第十九章细胞核 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握掌握细胞核的基本结构组成：染色质的化学组成、超微结构及组装，染色 体的结构特征，端粒，常染色质与异染色质；核仁的化学组成、超微结构与 功能动态关系。 熟悉核膜的结构及功能：核纤层的结构与功能：染色体核型分析。 了解了解核基质的概念；核孔复合体。 细胞核(nucleus)是细胞中最大、最重要的细胞器，它是由核膜(nuclear membrane)、核骨架(nuclear scaffold)、核仁(nucleolus)等组成。细胞核的主要功能有遗传和发育两个方面。遗传表现为通过DNA 染色体的复制和细胞分裂，维持物种的世代连续性。发育表现为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。 细胞核的形态常与细胞形状、细胞类型、发育时期有关，一般为圆形或椭圆形，肌细胞核呈杆状，嗜 中性细胞核呈分叶状。细胞核的形态伴随细胞的增殖过程呈现周期性的变化，细胞分裂期，核被膜裂 解，各种成分重新分配，无明显的核形态。只有在处于间期的细胞中，才能观察到细胞核的完整结构 处于间期的细胞核叫间期核，间期核的基本结构包括核膜、染色质、核仁和核基质。 细胞核(nucleus)是细胞中重要的细胞器，由核膜(nuclear membrane)、核骨架(nuclear scaffold)和核 仁(nucleolus)组成。细胞核内含有大多数的遗传物质DNA。DNA与多种蛋白质形成染色质。染色质 在细胞分裂时，浓缩形成染色体。染色体所含的基因合称为核基因。细胞核的作用，是维持基因的完整 性，并借由调节基因表现来影响细胞活动。 第一节核膜 核膜(uclear membrane),位于间期细胞核最外层。核膜将细胞分成核与质两大结构与功能区域。 DNA复制、RNA转录与加工在核内进行，蛋白质翻译在细胞质中。这样避免了核质间彼此干扰，保护核 内的DNA分子免受损伤，同时调控细胞核内外的物质交换和信息交流（图191）。 核膜在普通光学显微镜下难以分辨，在相差显微镜下，由于细胞质与细胞核的折光率不同，可以看 清核膜的界限，电镜下可以看清核膜的微细结构。核膜主要有三种结构组分：双层核膜、核孔复合体与 核纤层（图19-2）。 449
一染色质 中等纤 内外 图191间期细胞核结构图 核 核孔 核纤层 染色体 核已 14m 图192核被膜的电镜照片 一、核膜的亚微结构 核膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成。面向胞质的一层称为外核膜，面向核质的一层称为 内核膜。内、外核膜厚度相同，均为7.5m(图19-3)。 (一)外核膜 外核膜(outer nuclear membrane)结构与粗面内质网相似并彼此相连，其外表面常附有核糖体颗粒，外核 膜被认为是粗面内质网的特化区域。外核膜的胞质面附着有10的中间纤维，它们与细胞核的定位有关。 (二)内核膜 内核膜(inner nuclear membrane)面向核质，与外核膜平行排列，表面光滑，无核糖体颗粒附着。内 核膜的核质面有厚20~80m的核纤层，是一层由细丝交织形成的致密网状结构。核纤层不仅对核膜 有支持，稳定作用，也是染色质纤维末端的附着部位。 (三)核周间隙 内外两层核膜之间有宽为20~40nm的腔隙，即核周间隙(perinuclear space)或核周池，它与粗面内
第十九章细胞核 质网有临时通道，内含多种蛋白质和酶。核周间隙的宽度随细胞种类及功能状态的不同而有所不同。 (四)核孔 核孔(nuclear pore)是细胞核膜上沟通核质与胞质的开口，由内外两层膜的局部融合形成，直径为 80~120m。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 过核孔定向输人细胞核，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， 核孔由至少50种不同的蛋白质构成，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37.7 ×10个核孔，但其成熟后细胞核仅150~300个核孔（图194）。 