《细胞生物学》教案（第17次课2学时）一、授课题目第九章细胞核与染色体（Nucleusandchromosome）二、教学目的和要求1.熟练掌握核被膜的形态结构与功能：2.理解核基质的功能，核仁的结构与功能3.掌握染色质的结构组成与装配,染色体的形态结构。三、教学重点和难点教学重点：1核膜及核孔复合体2染色体的空间结构教学难点：核孔复合体与核仁的结构与功能四、主要参考资料翟中和．细胞生物学，：第三版：北京：高等教育出版社，2007五、教学过程第四节染色体ChromosomeXcentromerearrChromatidchromatid
《细胞生物学》教案 （第 17 次课 2 学时） 一、授课题目 第九章 细胞核与染色体（Nucleus and chromosome） 二、教学目的和要求 1.熟练掌握核被膜的形态结构与功能； 2.理解核基质的功能,核仁的结构与功能； 3.掌握染色质的结构组成与装配,染色体的形态结构。 三、教学重点和难点 教学重点：1 核膜及核孔复合体 2 染色体的空间结构 教学难点：核孔复合体与核仁的结构与功能 四、主要参考资料 翟中和． 细胞生物学， 第三版．北京：高等教育出版社，2007 五、教学过程 第四节 染色体
染色体的形态结构由两条相同的姐妹染色单体(chromatid)构成，彼此以着丝粒(centromere)相连根据着丝粒在染色体上所处的位置，分为4种类型染色单体一随体短臂(p)次缢痕着丝粒一（主继痕）一长臂(q)端着丝粒中着丝粒亚中着丝粒亚端着丝粒货染色体染色体染色体染色体表11-7根据着丝粒位置进行的染色体分类着丝粒位置染色体符号着丝粒比着丝粒指数”中着丝粒1.00~1.67m0.500--0.375亚中着丝粒1.68~3.000.373~0.250sm亚端着丝粒st3.01~7.000.249~0.125端着丝粒t7.01~80.125~0.000*长臂长度/短臂长度：*短臂长度/染色体总长度。（Levan等，1964：Green等，1980）
一、染色体的形态结构 由两条相同的姐妹染色单体(chromatid)构成，彼此以着丝粒(centromere)相连 根据着丝粒在染色体上所处的位置，分为 4 种类型
表11-6不同生物的基因组大小和染色体数目物种基因组大小/Mb染色体数目1216茅殖酵母707黏霉南（Dictyostelium）5拟南芥1256秀丽隐杆线虫97果蝇1804非洲爪蛤3.00018玉米5.00010洋葱15.000812百合（Lilium）50000鱼（Neoceratodusforsteri)5000017鸡(Gallusgallus)1.2003920Jt(Musmusculus)3.000牛(Bostaurus)3.0003039狗（Canislupus）3.000人3.00023基因组大小和染色体数目都是单倍体。(一)着丝粒(centromere)与动粒动粒结构域(kinetochoredomain）-内板（innerplate）中间间隙（middlespace）外板（outerplate-纤维冠(fibrouscorona)中央结构域(centraldomain)配对结构域(pairingdomain）配对结构域中央结构域纤维冠源着丝粒外板动粒结构域（主缢痕）酒中间间隙网内板染色体臀(二)次缢痕(secondaryconstriction)
(一)着丝粒(centromere)与动粒 动粒结构域(kinetochore domain) -内板(inner plate)中间间隙(middle space)外板(outer plate) -纤维冠(fibrouscorona) 中央结构域(central domain) 配对结构域(pairing domain) (二)次缢痕(secondary constriction)
（三)核仁组织区（nucleolarorganizingregion,NOR）（四）随体(satellite）五)端粒(telomere)CentromereChromatidsShortamSecondaryconstrictionSatellitePrimaryArmcontrictionLongarmMetacentricSubmetacentricAcrocentricTelocentricB:Schematicdrawingofacollecting nucleolusBmade upby theNORsof5chromosomes.C:Drawing of the differentformsofcondensationCollectingof the NOR.nucleolusi:partoftheNORcondensed,andtheotheronedecondensedii:alltheNORcondensedincompactedchromatinili:all the NORdecondensedinloosechromatin
(三)核仁组织区(nucleolar organizing region,NOR) (四)随体(satellite) (五)端粒(telomere)
