CHAPTER 8 Cell Nucleus and Chromosome
OUTLINE 1. 核被膜 (nuclear envelope) 2. 核孔复合体 (nuclear pore complex) 3. 染色质 (chromatin) 4. 染色体 (chromosome) 5. 核仁 (nucleolus) DNA 纤维 6. 核基质与核体 ( nuclear matrix and nuclear body )
细胞核
第一节核被膜与核孔复合体 一 核被膜 (nuclear envelope) 结构组成 功能 核被膜的解体与重建
核被膜
( 一 ) 核被膜的结构 (Structure of the Nuclear Envelope) 一般结构 外核膜 (Outer nuclear membrane) 内核膜 (Inner nuclear membrane) 核周间隙 (Perinuclear space, 核周池 核周腔 ) 两层核膜之间的空隙, 宽 15-30nm, 其中充满无定形物质 核纤层 (lamina) 核孔 (nuclear pore)
( 二 ) 核被膜的功能 (Functions of the Nuclear Envelope ) 基因表达的时空隔离 核膜成为保护性屏障, 使核处于一微环境 染色体的定位和酶分子的支架 物质运输
( 三 ) 核被膜的解体与重建 新核膜来自旧核膜 核被膜的去组装是非随机的, 具有区域特异性 (domain-specific) 核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调控因子的调节, 调节作用可能与核纤层蛋白 核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关
二 核孔复合体的结构与功能 核孔复合体的结构 ( 鱼笼模型 ) 胞质环 (cytoplasmic ring), 外环 细胞质颗粒 (cytoplasmic granular) 核质环 (nucleoplasmic ring), 内环 中央栓 (central plug), 中央运输蛋白 (central transporter) 辐 (spoke) 柱状亚单位 (column subunit) 腔内亚单位 (luminal subunit) 环带亚单位 (annular subunit) 笼状体 (basket)
( 一 ) 核孔复合体模型 Model of the nuclear pore complex
( 二 ) 核孔复合体成分的研究 核孔复合体主要由蛋白质构成, 其总相对分子质量约为 125 10 6, 推测可能含有 100 余种不同的多肽, 共 1 000 多个蛋白质分子 gp210: 结构性跨膜蛋白 p62: 功能性的核孔复合体蛋白, 具有两个功能结 构域
已知的脊椎动物核孔复合体的蛋白成份简表 蛋白名称对应的 NPC 结构功能与特性 gp210 Pom121 Nup153 Nup180 Nup155 P62 P58 P54 P45 Nup84( 大鼠 ) 或 Nup88( 人 ) Nup214/CAN Nup107p Nup98p Nup155 p260/tpr 孔膜区, 跨膜蛋白孔膜区, 跨膜蛋白 fish-trap 胞质环及其纤维 核质面与胞质面中央颗粒 胞质环纤维 胞质环纤维 能与 ConA 结合 ;N 端位于膜间腔,C 端将 NPC 锚定在核膜上 能与 WGA 结合 ;C 端有 FXFG 重复序列 能与 WGA 结合 ;N 端有 FXFG 重复序列 ; 具有锌指结构, 能够结合 DNA(in vitro) 不能与 WGA 结合 ; 其抗体对核质交换没有抑制作用 ; 介导 NPC 与胞质骨架的联系 不能与 WGA 结合 能与 WGA 结合 ; 具有 FXFG 重复序列 ; 其抗体对核质交换有抑制作用 ; 能与 p58,p54,p45 形成 p62 复合体 ; 与酵母的 Nsp1p 同源 具有 FG 重复序列 ; 与酵母的 Nup49p 同源 具有 FG 重复序列 ; 与酵母的 Nup57p 同源 具有 FG 重复序列 能与 WGA 结合 酵母的 Nup84p 同源 具有 GLFG 重复序列 ; 与酵母的 Nup116p 同源 与酵母的 Nup170 同源 不能与 WGA 结合
gp210: 结构性跨膜蛋白 介导核孔复合体与核被膜的连接, 将核孔复合体 锚定在 孔膜区, 从而为核孔复合体装配提供一 个起始位点 在内 外核膜融合形成核孔中起重要作用 在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定作用
p62: 功能性的核孔复合体蛋白, 具 有两个功能结构域 疏水性 N 端区 : 可能在核孔复合体功能活动 中直接参与核质交换 C 端区 : 可能通过与其它核孔复合体蛋白相互作用, 从而将 p62 分子稳定到核孔复合体上, 为其 N 端进行核质交换活动提供支持
( 三 ) 核孔复合体的功能 进行物质运输 : 包括主动运输和被动运输
核孔运输特点 被动运输 主动运输 信号引导 双向性
通过核孔复合体物质运输的功能示意图 ( 引自 B.Talcott 等,1999) (a) 自由扩散 (b) 协助扩散 (c) 信号介导的核输入 (d) 信号介导的核输出
核质素的核定位信号及其作用