整合蛋白 核膜隙 核纤层 异染色质一 图193核膜的结构横式图 图194核孔 二、核膜的功能 (一)核膜的区域化作用使转录和翻译在空间上分离 核膜是细胞核与细胞质之间的界膜，其将细胞分为细胞核与细胞质两大结构区与功能区。核膜的 出现稳定了细胞核的形态与成分，保证DNA复制、RNA转录与加工在核内进行，蛋白质合成在细胞质 中完成。NA前体在细胞核内先进行有效的剪接以去除内含子，并进行必要的修饰如5'端带帽与3'端 加尾，加工成熟的mRNA进人细胞质指导蛋白质的合成，确保了真核生物基因表达的准确性与高效性。 而原核细胞因无核膜分隔，其RNA转录与蛋白质合成均在同一空间中进行，即RNA分子未完成转录 前，已开始与核糖体结合并指导蛋白质的合成。所以在指导蛋白质合成之前，RNA转录产物是没有机 会进行任何修饰的。 (一)核道控制着细响核与细胞质间的物质衣换 核-质间频繁的物质交换是细胞生命活动所必需的，其交换方式与交换物质的类型密切相关。无机 离子及小分子物质如水分子、K、C、C2·、M矿、单糖、氨基酸等均可自由通过核膜：而绝大多数大分子 物质及一些小分子颗粒则主要通过核孔复合体以选择性的运输方式实现核质间的物质交换 (三)染色体的定位和酶分子的支架 核内的一些酶是以膜蛋白的形式存在的，这就有利于核内生化反应的区域化，从而发挥高度的催化 活性。所以核膜是染色体和酶分子的支架和固着部位。 三、核孔复合体 核孔并非单纯的小孔，而是由蛋白质构成的复杂结构，这种结构称为核孔复合体（图195）。迄今 已知所有真核细胞的间期细胞核普遍存在核孔复合体。核孔复合体在核被膜上的数量、分布密度与分 451
第四篇细胞的结构与功能 布形式随细胞类型、细胞核的功能状态的不同而有很大的差异。一般来说，转录功能活跃的细胞，其核 孔复合体数量较多 :央运输蛋白 跑所环 细胞质颗粒 细胞质 内炫 核质环 图195核孔复合体的结构模型 (一)核孔复合体的结构模型 核孔复合体镶嵌在内外核膜融合形成定位核孔上。核孔直径80~120m,核孔复合体稍大 些，直径为120~150m,因为它有一部分结构嵌入核被膜内。有关核孔复合体的结构至今并不完 善，仍有一些关键性的问题有待阐明。综合已有资料人们提出一个最新的核孔复合体结构模型：捕 鱼笼式结构模型。①胞质环：位于核孔边缘的胞质面，与外核膜相连，环上连有8条细长纤维对称分 布伸向胞质：②核质环：位于核孔边缘的核质面，与内核膜相连，环上也有8条纤维伸向核质，这些 维末端形成一个由8个颗粒组成的小环，构成捕鱼笼样结构，称为“核篮”；③辐：是由核孔边缘伸向 核孔中心的结构，呈辐射状八重对称，主要由3部分构成：一是位于核孔边缘，连接胞质环与核质环 的“柱状亚单位”，起到支撑核孔的作用；二是穿过核膜伸人核周间隙的“腔内亚单位”：三是在柱状 亚单位内侧靠近核孔中央的“环带亚单位”，是核-质交换的通道：④中央栓：又称为中央颗粒，位于核 孔中央，呈棒状或颗粒状，推测它可能参与核质交换。由于中央颗粒并非存在于所有的核孔复合体 中，有人认为它不是核孔复合体的固有组分，而是正在通过核孔复合体的被转运物质。由上述模型可 见，核孔复合体相对于垂直于核膜通过核孔中心的轴呈辐射状八重对称，而相对于平行于核膜的平面则 是不对称的，即核孔复合体在核质面与胞质面两侧的结构明显不对称，这与其在功能上的不对称性是 致的。 核孔复合体是一个多蛋白复合体，由约30个不同的核孔蛋白组成。这些核孔蛋白在进化上高度 守，多含有一簇由苯丙氨酸和甘氨酸组成的℉G重复序列，该序列可与核转运受体一入核素相互作 用，并提供核转运受体，亲核蛋白复合体的结合位点，从而介导亲核蛋白通过核孔复合体进入细胞核内 大多数核孔蛋白同时位于核孔复合体中央通道的胞质面或核质面，少部分蛋白不对称地分布于中央通 道的两侧。在脊椎动物中，Nup358是核孔复合体胞质面纤维丝的主要组分，Nup214也是核孔复合体胞 质面的组分之 ,Nup358、Nup214及其他不对称分布的核孔蛋白在核转运受体亲核蛋白复合体的组 和解离过程中起重要作用。 (二)核孔复合体的功能 1.核孔复合体可通过主动运输和被动运输方式实现核-质间的物质转运核孔复合体是细胞核与 细胞质之间物质交换的双向选择性亲水通道，既能介导蛋白质入核转运，又能介导NA和核糖体蛋白 452
