细胞核nucleus与染色体.ppt

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1、第十章第十章 细胞核与染色体细胞核与染色体nucleus and chromosome 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信息中心.细胞核细胞核的的结构组成结构组成：核被膜(内膜,外膜,核孔复合体,核纤层)染色质核仁核骨架(核基质)第一节核被膜与核孔复合体1 核被膜核被膜 结构结构组成组成 核被膜的功能核被膜的功能 核被膜有规律地核被膜有规律地解体与重建解体与重建 2 核孔复合体核孔复合体 （nuclear pore complex,NPC）结构结构组成组成外核膜(outernuclearmembrane),附有核糖体颗粒内核膜(innernuclearmembra

2、ne),有特有的蛋白成份（如核纤层蛋白B受体）核周间隙(perinuclearspace)核孔(nuclearpore),有特有蛋白(gp210等)核被膜的功能核被膜的功能构成核、质之间的天然选择性屏障避免生命活动的彼此干扰保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤核质之间的物质交换与信息交流核被膜在细胞在有丝分裂中有核被膜在细胞在有丝分裂中有规律规律地地解体与重建解体与重建新核膜来自旧核膜（变形虫同位素示踪分析）核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性(domain-specific)。以非洲爪蟾卵提取物为基础的非细胞核装配体系提供了实验模型核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调控因子

3、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。核膜在细胞周期中的崩解与装配在分裂前期，核纤层磷酸化并解聚，双层核膜崩解成单层膜泡，核孔复合体解体，核纤层蛋白单体溶解到胞质中或与核膜小泡结合，到分裂末期，核纤层蛋白去磷酸化并重新装配，由核纤层蛋白介导核膜小泡围绕染色体，同时核孔复合体也进行装配，经膜融合后形成新的核膜。核孔复合体核孔复合体（nuclear pore complex,NPC）1 结构模型结构模型2 组成成分研究组成成分研究 3 核孔复合体的功能核孔复合体的功能结构模型结构模型胞质环（cytoplasmicring），外环核质环（nuclearring）

4、，内环辐（spoke）柱状亚单位（columnsubunit）腔内亚单位(luminalsubunit)环带亚单位（annularsubunit）中央栓（centralplug）：transporterFish-trap结构模型核孔复合体成份核孔复合体成份的研究的研究核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为125106，推测可能含有100余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。gp210：结构性跨膜蛋白：结构性跨膜蛋白 p62：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域 gp210：结构性跨膜蛋白：结构性跨膜蛋白介导核孔复合体与核被膜的连接

5、，将核孔复合体锚定在“孔膜区”，从而为核孔复合体装配提供一个起始位点在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定作用p62：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域 疏水性N端区：可能在核孔复合体功能活动中直接参与核质交换 C端区：可能通过与其它核孔复合体蛋白相互作用，从而将p62分子稳定到核孔复合体上，为其N端进行核质交换活动提供支持。核孔复合体的功能核孔复合体的功能核孔复合体物质运输功能示意图核孔复合体物质运输功能示意图通过核孔复合体的被动扩散通过核孔复合体的被动扩散通过核孔复合体的主动运输通过核孔复合体的主动运输

6、 亲核蛋白与核定位信号亲核蛋白与核定位信号 亲核蛋白入核转运的步骤亲核蛋白入核转运的步骤 转录产物转录产物RNA的核输出的核输出核质交换的双向性亲水通道 特点：双功能性（被动、主动运输）；双向性（入核转运、出核转运）通过核孔复合体物质运输的功能示意图（引自等，1999）（a）自由扩散；（b）协助扩散；（c）信号介导的核输入；（d）信号介导的核输出。通过核孔复合体的主动运输生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的主动运输完成的，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：对运输颗粒大小的限制：有效功能直径可被调节约1020nm，甚至可达26nm，主动运输是一个信号识别与载体介导的

