第五章-細胞核與遺傳信息的流向2

1、第五章 細胞核與遺傳信息的流向,羅大極醫(yī)學遺傳學系,細胞核是真核細胞內(nèi)最大、最重要的細胞器，是遺傳物質儲存、復制和轉錄的場所，是細胞生命活動的控制中心。,細胞核的大小與細胞大小有關，最小的核直徑不足1μm，而最大的核如蘇鐵科某些植物卵細胞核直徑可達500~600μm。植物細胞核的直徑通常在1~4μm左右，動物為10μm左右。 在同一種生物，由于遺傳物質的含量是恒定的，因此核的大小也比較恒定。常以核質比來估算核的大小

2、NP≈0.5，分裂期細胞NP>0.5，衰老細胞NP<0.5。,通常一個細胞一個核，肝細胞和心肌細胞可有雙核，破骨細胞可有6~50個細胞核，骨骼肌細胞可有數(shù)百個核；高等植物的氈絨層可有2~4個核。 正在生長的細胞中，核位于細胞中央，在分化成熟的細胞中，常因細胞內(nèi)含物或特殊結構的存在，核被擠到邊緣。,細胞核的主要結構包括：①核被膜(nuclear envelope)②核仁(nucleolus)③核基

3、質(nuclear matrix)④染色質(chromatin)⑤核纖層(nuclear lamina),細胞核的主要功能有兩個方面：①遺傳②發(fā)育 前者表現(xiàn)為通過染色體、DNA的復制和細胞分裂，維持物種的世代連續(xù)性。后者表現(xiàn)為通過調節(jié)基因表達的時空順序，控制細胞的分化，完成個體發(fā)育的使命。,第二節(jié) 染色質和染色體,染色質與染色體是同一物質周期性相互轉化的不同形態(tài)的表現(xiàn)。,肺炎雙球菌轉化實驗,1944年Avery等

4、利用肺炎雙球菌轉化實驗證明DNA是遺傳物質。,基因(gene)： 細胞內(nèi)遺傳物質最小的結構功能單位，是DNA分子中含有特定遺傳信息的核苷酸序列?；蚪M(genenome)： 細胞所含有的能代表全部遺傳信息的一整套基因。,根據(jù)化學特性和物理性質染色質和染色體的定義是染色質(chromatin)： 細胞核內(nèi)被堿性染料著色的物質，含有DNA與蛋白質等成分結合形成的復合體。染色體(chromosom

5、e)： 在細胞有絲分裂時染色質染色質組裝成一條條能在光鏡下看到的棒狀或點狀的染色體。,◆染色質（chromatin）: 指間期細胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復合結構, 是間期細胞遺傳物質存在的形式。 ◆染色體(chromosome): 指細胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中, 由染色質聚縮而成的棒狀結構。?染色質與染色體是在細胞周期不同的功能階段可以相互

6、轉變的的形態(tài)結構?染色質與染色體具有基本相同的化學組成，但包裝程度不同,構象不同。,染色質與染色體,一、染色質的化學組成及種類,（一）染色質的化學組成 生化分析顯示，染色質的化學組成主要是DNA和組蛋白，此外還有非組蛋白和少量RNA。,真核生物功能性染色體DNA的三個必需序列： ①復制源序列。 ②著絲粒序列。 ③端粒序列。 四膜蟲：TTGGGG，重復約20

7、-70次。 人類：TTAGGG，重復約500-5000次。 端粒酶，由RNA和蛋白質構成的反轉錄酶。,染色體DNA,從染色體DNA到基因組 凡是具有細胞形態(tài)的所有生物其遺傳物質都是DNA。在真核細胞中，每條未復制的染色體包裝一條DNA分子，一個生物貯存在單倍染色體組中的總遺傳信息，稱為該生物的基因組。 ?基因組大小通常隨物種的復雜性而增加 ?基因組中兩類遺傳信息

8、 ?編碼序列 ?調控序列,物種 基因組大小 平均基因長（bp） 基因數(shù)目 大腸桿菌 4.2×106bp 1.2Kb 約2 350酵母 1.3×107bp 1.4Kb 約6 10

9、0 果蠅 1.4×108bp 11.3Kb 約8 750 人 3×109bp 16.3Kb 約25 000,染色體蛋白,負責DNA分子遺傳信息的組織、復制和閱讀。,根據(jù)功能主要分為：1）組蛋白2）非組蛋白,?核小體組蛋白(n