第十九凉组患核 颗粒的出核转运。核孔复合体可通过主动运输和被动运输两种方式实现核-质间物质转运。一般来说， 核孔复合体的有效直径为10nm,故离子、小分子及直径小于10nm的物质可以自由通过。但对Na等少 数离子有一定的屏障作用，某些小分子也可能因与其他大分子结合而不能自由通过。主动运输是核孔 复合体最重要的功能之一。生物大分子的核质分配主要借助核孔复合体的主动运输方式来实现。如 细胞核内DNA复制及RNA转录所必需的各种酶类均需先在胞质中合成后再转运至胞核；而胞质中蛋 白合成所需的RNA、mRNA等均需先在胞核中合成，再运至胞质参与蛋白质合成的相应环节。该主动 运输方式是一个信号识别与载体介导的耗能过程，具有饱和性。核孔复合体介导主动运输的功能直径 要比被动运输大，甚至可达26m,但它对运输颗粒的大小仍有限制。 2.核定位信号介导亲核蛋白人核亲核蛋白是一类在细胞质中合成，进人细胞核发挥功能的蛋白 质。通常含有4~8个氨基酸组成的特殊序列来保证整个蛋白质能够通过核孔复合体被转运到核内，该 序列称为核定位序列(uclear localization sequence,NLS)。不同亲核蛋白的入核信号氨基酸组成上存在 差异，但均富含Ag,Lys及Po等碱性氨基酸。亲核蛋白入核除需其自身的NMLS外，还需核转运受体及 RanGTP酶系统的参与。核转运受体包括分布于胞质中的入核素与转运素及跑核中的出核素，它们既可 与核孔复合体结合，又可与被转运物质结合。在细胞质基质中，亲核蛋白首先与入核素α结合，后者与 入核素B结合形成NS-入核素/B复合体。通过与核孔复合体伸向胞质的核孔蛋白FG重复序列结 合，将NS人核素/B复合体定位于核孔复合体的胞质侧纤维，通过与FG重复序列的反复结合与分 离，NLS-入核素a/B自复合体经核孔转运人核。该复合体在通过核孔复合体时，RanGTP碑水解GTP 为核转运提供能量：同时激活入核素，释放入核素α和NS,继而亲核蛋白沿核内骨架被运至核内。核 内人核素与RanGTP酶结合成二聚体被运回胞质后解离，入核素a也通过较为复杂的出核转运过程，回 到胞质。它们的可参与下一轮亲核蛋白的入核转云（图19-6） 一货物蛋白 NIS GTP RCCI GDP] 细质 Ran GA 货物蛋白 RAD NIS 输人蛋白a 、输出蛋白B 图196亲核蛋白输入细胞核的过程 458
第四篇细胞的结构与功能 四、核纤层的结构与功能 (一】核纤层的结构 核纤层是附着于内核膜下的纤维蛋白网。它与中间纤维及核骨架相互连接，形成贯穿于细胞核与 细胞质的骨架体系。核纤层10~100m,纵横排列整齐，整体呈球形或笼形网络，切面观呈片层结构（图 197)。核纤层在高等真核细胞间期细胞核中普遍存在，而分裂期细胞的核纤层解体并以蛋白单体形式 存在于细胞质中。 人 图197核纤层的超微结构 通过比较核纤层蛋白氨基酸序列发现，它们与中间纤维有较高的同源性，其同源性甚至超过不同中 间纤维间的同源程度。因此认为核纤层蛋白属于中间纤维家族成员，是一种中间纤维。可以说核纤层 是由中间纤维构成的一个纤维状网架结构，它在细胞分裂过程中，也在不断地发生解聚与重组。组成核 纤层的纤维蛋白称为核纤层蛋白(amin)。哺乳动物和鸟类细胞的核纤层由核纤层蛋白A、B.C三种蛋 白构成，其相对分子量为60~70kDa。研究证明核纤层蛋白A与核纤层蛋白C是同一编码基因的不同 加工产物，前566个氨基酸完全相同，但是C端的序列是不一样的。因此，核纤层蛋白分为两类：A型核 纤层蛋白（包含核纤层蛋白A和C);B型核纤层蛋白（核纤层蛋白B)。然而并非所有细胞中均同时存 在这两类核纤层蛋白，它们在细胞分化过程中的表达具有细胞特异性，A型核纤层蛋白仅见于分化的细 胞中，而B型核纤层蛋白则存在于所有体细胞中。 (二)核纤层的功能 鉴于核纤层与核膜、染色质及核孔复合体在结构上的密切联系，推测核纤层不仅为核膜及染色质提 供结构支架，还参与了DNA的复制、RNA的成熟与转运，以及核膜崩解与重建。 1.