第十章 间期细胞核和染色体

细胞核的形态随细胞增殖过程呈现周期性的变

化，分裂期无明显的形态，只有处在间期的细

胞才有完整的细胞核结构。

核被膜—双层膜，具有保护核内物质，控制核

与细胞质之间物质运输和信息交换的

功能。

染色质—核内遗传物质的存在形式，分裂中期

可凝缩为染色体。

核仁 —核内浓密小体，核糖体合成场所。

核基质—无定形的液体和复杂的网络结构，即

核骨架。

蓝：染色质；白：核基质

DNA及其结合蛋白

核仁

中心粒

微管

核纤层

核被膜

核孔

中间丝

内质网

第一节 核被膜与核孔复合体

一、核被膜（核膜）

双层膜结构——界膜

外核膜：7.5nm,上有核糖体

内核膜：7.5nm,与核纤层相连

核周隙：20—40nm,或称核周池

（perinuclear cisternae），

核孔——核孔复合体

孔膜区：特征蛋白gp210

蓝：染色质；白：核基质

DNA及其结合蛋白

核仁

中心粒

微管

核纤层

核被膜

核孔

中间丝

内质网

核被膜的TEM照片

核被膜的结构

二、核孔复合体

核孔是胞质和核质之间的物质交换通道

直径９nm

密度与细胞种类及细胞转录活性有关

一般哺乳类细胞核孔复合体为11个/µm2；

非洲爪蟾卵母细胞中达60个/µm2,成熟红细

胞中核孔1-3个/µm2。

1、核孔复合体的结构：四个假说

纤丝模型（1974）；滴漏样模型（1991）；

圆柱模型（1993）；核篮模型（1998）。

核篮模型的内容：八重对称辐射状的结构

（辐）；胞质环；核质环；胞质丝；核篮；

核环直接与核纤层相连；中央运输体。

核孔结构模型 之核蓝模型

胞质丝

端环

核质环

胞质环

中央运输体

核膜

外核膜

内核膜

核篮 篮丝

核孔复合体(nuclear pore complex，NPC):

核被膜上内外核膜融合处形成的复杂的通道结

构，由胞质环、核质环、中央运输体、辐和核

篮组成。对进出细胞核的大分子物质有限制和

运输作用。

2. 核孔复合体的组成： 50-100多种蛋白质；

核孔蛋白的通性：含有以二肽（ FG 苯丙+甘)

结尾的重复区段-FG核孔蛋白

已了解的两类核孔蛋白：

（1）gp210,跨膜的N-连接糖蛋白；将核孔复合

体锚链到核膜上。

（2）O-连接糖蛋白：构成胞质和核质的丝状物，

直接参与胞质和核质之间的物质交换。

3、核孔复合体的功能 物质运输

核孔复合体——跨膜运输蛋白复合体

核孔复合体运输特点

双向性：细胞核 细胞质

选择性

亲水性

核孔复合体运输方式

被动运输

主动运输

被动运输（自由扩散）：

核孔为亲水通道，离子和水溶性小分子可自由扩

散，有效直径（功能直径）-9nm左右（ >60KDa

很难通过）。

主动运输：

(1)分子大小的选择：功能直径：10-20nm，最大

26nm。

(2)信号识别与载体介导性的选择,须消耗ATP。

(3)具有运入与运出核的双向性选择。

（1）核蛋白的运入：亲核蛋白类。

亲核蛋白：在细胞质基质中合成、运到

核内执行功能的蛋白质，如DNA聚合酶、

RNA聚合酶、组蛋白、核糖体蛋白等。

金标记的核质素穿越核孔

尾部

头部

亲核蛋白进核的机制：

A、核输入信号的作用：亲核蛋白上由4—8个带

正电的氨基酸构成的、能使亲核蛋白进入核的

短肽，称核输入信号（NLS)。无此信号时，亲

核蛋白不能进入核。进入核后该信号不被切除。

例子：病毒SV40的T抗原上有核输入信号，若突

变，不能进入核。

核定位信号

猿猴病毒SV40 (simian virus 40)

