细胞生物学 细胞核 the nucleus -...
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第八章 细胞核与遗传信息储存
第一节 细胞核概述
第二节 细胞核膜
第三节 染色质和染色体
第四节 核仁
第五节 核骨架
第六节 细胞核与疾病
为什么真核细胞核有核膜、核仁？
无核膜、核仁
第一节 细胞核概述
被核膜包裹，有核仁
原核细胞 真核细胞
细胞核是细胞内最大、最重要的细胞器
Phalloidin (actin filaments, magenta)
DAPI (nuclei, cyan)
HeLa cells
第一节 细胞核概述
核质比大表示核相对较大。
核质比大小与什么相关呢？
生物种类、细胞类型、发育阶段、功能状态及染色体倍数
细胞核概述
形状：球形、椭圆形、杆状、不规则形
大小：大多数为5-20 μm
数目：多数细胞含有1个细胞核
例外：成熟红细胞（无核）
第一节
Kidney Epithelial Cells (MDCK Line)
肝细胞、肾小管细胞（双核）
破骨细胞（可达几百个）
遗传信息储存、DNA复制和RNA转录的场所
核糖体亚单位装配的场所
细胞代谢、生长、增殖和分化等活动的调控中心
维持基因组的稳定性
第一节
细胞核的主要功能
间期细胞核的结构
细胞核的形态伴随细胞的增殖过程呈现周期性的变化。只
有在间期才能看到完整的细胞核，处于间期的细胞核叫间
期核。间期核具有核膜、核仁、染色质、核基质等结构。
第一节
第二节 核膜
核膜（nuclear membrane ），又称为核被膜 （nuclear envelope），
是包围细胞核的双层膜结构，是细胞核与细胞质之间的界膜。
主要化学成分是蛋白质和脂类
电镜下，核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成。
核膜的区域化作用 第二节
核膜构成天然屏障，将细胞分隔为
细胞质和细胞核两个结构和功能区
细胞核：DNA复制、转录、
细胞质：翻译
核膜是不对称的双层膜结构
外核膜
内核膜
核周隙
核孔复合物
核纤层
第二节
外核膜
核膜中靠近胞质的膜，表面粗糙，
与内质网相连，有核糖体附着。
内核膜
靠近核质，表面光滑，其内表面有一层电
子密度高的蛋白质细丝附着，称为核纤层。
核周隙
宽20~40nm，此间隙与糙面内质网腔相通，含有多种蛋白质和酶类。作为内、外核膜之间的缓冲区。
第二节
核膜结构
核孔复合体 (nuclear pore complex)
核孔：在内外膜的融合之处形成环状开口
核孔复合体：由多种核孔蛋白质以特定方式排列形成的
的复杂隧道结构。
胞质面
核质面
扫描电子显微镜图片
第二节
大小约120 nm，核孔约10 nm
超分辨荧光成像图片
Xenopus laevis oocyte
nuclear envelopes
Eightfold symmetrical
arrangement of gp210
proteins in NPCs.
