第十一章 细胞核与染色质

1781年 Trontana发现于鱼类细胞； 1831年，Brown发现于植物。 大小：植物1-4μm，动物5-10μm。正常细胞核质比NP≈0.5，分裂期细胞NP>0.5，衰老细胞NP<0.5。

形状：圆形，胚乳 (网状）、蝶类丝腺 (分支状)。 位置：细胞中央 ，成熟植物细胞的边缘。 数目：通常一个，成熟的筛管和哺乳动物红细胞（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)。

结构：①核被膜、②核仁、③核基质、④染色质、⑤核纤层。 功能：①遗传、②发育。

第一节 核被膜

一、核被膜是双层膜结构 外核膜：来源于内质网，附有核糖体。 核周隙：宽20-40nm，与ER腔相通。 内核膜（核纤层）：内核膜内表面的纤维网络，支持核膜，并与染色质、核骨架相连。

核被膜 外核膜 核孔 核纤层 凝聚染色质 细胞核

核纤层由核纤肽构成，属中间纤维，分A、B、C三种. 作用： 1．保持核的形态： 2．参与染色质和核的组装：M期核纤层被磷酸化，核膜解体。B型核纤肽与核膜残余小泡结合，A型溶于胞质。分裂末期，核纤肽去磷酸化重新组装，介导核膜重建。

A型核纤层蛋白的结构

二、核孔复合物 由至少50种，450个不同的pr构成，称为核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）。 一般哺乳动物细胞约3000个核孔。 电镜下观察核孔呈圆形或八角形。

抽提后核孔胞质面的结构

抽提后核孔质面的结构

胞质纤维 核孔复合体 中心栓 胞质环 辐 外核膜 内腔 核被膜 内核膜 核质环 核篮纤维 核篮 终环

三、物质运输与信号序列有关 核定位信号（NLS,nuclear localization signal）：引导蛋白进入细胞核，受体蛋白为核转运蛋白importin，4-8个氨基酸组成，含Pro、Lys和Arg。完成核输入后不被切除。 第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，其NLS为： Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val

核输出信号（NES,nuclear export signal ），引导RNP输出细胞核，受体蛋白为核转运蛋白exportin。 Ran蛋白（ras related nuclear protein ） ，属G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。 蛋白输入过程参见下图：

核孔蛋白质输入过程 核质 细胞质

核孔蛋白质尾部包裹的金颗粒进入细胞核 细胞核 Mitochondrion 核孔 金粒 细胞质

第二节 染色质 1848年，Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞。 1879年，Flemming提出Chromatin。 1888年，Waldeyer提出Chromosome。

染色体与染色质 染色质是指间期细胞核内由DNA、 组蛋白、非组蛋 白及少量RNA组成的线性复杂结构，是间期细胞遗传 物质存在的形式。 染色体是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 。

一、染色质的化学组成 组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA。 比例：1:1:(1-1.5):0.05。

(一)染色质DNA 基因组（genome） DNA一级结构的多样性 DNA二级结构的多形性

(1)基因组 生物体的单倍体基因组所含DNA总量称为C值。 C值悖论：生物基因组的大小同生物在进化上所处的地位高低无关： 生物基因组中的遗传信息 : 编码序列 调控序列

(2)DNA一级结构的多样性 非重复DNA序列 中度重复DNA序列 高度重复DNA序列

非重复DNA序列 一类是负责蛋白质氨基酸组成的信息，以三联体密码（triplet）方式进行编码，巧妙地解决了在有限的小空间贮存大量遗传信息的矛盾。

中度重复DNA序列 另外一类是中度重复序列DNA，一般指10份到几百份拷贝的DNA序列，通常是非编码序列。它包括一些蛋白质基因和RNA基因 短分散重复元件（short interspersed elements，SINEs） 长分散重复元件（long interspersed elements，LINEs）

串联重复排列的组蛋白基因簇

高度重复DNA序列 卫星DNA（satellite DNA），重复单位长5～100bp ,主要分布在染色体着丝粒部位 小卫星DNA（minisatellite DNA）重复单位长12～100bp，重复3000次之多，每个小卫星区重复序列的拷贝数是高度可变的 微卫星DNA（microsatellite DNA）重复单位序列最短，只有1～5bp，串联成簇长度50～100bp的微卫星序列

DNA双螺旋3种构像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。                                                     DNA的构象现已知有 A，B，C，D，E，T，Z 7种。

