细胞核 The Nucleus 基因的贮存与表达 内容 细胞核结构 细胞核物质转运 基因贮存 核小体、染色质和染色体 染色体多级螺旋化模型 基因表达 表达调控—核骨架 蛋白质组装机器核糖体的生成—核仁 细胞核与疾病 一、细胞核结构 进化的关键事件， 将转录和翻译分隔在 不同的时空进行，保 证遗传信息完整准确 的传递。 外核膜与内 质网相连 (一)核膜 nuclear envelope 1.组成成分： 主要是蛋白质和脂类 与内质网相似，不饱和脂肪酸含量低，甘油三酯及 胆固醇含量高。 2.外核膜 outer nuclear membrane,OM 与粗面内质网相连，被认为是内质网特化区域。 外表面有核糖体附着 外表面有中间纤维、微管形成的细胞骨架，与细胞 核定位有关。
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细胞核
The Nucleus
基因的贮存与表达
Slide 2
内容
细胞核结构
细胞核物质转运
基因贮存
核小体、染色质和染色体
染色体多级螺旋化模型
基因表达
表达调控—核骨架
蛋白质组装机器核糖体的生成—核仁
细胞核与疾病
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一、细胞核结构
进化的关键事件，
将转录和翻译分隔在
不同的时空进行，保
证遗传信息完整准确
的传递。
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外核膜与内
质网相连
(一)核膜 nuclear envelope
1.组成成分：
主要是蛋白质和脂类
与内质网相似，不饱和脂肪酸含量低，甘油三酯及
胆固醇含量高。
2.外核膜 outer nuclear membrane,OM
与粗面内质网相连，被认为是内质网特化区域。
外表面有核糖体附着
外表面有中间纤维、微管形成的细胞骨架，与细胞
核定位有关。
Slide 5
3.内核膜 inner nuclear membrane,IM
靠向核质侧
中间纤维
核质侧附着由中间纤维构成的纤维
蛋白网络结构—核纤层
4.核周间隙 perinuclear space
5.核纤层 nuclear lamina
广泛存在于高等真核细胞中，内连
核骨架，外连中间纤维。
组成成分
三种中间纤维蛋白，lamin A，B，C
Slide 6
Slide 7
功能
细胞分裂间期
与核骨架形成弹性网络结
构，能够稳定分裂间期细
胞核的形状，为染色体提
供附着位点，调节染色体
的凝集。
细胞分裂期：
参与核膜的重建、染色质
凝集及细胞核构建。
核纤层蛋白磷酸化导致解
聚，核膜崩解；核纤层蛋
白去磷酸化导致重新聚合，
核膜重建。
Periperal nuclear
lamina (green)
Slide 8
Slide 9
Slide 10
6.核孔复合体 nuclear pore complex, NPC
IM和OM融合形成，圆形的亲水性通道，数量与细
胞及生理状态有关。
由>50种蛋白(nucleoporin)以特定方式排列形成的
复合体。
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；
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；
中央栓(central plug),核孔中央的一个栓状的中央颗粒；
辐(Spoke),核孔边缘伸向核孔中央的突出物。
Slide 11
Slide 12
Slide 13
NPC at cytosolic
face
NPC at exoplasmic
face
Slide 14
Slide 15
7.染色质 chromatin
8.核仁 nucleolus
9.核骨架 nuclear scaffold或核基质nuclear matrix
Slide 16
(二)核质间的物质交换
1.小分子
水、Na+、K+ 、Ca2+、Cl-、单糖、氨基酸、
核苷酸等分子量<5000，自由扩散，次要的
物质交换途径。
2.大分子—NPC途径，主要的核质物质交换途径
需要分选信号——核定位信号 (nuclear localization
signal, NLS)或出核信号(nuclear export signal, NES)
RNA与可溶性蛋白质形成核糖核蛋白复合物转运
通过NPC进行
Slide 17
3.NPC物质转运特点
(1)双功能、双向性的亲水性通道，孔径大小可调。
双功能：被动运输和主动运输
双向性：介导入核转运和出核转运
10nm~150nm
(2)主动运输过程，需要消耗ATP。
(3)是信号识别与载体介导的过程，表现出饱和动力学
特征。
(4)蛋白以天然的构象形式进行转运,转运后定位信号不
去除。
有些蛋白同时具有NLS和NES
Slide 18
Slide 19
Slide 20
Slide 21
The HIV Rev protein, which contains a NES, can
override the restriction against transporting premRNAs with unspliced splice sites
Slide 22
二、染色质和染色体
1.染色质和染色体
(1) 染色质是间期细胞核内由DNA、组蛋白、非
组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是
