核膜结构#

两层平行的单位膜构成, 两层膜间为相距 20~40nm 的空间, 称为核周间隙或者核周池。

特点:

1. 外核膜: 通常附有核糖体颗粒, 且常常与糙面内质网(rER)相连, 使核周隙与内质网腔彼此相通。
2. 内核膜: 表面光滑, 无核糖体附着, 但内表面附着有致密的核纤层和特有蛋白质成分。核孔(nuclear pore): 双层核膜互相平行但并不连续, 内、外核膜常常在某些部位相互融合形成环状开口, 称为核孔。

核膜的崩解与组装#

真核细胞有丝分裂时, 核被膜于前期解体, 末期重现, 进行规律性的解体与重建。

1. 有丝分裂前期: 核被膜非随机、有区域特异性的解体, 形成单层膜泡, 核孔复合体消失, 核纤层去组装。
2. 有丝分裂末期: 核被膜围绕染色体重建, 旧核膜与膜泡参与这一过程。首先附着于染色体表面, 并相互融合形成双层核膜, 同时膜上的某些功能区域相互融合, 与蛋白质组装形成核孔复合体。
3. 核被膜的解体与重建受到细胞促进成熟因子(MPF)的调控, 与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白磷酸化与去磷酸化有关。

用非洲爪蟾的成熟卵母细胞研究核膜的优势？

非洲爪蟾的成熟卵母细胞处于第二次减数分裂中期。此时的卵母细胞体积很大, 直径可达 1mm, 其中储存了大量的营养物质, 为受精后快速分裂做准备。一个成熟的卵母细胞所储备的原料可供形成 1000-10000 个细胞核。

结构模型#

研究核孔复合体形态结构的 3 种方法: 树脂包埋超薄切片技术;负染色技术;冷冻蚀刻技术。核孔复合体的结构模型:

核孔复合体由四部分组成: 胞质环、核质环、中央栓、辐

1. 胞质环(cytoplasmic ring): 胞质环位于核孔边缘细胞质基质一侧, 又称外环。环上有八条纤维对称分布伸向细胞质。
2. 核质环(nuclear ring): 核质环位于核孔边缘细胞核基质一侧, 又称内环。环上有八条纤维对称分布伸向细胞核基质, 其末端形成由八个蛋白质构成的环, 就像一个捕鱼网, 称为核篮。
3. 中央栓(central plug): 中央栓位于核孔中心, 呈颗粒状或者棒状, 在核质交换过程中起重要作用。
4. 辐(spoke): 辐由核孔边缘伸向核孔中心, 呈辐射状八重对称, 由三个结构域构成, 包括柱状亚单位、腔内亚单位和环带亚单位。
   1. 柱状亚单位: 主要的区域位于核孔边缘, 连接内、外环, 起支撑作用;
   2. 腔内亚单位: 在这个结构域之外, 接触核膜的部分;
   3. 环带亚单位: 在柱状亚单位之内, 靠近核孔复合体中心的部分, 由 8 个颗粒状或棒状, 所以又称中心颗粒。

核孔复合体在核膜的轴向呈辐射状八重对称;

核孔复合体在核膜的平行向不对称, 即胞质面与核质面不对称, 这与其功能的不对称性相一致。

组成成分#

核孔复合体主要由蛋白质构成, 其中 gp210 与 p62 是最具有代表性的两种类型。目前倾向于把所有的核孔复合体蛋白同一成为核孔蛋白(Nup)。

• gp210: 一类结构性跨膜蛋白, 是第一个被鉴定出来的核孔复合体蛋白, 糖基化修饰位点在天冬氨酸上, 所以是 N-连接的甘露糖残基, 与 coA 有较强的结合作用。
  • 功能: 介导核孔复合体与核被膜的连接, 将核孔复合体锚定在”孔膜区”, 从而为孔复合体组装提供一个起始位点;在内、外核膜融合形成核孔中起重要作用;在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定作用, 如 gp210 核周间隙内肽段的抗体能够降低蛋白质入核转运的速度。
• p62: 功能性的核孔复合体蛋白。是 O-连接 N-乙酰葡萄糖胺残基寡糖修饰。主要分为两个结构域: 疏水性 N 端区: 具有 FXFG(F: 苯丙氨酸, X: 任意氨基酸, G: 甘氨酸), 可能直接参与物质交换;C 端区: 具有疏水性的 7 肽重复序列, 类似于一些纤维蛋白的杆状区, 适合形成 α 螺旋, 这个区域可能通过卷曲螺旋与其他核孔复合体相互作用, 从而将 p62 分子稳定到核孔复合体上, 为其 N 端进行核质交换活动提供支持。

