专题七核基质的结构与组成.pptx
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1、2024/4/25 周四1专题七:专题七:核基质的结构与组成核基质的结构与组成肖尚英医学生物化学与分子生物学研究所2024/4/25 周四2一、细一、细 胞胞 核核 简简 介介n细胞核是细胞进化的里程碑,它是发现最早、细胞核是细胞进化的里程碑,它是发现最早、认识最少的细胞器。认识最少的细胞器。16741674年发现,年发现,18311831年定年定名,认识逐步深入,但仍有许多谜团。名,认识逐步深入,但仍有许多谜团。n细胞核是细胞遗传信息(细胞核是细胞遗传信息(DNADNA)的贮存、复制)的贮存、复制和转录的主要场所;真核生物都有一个形态和转录的主要场所;真核生物都有一个形态完整,有核膜包裹的细
2、胞核,对细胞的生长、完整,有核膜包裹的细胞核,对细胞的生长、发育、繁殖和遗传、变异起着决定性的作用。发育、繁殖和遗传、变异起着决定性的作用。n细胞核由核被膜、染色质、核仁和核基质细胞核由核被膜、染色质、核仁和核基质 组组成(图成(图7-17-1)。)。2024/4/25 周四3图图7-1:真核生物细胞核结构示意图:真核生物细胞核结构示意图 2024/4/25 周四4n在真核细胞核内除染色质、核膜与核仁外,在真核细胞核内除染色质、核膜与核仁外,还有一个以非组蛋白为主的网架结构体系。还有一个以非组蛋白为主的网架结构体系。n这一网架结构体系最初是由这一网架结构体系最初是由Berezney和和Coff
3、ey于于19741974年研究大鼠肝细胞核亚微结构时发现年研究大鼠肝细胞核亚微结构时发现的,并首次将之命名为的,并首次将之命名为核基质核基质(nuclear matrix)。2024/4/25 周四5n核基质核基质是指真核细胞的细胞核依次去除膜脂、是指真核细胞的细胞核依次去除膜脂、可溶性蛋白及染色质后所残留下来的以非组可溶性蛋白及染色质后所残留下来的以非组蛋白为主的网架结构;蛋白为主的网架结构;n包括核纤层、内部纤维包括核纤层、内部纤维-颗粒状网架结构体系颗粒状网架结构体系(the inner fibrogranular network)和核仁基质等和核仁基质等三部分。三部分。2024/4/2
4、5 周四6n核基质主要成分除非组蛋白外,还含有少量的核基质主要成分除非组蛋白外,还含有少量的RNARNA和和DNADNA。n核基质蛋白具有组织、细胞特异性,大量研究核基质蛋白具有组织、细胞特异性,大量研究表明核基质不仅在维持细胞核的形态结构;而表明核基质不仅在维持细胞核的形态结构;而且在染色质且在染色质/染色体构建、染色体构建、DNADNA复制、基因表达复制、基因表达调控和调控和DNADNA的损伤修复等细胞生命活动中起重的损伤修复等细胞生命活动中起重要作用。要作用。2024/4/25 周四7(一)核被膜:(一)核被膜:n核被膜是内膜系统一部分,由核被膜是内膜系统一部分,由核膜、核孔复合体核膜、
5、核孔复合体和核纤层和核纤层组成,其上有许多核膜孔。核膜孔是细组成,其上有许多核膜孔。核膜孔是细胞核与细胞质进行物质交换的选择性通道。胞核与细胞质进行物质交换的选择性通道。n核膜由两层膜组成,两膜中间叫核周间隙。核纤核膜由两层膜组成,两膜中间叫核周间隙。核纤层位于核膜内侧,成分为核纤层蛋白。核被膜是层位于核膜内侧,成分为核纤层蛋白。核被膜是控制物质、信息交流的脂双层膜结构,分隔核与控制物质、信息交流的脂双层膜结构,分隔核与质,构成核、质之间的天然选择性屏障质,构成核、质之间的天然选择性屏障(图(图7-27-2)。)。n核被膜可避免生命活动的彼此干扰,保护核被膜可避免生命活动的彼此干扰,保护DNA
