【广西医药大学】优质课《细胞生物学》 第十章-- 细胞核与染色体.ppt

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1、【广西医药大学】优质课全国特级教师江新欢博士教授细胞生物学细胞生物学第十章第十章 细胞核与染色体细胞核与染色体 关于细胞核的几个论述关于细胞核的几个论述细胞核是真核细胞内最大的细胞器；细胞核是真核细胞内最大的细胞器；细胞核是遗传与代谢的调控中心；细胞核是遗传与代谢的调控中心；细胞核是遗传物质的储存场所，是细胞功细胞核是遗传物质的储存场所，是细胞功能的控制中心；能的控制中心；1831年年 Brown R最早命名最早命名nucleus(nuclei)呈球形或卵圆形；呈球形或卵圆形；高等动物细胞核直径高等动物细胞核直径5-10m。细胞核的结构细胞核的结构n n为核仁为核仁N N为常染色质为常染色质

2、第一节第一节 核被膜与核孔复合体核被膜与核孔复合体核被膜核被膜(nuclear envelope)(nuclear envelope)功能：（功能：（1 1）屏障；（）屏障；（2 2）通透）通透分辨：普通光镜难以分辨，相差可见界限，分辨：普通光镜难以分辨，相差可见界限，TEMTEM可见。可见。结构组成的结构组成的2 2种看法种看法：3 3组分法：核膜、组分法：核膜、NPCNPC、核纤层、核纤层2 2组分法：核膜、组分法：核膜、NPCNPC核纤层：紧贴内层核膜、纤维网络、与中间丝核纤层：紧贴内层核膜、纤维网络、与中间丝联系。联系。一、核被膜一、核被膜（一）结构组成（一）结构组成内层核膜：内层核膜

3、：7.5nm，内贴核纤层；，内贴核纤层；外层核膜：外层核膜：7.5nm，外附核糖体；，外附核糖体；核周间隙：核周间隙：2层核膜之间，通层核膜之间，通ER腔；腔；2层核膜有些部位融合形成核孔，核孔上镶层核膜有些部位融合形成核孔，核孔上镶嵌嵌NPC；核孔周围的核膜称孔膜区。；核孔周围的核膜称孔膜区。核被膜的核被膜的TEMTEM照片照片 核膜核膜核被膜的结构核被膜的结构(二二)核被膜在细胞周期中的崩解与装配核被膜在细胞周期中的崩解与装配 细胞周期，核被膜有规律地解体与重建；细胞周期，核被膜有规律地解体与重建；分裂期，核膜崩解；分裂期，核膜崩解；分裂末期，重新组装。分裂末期，重新组装。二、核孔复合体二

4、、核孔复合体1949-19501949-1950年间，年间，Callan HGCallan HG与与Tomlin SGTomlin SG用透用透射电镜观察两栖类卵母细胞的核被膜时发现射电镜观察两栖类卵母细胞的核被膜时发现了核孔，随后人们逐渐认识到核孔并不是一了核孔，随后人们逐渐认识到核孔并不是一个简单的孔洞，而是一个相对独立的复杂结个简单的孔洞，而是一个相对独立的复杂结构。构。19591959年年Watson MLWatson ML将这种结构命名为核孔复合将这种结构命名为核孔复合体体(nuclear pore complex(nuclear pore complex，NPC)NPC)。核孔核孔

5、真核细胞，间期细胞核普遍存在核孔复合真核细胞，间期细胞核普遍存在核孔复合体。体。一般转录功能活跃的细胞，核孔复合体数一般转录功能活跃的细胞，核孔复合体数量较多。量较多。一个典型的哺乳动物细胞核被膜上的核孔一个典型的哺乳动物细胞核被膜上的核孔复合体总数约复合体总数约30003000一一40004000个。个。几个问题几个问题什么是核孔复合体？什么是核孔复合体？核孔复合体的结构是什么样？如何研究？核孔复合体的结构是什么样？如何研究？核孔复合体有什么用？哪些物质需透过核孔复合体有什么用？哪些物质需透过NPC？核孔复合体以外的核膜部分有没有通透性？核孔复合体以外的核膜部分有没有通透性？(一一)结构模型

6、结构模型NPC镶嵌在核孔上，核孔直径镶嵌在核孔上，核孔直径80-100nm，NPC研究经典方法：超薄切片、负染色、研究经典方法：超薄切片、负染色、冷冻蚀刻；冷冻蚀刻；提出的结构模型：提出的结构模型：横向上看：周边横向上看：周边-核孔中心分环、辐、栓核孔中心分环、辐、栓（车轮）；（车轮）；纵向上看：核外向核内，胞质环、辐纵向上看：核外向核内，胞质环、辐(+栓栓)、核质环。核质环。NPC结构结构胞质环：位于胞质面，环上向外伸出胞质环：位于胞质面，环上向外伸出8条短条短纤维；纤维；核质环：位于核质面，环上向内伸出核质环：位于核质面，环上向内伸出8条条50-70nm的纤维，纤维末端形成直径的纤维，纤维

