核孔，為N端行核質(zhì)交換活動(dòng)提供支持。,10. 1.3 Nuclear transport,1通過(guò)核孔復(fù)合體的被動(dòng)擴(kuò)散：離子、小分子以及直徑

5、小于10nm的顆?？勺杂赏ㄟ^(guò) 2通過(guò)核孔復(fù)合體的主動(dòng)運(yùn)輸 1）完成生物大分子的核質(zhì)分配，此過(guò)程具高度選擇性，表現(xiàn)如下： 對(duì)運(yùn)輸顆粒大小的要求，約10-20nm，但有效功能直徑可被調(diào)節(jié)，可達(dá)26nm； 由載體介導(dǎo)，需信號(hào)識(shí)別，消耗ATP，并具飽和性。 具雙向性，即核輸入與核輸出 2）親核蛋白與核定位信號(hào),Nuclear function:The flow of information,10.1.3.1 Nuclear protein transport mechanism(已講）,nuclear protein nuclear localization signals ,NLS nuclear

6、export signals, NES importin exportin,親核蛋白的NLS識(shí)別結(jié)合importin 親核蛋白、importin、importin轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物 importin結(jié)合核孔上的胞質(zhì)纖維 轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物構(gòu)象變化 轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物進(jìn)入核質(zhì)面 Ran-GTP結(jié)合importin 復(fù)合物解體，親核蛋白釋放，Ran和importin復(fù)合物及importin出核 Ran-GTP水解 RanGDP返回核，importin和importin留在胞質(zhì)中,10.1.3.2 Mechanism of export from nucleus,RNA protein = RNP RNP 包含NES 信號(hào)

7、 結(jié)合輸出蛋白進(jìn)行運(yùn)輸,Nuclear material export,轉(zhuǎn)錄后的RNA需加工、修飾為成熟分子后才能被轉(zhuǎn)運(yùn)出核，需蛋白分子幫助，這些蛋白因子含有出核信號(hào)(Nuclear Export Signal，NES)。 rRNA以RNP的形式出核； 5s rRNA與 tRNA的輸出由蛋白介導(dǎo)； 核內(nèi)不均一RNA(hn RNA)，在核內(nèi)進(jìn)行5端加帽和3端加多聚A以及剪接等加工后形成成熟mRNA后由蛋白介導(dǎo)出核。,10.2 chromatin,Contains DNA and protein,10.2.1 DNA second structure,基因組就是一個(gè)物種中所有基因的整體組成。人類基

8、因組有兩層意義：遺傳信息和遺傳物質(zhì)。 人類基因組計(jì)劃(human genome project, HGP)是由美國(guó)科學(xué)家于11085年率先提出，于110100年正式啟動(dòng)的。美國(guó)、英國(guó)、法蘭西共和國(guó)、德意志聯(lián)邦共和國(guó)、日本和我國(guó)科學(xué)家共同參與了這一價(jià)值達(dá)30億美元的人類基因組計(jì)劃。這一計(jì)劃旨在為30多億個(gè)堿基對(duì)構(gòu)成的人類基因組精確測(cè)序，發(fā)現(xiàn)所有人類基因并搞清其在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息。與曼哈頓原子彈計(jì)劃和阿波羅計(jì)劃并稱為三大科學(xué)計(jì)劃。,10.2.2 DNA first structure complexity,單一重復(fù) DNA code for genes and unique m

9、aterial 2.6% of unique genome is transcribed in frogs,Moderately repetitive,40-50% of genome is this type，調(diào)控基因表達(dá) Coding code for genes needed in large amounts rDNA to make rRNA (has 250 copies per human genome),Noncoding,Coding,SINES,LINE,10-15% ) 短片斷 GC 含量高 位于著絲粒 重復(fù)次數(shù) 100-100,000 功能未完全明確,Highly rep