功能#

核孔复合体是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体, 并且是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道。双功能表现在它有两种运输方式:被动扩散与主动运输。双向性表现在既介导蛋白质的入核转运, 又介导 RNA、

1. 通过核孔复合体的被动扩散: 核孔复合体作为被动扩散的亲水通道, 其有效直径为 9~10nm, 有的可达 12.5nm,即离子、小分子以及直径在 10nm 以下的物质原则上可以自由通过。
2. 核孔复合体的主动运输: 主要是通过核孔复合体的主动运输完成的, 具有高度的选择性, 并且是双向的。

核孔复合体主动运输的选择性表现:

1. 对运输颗粒大小的限制。主动运输的功能直径比被动运输大, 为 10~20 nm, 甚至可达 26nm。像核糖体亚基那样大的 RNP 也可以通过核孔复合体从核内运输到细胞质中, 表明核孔复合体的有效直径的大小是可调节的。
2. 通过核孔复合体的主动运输是一个, 信号识别与载体介导的过程, 需要消耗 ATP 能量, 并表现出饱和动力学特征。
3. 通过核孔复合体的主动运输具有双向性, 即核输入与核输出, 它既能把复制、转录、染色体构建和核糖体亚单位组装等所需要的各种因子运输到核内;同时又能将翻译所需的 RNA、组装好的核糖体亚单位从核内运送到细胞质。

亲核蛋白(karyophilic protein): 是指在细胞质内合成后, 需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。亲核蛋白一般都含有特殊的氮基酸序列, 这些内含的特殊短肽保证了整个蛋白质能够通过核孔复合体被转运到细胞核内。

核定位信号(nuiclear localization signal,NLS): 一段含有特殊的氮基酸序列片段, 富含碱性氨基酸残基, 作用是帮助和蛋白进入细胞核。这种入核信号特点: ① 由含水的核孔通道来鉴别;② 核定位信号是蛋白质的永久性部分, 在进入细胞核后, 并不被切除, 可以反复使用, 有利于细胞分裂后核蛋白重新输入核。

亲核蛋白的入核转运步骤:

1. 亲核蛋白通过 NLS 识别 importinα, 与可溶性 NLS 受体 importinα/ improtinβ 异二聚体结合, 形成转运复合物。
2. 在 importinβ 的介导下, 转运复合物与核孔复合体的胞质纤维结合。
3. 转运复合物通过改变构象的核孔复合体从胞质面被转移到核质面。
4. 转运复合物在核质面与 Ran-GTP 结合, 并导致复合物解离, 亲核蛋白释放。
5. 受体的亚基与结合的 Ran 返回胞质, 在胞质内 Ran-GTP 水解形成 Ran-GDP 并与 importinβ 解离, Ran-GDP 返回核内再转换成 Ran-GTP 状态。

亲核蛋白单向输入的原因:

1. 核孔复合体本身结构不对称；
2. 胞质与核质中的 Ran-GTP 的浓度梯度；
3. 亲核蛋白入核与胞质中蛋白质分选的差异性：

亲核蛋白由核孔复合体介导入核，受到核孔复合体调控，而非载体蛋白；亲核蛋白的信号序列 NLS 在入核后不被切除；亲核蛋白以完全天然的构象入核，无需分子伴侣协助其解折叠。

RNA and RNPs 核输出:

1. 由 RNA pol I 转录形成的 rRNA, 需要在核内装配形成核糖核蛋白亚单位(RNPs), 再经由核孔复合体转运至细胞质, 此过程消耗代谢能量。
2. 由 RNA pol II 转录形成的 hnRNA, 需要经过转录后加工, 即 3’端加尾, 5’端加帽以及剪接等过程后由核孔复合体输出。
3. 由 RNA pol III 转录形成的 5S rRNA、tRNA, 经一种蛋白介导转运输出。

基因组大小比较#

基因组(genome): 某一生物的细胞中储存于单倍染色体组中的总遗传物质。

基因组 DNA 类型#

生物基因组 DNA 分类：

1. 蛋白编码序列；
2. 编码 rRNA、tRNA、snRNA 和组蛋白的串联重复序列；
3. 含有重复序列的 DNA；
4. 未分类的间隔 DNA。

高度重复 DNA 序列分类:

1. 卫星 DNA(satellite DNA): 重复单位长 5~100 bp, 不同物种重复单位碱基组成不同, 一个物种也可能含有不同的卫星 DNA 序列。主要分布在染色体着丝粒部位。如人类染色体着丝粒区的 α-卫星 DNA 家族, 其功能不明。
2. 小卫星 DNA(minisatellite DNA): 重复单位长 12-100bp, 重复 3 000 次之多。又称数量可变的串联重复序列。每个小卫星区重复序列的拷贝数是高度可变的, 常用于 DNA 指纹技术做个体鉴定。研究发现小卫星序列的改变可以影响邻近基因的表达, 基因的异常表达会导致一系列不良后效应。
3. 微卫星 DNA(mnicrosatellite DNA): 重复单位序列最短, 只有 1~5bp, 串联成簇长度 50-100bp。人类基因组中至少有 30 000 个不同的微卫星位点, 具高度多态性, 在不同个体间有明显差别, 但在遗传上却是高度保守的。可作为重要的遗传标记, 用于构建遗传图谱及个体鉴定等。

组蛋白#

组蛋白(histone): 组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白, 是一类进化上保守小分子碱性蛋白质,与 DNA 结合没有序列特异性。有五种类型: H1、H2A、H2B、H3、H4, 它们富含带正电荷的碱性氨基酸,能够同 DNA 中带负电荷的磷酸基团相互作用。5 种组蛋白在功能上分为两组: ① 核小体组蛋白(H3、H4、H2A、H2B);②H1 组蛋白。

非组蛋白#

非组蛋白(nonhistone): 是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质, 与特定的 DNA 序列或组蛋白相结合。非组蛋白不仅包括以 DNA 作为底物的酶, 还包括作用于组蛋白的一些酶, 此外还有 DNA 结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白。

利用非组蛋白与特异 DNA 序列亲和的特点, 通过凝胶延滞实验(gel retardation assay)可以在细胞抽提物中进行检测。首先制备一段带有放射性标记的已知特异序列的 DNA,将要检测的细胞抽提物与标记 DNA 混合, 进行凝胶电泳。未结合蛋白质的自由 DNA 在凝胶上迁移最快, 而与蛋白质结合的 DNA 迁移慢, 一般结合的蛋白质分子越大, DNA 分子的延滞现象越明显, 然后通过放射性自显影分析, 即可发现一系列 DNA 带谱,每条带分别代表不同的 DNA-蛋白质复合物。每条带相对应的结合蛋白随后再通过细胞抽提物组分分离方法被进一步分开。

非组蛋白具有以下特性:

1. 非组蛋白具有多样性：非组蛋白占染色质蛋白的 60%~70%，不同组织细胞中其种类和数量都不相同，代谢周转快。
2. 识别 DNA 具有特异性：能识别特异的 DNA 序列，识别信息来源于 DNA 核苷酸序列本身，识别位点存在于 DNA 双螺旋的大沟部分，识别与结合靠氢键和离子健。
3. 具有功能多样性：具有多方面的重要功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。

非组蛋白的结构模式:

模式一: α 螺旋-转角-α 螺旋(helix-turn-helix motif)最简单最普遍;两个 α 螺旋组成一个 β 转角;羧基端的螺旋负责识别 DNA 序列 模式二: 锌指模式; 模式三: 亮氨酸拉链模式; 模式四: 螺旋-环-螺旋模式; 模式五: HMG 框结构模式