7、末端形成直径60nm的小环，小环由的小环，小环由8个颗粒组成（篮球网）；个颗粒组成（篮球网）；辐：含辐：含3个结构域，柱状亚单位（位于胞质个结构域，柱状亚单位（位于胞质环和核质环之间）、腔内亚单位（位于核环和核质环之间）、腔内亚单位（位于核周隙）、环带亚单位（位于柱状亚单位向周隙）、环带亚单位（位于柱状亚单位向核孔中心的内侧，由核孔中心的内侧，由8个颗粒结构形成）；个颗粒结构形成）；栓：中央颗粒，栓：中央颗粒，transporter。核孔结构模型核孔结构模型 抽提后核孔抽提后核孔胞质面的胞质面的结构结构 抽提后核孔抽提后核孔核质面的核质面的结构结构(二二)核孔复合体成分的研究核孔复合体成分的研

8、究NPC主要由蛋白质构成，推测可能含有主要由蛋白质构成，推测可能含有30余种不同的多肽，共余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。多个蛋白质分子。倾向于把核孔复合体蛋白统一命名为倾向于把核孔复合体蛋白统一命名为核孔核孔蛋白蛋白(nucleoporin Nup)。(三三)核孔复合体的功能核孔复合体的功能:核质交换的双向选择核质交换的双向选择性亲水通道性亲水通道NPCNPC可以看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复可以看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，是一个双功能、双向性的亲水性合体，是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道。核质交换通道。双功能：被动扩散与主动运输。双功能：被动扩散与主动运输。双向性

9、：蛋白质的入核，双向性：蛋白质的入核，RNARNA、核糖核蛋白、核糖核蛋白颗粒颗粒(RNP)(RNP)的出核。的出核。1.1.通过核孔复合体的被动扩散通过核孔复合体的被动扩散核孔复合体作为被动扩散的亲水通道。有核孔复合体作为被动扩散的亲水通道。有效直径效直径9-10nm9-10nm。将聚乙烯毗咯烷酮包被的胶体金颗粒，显将聚乙烯毗咯烷酮包被的胶体金颗粒，显微注射进变形虫细胞质内，在电镜下检查微注射进变形虫细胞质内，在电镜下检查金颗粒的分布，发现它们是经过核孔复合金颗粒的分布，发现它们是经过核孔复合体的进入细胞核的。体的进入细胞核的。金标记的核质素穿越核孔金标记的核质素穿越核孔组蛋白组蛋白H1，按

10、相对分子量，能自由进入细按相对分子量，能自由进入细胞核，但其本身带有信号功能的氨基酸序胞核，但其本身带有信号功能的氨基酸序列，以主动运输方式入核。列，以主动运输方式入核。NPC不是小于不是小于10nm的分子在核膜两侧均匀的分子在核膜两侧均匀分布，如小分子结合与其他结构或细胞骨分布，如小分子结合与其他结构或细胞骨架。架。2.2.核孔复合体的主动运输核孔复合体的主动运输亲核蛋白的核输入，亲核蛋白的核输入，RNARNA分子及分子及RNPRNP颗粒的颗粒的核输出，在细胞核功能活性的控制中起着核输出，在细胞核功能活性的控制中起着非常重要的作用。非常重要的作用。合成合成DNADNA，染色质包装，需要从细胞

11、质向核，染色质包装，需要从细胞质向核内输入组蛋白分子。内输入组蛋白分子。从细胞核向细胞质输出核糖体大小亚基，从细胞核向细胞质输出核糖体大小亚基，以确保蛋白质合成的需要。以确保蛋白质合成的需要。这种大分子的核质分配主要是通过核孔复这种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。合体的主动运输完成的。主动运输的选择性表现主动运输的选择性表现对运输颗粒大小的限制。主动运输的功对运输颗粒大小的限制。主动运输的功能直径比被动运输大，约能直径比被动运输大，约10-20nm。通过通过NPC的主动运输是一个信号识别与的主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗载体介导的过程，需要消耗ATP能量

12、。能量。通过核孔复合体的主动运输具有双向性。通过核孔复合体的主动运输具有双向性。亲核蛋白如核转运机制研究进展亲核蛋白如核转运机制研究进展亲核蛋白（亲核蛋白（karyophilic protein）：胞质合）：胞质合成，需入核发挥功能的蛋白质。成，需入核发挥功能的蛋白质。组蛋白一次性入核，组蛋白一次性入核，importin等多次过等多次过NPC。核质蛋白（核质蛋白（nucleoplasmin）用酶水解可）用酶水解可以得到以得到N端和端和C端片断，将带有放射性标记端片断，将带有放射性标记的核质蛋白、的核质蛋白、N端、端、C端显微注射到爪蟾卵端显微注射到爪蟾卵胞质，发现胞质，发现C端和端和nucle