TINZPOTITelomereRAP1TPPIShelterin-TRF2CentromereTRF1TloopChromosome荧光原位杂交（FISH）鉴定端粒是否在末端，labeledprobesTTAGGG，然后与整个染色体进行杂交和孵育，则发现在染色体末端有杂交信号表11-8不同生物中端粒DNA序列比较物种端粒DNA重复序列酵母芽殖酵母Gi-sT裂殖酵母G2-sTTAC原生动物GGGGTTTetrahymenaG1-8ADictyostelium植物拟南芥AGGGTTT哺乳动物人AGGGTT
荧光原位杂交（FISH）鉴定端粒是否在末端，labeled probes TTAGGG，然后与整个染色 体进行杂交和孵育，则发现在染色体末端有杂交信号
（一）、中期染色体的形态结构1染色单体分裂中期由着丝粒相连在一起的，含一个DNA分子的一条棒状结构，互称为姐妹染色单体。2着丝粒（Centromere）是主继痕处中期两条染色单体相互联系在一起的特殊部位。也是两臂染色质连续的部分，是染色体上DNA高度重复的序列形成的染色质复合结构，属于染色体的正常组成成分。在中期染色体上，着丝粒染色很浅或不染色，包括三个结构域：（1）着丝点（动粒）结构域：（2）中央结构域：（3）配对结构域。3着丝点（动粒）（Kinetochore）是在主缢痕处两个染色单体的外侧表面部位的特殊结构，是附加上去的，它与纺锤丝微管接触，每条染色单体上有一个着丝点，多为盘状，故有着丝盘之称。依着丝粒在染色体上的位置，可将染色体划分为四类：染色体类型臂指数（q/p）中间着丝粒染色体（M）1.0~1.69（1.0~1.67）亚中间着丝粒染色体（SM）1.7~2.99（1.68~3.00）近端着丝粒染色体（ST）3.0~6.99（3.01~7.00）端着丝粒染色体（T）>7.01>7.0，只有一条臂。染色单体A随体短臂次缢痕着丝粒长臂近端着丝粒染色体端若丝粒染色体中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体（中期染色体的形态结构）4染色体臂（arm）由着丝粒将染色体分为两臂，短臂P和长臂q，臂比（指数）（amratio=q/p)5次痕（付痕或次级缢痕secondary一）是主痕以外的浅染内缢节段，不是所有染色体都有，具有次痕的染色体称核仁组织染色体。在次继痕上、下两端的染色体片段仍保持成一直线，无角度差，以此与主痕区别。核仁组织区（NOR）：是rRNA基因（rDNA）存在部位，与间期形成核仁有关
（一）、中期染色体的形态结构 1 染色单体 分裂中期由着丝粒相连在一起的，含一个 DNA 分子的一条棒状结构，互称为 姐妹染色单体。 2 着丝粒（Centromere） 是主缢痕处中期两条染色单体相互联系在一起的特殊部位。也是 两臂染色质连续的部分，是染色体上 DNA 高度重复的序列形成的染色质复合结构，属于 染色体的正常组成成分。 在中期染色体上，着丝粒染色很浅或不染色，包括三个结构域： （1）着丝点（动粒）结构域； （2）中央结构域； （3）配对结构域。 3 着丝点（动粒）（Kinetochore）是在主缢痕处两个染色单体的外侧表面部位的特殊结构， 是附加上去的，它与纺锤丝微管接触，每条染色单体上有一个着丝点，多为盘状，故有着 丝盘之称。 依着丝粒在染色体上的位置，可将染色体划分为四类： 染色体类型 臂指数 （q / p） 中间着丝粒染色体（M） 1.0~1.69（1.0~1.67） 亚中间着丝粒染色体（SM） 1.7~2.99（1.68~3.00） 近端着丝粒染色体（ST） 3.0~6.99（3.01~7.00） 端着丝粒染色体（T） ＞7.01＞7.0，只有一条臂。 （中期染色体的形态结构） 4 染色体臂（arm） 由着丝粒将染色体分为两臂，短臂 P 和长臂 q，臂比（指数）（arm ratio=q/p） 5 次缢痕（付缢痕或次级缢痕 secondary—）是主缢痕以外的浅染内缢节段，不是所有染 色体都有，具有次缢痕的染色体称核仁组织染色体。在次缢痕上、下两端的染色体片段仍 保持成一直线，无角度差，以此与主缢痕区别。核仁组织区（NOR）：是 rRNA 基因（rDNA） 存在部位，与间期形成核仁有关
6随体（satellite）某些借助次缢痕相连的球形小体，但不是所有与次继痕相连的部位都是随体。如人类第13，14，15，21，22对染色体有随体。带有随体的染色体称sat一染色体。7端粒（telomere）指染色体两端部的特化结构，通常是由富含G的短串联重复序列DNA组成。具有极性，断裂的染色体在此处不能连接，而其他部位可以随机连接。其生物学作用在于维持染色体的完整性和个体性。santelilitesecond constrictionshort ammpnimary constnctionlong arrtelomere二、染色体的功能元件（LinearchromosomeDNAcontainsthreefunctionalelements）为确保染色体在细胞世代中的稳定性，起码应具备3个结构要素，被称为染色体DNA的关键序列。ARS自主复制DNA序列一一DNA复制起点，确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性：CEN着丝粒DNA序列一一使两组子染色体平均分配到子细胞中去：TEL端粒DNA序列保证染色体的独立性和稳定性。间期间期有丝分裂端粒复制起点着丝粒-纺锤体的动粒微管复制的染色体复制泡
