10 第十章 细胞核与染色体1

核孔
真核细胞，间期细胞核普遍存在核孔复合 体。 一般转录功能活跃的细胞，核孔复合体数 量较多。 一个典型的哺乳动物细胞核被膜上的核孔 复合体总数约3000一4000个。
几个问题

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？
细胞核的结构 n为核仁 N为常染色质
第一节
核被膜与核孔复合体
核被膜(nuclear envelope) 功能：（1）屏障；（2）通透 分辨：普通光镜难以分辨，相差可见界限， TEM可见。 结构组成的2种看法： 3组分法：核膜、NPC、核纤层 2组分法：核膜、NPC 核纤层：紧贴内层核膜、纤维网络、与中间丝 联系。
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NPC运输入 核，命名这段序列：核定为序列（nuclear localization sequence）、或核定为信号 （nuclear localization signal, NLS）。
亲核蛋白入核分步进行 结合：结合到NPC的胞质面，需NLS； 转移：需GTP水解，入核。 入核还需要胞质蛋白因子的帮助，如 importinα、 importinβ、Ran、NTF2
主动运输的选择性表现
①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10-20nm。 ②通过NPC的主动运输是一个信号识别与 载体介导的过程，需要消耗ATP能量。 ③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（karyophilic protein）：胞质 合成，需入核发挥功能的蛋白质。 组蛋白一次性入核，importin等多次过 NPC。 核质蛋白（nucleoplasmin）用酶水解可 以得到N端和C端片断，将带有放射性标记 的核质蛋白、N端、C端显微注射到爪蟾卵 胞质，发现C端和nucleoplasmin可以入核。
An overview depicting several of the most important early discoveries on the nature of gene.
果蝇高达40倍(1.4X108bp),平均基因长 11.3kb，约有8750个基因; 人的单倍体基因组几乎高达800倍，为 3X109bp，平均基因长16.3kb，约有3万-4 万个基因。
Chromosomal localization of nonrepeated DNA sequence.
③含有重复序列的DNA：有2个亚类 简单序列DNA； 散在重复（interspersed repeats）序列：有DNA 转座子、LTR反转座子、非LTR反转座子、假基 因； 其中，非LTR反转座子又包括：短散在元件（short
核孔结构模型
抽提后核孔胞质面的结构
抽提后核孔核质面的结构
(二)核孔复合体成分的研究 NPC主要由蛋白质构成，推测可能含有30 余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。 倾向于把核孔复合体蛋白统一命名为"核孔 蛋白"(nucleoporin Nup)。
(三)核孔复合体的功能:核质交换的双向选择 性亲水通道
金标记的核质素穿越核孔
组蛋白H1 ，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 列，以主动运输方式入核。 NPC不是小于10nm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 架。
2.核孔复合体的主动运输
亲核蛋白的核输入，RNA分子及RNP颗粒的 核输出，在细胞核功能活性的控制中起着 非常重要的作用。 合成DNA，染色质包装，需要从细胞质向核 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， 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 合体的主动运输完成的。
interspersed element, SINE,典型SINE，长度小于500bp，如人的Alu
基因，50-70万拷贝）和长散在元件（LINE，典型的
LINE长6-8kb，如人的L1家族，有10万个L1拷贝）
Location of a region in human chromosome s containing a duplicated gene
入核步骤： 通过NLS识别importinα、 importinβ形成 转运复合物； 与胞质纤维结合； 过NPC； 与Ran-GTP结合，蛋白释放； importinα、 importinβ在Ran-GDP返回胞 质， Ran-GDP返回核内成Ran-GTP。
RNA及核糖体亚单位出核转运机制了解少。 由RNA聚合酶I 转录的rRNA与蛋白质装配 成核糖核蛋白颗粒（RNP）出核； 由RNA聚合酶III 转录的5SrRNA的转运需 蛋白介导； 由RNA聚合酶II转录的核内异质RNA在5’端 加帽，3’加A尾形成成熟mRNA出核。
（二）染色质DNA的类型