6、DNA不受不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤。细胞骨架运动所产生的机械力的损伤。2024/4/25 周四8图图7-2:核被膜结构示意图:核被膜结构示意图2024/4/25 周四9n核被膜在细胞有丝分裂中有规律地解体与重核被膜在细胞有丝分裂中有规律地解体与重建,新核膜来自旧核膜。核被膜的去组装是建,新核膜来自旧核膜。核被膜的去组装是非随机的,具有区域特异性非随机的,具有区域特异性(domain-specific)。以非洲爪蟾的卵提取物为基础的以非洲爪蟾的卵提取物为基础的非细胞核装配体系提供了实验模型。非细胞核装配体系提供了实验模型。n核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期核被膜的解体与重建的动
7、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白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。饰有关。2024/4/25 周四101、核膜、核膜(nuclear membrane)n由内外两层单位膜构成,核周间隙(由内外两层单位膜构成,核周间隙(20-40 20-40 nmnm)充满液态物质;)充满液态物质;n核外膜的表面附着核糖体,可与核外膜的表面附着核糖体,可与RERRER相连;相连;n核内膜的内侧有致密纤维蛋白层(核纤层)的核内膜的内侧有致密纤维蛋白层(核纤层)的特异蛋白与核纤层相连,稳定核外形。特异蛋白与
8、核纤层相连,稳定核外形。2024/4/25 周四112、核孔复合体、核孔复合体(nuclear pore complex,NPC)n核孔是由核膜内外层局部融合形成,核孔是由核膜内外层局部融合形成,3000-3000-40004000个个/细胞。细胞。n核孔复合体结构模型称为核孔复合体结构模型称为fish-trap模型(图模型(图7-7-3 3)。)。2024/4/25 周四12从横向上看,从横向上看,核孔复合体由核孔复合体由周边向核孔中周边向核孔中心依次可分为心依次可分为环、辐、栓三环、辐、栓三种结构亚单位;种结构亚单位;2024/4/25 周四13 从纵向上看,从纵向上看,核孔复合体由核核孔
9、复合体由核外(胞质面)向外(胞质面)向核内(核质面)核内(核质面)依次可分为胞质依次可分为胞质环、辐(十栓)、环、辐(十栓)、核质环三种结构核质环三种结构亚单位,形成亚单位,形成“三明治三明治”式的结式的结构。构。2024/4/25 周四14n核孔复合体主要由蛋白质构成,其总相对分子核孔复合体主要由蛋白质构成,其总相对分子质量约为质量约为1-5101-5106 6,推测可能含有,推测可能含有100100余种不余种不同的多肽,共同的多肽,共10001000多个蛋白质分子。多个蛋白质分子。n如:如:gp210gp210是一种结构性跨膜蛋白,介导核孔是一种结构性跨膜蛋白,介导核孔复合体与核被膜的连接
10、,将核孔复合体锚定在复合体与核被膜的连接,将核孔复合体锚定在“孔膜区孔膜区”,从而为核孔复合体装配提供一个,从而为核孔复合体装配提供一个起始位点;起始位点;np62p62是一种功能性的核孔复合体蛋白,具有两是一种功能性的核孔复合体蛋白,具有两个功能结构域,可能在核孔复合体功能活动中个功能结构域,可能在核孔复合体功能活动中直接参与核质交换。直接参与核质交换。2024/4/25 周四15n核孔复合体的功能:核孔复合体的功能:n核质与胞质间物质交换通道具有双向选择性;核质与胞质间物质交换通道具有双向选择性;n离子和水溶性小分子通过自由扩散出入,核蛋离子和水溶性小分子通过自由扩散出入,核蛋白运进(具核