10、etitive,Minisatellite DNA(12-100bp,3000 copy),Satellite DNA(5-100bp),Microsatellite DNA(1-5bp form 5-100bp),Chromatin protein,10.2.3 Chromatin protein,A Histone,富含堿性氨基酸 H2A, H2B, H3, and H4，沒(méi)有種屬特異性，相對(duì)保守 H1, H1是多樣性，具有屬(genus)和組織特異性。,帶正電荷，含Arg，Lys，屬堿性蛋白，共5種，分為： 核心組蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4； 連接組蛋白

11、（linker histone）：H1。 結(jié)構(gòu)：高度保守，尤其是H4。 核心組蛋白由球形部和尾部構(gòu)成，球形部借Arg與磷酸二脂骨架間的靜電作用使DNA分子纏繞在組蛋白核心上，形成核小體，尾部 含有大量Arg和Lys，為組蛋白轉(zhuǎn)譯后進(jìn)行修飾的部位。 H1是多樣性，具有屬(genus)和組織特異性。,H1 helps organize the histones, polarilize chromatin,B No-histone protein,具有多樣性，異質(zhì)性，種屬特異性，功能多樣性 特定結(jié)構(gòu)域結(jié)合DNA Helix turn helix motif Zinc- finger-motif Le

12、ucine-zipper motif Helix-loop-helix motif HMG ( high mobility group proteins)-box motif,The helix-turn-helix motif,The helix-turn-helix motif -helix form homeotypic dimer -helix dimer link with rotational peptide recognition helix orther helix no specific,zinc finger motif,Cys2/His2 and Cys2/Cys2,Th

13、e leucine zipper motif,The leucine zipper motif The leucine zipper contains four or five leucine residues spaced at intervals of seven amino acids, resulting in their hydrophobic side chains being exposed at one side of a helical region. This region serves as the dimerization domain for the two prot

14、ein subunits, which are held together by hydrophobic interactions between the leucine side chains.,The helix-loop-helix (HLH) motif,Helix-loop-helix (HLH) motif This motif is characterized by two -helical segments separated by an intervening loop. 它與螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)的差別在于兩個(gè)螺旋的一側(cè)還有一段疏水鏈，這樣當(dāng)螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)位于兩個(gè)多肽之間

15、時(shí)，這兩個(gè)疏水的側(cè)鏈就會(huì)將兩個(gè)多肽鏈連在一起形成類似亮氨酸拉鏈的結(jié)構(gòu),10. 2.4 nucleosomes 核小體,Nucleosome,Nucleosome,Nucleosome is basic structural unit of chromatin 。 200 bp DNA and four type histone； H2A、H2B、H3、H4 ,every type two copy form octamoric core ，is key structure of Nucleosome 146bp DNA surround octamoric core 1.75 circle ,

16、H1 play stablization function in chromatin formation Neighborhood nucleosome connect with linker DNA link (about 100bp),10.2.5 Chromatin assemble,Multiple coiling model,通過(guò)核小體，DNA長(zhǎng)度壓縮7倍，形成11nm的纖維。 但是在電鏡下觀察用溫和方法分離的染色質(zhì)是直徑30nm的纖維，這種纖維的形成有兩種解釋：由核小體螺旋化形成，每6個(gè)核小體繞一圈，長(zhǎng)度壓縮6倍；由核小體纖維Z字形折疊而成，長(zhǎng)度壓縮40倍。 對(duì)于更高級(jí)染色體包裝方

17、式，至今尚不明確。目前多認(rèn)為 30nm的纖維折疊為一系列的環(huán)（loop）結(jié)合在核骨架上（或稱染色體骨架），結(jié)合點(diǎn)是富含AT的區(qū)域。,Scaqffold radial loopsructure model,Synthetical model,10.2.6 Chromatin type,Euchromatin: open structure active genes Heterochromatin: highly packaged structure inactive genes,常染色質(zhì)(euchromatin) 異染色質(zhì)(heterochromatin) 結(jié)構(gòu)性異染色質(zhì)(active chro