3种构像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。 3种基本元素： ①自主复制序列(ARS)；②着丝粒序列(CEN) ；③端粒序列(TEL)。 YAC 和 BAC含上述3种成分，用于转基因。 YAC :酵母人工染色体(yeast artificial chromosome, YAC) BAC：细菌人工染色体（Bacteria Artificial Chromosome BAC)

染色体的三个关键区域 端粒序列 自主复制序列 着丝粒序列 着丝点 复制泡 姊妹染色体

（二）组蛋白 带正电荷，含Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为两类： 核心组蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4； 连接组蛋白（linker histone）：H1。

结构：高度保守，尤其是H4。 H1多样性，具有属和组织特异性。 核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量Arg和Lys，为转译后修饰的部位。 H1多样性，具有属和组织特异性。

功能：帮助DNA折叠、复制；调节基因表达。 （三）非组蛋白 序列特异性DNA结合蛋白。特性： 带负电，属酸性蛋白。 整个细胞周期都合成，组蛋白只在S期合成。 能识别特异DNA序列，结合籍氢键和离子键。 功能：帮助DNA折叠、复制；调节基因表达。

二、从DNA到染色体 1.核小体（nucleosome）：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，通过酶消化实验建立。 核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1。

由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒； DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合； 相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。

在低盐亲水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体（JA，Gall 1981）

通过核小体长度压缩7倍，形成11nm纤维。 2.螺线管 电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维构成的螺线管，由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，长度压缩6倍。

螺线管 核小体核心颗粒 核小体

30nm 11nm

染色体多级螺旋模型 DNA H2A、H2B、H3、H4 压缩7倍 核小体 螺旋化 + H1 压缩6倍 螺线管 超螺旋化和卷缩 压缩40倍 超螺线管 压缩5倍 折叠螺旋化 染色单体

对更高级染色体包装方式，至今尚不明确。 目前多认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域 。

三、异染色质和常染色质 常染色质是具有转录活性的染色质，结构疏松，电子密度低。 异染色质的特点： ①凝缩状态，无转录活性、是遗传惰性区。 ②在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩。 ③分为两类：结构异染色质、兼性异染色质

巴氏小体（barr body） 箭头示巴氏小体 雌性哺乳动物细胞中一条异固缩化的X染色体。 人胚胎发育16天后出现巴氏小体。

第三节 染色质的复制与表达 一、染色质的复制与修复 1、复制 电镜照片显示一个刚复制的DNA 区段，其两条子链上都已包装成核小体，说明DNA的复制和核小体的复制是偶联的。

异染色质复制过程模式图

2、修复与基因组的稳定性 裸露的DNA容易突变，需要对其修复. 修复好的DNA必须及时与组蛋白结合，防止DNA断裂。

二、染色质的激活与失活 （一）、染色质的激活 1、染色质重塑 （DNA结构与核小体相位 的变化） SWI/SNF

2、组蛋白修饰 改变染色体结构，影响转录活性 核小体表面改变，便于调控蛋白结合

2、组蛋白修饰 磷酸化 乙酰化 甲基化 甲基化 甲基化 泛素化 51

2、组蛋白修饰 组蛋白修饰种类 乙酰化-- 一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修 饰大多发生在H3、H4的 Lys 残基上。 甲基化-- 发生在H3、H4的 Lys 和 Asp 残基上，可以 与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取 决于被修饰的位置和程度。 磷酸化-- 发生H1的 Ser 残基，一般与基因活化相关。 其他修饰 组蛋白乙酰 转移酶 组蛋白组乙酰化酶

2、组蛋白修饰 组蛋白修饰种类 甲基化-- 发生在H3、H4的 Lys 和 Asp 残基上，可以 与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往 取决于被修饰的位置和程度。 磷酸化-- 发生H1的 Ser 残基，一般与基因活化相关。 其他修饰

二、染色质的激活与失活 （二）、染色质的失活 1、X染色体的失活 在雌性哺乳动物中，两条X染色体有一条是失活的,称为X染色体的剂量补偿(雄性H4发生乙酰化，雌性不发生乙酰化)。

X染色体失活的机制

二、染色质的激活与失活 （二）、染色质的失活 因靠近异染色质而造成 的基因表达沉默。 2、位置花斑效应（position effect variegation, PEV） 因靠近异染色质而造成 的基因表达沉默。 果蝇眼睛的有些区域没有颜色，而另一些区域则呈红色，因为有些细胞中的 white基因位于异染色质旁边而失活，而另一些细胞中的基因仍是有活性的

二、染色质与基因调控 （一）染色质模板的转录（真核生物） 基因转录的模板不是裸露的DNA，染色质 是否呈疏松结构，即是否处于活化状态是决 定转录功能的关键 RNA聚合酶被认为是用“核小体犁”（SWI /SNF复合物）来解除组蛋白和DNA间的相互 作用。

