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细胞核

约 4927 个字 预计阅读时间 16 分钟

细胞核可谓真核细胞里的核心细胞器，负责容纳细胞的遗传物质DNA，并深度参与各种生命活动的调控过程，可以说它和一个细胞脑子没啥区别。

下图展示了细胞核内的亚显微结构：

细胞核概述

生物学有一句老话叫做结构决定功能，这件事在细胞核上也不例外，一个典型的细胞核有一个包裹住内容物的核膜和一个核仁。而正是核膜，将原核生物与真核生物最本质的区别划分开来，核膜的出现将复制转录与翻译这两组核心生命过程在物理上隔离开来，俗称解耦。

细胞核的基本特征

  • 形状：球形、椭圆形、杆状或不规则形
  • 大小：多为5-10μm（高等动物）
  • 数目：多数细胞为1个细胞核，特例有：成熟红细胞（无核）、干细胞与肾小管细胞（双核）与破骨细胞（可达数百个）

我们通过核质比——细胞核体积/细胞质体积，其取决于生物种类、细胞类型、发育阶段、功能状态及染色体倍数。

需要注意的是，细胞核的形态是伴随细胞增殖过程而周期性变化的，只有在间期才能看到完整的细胞核，被叫做间期核。间期核具有核膜、核仁、染色质、核基质等结构。

细胞核主要功能

  1. 遗传信息储存、DNA复制和RNA转录的场所。
  2. 细胞代谢、生长、增殖和分化等活动的调控中心
  3. 核糖体亚单位装配的场所
  4. 维持基因组的稳定性

作为细胞内极为繁忙的一个核心细胞器，细胞核内有丰富的无核细胞器：

核膜

核膜结构与组成

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。其主要化学成分是蛋白质和脂类。在电镜下，核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成，厚度为7.5nm。

由此可以看出，核膜是一个不对称双层膜结构，分为外核膜，核周隙与内核膜：

  • 外核膜：胞质侧的膜，表面粗糙，与内质网相连，有核糖体附着。
  • 内核膜：核质侧的膜，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：宽约20~40nm，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。

核膜区域化作用

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，细胞核负责DNA复制、转录，细胞质负责翻译。

核孔复合体

核孔复合体 (nuclear pore complex, NPC) 可谓核膜上最复杂的结构，也是细胞核的守门员，一个细胞上的核孔数量是会动态变化的，与细胞当前的需要有关。

核孔复合体的结构可以被形容为捕鱼笼式（其实我以前学的是篮网式），主要分为以下结构：

  • 胞质纤丝（cytoplasmic filaments）
  • 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 (或称内环、腔环）
  • 中央栓 (central plug)：位于核孔中央，呈棒状或颗粒状，在核质交换中起作用
  • 核篮 (nuclear basket)

中央栓

由于没有在结构图上看到中央栓的存在，我特地去查一下，发现这似乎是一个比较过时的叫法，有的文章指出这种“中央栓”结构可能只是一个在核孔复合体被固定时候，不幸地被一起固定住的“货物”，也就是正在通过核孔进出的生物大分子。

参考文献: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1534580704004186

核孔复合体主要由蛋白质组成，高度保守，包含约1000余种蛋白质亚基，是结构生物学的一大研究热点。

下图展示了NPC整个生命周期中的各个阶段：

核孔复合体功能

核孔复合体的核心功能为介导细胞质与细胞核之间的物质运输：

  • 无机离子以及小分子物质：被动扩散，无需能量（水、离子、核苷酸与氨基酸等）
  • 大分子物质：主动运输，需要能量（RNAs，蛋白质等）

其中介导蛋白质的入核出核是核孔最为重要的一个功能。包括了介导具有核定位信号 (NLS) 的亲核蛋白入核与具有核输出信号 (NES) 的蛋白质出核。

  • 亲核蛋白是在细胞质合成，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——一段富含Lys和Arg的4-8个氨基酸的短肽序列（一般4-5个连续的Lys/Arg），有些由两段序列组成。其入核需要核输入受体 (importin，入核素)和RnaGTP酶的协助。
  • 核输出信号是一段富含亮氨酸 (Leu) 的序列，具有 NES 的蛋白质出核需要出核素 (exportin) 和RnaGTP酶的协助。
    • 出核素通过识别 NES 信号与“货物”结合，并与RanGTP酶结合形成核输出复合物，通过核孔将蛋白转运至细胞质，RanGTP水解，释放出“货物”与出核素。

