第八章 细胞核与染色体
真核细胞内由双层膜围绕的含有染色体和核仁的区域即为细胞核。这是真核细胞与原核细胞的最大区别。
细胞核主要由核被膜、染色质、核仁及核骨架组成 。细胞核是遗传信息的贮存场所，在这里进行复制、
转录和转录初产物的加工过程，从而控制着细胞的遗传与代谢活动。
第一节 核被膜与核孔复合体
一、核被膜
(一 )结构组成
核 被膜由外核膜 和内核膜及其所夹的低密度腔隙 — 核周间隙所组成。
外膜与粗面内质网相连，其表面附有核糖体，内质网腔与核周间隙相通。内核膜面向核质，表面光滑没有核糖体颗粒，内核膜上有特异蛋白如 laminB受体，
为核纤层 laminB提供结合位点，从而把核膜固着在核纤层上。
在内外核膜的融合之处形成环状开口叫核孔。在核
孔上镶着一种复杂的结构，叫核孔复合体。核孔周围的核膜特称为孔膜区，它也有一些特有的蛋白成分，
如 核孔复合体特有的跨膜糖蛋白 gp210,Pom121等。
(二 )核被膜在细胞周期中的崩解与装配
在细胞进行有丝分裂时，核被膜于前期解体，到未期又重新形成。
二、核孔复合体
1、核孔复合体的结构
(一 )结构模型
核孔复合体 (nuclear pore complex,NPC)位于内外核膜彼此溶合的区域，由一系列规则排列的颗粒及丝状物组成复杂隧道结构。研究核孔复合体结构的经典方法有 3种：树脂包埋超薄切片技术、负染色技术与冷冻蚀刻技术。
核孔复合体主要有以下 4种组分,①胞质环 (外环 )：②核质环 (内环 )：③辐：④栓：或称中央栓，又称中央颗粒，还可叫做,transporter”。
(二 ) 成分的研究
主要由蛋白质构成。已鉴定脊椎动物的核孔复合体蛋白成分已达十多种，其中 gp210与 p62是最具有代表性的两个成分，它们分别代表核孔复合体蛋白的两种类型。
(三 ) 的功能：
从功能上讲，核孔复合体可以看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，并且是一个双功能、双向性的亲水以通道。
1、通过核孔复合体的被动扩散
核孔复合体作为被动扩散的亲水通道，其有效直径
为 9-10nm，即离子、小分子以及直径在 10nm以下的物质原则上可以自由通过。
据资料分析推断，核孔复合体是一个圆形亲水通道，其功能直径为 9nm，长约 15nm的通道。
2、核孔复合体的主动运输
亲核*蛋白质的核输入,RNA分子及 RNP颗粒的核输出是通过核孔复合体的主动运输完成的，具有高度的选择性，且是双向的。
其主动运输的选择性表现在以下三个方面：①对运输颗粒大小的限制。②主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要 ATP。③主动运输具有双向性。
⑴ 亲核*蛋白质的核输入
亲核*蛋白质是指在细胞内合成，然后输入到核内发挥作用的一类蛋白。
现已证实，亲核*蛋白一般都含有特殊的氨基酸序列，
正是这些信号序列起到一个“定向”、“定位”的作用，保证整个蛋白质通过核孔复合体的输入，因此将为一特殊的氨基酸序列命名为核定位信号 (NLS)。
亲核*蛋白的入核转运可分为如下三个步骤 (P256 图
8-6)
⑵ RNA及核糖体亚单位的核输出
真核细胞中的 RNA一般要经过转录后加工、修饰成为成熟的 RNA分子后才能被转运出核。
①由 RNA聚合酶 Ⅰ 转录的 rRNA分子，总是在核内装配成核糖体亚单位，以 RNP颗粒的形式转运到细胞质中转运过程需要能量。
②由 RNA聚合酶 Ⅲ 转录的 5SrRNA与 tRNA的转运是一种由蛋白质介导的过程。
③ 由 RNA聚合酶 Ⅱ 转录的核内不均一 RNA(hnRNA)，
首先要在核内进行 5ˊ 端加帽和 3ˊ 端附加多聚 A序列以及剪接等加工过程。
第二节 染色质
一,染色质的概念及化学组成
染色质是指间期细胞内由 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 DNA
DNA是遗传信息的携带者。在真核细胞中，每个