13、oplasmin可以入核。可以入核。现证明亲核蛋白一般含特殊氨基酸序列，现证明亲核蛋白一般含特殊氨基酸序列，这段氨基酸序列保证蛋白质经这段氨基酸序列保证蛋白质经NPC运输入运输入核，命名这段序列：核定为序列（核，命名这段序列：核定为序列（nuclear localization sequence）、或核定为信号）、或核定为信号（nuclear localization signal,NLS）。）。亲核蛋白入核分步进行亲核蛋白入核分步进行结合：结合到结合：结合到NPC的胞质面，需的胞质面，需NLS；转移：需转移：需GTP水解，入核。水解，入核。入核还需要胞质蛋白因子的帮助，如入核还需要胞质蛋白因

14、子的帮助，如importin、importin、Ran、NTF2入核步骤：入核步骤：通过通过NLS识别识别importin、importin形成形成转转运复合物；运复合物；与胞与胞质纤维结质纤维结合；合；过过NPC；与与Ran-GTP结结合，蛋白合，蛋白释释放；放；importin、importin在在Ran-GDP返回胞返回胞质质，Ran-GDP返回核内成返回核内成Ran-GTP。RNA及核糖体亚单位出核转运机制了解少。及核糖体亚单位出核转运机制了解少。由由RNA聚合酶聚合酶I 转录的转录的rRNA与蛋白质装配与蛋白质装配成核糖核蛋白颗粒（成核糖核蛋白颗粒（RNP）出核；）出核；由由RNA聚

15、合酶聚合酶III 转录的转录的5SrRNA的转运需的转运需蛋白介导；蛋白介导；由由RNA聚合酶聚合酶II转录的核内异质转录的核内异质RNA在在5端端加帽，加帽，3加加A尾形成成熟尾形成成熟mRNA出核。出核。第二节第二节 染色质染色质染色质是遗传物质的载体。染色质是遗传物质的载体。18791879年，年，Flemming WFlemming W提出染色质提出染色质(Chromatin)(Chromatin)这一术语，用以描述细胞核中这一术语，用以描述细胞核中能被碱性染料强烈着色的物质。能被碱性染料强烈着色的物质。18881888年，年，WaldeyerWaldeyer提出染色体的命名。提出染色

16、体的命名。染色质是指间期细胞核内由染色质是指间期细胞核内由DNA、组蛋白、组蛋白、非组蛋白及少量非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式。是间期细胞遗传物质存在的形式。染色体是指细胞在有丝分裂或减数分裂过染色体是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。程中，由染色质聚缩而成的棒状结构。一、染色质是细胞生命活动的基础一、染色质是细胞生命活动的基础细胞生长、分裂、衰老、死亡均受基因控细胞生长、分裂、衰老、死亡均受基因控制，基因存在和发挥功能的基础是染色质。制，基因存在和发挥功能的基础是染色质。生化分析，确定染色质的主要成分是生化

17、分析，确定染色质的主要成分是DNA和组蛋白，还有非组蛋白及少量和组蛋白，还有非组蛋白及少量RNA。大鼠肝细胞染色质常被当作染色质成分分大鼠肝细胞染色质常被当作染色质成分分析模型：析模型：组蛋白与组蛋白与DNA含量之比近于含量之比近于1:1，非组蛋白与非组蛋白与DNA之比是之比是0.6:1,RNA/DNA比率为比率为0.1:1。DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，非组与组蛋白是染色质的稳定成分，非组蛋白与蛋白与RNA的含量则随细胞生理状态不同的含量则随细胞生理状态不同而变化。而变化。二、染色质二、染色质DNA（一）基因组（一）基因组一个生物储存在单倍染色体组中的总遗传一个生物储存在单倍染色体组中的

18、总遗传信息，称为该生物的基因组信息，称为该生物的基因组(genome)(genome)。大肠杆菌基因组含大肠杆菌基因组含4.2X106bp4.2X106bp，平均基因长，平均基因长1.2kb1.2kb，基因数目约，基因数目约2350;2350;酵母酵母(S.cerevisiae)(S.cerevisiae)基因组基因组3 3一一4 4倍于大肠倍于大肠杆菌的杆菌的DNADNA，为，为1.3X107bp1.3X107bp，平均基因长，平均基因长1.4kb,1.4kb,约有约有61006100个基因个基因;An overview depicting several of the most impor

