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羿杰田
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1 细胞核的结构和功能 The nucleus, structure and function 闫小毅

2 教学网站 &topMenuId=121000&action=view&type=&name= &menutype=1 教学秘书 : 闫小毅 yanxiaoyi@zju.edu.cn 医学院科研楼 B705 助教 : 孙强 sunqiangzai@126.com 医学院科研楼 B704

3 细胞核 (The nucleus) 细胞核是细胞内最大最重要的细胞器

4 细胞核第一节细胞核概述第二节细胞核膜第三节染色质和染色体第四节核仁第五节核骨架

5 第一节细胞核概述形状 : 球形杆状卵圆形不规则形大小 :5-20 μm 数目 : 多数细胞含有 1 个细胞核, 例外 : 肝细胞肾小管细胞破骨细胞成熟红细胞

6 遗传信息储存 DNA 复制和 RNA 转录的场所核糖体亚单位装配的场所细胞代谢生长增殖和分化等生命活动的调控中心

7 原核细胞和真核细胞的细胞核拟核, 没有核膜被核膜包裹

8 间期细胞核的结构细胞核的形态伴随细胞的增殖过程呈现周期性的变化处于间期的细胞核叫间期核间期核分为核膜染色质核仁核骨架等几个结构

9 第二节核膜核膜 (nuclear membrane ), 又称为核被膜 (nuclear envelope), 是包围真核细胞细胞核, 分割胞质和核质的生物膜电镜下, 核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成, 每层膜的厚度为 7.5 nm

10 核膜结构外核膜内核膜核周间隙核孔复合物核纤层

11 外核膜核膜中靠近胞质的膜, 表面粗糙, 有核糖体附着, 与内质网相连内核膜靠近核质, 表面光滑, 其内表面有一层电子密度高的蛋白质细丝附着, 称为核纤层核周间隙 20~40nm 宽, 充满液态物质, 为蛋白质和酶此间隙与内质网有临时通道, 可进行核质物质交换

12 核孔复合物 (nuclear pore complex) 核孔复合物 : 是内外膜融合形成的核孔与其周围的孔膜区形成的复杂结构, 核孔复合物含有多种蛋白质大小约 120 nm, 核孔约 10 nm 胞质面电子显微镜下的核孔核质面

13 核孔复合物的结构捕鱼笼式 (fish-trap): 胞质环 (cytoplasmic ring) 核质环 (nuclear ring) 辐 (spoke) 中央栓 (central plug)

14 细胞质与细胞核之间的物质运输 Traffic between Nucleus and Cytoplasm 小分子物质 (<10 nm) H 2 O 离子核苷酸等被动扩散, 不需要能量大分子物质 (>10 nm) RNAs 蛋白质等主动运输, 需要能量

15 亲核蛋白质入核亲核蛋白 : 是一类具有核定位序列, 能够进入细胞核, 在细胞核内发挥作用的蛋白质亲核蛋白入核需要转运受体 (importin, 入核素 ) 和 RanGTP 酶的协助

16 核定位信号核定位信号 (nuclear localization signal, NLS), 又称核定位序列 (nuclear localization sequence,nls), 是亲核蛋白上一段富含 Lys 和 Arg 的序列, 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一般 4-5 个连续的 K/R, 有些由两段序列组成

17 T 抗原 NLS 突变丧失入核能力

18 NLS 序列包裹胶体金颗粒入核

19 蛋白质入核过程

20 蛋白质入核需要 GTP 水解提供能量

21 Ran-GTP 和 Ran-GDP Ran 与 GTP/GDP 结合受 Ran GAP 和 Ran GEF 调节在胞质,Ran GAP 催化 GTP 水解在核内,Ran GEF 催化 GDP 与 Ran 解离,GTP 与 Ran 结合

22 蛋白质入核 --NF-kB 入核

23 蛋白质出核具有核输出信号 (NES) 的蛋白质从细胞核易位到细胞质需要出核素 (Exportin) 和 RanGTP 酶的协助核输出信号 (nuclear export signal,nes) 是一段富含亮氨酸的序列 Exportin 识别货物蛋白上 NES 序列, 与货物蛋白结合, 并与 RanGTP 结合形成核输出复合物, 通过核孔将货物蛋白转运到细胞质中, 在细胞质中货物蛋白与 Exportin 及 Ran 解离

