第11章细胞核与染色质

• 染色质的复制与表达
• 染色体
• 核仁与核体
• 核基质
第一节 核被膜
核被膜位于细胞核最外层，是细胞核与细胞质之间的界膜。
一、核膜
核被膜结构
双层核膜
三部分构成
核孔复合体 核纤层
第一合体
核周间隙 异染色质
(双层膜)
核纤层
电镜图
(异染色质)
（一）核膜结构
核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成。 外核膜胞质面附有核糖体，与糙面内质网相联。核周隙与内质网 腔相通，外核膜是内质网的一部分。
核被膜内层光滑，内表面紧贴一层致密的核纤层；可支持核膜， 并与染色质及核骨架相连。
核周间隙宽20-40nm，腔内电子密度低，一般不含固定的结构， 与内质网腔相通。 双层核膜在某些部位相互融合，形成环状开口，称为核孔。在核 孔上镶嵌着一种复杂的结构叫做核孔复合体。
（二）核膜的崩解与组装
在真核细胞中，核膜伴随着细胞周期进行有规律的解体与重建。
2．核孔复合体的主动运输
A 对运输颗粒大小的限制。主动运输的功能直径（约10～ 20nm ）比被动运输大，核孔复合体的有效直径的大小是 可被调节的； 是一个信号识别与载体介导的过程复合体，需要消耗 ATP能量，表现出饱和动力学特征； 有核输出与核输入双向性。
B C
1）亲核蛋白的入核转运 （karyophilic protein）
（二）核小体的结构
• 包括200 bp 左右的DNA 超螺 旋和一个组蛋白八聚体以及 一个分子的组蛋白H1 • 组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心颗粒，由4 个异二聚 体组成，包括两 个H2A • H2B 和两个H3 • H4
（二）核小体的结构
• 146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈。组蛋白 H1在核心颗粒外结合额外20bp DNA，锁住核小体DNA的进 出端，起稳定核小体的作用。 • 两个相邻核小体之间以连接DNA（linker DNA）相连，典型 长度60bp，不同物种变化值为0～80bp不等。
1. 带有核定位信号(NSL)片段的蛋白质与受体importin/结合； 2. 复合体与胞质内的纤丝结合； 3. 复合体被送入核内； 4. 与Ran-GTP相互作用,复合体解散； 5. importin被Ran-GTP送回胞质,Ran-GTP 水解成Ran-GDP, RanGDP返回核内,importin回到胞质。
• 形态：一般呈圆球状与卵圆形，随物种和细胞类型不同有 很大变化。
• 组成：核被膜、核纤层、染色质、核仁及核体组成。 • 功能：①遗传 ②发育。
哺乳类成 熟红细胞 无细胞核
a
植物成 熟筛管 细胞无 细胞核
肝细胞和 心肌细胞 可有双核
a
a
破骨细 胞可有 6-50个 细胞核
a a
本章主要内容
• 核被膜 • 染色质
1．通过核孔复合体的被动扩散
<10nm
直径9-10nm
1．通过核孔复合体的被动扩散
NPC作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为9～10nm，有的可 达12.5nm，即离子、小分子以及直径在10nm以下的物质原则上 可以自由通过。扩散速度与分子大小成反比。 • 这种有效直径相当于允许相对分子质量在40×103～60×103以 下的蛋白质分子自由穿过核孔。 • 实际上并不是所有符合此条件的蛋白质都可随意出入细胞核。 有许多小分子量的蛋白质，如组蛋白H1，是通过主动运输进入 细胞核的。（其相对分子质量虽只有2.1×103，它本身带有具 信号功能的氨基酸序列）有的小分子量蛋白质本身虽然没有信 号序列，但可以与其它有信号序列的成份结合，一起被主动运 输到核内。
– H2A、H2B、H3 和H4
– 没有种属及组织特异性，进 化上十分保守
• H1 组蛋白
– 有一定的种属和组织特异性
（二）非组蛋白
• 序列特异性 DNA结合蛋白 • 特性
– 多样性 – 识别DNA具有特异性 – 具有功能多样性
α螺旋-转角-α螺旋模式
亮氨酸拉链模式
锌指模式
三、核小体
（一）核小体的发现
Nuclear localization signals
亲核蛋白的入核转运过程
亲核蛋白除了本身具有NLS外，其入核转运还需 要一些胞质蛋白因子的帮助。 目前比较确定的因子有： importinα、importinβ：核定位信号受体。 Ran：一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形 成。
蛋白质从细胞质经核孔向细胞核的运输
亲核蛋白：指在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞 核内发挥功能的一类蛋白质。 大多数的亲核蛋白往往在一个细胞周期中一次性地被转 运到核内，并一直停留在核内行使功能活动，典型的如组 蛋白、核纤层蛋白等；
有一些亲核蛋白需穿梭于核质之间进行功能活动，如 importins。
核定位序列或核定位信号（ NLS ）
2） RNA及核糖体亚基的出核转运
