第十二章细胞核 THE CELL NUCLEUS
1781年Trontana发现于鱼类细胞，1831年，Brown发现于植物。成熟的植物筛管和哺 乳类红细胞没有细胞核。 在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核(nucleiod)。核一般呈圆形，但因 生物的种类而异。在旺盛分裂的组织中，核呈圆形，在长形细胞中多呈椭圆形，在扁平细胞中 多为扁圆形，在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状，在胚乳细胞中呈网状。 细胞核的大小与细胞大小有关，最小的核直径不足1μ，而最大的核如苏铁科某些植物 卵细胞核直径可达500~600μm。植物细胞核的直径通常在1~4m左右，动物为10μm左 右。在同一种生物，由于遗传物质的含量是恒定的，因此核的大小也比较恒定。常以核质比来 估算核的大小NP≈0.5，分裂期细胞NP>0.5,衰老细胞NP<0.5。 Vn NP= Vc-Vn 通常一个细胞一个核，肝细胞和心肌细胞可有双核，破骨细胞可有6~50个细胞核，骨骼 肌细胞可有数百个核；高等植物的毡绒层可有2~4个核。 正在生长的细胞中，核位于细胞中央，在分化成熟的细胞中，常因细胞内含物或特殊结构 的存在，核被挤到边缘。 细胞核的主要结构包括：①核被膜(nuclear envelope)、②核仁(nucleolus)、③核基 质(nuclear matrix)、④染色质(chromatin)、⑤核纤层(nuclear lamina)等部分（图12- 1)
1781 年 Trontana 发现于鱼类细胞，1831 年，Brown 发现于植物。成熟的植物筛管和哺 乳类红细胞没有细胞核。 在原核细胞中，DNA 集中，但无核膜包围，故称拟核（nucleiod）。核一般呈圆形，但因 生物的种类而异。在旺盛分裂的组织中，核呈圆形，在长形细胞中多呈椭圆形，在扁平细胞中 多为扁圆形，在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状，在胚乳细胞中呈网状。 细胞核的大小与细胞大小有关，最小的核直径不足 1μm，而最大的核如苏铁科某些植物 卵细胞核直径可达 500~600μm。植物细胞核的直径通常在 1~4μm 左右，动物为 10μm 左 右。在同一种生物，由于遗传物质的含量是恒定的，因此核的大小也比较恒定。常以核质比来 估算核的大小 NP≈0.5，分裂期细胞 NP>0.5，衰老细胞 NP<0.5。 通常一个细胞一个核，肝细胞和心肌细胞可有双核，破骨细胞可有 6~50 个细胞核，骨骼 肌细胞可有数百个核；高等植物的毡绒层可有 2~4 个核。 正在生长的细胞中，核位于细胞中央，在分化成熟的细胞中，常因细胞内含物或特殊结构 的存在，核被挤到边缘。 细胞核的主要结构包括：①核被膜（nuclear envelope）、②核仁（nucleolus）、③核基 质（nuclear matrix）、④染色质（chromatin）、⑤核纤层（nuclear lamina）等部分（图 12- 1）
Hetero- chromatin 14m 图12-1细胞核的结构，n为核仁，N为常染色质 细胞核的主要功能有两个方面：①遗传和②发育。前者表现为通过DNA染色体的复制和 细胞分裂，维持物种的世代连续性。后者表现为通过调节基因表达的时空顺序，控制细胞的分 化，完成个体发育的使命。 第一节核被膜 是包在核外的双层膜结构。它将DNA与细胞质分隔开，形成核内特殊的微环境，保护 DNA分子免受损伤；使DNA的复制和RNA的翻译表达在时空上分隔开来；此外染色体定位 于核膜上，有利于解旋、复制、凝缩、平均分配到子核，核被膜还是核质物质交换的通道。 一、核被膜是双层膜结构 核被膜由内核膜(inner nuclear membrane)、外核膜(outer nuclear membrane)和核 周隙(perinuclear space)三部分构成。核被膜上有核孔与细胞质相通（图12-2、3）。 外核膜胞质面附有核糖体，并与内质网相连，核周隙与内质网腔相通，可以说是内质网的 一部分。外核膜上附着1Onm的中间纤维intermediate filament,可见核是被内质网和中间纤 维相对固定的