10、ucleosomal histone)：H2B、H2A、H3和H4,幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結構?H1組蛋白：在構成核小體時H1起連接作用, 它賦予染色質以極性。,組蛋白,組蛋白特點：?真核生物染色體的基本結構蛋白，富含帶正電荷的Arg和Lys等堿性氨基酸，屬堿性蛋白質，可以和酸性的DNA緊密結合（非特異性結合）；?沒有種屬及組織特異性，在進化上十分保守。,,非組蛋白具多樣性和異質性 ?對DNA具有識別特異性，又稱

11、序列特異性DNA結合蛋白 (sequence specific DNA binding proteins) ?具有多種功能，包括基因表達的調控和染色質高級結構 的形成。,非組蛋白,?α螺旋-轉角-α螺旋模式(helix-turn-helix motif) ?鋅指模式(Zinc finger motif) ?亮氨酸拉鏈模式(Leucine zipper motif，ZIP)?螺旋-環(huán)-螺旋結構模式(helix-loop-he

12、lix motif，HLH) ?HMG-盒結構模式（HMG-box motif）,非組蛋白的不同結構模型,（二）染色質的種類 間期細胞核中的染色質可分為兩類：常染色質（euchromatin）和異染色質（heterochromatin）。1、常染色質 在間期細胞中結構較為松散、堿性染料著色較淺的染色質稱為常染色質。,常染色質的特點◆DNA包裝比約為1 000～2 000分之一；◆單一序列 DN

13、A 和中度重復序列DNA(如組蛋白基因和tRNA基因)；◆并非所有基因都具有轉錄活性,常染色質狀態(tài)只是基因轉錄的必要條件而非充分條件 ；,2、異染色質 可將異染色質劃分為兩種類型：結構異染色質(constitutive heterochromatin)和兼性異染色質(facultative heterochromatin)。（1）結構異染色質（2）兼性異染色質 巴氏小體(Barr body)。,除

14、復制期以外，在整個細胞周期均處于聚縮狀態(tài)，形成多個染色中心。 結構異染色質的特征：①在中期染色體上多定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕及染色體臂的某些節(jié)段；②由相對簡單、高度重復的DNA序列構成；③具有顯著的遺傳惰性, 不轉錄也不編碼蛋白質；④在復制行為上與常染色質相比表現(xiàn)為晚復制早聚縮；⑤在功能上參與染色質高級結構的形成，導致染色質區(qū)間性，作為核DNA的轉座元件，引起遺傳變異。,結構異染色質,? 在某些細胞類型或一定的發(fā)育階段,

15、 原來的 常染色質聚縮, 并喪失基因轉錄活性, 變?yōu)楫?染色質，如X染色體隨機失活 ? 異染色質化可能是關閉基因活性的一種途徑,兼行異染色質,巴氏小體,常染色質與異染色質在細胞中的分布及相互轉換1）分布相與細胞分化程度相關 分化程度愈高，致密異染色質為主； 增殖活躍的細胞，疏松的常染色質為主。2）常染色質與兼性異染色質可以相互轉換,二、染色質的包裝,染色單體由DNA

16、分子組成，人的二倍體細胞約含有6x109堿基對，分布在46條染色體上。,只有高度有序的包裝才能保證細胞分裂中遺傳物質傳遞的穩(wěn)定性，才能保證基因復制和表達的準確。,每條染色體DNA的平均長度約5cm，總長達174cm。如此長的DNA是如何排列在只有5um的細胞核中的呢？必須經(jīng)過包裝和壓縮！,DNA如何有序的包裝和壓縮最終構成染色質(體)呢？,染色質的超微結構,鋪展染色質的電鏡觀察 未經(jīng)處理的染色質自然結構為30nm的纖絲，經(jīng)鹽

17、溶液處理后解聚的染色質呈現(xiàn)10nm串珠狀結構；用非特異性微球菌核酸酶消化染色質，部分酶解片段分析結果，應用X射線衍射、中子散射和電鏡三維重建技術研究 發(fā)現(xiàn)核小體顆粒是直徑為11nm、高6nm的扁園柱體，具有二分對稱性(dyad symmetry)，核心組蛋白的構成是八聚體。,由X-射線晶體衍射(2.8A)所揭示的核小體三維結構（引自K.Luger等，1997）a。通過DNA超螺旋中心軸所顯示的核小體核心顆粒8個組蛋白分子