150 nm Löschberger et al., JCS, 2011
核孔复合体的结构
捕鱼笼式（fish-trap）：
胞质环 (cytoplasmic ring)
核质环 (nuclear ring)
辐（spoke)
由柱状亚单位、腔内亚单位、
环形亚单位组成
中央栓 (central plug)
第二节
核孔复合体(nuclear pore complex)
第二节
Cell, 2016
介导细胞质与细胞核之间的物质运输 Traffic between Nucleus and Cytoplasm
小分子物质(<10 nm)
H2O、离子、核苷酸等
被动扩散，不需要能量
大分子物质(>10 nm)
RNAs、蛋白质等
主动运输，需要能量
第二节
核孔复合体的功能
亲核蛋白质入核
亲核蛋白 (Karyophilic protein) ：在细胞质合成，但在细
胞核内执行功能的蛋白质；其肽链中具有核定位信号。
核定位信号 (nuclear localization signal , NLS)：一段含4-
8个氨基酸的短肽序列，富含Lys和Arg，一般4-5个连续的
Lys/Arg, 有些由两段序列组成。
亲核蛋白入核需要核输入受体（importin，又叫入核素）
和RanGTP酶的协助。
第二节
猴肾病毒 (SV40) 的T抗原NLS突变丧失入核能力
核定位信号 第二节
蛋白质入核过程 第二节
1. NLS识别核输入受体α，与α/β异二聚体结合 2. 与胞质纤丝结合 3. 在核孔复合体中移动 4. 在核质面与Ran-GTP结合，亲核蛋白释放 5. 受体的亚基与Ran结合返回细胞质，GTP水解，释放受体亚基β Ran-GDP返回核内，再转换成Ran-GTP
蛋白质出核
具有核输出信号 (nuclear export signal，NES)
是一段富含亮氨酸 (Leu) 的序列。
具有核输出信号的蛋白质从细胞核
易位到细胞质需要出核素 (Exportin) 和
RanGTP酶的协助。
Exportin 识别货物蛋白上NES序列，与货物
蛋白结合，并与RanGTP结合形成核输出复合物，
通过核孔将货物蛋白转运到细胞质中，在细胞质
中货物蛋白与Exportin 及Ran解离。
第二节
细胞核
细胞质
RNA出核
mRNA和输出复合物结合转运到胞质，在解旋酶作用下，输出复合物与mRNA解离。
Crm1识别snRNA7甲基胞嘧啶帽子，结合snRNA并将其转运到细胞质；在细胞质snRNA与某些蛋白结合，形成snRNP，通过Importin转运回细胞核。
mRNA出核 snRNA在核-质间穿梭
第二节
核纤层（nuclear lamina）
核纤层是紧贴核膜内层的纤维状蛋白网架结构，
由核纤层蛋白构成。
第二节
核纤层组装
核纤层主要由核纤层蛋白 (lamin)组成，包括lamin A、
lamin B和lamin C。
核纤层蛋白是一类中间纤维。
第二节
核纤层参与核膜的解聚与重建
在有丝分裂前期，CDK1磷酸化lamin，导致核纤层解聚，核膜崩解、破裂。 在细胞分裂末期， lamin发生去磷酸化，进而聚合，核膜再次形成。
第二节
参与核膜的解聚与重建
结构支架作用
核纤层与核基质相连，组成了核的支架，维持细胞核的形状 和大小。
参与维持染色质的结构
在间期，核纤层蛋白与染色质上的一些特殊位点相结合，为 染色体供核周锚定位点，抑制间期染色质凝集，维持高度有 序的染色质结构，调控基因表达。
参与DNA的复制
去除核纤层，抑制DNA的复制。
核纤层的功能 第二节
核纤层与人类疾病
核纤层异常与多种疾病相关
Lamin A突变与早衰症
Lamin A基因编码序列1824位C>T突变，产生突变的蛋白（缺少50aa)，不能形成正常的核纤层，最终导致早衰症 (progeria)。
第二节
Normal
Progeria
染色质(chromatin)是细胞核内能被碱性染料着
色的物质，是间期细胞遗传物质存在的形式。细
丝状，形态不规则，弥散在细胞核内。
染色体 (chromosome)指细胞在有丝分裂或减数
分裂过程中，由染色质高度折叠、盘曲而凝缩成
的条状或棒状结构。
第三节、染色质和染色体
染色质和染色体是同一种物质在不同时期的表现形式
常染色质和异染色质
间期核中染色质：
常染色质（euchromatin）
着色浅，位于核的内部，结构
上看，其螺旋化程度低，具有
转录功能的染色质区域。
异染色质（heterochromatin）
着色深，靠近于核膜，其螺旋