24 RNA 出核 mrna 出核 mrna 和输出复合物结合转运到胞质, 在解旋酶作用下, 输出复合物与 mrna 解离 snrna 在核 - 质间穿梭 Crm1 识别 snrna7 甲基胞嘧啶帽子, 结合 snrna 并将其转运到细胞质 ; 在细胞质 snrna 与某些蛋白结合, 形成 snrnp, 通过 Importin 转运回细胞核

25 主要的 importin 和 exportin

26 核纤层 (nuclear lamina) 核纤层是紧贴核膜内层的纤维状蛋白网架结构, 由核纤层蛋白构成

27 核纤层组装核纤层主要由核纤层蛋白 (lamin) 组成, 包括 lamin A lamin B 和 lamin C 核纤层蛋白是一类中间纤维

28 参与核膜的重建前期 : 核纤层蛋白磷酸化, 核纤层蛋白解聚成单体, 导致核崩解破裂末期 : 核纤层蛋白去磷酸化, 使核膜重建参与维持染色质的结构在间期, 核纤层蛋白与染色质上的一些特殊位点相结合, 为染色体供核周锚定位点, 抑制染色体凝集参与 DNA 的复制核纤层的功能去除核纤层, 抑制 DNA 的复制结构支架作用维持细胞核的形状和大小

29 核纤层与人类疾病核纤层异常与多种疾病相关 Lamin A 突变与早老症 Lamin A 基因编码序列 1824 位 C>T 突变, 产生突变的蛋白 ( 缺少 50aa), 不能形成正常的核纤层, 最终导致早老症

30 细胞核膜的周期性变化

31 核膜的区域化作用核膜构成天然屏障, 将细胞分隔为细胞质和细胞核两个结构和功能区细胞核 :DNA 复制转录细胞质 : 翻译

32 第三节染色质和染色体染色质 (chromatin) 是细胞核内能被碱性染料着色的物质间期细胞核内由 DNA 组蛋白非组蛋白及少量 RNA 组成的线性复合结构, 呈伸展弥散, 呈丝网状分布, 是间期细胞遗传物质存在的形式染色体 (chromosome) 指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中, 由染色质高度折叠盘曲而凝缩成的条状或棒状结构

33 染色质和染色体是同一种物质在不同时期的表现形式间期分裂期

34 染色质与染色体的主要化学组成 DNA 贮存遗传信息的生物大分子, 结构性质稳定数量恒定的基本成分组蛋白 (H 1 H 2 A, H 2 B, H 3, H 4 ) 富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白, 带正电荷, 对维持结构和功能的完整性起关键作用调节 DNA 的复制和转录非组蛋白含天冬氨酸谷氨酸等酸性蛋白, 带负电荷, 促进复制和转录

35 常染色质和异染色质间期核中染色质 : 常染色质 (euchromatin) 着色浅, 位于核的内部, 结构上看, 其螺旋化程度低, 具有转录功能的染色质区域异染色质 (heterochromatin) 着色深, 靠近于核膜, 其螺旋化程度高, 功能上, 基本上不进行转录的功能

36 异染色质的特点 : 间期核中处于凝缩状态, 无 / 低转录活性在细胞周期中表现为晚复制早凝缩 ( 异固缩现象 ) 分为两类 : 组成型 ( 结构 ) 异染色质 (constitutive heterochromatin) 兼性 ( 功能 ) 异染色质 (facultative heterochromatin)

37 染色质的结构和组装染色质一级结构核小体是染色质的基本结构单位染色质二级结构螺线管 zig-zag 染色体高级结构多级折叠模型细胞骨架 - 放射环模型

38 核小体 (nucleosome)

39 核小体组分核小体由核心颗粒和 DNA 组成核心颗粒八聚体 H2A H2B H3 H4 各 2 个 DNA 200bp 核心 DNA 146 bp 连接 DNA 约 60 bp