6 随体（satellite） 某些借助次缢痕相连的球形小体，但不是所有与次缢痕相连的部位都 是随体。如人类第 13，14，15，21，22 对染色体有随体。带有随体的染色体称 sat—染色 体。 7 端粒（telomere）指染色体两端部的特化结构，通常是由富含 G 的短串联重复序列 DNA 组成。具有极性，断裂的染色体在此处不能连接，而其他部位可以随机连接。其生物学作 用在于维持染色体的完整性和个体性。 二、染色体的功能元件（Linear chromosome DNA contains three functional elements） 为确保染色体在细胞世代中的稳定性，起码应具备 3 个结构要素，被称为染色体 DNA 的 关键序列。 ARS 自主复制 DNA 序列——DNA 复制起点，确保染色体在细胞周期中能够自我复制， 维持染色体在细胞世代传递中的连续性； CEN 着丝粒 DNA 序列——使两组子染色体平均分配到子细胞中去； TEL 端粒 DNA 序列——保证染色体的独立性和稳定性
（至少有一个复制起点，以复制又的形式解链进行复制：telomere端粒使染色体稳定，长度不会缩短：着丝粒保证有丝分裂过程中两个子细胞获得的遗传物质是一样的：）自主复制DNA序列（autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS）：具有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的共有序列及其上下游各200bp左右的区域是维持ARS功能所必需的。着丝粒DNA序列(centromereDNAsequence,CEN）：两个相邻的核心区：80-90bp的AT区：11bp的保守区。端粒DNA序列（telomereDNAsequenceTEL）及端粒人造微小染色体（artificialminichromosome）。DNA与蛋白质形成染色质或染色体以后，染色质或染色体要长期、稳定、连续地存在，必须包括三种功能元件：①至少有一个DNA复制起点，确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性：②一个着丝粒，使细胞分裂时已完成复制的染色体能平均分配到子细胞中：③在染色体的两个末端必须有端粒，保持染色体的独立性和稳定性。l.How to isolatethe functional elements以自主复制序列或复制起点为例，看其如何克隆？用酵母细胞来做（染色体数量少，基因组小，做起来比较容易：酿酒酵母共有17条染色体，基因组全序列已于1996年测定，大小为12.052Mb，共6500个基因，是第一个测出的真核生物基因组序列），其本身含有自主复制序列，将其打断重组到载体上；ARS（Autonomouslyreplicatingsequences，自主复制序列）actasanoriginofreplicationsegmentofyeastDNArandomly.selectedcontaining ARSyeastDNA segmentARSpiasmid vectorontainingHis generequiredtoHIshistidineintroduction ofplasmid DNAintoyeastcellsthat lack theHiSgeneandtherofore cannotarow intheabsence ofhistidineselectivemediumwithouthistidinehighfrequencyoftranstormantsrarotranfformantsobbtained:these contain plasmidthose containplasmidDNADNA circles replicating free ofthathnsinteoratedintoathohostchromosomyenst chromosome
(至少有一个复制起点，以复制叉的形式解链进行复制；telomere 端粒使染色体稳定，长度 不会缩短；着丝粒保证有丝分裂过程中两个子细胞获得的遗传物质是一样的；) 自主复制 DNA 序列(autonomously replicating DNA sequence, ARS)： 具有一段 11-14bp 的同源性很高的富含 AT 的共有序列及其上下游各 200bp 左右的区域是维持 ARS 功能所必需的。 着丝粒 DNA 序列(centromere DNA sequence,CEN) ： 两个相邻的核心区：80-90bp 的 AT 区；11bp 的保守区。 端粒 DNA 序列(telomere DNA sequence,TEL) 及端粒酶 人造微小染色体(artificial minichromosome)。 DNA 与蛋白质形成染色质或染色体以后，染色质或染色体要长期、稳定、连续地存在， 必须包括三种功能元件：①至少有一个 DNA 复制起点，确保染色体在细胞周期中能够自 我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性； ②一个着丝粒，使细胞分裂时已完成 复制的染色体能平均分配到子细胞中； ③在染色体的两个末端必须有端粒，保持染色体 的独立性和稳定性。 