核浆

亲核蛋白经核孔复合体主动被运进核，除要依

赖NLS外，还是一个载体介导的过程。

B、核输入受体的作用：核输入信号的结合蛋白

（NBP)——输入蛋白或接载蛋白或核输入受体，

其作用是协助亲核蛋白进入核，然后再返回细

胞质，参与再循环。此过程需要能量。

输入蛋白α（importin α ）

输入蛋白β（importin β ）

Ran（两种形式：与GTP或GDP结合）

（2）RNA和核糖体亚单位的运出

选择性的受体介导的主动运输，并且RNA加

工成熟后才能出核。

mRNA，scRNA：依赖５′端ｍ７Ｇ帽，与蛋白质结合形成核糖核酸蛋白（RNP），其它蛋白的协助。

rRNA：先组装成核糖体亚单位，以RNP形式运出

tRNA：运出需输出蛋白和Ran-GTP

第二节 染色质和中期染色体

染色质：光学显微镜下可见间期核中一种嗜碱性很强的

物质，称为染色质，是遗传物质的存在形式。间期核中

染色质以两种形式存在：

常染色质：伸展开的呈电子透亮状态

异染色质：卷曲凝缩。（Giemsa染，常浅异深）

染色体：和染色质是遗传物质在细胞周期不同阶段的存

在形式，是在细胞分裂过程中由染色质凝缩而成的棒状

结构，二者的化学组成没有多大差异。

一、染色质的化学组成

染色质的化学组成及质量比

核酸 蛋白质

DNA RNA 组蛋白 非组蛋白

1 0.05~0.1 1 0.5~1.5

1、DNA

一条染色质由一条DNA分子组成。

根据基因组中的核苷酸序列的重复次数分为:

单一序列DNA：序列在基因组中只出现一次

轻度重复序列DNA：2-10个拷贝

中度重复序列DNA：10-105

高度重复序列DNA：随体DNA

2、组蛋白

碱性蛋白，分子内富含带正电荷的精氨酸、赖氨

酸，所以与DNA结合形成染色质的一级结构

H2A, H2B, H3, H4保守，与核小体的形成有关；H1

具有种属特异性，与染色质高级结构构建有关；

H5至存在于鱼类、两栖类和鸟类红细胞中。

组蛋白与DNA紧密结合，可抑制DNA的复制及

RNA的转录，组蛋白乙酰化能改变组蛋白的电荷

性质，使组蛋白与DNA结合减弱，促进复制和转

录

3、非组蛋白

酸性蛋白富含天冬氨酸、谷氨酸，种类多、

数量少。

种属、组织特异性：调控基因表达

二、染色质的分子结构

30nm(粗纤维）－ 10nm（细纤维）－ 2-4nm

1、核小体——染色质的基本结构单位。

（1）核小体的结构和组分

螯合剂 尿素

用非特异性核酸酶（如微球菌核酸酶）处理

染色质，大多数情况下可得到大约200bp的片

段，但处理裸露的DNA分子会得到随机降解的

片段。以这个实验为基础，R.Kornberg 1974

年提出了核小体模型（念珠模型）。

念珠模型的主要内容：

染色质基本结构：DNA+蛋白质 重复亚单位

1个亚单位=200bp的DNA链+9个组蛋白 核小体

1分子连接组蛋白（H1）

8分子核心组蛋白（H2A、H2B、H3、

H4各2分子）

若干核小体串连成念珠状——染色质丝（细纤维）

9个组蛋白

核小体结构

核心组蛋白八聚体

核小体核心

核心DNA

H1连接组蛋白

连接区DNA

核小体组装程序

1、核心组蛋白八聚体

2 (H3·H4) 四聚体+ 2(H2A·H2B) 八聚体

2、DNA缠绕

147bpDNA绕核心组蛋白1.75圈，H1结合上去；

共用166bp绕核心组蛋白2圈 染色质小体

3 、连接区DNA

染色质小体之间——0-100bp

染色质小体+连接区DNA 染色质丝(10nm)

