第十章细胞核与染色体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1μum，而最大的核如苏铁科某些植物卵细胞核直径可达500~600um。植物细胞核的直径通常在1~4um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。VnNP=Ve-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（nuclearenvelope）、②核仁（nucleolus）、③核基质（nuclearmatrix）、染色质（chromatin）、③核纤层（nuclearlamina）等部分（图10-1）。7chromatin1am图10-1细胞核的结构，n为核仁，N为常染色质
第十章 细胞核与染色体 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 10-1）。 图 10-1 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。第一节核被膜与核孔复合物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：此外染色体定位手核膜上，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（innernuclearmembrane）、外核膜（outernuclearmembrane）和核周隙（perinuclearspace）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intermediatefilament，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（nuclearlamina），可支持核膜（图103、4)。nuclearenvelopenuclearporelaminacondensedchromatin1μmnucleus图10-2核被膜的TEM照片
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 核被膜与核孔复合物 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 10- 3、4）。 图 10-2 核被膜的 TEM 照片
CytoplasmIntegralproteinRibosomeOutermembraneInnermembraneNuclearporecomplexERIntermembraneLaminaspaceHeterochromatin图10-3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 10-3 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
LaminilamenYYLamintetramerMPF1μmPhosphorylatedlamindimers图10-4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5o种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，称为核孔复合体（nuclearporecomplex，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
图 10-4 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
图10-5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10-4、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（cytoplasmicring），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（nuclearring），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（Spoke）：核孔边缘伸向核孔中央的突出物（图10-6）
图 10-5 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 10-4、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（Spoke）：核孔边缘伸向核孔中央的突出物（图 10-6）
CytoplasmicfilamentCentral plugCytoplasmicringSpokeOuternuclearmembraneNuclearLumenenvelopeInnernuclearNuclearmembraneringBasketNuclearbasketfilamentTerminalring图10-6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亲核蛋白（nucleoplasmin）的C端有一个信号序列，可引导蛋白质进入细胞核（图10-7），称作核定位信号（nuclearlocalizationsignal，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。NucleusNuclearporeGoldparticlesCytosol0.1μm图10-7金标记的亲核穿越核孔
图 10-6 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亲核蛋白（nucleoplasmin）的 C 端有一个信号序 列，可引导蛋白质进入细胞核（图 10-7），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。 图 10-7 金标记的亲核穿越核孔
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。亲核蛋白向细胞核的输入可描述如下：①蛋白与NLS受体，即imporina/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；③与Ran-GTP结合的imporinβ，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；imporina在核内exportin的帮助下运回细胞质（图10-8）。NucleoplasmRan:GTPCytoplasrImportinpRan-GDP53NLSproteind24Inc All nghls res图10-8亲核蛋白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（nuclearexportsignal,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
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。 亲核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，Ran-GDP 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 10-8）。 图 10-8 亲核蛋白输入细胞核的过程 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