转录开始被激活 乙酰化 染色质解凝聚，露出组蛋白尾巴 形成转录起始物 SBF与介导因子结合 SBF与近启动子结合 与增强子结合 乙酰化 染色质解凝聚，露出组蛋白尾巴 形成转录起始物 SBF与近启动子结合 转录的激活与转录起始物的形成

（二）转录因子介导的调控 通用转录因子（非特异转录因子） 参与转录 调控的因子 特异转录因子 转录激活因子 （DNA-蛋白质） 转录抑制因子 调控的因子 特异转录因子 转录激活因子 （DNA-蛋白质） 转录抑制因子 特点： 至少含3个功能结构域：DNA结合功能域，转录活性功能域，其他转录因子结合功能域； 能识别并结合上游调控区中的DNA元件（顺式作用元件）结合； 对基因表达有正性或负性调控作用，即激活或阻遏基因表达。 目前研究较广泛的有:识别TATA区的TFⅡD，识别CAAT区的CTF，识别GGGCGG的SP1，识别热激蛋白启动区的HSF。

（三）DNA甲基化的调控 DNA甲基化(methylation)是指在甲基化酶(methylase)的作用下，将一个甲基 (methyl)添加在DNA分子中的碱基。基上，最常见的是加在胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶，用mC来表示。 。 SAM ： S -腺苷甲硫氨酸

CpG岛(CpG island) CpG常成簇存在，人们将基因组中富含CpG的一段DNA称为GC岛(GC island)。 5'-mCpG-3' 3'-GpCm-5' 甲基化改变了DNA各构象间的平衡，从而影响了DNA专一序列与相应蛋白的结合； 将转录因子识别的DNA序列，转变为转录抑制物的结合位点。

（四）组蛋白修饰的调控 组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（histone code)。 松散 紧密 H3,H4的乙酰化 H3,H4的去乙酰化

组蛋白修饰 63

四、染色质与表观遗传 基因组含有两类遗传信息 一类是传统意义上的遗传信息，即DNA序列所提供的遗传信息； 另一类是表观遗传学信息，它提供了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。

在外界影响下基因组在表达水平上的不同导致了双胞胎 分道扬镳。 通常到了老年，双胞胎相似性会减弱 双胞胎男孩一样爱零食 在外界影响下基因组在表达水平上的不同导致了双胞胎 分道扬镳。 主要原因DNA的甲基化和组蛋白的乙酰化作用让基因的 表达增强或者减弱

表观遗传学 1. 概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下， 基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传 的表型。 3. 表观遗传学的现象： (1) DNA甲基化 (2) 组蛋白修饰 (3) MicroRNA (4) 染色体重塑

第四节、染色体 一、染色体相关的术语 随体 次缢痕 短臂 主缢痕 长臂 端粒

染色单体：中期染色体由两条染色单体组成，两者在着丝粒的部位相结合。 核仁组织区（NORs）：构成核仁，位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。

核仁组织者中心形成核仁 10个染色体伸展展出的rDNA环互相接触甚至融合的区域构成核仁 隔离的细胞核是由破坏了的染色体环构成 机械剪切 核被膜

端粒（telomere）：由高度重复的短序列组成。 作用： 维持染色体稳定性。 起细胞分裂计时器的作用。DNA每复制一次端粒减少50-100bp。 人类 四膜虫 拟南芥

（二）染色体的数目 性细胞染色体为单倍体，用n表示； 体细胞为2倍体，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。

（三） 着丝粒的结构 着丝粒（centromere）和着丝点（kinetochore）是两个不同的概念。 着丝粒包含3个结构域： 1. 着丝点结构域（kinetochore domain） 位于着丝粒的表面，包括三层板状结构和围绕外层的纤维冠(fibrous corona)。

着丝粒 纤维冠 着丝点结构 中央结构域 配对结构域

2 . 中央结构域 位于着丝点结构域的下方，含α卫星DNA。 3 . 配对结构域 位于着丝粒内层，中期连结染色单体。 4 . 着丝点蛋白 用ACAs发现的着丝粒蛋白主要有6种（CENP A-F）

（四）核型与带型 1. 核型：物种中期染色体特征的总和（染色体数目、大小、形态）。 2. 带型：染色体经理化因素处理后染色，呈现稳定的带纹（band）。 分带技术分两类：一类是产生的染色带分布在整个染色体的长度上如：Q、G和R带，另一类是局部性的显带，如C、Cd、T和N带。