图 12-1 细胞核的结构，n 为核仁，N 为常染色质 细胞核的主要功能有两个方面：①遗传和②发育。前者表现为通过 DNA 染色体的复制和 细胞分裂，维持物种的世代连续性。后者表现为通过调节基因表达的时空顺序，控制细胞的分 化，完成个体发育的使命。 第一节 核被膜 是包在核外的双层膜结构。它将 DNA 与细胞质分隔开，形成核内特殊的微环境，保护 DNA 分子免受损伤；使 DNA 的复制和 RNA 的翻译表达在时空上分隔开来；此外染色体定位 于核膜上，有利于解旋、复制、凝缩、平均分配到子核，核被膜还是核质物质交换的通道。 一、核被膜是双层膜结构 核被膜由内核膜（inner nuclear membrane）、外核膜（outer nuclear membrane）和核 周隙（perinuclear space）三部分构成。核被膜上有核孔与细胞质相通（图 12-2、3）。 外核膜胞质面附有核糖体，并与内质网相连，核周隙与内质网腔相通，可以说是内质网的 一部分。外核膜上附着 10nm 的中间纤维 intermediate filament，可见核是被内质网和中间纤 维相对固定的
核周隙宽20~40nm,腔内电子密度低，一般不含固定的结构。 内核膜的内表面有一层网络状纤维蛋白质，叫核纤层(nuclear lamina),可支持核膜 (图12-3、4)。 nuclear envelope nuclear pore lamina condensed chromatin nucleus 1μm 图12-2核被膜的TEM照片
核周隙宽 20~40nm，腔内电子密度低，一般不含固定的结构。 内核膜的内表面有一层网络状纤维蛋白质，叫核纤层（nuclear lamina），可支持核膜 （图 12-3、4）。 图 12-2 核被膜的 TEM 照片
Cytoplasm Integral protein Outer membrane Ribosome Inner membrane Nuclear pore complex ER Intermembrane Lamina space Heterochromatin 图12-3核被膜的结构 核纤层由核纤肽(lamin)构成，核纤肽分子量约60~80KD,是一类中间纤维，在哺乳类 和鸟类中可分为A、B两型。 核纤层的作用有以下两个方面： 1·保持核的形态：是核被膜的支架，用高盐溶液、非离子去污剂和核酸酶去除大部分核 物质，剩余的核纤层仍能维持核的轮廓。此外，核纤层与核骨架以及穿过核被膜的中间纤维相 连，使胞质骨架和核骨架形成一连续网络结构。 2,参与染色质和核的组装：核纤层在细胞分裂时呈现出周期性的变化，在间期核中，核 纤层提供了染色质（异染色质）在核周边锚定的位点。在前期结束时，核纤层被磷酸化，核膜 解体。其中B型核纤肽与核膜残余小泡结合，A型溶于胞质中。在分裂末期，核纤肽去磷酸化 重新组装，介导了核膜的重建
图 12-3 核被膜的结构 核纤层由核纤肽（lamin）构成，核纤肽分子量约 60~80KD，是一类中间纤维，在哺乳类 和鸟类中可分为 A、B 两型。 核纤层的作用有以下两个方面： 1．保持核的形态：是核被膜的支架，用高盐溶液、非离子去污剂和核酸酶去除大部分核 物质，剩余的核纤层仍能维持核的轮廓。此外，核纤层与核骨架以及穿过核被膜的中间纤维相 连，使胞质骨架和核骨架形成一连续网络结构。 2．参与染色质和核的组装：核纤层在细胞分裂时呈现出周期性的变化，在间期核中，核 纤层提供了染色质（异染色质）在核周边锚定的位点。在前期结束时，核纤层被磷酸化，核膜 解体。其中 B 型核纤肽与核膜残余小泡结合，A 型溶于胞质中。在分裂末期，核纤肽去磷酸化 重新组装，介导了核膜的重建