19、tant An overview depicting several of the most important early discoveries on the nature of gene.early discoveries on the nature of gene.果蝇高达果蝇高达40倍倍(1.4X108bp),平均基因长平均基因长11.3kb，约有，约有8750个基因个基因;人的单倍体基因组几乎高达人的单倍体基因组几乎高达800倍，为倍，为3X109bp，平均基因长，平均基因长16.3kb，约有，约有3万万-4万个基因。万个基因。（二）染色质（二）染色质DNA的类型的类型Lander

20、 et al.Nature.2001,409:860.（人）（人）DNA分分5类：类：蛋白编码序列：蛋白编码序列：以三联体方式编码，主要是以三联体方式编码，主要是以三联体方式编码，主要是以三联体方式编码，主要是非重复的单一基因，也有多拷贝的重复基因；占非重复的单一基因，也有多拷贝的重复基因；占非重复的单一基因，也有多拷贝的重复基因；占非重复的单一基因，也有多拷贝的重复基因；占1-1.5%1-1.5%1-1.5%1-1.5%；编码编码rRNA,tRNA,snRNA,rRNA,tRNA,snRNA,组蛋白的串联重组蛋白的串联重复基因；复基因；20-30020-300个拷贝，占个拷贝，占0.3%0.

21、3%；Chromosomal localization of nonrepeated DNA sequence.含有重复序列的含有重复序列的含有重复序列的含有重复序列的DNADNADNADNA：有：有：有：有2 2 2 2个亚类个亚类个亚类个亚类 简单序列简单序列简单序列简单序列DNADNADNADNA；散在重复（散在重复（散在重复（散在重复（interspersed repeatsinterspersed repeats）序列：有）序列：有）序列：有）序列：有DNADNA转座子、转座子、转座子、转座子、LTRLTR反转座子、非反转座子、非反转座子、非反转座子、非LTRLTR反转座子、假基反转

22、座子、假基反转座子、假基反转座子、假基因；因；因；因；其中，非其中，非其中，非其中，非LTRLTR反转座子又包括：短散在元件反转座子又包括：短散在元件反转座子又包括：短散在元件反转座子又包括：短散在元件（short short interspersed element,SINE,interspersed element,SINE,典型典型典型典型SINESINE，长度小于，长度小于，长度小于，长度小于500bp500bp，如人的，如人的，如人的，如人的AluAlu基因，基因，基因，基因，50-7050-70万拷贝）和万拷贝）和万拷贝）和万拷贝）和长散在元件（长散在元件（长散在元件（长散在元件（

23、LINELINE，典型的，典型的，典型的，典型的LINELINE长长长长6-8kb6-8kb，如人的，如人的，如人的，如人的L1L1家族，有家族，有家族，有家族，有1010万个万个万个万个L1L1拷贝）拷贝）拷贝）拷贝）Location of a region in human chromosomes containing a duplicated gene未分类的间隔未分类的间隔DNA（unclassified spacer DNAunclassified spacer DNA）除上除上4 4类，真核细胞含高度重复的类，真核细胞含高度重复的DNADNA序序列，基因组中含至少列，基因组中含至少

24、1010万分拷贝，占脊椎万分拷贝，占脊椎动物总动物总DNADNA的的10%10%。卫星卫星DNADNA：重复重复重复重复5-100bp5-100bp5-100bp5-100bp，位于着丝粒处；，位于着丝粒处；，位于着丝粒处；，位于着丝粒处；小卫星小卫星DNADNA：重复单位重复单位重复单位重复单位12-100bp12-100bp12-100bp12-100bp，重复可达，重复可达，重复可达，重复可达3000300030003000次，次，次，次，指纹技术，个体鉴定。指纹技术，个体鉴定。指纹技术，个体鉴定。指纹技术，个体鉴定。微卫星微卫星DNADNA：重复序列重复序列重复序列重复序列1-5bp1

25、-5bp1-5bp1-5bp，串联成族，长，串联成族，长，串联成族，长，串联成族，长50-50-50-50-100bp,100bp,100bp,100bp,具高度多态性，个体鉴定。具高度多态性，个体鉴定。具高度多态性，个体鉴定。具高度多态性，个体鉴定。Localization of satellite DNADNA序列多样性序列多样性一级结构多样性（遗传信息）一级结构多样性（遗传信息）二级结构也具备多态性（二级结构也具备多态性（3种二级结构）：种二级结构）：B型型DNA：右手双螺旋：右手双螺旋（经典（经典（经典（经典Watson-CrickWatson-Crick型）型）型）型）A型型DNA：