DNA分子都被包装到一个染色体中。一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息叫该生物的基因组，在原核生物中则是一个连锁群中所含全部遗传信息。
基因组中的遗传信息有两类：①结构基因；②基因选择性表达的信息；
1、染色体 DNA的单一序列、重复序列和卫星序列
DNA存在重复序列，由此把 DNA分为 3种类型：
①单一序列又称非重复序列,
负责蛋白质氨基酸组成的信息，以三联体密码方式进行编码。不重复序列 (如绝大多数结构基因 )一般都是编码各种酶和一些具有特殊功能的蛋白质。如免疫球蛋白、血红蛋白等。
②中度重复序列：
重复频率 在 10— 105之间,。有些序列在基因调控中起作用 (不编码任何产物 )，有些是有编码功能的基因 。 rRNA,tRNA和组蛋白的基因属中度重复序列。
③ 高度重复序列：重复频率 在 105 以上，主要 分布在着丝粒区，由一些短的 DNA序列呈串联重复排列，可分为不同类型：
卫星 DNA：常有一些 AT 含量很高 的简单高度重复序列，在进行 CsCl密度梯度离心时，常会在 DNA主带附近有一个次要的 DNA带，叫卫星 DNA。
小卫星 DNA：常用 DNA指纹技术作个体鉴定。
微卫星 DNA：重复单位序列最短。
2,DNA二级 结构构型
分三种：
B型 DNA,生物体内天然状态的 DNA几乎都是以
B- DNA存在，二级结构相对稳定。是右手双螺旋 DNA。
A-DNA：一般是 B-DNA的重复变构形式，是右手双螺旋 DNA。
Z-DNA：也是 B-DNA的变构形式，是左手螺旋
DNA。
三种构型 DNA中，特别是大沟的特征在遗传信息表达过程中起关键作用。此外沟的深浅及宽窄也直接影响调控蛋白对 DNA信息的识别。
B-DNA是活性最高的 DNA构象；变构后的 A-DNA
仍有活性；变构后的 Z-DNA活性明显降低。
DNA双螺旋能进一步扭曲盘绕形成特定的高级结构，正、负超螺旋是 DNA高级结构的主要形式。
二、染色质蛋白质
染色质 DNA结合蛋白有两类，即组蛋白和非组蛋白。
1、组蛋白
组蛋白呈碱性。真核生物染色体的组蛋白有 5种，
即 H1,H2A,H2B,H3和 H4。它们和 DNA特异性结合，
是构成染色质的基本结构蛋白。
5种组蛋白在功能上分为两组：
①核小体组蛋白：
包括 H2A,H2B,H3和 H4，这 4种组蛋白形成聚合体,DNA卷曲在复合体上形成稳定的核小体结构。这
4种组蛋白没有种属组织的特异性，在进化上十分保守。
② H1组蛋白：
与核小体的核心颗粒相当靠近，在进化上不如核小体组蛋白那么保守。有一定的种属和组织特异性。
在成熟的鱼类和鸟类红细胞中 H1被 H5取代。
2、非组蛋白
主要是指染色体上与特异 DNA序列相结合的蛋白质，又称序列特异性结合蛋白。
呈酸性。具有种属和组织特异性，能识别特异的
DNA序列。
(1)非组蛋白的特性
①非组蛋白具有多样性和异质性
②对 DNA具有识别特异性
③具有多种功能：帮助 DNA分子折叠、形成染色质高级结构；协助启动 DNA复制；控制基因转录，调节基因表达。
(2)序列特异性 DNA结合蛋白的不同结构模式
二、染色质的基本结构单位 ------ 核小体
(一 )主要实验证据
(二 )核小体结构要点
(1)每个核小体单位包括 200bp左右的 DNA和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白 H1。
(2) 组蛋白八聚体构核小体的核心结构，，由 H2A、
H2B,H3和 H4各两个分子所组成。
(3)DNA分子在八聚体上缠绕 1.75圈，约 146个碱基对。 H1与组蛋白结合，稳定了核小体的结构。
(4)相邻小体之间 以连接 DNA相连。
(5)组蛋白与 DNA的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列。
(三 )关于核小体的定位问题