18、的位置；b．垂直與中心軸的角度所見到的核小體核心顆粒的盤狀結構； c．半個核小體核心顆粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4種核心組蛋白分子，每種組蛋白由3 個α螺旋和一個伸展的N-端尾部組成。N-端尾部有序排列，參與核小體之間的相互作用，以形成螺線管等高級結構。,染色體多級螺旋模型染色體袢環(huán)結構模型,染色體多級螺旋模型,◆一級結構：核小體◆二級結構：螺線管(solenoid)◆三級結構：超螺線管(supe

19、rsolenoid) ◆四級結構：染色單體（chromatid） 壓縮7倍 壓縮6倍 壓縮40倍 壓縮5倍 DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體,(一)核小體（nucleosome) 染色質的基本單位—核小體，由DNA和組蛋白組成的結構。,染色質的一級結構——核小體,,核小體的結構：核小體核心：(H2A、H2B、H3、H4)×2 組成八聚體，八

20、聚體連接的順序是：H2A-H2B-H4-H3-H3-H4-H2B-H2A核小體DNA：146bp的DNA纏繞在八聚體的外面1.75圈。H1鎖住核小體DNA的進出口處， DNA雙螺旋共纏繞2圈165bp。 加上H1稱為染色質小體(chromotosome)。,每個核小體其直徑為10nm，高6nm的扁圓柱體。,連接DNA (1inker DNA)： 0到80bp不等的DNA(平均長度為60bp)將核小體串聯(lián)成直徑10nm

21、的串珠鏈，是染色質（體）的一級結構。,螺線管(solenoid)10nm的串珠鏈細線螺旋化形成30nm的中空管稱螺線管，每圈由6個核小體組成，H1位于中空的螺線管的內(nèi)部，對螺線管的穩(wěn)定起著重要的作用。螺線管是染色體的二級結構。,染色質的二級結構——螺線管,超螺線管(supersolenoid):　　是由30nm螺線管經(jīng)螺旋化形成直徑為0.2～0.4?m的圓筒狀結構，即染色質(染色體)的三級結構。,染色質的三級結構——超螺線管,染色單

22、體:　　超螺線管進一步螺旋折疊形成染色單體，即染色質(染色體)的四級結構。,染色質的四級結構——染色單體,壓縮比例：　　　７倍　　?。侗丁　?40倍　　 ５倍ＤＮＡ　　核小體　　 螺線管　 超螺線管　　染色單體Total：8400倍,,,,,,1977年Laemmli用NaCl溶液或硫酸葡聚糖加肝素處理Hela細胞中期染色體，去除組蛋白等成分后，在電鏡下可看到由非組蛋白構成的染色體骨架，在這個基礎上提出了“袢環(huán)”模型。,H

23、eLa細胞去除組蛋白染色體的電鏡照片非組蛋白支架為2條染色單體的支架結構，DNA由支架區(qū)域發(fā)出。,染色體袢環(huán)結構模型,該模型認為染色單體的非組蛋白支架在著絲粒區(qū)域相連接，直徑為30nm的螺線管一端與支架的某一點結合，另一端向周圍呈環(huán)狀迂回后再回到結合點處，這樣的環(huán)狀螺旋管稱為“袢環(huán)”。,每18個袢環(huán)在同一平面散開成一個單位，叫微帶。微帶在染色單體上沿縱軸排列。,人12號染色體的整裝電鏡圖顯示由30nm的纖維組成的兩條染色單體及其在著絲粒

24、處結合。,(一)染色體的形態(tài)特征 在細胞有絲分裂中期，染色質高度螺旋化，凝集形成光學顯微鏡下具有明顯形態(tài)特征的染色體。不同生物體的染色體常具有不同的大小、數(shù)目和形態(tài)。1.中期染色體的形態(tài)結構,三、染色體,,著絲粒(centromere)：　　染色體的兩條染色單體(CHRTD)借以底面相聯(lián)結的兩個半球狀或片狀的基質(M)集結在一起，染色單體臂間有染色質纖(50nm)穿過基質，使 染色單體兩臂保持連續(xù)，紡錘絲束

25、(SF-1，2，3，4)也與基質相連，每個基質與兩個紡錘絲束接觸，整個著絲粒共有四個紡錘絲束。,Haskins(1969)的著絲粒模型,1.近中著絲粒染色體2.近端著絲粒染色體3.亞中著絲粒染色體4.端部著絲粒染色體,根據(jù)著絲粒位置對染色體的分類：,次縊痕和隨體,次縊痕,主縊痕,隨體主要由異染色質組成，不具有常染色質所具有的功能活性。,端粒是存在于染色體末端的特化結構，通常由一簡單重復的序列組成，進化上高度保守，人體細胞中的序列為