7、过程，需要消耗能量，并表现出饱和动力学特征主动运输具有双向性，即核输入与核输出亲核蛋白与核定位信号亲核蛋白（karyophilicprotein）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核质蛋白（nucleoplasmin）的入核转运核定位信号(nuclearlocalizationsignal，NLS)NLS是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基，如Lys、Arg，此外还常含有Pro。NLS的氨基酸残基片段可以是一段连续的序列（T抗原），也可以分成两段，两段之间间隔约10个氨基酸残基（核质蛋白）。NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指导完成核输

8、入后并不被切除。NLS只是亲核蛋白入核的一个必要条件而非充分条件亲核蛋白入核转运的步骤结合：需NLS识别并结合importin；转运：需GTP水解提供能量转录产物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。RNA聚合酶I转录的rRNA分子：以RNP的形式离开细胞核，需要能量；RNA聚合酶III转录的5srRNA与tRNA的核输出由蛋白质介导；RNA聚合酶II转录的hnRNA，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；细胞核中既有正调控信号保证mRNA的

9、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。mRNA的出核转运过程是有极性的，其5端在前，3端在后。核输出信号(NuclearExportSignal，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。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。蛋白质细胞定位信号分泌信号肽导肽转运肽核定位信号第二节第二节 染染 色色 质质一染色质的概念及化学组成染色质的概念及化学组成 二二 染色质的基本结构单位染色质的基本结构单位核小体核小体 三三 染色质包装的结构模型染色质包装的结构模型四四 常染色质和异

10、染色质常染色质和异染色质 一、染色质的概念及化学组成一、染色质的概念及化学组成染色质概念染色质概念 染色质染色质DNA 染色质蛋白质染色质蛋白质 染色质概念染色质概念染色质（chromatin):(1879年W.Flemming命名）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):（1888年，Waldeyer命名）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。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。DNA

11、与组蛋白是染色质的稳定成分。染色质染色质DNA基因组基因组（genome）DNA分子一级结构具有多样性分子一级结构具有多样性 DNA二级结构具有多形性二级结构具有多形性(polymorphism)基因组（基因组（genome）概念凡是具有细胞形态的所有生物其遗传物质都是DNA。在真核细胞中，每条未复制的染色体包装一条DNA分子。一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组。基因组大小通常随物种的复杂性而增加。基因组中两类遗传信息编码序列：负责蛋白质氨基酸组成的信息。在基因组中只占很小的比例。调控序列：中度重复序列DNA,它们是关于基因选择性表达的信息。在基因组中占有很高比例。物

12、种 基因组大小 平均基因长（bp）基因数目 大肠杆菌 4.2106bp，1.2Kb 约2 350酵母 1.3107bp 1.4Kb 约6 100 果蝇 1.4108bp 11.3Kb 约8 750 人 3109bp 16.3Kb 约32 000*必需基因（essential gene）和非必需基因（nonessential gene）DNA分子一级结构具有多样性分子一级结构具有多样性非重复序列非重复序列DNA中度重复中度重复DNA序列序列 短短散散在在重重复复元元件件（short interspersed elements，SINEs）长长度度少少于于500bp 长长散散在在重重复复元元件件（

13、long interspersed elements，LINEs）长长度度多多于于1000bp 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。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。高度重复高度重复DNA序列序列 卫星卫星DNA（satellite DNA):5-100bp,主要分布在染色体着丝粒部位；主要分布在染色体着丝粒部位；小卫星小卫星DNA（minisatellite DNA):12-100bp,又称数量可变的串联重复又称数量可变的串联重复 序列，常用于序列，常用于DNA指纹技术（指纹技术（DNA finger-printing）作）作个体鉴定个体

14、鉴定；微微卫星卫星DNA（microsatellite DNA):1-5bp,重复单位序列最短，具高度重复单位序列最短，具高度 多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标志。多态性，在遗传上高度保守，为重要的遗传标志。DNA二级结构具有多形性二级结构具有多形性(polymorphism)三种构型DNA：B型DNA（右手双螺旋DNA）；活性最高的DNA构象；A型DNA，B型DNA的重要变构形式，仍有活性；Z型DNA，Z型DNA是左手螺旋，B型DNA的另一种 变构形式，活性明显降低三种构型DNA的主要特征DNA构型的生物学意义 A型 Z型 B型 DNA构型的生物学意义构型的生物学意义 沟（特别是大沟