26、B B型型型型DNADNA的变构形式，右手螺旋；的变构形式，右手螺旋；的变构形式，右手螺旋；的变构形式，右手螺旋；Z型型DNA：左手螺旋，也是左手螺旋，也是左手螺旋，也是左手螺旋，也是B B型型型型DNADNA的变构。的变构。的变构。的变构。基因调控蛋白通过其特定氨基酸序列与大沟中碱基基因调控蛋白通过其特定氨基酸序列与大沟中碱基基因调控蛋白通过其特定氨基酸序列与大沟中碱基基因调控蛋白通过其特定氨基酸序列与大沟中碱基对两侧的氢原子供体（对两侧的氢原子供体（对两侧的氢原子供体（对两侧的氢原子供体（=NH=NH）或者受体（）或者受体（）或者受体（）或者受体（OO或或或或N N）识）识）识）识别遗传信

27、息。别遗传信息。别遗传信息。别遗传信息。三种不同构象的三种不同构象的DNADNA双螺旋双螺旋 The double helixThe double helix三、染色质蛋白质三、染色质蛋白质DNA结合蛋白分结合蛋白分2类：组蛋白、非组蛋白类：组蛋白、非组蛋白（一）组蛋白（一）组蛋白染色体的结构蛋白，富含染色体的结构蛋白，富含Arg、Lys等碱性等碱性氨基酸，电泳分析有氨基酸，电泳分析有5种成分：种成分：H1、H2A、H2B、H3和和H4。分。分2类：类：核小体组蛋白：核小体组蛋白：H2A、H2B、H3和和H4，有，有成复合体的趋势，通过成复合体的趋势，通过C端的疏水氨基酸端的疏水氨基酸（Val

28、、Ile）互相结合，）互相结合，N基端（富含基端（富含Arg、Lys）向四面伸出与）向四面伸出与DNA分子结合，帮助分子结合，帮助DNA卷曲成核小体稳定结构。卷曲成核小体稳定结构。均无组织特异性，牛和豌豆均无组织特异性，牛和豌豆H4的的102个氨基个氨基酸，只有酸，只有2个不同。个不同。H1组蛋白：分子较大，组蛋白：分子较大，210AA，球形中心，球形中心保守，保守，N端、端、C端有变异，有一定种属和组端有变异，有一定种属和组织特异性。织特异性。（二）非组蛋白（二）非组蛋白指与特异指与特异DNA序列相结合的蛋白质，又称序列相结合的蛋白质，又称序列特异性序列特异性DNA结合蛋白结合蛋白(Sequ

29、ence specific DNA binding proteins)。利用非组蛋白与特异序列利用非组蛋白与特异序列DNA亲合的特点，亲合的特点，通过凝胶延滞实验通过凝胶延滞实验(gel retardation assay)，在细胞抽提物中进行检测。在细胞抽提物中进行检测。凝胶延滞实验原理：凝胶延滞实验原理：制备带放射性标记的特异序列制备带放射性标记的特异序列DNA，与要，与要检测的非组蛋白粗体物混合，电泳。检测的非组蛋白粗体物混合，电泳。未结合蛋白质的未结合蛋白质的DNA，迁移最快；，迁移最快；结合了蛋白质的结合了蛋白质的DNA，移速减慢，移速减慢，蛋白分子小的泳动快（高速泳动）。蛋白分子小

30、的泳动快（高速泳动）。放射自显影分出条带，条带成分分析。放射自显影分出条带，条带成分分析。、非组蛋白的特性、非组蛋白的特性种类多样性：占染色质蛋白种类多样性：占染色质蛋白60-70%60-70%，HMGHMG；特异性特异性(识别识别DNA)：信息来自：信息来自DNA序列；序列；功能多样性：基因表达调控、功能多样性：基因表达调控、DNADNA折叠。折叠。2、序列特异性、序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式结合蛋白的不同结构模式螺旋螺旋-转角转角-螺旋模式螺旋模式(helix-turn-helix motif)：与：与DNA结合时，形成同型二聚体结合时，形成同型二聚体(Symmetric hom

31、odimer)结构模式。结构模式。锌指模式：负责锌指模式：负责5SRNA、tRNA和部分和部分snRNA基因转录的基因转录的RNA聚合酶聚合酶所必需的所必需的转录因子转录因子TFA是首先被发现的锌指蛋白。是首先被发现的锌指蛋白。TFA含含9个有规律的锌指重复单位，每个个有规律的锌指重复单位，每个单位含单位含30AA，其中，其中1对半胱氨酸和对半胱氨酸和1对组氨对组氨酸与酸与Zn+形成配位键。形成配位键。亮氨酸拉链模式亮氨酸拉链模式(Leucine zipper motif,ZIP)：富含：富含Leu残基的一段氨基酸序残基的一段氨基酸序列所组成的二聚化结构。列所组成的二聚化结构。包括酵母的转录激