（ 1）非组蛋白与 DNA特异性位点的.结合，可影响邻近核小体的相位。
（ 2）由 DNA双螺旋本身固有的可弯曲性所决定。因为弯曲会引起 DNA双螺旋大沟和小沟的变化。（核小体
DNA的弯曲示意图 )。
三 ﹑ 染色体包装的结构模型
（一）? 三 ﹑ 染色体包装的结构模型
（一）染色体包装的多级螺旋模型
核小体：在组蛋白 H１ 的介导下，核小体彼此连接形成直径约 10nm的串状染色体丝,这是染色体包装的一级结构。
螺线管：由核小体串珠结构螺旋盘绕,每圈 6个核小体,形成外径 30nm,内径 10nm,螺距 11nm 的螺线管,这是染色体包装的二级结构。 30nm的染色体纤维被认为是染色体包装的基础纤维。
超螺线管,30nm的染色质纤维进一步螺旋化,形成直径 0.4μm的超螺线管,这是染色体包装的三级结构。
染色单体：超螺线管进一步螺旋,形成染色单体,即染色体包装的四级结构。 (核小体如何包装成 30nm直径的螺线管的图解 )P192
根据多级螺旋模型,从 DNA到染色体经过四级包装：
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
(2nm) (10nm) 30nm) (0.4 μm ) (2~10 μm )
(二 )染色体的骨架 ----放射环结构模型
直径 2nm的双螺旋 DNA与组蛋白八聚体构建成的核小体串珠结构,其直径 10nm.然后盘绕成 30nm的螺线管。由螺线管形成 DNA复制环,每 18个复制环呈放射状平面排列,结合在核基质上形成微带。微带是染色体高级结构的单位,大约 106个微带沿纵轴构建成子染色体。
DNA 核小体 螺线管 环 微带 染色体
染色体包装的骨架 — 放射环结构模型示意图,P193
上述两种关于染色体高级结构的组织模型,前者强调螺旋化,后者强调环化与折叠 。以下图作为融两种机制在内的染色体包装模型。
四 ﹑ 常染色质的异染色质
染色质可分为常染色质的异染色质。
1﹑ 常染色质
是指间期核中,染色质丝折叠压缩程度低,处于伸展状态,碱性染料染色时着色浅的那些染色质。
2﹑ 异染色质
是指间期核中,染色质丝折叠压缩程度高,处于凝集状态,碱性染料染色时着色深的那些染色质。
异染色质又可分为结构异染色质和兼性异染色质。
(1)结构异染色质：是指各种类型细胞除复制时外,
在整个细胞周期中均处于聚缩状态的异染色质。在中期染色体上多定位于着丝粒 ﹑ 端粒 ﹑ 次缢痕等处具有显著的遗传惰性。
(2)兼性异染色质,是指在某些细胞类型或一定的发育阶段,原来的常染色质凝缩,并丧失基因转录活性变为异染色质。
第三节 染色体
一 ﹑ 中期染色体的形态结构
1﹑ 根据染色体的位置,可将染色体分为 4种类型：
中着丝粒染色体,近中着丝粒染色体,近端着丝粒染色体,端着丝粒染色体。
2 ﹑ 染色体的结构：
①着丝粒与动粒 (着丝点 )：
着丝点是染色体上非编码 DNA区段,在中期的两条染色单体这一段仍连接在一起。由于该区浅染内缢,也叫主缢痕。临近着丝粒的外表面即为着丝点。
着丝粒包括三种不同的结构域：
动粒结构域：
中央结构域,这是着丝粒的主体,由串联重复的卫星
DNA组成。
配对结构域：
②次缢痕
除主缢痕外,在染色体上其他的浅染缢缩部位称为次缢痕,它在染色体上的位置是固定不变的。
③ 核仁组织区 (nucleolar organizing region,NOR)
位于染色体的次缢痕部位,但并非所有次缢痕都是
NOR.细胞分裂结束时,核仁总是出现在次缢痕处,它是
rRNA的基因所在部位,与间期细胞核仁形成有关。
④随体
位于染色体末端的球形染色体节段,通过次缢痕与染色体相连 。
⑤ 端粒
染色体端部的特化结构。
二、染色体 DNA的关键序列
染色体要确保在细胞世代中的稳定起码应具备 3个结构要素：
①自主重制 DNA序列
②着丝粒 DNA序列
③端粒 DNA序列：使染色体在细胞中稳定,不易丢失。
构成染色体 DNA 分子的这 3个结构序列称为染色体 DNA的关键序列。
三,核型与染色体显带