15、）的特征在遗传信息表达过程中起关键作用沟的宽窄及深浅影响调控蛋白对DNA信息的识别三种构型的DNA处于动态转变之中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。染色质蛋白质染色质蛋白质 负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读 组蛋白(histone)：非组蛋白(序列特异性DNA结合蛋白)(nonhistone)：主 要 特 征螺 旋 类 型ABZ螺旋直径螺旋方向螺旋值/bpBp/每圈螺旋垂直升距/bp螺旋轴位置大沟小沟23 A右手+34.7o 11.02.56A位于大沟,不穿过bp窄而深宽而浅19 A右手+34.6o10.43.38A穿过

16、bp宽而深窄而浅12 A左手-30 o12.05.71A位于小沟,不穿过bp平坦窄而深 A、B和和Z型型DNA的比较的比较*引自引自Genes，稍加补充。，稍加补充。组蛋白(histone)核小体组蛋白(nucleosomalhistone)：H2B、H2A、H3和H4,帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构H1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。特点：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）；没有种属及组织特异性，在进化上十分保守。非组蛋白（序列特异性DNA结合蛋白）非组蛋白的检测凝胶

17、阻滞实验1.非组蛋白的特性：非组蛋白具多样性和异质性对DNA具有识别特异性，又称序列特异性DNA结合蛋白(sequencespecificDNAbindingproteins)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.序列特异性结合蛋白的不同结构模式螺旋-转角-螺旋模式(helix-turn-helixmotif)锌指模式(Zincfingermotif)亮氨酸拉链模式(Leucinezippermotif，ZIP)螺旋-环-螺旋结构模式(helix-loop-helix motif，HLH)HMG-盒结构模式（HMG-boxmotif）：二、染色质的基本结构单位二、染色质的

18、基本结构单位 核小体核小体(nucleosome)主要实验证据主要实验证据核小体结构要点核小体结构要点主要实验证据主要实验证据 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 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、高的扁园柱体，具有二分对称性（dyadsymmetry），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H2AH2B异二聚体结合形成八聚体SV40微小染色体（minichromosome）分析与电镜观察核小体

19、结构核小体结构要点要点每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体圈,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。包括组蛋白H1和166bpDNA的核小体结构又称染色质小体。两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化值为080bp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，实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核

20、小体相位改变影响基因表达三、染色质包装的结构模型三、染色质包装的结构模型染色质包装的多级螺旋模型染色质包装的多级螺旋模型(multiplecoilingmodel)染色体的骨架染色体的骨架-放射环结构模型放射环结构模型(scaffoldradialloopstructuremodel)染色体包装的不同组织水平染色体包装的不同组织水平染色质包装的多级螺旋模型染色质包装的多级螺旋模型一级结构：核小体二级结构：螺线管(solenoid)三级结构：超螺线管(supersolenoid)四级结构：染色单体（chromatid）压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍DNA核小体螺线管超螺线管染色单体8400倍

21、染色体的骨架染色体的骨架-放射环结构模型放射环结构模型非组蛋白构成的染色体骨架(chromsomalscaffold),由骨架伸出的无数的DNA侧环。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。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。四、常染色质和异染色质四、常染色质和异染色质常染色质(euchromatin)异染色质(heterochromatin)：常染色质(euchromatin)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（

22、典型包装率750倍）,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。DNA包装比约为10002000分之一单一序列DNA和中度重复序列DNA(如组蛋白基因和tRNA基因)并非所有基因都具有转录活性,常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件异染色质(heterochromatin)概念：指间期细胞核中,折叠压缩程度高,处于聚缩状态，用碱性染料染色时着色较深的染色质组分。类型结构异染色质（或组成型异染色质）(constitutiveheterochromatin)兼性异染色质(facultativeheterochromatin)结构异染色质或组成型异染色质除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，