32、活因子包括酵母的转录激活因子(GCN4)，癌蛋白，癌蛋白Jun、Fos、Myc以及增强子结合蛋白以及增强子结合蛋白(enhancer binding proteins，CEBP)等。等。螺旋螺旋-环环-螺旋结构模式螺旋结构模式(helix-Loop-helixmotif,HLH)存在于动植物存在于动植物DNA结合蛋白中，如哺乳类结合蛋白中，如哺乳类的转录因子的转录因子MyoD等。等。(5)HMG框结构模式框结构模式(HMG-box motif)高速泳动族蛋白高速泳动族蛋白(high mobility group proteins，HMG）框结构模式。）框结构模式。该结构有三个该结构有三个螺旋组

33、成螺旋组成boomerang-shaped结结构模式，具有弯曲构模式，具有弯曲DNA的能力。的能力。具有具有HMG框结构的转录因子又称框结构的转录因子又称“构件因子构件因子”(architectural factors)，它们通过弯曲，它们通过弯曲DNA、促进与邻近位点相结合的其他转录因子的相促进与邻近位点相结合的其他转录因子的相互作用而激活转录。互作用而激活转录。SRY基因基因四、染色体的基本结构单位四、染色体的基本结构单位-核小体核小体1974年年Kornberg等人根据染色质的酶切降等人根据染色质的酶切降解和电镜观察，发现核小体解和电镜观察，发现核小体(nucleosome)是是染色质包

34、装的基本结构单位。染色质包装的基本结构单位。(一一)主要实验证据主要实验证据1 温和方法裂解细胞核，将染色质铺展在电温和方法裂解细胞核，将染色质铺展在电镜铜网上，电镜观察，染色质自然结构为镜铜网上，电镜观察，染色质自然结构为30nm的纤丝，经盐溶液处理后解聚的染色的纤丝，经盐溶液处理后解聚的染色质呈一系列核小体连接的串珠状结构，念质呈一系列核小体连接的串珠状结构，念珠的直径为珠的直径为l0nm。2 用非特异性微球菌核酸酶消化染色质，电用非特异性微球菌核酸酶消化染色质，电泳分析，发现绝大多数泳分析，发现绝大多数DNA被降解成大约被降解成大约200bp的片段；的片段；部分酶解，得到的片段是以部分酶

35、解，得到的片段是以200bp为单位的为单位的单体、二体单体、二体(400bp)、三体、三体(600bp)等等。等等。3 X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术，研究染色质结晶颗粒，发现核小体颗术，研究染色质结晶颗粒，发现核小体颗粒是直径为粒是直径为11nm、高、高6.0nm的扁圆柱体，的扁圆柱体，具有二分对称性，核心组蛋白的构成是先具有二分对称性，核心组蛋白的构成是先形成形成(H3)2(H4)2四聚体，然后再与两个四聚体，然后再与两个H2AH2B异二聚体结合形成异二聚体结合形成8聚体。聚体。4 SV404 SV40微小染色体微小染色体(minichromoso

36、me)(minichromosome)分析。分析。用用SV40SV40病毒感染细胞，病毒病毒感染细胞，病毒DNADNA进入细胞后，进入细胞后，与宿主的组蛋白结合，形成串珠状微小染与宿主的组蛋白结合，形成串珠状微小染色体，电镜观察到色体，电镜观察到SV40DNASV40DNA为环状，周长为环状，周长1500nm1500nm，约，约5.0kb5.0kb。若。若200bp200bp相当于一个核相当于一个核小体，则可形成小体，则可形成2525个核小体，实际观察到个核小体，实际观察到2323个，与推断基本一致。个，与推断基本一致。30nm30nm和和11nm11nm染色质纤维染色质纤维 30 nm fi

37、ber(二二)核小体结构要点核小体结构要点 1.11.11.11.1个核小体单位：个核小体单位：个核小体单位：个核小体单位：200bpDNA200bpDNA200bpDNA200bpDNA、1 1 1 1个组蛋白个组蛋白个组蛋白个组蛋白8 8 8 8聚体、聚体、聚体、聚体、1 1 1 1个组蛋白个组蛋白个组蛋白个组蛋白HlHlHlHl。2.2.2.2.组蛋白组蛋白组蛋白组蛋白8 8 8 8聚体构成核小体的盘状核心结构，包括聚体构成核小体的盘状核心结构，包括聚体构成核小体的盘状核心结构，包括聚体构成核小体的盘状核心结构，包括两个两个两个两个H2AH2AH2AH2A H2BH2BH2BH2B和两个