核型是指染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征的总和。
染色体显带技术是用特殊的染色方法，使染色体产生明显的暗带与明带相间的带型，形成鲜明的染色体个体性。
Q 带：技术即喹吖因荧光染色技术，显示中期染色体经氮芥因喹吖或双盐酸喹吖因染色体以后，在紫外光 射下所呈现的荧光亮带和暗带。
G 带：即 Giemsa带，将中期染色体制片经胰酶或碱、热、尿素、去污剂等处理后再用 Giemsa染料染色后所呈现的染色体区带。一般来说,G 带与 Q 带相符。
R 带：是指中期染色体经磷酸盐缓冲液保温处理，
以吖啶橙或 Giemsa染色后所显示的带型,和 G带明暗相间带型正好相反，所以又称反带。
C 带：主要显示着丝粒结构异染色质及其它染色体区段的染色质部分。
T 带：又称末端带，是染色体端粒部位经吖啶噔染色后所呈现的区带。
N 带：又称 Ag--As染色法，主要用于染核仁组织者区的酸性蛋白质。
染色体显带技术最重要的应用就是明确鉴别一个
核型中的任何一条染色体，乃至某一个易位片段。
从人到果蝇，有丝分裂的染色体普存在特殊的带型。核型具有物种特异性。
四、巨大染色体
巨大染色体包括多线染色体及灯刷染色体。
（一）多线染色体
存在于双翅目昆虫的幼虫组织内。
1、多线染色体的来源
来源于核内有丝分裂。
2、多线染色体的带及间带
3、多线染色体与基因活性
在果蝇发育的某个阶段，多线染色体的某些带区变得疏松膨大而形成胀泡。胀泡是基因活跃转录的形态学标志。
（二）灯刷染色体
存在动物的卵母细胞中。其中两栖类卵母细胞的灯刷染色体最典型，在植物中也有报道。
灯刷染色体 是卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体，它是一个二价体，包括 4条染色单体 。
第四节 核仁
一、核仁的超微结构
电镜观察，核仁有种结构组分。
1、纤维中心（ FC）
纤维中心是包埋在果粒组分内部一个或几个浅染的低电子密度的圆形结构小岛，存有 DNA、聚合酶和结合转录因子。这种 DNA具 rRNA基因（ rDNA）的性质。
2、致密颗粒组分（ DFC）
呈环形或半月形包围 FC,由致密的纤维构成 。
3、颗粒组分（ GC）
由直径 15— 20nm的核糖核*蛋白颗粒构成，是正在加工、成熟的核糖体亚单位的前体颗粒。
以上 3种核仁组分都湮没在无定形的核仁基质中。
新近比较一致的看法认为,FCs是 rRNA基因的储存位点，转录主要发生在 FC与 DFC交界处,GC代表核糖体亚单位成熟和储存的位点。
二、核仁的功能
核仁的主要功能涉及核糖体的生物发生，包括
RDNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配。
（一） rRNA基因的转录
rRNA基因定位于核仁组织区（ NORs）。真核生物含有 4种 rRNA，即 5.8S,18S,28S及 5S rRNA，其中 前 3者的基因组成一个转录单位，由专一性的 RNA
聚合
酶 Ⅰ 进行连续转录，产生 rRNA前体，不同生物 rRNA
前体大小不同，哺乳类为 45S。前体经过 RNase酶的加工才成为有功能的 rRNA。
5S基因在核仁外，由 RNA聚合酶 Ⅲ 转录。
（二） rRNA前体的加工
（三）核糖体亚单位的装配
哺乳类推 5SrRNA前体转录以后很快与蛋白质结合，因此加工的对象是一种核糖核*蛋白（ RNP）。
RNP逐渐失去一些 RNA和蛋白质，成为核糖体亚单位前体。核糖体的成熟作用只发生在亚单位被转动到细胞质以后。
第五节 核基质
一、核基质
在真核细胞的核内除染色质、核膜与核仁外，还有一个以蛋白质成分为主的网架结构体系，即核基质。
这一结构体系与 DNA复制、基因表达和染色体包装装与构建有密切关系。
二、核体
真核细胞内的间期核内除染色质与核仁结构外染色质之间的空间还含有许多形态上不同的亚结构域，
统称为核体。在细胞的各种事件中，核体可能代表不同核组分的分子贷仓。