23、形成多个染色中心结构异染色质的特征：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；由相对简单、高度重复的DNA序列构成,如卫星DNA；具有显著的遗传惰性,不转录也不编码蛋白质；在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩；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。兼性异染色质 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染色体随机失活异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径第三节第三节 染色体染色体 1 中期染色体的形态结构中期染色体的形态结构 2 染色体染色体DNA的的三种功能元件

24、三种功能元件（functional elements）3 核型与染色体显带核型与染色体显带 4 巨大染色体巨大染色体（giant chromosome）中期染色体的形态结构中期染色体的形态结构中期染色体的典型形态类型染色体的主要结构类型中着丝粒染色体中着丝粒染色体(metacentric chromosome)近近 中中 着着 丝丝 粒粒 染染 色色 体体(submetacentric chromosome)近近 端端 着着 丝丝 粒粒 染染 色色 体体(subtelocentric chromosome)端着丝粒染色体端着丝粒染色体(telocentric chromosome)。根据着丝粒

25、位置进行的染色体分类根据着丝粒位置进行的染色体分类着丝粒位置染色体符号着丝粒比 着丝粒指数中着丝粒近中着丝粒近端着丝粒端着丝粒msmstt1.001.671.683.003.017.007.01000.5000.3750.3740.2500.2940.1250.1240.000长臂长度短臂长度;短臂长度染色体总长度(根据Levan等,1964;Green等,1980)染色体的主要结构着丝粒着丝粒(centromere)与着丝点与着丝点(动粒，动粒，kinetochore)次缢痕次缢痕(secondary constriction)核仁组织区核仁组织区(nucleolar organizing

26、region,NOR)NOR是rRNA基因所在部位（5SrRNA基因除外），与间期细胞核形成有关。位于次缢痕部位，但并非所有次缢痕都为NOR。随体随体(satellite)端粒端粒(telomere)维持染色体的完整性和个体性，与染色体在核内的空间排布及减数分裂时同源染色体配对有关。端粒（telomere）：由高度重复的短序列组成。作用：1.维持染色体稳定性。2.起细胞分裂计时器的作用。DNA每复制一次端粒减少50100bp。着丝粒着丝粒与着丝点与着丝点(动粒动粒)（着丝点）动粒结构域(kinetochoredomain)内板(innerplate)中间间隙(middlespace),inne

27、rzone外板(outerplate)纤维冠(fibrouscorona)中央结构域(centraldomain)：着丝粒区的主体，由串联重复的卫星DNA组成。CENP-B盒与动粒蛋白配对结构域(pairingdomain)：代表中期姐妹染色单体相互作用的位点。内 部 着 丝 粒 蛋 白 INCENP(inner centromereprotein)染色单体连接蛋白clips(chromatidlinkingproteins)三种结构域的整合功能，确保了细胞在有丝分裂中染色体与纺锤体整合，发生有序的染色体分离。染色体染色体DNA的的三种功能元件三种功能元件（functional element

28、s）三种功能元件的三种功能元件的实验证明实验证明自主复制自主复制DNA序列序列(autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS)：具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的区域是维持ARS功能所必需的。着丝粒着丝粒DNA序列序列(centromereDNAsequence,CEN)：两个相邻的核心区：80-90bp的AT区；11bp的保守区。端粒端粒DNA序列序列(telomereDNAsequence,TEL)：端粒序列的复制 端粒酶，在生殖细胞和部分干细胞中有端粒酶活性，端粒重复序列的长度与细胞分裂次数和细胞衰老有关。“

29、人造微小染色体”(artificialminichromosome)。核型与染色体显带核型与染色体显带 核型(karyotype)是指染色体组在有丝分裂中期的表型,包括染色体数目、大小、形态特征的总和。核型模式图(idiogram)将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来,再按长短、形态等特征排列起来的图象称为核型模式图,它代表一个物种的核型模式。染色体显带技术核型与带型核型：物种中期染色体特征的总和（染色体数目、大小、形态）。带型：染色体经理化因素处理后染色，呈现稳定的带纹（band）。分带技术分两类：一类是产生的染色带分布在整过染色体的长度上如：Q、G和R带，另一类是局部性的显带，如