38、和两个和两个和两个H3H3H3H3 H4H4H4H4。两个。两个。两个。两个H3H3H3H3 H4H4H4H4形成四形成四形成四形成四聚体位于核心颗粒中央，两个聚体位于核心颗粒中央，两个聚体位于核心颗粒中央，两个聚体位于核心颗粒中央，两个H2AH2AH2AH2A H2BH2BH2BH2B二聚体分二聚体分二聚体分二聚体分别位于四聚体两侧。别位于四聚体两侧。别位于四聚体两侧。别位于四聚体两侧。3.146bp3.146bp的的DNADNA分子超螺旋盘绕组蛋白分子超螺旋盘绕组蛋白8 8聚体聚体1.751.75圈。组蛋白圈。组蛋白H1H1在核心颗粒外结合额外在核心颗粒外结合额外20bpDNA20bpDN

39、A，锁住核小体，锁住核小体DNADNA的进出端，起稳的进出端，起稳定核小体的作用。定核小体的作用。4 两相邻核小体间以连接两相邻核小体间以连接DNA相连，典型相连，典型长度长度60bp，不同物种变化值为，不同物种变化值为0一一80bp不不等。等。5 组蛋白与组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结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。构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列。6 核小体沿核小体沿DNA的定位受不同因素的影响。的定位受不同因素的影响。如非组蛋白与如非组蛋白与DNA特异性位点的结合，可特异性位点的结合，可影响邻近核小体的相位；影响邻近核小体的相位；DNA盘绕组蛋白核心

40、的弯曲也是核小体相盘绕组蛋白核心的弯曲也是核小体相位的影响因素，因为富含位的影响因素，因为富含AT的的DNA片段优片段优先存在于先存在于DNA双螺旋的小沟，面向组蛋白双螺旋的小沟，面向组蛋白八聚体，而富含八聚体，而富含GC的的DNA片段优先存在于片段优先存在于DNA双螺旋的大沟，背向组蛋白八聚体。双螺旋的大沟，背向组蛋白八聚体。五、染色质包装的结构模型五、染色质包装的结构模型人的每个体细胞所含的人的每个体细胞所含的DNA从染色质从染色质DNA包装成染色体要压缩近万倍。包装成染色体要压缩近万倍。(一一)染色质组装的前期过程染色质组装的前期过程(二二)染色质包装的多级螺旋模型染色质包装的多级螺旋模

41、型(三三)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(一一)染色质组装的前期过程染色质组装的前期过程22个异二聚体个异二聚体H3H4H3H4的结合，的结合，由由由由CAF-1(chromatin CAF-1(chromatin CAF-1(chromatin CAF-1(chromatin assembly factor 1)assembly factor 1)assembly factor 1)assembly factor 1)介导与介导与DNADNA结合；结合；2个个H2AH2B二聚体，由二聚体，由NAP-1、NAP-2(nucleosome assembly protein

42、s)(nucleosome assembly proteins)介导加入；介导加入；核小体的成熟需核小体的成熟需ATPATP创建规则的间距及组蛋白创建规则的间距及组蛋白的去乙酰化；连接的去乙酰化；连接H1H1，伴随核小体折叠；，伴随核小体折叠；6 6个核小体组成个核小体组成1 1个螺旋或其他方式组装成螺个螺旋或其他方式组装成螺线管结构；线管结构；进一步折叠成确定结构。进一步折叠成确定结构。这一高度压缩的结构阻碍转录吗？这一高度压缩的结构阻碍转录吗？有有2个家族的个家族的(染色质修饰染色质修饰)酶起作用，助于酶起作用，助于转录：转录：第第1个家族：在组蛋白尾部共价修饰（磷酸个家族：在组蛋白尾部共

43、价修饰（磷酸化、乙酰化、泛素化），影响以后与化、乙酰化、泛素化），影响以后与DNA或组蛋白相互作用因子的作用；或组蛋白相互作用因子的作用；第第2个家族：利用水解个家族：利用水解ATP释放的能量来破释放的能量来破坏核小体组蛋白与坏核小体组蛋白与DNA的接触。的接触。S期染色体复制包括：期染色体复制包括：DNA复制、复制、DNA组组装成染色质。装成染色质。组装：复制叉移动期间，组蛋白与组装：复制叉移动期间，组蛋白与DNA分分离，复制完成，随即转移到两条子链离，复制完成，随即转移到两条子链DNA的的1条上；条上；染色体组装因子利用刚合成的乙酰化的组染色体组装因子利用刚合成的乙酰化的组蛋白介导核小体在

44、复制的蛋白介导核小体在复制的DNA上组装。上组装。(一一)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：一级结构：DNADNA与组蛋白包装成核小体，在与组蛋白包装成核小体，在HlHl的介导下核小体连接形成直径约的介导下核小体连接形成直径约l0nml0nm的核小的核小体串珠结构；体串珠结构；二级结构：螺线管；（二级结构：螺线管；（温和处理核，电镜下看到温和处理核，电镜下看到温和处理核，电镜下看到温和处理核，电镜下看到直径为直径为直径为直径为30nm30nm30nm30nm的染色质纤维。在的染色质纤维。在的染色质纤维。在的染色质纤维。在HlHlHlHl存在下，核小体串存在下，核小体串存

