醫(yī)學細胞生物學課件：細胞核的結構與功能

1、細胞核的結構與功能概述細胞核具有顯著的細胞周期時相變化。細胞核主要由核被膜、染色質、核仁及核基質四部分組成。細胞核（nucleus）是真核細胞內(nèi)最大的細胞器。細胞核是細胞生命活動的控制中心。真核生物和原核生物的最大區(qū)別。PeroxisomeNucleusNucleolusRough ERSmooth ERGolgi complexLysosomeCytoskeletal fibersNuclear poreMitochondrionStructure of the animal cell NuclearMembrane典型的細胞核結構示意圖 細胞核主要由核被膜、染色質、核仁及核基質四部分組成。

2、interphaseprometaphaseprophasemetaphaseanaphasetelophasecytokinesis細胞核具有顯著的細胞周期時相變化細胞核的大小：隨生物的種類、細胞的類型及功能狀態(tài)不同而異概述細胞核的形態(tài)：圓球形、橢球形、多葉形細胞核的數(shù)目：單核、雙核、多核第一節(jié)核被膜與核孔復合體一、核被膜二、核孔復合體三、核纖層一、核被膜（nuclear envelope）細胞核的界膜，由內(nèi)、外兩層平行的單位膜構成。每層膜的厚度為7080nm。核被膜的結構組成外核膜 outer nuclear membrane核周間隙 perinuclear cistea內(nèi)核膜 inner

3、 nuclear membrane核孔 nuclear pores核纖層 nuclear lamina面向胞質，表面附有大量核糖體，常與RER相延續(xù)。實際上，外核膜可被看作是內(nèi)質網(wǎng)膜的一個特化區(qū)域。外核膜(outer nuclear membrane)外核膜面向核質，表面光滑，沒有核糖體，但有特異蛋白，如核纖層蛋白B 受體。內(nèi)核膜（inner nuclear membrane）內(nèi)核膜位于內(nèi)、外核膜之間，寬約2040nm，與內(nèi)質網(wǎng)相通，充滿液態(tài)不定形物質。核周間隙（perinuclear space）核周間膜構成核、質之間的天然選擇性屏障。介導細胞核與細胞質之間物質與信息的有序交流。核被膜的功能

4、核的內(nèi)、外膜在一些位點融合形成環(huán)狀開口，稱為核孔（nuclear pores）。 核孔不是一個簡單的通道，而是一個復雜而精細的結構體系， 稱為核孔復合體。 二、核孔復合體（nuclear pore complex，NPC）細胞核孔復合體結構電鏡圖抽提后的核孔復合體胞質面結構抽提后的核孔復合體核質面結構核孔復合體的化學組成Cytoplasmic FG Nups and filament:NUP358, NUP214, NLP1Transmembrane ring Nups: GP210, NDC1, POM121Central FG Nups: NUP98, NUP62, NUP54, NUP5

5、8, NUP45Nuclear FG Nups and the basket: NUP153, TPRLinker Nups: NUP93, NUP88Inner ring Nups: NUP205,NUP188 NUP155, NUP35Inner ring Nups: NUP133, NUP160 NUP96, NUP75 NUP107 SEH1 SEC13 NUP43 NUP37Nuclear Pore Complex StructureNups:NucleoporinsClasses of NUPs:TransmembraneCore scaffold (inner ring and

6、outer ring)LinkerPhe-Gly (FG)Nucleoporins (Nups)1992 年 Goldberg 等提出車輪狀模型胞質環(huán)：由8個環(huán)亞單位組成核質環(huán)：核籃結構輻 ：柱狀亞單位 、腔內(nèi)亞單位、環(huán)帶亞單位 中心栓：在核質間物質交換中起轉運作用。 核孔復合體的結構模型核孔復合體結構模型 一種特殊的跨膜運輸載體蛋白復合體構成核質之間雙向運輸?shù)挠H水性通道運輸方式有：被動擴散與主動運輸具有雙向性 ：核輸入與核輸出核孔復合體的功能NPC 是直徑約9nm，長約15nm的親水通道允許離子和水溶性小分子（代謝分子）以自由擴散和協(xié)助擴散的方式穿梭于核質之間。被動擴散（passive di