30、C、Cd、T和N带。巨大染色体巨大染色体多线染色体（polytenechromosome）灯刷染色体（lampbrushchromosome）多线染色体 存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞、某些植物细胞 多线染色体的来源：核内有丝分裂(endomitosis)多线染色体的带及间带：带和间带都含有基因，可能“管家”基因(housekeepinggene)位于间带,“奢侈”基因(luxurygene)位于带上。多线染色体与基因活性：胀泡是基因活跃转录的形态学标志灯刷染色体灯刷染色体（灯刷染色体（lampbrush chromosome）动物卵母细胞在双线期，染色体去凝集形成一种特殊的巨大染色体结构，性

31、状好似油灯的灯刷，称为灯刷染色体。灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，两栖类卵母细胞的灯刷染色体最典型灯刷染色体的来源：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，此时同源染色体尚未完全解除联会，因此可见几处交叉。灯刷染色体的超微结构灯刷染色体的转录功能第四节第四节 核核 仁仁(nucleolus)1 核仁的超微结构核仁的超微结构 2 核仁的功能核仁的功能 3 核仁周期核仁周期 一、核仁的超微结构一、核仁的超微结构形状、大小、数目和分布超微结构三种基本核仁组分和rRNA的转录与加工形成RNP的不同事件有关间期细胞核内呈圆球形的结构，一般12个。功能是转录

32、rRNA和组装核糖体亚单位。蛋白合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和较多的核仁，反之核仁很小或缺如。核仁在分裂前期消失，末期又重新出现。超微结构纤维中心(fibrillarcenters,FC)：是致密纤维包围的低电子密度的圆形结构rDNA,RNA聚合酶I,结合的转录因子致密纤维组分(densefibrillarcomponent,DFC)呈环形或半月形包围FC，由致密纤维构成新合成的RNPrRNA颗粒组分(granularcomponent,GC)核糖核蛋白颗粒（RNP）（正在加工、成熟的核糖体亚单位前体颗粒）核 仁 相 随 染 色 质(nucleolarassociatedchromati

33、n)与核仁基质（(nucleolarmatrix)三种基本核仁组分和三种基本核仁组分和rRNA的转录的转录与加工形成与加工形成RNP的不同事件有关的不同事件有关FCs是rRNA基因的储存位点；转录主要发生在FC与DFC的交界处，并加工初始转录本；颗粒组分区（GC）负责装配核糖体亚单位，是核糖体亚单位成熟和储存的位点。二、核仁的功能二、核仁的功能核仁是rRNA合成、加工和核糖体亚单位装配场所。rRNA基因转录的形态及组织特征基因转录的形态及组织特征rRNA前体的加工前体的加工核糖体亚单位的组装核糖体亚单位的组装rRNA基因转录的形态及组织特征基因转录的形态及组织特征组织特征位于NORs的rDNA

34、是rRNA的信息来源。NOR：核仁组织区，是rDNA存在部位，位于次缢痕处。间期围绕NORs形成核仁。基因转录的形态特征:“圣诞树”样结构。rRNA基因串连重复排列，成簇分布rRNA基因的转录采取受控的级联放大机制。rRNA前体的加工前体的加工加工过程修饰与加工 小分子核仁RNA(snoRNAs)、小分子核仁核糖核蛋白（snoRNPs）引导RNA（guideRNA）核糖体亚单位的核糖体亚单位的组装组装rRNA的加工过程是以核蛋白而不是游离rRNA的方式进行的。在加工过程中逐渐失去一些RNA和蛋白质，然后剪切成两种大小不同的核糖体亚单位前体。核糖体小亚单位首先成熟。加工下来的蛋白质和小的RNA存

35、留在核仁中,可能起着催化核糖体构建的作用。核糖体的成熟作用只发生在转移到细胞质以后,从而阻止有功能的核糖体与核内加工不完全的hnRNA分子接近。核仁的另一个功能涉及mRNA的输出与降解。核糖体的组成核糖体的组成三、核仁周期三、核仁周期核仁的核仁的动态变化动态变化核仁结构的核仁结构的动态变化依赖于动态变化依赖于rDNA转录活性转录活性和细胞周期的运行和细胞周期的运行第五节第五节 染色质结构和基因转录染色质结构和基因转录1 1 活性染色质及其主要特征活性染色质及其主要特征 2 2 染色质结构与基因转录染色质结构与基因转录 活性染色质及其主要特征活性染色质及其主要特征活性染色质活性染色质(activ