核小体和螺线管的结构

（2）核小体中各组分的作用：

A：只有H3和H4时能形成核小体，但是，只有

H2A和H2B时不能形成核小体颗粒。

B：H1组蛋白的作用：保持染色质的结构，保

护核心上的166bpDNA不被核酸酶消化，在

10nm染色质丝进一步盘绕时起重要作用。

C：组蛋白疏水区向着核心内部，带正电荷区

分布在颗粒表面，可以与DNA紧密结合。

（3）染色质中的酶敏感区：微球菌核酸酶；DNA

酶Ⅰ（超敏感位点）。

（4）核小体装配：2.0mol/L NaCl,核心蛋白可以

去掉，降低NaCl的浓度，DNA和组蛋白重新构成

核小体(无物种特异性)。

（5）离子强度对染色质纤维结构的影响：低离子

浓度，染色质丝为10nm，离子强度增加，H1分

子间相互作用增大，10nm的核小体丝卷曲为

30nm螺旋管状的染色质粗纤维。

2、常染色质和异染色质：

间期核中染色质可分为：

常染色质——是进行活跃转录的部位，呈疏松的环状，

电镜下表现为浅染，易被核酸酶在一些敏感的位点降

解。（伸展开的染色质）

异染色质——在间期核中处于凝缩状态，无转录活性，

也叫非活动染色质(inactive chromatin)；是遗传惰

性区；在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩，即异固

缩现象(heteropycnosis)。存在部位：着丝粒、端粒

和核仁组织区附近。（凝缩状态的染色质）

异染色质的特异性：（1）间期凝缩，（2）遗

传惰性区；(3)复制晚。

异染色质分类：

(A) 恒定型异染色质：在整个细胞周期内都呈异

固缩的染色质，多定位于着丝粒区，端粒，次

缢痕及染色体臂的某些节段，在间期聚集成多

个染色中心，由相对简单的高度重复序列构成。

荧光原位杂交显示的着丝粒DNA（黄）

(B) 兼性异染色质（仅在某

些细胞的特定发育阶段出

现）：是指不同细胞类型或

不同发育时期出现的异染色

质区。由常染色质形成。

巴氏小体（barr body）。

雌性哺乳动物细胞中一条异

固缩化的X染色体。

人的胚胎发育到16天以后，

出现巴氏小体。

barr body

３、染色质凝缩的结构模型

染色质通过凝缩形成染色体，四级结构：

DNA双螺旋

10纳米核小体丝 （一级结构）

30纳米粗纤维（二级结构）

大于1000倍（三级结构）

超粗中期染色体,大于10000倍（四级结构）

压缩7倍

压缩6倍

第三节 中期染色体

有丝分裂中期，染色质高度螺旋化凝集

形成具有明显形态特征的染色体

一、 中期染色体的类型和结构：

一条中期染色体——两条姊妹染色单体

两条姊妹染色单体——着丝粒相连

1、 着丝粒位置

中部：中央着丝粒染色体

亚中部：亚中央着丝粒染色体

亚端部：近端着丝粒染色体

端部：端着丝粒染色体

4/8-3/8 3/8-2/8 2/8-1/8 1/8-0 短臂占整个染色体的比率

Male karyotype ( 46, XY) Female karyotype (46 ,XX)