间期细胞遗传物质的存在形式。染色质可被
碱性染料染色。
(2) 染色体是细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，
由染色质聚缩形成的棒状结构。
Slide 23
染色质和染色体(chromosome)是同一种物质
在细胞周期不同时相的不同形态结构。两者的
区别不在于化学组成的不同，而在于包装程度
的不同。
Slide 24
2.染色质DNA
在真核生物中，每条未复制的染色体包装一条
DNA分子。
染色体DNA存在三种功能元件
Slide 25
端粒：是染色体两端富含G的
着丝粒：是两条姐妹染色单体
复制源：是DNA的复制起点
简单重复序列
的连接部位
端粒
三种功能元件
复制源
着丝粒
Slide 26
Slide 27
端粒(telomere)是存在于真核生物线性染色体
末端，由串联重复的DNA序列及其相关蛋白组
成的结构。
端粒能防止染色体末端-末端的融合、重组和降
解，故有稳定染色体的作用。
端粒的长度和细胞寿命的控制有关，是细胞分
裂的计数器。
Slide 28
参与真核生物线性DNA复制的DNA聚合酶并不能使染色体DNA完全复制，
因而染色体末端的端粒序列在不断分裂的过程中逐渐缩短。
Slide 29
3.组蛋白(histone)和非组蛋白(non-histone)
组蛋白是构成真核生物染色体的基本结构蛋白，
富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸。
用聚丙稀酰胺凝胶电泳可将组蛋白区分5种：
H1，H2A，H2B，H3，H4。
核小体组蛋白和H1组蛋白
组蛋白的乙酰化、磷酸化和甲基化等化学修饰，
可影响其与DNA的相互作用，从而影响基因表
达—DNA序列之外的遗传现象，表观遗传。
Slide 30
非组蛋白是染色质中除组蛋白以外的所有蛋白
的总称，为一类带负电荷的酸性蛋白质，富含
Asp和Glu。
非组蛋白包括染色质结构蛋白、转录调节因子、
参与核酸代谢及染色体化学修饰的相关酶类。
非组蛋白是基因表达调控的重要影响因素。
Slide 31
Slide 32
5.常染色质和异染色质
常染色质(euchromatin)是指间期细胞核内染色
质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态，用碱
性染料着色浅的染色质。
异染色质(heterochromatin)指间期细胞核内染
色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，用
碱性染料着色深的染色质
Slide 33
存在于常染色质中的基
因转录活性通常高。
常染色质和异染色质是
染色质存在的两种状态，
在一定条件下二者可以
相互转换。
Slide 34
4.染色体多级螺旋化模型
Slide 35
(1)核小体 nucleosome
核小体是染色质的基本结构单位。
组蛋白的八聚体构成核小体的盘状核心结构。
146bp的DNA分子超螺旋绕蛋白八聚体1.75圈。
两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长
度60bp。
Slide 36
Long strands of eukaryotic DNA are packaged
into chromatin
Slide 37
Slide 38
(2)染色体多级螺旋化
模型
Slide 39
三、核仁 nucleolus
是真核细胞间期核中最明显的结构，光镜下为
强折光性的均质、无包膜的海绵状小体。
大小和数量与细胞蛋白质合成水平密切相关。
核仁边集(nucleolus margination)现象,利于核
质物质交换。
核仁是高度动态结构，周期性重建和消失——
核仁周期。
核仁是rRNA和蛋白组成的RNP
(ribonucleoprotein)
Slide 40
Slide 41
1.核仁的超微结构
(1)纤维中心 fibrillar centers，FC
电镜下为浅染的低电子密度区域,所含主要成分
为rRNA基因rDNA。
纤维中心是rRNA基因的储存位点—核仁组织区
nucleolar organizing region，NOR
Slide 42
NOR
存在于特定染色体次缢痕处，含有主要rRNA基因
(18S,28S,5.8S)的染色体区段。
rDNA→rRNA →核仁
一个NOR由一个DNA袢环组成，人类rRNA基因位于
5条不同的染色体上(13、14、15、21、22)。多个
NOR产生的核仁物质融合形成核仁。
核仁的化学本质是rRNA基因(rDNA)转录出的rRNA
与核糖核蛋白(RNP)结合形成的结构。
rRNA合成旺盛时核仁结构明显。
Slide 43
(2)致密纤维组分 dense fibrillar component，DFC
核仁内电子密度最高的区域，位于浅染区的周围。
所含主要成分为正在转录的rRNA，此外还有一
些 RNA结合蛋白。
初始rRNA转录产物首先出现在DFC。
Slide 44
(3)颗粒组分 granular component，GC
镜下呈致密的颗粒结构，位于核仁的外周，在
核仁中占比例最大。所含主要成分为核糖体前
体颗粒—核糖核蛋白颗粒(ribonucleoprotein，
RNP)。
(4)核仁相随染色质和核仁基质
Slide 45
Slide 46
2.核仁功能—合成rRNA、装配核糖体
(1)rRNA可快速合成