DNA 与蛋白质结合的验证:

1. 凝胶延滞实验: 是一种分离试验让大小不同的粒子在脉冲的作用下由凝胶的一端运动到另一端由与凝胶对不同粒子阻碍作用的大小受粒子本身大小所影响所以不同大小的粒子到达另一端的先后顺序不同从而达到分离效果。
2. 染色质免疫沉淀实验(ChIP assay)

核小体的发现#

1. 用温和的方法裂解细胞核得到核小体彼此连接的串珠状结构, 串珠的直径为 11nm;
2. 用非特异性微球菌核酸酶消化染色质时, 经过蔗糖梯度离心及琼脂糖凝胶电泳分析, 得到大量 200bp 或 200bp 整数倍的 DNA 片段;
3. 应用 X 射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术, 研究染色质结晶颗粒, 观察到八聚体现象;
4. SV40 微小染色体分析。

核小体的结构#

1. 每个核小体包括 200bp 左右的 DNA 和一个组蛋白八聚体以及一分子的组蛋白 H1。
2. 八聚体包括两分子的 H2A·H2B 和两分子的 H3·H4。
3. 147bp 的 DNA 盘绕组蛋白八聚体 1.75 圈, H1 结合额外 20bp DNA, 锁住核小体 DNA 的进出端, 稳定核小体。
4. 两个相邻核小体之间以连接 DNA 相连, 典型长度为 60bp, 不同物种变化值为 0 ～ 80bp 不等。组蛋白密码(histone code): 组蛋白在翻译后的修饰过程中发生改变, 提供一种识别的标志, 为其他蛋白与 DNA 的结合产生协同或拮抗效应, 是一种动态转录调控成分, 称为组蛋白密码, 其中包括被修饰的氨基酸种类, 位置, 和修饰方式。

染色体高级结构#

1.染色体高级结构的基础

1. 组蛋白 H1 与核小体的结合对染色体高级结构的形成至关重要。H1 的结合使 DNA 与核心组蛋白的缠绕更为紧密, 以介导形成染色体的高级结构, 并使其可接触性降低, 结构稳定。
2. 核心组蛋白 N 端尾巴与相邻核小体间的相互作用对形成染色体高级结构至关重要。

2.染色体的二级结构

染色体的二级结构是指 30nm 螺线管结构, 以 6 个核小体为一圈, 旋转排列形成外径约 30nm 的螺线管。由 10nm 核小体串珠到 30nm 螺线管, DNA 压缩了 6 倍。

3.染色体的三级结构

由螺旋管进一步螺旋化形成直径为 0.4um 的圆筒状结构, 称为超螺旋, 这是染色质的三级结构。

4.染色体的高级结构模型: 共压缩 8400 倍

1. 多级螺旋模型: 30nm 螺线管进一步盘区缠绕, 形成外径约 400nm 的超螺线管结构, 再由超螺线管组装形成染色单体。
2. 绊环模型: 30nm 螺线管进一步盘曲折叠, 形成 DNA 复制环, 每 18 个复制环平面放射状排列, 与核基质结合形成微带, 约 106 个微带沿纵轴排列形成染色单体。

染色质组装的前期过程#

1. H3·H4 四聚体结合, 与新合成的裸露的 DNA 结合;
2. 两个 H2A·H2B 异二聚体加入形成一个核心颗粒, H4 上 Lys5 和 Lys12 被乙酰化;
3. ATP 创建一个规则的间距, 组蛋白去乙酰化, H1 结合 DNA 伴随核小体折叠;
4. 6 个核小体组成一个螺旋或由其他的组装方式形成一个直径 25 ～ 30nm 的螺线管结构。

染色质组装的后期过程#

• 染色质组装的多级螺旋模型

• 染色质组装的放射环结构模型

放射环结构模型(scaffold radial loop structure model): 30 nm 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, 即染色体的骨架-放射环结构模型。

常染色质与异染色质#

常染色质(euchromatin): 是指在分裂间期细胞内折叠、压缩程度较低, 形态较伸展, 用碱性染料染色时着色较浅的染色质。构成常染色质的 DNA 主要是单一序列 DNA 和中度重复序列 DNA。常染色质并非所有基因都有转录活性。