36、e chromatin)与与 非活性染色质非活性染色质(inactive chromatin)活性染色质主要特征活性染色质主要特征 活性染色质活性染色质(active chromatin)与与 非活性染色质非活性染色质(inactive chromatin)活性染色质是具有转录活性的染色质活性染色质的核小体发生构象改变，具有疏松的染色质结构，从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。非活性染色质是没有转录活性的染色质活性染色质主要特征活性染色质主要特征活性染色质具有DNaseI超敏感位点（DNaseIhypersensitivesite，DHS）：染色质上无核小体的

37、DNA片段，通常位于5-启动子区，长度几百bp。染色质活性基因DNaseI敏感性的检测活性染色质在生化上具有特殊性活性染色质很少有组蛋白H1与其结合；活性染色质的组蛋白乙酰化程度高；活性染色质的核小体组蛋白H2B很少被磷酸化；活性染色质中核小体组蛋白H2A在许多物种很少有变异形式；HMG14和HMG17只存在于活性染色质中。染色质结构与基因转录染色质结构与基因转录疏松染色质结构的形成染色质的区间性染色质模板的转录疏松染色质结构的形成DNA局部结构的改变与核小体相位的影响调控蛋白结合后，DNA局部结构的改变与核小体相位的影响当调控蛋白与染色质DNA的特定位点结合时，染色质易被引发二级结构的改变；

38、进而引起其它的一些结合位点与调控蛋白的结合。核小体通常定位在DNA特殊位点而利于转录DNA甲基化：A/C甲基化/去甲基化（特别是5-mC）组蛋白的修饰组蛋白的修饰改变染色质的结构，直接或间接影响转录活性（磷酸化、甲基化、乙酰化，泛素化（uH2A）/Arg，His，Lys，Ser，Thr）组蛋白赖氨酸残基乙酰基化（acetylation），影响转录HMG结构域蛋白等染色质变构因子的影响HMG结构域可识别某些异型的DNA结构，与DNA弯折和DNA-蛋白质复合体高级结构的形成有关染色质的区间性基因座控制区（locuscontrolregion,LCR）染色体DNA上一种顺式作用元件，具有稳定染色质疏

39、松结构的功能；多种反式因子的结合序列可保证DNA复制时与启动子结合的因子仍保持在原位。隔离子（insulator）防止处于阻遏状态与活化状态的染色质结构域之间的结构特点向两侧扩展的染色质DNA序列，称为隔离子。作用：作为异染色质定向形成的起始位点；提供拓扑隔离区染色质模板的转录基因转录的模板不是裸露的DNA，染色质是否处于活化状态是决定转录功能的关键转录的“核小体犁”（nucleosomeplow）假说 第六节第六节 核基质与核体核基质与核体 1 核基质核基质(nuclear matrix)2 核体核体（nuclear bodies，NBs）核基质核基质(nuclear matrix)核基质或

40、核骨架(nuclearskeleton)的概念 狭义概念仅指核基质，即细胞核内除了核被膜、核纤层、染色质与核仁以外的网架结构体系。广义概念应包括核基质、核纤层(或核纤层-核孔复合体结构体系),以及染色体骨架。目前对核骨架的研究结论 核骨架是存在于真核细胞核内真实的结构体系；核骨架与核纤层、中间纤维相互连接形成贯穿于核与质的一个独立结构系统。核骨架的主要成分是由非组蛋白的纤维蛋白构成的,含有多种蛋白成分及少量RNA；核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的包装与构建有密切关系。核体（核体（nuclear bodies，NBs）核体概念核体概念 螺旋体螺旋体（coiled bodies，CBs）早幼