真核细胞中RNA一般要经过转录后加工、修饰成为成熟的 RNA分子后才能被转运出核。 核输出信号（nuclear export signal, NES）：引导RNP 输出细胞核，对蛋白的出核转运起决定作用的氨基酸序列 ，受体为exportin。 由RNA聚合酶I转录的rRNA分子。 由RNA聚合酶Ⅲ转录的5s rRNA与 tRNA 由RNA聚合酶Ⅱ转录的核内异质RNA （hn RNA ）
• 透射电镜显示串珠状11 nm 的核小体结构
螺线管 30nm
串珠 结构
Figure 4-22 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
（一）核小体的发现
• 非特异性微球菌核酸酶消化染色质
（一）核小体的发现
• X 射线晶体衍射揭示核小体三维结构
三、核纤层
第二节 染色质
• 染色质是间期细胞 核内由DNA、组蛋 白、非组蛋白及少 量RNA 组成的线性 复合结构
DNA复制、转录和重组都是在染色质水平上进行
一、染色质DNA
• 染色质和染色体是在细胞周期不同阶段可以互相转变的形 态结构
染色质（间期） 纤维状，直径10-30nm 分散在整个细胞核 DNA+蛋白质+RNA
一般哺乳动物细胞平均有3000个核孔。 细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。
（一）结构模型—— “fish-trap”(鱼笼)
在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认 为其结构如fish-trap（鱼笼）。
胞质面
核质面
（一）结构模型—— “fish-trap”(鱼笼)
• • • • 胞质环（cytoplasmic ring） 核质环（nuclear ring） 辐（spoke）：柱状亚单位；腔内亚单位；环带亚单位 中央栓（central plug），中央颗粒 （central granule）
四、染色质组装
• 人体细胞46条染色体含DNA约6×109 bp
http://www.chromatintoronto.ca/projects.html
（一）染色质组装的前期过程
• 裸露DNA 组装直径30 nm 螺线管
– H3 • H4 两个异二聚体结合 – 两个H2A • H2B 异二聚体加入 – 组蛋白的去乙酰化，H1组蛋白结合 伴随着核小体的折叠 – 6 个核小体组成一个螺旋 – 进一步的折叠事件
高度重复DNA序列 由一些短的DNA序列串联重复排列。
重复单位 • 卫星DNA • 小卫星DNA • 微卫星DNA 5-100bp 12-100bp 1-5bp 总长 105-107bp 102-105bp 50-100bp 染色体着丝粒 端粒 DNA指纹技术 遍布整个基因组 构建遗传图谱 个体鉴定
（图P232：通过核孔复合体物质运输的功能示意图）
通过核孔复合体物质运输的功能示意图 p232
被动运输 简单扩散 运输离子、小分子及 直径在10nm 以下的 物质。 主动运输 通过转运受体把大分子 运入和运出核孔 从胞质运入核的转运受 体为importins,从核运 入胞质的转运受体为 exportins。
核膜的动态特点
分裂期：双层核膜崩解成单 层泡膜，核孔复合体解体， 核纤层去装配； 分裂末期：核被膜开始围绕 染色体重新形成。
间期存在，分裂期解体
二、核孔复合体
核孔复合体 (Nuclear pore complex, NPC)
核被膜上由内外两层膜局部融合形成的许多核孔， 核孔是由一组蛋白质（至少50种不同的蛋白质）以 一定方式排布形成的复杂结构，可沟通核质和胞质。
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编
细胞生物学（第4版）
第11章 细胞核与染色质
细胞核概述
真核细胞中，除高等植物成熟的筛管和哺乳类成熟的红细胞外，都有细胞核。 在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核（nucleiod）。
原 核 细 胞 的 拟 核 真核细胞大多具细胞核
细胞核特征
• 分布：所有真核细胞（高等植物韧皮部成熟的筛管和哺乳 动物成熟的红细胞除外） • 数量：通常一个，成熟的筛管和红细胞（0）、肝细胞、 心肌细胞(1-2）、破骨细胞(6~50）、骨骼肌细胞(数百)、 植物毡绒层细胞(2~4)。 • 大小：占总体积的10%，高等动物一般5-10 um,高等植物 5-20 um,低等植物1-4 um。
• 亲核蛋白一般都含有特殊的氨基酸序列，这些内 含的特殊短肽保证了整个蛋白质能够通过核孔复 合体被转运到细胞核内。 • 这段具有“定向”、“定位”作用的序列被命名 为核定位序列或核定位信号。受体为importin。 • NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，并且在指 导亲核蛋白完成核输入后并不被切除。
（二）染色质组装的多级螺旋模型
根据多级螺旋模型从DNA到染色体经过四级包装
核小体 螺线管 －－基本结构单位 －－染色质二级结构