结构支撑功能核纤层蛋白形成骨架结构支撑于核膜的内侧，使得核膜能起到细胞核与细胞质 之间的隔离与信息交换功能。 2.调节基因表达果蝇细胞中基因组范围的研究结果表明，沉默基因更倾向于分布于核纤层 近，异染色质更易与核纤层结合，而且核纤层附近的染色质的乙酰化水平较低。然而，在酵母细胞中活 跃转录的基因也分布于核纤层附近，它们常与核孔复合体结合。所以，核纤层与基因表达的确切关系还 不是很清楚。很可能在不同物种的细胞中，甚至不同组织的细胞中情况不一样。 3.调节DNA修复研究表明，核纤层蛋白A是双链D八A断链修复必需的，核纤层蛋白功能异常 病人细胞中的基因组变得不稳定，DNA修复反应滞后，端粒变短。 4.与细胞周期的关系细胞分裂过程中核纤层蛋白解聚成可溶的单体或与崩解后的核膜相结合 新核形成时，核膜与染色质结合的同时，核纤层最后也重新形成。 45
第十九章细胞核 第二节染色质 热鱼质与沈色体是责传物质在细胞周期不同司阶段的不同存在形式。染色质(chromatin)是间期细胸 遗传物质的存在形式，由DNA组蛋白、非组蛋白及少量RNA等构成的细丝状复合结构，形态不规则，弥 散分布于细胞核内（图198）。染色体是指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，染色质经复制后反复缠 绕凝聚而成的条状或棒状结构，借以保证DNA被准确地分配到子代细胞中，对物种遗传性状稳定性的 维持起重要作用。 终色体 核小体 组蛋白—像 图198染色质化学组成 一、染色质的组成成分 染色质分离分析表明：DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，二者占染色质化学组分的98%以上，其 中DNA与组蛋白的含量接近1：I0,RNA与非组蛋白也是染色质的构成成分，但其含量较少，且随细胞 生理状态的不同而改变（见图2-7）。 (一)染色质DNA骨架 除少数病毒之外，所有生物的遗传物质均为DNA。真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信息 称为基因组。同一物种体细胞之间DNA分子结构与含量相同，不同物种间则差异很大。 染色质DNA分子可自我复制得到两个完全相同的DNA分子，将其平均分配到子细胞中，保证遗传信 息的稳定传代。染色质DNA包含三类不同的功能序列：端粒序列、着丝点序列及复制源序列。①端粒序 列：它广泛存在于真核生物染色体的末端，是一个富含G的简单重复序列。端粒序列对于维持DNA分子两 末端复制的完整性与染色体的稳定性方面发挥重要作用。②着丝点序列：它是复制完成的两姐妹染色单 体的连接部位。在细胞分裂中期，该序列与纺锤丝相连，使复制后的染色体平均分配到两个子细胞中，以维 持遗传的稳定性。③复制源序列：它是细胞进行DNA复制的起始点。对于真核细胞来说，多个复制源序列 可被成串激活，该序列处的DNA双链解旋并打开，形成复制叉。因此，一条DNA分子上可同时在多个复制 源序列处形成多个复制叉，使得DNA分子可在不同部位同时进行复制。目前采用分子克隆技术，可将真 核细胞垫色体的端粒序列、着丝点序列及复制源序列拼接在一起构律成人工热色体，用干科学研究 此外，尚可根据DNA序列在基因组中的重复频率，将DNA的核背酸序列分为3种类型：单一序列、 455
第四篇细胞的结构与功能 中度重复序列和高度重复序列。RNA在染色质中含量很少，不同物种间或同一细胞不同生理状态下差 异很大，大部分是新转录的RNA前体。 (二)染色质蛋白 1.组蛋白(histones)组蛋白是构成真核染色体的基本结构蛋白，等电点大于10.0且富含带正电 的碱性氨基酸赖氨酸和精氨酸，可以与带负电荷且呈酸性的DNA紧密结合。真核细胞中，按组蛋白精 氨酸/赖氨酸的比值，将组蛋白分为5种：H1、H2A,H2B、HB、H4。按其功能的不同，则可将组蛋白分为 两类：①核小体组蛋白：包括H2A、H2B、H3、H4四种，核小体组蛋白各两分子组成八聚体，构成核心颗 粒，协助DNA卷曲成核小体的稳定结构。它们没有种属及组织特异性，在进化上高度保守：②H1组蛋 白：在构成核小体时H1组蛋白起连接作用，它藏予染色质以极性。