45、在下，核小体串存在下，核小体串珠盘绕，每圈珠盘绕，每圈珠盘绕，每圈珠盘绕，每圈6 6 6 6个核小体，形成外径个核小体，形成外径个核小体，形成外径个核小体，形成外径30nm30nm30nm30nm，内径，内径，内径，内径l0nml0nml0nml0nm，螺距，螺距，螺距，螺距llnmllnmllnmllnm的螺线管的螺线管的螺线管的螺线管(solenoid)(solenoid)(solenoid)(solenoid)；三级结构：直径三级结构：直径30nm30nm的螺线管螺旋化成的螺线管螺旋化成400nm400nm的桶状结构；（的桶状结构；（BakBak，19771977）四级结构：进一步螺旋成

46、四级结构：进一步螺旋成2-102-10m的染色单体。的染色单体。核小体和螺线管的结构核小体和螺线管的结构 根据多级螺旋模型根据多级螺旋模型(multiplecoilingmodel)，从，从DNA到染色休经过四级包装到染色休经过四级包装 DNA 压缩压缩7倍倍核小体压缩核小体压缩6倍倍螺线管压缩螺线管压缩40倍倍超螺线管压缩超螺线管压缩5倍倍染色单体染色单体 经过四级螺旋包装形成的染色体结构，共经过四级螺旋包装形成的染色体结构，共压缩了压缩了8400倍。倍。(二二)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 直径直径30nm30nm的螺线管如何进一步包装成染色的螺线管如何进一步包装

47、成染色体有不同意见：体有不同意见：LaemmliLaemmliLaemmliLaemmli等，等，等，等，用用用用2molL2molL2molL2molL的的的的NaClNaClNaClNaCl或硫酸葡聚糖加肝素或硫酸葡聚糖加肝素或硫酸葡聚糖加肝素或硫酸葡聚糖加肝素处处理理HeLaHeLa细胞中期染色体，除去组蛋白和大细胞中期染色体，除去组蛋白和大部分非组蛋白后，电镜下可观察到见由非部分非组蛋白后，电镜下可观察到见由非组蛋白构成的染色体骨架和由骨架伸出的组蛋白构成的染色体骨架和由骨架伸出的无数的无数的DNADNA侧环。侧环。原核细胞的染色体、两栖类卵母细胞的灯原核细胞的染色体、两栖类卵母细胞的

48、灯刷染色体或昆虫的多线染色体，几乎都含刷染色体或昆虫的多线染色体，几乎都含环状结构域，提示环状结构可能是染色体环状结构域，提示环状结构可能是染色体高级结构的普遍特征。高级结构的普遍特征。该模型认为，该模型认为，30nm的染色线折叠成环，沿染的染色线折叠成环，沿染色体纵轴，由中央向四周伸出，构成放射环。色体纵轴，由中央向四周伸出，构成放射环。Painta J和和Coffey D(1984)模型：模型：直径直径2nm的双螺旋的双螺旋DNA与组蛋白与组蛋白8聚体构建成核聚体构建成核小体串珠结构，其直径小体串珠结构，其直径l0nm；每圈每圈6个核小体为单位盘绕成直径个核小体为单位盘绕成直径30nm的螺

49、线管；的螺线管；由螺线管形成由螺线管形成DNA复制环，每复制环，每18个复制环呈放射个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带。状平面排列，结合在核基质上形成微带。微带是染色体高级结构的单位，大约微带是染色体高级结构的单位，大约10万个微带沿纵轴构万个微带沿纵轴构建成子染色体。建成子染色体。螺线管模型强调螺旋化，放射环结构强调螺线管模型强调螺旋化，放射环结构强调环化与折叠。环化与折叠。染染色色体体的的包包装装方方式式 四、常染色质和异染色质四、常染色质和异染色质常染色质常染色质(euchromatin)(euchromatin)是指间期核内染是指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展

50、状态，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。用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。常染色质并非所有基因都具有转录活性，常染色质并非所有基因都具有转录活性，处于常染色质状态只是基因转录的必要条处于常染色质状态只是基因转录的必要条件，而不是充分条件。件，而不是充分条件。异染色质（核内深染部分）和常染色质（核异染色质（核内深染部分）和常染色质（核内浅染部分）内浅染部分）异染色质是指间期核中，染色质纤维折异染色质是指间期核中，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。染料染色时着色深的那些染色质。异染