11、定位信号白运进(具核定位信号NLSNLS)、)、RNARNA和和RNPRNP颗粒、颗粒、核糖体亚基等物质的通过主动运输运出核糖体亚基等物质的通过主动运输运出。2024/4/25 周四163、核纤层、核纤层(Nuclear lamina)n内核膜内表面有一层电子密度高的蛋白质网络内核膜内表面有一层电子密度高的蛋白质网络结构,称为核纤层(厚度为结构,称为核纤层(厚度为10-20 nm10-20 nm),其化),其化学成分为中间纤维。切面观呈片层结构,整体学成分为中间纤维。切面观呈片层结构,整体观为球形网络。构成核纤层中间纤维的蛋白有观为球形网络。构成核纤层中间纤维的蛋白有3 3种:分别称:种:分别
12、称:lamin A、lamin B、lamin C。分子量在分子量在60-75 kD60-75 kD之间(图之间(图7-47-4)。)。2024/4/25 周四17图图7-4:核纤层结构示意图:核纤层结构示意图2024/4/25 周四18n一般认为核纤层为核膜与染色质提供了结构支架,一般认为核纤层为核膜与染色质提供了结构支架,并介导核膜及染色质之间的相互作用。并介导核膜及染色质之间的相互作用。n如:如:维持核孔的位置和在有丝分裂间期对细胞维持核孔的位置和在有丝分裂间期对细胞核膜起支撑作用以维持核被膜的形状;核膜起支撑作用以维持核被膜的形状;n为间期染色质提供锚定位点,为分裂期染色体为间期染色质
13、提供锚定位点,为分裂期染色体提供构建附着的位点,介导核膜与染色质之间的提供构建附着的位点,介导核膜与染色质之间的相互作用;相互作用;n与在分裂期调控核膜的解离和重新装配有关。与在分裂期调控核膜的解离和重新装配有关。2024/4/25 周四19n在有丝分裂间期细胞核是分区的,每条染色体在在有丝分裂间期细胞核是分区的,每条染色体在核中各自占据一定的区域,有特定的位置,染色核中各自占据一定的区域,有特定的位置,染色体相对分隔的位置是通过染色体上特异位点附着体相对分隔的位置是通过染色体上特异位点附着于内层核膜(核纤层)来维持的。于内层核膜(核纤层)来维持的。n核纤层存在于内核模和染色质之间,是核形的决
14、核纤层存在于内核模和染色质之间,是核形的决定性因素,与细胞核的各种功能相关,包括定性因素,与细胞核的各种功能相关,包括DNADNA复复制,制,RNARNA转录,细胞核和染色质构建,细胞周期调转录,细胞核和染色质构建,细胞周期调节,细胞发育和分化,凋亡等。节,细胞发育和分化,凋亡等。2024/4/25 周四20n新近的研究还表明,核纤层基因的突变可引起多新近的研究还表明,核纤层基因的突变可引起多种遗传病。种遗传病。n核纤层蛋白核纤层蛋白(Lamin)(Lamin)是核被膜内层的纤维蛋白网状是核被膜内层的纤维蛋白网状结构,构成被膜的骨架,是形成核纤层的关键成结构,构成被膜的骨架,是形成核纤层的关键
15、成分,包括分,包括Lamin A/C、Lamin B和一些相关蛋白。和一些相关蛋白。Lamin A/C是其两种不同的剪接体。是其两种不同的剪接体。Lamin A/CLamin A/C可可以和以和pRbpRb相互作用,防止相互作用,防止pRbpRb的降解。的降解。n细胞凋亡时,核纤层蛋白被细胞凋亡时,核纤层蛋白被Caspase-3降解,这是降解,这是凋亡时细胞核结构改变的基础。有研究发现转录凋亡时细胞核结构改变的基础。有研究发现转录活化因子活化因子P300P300的表达能直接改变细胞核的形态。的表达能直接改变细胞核的形态。2024/4/25 周四21n在转染在转染P300P300的前列腺癌细胞中