异染色质(heterochromatin): 异染色质是指在分离间期细胞内折叠、压缩程度较高, 形态较收缩, 用碱性染料染色时着色较深的染色质。分为结构异染色质(组成型异染色质)和兼性异染色质。

结构异染色质(constitutive heterochromatin): 在整个细胞周期内都处于凝集状态的染色质, 即永久性的呈现异固缩的染色质被称为结构性异染色质。结构性异染色质含有高度重复的随体 DNA, 分布于大多数染色体的着丝粒区、端粒和次缢痕处, 呈现 C 带染色。结构性异染色质的 DNA 主要是高度重复顺序,含有的基因相当少。

结构异染色质特征:

1. 在中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段。
2. 由相对简单、高度重复的 DNA 序列构成, 如卫星 DNA。
3. 具有显著的遗传惰性, 不转录也不编码蛋白质。
4. 在复制行为上与染色质相比表现为晚复制、早聚缩。
5. 占有较大部分核 DNA, 在功能上参与染色质高级结构的形成, 导致染色质区间性, 作为核 DNA 的转座元件, 引起遗传变异。

兼性异染色质(facultative heterochromatin): 在某些细胞类型或一定的发育阶段, 原来的常染色质聚缩, 并丧失基因转录活性, 变为异染色质, 如巴氏小体。这类兼性异染色质的总量随不同细胞类型而变化, 一般胚胎细胞含量很少, 而高度特化的细胞含量较多。

染色体领域(chromosome territory): 间期核内的染色体并不是散乱分布的, 而是各自占据了一块特定的核区域称为染色体领域。这些区域的排列不定位是经过严格组织的, 并具有一定的动力学特征, 与基因的表达调控密切相关。

常染色质与异染色质之间的转变#

1. 基本原理: 异染色质或常染色质之间随着发育时期或细胞周期的变化而相互转化, 这种转变伴随着一些组蛋白与 DNA 修饰。
2. 常见修饰
   1. 乙酰化: 通常促进异染色质转化为常染色质。
   2. 甲基化: 通常促进常染色质转化为异染色质。

活性染色质与非活性染色质#

活性染色质(active chromatin): 是指具有转录活性的染色质。是由于核小体构象发生构型改变, 转变成疏松的染色质结构, 从而便于转录调控因子与顺式作用元件结合和 RNA 聚合酶在转录模板上滑动。

活性染色质的标志: H3 N 端第 4 个赖氨酸的甲基化, 第 9 和 14 个赖氨酸的乙酰化以及第 10 个丝氨酸的磷酸化。

活性染色质分离方法: 有机汞亲和层析和二硫苏糖醇(DTT)洗脱: 当染色质结构处于疏松状态时, 利用核心组蛋白 H3 暴露出来的游离巯基与有机汞的亲和性。

非活性染色质(inactive chromatin):是指没有转录活性的染色质。非活性染色质的标志: H3N 端第 9 个赖氨酸甲基化而不是乙酰化。

活性染色质对 DNaseI 超敏感

DNaseⅠ 超敏感位点(DNase I hypersensitive site): 是指用很低浓度的 DNaseⅠ 处理染色质, 切割首先发生的少数特异性位点, 这些特异性位点叫做 DNaseⅠ 超敏感位点。它是一段长 100-200bp 的 DNA 序列特异暴露的染色质区域。超敏感位点的存在是活性染色质的特点, 每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点, 大部分位于基因 5’端启动子区域, 少部分位于其他部位如转录单位的下游。

核酸酶超敏感位点(nuclease-supersensitive site): 在染色质 DNA 中对 DNaseⅠ 表现出高度敏感的区域, 缺少核小体。这种区域通常很短, 最长也不过几百 bp。该位点含有特异的 DNA 序列, 为特异性 DNA 结合蛋白所识别, 因此, 它参与了基因表达的调控。另外, 处于活性转录的区域对核酸酶也十分敏感。

活性染色质的蛋白组成特点:

1. 很少有组蛋白 H1 与活性染色质结合;
2. 活性染色质组蛋白乙酰化程度高;
3. 核小体组蛋白 H2B 很少被磷酸化;
4. 核小体组蛋白 H2A 高度保守;
5. 组蛋白 H3 的变种 H3.3 只在活跃转录的染色质中出现;
6. HMG 蛋白是染色体非组蛋白中一组较丰富、不均一、富含电荷、较保守的蛋白质, HMG14 和 HMG17 只存在于活性染色质中, 与 DNA 结合。

染色质的复制#

1. 两个过程
   1. DNA 的复制;
   2. DNA 与蛋白质组装形成染色质。
2. 两种染色质组装途径
   1. 亲代转移: 在复制叉的移动期间, 父代的核小体核心颗粒与 DNA 分离, 在该段 DNA 复制完成时, 父代的核小体核心颗粒直接转移到两条子链 DNA 的一条上。
   2. 重新合成: 染色质组装因子利用刚合成的、乙酰化的组蛋白介导核小体在复制 DNA 上组装。

染色质的修复与基因组稳定性#

1. 高度浓缩的染色质结构对基因组 DNA(染色质 DNA)具有重要的保护作用;
2. 细胞中存在一整套的 DNA 修复机器以应对各种各样的 DNA 突变, 使基因组稳定;
3. 修复好的 DNA 必须及时地与组蛋白结合, 组装成染色质。

染色质结构改变与基因活化的关系研究#

1. 如何形成活性染色质, 以便 RNA 聚合酶起始转录;
2. 具有转录活性的染色质结构域如何与周围的非活性区域隔离;
3. RNA 聚合酶如何通过与染色质模板结合进行转录。

染色质的激活#

1.DNA 结构与核小体相位的变化

1. DNA 构象变化: 第一、调控蛋白结合到染色质特定位点时, 易引发染色质二级结构的改变, 使其他结合位点更易或更难与调节蛋白结合。第二、拓扑异构酶能调整 DNA 双螺旋变化, 使之超螺旋化或者松弛。
2. 核小体定位于 DNA 特定位点: 第一、基因关键调控元件(增强子和启动子)位于核小体颗粒之外, 使之便于与转录因子结合。第二、基因调控元件位于盘绕核心组蛋白的 DNA 上, 则增强子和启动子两种调控元件通过转录因子被联系起来。

2.组蛋白的修饰

1. 基本修饰: 第一、核心组蛋白的赖氨酸残基乙酰化, 激活染色质。第二、组蛋白 H1 的磷酸化, 导致染色质疏松。
2. 修饰意义: 第一、改变染色质的结构, 直接影响转录活性。第二、核小体表面发生改变, 使调控蛋白容易和染色质结合, 间接影响转录活性。

3.HMG 蛋白的影响

具有 HMG 结构域的蛋白可特异性识别 DNA, 与 DNA 折叠和 DNA-蛋白质复合物高级结构的形成有关。

染色质的失活#

1.X 染色体失活

雌性哺乳动物中失活的 X 染色体上的 H4 组蛋白不发生乙酰化, 而且 DNA 高度甲基化, 不表达。

2.位置花斑效应

位置花斑效应(position effect variegation): 位置花斑效应是指活性基因转位到异染色质区附近时会失活的现象。

隔离子(insulator): 是指位于抑制状态与活化状态的染色质结构域之间、能防止不同状态的染色质结构域的结构特征向两侧扩展的染色质 DNA 序列。作用是作为染色质定向形成的起始位点, 提供拓扑隔离区。隔离子的作用:

1. 作为异染色质定向形成的起始位点;
2. 作为结构域两端的锚定点, 提供拓扑隔离区, 使结构域外的增强子成分不能进入;
3. 涉及追踪机制, 远端增强子处组成的复合体沿染色质模板运动直到启动子, 而隔离子可阻止这个复合体超越正常作用范围。

以染色质为模板的转录#

1. 真核细胞中基因转录的模板是染色质而不是裸露的 DNA, 染色质是否处于活化状态是决定 RNA 聚合酶能否有效行使转录功能的关键。
2. 转录起始伴随着染色质上某一基因调节序列内部或者周围的结构改变。