2、 染色体倍性变化情况

各种生物的体细胞的染色体一般成对存在，每一对染

色体的形状、大小和着丝粒的位置相同，这一对染色

体互称为同源染色体。

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。

21三体综合症：患者两外眼角上翘，鼻梁扁平，舌头常外伸，肌无力及通贯手。患者多数智能障碍并伴有多种脏器的异常，如先天性心脏病、白血病、消化道畸形等

猫叫综合症：哭声像猫、头部畸形、眼距较宽、耳廓偏低

名词：

染色体组(chromosome complement)：指一个配子

或合子核，或体细胞所携带的全部染色体，故可指

单倍体，也可指二倍体或多倍体和所含的全部染色

体。

染色体套(chromosome set):在真核生物中由物种

的必需染色体各1条所组成的有活力的最小染色体

组。在基本染色体套中的染色体数称为基数，一般

染色体套代表1n染色体，即单倍体细胞。

基因组(genome):真核生物1个物种的基本染色体套

所含的全部基因。

3、 染色体结构

着丝粒(初级缢痕)

次（级）缢痕

核仁组织区（NOR）

随体：sat-染色体、随体染色体

端粒：端粒DNA和端粒蛋白构成

染色体各部分的名称

Satellite

⑴着丝粒（centromere）

着丝粒位于每条染色体的两条姊妹染色单

体相连处主缢痕的中心部位，由高度重复

序列的DNA组成,将染色体分为两臂。

动粒（ kinetochore ） ：

染色体主缢痕两侧的一对由蛋白质构成的三

层盘状结构，可与纺锤体微管相连。

中间层密度小，两侧的两层密度大，外层连

接纺锤体微管，内层连接着丝粒

着丝粒－动粒复合体（主缢痕区）

A、动粒域（kinetochore domain）

B、中心域（central domain）

C、配对域（paring domain）

A、动粒域——着丝粒外附加结构

结构：

三层式板状结构

内板：连中央结构域

中间间隙

外板

三层结构外：

纤维冠：有马达蛋白，如动力蛋白和属

于驱动蛋白家族的CENP-E，为染色体的

分离提供动力。

B、中心域——着丝粒主体

由高度重复序列DNA和着丝粒蛋白构成

异染色质构成

人类着丝粒区DNA——类α 家族

类α 家族

α 卫星DNA

着丝粒蛋白：CENP- A、-B、-C、-D、-E

C、配对域－姊妹染色单体连接区

位于着丝粒结构的内层，中期两条染色单体在

此处相互连结，

在此区域发现有两类蛋白，

内着丝粒蛋白INCENP（inner centromere

protein），

染色单体连接蛋白CLIP（chromatid

linking protein）。

着丝粒的3个结构域

（2）端粒

染色体末端的特化部位，有极性，由端

粒DNA和端粒蛋白构成，可防止染色体

末端彼此粘连，保证染色体的完全复制、

参与染色体在核内的空间分布。

荧光原位杂交显示的端粒

（3）次缢痕：

除着丝粒区主缢痕以外的其它缢痕。此处

部分DNA松解，变细而形成。次缢痕的位

置相对稳定，是鉴定染色体个别性的一个

显著特征。

（ 4 ） 核 仁 组 织 区 （ nucleolar

organizing region， NORs ）

核仁组织区位于染色体的次缢痕区，但并

非所有的次缢痕都是NORs。

是rRNA基因所在的区域，其精细结构呈灯

刷状，可伸出DNA环（核糖体DNA）。能够

合成核糖体的28S、18S和5.8S rRNA。

核仁组织者中心形成核仁

核仁组织染色体

（5）随体（satellite)：

在有些染色体的短臂上有一个棒状或球状

的结构，通过次缢痕区与染色体主体部分

相连。位于染色体末端的随体称为端随体，

位于两个次缢痕中间的称中间随体。

染色体各部分的名称

Satellite

二、染色体DNA的关键序列：

在细胞世代中染色体确保稳定必须能完整

复制、且均分到子细胞中。为此，染色质

DNA必须含有三个特殊的序列：

⑴自主复制DNA序列

⑵着丝粒DNA序列

⑶端粒DNA序列

⑴自主复制DNA序列：确保DNA复制的起始,保

证遗传的稳定性和连续性。11-14bp的富含

AT的高度保守序列，该序列及上下游200bp

区段对自主复制是必需的。

⑵着丝粒DNA序列：确保姐妹染色单体相连并

与纺锤丝连接保证染色体的均分。含两个相

连的核心区：80-90bp的AT区和11bp的保守

区。人的着丝粒DNA序列占基因组的10%。

⑶端粒DNA序列：保证两个末端复制的完整性及染色体的稳定。短的、种特异性的重复DNA序列，不同物种长度不同，几百至几千bp，重复序列一般是G1-8（T/A）1-4。