7、ffusion）大分子的核質分配主要是通過NPC的主動運輸完成的，具有高度的選擇性。通過NPC的主動運輸是一個信號識別與載體介導的過程，需要消耗ATP。通過NPC的主動運輸具有雙向性，即核輸入與核輸出。主動運輸（active transport）爪蟾卵母細胞核質蛋白注射實驗 金顆粒標記的核蛋白穿越核孔親核蛋白是指在細胞質內(nèi)合成，然后輸入到核內(nèi)發(fā)揮作用的一類蛋白質。親核蛋白的核輸入需要核定位信號（nuclear localization sequence，NLS）核輸入核定位信號（NLS）是存在于親核蛋白內(nèi)的一段48個氨基酸序列，富含帶正電荷的堿性氨基酸，進入核后不被剪切。NLS首先在 SV40

8、 病毒的大T 抗原上被證實，其序列為 Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val。核輸入親核蛋白入核過程結合：需NLS識別并結合 importin轉運：需GTP結合蛋白Ran 的參與，水解GTP提供能量。核輸入親核蛋白質從細胞質向細胞核轉運的過程 核輸出的主要成分有：RNA、核糖體亞單位核輸出是具有高度選擇性的信號引導過程核輸出信號（Nuclear export signal，NES）核輸出真核細胞的RNA要經(jīng)過加工、修飾成為成熟的RNA分子后，才能被轉運出細胞核。RNA的輸出需要通過與具有NES的蛋白質結合來完成。5端 “帽子”結構對mRNA的出核是必要的，防止 mRNA 前體被

9、錯誤地運輸。核輸出RanGTP 在轉運中的作用主動運輸需要:核轉運因子（Nuclear transport factors ，NTFs）: Karyopherin (Kap, importin) 家族蛋白轉運信號（Transport signals）:Nuclear localization sequences (NLSs; for import); Nuclear export sequences (NESs; for export)NTFs與被轉運分子上的轉運信號NES 或NLS結合NPC功能：核轉運機制三、核纖層（nuclear lamina）分布于內(nèi)核膜與染色質之間、緊貼內(nèi)核膜的一層蛋

10、白網(wǎng)絡結構。由一層特殊的中間纖維組成正交網(wǎng)絡，切面觀呈片層結構，整體觀呈球形網(wǎng)絡。核纖層的結構組成在哺乳動物細胞中，核纖層由 3 種屬于中等纖維家族的蛋白質組成，即核纖層蛋白A、B、C （Lamin A、B、 ）。A型：Lamin A和C；是一個基因的不同加工產(chǎn)物。B型： Lamin B為核膜及染色質提供結構支架，并介導核膜與染色質的相互作用。與細胞有絲分裂過程中核被膜的崩解與重建密切相關。核纖層的功能細胞質外核膜內(nèi)核膜核周腔膜蛋白核纖層蛋白染色質核纖層結構示意圖核被膜在細胞有絲分裂時有規(guī)律地崩解與重建：在早中期核膜解體為許多小囊泡，在末期核被膜小囊泡圍繞染色體聚集，重新融合成一個完整的核被膜

11、。核被膜的動態(tài)變化與核纖層蛋白的磷酸化與去磷酸化修飾直接相關。核被膜的崩解與重建核膜的崩解1.核孔復合體解聚2.核膜崩解3. 核纖層的崩解有絲分裂過程中核被膜的崩解和重新構建 Inter Pro Prometa Meta Ana TeloLaminA/CDAPIMerge有絲分裂過程中核被膜的崩解和重新構建 第二節(jié)核仁（nucleolus）一、概述二、核仁的超微結構三、核仁的功能四、核仁周期一、概述核仁是間期核中最明顯的結構。核仁的大小、形狀和數(shù)目隨生物的種類、細胞類型和細胞代謝狀態(tài)的不同而變化 。核仁是高度動態(tài)的結構。與核仁形成有關的染色體次縊痕部位稱為核仁組織區(qū)（NOR）。rRNA基因定位