18、matin) 兼性異染色質(zhì)(inactive chromatin),Chracterristic of active chromatin Nucleosome and gene regulation,10.2.7 Chromatin and regulation,轉(zhuǎn)錄的摸板是疏松的染色質(zhì)而不是裸露DNA,形成疏松的染色質(zhì),形成活性染色質(zhì),nuclease- supersensitive site,A Chracterristic of active chromatin,B Nucleosome and gene regulation,Core Histone acetyl,H1-P,HMG p

19、rotein modification,Locus control region LCR Insulator,C Chromatin domain,Chapter 10.3 Chromosome,10.3.1 Chromosome structure,NOR,著絲粒(Centromere) 主縊痕(Primary constriction) 次縊痕(Secondary constriction) 動(dòng)粒(kinetochore) 核仁組織區(qū)(NOR) 隨體(Satellite) 端粒(Telomere),Centromere and kinetochore,centromere,Kinetoch

20、ore domain,Inner plate,Middle space,Outer plate,fibrouscorona,Central domain,Pairing domain,Centromere DNA sequence,10.3.2 DNA FUNCTION SITE,ARS (autonomous replicating sequence):自主復(fù)制序列 CEN (centromeric sequence)：著絲粒序列,TEL (telomeric sequence),端粒（telomere）：由高度重復(fù)的短序列組成，高 度保守。 作用： 1. 維持染色體的穩(wěn)定性。 2. 起細(xì)胞

21、分裂計(jì)時(shí)器的作用。端粒核苷酸復(fù)制和基因DNA不同，每復(fù)制一次減少50100bp，其復(fù)制要靠具有反轉(zhuǎn)錄酶性質(zhì)的端粒酶來(lái)完成，正常體細(xì)胞缺乏此酶，故隨細(xì)胞分裂而變短，細(xì)胞隨之衰老。,TEL (telomeric) formation,10.3.3 karyotype,cattleNumber of chromosomes: 2N = 60, XY,10.3.4 Giant chromosome,Polytene chromosome Lamp brush chromosome,Polytene chromosome,多線染色體： 由Balbiani(1881)發(fā)現(xiàn)于搖蚊幼蟲(chóng)唾腺細(xì)胞，特點(diǎn)： 體積巨

22、大，是由于核內(nèi)有絲分裂的結(jié)果； 多線性； 體細(xì)胞聯(lián)會(huì)； 橫帶紋。 膨突和環(huán)。在幼蟲(chóng)發(fā)育的某個(gè)階段，多線染色體的某些帶區(qū)疏松膨大，形成膨突（puff），或巴氏環(huán)（Balbiani ring）。用H3-UdR處理細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)膨突被標(biāo)記，說(shuō)明膨突是基因活躍轉(zhuǎn)錄的區(qū) 域。,多線染色體的帶與脹泡,(a) 帶與間帶;(b)脹泡,燈刷染色體 (lampbrush chromosome) 燈刷染色體是卵母細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)第一 次分裂時(shí),停留在雙線期的染色體。 它是一個(gè)二價(jià)體, 含4條染色單體。它由軸和側(cè)絲組成,形似燈刷,Lampbrush Chromosomes,燈刷染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu),巴氏小體（barr body）

23、。 雌性哺乳動(dòng)物細(xì)胞中一條異固縮化的X染色體。 人的胚胎發(fā)育到16天以后， 出現(xiàn)巴氏小體。,10.4 The nucleolus,Structure of the nucleolus,10.4.1Nucleolus,Fibrillar centers FC,Dense fibrillar component DFC,Granular component,Nucleolar associated chromatin,Intranucleolar chromatin,Perinucleolar chromatin,Nucleolar matrix,Fibrillar centers FC Exist rDNA, RNA polyE and Represent copy of NORs Dense fibrillar component DFC rRNA condensed in DFC Specificly bind with protein suc