rDNA在染色质轴丝上串联排列。
由RNA polyI多起点转录，形成“圣诞树”
样结构；转录产物的纤维游离端(5’端)首先
形成RNP颗粒。
Slide 47
Slide 48
(2)核仁进行rRNA加工
真核生物核糖体有4种rRNA：5.8S，18S，
28S，5S RNA。
每个rRNA基因转录单位由RNA polyI转录产
生相同的初始转录产物rRNA 前体。
哺乳动物为45SRNA。
Slide 49
Slide 50
(3)核糖体组装发生在rRNA的合成和加工过程中
rRNA的加工过程是以RNP的形式，而不是以游
离rRNA的方式进行。
45SrRNA前体生成后与RNP结合形成80S RNP。
后者在加工过程中失去RNA和蛋白，形成两种
大小不同的核糖体亚单位前体。
Slide 51
5S RNA在细胞核外产生。
核糖体的大小亚单位前体在由核内向细胞质转
运的过程中逐渐成熟，到细胞质中后形成由功
能的核糖体。
18S整合入40S小亚单位，5S、28S、5.8S整合
入60S大亚单位。
加工过程中RNA和蛋白质进行循环使用。
Slide 52
Slide 53
四、核骨架
1974年Ronald Berezney和Donald Coffey首次
用核酸酶和去垢剂处理细胞核, 除去了95%的
核物质后, 剩下的水不溶的纤维网络(图11-48),
将这种结构称为核基质(nuclear matrix), 又称
为核骨架(nuclear scaffold)。
核骨架提供吸附和支撑位点，其功能涉及DNA
复制、基因表达及细胞核结构的变化
Slide 54
Slide 55
五、细胞核与疾病
5龄童患罕见“早老症” 身高只有79厘米（该年龄段的正常身高至
少应达到110厘米），而且已经出现了高血压等老年性疾病。
Slide 56
Slide 57
The genomic era
is now a reality
Slide 58
细胞核
The Nucleus
基因的贮存与表达
Slide 2
内容
细胞核结构
细胞核物质转运
基因贮存
核小体、染色质和染色体
染色体多级螺旋化模型
基因表达
表达调控—核骨架
蛋白质组装机器核糖体的生成—核仁
细胞核与疾病
Slide 3
一、细胞核结构
进化的关键事件，
将转录和翻译分隔在
不同的时空进行，保
证遗传信息完整准确
的传递。
Slide 4
外核膜与内
质网相连
(一)核膜 nuclear envelope
1.组成成分：
主要是蛋白质和脂类
与内质网相似，不饱和脂肪酸含量低，甘油三酯及
胆固醇含量高。
2.外核膜 outer nuclear membrane,OM
与粗面内质网相连，被认为是内质网特化区域。
外表面有核糖体附着
外表面有中间纤维、微管形成的细胞骨架，与细胞
核定位有关。
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3.内核膜 inner nuclear membrane,IM
靠向核质侧
中间纤维
核质侧附着由中间纤维构成的纤维
蛋白网络结构—核纤层
4.核周间隙 perinuclear space
5.核纤层 nuclear lamina
广泛存在于高等真核细胞中，内连
核骨架，外连中间纤维。
组成成分
三种中间纤维蛋白，lamin A，B，C
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功能
细胞分裂间期
与核骨架形成弹性网络结
构，能够稳定分裂间期细
胞核的形状，为染色体提
供附着位点，调节染色体
的凝集。
细胞分裂期：
参与核膜的重建、染色质
凝集及细胞核构建。
核纤层蛋白磷酸化导致解
聚，核膜崩解；核纤层蛋
白去磷酸化导致重新聚合，
核膜重建。
Periperal nuclear
lamina (green)
Slide 8
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Slide 10
6.核孔复合体 nuclear pore complex, NPC
IM和OM融合形成，圆形的亲水性通道，数量与细
胞及生理状态有关。
由>50种蛋白(nucleoporin)以特定方式排列形成的
复合体。
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；
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；
中央栓(central plug),核孔中央的一个栓状的中央颗粒；
辐(Spoke),核孔边缘伸向核孔中央的突出物。
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NPC at cytosolic
face
NPC at exoplasmic
face
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7.染色质 chromatin
8.核仁 nucleolus
9.核骨架 nuclear scaffold或核基质nuclear matrix
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(二)核质间的物质交换
1.小分子
水、Na+、K+ 、Ca2+、Cl-、单糖、氨基酸、
核苷酸等分子量<5000，自由扩散，次要的
物质交换途径。
2.大分子—NPC途径，主要的核质物质交换途径