人

四膜虫

拟南芥

三、 特殊染色体

1、 多线染色体

染色体多次复制，但复制后不分离。

明暗相间条纹

暗条纹—带：DNA含量高、着色深

明条纹—间带：DNA含量低，染色浅

胀泡(蓬突)—Balbiani（巴氏）环

果蝇幼虫唾液腺多线染色体

伸展开的放射环

唾腺染色体

2、 灯刷染色体

这种染色体最早发现于鱼类、两栖类和爬行

类卵母细胞减数分裂的双线期。由于染色体

主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色

体。

由两条同源染色体组成，二价体

组成

染色粒：染色质紧密螺旋化的部位

侧环： RNA活跃转录的区域，基质组成

DNA

基质：RNP（RNA+蛋白质）

四分体

二价体

染色质侧环

染色粒

转录单位/侧环

3 B染色体

在细胞中，出通常构成二倍体的基因组外，还有

一些额外的染色体。这些染色体在形态、数目、

行为及功能方面都与通常的染色体（A染色体）

不同，称为B染色体（额外染色体）。

由异染色质构成

无同源染色体

不携带与主要性状相关的基因

第四节 核仁（nucleolus）

核仁为球状，是间期细胞核中最明显的结构，一个细胞中可有1-5个核仁。

核仁（necleolus）见于间期的细胞核内，呈

圆球形，核仁的位置不固定，或位于核中央，

或靠近内核膜，

核仁的数量和大小因细胞种类和功能而异

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

缺失。

一般1-2个，也有多达3-5个的。

核仁的化学成分

蛋白质：核仁干重的80%

RNA： 10%

DNA： 8%（核仁相随染色质DNA）

1、核仁超微结构

核仁与其他的细胞器不同，周围没有界膜包围，

由五部分组成：

纤丝中心(fibrilar center；FC)：是核仁内

浅染的圆形结构，主要含5nm的rDNA纤维,RNA

聚合酶和转录因子等，是核仁组织区在间期中

的存在形式。

致密纤丝成分（DC）：含4-10nm的纤维，以环

形或半月形围绕在纤丝中心周围，是RNP(结合

protein的rRNA)。

颗粒组分(granular component；GC)：位于核

仁边缘部分，由直径15-20nm的颗粒构成，是

不同加工阶段的核糖体亚单位前体。

核仁结合染色质：核仁染色质分为两部分，一

部分位于核仁周围，称为核仁周边染色质，属

异染色质；一部分位于核仁内，为常染色质，

即核仁内染色质，是rDNA所在的位置。

核仁基质：悬浮前四种成分的无结构的蛋白质

性溶液。

核仁结构

纤维中心

致密纤维成分

颗粒成分

核仁三种基本组分的功能

原纤维中心(FCs)：rRNA基因的储存位点；

致密纤维组分 (DFC)：转录RNA并进行加

工与修饰

颗粒组分区（GC）：负责装配核糖体亚单

位，是核糖体亚单位成熟和储存的位点。

2、核仁功能

rRNA的高效合成、加工和成熟；核糖体

大小亚基的组装

参与物质运输：

核糖体蛋白、5SrRNA进核仁

核糖体亚单位出核仁

参与调控细胞周期

A、rRNA基因（rDNA）转录

rDNA成簇排列

RNA聚合酶I 催化

一个转录单位

一个rDNA重复单位

若干RNA聚合酶I

一个转录单位有多个转录产物

rRNA与蛋白质结合形成RNP颗粒