40 核小体结构八个组蛋白形成核心颗粒, DNA(146 bp) 围绕 1.75 圈组蛋白 H1 位于 DNA 进出端, 连接 DNA 约 60 bp

41 螺线管 (solenoid) 左手罗璇每圈 6 个核小体螺距 11 nm 外径 30 nm, 内径 10 nm 从核小体到螺线管 DNA 压缩 6 倍

42 Zig-zag model

43 染色质包装的多级螺旋模型一级结构 : 核小体 (nucleosome) 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压缩 8400 倍

44 染色体包装 : 支架 - 放射环模型非组蛋白构成的染色体骨架 (chromsomal scaffold) 和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

45 染色体骨架 chromosome scaffold 用去垢剂处理, 去除染色体上的组蛋白, 电子显微镜下可见 DNA 环和蛋白骨架

46 有丝分裂中期染色体结构着丝粒将染色体分为长臂和短臂根据着丝粒的位置, 染色体分为 4 种类型中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体近端着丝粒染色体端着丝粒染色体人类细胞没有端着丝粒染色体

47 维持染色体稳定遗传的三个重要元件

48 着丝粒和动粒着丝粒 (centromere): 位于染色体上缢缩狭窄的部分 ( 主缢痕 ), 是两条染色单体连接的区域, 由异染色质组成动粒 (kinetochore): 着丝粒两侧由蛋白质组成的特化结构, 是细胞分裂时纺锤体在染色体上的结合位点着丝粒动粒

49 着丝粒与动粒动粒分为三个部分 : 外层 : 微管结合部位中层 : 电子密度低内层 : 与着丝粒相连, 起始动粒的组装

50 端粒端粒染色体末端的特化部位由高度重复的短序列组成, 高度保守维持染色体结构稳定端粒的组成 : 由端粒 DNA 和端粒结构蛋白 ( 属非组蛋白 ) 构成, 其 DNA 为 TTAGCG 的重复序列, 重复次端粒的复制 : 端粒核苷酸复制和基因 DNA 不同, 每复制一次减少 50~100bp, 其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶来完成

51 端粒的复制端粒酶 (telomerase) 由一个具有催化作用的蛋白质和一个与端粒 DNA 互补的 RNA 组成端粒酶以自身 RNA 为模板合成端粒 DNA, 补充端粒

52 端粒与细胞衰老体细胞端粒长度随细胞分裂而变短, 当端粒长度缩短到一定程度时, 细胞就会死亡生殖细胞和肿瘤细胞表达端粒酶, 维持端粒长度

53 Elizabeth H. Blackburn 伊丽莎白 - 布莱克本美国加州大学旧金山分校 Carol W. Greider 卡罗尔 - 格雷德巴尔的摩约翰 - 霍普金斯医学院 Jack W. Szostak 杰克 - 绍斯塔克哈佛医学院 2009 年的诺贝尔生理学或医学奖

54 染色体的数目性细胞染色体为单倍体 (haploid), 用 n 表示 ; 体细胞为 2 倍体 (diploid) 以 2n 表示, 还有一些物种的染色体成倍增加成为 4n 6n 8n 等, 称为多倍体染色体的数目因物种而异, 如人类 2n=46, 黑猩猩 2n=48, 果蝇 2n=8, 家蚕 2n=56, 小麦 2n=42, 水稻 2n=24, 洋葱 2n=16.

55 核型 : 一个细胞中全部染色体按照一定的顺序排列构成的的图形

56 带型 : 用特殊的染色方法, 使染色体沿长轴深浅相间的横纹, 这样的横纹称为带 (band) 每条染色体都有恒定而独特的带纹, 称为染色体带型

57 染色体核型及其临床应用

58 Down s syndrome

59 Chromosome Abnormality ( structural abnormalities )

60 Genetic instability Aneuploidy in cancer cells Karyotype of a cell from a breast cancer line

61 第四节核仁核仁 (nucleolus) 是细胞核内由特定染色体上的核仁组织区缔合形成的结构, 是细胞内合成 rrna 装配核糖体亚基的部位见于间期的细胞核内, 具有强折光性, 呈圆球形, 外无界膜包围, 是由多组分形成的一种网络结构一般 1~2 个, 有时多达 3~5 个, 通常位于细胞核的一侧一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁, 反之核仁很小或缺如