需要分选信号——核定位信号 (nuclear localization
signal, NLS)或出核信号(nuclear export signal, NES)
RNA与可溶性蛋白质形成核糖核蛋白复合物转运
通过NPC进行
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3.NPC物质转运特点
(1)双功能、双向性的亲水性通道，孔径大小可调。
双功能：被动运输和主动运输
双向性：介导入核转运和出核转运
10nm~150nm
(2)主动运输过程，需要消耗ATP。
(3)是信号识别与载体介导的过程，表现出饱和动力学
特征。
(4)蛋白以天然的构象形式进行转运,转运后定位信号不
去除。
有些蛋白同时具有NLS和NES
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The HIV Rev protein, which contains a NES, can
override the restriction against transporting premRNAs with unspliced splice sites
Slide 22
二、染色质和染色体
1.染色质和染色体
(1) 染色质是间期细胞核内由DNA、组蛋白、非
组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是
间期细胞遗传物质的存在形式。染色质可被
碱性染料染色。
(2) 染色体是细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，
由染色质聚缩形成的棒状结构。
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染色质和染色体(chromosome)是同一种物质
在细胞周期不同时相的不同形态结构。两者的
区别不在于化学组成的不同，而在于包装程度
的不同。
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2.染色质DNA
在真核生物中，每条未复制的染色体包装一条
DNA分子。
染色体DNA存在三种功能元件
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端粒：是染色体两端富含G的
着丝粒：是两条姐妹染色单体
复制源：是DNA的复制起点
简单重复序列
的连接部位
端粒
三种功能元件
复制源
着丝粒
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端粒(telomere)是存在于真核生物线性染色体
末端，由串联重复的DNA序列及其相关蛋白组
成的结构。
端粒能防止染色体末端-末端的融合、重组和降
解，故有稳定染色体的作用。
端粒的长度和细胞寿命的控制有关，是细胞分
裂的计数器。
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参与真核生物线性DNA复制的DNA聚合酶并不能使染色体DNA完全复制，
因而染色体末端的端粒序列在不断分裂的过程中逐渐缩短。
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3.组蛋白(histone)和非组蛋白(non-histone)
组蛋白是构成真核生物染色体的基本结构蛋白，
富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸。
用聚丙稀酰胺凝胶电泳可将组蛋白区分5种：
H1，H2A，H2B，H3，H4。
核小体组蛋白和H1组蛋白
组蛋白的乙酰化、磷酸化和甲基化等化学修饰，
可影响其与DNA的相互作用，从而影响基因表
达—DNA序列之外的遗传现象，表观遗传。
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非组蛋白是染色质中除组蛋白以外的所有蛋白
的总称，为一类带负电荷的酸性蛋白质，富含
Asp和Glu。
非组蛋白包括染色质结构蛋白、转录调节因子、
参与核酸代谢及染色体化学修饰的相关酶类。
非组蛋白是基因表达调控的重要影响因素。
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5.常染色质和异染色质
常染色质(euchromatin)是指间期细胞核内染色
质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态，用碱
性染料着色浅的染色质。
异染色质(heterochromatin)指间期细胞核内染
色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，用
碱性染料着色深的染色质
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存在于常染色质中的基
因转录活性通常高。
常染色质和异染色质是
染色质存在的两种状态，
在一定条件下二者可以
相互转换。
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4.染色体多级螺旋化模型
Slide 35
(1)核小体 nucleosome
核小体是染色质的基本结构单位。
组蛋白的八聚体构成核小体的盘状核心结构。