蛙卵母细胞rRNA基因的转录

间隔DNA rRNA转录单位

rRNA合成方向

rDNA丝 前体rRNA

蛋白质颗粒

rDNA高效转录所形成的箭头样结构－圣诞树状转录单位

B、 rRNA加工

初始转录产物

哺乳类——45S rRNA前体

果蝇——38S

酵母——37S

成熟rRNA

装配成核糖体小亚基 装配成核糖体大亚基

45S rRNA前体

45SrRNA前体加工

1。两种化学修饰 －甲基化和假尿苷 2。插入序列被切除 形成三个独立的 rRNA分子 （18S、5.8S、28S）

C、核糖体亚单位的装配

核糖体蛋白质：细胞质——核仁内

5S rRNA : 核仁外——核仁内

核糖体大、小亚单位：核仁——细胞质

rDNA合成45S rRNA与进入核仁的蛋白质形成RNP

↓

核酸酶降解18S、5.8S、28S rRNA

↓

18S的RNP形成核糖体小亚基；

28S、5.8SrRNA的RNP再与核仁外合成运进来的5SrRNA结合形成核糖体大亚基

核糖体的组装

3、核仁周期

分裂间期——核仁明显

分裂前期——核仁开始变小消失

分裂中期、后期——核仁完全消失（核

仁组织区）

分裂末期——核仁重建

第五节 核骨架

狭义的核骨架是指核基质

广义的核骨架包括核基质、核纤层、

染色体支架、残存的核仁等

一、核基质

即核内除核被膜、核纤层－核孔复合体体

系、染色体支架及核仁以外的纤维网架结

构，由3-5 nm的非组蛋白纤维和直径8-10

nm颗粒状物质组成。

核基质的功能

1、核基质构成DNA复制的空间支架

DNA分子以特定的序列结合在核基质上,

DNA聚合酶、DNA拓扑异构酶等均结合在

核基质上形成DNA复制体，整个DNA复制

过程是以复制体的形式在核基质上进行。

2、核基质与基因转录

正在转录的基因

RNA聚合酶

已经转录的基因hnRNA、RNP

均与核基质结合在一起，

只有活跃转录的基因才能与核基质结合，不被

转录的基因不与核基质结合。

3、hnRNA的加工与核基质有关

hnRNA结合在核基质上，加工hnRNA的酶位

于核基质上

4、核基质与DNA有序包装、染色体构建有关

间期和分裂期，DNA均以有序的方式结合在

核基质上，消化去除核基质，核内DNA不再

呈现有序的形式。

分裂期染色体支架 间期中的核基质

5、核基质与细胞分化

二、 核体

存在于核基质中的一个异质性的核内结构集合

体，包括Cajal小体，双形体GEMS和染色质

间颗粒群。

Cajal小体包含RNA剪接所需要的许多因子，

在转录后RNA的加工中起重要作用。

三、核纤层

紧贴内核膜内侧厚度10-20nm的由核纤层蛋

白构成的纤维网。

在核内与核骨架相连，在核外与中间纤维连

接，形成贯穿细胞核细胞质的网架结构。

1、 核纤层的结构

三种中间纤维交织而成：laminA、B、C

LaminB与内核膜上的特殊受体结合，该受体

是整合蛋白，分布在核孔复合体附近，还以一

定部位与核质环相连

laminA、C可与染色质结合，为染色质提供附

着位点

分裂前期末，Lamin磷酸化，核纤层解体

B

C A

外核膜

内核膜

核纤层蛋白

染色质纤维

胞质

受体

核纤层结构

2、核纤层功能：

（1）维持核孔位置和核被膜的形态；

（2）为间期染色质提供附着位点；

（3）有丝分裂中，与核被膜的解体和重建有关。