化程度高，功能上，基本上不
进行转录的功能。
第三节
间期核中处于凝缩状态，无/低转录活性
在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩（异固缩现象）
分为两类：
组成型异染色质（constitutive heterochromatin）
兼性异染色质（facultative heterochromatin）
第三节
异染色质
DNA 贮存遗传信息的生物大分子，结构性质稳定、数量恒定的基本
成分。
组蛋白(H1、 H2A, H2B, H3, H4)
富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白，带正电荷，对维持结构和功
能的完整性起关键作用。调节DNA的复制和转录。
非组蛋白
含天冬氨酸、谷氨酸等酸性蛋白，带负电荷，促进复制和转录。
超过500多种，包含染色体骨架蛋白，调节蛋白，相关酶类。
染色质与染色体的主要化学组成 第三节
人类细胞2米长的DNA分子如何组装在
直径微米级 (~ 5 - 20 μm) 的细胞核里？
染色质的结构和组装
染色质一级结构
核小体是染色质的基本结构单位
染色质二级结构
螺线管
染色体高级结构
多级折叠模型
细胞骨架-放射环模型
第三节
核小体 (nucleosome)
• 核小体是染色质的基本结构单位（一级结构）
第三节
核小体组分
核小体由核心颗粒和DNA组成
核心颗粒：八聚体
H2A、H2B、H3、H4各2个
H1锁住核小体DNA的进出端，稳定核小体
DNA 200bp
核心DNA 146 bp，围绕1.75圈
连接DNA 约60 bp
第三节
螺线管（solenoid)
左手罗璇
每圈6个核小体
螺距11 nm
外径30 nm，内径10 nm
从核小体到螺线管DNA
压缩6倍
第三节
染色体包装：支架-放射环模型
非组蛋白构成的染色体骨
架(chromsomal scaffold)
和由骨架伸出的无数的
DNA侧环。
30nm的染色线折叠成环,
沿染色体纵轴, 由中央向四
周伸出，构成放射环。
第三节
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
染色质包装的多级螺旋模型
一级结构：核小体 (nucleosome)
二级结构：螺线管 (solenoid)
三级结构：超螺线管 (supersolenoid)
四级结构：染色单体 (chromatid)
压缩近万倍
第三节
◆着丝粒 (centromere)
◆动粒 (kinetochore)
◆次缢痕 (secondary constriction)
◆核仁组织区 (nucleolar organizing region, NOR)
◆随体 (satellite)
◆端粒 (telomere)
染色体的主要结构 第三节
染色体复制的末端隐缩问题如何解决？ 第三节
线性染色体最末端的RNA引物因为没有另外的引物起始，没有办法被DNA取代。所以线性染色体DNA每复制一轮，RNA引物降解后末端都将缩短一个RNA引物的长度。
每复制一次
减少50~100bp
端粒 (Telomere) 第三节
染色体两端的特化部分
串联重复序列，人类端粒：TTAGGG
在进化中高度保守
功能：
1. 保证染色体末端的完全复制
2. 形成保护性的帽结构
3. 维持染色体结构稳定
4. 在细胞的寿命、衰老和死亡
以及肿瘤发生起作用
DNA-FISH
端粒的复制 第三节
端粒酶 (telomerase)：由一个具
有催化作用的蛋白质和一个与端
粒DNA互补的RNA (159 bp) 组成。
端粒酶以自身RNA为模板合成端
粒DNA，补充端粒。
端粒与细胞衰老
体细胞端粒长度随细胞分裂而变短，当端粒长度缩短到一定程度时，细胞就会死亡。生殖细胞和肿瘤细胞表达端粒酶，维持端粒长度。
第三节
Elizabeth H. Blackburn 加州大学旧金山分校
Carol W. Greider 霍普金斯医学院
Jack W. Szostak 哈佛医学院
2009年的诺贝尔生理学或医学奖 第三节
端粒和端粒酶的发现
http://www.bioon.com/trends/comment/411025_2.shtml
http://nobelprize.org
着丝粒 (centromere)
主缢痕：姐妹染色单体连接处存在的向内凹陷的缢痕
着丝粒：位于主缢痕内两条姐妹染色单体相连处的中心部位
着丝粒将染色体分为长臂和短臂