转录因子介导的基因表达调控#

转录因子(transcription factor): 是指能特异性识别 DNA 序列并与之结合从而对转录进行调节的蛋白质。转录因子从功能上可分为两类:通用转录因子和特异转录因子。

转录因子分类:

1. 通用蛋白因子(general transcription factor): 与结合 RNA 聚合酶的核心启动子位点结合。
2. 特异性蛋白因子(specific transcription factor): 与特异基因的各种调控位点结合, 促进或阻遏基因的转录。

转录因子的基本结构域:

1. DNA 结合域。DNA 结合基序: 锌指、螺旋-转角-螺旋(HTH)、亮氨酸拉链和螺旋-环-螺旋(HLH)。
2. 激活或抑制结构域。

DNA 甲基化介导的基因表达调控#

DNA 甲基化的影响:

1. DNA 甲基化与基因表达的阻遏有关, 是使 DNA 转入持久遏制状态的重要条件;
2. DNA 甲基化在基因组印记中具有重要作用。

甲基化抑制转录的两种方式:

1. 干扰转录因子对 DNA 结合位点的识别;
2. 将转录激活因子识别的 DNA 序列转换为转录抑制因子的结合位点。

组蛋白修饰介导的基因表达调控#

组蛋白的乙酰化、甲基化以及磷酸化等修饰改变了染色质的结构, 调控基因的表达。

表观遗传与遗传#

遗传学与表观遗传的区别:

1. 遗传学的变化是通过 DNA 序列的突变实现的, 通过生殖细胞得以遗传。
2. 表观遗传的变化是通过组蛋白和 DNA 的不同修饰而实现的, 只在体细胞中出现。

表观遗传#

表观遗传(epigenetics): 表观遗传是指在 DNA 序列不发生变化的情况下, 在环境条件的影响下, DNA 或组蛋白发生不同修饰而使基因表达发生的可遗传性变化。

改变染色体结构的主要途径：

1. 各种组蛋白修饰共同构成组蛋白密码子;
2. 染色质重塑;
3. 组蛋白异型体;
4. DNA 甲基化;
5. 非编码 RNA 的作用。

表观遗传的本质是由 DNA 修饰、多种组蛋白修饰、染色质重塑因子及组蛋白伴侣等因素而引起的遗传学变化。

中期染色体分类#

1. 中着丝粒染色体(metacentric chromosome): 着丝粒位于染色体的中部, 两臂长度相等或大致相等;
2. 亚中着丝粒染色体(submetacentric chromosome): 着丝粒偏离中部, 染色体的两个臂长短不一;
3. 近端着丝粒染色体(acrocentric chromosome): 着丝粒靠近染色体的一端, 长臂极长, 短臂极短;
4. 端着丝粒染色体(telocentric chromosome): 着丝粒位于染色体的末端, 只有一个长臂。

着丝粒与动粒#

着丝粒（centromere）：是染色体中连接两个染色单体, 并将染色单体分为两臂: 短臂和长臂的结构。由于着丝粒的染色质较细、内缢, 又叫主缢痕。此处 DNA 具高度重复, 为碱性染料所深染。着丝粒有两个基本的功能：在有丝分裂前将两条姐妹染色单体结合在一起，第二个功能为动粒装配提供结合位点。一个染色体只有一个着丝粒。

动粒（kinetochore）：是由着丝粒结合蛋白在有丝分裂期间特别装配起来的、附着于主缢痕外侧的圆盘状结构，内层与着丝粒结合，外层与动力微管结合。每一个中期染色体含有两个动粒，位于着丝粒的两侧。动粒与纺锤体微管相连，确保染色体能够平均分配到子细胞中。

着丝粒的基本组成：

1. 动粒结构域: 包括与着丝粒中央结构域相联系的内板、中间间隙、外板和纤维冠。
2. 中央结构域: 由串联重复的卫星 DNA 组成, 是着丝粒区的主体。
3. 配对结构域: 代表中期姐妹染色单体相互作用的位点。