1. How to isolate the functional elements 以自主复制序列或复制起点为例，看其如何克隆？用酵母细胞来做（染色体数量少， 基因组小，做起来比较容易；酿酒酵母共有 17 条染色体，基因组全序列已于 1996 年 测定，大小为 12.052Mb，共 6500 个基因，是第一个测出的真核生物基因组序列）， 其本身含有自主复制序列，将其打断重组到载体上； ARS(Autonomously replicating sequences, 自主复制序列) act as an origin of replication
（将酵母基因组序列打断，重组到带有组氨酸的载体上，转化到营养缺陷型的酵母细胞中去，即不能合成组氨酸的培养基，如果没有ARS，则载体不能复制，不能利用组氨酸，则酵母不能长成克隆，但是偶尔有些克隆，说明重组的序列整合到了酵母染色体上，是假阳性的：然后将ARS克隆测序，研究其序列特征）（一）自主复制DNA序列Plasmid with TransfectedProgeny of transfected cellConclusionsequence from leucellGrowthMitoticnormal yeastwithoutsegregationleucineARSrequiredNoforplasmidreplication亮氨酸合成酶基因质粒NoPoorInpresence(520%ofARS,plasmidofcellshavereplication occurs,Eplasmid)butmitoticYessegregationisDfaultyProgeny后代Mitotic有丝分裂faulty有错误的，有缺点的，不完善的以自主复制序列或复制起点为例，看其如何克隆？用酵母细胞来做（染色体数量少，基因组小，做起来比较容易：酿酒酵母共有17条染色体，基因组全序列已于1996年测定，大小为12.052Mb，共6500个基因，是第一个测出的真核生物基因组序列），其本身含有自主复制序列，将其打断重组到载体上：（二）着丝粒DNA序列
（将酵母基因组序列打断，重组到带有组氨酸的载体上，转化到营养缺陷型的酵母细胞 中去，即不能合成组氨酸的培养基，如果没有 ARS，则载体不能复制，不能利用组氨 酸，则酵母不能长成克隆，但是偶尔有些克隆，说明重组的序列整合到了酵母染色体 上，是假阳性的；然后将 ARS 克隆测序，研究其序列特征） （一）自主复制 DNA 序列 Progeny 后代 Mitotic 有丝分裂 faulty 有错误的,有缺点的,不完善的 以自主复制序列或复制起点为例，看其如何克隆？用酵母细胞来做（染色体数量少，基因 组小，做起来比较容易；酿酒酵母共有 17 条染色体，基因组全序列已于 1996 年测定，大 小为 12.052Mb，共 6500 个基因，是第一个测出的真核生物基因组序列），其本身含有自 主复制序列，将其打断重组到载体上； （二）着丝粒 DNA 序列
Plasmidwith TransfectedProgeny of transfected cellConclusionsequencefrom leu cellGrowth Mitoticnormal yeastwithout segregationleucineLEUEDYesARSGoodGenomicLEULEUEDE(>90%fragmentofcellsCEN requiredARSARShaveforgoodLEUYesplasmid)segregationARS（三）端粒DNA序列（位于染色体末端，由短小串联重复序列构成）PlasmidwithTransfectedProgeny of transfected cellConclusionsequence fromleucellGrowthMitoticnormal yeastwithoutsegregationleucineLEULEUCENCERNoLinearplasmidARSARSlackingTELRestrictionisunstableenzymeproduces linearLinearplasmidsplasmidYescontainingARSandCENbehaveTELTELlikenormalGoodARS-LEU-CENchromosomesifgenomicfragmentYesTEL is addedtobothends位于染色体末端，由短小串联重复序列构成Humantelomere:5-TTAGGG-3500~3000copies带有端粒序列的载体，转化后可以长出克隆：而是去掉端粒序列的，转化后长不出克隆
（三）端粒 DNA 序列（位于染色体末端，由短小串联重复序列构成） 位于染色体末端，由短小串联重复序列构成 Human telomere:5’-TTAGGG-3’ 500～3000 copies 带有端粒序列的载体，转化后可以长出克隆；而是去掉端粒序列的，转化后长不出克隆