16、,细胞核的形态的前列腺癌细胞中,细胞核的形态发生显著改变的同时发生显著改变的同时Lamin A/C的的mRNAmRNA和蛋白和蛋白量显著增加,说明量显著增加,说明P300P300通过通过Lamin A/C引起细引起细胞核形的改变。胞核形的改变。n核纤层的改变和核型的改变或许会影响染色质核纤层的改变和核型的改变或许会影响染色质的基因位点,进而改变基因表达模式及诱导细的基因位点,进而改变基因表达模式及诱导细胞的恶性转化。胞的恶性转化。2024/4/25 周四22(二)染色质(二)染色质n处于分裂间期的真核细胞,其染色质是由处于分裂间期的真核细胞,其染色质是由DNADNA、组蛋白、其它蛋白和少量的、
17、组蛋白、其它蛋白和少量的RNARNA组成的一种组成的一种线性的复合构造,线性的复合构造,19741974年,年,R.Kornberg,染染色质结构的念珠模型,其基本组成单位是核小色质结构的念珠模型,其基本组成单位是核小体(图体(图7-57-5)。)。n染色质是遗传物质在间期细胞的存在形式,常染色质是遗传物质在间期细胞的存在形式,常呈网状不规则结构。呈网状不规则结构。n染色体是在真核细胞分裂过程中由染色质丝盘染色体是在真核细胞分裂过程中由染色质丝盘绕螺旋、折叠、聚缩而成的棒状结构。染色质绕螺旋、折叠、聚缩而成的棒状结构。染色质可被苏木精等碱性染料染色,故称染色质。可被苏木精等碱性染料染色,故称染
18、色质。2024/4/25 周四23图图7-5:核小体结构模型:核小体结构模型 2024/4/25 周四241、染色质组成、染色质组成n染色质主要成分是染色质主要成分是DNADNA。n组蛋白:碱性蛋白。分为组蛋白:碱性蛋白。分为H1H1、H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4,其中,其中H1H1与染色质高级结构形成有关;其余四种与染色质高级结构形成有关;其余四种参与核小体的构成,维持染色体结构。组蛋白对参与核小体的构成,维持染色体结构。组蛋白对DNADNA复制、转录活性有抑制作用。复制、转录活性有抑制作用。n非组蛋白:酸性蛋白。非组蛋白能解除组蛋白对非组蛋白:酸性蛋白。非组蛋白能解除组蛋
19、白对DNADNA活性的抑止作用,促进活性的抑止作用,促进DNADNA复制和转录。复制和转录。nRNARNA:数量少,来源功能不清。:数量少,来源功能不清。2024/4/25 周四252、染色质的存在形式、染色质的存在形式 n间期的间期的染色质染色质有利于遗传信息的复制和表达,有利于遗传信息的复制和表达,分裂期的分裂期的染色体染色体有利于遗传物质的平均分配。有利于遗传物质的平均分配。染色质和染色体是同一种物质在间期和分裂期染色质和染色体是同一种物质在间期和分裂期的不同存在形式的不同存在形式 。n根据染色后形态的不同,染色质又分常染色质根据染色后形态的不同,染色质又分常染色质和异染色质。和异染色质
20、。2024/4/25 周四26n常染色质一般位于核的中央,是间期核中处于常染色质一般位于核的中央,是间期核中处于伸展状态的伸展状态的DNADNA分子部分,由于其螺旋化程度分子部分,由于其螺旋化程度低,所以着色较浅,具有转录活性,是经常处低,所以着色较浅,具有转录活性,是经常处于功能活跃状态的染色质。于功能活跃状态的染色质。n异染色质多分布在核周缘,紧靠核内膜,少数异染色质多分布在核周缘,紧靠核内膜,少数与核仁相结合或散在于核中。是间期核中高度与核仁相结合或散在于核中。是间期核中高度螺旋化的螺旋化的DNADNA分子部分,由于其螺旋化程度高,分子部分,由于其螺旋化程度高,所以着色很深,很少转录,功