次缢痕#

次缢痕(secondary constriction): 是指除主缢痕外, 染色体上其他的浅染缢缩部位, 它的数目、位置和大小是某些染色体所特有的形态特征, 因此也可以作为鉴定染可以作为鉴定染色体的标记。

核仁组织区(NOR)#

核仁组织区(nucleolar organizing region, NOR): NOR 位于染色体的次缢痕部位, 但并非所有次缢痕都是 NOR。染色体 NOR 是 rRNA 基因所在部位(5S rRNA 基因除外), 与间期细胞核仁形成有关。

随体#

随体(satellite): 是指位于染色体末端的球形染色体节段, 通过次缢痕区与染色体主体部分相连。它是识别染色体的重要形态特征之一, 有随体的染色体称为 sat 染色体。根据随提在染色体上的位置, 可分为两大类: 端随体和中间随体。

端粒#

端粒(telomere): 是指染色体两端由富含 G 的短的串联重复序列 DNA 组成的特化结构, 多以单链形式存在, 伸展到染色体的 3’端。人类端粒序列为 5’-TTAGGG-3’。一个基因组内的所有端粒都是由相同的重复序列组成, 有物种特异性。端粒能够保护染色体末端, 避免末端被降解或重组, 维持染色体的完整性和独立性, 端粒的长度与细胞及生物个体的寿命有关。

复制起点序列#

自主复制序列(autonomous replicating sequence, ARS 序列): 又叫复制起点序列(replicationorigin sequence), 这种序列是染色体正常起始复制所必需的顺式作用元件。所有的 ARS 的 DNA 均有一段保守序列, 上下游各 200 个 bp 左右的序列是维持 ARS 功能所必需的。原核生物只有一个复制起点。真核生物有多个复制起点。

作用:复制起点序列是细胞周期中 DNA 复制的起点，维系染色体在细胞分裂过程中的连续性。

着丝粒序列#

着丝粒(centromere): 是染色体中连接两个染色单体, 并将染色单体分为两臂: 短臂和长臂的结构。由于着丝粒的染色质较细、内缢, 又叫主缢痕。此处 DNA 具高度重复, 为碱性染料所深染。着丝粒有两个基本的功能: 在有丝分裂前将两条姐妹染色单体结合在一起, 第二个功能为动粒装配提供结合位点。一个染色体只有一个着丝粒。

端粒序列#

端粒(telomere): 是指染色体两端由富含 G 的短的串联重复序列 DNA 组成的特化结构, 多以单链形式存在, 伸展到染色体的 3’端。人类端粒序列为 5’-TTAGGG-3’。一个基因组内的所有端粒都是由相同的重复序列组成, 有物种特异性。

作用:

1. 端粒能够保护染色体末端，避免末端被降解或重组。
2. 端粒的生物学作用在于维持染色体的完整性和独立性。
3. 端粒的长度与细胞及生物个体的寿命有关。
4. 可能还与染色体在核内的空间排布等有关。

多线染色体#

多线染色体(polytene chromosome): 是指有丝分裂过程中, DNA 多次复制但是细胞不分裂而使多股子染色单体平行排列的染色体结构。① 产生的子染色体并行排列, 且体细胞内同源染色体配对, 紧密结合在一起从而阻止染色质纤维进一步聚缩, 形成体积很大的多线染色体。② 多线化的细胞处于永久间期, 并且体积也相应增大。

灯刷染色体#

灯刷染色体(lampbrush chromosome): 是指卵母细胞进行减数分裂第一次分裂时停留在双线期, 同源染色体未解除分离而形成二价体的染色体结构, 形似灯刷。灯刷染色体的侧环是 RNA 活跃转录的区域, 灯刷染色体合成的 RNA 主要为前体 mRNA,有些类型的 mRNA 可翻译成蛋白质, 有些 mRNA 与蛋白质结合, 暂不翻译而储存在卵母细胞中。

有丝分裂前期#

细胞进入有丝分裂, 核仁变形、变小, 随着染色质凝集, 核仁消失。

有丝分裂中期和后期#

在中期和后期细胞中没有核仁。

有丝分裂末期#

在有丝分裂末期，核仁重建。