Lander et al. Nature. 2001, 409: 860. （人）DNA分5类： ①蛋白编码序列：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 1-1.5%；
②编码rRNA,tRNA,snRNA,组蛋白的串联重 复基因；20-300个拷贝，占0.3%；
二、核孔复合体
1949-1950年间，Callan HG与Tomlin SG用 透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 一个简单的孔洞，而是一个相对独立的复杂 结构。 1959年Watson ML将这种结构命名为核孔复合 体(nuclear pore complex，NPC)。
二、染色质DNA
（一）基因组 一个生物储存在单倍染色体组中的总遗传 信息，称为该生物的基因组(genome)。 大肠杆菌基因组含4.2X106bp，平均基因长 1.2kb，基因数目约2350; 酵母(S.cerevisiae)基因组3一4倍于大肠 杆菌的DNA，为1.3X107bp，平均基因长 1.4kb,约有6100个基因;
微卫星DNA：重复序列1-5bp，串联成族，长50-100bp,
具高度多态性，个体鉴定。
Localization of satellite DNA
DNA序列多样性 一级结构多样性（遗传信息） 二级结构也具备多态性（3种二级结构）： B型DNA：右手双螺旋（经典Watson-Crick型） A型DNA：B型DNA的变构形式，右手螺旋； Z型DNA：左手螺旋，也是B型DNA的变构。
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 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DNA 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 析模型： 组蛋白与DNA含量之比近于1:1， 非组蛋白与DNA之比是0.6:1, RNA/DNA比率为0.1:1。 DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，非组 蛋白与RNA的含量则随细胞生理状态不同 而变化。
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（=NH）或者受体（O或N）识 别遗传信息。
三种不同构象的DNA双螺旋
The double helix
The double helix
三、染色质蛋白质
DNA结合蛋白分2类：组蛋白、非组蛋白 （一）组蛋白 染色体的结构蛋白，富含Arg、Lys等碱性 氨基酸，电泳分析有5种成分：H1、H2A、 H2B、H3和H4。分2类：
②锌指模式：负责5SRNA、tRNA和部分 snRNA基因转录的RNA聚合酶Ⅲ所必需的 转录因子TFⅢA是首先被发现的锌指蛋白。 TFⅢA含9个有规律的锌指重复单位，每个 单位含30AA，其中1对半胱氨酸和1对组氨 酸与Zn++形成配位键。
１、非组蛋白的特性
①种类多样性：占染色质蛋白60-70%，HMG； ②特异性(识别DNA)：信息来自DNA序列； ③功能多样性：基因表达调控、DNA折叠。
2、序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式
①α螺旋-转角- α螺旋模式(helix-turn-helix motif) ：与DNA结合时，形成同型二聚体 (Symmetric homodimer)结构模式。
NPC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 核质交换通道。 双功能：被动扩散与主动运输。 双向性：蛋白质的入核，RNA、核糖核蛋白 颗粒(RNP)的出核。
1.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 效直径9-10nm。 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 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。
④未分类的间隔DNA（unclassified spacer DNA） ⑤除上4类，真核细胞含高度重复的DNA序 列，基因组中含至少10万分拷贝，占脊椎 动物总DNA的10%。 卫星DNA：重复5-100bp，位于着丝粒处； 小卫星DNA：重复单位12-100bp，重复可达3000次，
指纹技术，个体鉴定。
第十章
细胞核与染色体
细胞核由核被膜、染色质、 核仁及核基质等组成。
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 能的控制中心； 1831年 Brown R最早命名nucleus(nuclei) 呈球形或卵圆形； 高等动物细胞核直径5-10µ m。
一、核被膜
（一）结构组成 内层核膜：7.5nm，内贴核纤层； 外层核膜：7.5nm，外附核糖体； 核周间隙：2层核膜之间，通ER腔； 2层核膜有些部位融合形成核孔，核孔上镶 嵌NPC；核孔周围的核膜称孔膜区。
核被膜的T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； 分裂期，核膜崩解； 分裂末期，重新组装。