核定位信号作用验证

猴肾病毒 (SV40) 的T抗原NLS突变丧失入核能力。

NES/NLS控制蛋白质核质定位。

核纤层

核纤层 (nuclear lamina)，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。核纤层主要由核纤层蛋白 (lamin) 组成，包括 lamin A, lamin B 和 lamin C。其是一类中间纤维。

Question

所以核纤层也算是细胞骨架的一部分？

核纤层功能

  • 参与核膜解聚与重建：在细胞有丝分裂的前期，CDK1磷酸化lamin使得核纤层解聚，核膜崩解释放内容物。在细胞有丝分裂后期lamin去磷酸化，重新聚合，使得核膜再次形成。
  • 结构支架作用：核纤层与核骨架相连，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，为染色体提供核周锚定位点，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：如果人为去除核纤层，会抑制DNA的复制。

核纤层与疾病

核纤层异常与多种疾病关联，其中Lamin A基因在1824位上发生C->T的突变，使得不能形成正常核纤层，最终导致早衰症。

染色质和染色体

染色质和染色体的形态

  • 染色质 (chromatin) ：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。

总的来说，染色质和染色体是同一种物质在不同时期的表现形式。

常染色质与异染色质

间期核中对染色质进行染色，会出现深色与浅色区域，分别对应异染色质与常染色质。

  • 常染色质 (euchromatin)：着色浅，位于核的内部，其螺旋化程度低，具有转录功能。
  • 异染色质 (heterochromatin)：着色深，靠近于核膜，其螺旋化程度高，基本上不进行转录的功能。

异染色质

异染色质在间期核中处于凝缩装填，无转录活性或转录活性较低；在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩（被称为异固缩现象）。

异染色质根据其性质可以分为两类：

  • 组成型异染色质 (constitutive heterochromatin)：整个发育过程中都处于凝集状态的染色质。
  • 兼性异染色质 (facultative heterochromatin)：可向常染色质转变的异染色质。

染色质与染色体的主要化学组成

染色质或染色体主要包含三种组分：

  • 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：分为\(\ce{H_1,\ H2A,\ H2B,\ H3,\ H4}\)，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、调节蛋白与相关酶类。

染色质包装——空间管理大师

人类细胞核内的DNA分子有2m长，但是细胞核的直径只有5-10μm，细胞是如何把这么长的DNA有序规整地存放在如此之小的细胞核里的？这要归功于染色质包装的多级螺旋模型：

  • 一级结构：核小体 (nucleosome)，压缩7倍
  • 二级结构：螺线管 (solenoid)，压缩6倍
  • 三级结构：超螺线管 (supersolenoid)，压缩40倍
  • 四级结构：染色体单体 (chromatid)，压缩5倍

核小体

核小体是染色质的基本结构单位（一级结构），在显微镜下呈现出“珠链”结构。

核小体的组分包括核心颗粒与DNA两部分，其中核心颗粒是一个蛋白质八聚体（包含\(\rm{H2A、H2B、H3、H4}\)各两个），另有蛋白质\(\rm{H1}\)锁住核小体DNA的进出端，稳定核小体。

核小体上缠绕有DNA，长度200bp，包括核心DNA 146bp（1.75圈）与连接DNA约 60bp。

螺线管

螺线管是由核小体包装后的染色质形成的螺旋结构，为左手螺旋，每圈6个核小体，螺距11nm，外径30nm，内径10nm。

染色体包装

进一步的包装将使得染色质进一步浓缩为染色体，形成支架-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。

染色体主要结构

染色体的主要结构包括：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) 。

端粒

高中生物我们都学过，DNA复制的方向是5'-3'，而DNA的两条互补链是方向平行的，所以在复制的过程中，必然有一条链的复制方向与复制叉的前行方向相反，被称为后随链，后随链的复制是通过不连续的冈崎片段相连而成的。这种复制方式有一个无法解决的bug：在DNA链的末端，后随链在3'端必然有一段RNA引物残留而无法被替换为真正的DNA片段。

其会导致每一次的线性染色体复制都会出现末端隐缩问题——末端丢失一个RNA引物的长度（50-100bp）。

为了解决，或者减轻这个bug的影响（毕竟丢失的DNA片段可是再也回不来了），染色体在两段特化有端粒的结构，其内是串联重复序列 TTAGG（人染色体） ，在进化过程中高度保守。