12、于染色體的核仁組織區(qū)。人類共有5對染色體具有核仁組織區(qū)，即D組（13、14、15）和 G 組（21、22）染色體。在間期上述10條染色體的rDNA以袢環(huán)的形式伸入到核仁的纖維中心區(qū)。rRNA基因（rDNA）核仁組織區(qū)(Nucleolar Organizer Regions , NORs)C: TG cell, after specific AgNOR protein staining, at the electron microscopy level. Only the fibrillar centers and the associated dense fibrillar component

13、 are stained. e: Same preparation as in d, but visualized with light microscopy. The silver-stained structures appeared as well-defined, darkly stained dots clustered in the nucleolus.Montanaro L, AJP, 2008二、核仁的超微結構纖維中心 Fibrillar Center, FC 致密纖維組分 Dense Fibrillar Component顆粒組分 Granular Component核仁基質

14、 Nucleolar Matrix）核仁電鏡圖是淺染的低電子密度區(qū)。是rRNA基因，即rDNA存在區(qū)域，不形成核小體，無組蛋白。纖維中心（fibrillar center）由致密的、高電子密度的纖維構成，呈環(huán)形或半月形包圍纖維中心。是rRNA前體存在區(qū)域。致密纖維組分（Dense Fibrillar Component）是核仁的主要結構，由直徑1520nm的致密顆粒構成。 是未成熟的核糖體亞單位前體存在區(qū)域。顆粒組分（Granular Component）低電子密度、無定形的蛋白質液體物質，為上述三種結構的存在環(huán)境。與核基質相連通。核仁基質（nucleolar matrix）三、核仁的功能合成

15、加工rRNA并組裝核糖核蛋白體亞單位纖維中心：rDNA 的儲存纖維中心與致密纖維組分交界處： rDNA的轉錄 致密纖維組分：rRNA前體的加工顆粒組分：核糖體亞單位的裝配Model of Ribosome BiogenesisBoisvert, FM. Nature Review, Molecular and Cell Biology, 2007 rRNA基因由專一性的RNA聚合酶I進行轉錄“圣誕樹”樣結構首先轉錄出一段45S的rRNA前體。rRNA的合成rRNA的合成 蛋白質顆粒 轉錄的終點基質單位轉錄單位3nm間隔片段rRNArDNA轉錄的起點RNA聚合酶I45SrRNA前體降解加工為18

16、S rRNA、28S rRNA 和 5.8S rRNA。18S rRNA與核糖體蛋白組裝成 40S 的小亞單位。核仁內(nèi)的 28S rRNA 和 5.8S rRNA 與來自核仁外的 5S rRNA一起與核糖體蛋白組裝成 60S 的大亞單位。rRNA加工與成熟NucleusNucleolus45S pre-rRNA32S28S5.8S5S20S18S5-10min5min20min40S ribosomal subunit60S ribosomal subunit18S28S5S5.8SCytoplasmsnoRNPsProteinprocessingfactorsRibosomeproteins

17、rRNA加工與成熟細胞分裂過程中核仁組裝與去組裝四、核仁周期 核仁隨細胞周期的進行而呈現(xiàn)周期性變化（形成和消失）。小核仁迅速生長并彼此融合成一個或幾個大的核仁。f and g: Histological sections of two human breast carcinomas, stained for the AgNOR proteins. The nucleoli are specifically stained. Note the small size on the nucleoli in the case reported in f, which was characterized by a good prognosis, and the larger size of nucleoli in the case reported in g, characterized by a fatal outcome.五、核仁與疾病 第三節(jié)核骨架（nuclear skeleton） 一、概念二、化學組成 三、核骨架的功能一、概念狹義概念：僅指細胞核內(nèi)以纖維形蛋白質成分為主的纖維網(wǎng)架體系。廣義概念：除了核中的纖維網(wǎng)絡結構外，還包括核纖層、核孔復合體及核仁等。細胞核骨架電鏡圖 二