人类雌性G带型 G带显示的湿染色体三富含AT的区域

人类雌性C带型

人类雌性C带型 显示的着丝粒异染色质

（五）几类的特殊的染色体 1. 多线染色体： Balbiani(1881)发现于摇蚊幼虫唾腺细胞，特点： ①体积巨大，是由于核内有丝分裂的结果； ②多线性； ③体细胞联会； ④横带纹； ⑤膨突和环。在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成膨突（puff），或巴氏环（Balbiani ring）。用H3-UdR处理细胞，发现膨突被标记，说明膨突是基因活跃转录的区域。

多线染色体

2. 灯刷染色体 见于鱼类、两栖类、爬行类双线期卵母细胞，双线期是卵黄合成的旺盛期。染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名。侧环是转录活跃的区域。 3 . B染色体 Randolph （1928 ）把生物的正常染色体叫做A染色体，把形态和行为不同为A染色体的超数染色体称B染色体。

2. 灯刷染色体

3. B染色体

第五节 核仁 间期细胞核内呈圆球形的结构，一般1-2个。功能是转录rRNA和组装核糖体亚单位。 第五节 核仁 间期细胞核内呈圆球形的结构，一般1-2个。功能是转录rRNA和组装核糖体亚单位。 蛋白合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和较多的核仁，反之核仁很小或缺失。 核仁在分裂前期消失，末期又重新出现。

一、核仁形态 1 纤维中心区域(FC)：是致密纤维包围的低电子密度的圆形结构，主要成分为RNA聚合酶和rDNA。 2 致密纤维组分(DFC) ：呈环形或半月形包围FC，由致密纤维构成，是新合成的RNP。 3 颗粒组分区域(GC) ：由直径15-20 nm的颗粒构成，是不同加工阶段的RNP。

蛋白质液体物质，悬浮着纤维成分，包含有酶和蛋白质等 4、核仁相随染色质 核仁相随染色质分为两部分， 一部分位于核仁周围，称为核仁周染色质，属异染色质， 一部分位于核仁内，为常染色质，即核仁组织区，是 rDNA所在的位置。 5、核仁基质 蛋白质液体物质，悬浮着纤维成分，包含有酶和蛋白质等

核仁结构

二、核仁的功能 （一）结构 含40%蛋白、60%RNA，2亚单位构成。分为70S和80S两类。 大小亚单位只在合成蛋白时结合在一起，合成终止后解离。 多个核糖体结合在一条mRNA上，称多聚核糖体。

(二)、核仁的功能 核糖体的生物发生从核仁纤维组分开始, 再向颗粒组分延续。 这一过程包括rRNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配。 45SRNA的转录 rRNA前体的加工 核糖体亚单位的组装

45SRNA的转录 RNA聚合酶I 合成方向 外部的转录间隔序列 ETS 内部转录间隔序列 ITS

转录时RNA聚合酶沿DNA分子排列，产物排列呈羽毛状。rRNA首先出现在纤维部，而后转向颗粒部。

rRNA前体的加工

rRNA前体的加工 ①切除5′端的前导序列，即外部的转录间隔序列（ETS），使45S的初始转录变成41S的中间产物； ②从41S的中间产物中18S和5.8S之间的内部转录间隔序列（ITS），产物分别为20S（含18S rRNA片段）和32S； ③部分rRNA前体的加工 ：两种途径中的32S中间产物中的5.8S和28S之间进行退火，形成发夹结构. ④最后修正：通过外切酶等将20S中残余的ITS切除，还要将已退火的32S中的ITS切除掉.

5SrRNA定位在常染色体，合成后被转运至核仁区参与大亚基的装配 。 细胞核 20SRNA 32SRNA 核糖体蛋白

第六节 核基质 nucleoskeleton 核基质（nuclear matrix ）或称核骨架，为真核细胞核内的网络结构，是指除核被膜、染色质、核纤层及核仁以外的核内网架体系。

（一）核基质的组成 ①非组蛋白性纤维蛋白，10多种次要蛋白，包括肌动蛋白和波形蛋白，后者构成核骨架的外罩。已知三种支架蛋白（SCⅠ、SCⅡ、SCⅢ)，SCⅠ是DNA拓朴异构酶Ⅱ。 ②少量RNA（0.5%）和DNA(0.8%，) 。 ③少量磷脂（1.6%）和糖类（0.9%）。

（二）核骨架的功能 1. DNA复制：提供DNA聚合酶结合位点 。 2. RNA复制：提供RNA聚合酶结合位点。 3. 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。

染色质结合在核骨架上