146bp的DNA分子超螺旋绕蛋白八聚体1.75圈。
两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长
度60bp。
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Long strands of eukaryotic DNA are packaged
into chromatin
Slide 37
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(2)染色体多级螺旋化
模型
Slide 39
三、核仁 nucleolus
是真核细胞间期核中最明显的结构，光镜下为
强折光性的均质、无包膜的海绵状小体。
大小和数量与细胞蛋白质合成水平密切相关。
核仁边集(nucleolus margination)现象,利于核
质物质交换。
核仁是高度动态结构，周期性重建和消失——
核仁周期。
核仁是rRNA和蛋白组成的RNP
(ribonucleoprotein)
Slide 40
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1.核仁的超微结构
(1)纤维中心 fibrillar centers，FC
电镜下为浅染的低电子密度区域,所含主要成分
为rRNA基因rDNA。
纤维中心是rRNA基因的储存位点—核仁组织区
nucleolar organizing region，NOR
Slide 42
NOR
存在于特定染色体次缢痕处，含有主要rRNA基因
(18S,28S,5.8S)的染色体区段。
rDNA→rRNA →核仁
一个NOR由一个DNA袢环组成，人类rRNA基因位于
5条不同的染色体上(13、14、15、21、22)。多个
NOR产生的核仁物质融合形成核仁。
核仁的化学本质是rRNA基因(rDNA)转录出的rRNA
与核糖核蛋白(RNP)结合形成的结构。
rRNA合成旺盛时核仁结构明显。
Slide 43
(2)致密纤维组分 dense fibrillar component，DFC
核仁内电子密度最高的区域，位于浅染区的周围。
所含主要成分为正在转录的rRNA，此外还有一
些 RNA结合蛋白。
初始rRNA转录产物首先出现在DFC。
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(3)颗粒组分 granular component，GC
镜下呈致密的颗粒结构，位于核仁的外周，在
核仁中占比例最大。所含主要成分为核糖体前
体颗粒—核糖核蛋白颗粒(ribonucleoprotein，
RNP)。
(4)核仁相随染色质和核仁基质
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2.核仁功能—合成rRNA、装配核糖体
(1)rRNA可快速合成
rDNA在染色质轴丝上串联排列。
由RNA polyI多起点转录，形成“圣诞树”
样结构；转录产物的纤维游离端(5’端)首先
形成RNP颗粒。
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(2)核仁进行rRNA加工
真核生物核糖体有4种rRNA：5.8S，18S，
28S，5S RNA。
每个rRNA基因转录单位由RNA polyI转录产
生相同的初始转录产物rRNA 前体。
哺乳动物为45SRNA。
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Slide 50
(3)核糖体组装发生在rRNA的合成和加工过程中
rRNA的加工过程是以RNP的形式，而不是以游
离rRNA的方式进行。
45SrRNA前体生成后与RNP结合形成80S RNP。
后者在加工过程中失去RNA和蛋白，形成两种
大小不同的核糖体亚单位前体。
Slide 51
5S RNA在细胞核外产生。
核糖体的大小亚单位前体在由核内向细胞质转
运的过程中逐渐成熟，到细胞质中后形成由功
能的核糖体。
18S整合入40S小亚单位，5S、28S、5.8S整合
入60S大亚单位。
加工过程中RNA和蛋白质进行循环使用。
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Slide 53
四、核骨架
1974年Ronald Berezney和Donald Coffey首次
用核酸酶和去垢剂处理细胞核, 除去了95%的
核物质后, 剩下的水不溶的纤维网络(图11-48),
将这种结构称为核基质(nuclear matrix), 又称
为核骨架(nuclear scaffold)。
核骨架提供吸附和支撑位点，其功能涉及DNA
复制、基因表达及细胞核结构的变化
Slide 54
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五、细胞核与疾病
5龄童患罕见“早老症” 身高只有79厘米（该年龄段的正常身高至
少应达到110厘米），而且已经出现了高血压等老年性疾病。
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The genomic era
is now a reality
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