每个核小体只有一个组蛋白分布 在封闭DNA进人和离开组蛋白八聚体核心的位点上。HI组蛋白有一定的组织和种属特异性。H组 蛋白在S期于胞质中合成后转入核内，协助折叠及包装DNA形成染色体，还可保护DNA不被酶消化。 组蛋白还可通过甲基化或乙酰化修饰来抑制或激活某些基因的转录，参与基因的调控。 2.非组蛋白非组蛋白是除组蛋白之外的染色质结合蛋白的总称，它参与维持染色体的结构以及 化酶促反应。与组蛋白相比，非组蛋白数量较少但种类较多，且在不同组织细胞中的种类与数量均不相同。 非组蛋白可与染色体上特异的DNA序列结合，协助DNA分子折叠，参与启动DNA复制，调控基因的转录 二、染色质的组装 (一)染色质的一级结构核小体 人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm,核内全 部DNA连接起来为1.7-2.Om,而细胞核直径不足1Oum。因此，不难想象DNA是以螺旋和折叠的方 式压缩起来的，压缩比例高达上万倍，这种压缩的最初级结构就是核小体(nm©eosome)。核小体是一种 串珠状结构，由核心颗粒和连接DNA两部分组成，可描述如下：①每个核小体单位包括约200p的 DNA、一个组蛋白核心和一个H1;②由H2A,H2B、HB、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒：③DN 装小体核心颗料 核小体 图199核小体的结构 456
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；④相邻核心颗 粒之间为一段60bp的连接线DNA(图19-9)。 (二)染色质的二级结构螺线管 通过核小体，DNA长度压缩了7倍，形成直 径为11m的纤维，这是染色质组装的一级结 构。在细胞中，染色质很少以伸展的串珠形式存 在。当细胞核经温和处理后，在电镜下会看到直 径为30nm的染色质纤维。在有组蛋白Hl存在 螺线管 的情况下，由直径10nm的核小体串珠结构螺旋 盘绕.每圈6个核小体.形成外径25-30m.螺 距12m的螺线管（图19-10）。螺线管是染色质 组装的二级结构。 (三)染色质的三级结构超螺线管 30nm的染色质纤维进一步螺旋化，形成- 系列的螺旋域，环附着在骨架蛋白上。螺旋域直 径300nm并进一步形成超螺旋环或超螺旋域 组蛋白H 连接DNA (图19-11)，此时直径为700nm,每个环约含有 50~10 Okb DNA,推测染色质环仍然是基因协同 表达的功能单位。 典型的超螺旋的环的开头和结束都是AT 图19-10染色质30nm螺线管装配模型 富集序列并与核骨架或核基质蛋白结合在一起 其中包括Ⅱ型拓扑异构酶，推测该酶调节DNA的超螺旋程度。DNA从螺线管到超螺线管又压缩了 10倍 （四)染色质的四级结构染色单体 超螺线管进一步螺旋化，形成直径为1~2μm,长度为2~10um的中期染色体，从超螺线管到染色 体大约压缩了5倍（图19-12）。DNA经核小体到染色体，DNA总共压缩约8400倍。 染色体支架 染色质纤维 图1911从螺线管到超螺线管的包装 457
第四篇细胞的结构与功能 NNPNON 2 双螺旋DNA DNA -H1组蛋 核小体纤维 30nm纤维 图1912染色体组装的多级螺旋模型 三、染色质的类型 间期染色质按其形态特征与染色性质的不同可分为两类：常染色质与异染色质。二者虽在螺旋化 程度、DNA序列及功能上存在显著差别，但其化学本质是相同的。在一定条件下，二者可以相互转变 (图19-13) (一)常染色质 常染色质(euchromatin)是间期细胞核中处于 伸展状态的染色质纤维。为间期核内碱性染料染 色时着鱼较漫，摆旅化程度较低，外干伸展状态的 染色质细丝，含有基因转录活跃部位。常染色质的 DNA成分主要由单一序列DNA及中度重复序列 DNA构成，在一定程度上控制着间期细胞的活动 常染色质上还存在一些核酸酶敏感位点，故易被核 酸酶降解。电镜下可见常染色质在核内均匀分布， 多位于核中央。一部分常染色质介于异染色质之 间，一部分以袢环形式伸入核仁内，伴随核仁存在。 常染色质多在$期的早、中期复制 19-13异染色质和常染色质 458