其的重要功能如下：

  • 保证染色体末端的完全复制
  • 形成保护性的帽结构
  • 维持染色体结构稳定
  • 在细胞的寿命、衰老和死亡DNA-FISH以及肿瘤发生起作用

端粒的复制

端粒虽然是拿来消耗的，但是其长度有限，迟早会因为染色体复制而被霍霍完。为此细胞提供了端粒复制的手段来增长端粒，负责端粒复制的酶被称为端粒酶 (telomerase)。

端粒酶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) 组成的复合物。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。

着丝粒

染色体上有一个叫做主缢痕——姐妹染色单体连接处存在的向内凹陷的缢痕的结构，而着丝粒就在主缢痕中姐妹染色单体相连中心部位，着丝粒两侧分别为染色体长臂和短臂。

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恒定。可作为染色体鉴定的一种常用标记。

随体

随体是一种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。

Note

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

核仁组织区

核仁组织区 (nuclear organizing region, NOR)，位于有随体染色体的次缢痕部位，即含有rRNA基因的一段染色体区域，合成18S、5.8S和28S rRNA, 与核仁的形成有关，核仁是 NOR 中的基因活动而形成的可见的球体结构。

动粒

动粒 (kinetochore)，是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。

染色体稳定遗传

端粒、着丝粒与复制起始点是染色体保持完整和稳定的三大要素。

染色体数目

性细胞染色体为单倍体 (haploid)，用n表示；体细胞为二倍体 (diploid)，以2n表示，还有一些物种的染色体成倍增加为4n、6n、8n等，称为多倍体。

染色体的数目因物种而异：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。

染色体带型

用特殊的染色方法, 使染色体沿长轴呈现深浅相间的横纹，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。

下图展示了人类染色体带型：

核型分析

核型指的是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。

核型分析常用于遗传病诊断，比如唐氏综合征（染色体数目异常）。

荧光原位杂交 (Fluorescence in situ hybridization, FISH) 常用于核型分析当中。

核仁

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。见于间期的细胞核内，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。

核仁的化学组成

核仁主要由核酸与蛋白质组成，含有少量的脂质：

  • 80%都是蛋白质，包含核糖体蛋白、组蛋白、非组蛋白碱性磷酸酶、ATP酶、RNA聚合酶等等。
  • 10%的RNA,主要以RNP（核糖核蛋白）的形式存在。
  • 8%的DNA，主要位于核仁的染色质部分。

核仁结构

核仁有三个特征性区域：

  1. 纤维中心 (Fibrillar center, FC)，rRNA基因的染色体，即rDNA。
  2. 致密纤维 (Dense fibrillarcomponent, DFC)，新合成的核糖体RNA(rRNA)。
  3. 颗粒组分 (Granular component, GC)，不同加工阶段的核糖体亚单位

核仁组织区

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。

核仁功能

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。同时，核仁也是是核糖体大小亚基的装配场所。其中大亚基由多种蛋白质与5.8S、5S、28S三种rRNA组成，小亚基由多种蛋白质与18S rRNA组成。

核仁周期

核仁周期与细胞周期是同步的：在分裂间期有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rRNA合成——圣诞树

因为细胞内对蛋白质合成的需求是很旺盛的，核糖体自然要足量供应，为了提高合成效率，核仁rRNA的合成过程会形成圣诞树结构，rRNA基因排列及转录形成核糖体RNA前体。

rRNA加工过程示意如下：

Note

唯一的例外，5S rRNA基因位于核仁外的染色体上。

核糖体组装

核骨架

核骨架 (nuclear skeleton)，指真核细胞间期核中除核膜、染色质、及核仁以外的纤维网架结构，发达程度与RNA合成能力成正相关。

下图通过透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM)拍摄到核骨架纤维网状结构：

Note

依次用核酸酶、低盐、高盐缓冲液、去污剂处理细胞核去除DNA、RNA、蛋白、脂类等成分，得到一个以纤维蛋白成分为主的网架结构。

核骨架的组成

  • 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和DNA。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。
  • 少量磷脂和糖类。

核骨架功能

  • 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、加工修饰和定向运输。 提供RNA聚合酶结合位点。
  • 参与染色体构建和核膜重建 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。

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

遗传物质异常常导致遗传病发生：

  • 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）