21、能上处于静止状所以着色很深,很少转录,功能上处于静止状态,是低活性的染色质。态,是低活性的染色质。2024/4/25 周四27n结构异染色质结构异染色质:在各种细胞和细胞发育的任何:在各种细胞和细胞发育的任何时期,都为异染色质。常见于染色体的着丝粒、时期,都为异染色质。常见于染色体的着丝粒、端粒。端粒。n兼性异染色质兼性异染色质:仅在某些类型的细胞中或细胞:仅在某些类型的细胞中或细胞发育的某个时期为异染色质。如:女性的发育的某个时期为异染色质。如:女性的X X染染色质。色质。2024/4/25 周四283、染色体的结构、染色体的结构nLaemmli提出了染色体提出了染色体“袢环袢环”模型,模型
22、的结构为模型,模型的结构为:(图:(图7-67-6)n非组蛋白构成的纤维网架形成染非组蛋白构成的纤维网架形成染色体支架;色体支架;n螺线管一端与支架结合,另一端螺线管一端与支架结合,另一端向周围呈环状迂回后再回到结合向周围呈环状迂回后再回到结合处形成袢环,每个袢环含处形成袢环,每个袢环含315315个个核小体;核小体;n1818个袢环呈放射平面排列形成微个袢环呈放射平面排列形成微带;带;n微带沿染色体纵轴建成染色体。微带沿染色体纵轴建成染色体。图图7-6:染色体结构模型:染色体结构模型核基质核基质2024/4/25 周四29(三)核仁(三)核仁(necleolus)n核仁是细胞核中没有膜包裹的
23、圆形或椭圆形核仁是细胞核中没有膜包裹的圆形或椭圆形小体。是细胞核中染色最深的部分。是真核小体。是细胞核中染色最深的部分。是真核生物细胞合成生物细胞合成rRNArRNA和装配核糖体的部位。和装配核糖体的部位。n核仁见于间期的细胞核内,呈圆球形,一般核仁见于间期的细胞核内,呈圆球形,一般1-21-2个,也有多达个,也有多达3-53-5个的。个的。n核仁的位置不固定,或位于核中央,或靠近核仁的位置不固定,或位于核中央,或靠近内核膜,核仁的数量和大小因细胞种类和功内核膜,核仁的数量和大小因细胞种类和功能而异能而异。2024/4/25 周四301、核仁的化学组成与形态结构、核仁的化学组成与形态结构n核仁
24、由蛋白质、核仁由蛋白质、RNARNA、DNADNA、少量脂类组成。、少量脂类组成。n核仁没有界膜包围、呈海绵状网络形态,可核仁没有界膜包围、呈海绵状网络形态,可分为四部分:分为四部分:纤维成分:纤维丝,纤维成分:纤维丝,RNARNA和蛋白质;和蛋白质;颗粒成分:高电子密度颗粒,是不同成熟度颗粒成分:高电子密度颗粒,是不同成熟度的核糖体亚单位前体;的核糖体亚单位前体;核仁区染色质:包括核仁周边染色质、核仁核仁区染色质:包括核仁周边染色质、核仁内染色质两部分;内染色质两部分;核仁基质:无结构的蛋白质溶液。核仁基质:无结构的蛋白质溶液。2024/4/25 周四31核仁在电子显微镜下可辨认出有核仁在电
25、子显微镜下可辨认出有3个特征性的区域个特征性的区域(图(图7-7):纤维中心纤维中心(fibrillar centers,FC):是被:是被致密纤维包围的一个致密纤维包围的一个或几个低电子密度的或几个低电子密度的圆形结构,主要成分圆形结构,主要成分为为RNARNA聚合酶和聚合酶和rDNArDNA(rRNArRNA基因),基因),这些这些rDNArDNA是裸露的分是裸露的分子。子。2024/4/25 周四32图图7-7:核仁结构示意图:核仁结构示意图 致密纤维组分致密纤维组分(dense fibrillar component,DFC):呈环形或:呈环形或半月形包围半月形包围FCFC,由致密的纤
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