Lamin filament 8woow88oot Lamin tetramer MPF 1 um Po Phosphorylated lamin dimers 图12-4核纤层结构 二、核孔是物质运输的通道 核孔是细胞核与细胞质之间物质交换的通道，一方面核的蛋白都是在细胞质中合成的，通 过核孔定向输入细胞核，另一方面细胞核中合成的各类RNA、核糖体亚单位需要通过核孔运 到细胞质。此外注射实验证明，小分子物质能够以自由扩散的方式通过核孔进入细胞核。 核孔由至少50种不同的蛋白质(nucleoporin)构成，称为核孔复合体(nuclear pore complex,NPC)。一般哺乳动物细胞平均有3000个核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数 目较多，反之较少。如蛙卵细胞每个核可有37.7X10个核孔，但其成熟后细胞核仅150300 个核孔
图 12-4 核纤层结构 二、核孔是物质运输的通道 核孔是细胞核与细胞质之间物质交换的通道，一方面核的蛋白都是在细胞质中合成的，通 过核孔定向输入细胞核，另一方面细胞核中合成的各类 RNA、核糖体亚单位需要通过核孔运 到细胞质。此外注射实验证明，小分子物质能够以自由扩散的方式通过核孔进入细胞核。 核孔由至少 50 种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，称为核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）。一般哺乳动物细胞平均有 3000 个核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数 目较多，反之较少。如蛙卵细胞每个核可有 37.7X106个核孔，但其成熟后细胞核仅 150~300 个核孔
From M.W.Goidberg and T.D.Allan.J Cell Blol 119: 图12-4抽提后核孔胞质面的结构 绿 1920y 图12-5抽提后核孔核质面的结构 在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形（图12-4、5），一般认为其结构如fish-tra即，主 要包括以下几个部分：①胞质环(cytoplasmic ring),位于核孔复合体胞质一侧，环上有8 条纤维伸向胞质；②核质环(nuclear ring),位于核孔复合体核质一侧，上面伸出8条纤
图 12-4 抽提后核孔胞质面的结构 图 12-5 抽提后核孔核质面的结构 在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形（图 12-4、5），一般认为其结构如 fish-trap，主 要包括以下几个部分：①胞质环（cytoplasmic ring），位于核孔复合体胞质一侧，环上有 8 条纤维伸向胞质；②核质环（nuclear ring），位于核孔复合体核质一侧，上面伸出 8 条纤
维，纤维端部与端环相连，构成笼子状的结构；③转运器(transporter),核孔中央的一个栓 状的中央颗粒；④辐(Spok):核孔边缘伸向核孔中央的突出物（图12-6）。 Cytoplasmic filament Central plug Cytoplasmic ring Spoke Outer nuclear membrane Nuclear Lumen envelope Inner nuclear Nuclear membrane ring Basket Nuclear basket filament Terminal ring 图12-6核孔结构模型 三、通过核孔的物质运输与信号序列有关 1982年R.Laskey发现核内含量丰富的核质蛋白(nucleoplasmin)的C端有一个信号序 列，可引导蛋白质进入细胞核（图12-7），称作核定位信号(nuclear localization signal, NLS)。第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，它在胞质中合成后很快积累在核中。 其NLS为：pro-pro-ys-ys-ys-Arg-Lys-vl,即使单个氨基酸被替换，亦失去作用