41、粒细胞白血病蛋白体早幼粒细胞白血病蛋白体（promyelocytic leukaemia protein bodies，PML bodies）核体概念核体概念间期核内除染色质与核仁结构外，在染色质之间的空间还含许多形态上不同的亚核结构域（subnucleardomain），统称为核体。如螺旋体和早幼粒细胞白血病蛋白体。在细胞的各种事件中，核体可能代表不同核组分的储存或查封位点或称之为分子货仓（molecularwarehouse）。螺旋体（螺旋体（coiled bodies，CBs）小核糖核蛋白质（snRNPs）、细胞周期控制蛋白和几种基本转录因子，如p80coilin螺旋体的功能与snRNP

42、的生物发生（biogenesis）有关；CBs在基因表达协调反馈调节中有作用。早幼粒细胞白血病蛋白体早幼粒细胞白血病蛋白体PML体的功能转录调节病毒感染的靶结构PML体组成的改变与某些疾病表型的发生有关PML蛋白的功能可能是作为负生长调节子和肿瘤抑制子而发挥作用PML可能介导程序性细胞死亡，PML体在细胞周期调控中起作用由由X-射线晶体衍射射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构所揭示的核小体三维结构（引自等，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

43、旋（73bp）和4种核心组蛋白分子，每种组蛋白由3 个螺旋和一个伸展的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。核小体的性质及结构要点示意图核小体的性质及结构要点示意图（引自等）在用微球菌核酸酶降解染色质时，反应早期可得到166bp的片段，但不稳定；进一步降解则得到146bp片段，比较稳定。推测可能原因是失去H1后，DNA两端各有10bp的DNA，易被核酸酶作用而降解。DNA复制起点：确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性。着丝粒：使细胞分裂时已完成复制的染色体能平均分配到子细胞中。端粒：保持染色体的独立性和稳定性图解

44、表明多线染色体上的带和间带的形成图解表明多线染色体上的带和间带的形成 多线染色体胀泡形成示意图多线染色体胀泡形成示意图 人间期细胞核仁组织区含有人间期细胞核仁组织区含有rRNA基因的基因的10个染色体袢环延伸进入并簇集在核仁个染色体袢环延伸进入并簇集在核仁（引自）转录时RNA聚合酶沿DNA分子排列，产物排列呈羽毛状。rRNA首先出现在纤维部，而后转向颗粒部。核小体相位在协助转录中的作用核小体相位在协助转录中的作用 （a）基因的关键调控元件被留在核心颗粒外面，从而有利于结合转录因子；（b）位于DNA上的调控元件被盘绕在核心组蛋白上，因为组蛋白使DNA上的关键 调控元件靠得很近，它们可以通过转录因

45、子而联系。辅激活子通过组蛋白乙酰基化在转录调控中作用的模型辅激活子通过组蛋白乙酰基化在转录调控中作用的模型 转录因子（如糖皮质激素受体，GR）与DNA结合并捕获辅激活子（CBP）；CBP具有组蛋白乙酰基转移酶活性。表示一段阻遏状态的染色体区域，其DNA与去乙酰基组蛋白结合；糖皮质激素受体（GR）和糖皮质激素应答元件（GRE）结合，辅激活物CBP同GR结合，处于TATA盒的上游和下游 的核 心组蛋白被乙酰基化；被乙酰基化的组蛋白与DNA分离；TFIID与DNA的开放区结合。TAFII250是TFIID的一个亚基，具有组蛋白乙酰基转移酶活性。同时，CBP和TAFII250又解离相邻的核小体，以便容许转录起始；在启动子区剩下的核小体 也被乙酰基化，RNA聚合酶与启动子结合，转录开始。通过核小体核心结构的转录的模型通过核小体核心结构的转录的模型（引自等）第一步：RNA聚合酶使核小体不稳定，撤掉2个（H2A-H2B）,形成H3-H4四聚体复合物；第二步：组蛋白核心的另一半（H3-H4四聚体）被移开并转到聚合酶后面自由DNA上；第三步：2个H2A-H2B二聚体重新结合到DNA上，又形成一个完整的核小体核心结构。