26、GGGTAA。 端粒的生物學作用1）維持染色體的穩(wěn)定，防止染色體末端的彼此相粘；2）使染色體具有極性，保證染色體在細胞周期中的正常功能；正常染色體每復制一次，端粒序列減少50-100bp，端粒是正常細胞衰老的標志；腫瘤細胞具有端粒酶活性，可進行端粒的合成，表現(xiàn)出無限繁殖的特性。,(二)基因組與核型 基因組(genome)是生物體內(nèi)單倍體染色體的組成，它代表了一個生物體染色體儲存的全部遺傳信息。 核型(

27、karyotype)是指將一個物種所特有的染色體數(shù)目和每一條染色體所特有的形態(tài)特征，核型包括染色體的長度、著絲粒的位置、隨體的有無、次縊痕的數(shù)目及位置、常染色質和異染色質的分布等等。,正常人核型分組及其特征：按染色體的大小和著絲粒的位置，可分為7組(A～G組)。X染色體屬于C組Y染色體屬于G組,染色體顯帶技術,通過特殊處理再用染色，可使染色體的長、短臂上顯出清晰的橫紋。,經(jīng)過顯帶染色，每條染色體所含帶的大小、染色的深淺、數(shù)量、排

28、列順序構成這條染色體的帶型。,帶型,第三節(jié) 核基質,核基質(nuclear matrix) 又被稱為核骨架(nuclear skeleton) 。狹義概念僅指核基質，即細胞核內(nèi)除了核被膜、核纖層、 染色質與核仁以外的網(wǎng)架結構體系。廣義概念應包括核基質、核纖層(或核纖層-核孔復合體結 構體系),以及染色體骨架。,目前對核骨架的研究結論核骨架是存在于真核細胞核內(nèi)真實的結構體系；核骨架與核纖層、中間纖維相互連接形成貫穿于核與質的一個

29、獨立結構系統(tǒng)。核骨架的主要成分是由非組蛋白的纖維蛋白構成的, 含有多種蛋白成分及少量RNA；核骨架與DNA復制、基因表達及染色體的包裝和構建有密切關系。,核基質的功能核基質是DNA復制的基本位點和空間支架；基因轉錄在核基質上進行；核基質還可能是細胞核內(nèi)RNA前體的加工場所；,第四節(jié) 核仁,核仁(necleolus)見于間期的細胞核內(nèi)，呈圓球形，一般1-2個，也有多達3-5個的。核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近內(nèi)核膜，核

30、仁的數(shù)量和大小因細胞種類和功能而異。,核仁沒有界膜包圍，在電子顯微鏡下可辨認出有3個特征性的區(qū)域：①纖維中心(fibrillar centers，F(xiàn)C)： 是被致密纖維包圍的一個或幾個低電子密度的圓形結構，主要成分為RNA聚合酶和rDNA，這些rDNA是裸露的分子。②致密纖維組分(dense fibrillar component，DFC)： 呈環(huán)形或半月形包圍FC，由致密的纖維構成，是新合成的RNP（指

31、結合蛋白質的rRNA），轉錄主要發(fā)生在FC與DFC的交界處。③顆粒組分(granular component，GC)： 由直徑15-20nm的顆粒構成，是不同加工階段的RNP，是核糖體亞單位成熟和儲存的位點。,核仁的超微結構,核仁相隨染色質(nucleolar associated chromatin) 核仁相隨染色質分為兩部分， 一部分位于核仁周圍，稱為核仁周染色質，屬異染色質； 一部

32、分位于核仁內(nèi)，為常染色質，即核仁組織區(qū)(NOR)，是rDNA所在的位置。,核糖體的生物發(fā)生(ribosome biogenesis) 過程包括rRNA的合成、加工和核糖體亞單位的裝配。rRNA的合成、加工： 是被致密纖維包圍的一個或幾個低電子密度的圓形結構，主要成分為RNA聚合酶和rDNA，這些rDNA是裸露的分子。rRNA基因轉錄的形態(tài)及組織特征 基因轉錄的組織特征：位于NORs的rDNA是rRNA的信息來源?；?/p>