62 核仁的化学组成核仁的化学组成是核酸和蛋白质, 少量的脂类蛋白质含量很高 (80%) 核糖体蛋白组蛋白非组蛋白碱性磷酸酶 ATP 酶 RNA 聚合酶等 RNA 占 10%, 以 RNP 的形式存在 DNA 约占 8%, 主要位于核仁的染色质部分

63 核仁的结构 3 个特征性的区域纤维中心 (FC): rrna 基因的染色体, 即 rdna 致密纤维 (DFC): 新合成的核糖体 RNA(rRNA) 颗粒组分 (GC): 不同加工阶段的核糖体亚单位

64 核仁组织区 nucleolar organizing region 人类核仁组织区位于号染色体的次缢痕部位, 含有 rrna 基因

65 核仁周期 nucleolar cycle 分裂间期有 1~2 个或多个核仁分裂前期染色质浓缩 rrna 合成停止,rDNA 袢环逐渐缩回到染色体, 核仁消失分裂末期染色体解旋,rDNA 伸展, 合成 rrna, 组建成新的核仁

66 核仁周期显微镜下细胞周期不同时期的核仁

67 核仁的功能核仁的主要功能是进行 rrna 的合成和加工 rrna 基因存在于特定的染色体上, 由 rrna 聚合酶 Ⅰ 负责转录核仁是核糖体大小亚基的装配场所大亚基 : 多种蛋白质 5.8S 5S 28S rrna 小亚基 : 多种蛋白质 18S rrna

68 核仁 rrna 合成圣诞树结构 rrna 基因排列及转录形成核糖体 RNA 前体

69 rrna 加工 5S rrna 基因位于核仁外的染色体上

70 核糖体组装

71 第五节核基质核基质或称核骨架 (nuclear skeleton), 为真核细胞间期核内的网络结构, 指除核被膜染色质核纤层及核仁以外的核内网架体系 10 多种非组蛋白, 包括肌动蛋白和波形蛋白分子量为 40~60kD, 多数为含硫蛋白 ; 还含有少量颗粒蛋白少量 RNA(0.5%) 和 DNA(0.8%) RNA 和蛋白质结合成 RNP 复合物是保持核骨架三维网络的完整性所必需的少量磷脂 (1.6%) 和糖类 (0.9%)

72 Transmission electron micrograph of a portion of nuclear matrix (left) and surrounding cytoplasm

73 核基质的功能维持细胞核形态结构 DNA 复制 : 提供 DNA 聚合酶结合位点 RNA 复制 : 提供 RNA 聚合酶结合位点与染色体构建有关 30nm 的染色质纤维就是结合在核骨架上, 形成放射环状的结构, 在分裂期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体

74 推荐阅读资料刘佳, 周天华. 医学细胞生物学. 高等教育出版社,2014, 第 1 版. 杨恬. 细胞生物学. 人民卫生出版社,2010, 第 2 版. Alberts B, et al. Molecular Biology of the Cell [M]. 5th ed. Garland Publishing,Inc,2008. 课程网站 : &topmenuid=121019&action=view&type=&name=&menuty pe=1

75 课堂测试题染色体上那种结构与细胞寿命相关? A. 复制起点 B. 着丝粒 - 动粒 C. 端粒 D. 核仁组织区

幻灯片 1

幻灯片 1 细胞核的结构和功能 The nucleus, structure and function 闫小毅 2015.4 细胞核 (The nucleus) 细胞核是细胞内最大最重要的细胞器细胞核第一节细胞核概述第二节细胞核膜第三节染色质和染色体第四节核仁第五节核骨架第一节细胞核概述形状 : 球形杆状卵圆形不规则形大小 :5-20 μm 数目 : 多数细胞含有 1 个细胞核, 例外 : 肝细胞