维，纤维端部与端环相连，构成笼子状的结构；③转运器（transporter），核孔中央的一个栓 状的中央颗粒；④辐（Spoke）：核孔边缘伸向核孔中央的突出物（图 12-6）。 图 12-6 核孔结构模型 三、通过核孔的物质运输与信号序列有关 1982 年 R. Laskey 发现核内含量丰富的核质蛋白（nucleoplasmin）的 C 端有一个信号序 列，可引导蛋白质进入细胞核（图 12-7），称作核定位信号（nuclear localization signal， NLS）。第一个被确定的 NLS 是病毒 SV40 的 T 抗原，它在胞质中合成后很快积累在核中。 其 NLS 为：pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val，即使单个氨基酸被替换，亦失去作用
Nucleus Nuclear pore Gold particles Cytosol 0.1um 图12-7金标记的核质素穿越核孔 NLS由4-8个氨基酸组成，含有Pro、Lys和Ag。对其连接的蛋白质无特殊要求，并且 完成核输入后不被切除。 Karyopherin是一类与核孔选择性运输有关的蛋白家族，相当于受体蛋白。其中imporin 负责将蛋白从细胞质运进细胞核，exportin负责相反方向的运输。 通过核孔复合体的转运还涉及Ran蛋白，Ran是一种G蛋白，调节货物受体复合体的组 装和解体，在细胞核内Ran-GTP的含量远高于细胞质。 核质蛋白向细胞核的输入可描述如下：①蛋白与NLS受体，即imporin a/β二聚体结合； ②货物与受体的复合物与NP℃胞质环上的纤维结合；③纤维向核弯曲，转运器构象发生改 变，形成亲水通道，货物通过；④货物受体复合体与Rn-GTP结合，复合体解散，释放出货 物；⑤与Ran-GTP结合的imporin B,输出细胞核，在细胞质中Ran结合的GTP水解，Ran- GDP返回细胞核重新转换为Ran-GTP;⑥imporin a在核内exportin的帮助下运回细胞质 (图12-8)
图 12-7 金标记的核质素穿越核孔 NLS 由 4-8 个氨基酸组成，含有 Pro、Lys 和 Arg。对其连接的蛋白质无特殊要求，并且 完成核输入后不被切除。 Karyopherin 是一类与核孔选择性运输有关的蛋白家族，相当于受体蛋白。其中 imporin 负责将蛋白从细胞质运进细胞核，exportin 负责相反方向的运输。 通过核孔复合体的转运还涉及 Ran 蛋白，Ran 是一种 G 蛋白，调节货物受体复合体的组 装和解体，在细胞核内 Ran-GTP 的含量远高于细胞质。 核质蛋白向细胞核的输入可描述如下：①蛋白与 NLS 受体，即 imporin α/β 二聚体结合； ②货物与受体的复合物与 NPC 胞质环上的纤维结合；③纤维向核弯曲，转运器构象发生改 变，形成亲水通道，货物通过；④货物受体复合体与 Ran-GTP 结合，复合体解散，释放出货 物；⑤与 Ran-GTP 结合的 imporin β，输出细胞核，在细胞质中 Ran 结合的 GTP 水解，RanGDP 返回细胞核重新转换为 Ran-GTP；⑥imporin α 在核内 exportin 的帮助下运回细胞质 （图 12-8）
Nucleoplasm Cytoplasm Importin啡 mportin Ran-GDP NLS protein① 3 3 ④ 6 图12-8核质素输入细胞核的过程 对细胞核向细胞质的大分子输出了解较少，大多数情况下，细胞核内的RNA是与蛋白质 形成RNP复合物转运出细胞核的。RNP的蛋白质上具有核输出信号(nuclear export signal, NES),可与细胞内的受体exportin结合，形成RNP-exportin-Ran-GTP复合体，输出细胞核 后，Ran-GTP水解，释放出结合的RNA,Ran-GDP、exportin和RNP蛋白返回细胞核
图 12-8 核质素输入细胞核的过程 对细胞核向细胞质的大分子输出了解较少，大多数情况下，细胞核内的 RNA 是与蛋白质 形成 RNP 复合物转运出细胞核的。RNP 的蛋白质上具有核输出信号（nuclear export signal, NES），可与细胞内的受体 exportin 结合，形成 RNP-exportin-Ran-GTP 复合体，输出细胞核 后，Ran-GTP 水解，释放出结合的 RNA，Ran-GDP、exportin 和 RNP 蛋白返回细胞核