根据着丝粒的位置，染色体分为4种类型
中着丝粒染色体
亚中着丝粒染色体
近端着丝粒染色体
端着丝粒染色体
第三节
人类细胞没有端着丝粒染色体
次缢痕 (secondary constriction)
第三节
次缢痕: 在有些染色体的长臂或短臂上可见除主缢痕外的浅染凹陷缩窄区
在染色体上的数目、位置及大小通常比较痕定
可作为染色体鉴定的一种常用标记。
随体：近端着丝粒染色体短臂的末端的球状结构
由异染色质组成，含高度重复DNA序列
13、14、15、21、22号染色体具有次缢痕和随体结构
次缢痕部位含有多拷贝rRNA基因，与核仁的形成有关
随体 (satellite) 第三节
动粒 (kinetochore)
动粒：着丝粒两侧由蛋白质组成的特化结构，是细胞分裂时
纺锤体在染色体上的结合位点。
第三节
动粒分为三个部分：
外层：微管结合部位
中层：电子密度低
内层：与着丝粒相连，
起始动粒的组装
着丝粒与动粒 第三节
染色体DNA的三种功能性元件
1. 端粒
2. 自主复制区
3. 着丝粒
第三节
性细胞染色体为单倍体（haploid），用n表示。
体细胞为2倍体（diploid）以2n表示，还有一些物种的染
色体成倍增加成为4n、6n、8n等，称为多倍体。
染色体的数目因物种而异，如人类2n=46，黑猩猩2n=48，
果蝇2n=8，家蚕2n=56，小麦2n=42，水稻2n=24，洋葱
2n=16。
第三节
染色体的数目
核型：一个细胞中全部染色体按照一定的顺序排列
构成的的图形。
第三节
核型分析 (karyotype analysis)
带型：用特殊的染色方法, 使染色体沿长
轴深浅相间的横纹，这样的横纹称为带
（band)。每条染色体都有恒定而独特的
带纹，称为染色体带型。
染色体显带方法为识别染色体的改变提
供技术分析基础，成为疾病诊断的工具。
第三节
染色体带型
染色体数目异常—唐氏综合症 (Down’s syndrome)
第三节
染色体核型的应用-遗传病诊断
第三节
FISH技术用于核型分析
荧光原位杂交 (Fluorescence in situ hybridization, FISH)
Chr. 18
Chr. 19
Cell. 2013 Mar 14; 152(6):1270-84
第三节
肿瘤细胞的染色体核型分析
Spectral karyotyping of highly aneuploid cancer cell line
Drosophila Hunchback locus moves during development Kohwi et al., Cell, 2013
Bcl11b enhancer repositions in developing T cell progenitors Isoda T et al., Cell, 2017
基因组是一个非常动态的三维结构
如何在活细胞内观察染色体的动态？
H2B-GFP
Kanda et al., Cell, 1998
如何在活细胞内观察特异的基因组元件？
CRISPR-Cas9系统介导的基因组编辑技术
SpCas9
NGG
Pennisi et al., Science, 2013 Doudna and Charpentier, Science, 2014
Feng Zhang, MIT
Jennifer Doudna
UC Berkeley Emmanuelle Charpentier
Max Planck Institute
George Church, Harvard
如何在活细胞内观察特异的基因组元件？
CRISPR-Cas9系统介导的活细胞基因组成像技术
x x
Chen et al., Cell 2013
MergeFISHCRISPR MergeFISHCRISPR MergeFISHCRISPR
CRISPR成像技术标记端粒
CRISPR成像技术追踪编码蛋白基因动态
+ 1 sgRNA
Repetitive region
MUC4 (Chr. 3)Repetitive region
MUC1 (Chr. 1)
+ 1 sgRNA
12
3
L =
135 n
m
Dm
icro = 0
.064
μm
2/s
L =
143 n
m
Dm
icro = 0
.017
μm
2/s
L =
85 n
m
Dm
icro = 0
.010
μm
2/s
Time
<130 <400
Number of target sites