基本概念 ( 四 ) 核蛋白运输机制 核蛋白 (nuclear protein): 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 核定位信号 (nuclear localization signals,nls): 具有定向 定位作用的特殊氨基酸系列 NLS 是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段, 富含碱性氨基酸残基, 如 Lys Arg, 此外还常含有 Pro NLS 的氨基酸残基片段可以是一段连续的序列 (T 抗原 ), 也可以分成两段, 两段之间间隔约 10 个氨基酸残基 ( 核质蛋白 ) NLS 序列可存在于亲核蛋白的不同部位, 在指导完成核输入后并不被切除 NLS 只是亲核蛋白入核的一个必要条件而非充分条件
核输出信号 (nuclear export signals, NES) 输入蛋白 (importin): 仅有核定位信号的蛋白质自 身不能通过核孔复合体, 它必须与水溶性的 NLS 受体 结合才可穿过 NPC, 这种受体称为输入蛋白 输出蛋白 (exportin): 存在于细胞核中, 能够识别 输出信号并与之结合的蛋白质
核定位信号
核蛋白输入机理
核内蛋白质的输出
mrna 的输出
转录产物 RNA 的核输出 RNA 聚合酶 I 转录的 rrna 分子 : 以 RNP 的形式离开细胞核, 需要能量 ; RNA 聚合酶 III 转录的 5s rrna 与 trna 的核输出由蛋白质介导 ; RNA 聚合酶 II 转录的 hn RNA, 在核内进行 5 端加帽和 3 端附加多聚 A 序列以及剪接等加工过程, 然后形成成熟的 mrna 出核,5 端的 m 7 GpppG 帽子 结构对 mrna 的出核转运是必要的 ; 细胞核中既有正调控信号保证 mrna 的出核转运, 也有负调控信号防止 mrna 的前体被错误地运输, 后者与剪接体 (spliceosome) 有关 mrna 的出核转运过程是有极性的, 其 5 端在前,3 端在后 入核转运与出核转运之间有某种联系, 它们可能需要某些共同的因子
第二节染色质 (chromatin) 染色质的概念及化学组成 染色质的基本结构单位 核小体 (nucleosome) 染色质包装的结构模型 常染色质和异染色质
一 染色质的概念 染色质 (Chromatin): 指间期细胞核内由 DNA 组蛋白 非 组蛋白及少量 RNA 组成的线性复合结构, 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, 由染色质聚缩而成的棒状结构 染色体与染色质比较 在化学本质上没有差异 在构型上不同 是遗传物质在细胞周期不同阶段的不同表现形式
二 染色质 DNA 基因组 (genome): 一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息, 称为该生物的基因组 基因组大小通常随物种的复杂性而增加 基因组中两类遗传信息 编码序列 调控序列
几种生物基因组比较 物种 基因组大小 平均基因长 (bp) 基因数目 大肠杆菌 4.2 10 6 bp, 1.2Kb 约 2 350 酵母 1.3 10 7 bp 1.4Kb 约 6 100 果蝇 1.4 10 8 bp 11.3Kb 约 8 750 人 3 10 9 bp 16.3Kb 约 125 000
DNA 分子一级结构具有多样性 非重复序列 DNA( 单一序列或 1-5 个拷贝 ) 中度重复 DNA 序列 ( 拷贝数在 10 个以上的序列称为重复序列, 重复次数在 10 2-10 5 为中度重复序列 ) 短散在重复元件 (short interspersed elements,sines) 长散在重复元件 (long interspersed elements,lines) 在物种进化过程中是基因组中可移动的遗传元件, 并且影响基因表达 高度重复 DNA 序列 ( 重复次数在 10 5 以上 ) 卫星 DNA(satellite DNA), 主要分布在染色体着丝粒部位 ; 小卫星 DNA(minisatellite DNA), 又称数量可变的的串联重复序列, 常用于 DNA 指纹技术 (DNA finger-printing) 作个体鉴定 ; 卫星 DNA(microsatellite DNA) 重复单位序列最短, 具高度多态性, 在遗传上高度保守, 为重要的遗传标志
DNA 二级结构具有多形性 (polymorphism) 三种构型 DNA: B 型 DNA( 右手双螺旋 DNA); 活性最高的 DNA 构象 ; A 型 DNA,B 型 DNA 的重要变构形式, 仍有活性 ; Z 型 DNA,Z 型 DNA 是左手螺旋,B 型 DNA 的另一种变构形式, 活性明显降低 三种构型 DNA 的主要特征 DNA 构型的生物学意义
三种不同构型 DNA 的主要特征
A B 和 Z 型 DNA 的比较 主要特征螺旋类型 A B Z 螺旋直径螺旋方向螺旋值 /bp bp/ 每圈螺旋垂直升距 /bp 螺旋轴位置 大沟小沟 23 A 右手 +34.7 o 11.0 2.56A 位于大沟, 不穿过碱基对窄而深宽而浅 19 A 右手 +34.6 o 10.4 3.38A 穿过碱基对 宽而深窄而浅 12 A 左手 -30 o 12.0 5.71A 位于小沟, 不穿过碱基对平坦窄而深
DNA 构型的生物学意义 沟 ( 特别是大沟 ) 的特征在遗传信息表达过程中起关键作用 沟的宽窄及深浅影响调控蛋白对 DNA 信息的识别 三种构型的 DNA 处于动态转变之中 DNA 二级结构的变化与高级结构的变化是相互关联的, 这种变化在 DNA 复制与转录中具有重要的生物学意义