CRISPR/FISH/DAPI
MUC4
Interphase Prophase (S) Prophase (G2) Metaphase
Anaphase Telophase Cytokinesis
RPE cells_DAPI/dCas9-EGFP
细胞周期中MUC4基因位点的动态
活细胞多色染色质成像系统
dSaCas9-mCherry + dSpCas9-EGFP
Chen et al., NAR, 2016
见于间期的细胞核内，具有强折光性，
外无界膜包围，是由多组分形成的一
种网络结构。
一般1~2个，有时多达3~5个。
一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快
的细胞有较大和数目较多的核仁，反
之核仁很小或数目少。
核仁（nucleolus）是细胞核内由特定染色体上的核仁组织区
缔合形成的结构，是细胞内合成rRNA、装配核糖体亚基的
场所。
第四节 核仁 第四节
SYTO® RNASelect™ Green
Fluorescent Cell Stain
蛋白质含量很高（80%）
核糖体蛋白、组蛋白、非组蛋白
碱性磷酸酶、ATP酶、RNA聚合酶等
RNA占10%，以RNP的形式存在
DNA约占8%，主要位于核仁的染色质部分
核仁的化学组成是核酸和蛋白质，少量的脂类。
核仁的化学组成 第四节
3个特征性的区域
纤维中心 (Fibrillar center, FC)：
rRNA基因的染色体，即rDNA
致密纤维 (Dense fibrillar
component, DFC) :
新合成的核糖体RNA(rRNA)
颗粒组分 (Granular component, GC)：
不同加工阶段的核糖体亚单位
核仁的结构 第四节
核仁组织区 nucleolar organizing region
第四节
人类核仁组织区位于13、14、15、21、22号染色体的次缢痕部位，含有rRNA基因。
rDNA labeled by CRISPR
Human RPE cell
分裂间期
有1~2个或多个核仁。
分裂前期
染色质浓缩、rRNA合成停止，rDNA袢环逐渐缩回到染色体，核仁消失。
分裂末期
染色体解旋，rDNA伸展，合成rRNA，
组建成新的核仁。
核仁周期 nucleolar cycle
第四节
核仁的主要功能是进行rRNA的合成和加工。
rRNA基因存在于特定的染色体上,由 rRNA聚合酶Ⅰ负
责转录。
核仁是核糖体大小亚基的装配场所。
大亚基：多种蛋白质
rRNA: 5.8S、5S、28S
小亚基: 多种蛋白质
18S rRNA
核仁的功能 第四节
核仁rRNA合成
圣诞树结构
rRNA基因排列及转录形成核糖体RNA前体
第四节
rRNA加工
5S rRNA基因位于核仁外的染色体上
第四节
核糖体组装 第四节
核基质或称核骨架 (nuclear skeleton)，指除核被膜、染色
质、核纤层及核仁以外的纤维网架结构。
第五节 核基质
依次用核酸酶、低盐、高盐缓冲液、去污剂处理细胞核去除核酸、
蛋白、脂类等成分，得到一个以纤维蛋白主的网架结构。
透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM)
第五节
蛋白质含量达90%以上，包括肌动蛋白和波形蛋
白。分子量为40~60kD，多数为含硫蛋白；还
含有少量颗粒蛋白。
少量RNA（0.5%）和DNA(0.8%) 。RNA和蛋白质
结合成RNP复合物是保持核骨架三维网络的完整
性所必需的。
少量磷脂（1.6%）和糖类（0.9%）。
核基质的组成
核基质的功能
维持细胞核形态结构。
参与DNA复制：提供DNA聚合酶结合位点 。
参与基因转录和加工：提供RNA聚合酶结合位点。
参与染色体构建
30nm的染色质纤维就是结合在核骨架上，形成放射环
状的结构。
第五节
第六节、细胞核与疾病
细胞核异常与肿瘤的发生发展关系密切
肿瘤细胞增殖、生长旺盛，代谢活动活跃
细胞核形状不规则，畸形
核仁大而数目多
染色体异常、畸变，是肿瘤早期诊断的客观指标
遗传物质异常可导致遗传病发生
染色体异常导致染色体病
表现为染色体数目的异常或染色体结构的异常。
例如，21三体综合症。
基因突变引起基因病，包括：
单基因病 (先天性耳聋、白化病、色盲等)
多基因病 (哮喘、冠心病、精神分裂症等)
第六节
三维基因组结构异常可导致疾病发生
第六节
Ren B and Dixon J, Cell, 2015