第八章 细胞核与染色体典型的细胞核结构图
Confocal microscopy
section of a cell
nucleus in interphase.
第一节 核被膜与核孔复合物一、核被膜
(nuclear
envelop)
（一）结构构成核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成。面向核质的那层膜被称作内
（层）膜（ inner
nuclear
membrane），面向胞质的另一层膜称为外（层）核膜
（ outer nuclear
membrane ）
两膜之间的透明空隙称为核周间隙
（ perinuclear
space）或核周池
（ perinuclear
cisternae）
外核膜可以看作是糙面内质网的一个特化区域。
紧贴内核膜内表面有一层致密的纤维网络结构，
即核纤层。内外核膜在某些部位相互融合形成环状开口，称为核孔
（ nuclear pore），核孔周围的核膜特称为孔膜区（ pore membrane
domain）。
Nuclear membrane consist of an inner
and outer membrane with a perinuclear
space between them,The outer
membrane is occasionally continuous with
the endoplasmic reticulum and is studded
with ribosomes at the 'outside' surface,
（二）核被膜在细胞周期中的崩解与装配一个成熟的卵母细胞所储存的原料可供形成 103 ~104
个 细胞核。
Nuclear envelope structure
and function in living cells
二、核孔复合物 （ nuclear pore
complex,NPC）
转录功能活跃的细胞，其核孔复合体数量较多。
Nuclear membrane embedded in ice;
partially freeze dried.
Nuclear membrane embedded in ice;
partially freeze dried,
（一）结构模型核孔复合物主要有以下 4种结构组分：
①胞质环（ cytoplasmic ring）
②核质环（ nuclear ring） /核篮
(nuclear basket)
③ 辐（ spoke）
柱状亚单位（ column
subunit）
腔内亚单位（ luminal
subunit）
环带亚单位（ annular
subunit）
④栓（ central plug） /中央颗粒
（ central granule）
Cut open nuclear pore complex,
somes proteins labelled
Cut open nuclear pore complex
including the central plug
3-Dimensional
reconstruction of a spoke
complex
（二）核孔复合体的功能：核质交换的双向选择性亲水通道
1.通过核孔复合体的被动扩散
2.通过核孔复合体的主动运输如果细胞在迅速生长，
则需要每个核孔每分钟从细胞核向细胞质输出三对核糖体大小亚基。
核孔复合物的有效直径大小是可被调节的。 Schematic view of a cell nucleus including some pore complexes
亲核蛋白一般含有特殊氨基酸序列。这段具有,定向,,定位,作用的序列被命名为核定位序列或核定位信号（ nuclear localization sequence或 nuclear
localization signal,NLS）对于 RNA及核糖体亚单位的出核转运机制了解得较少。
由 DNA转录出来的
mRNA前体只有在核内经过转录后加工，修饰成成熟的 RNA分子后才能被转运出核。所谓的 RNA
出核转运实际上是 RNA－蛋白质复合体的转运。
Importin and exportin mediated nucleocytoplasmic transport
已发现一些于 RNA共同出核的蛋白因子，含有对它们的出核转运起决定作用的氨基酸序列，
命名为核输出信号（ nuclear export signal,NES）
第二节 染色质 (CHROMATIN)
染色质和染色体是在细胞周期不同阶段可以互相转变的形态结构。
MAC Mode image of chicken
chromatin in air (172-72 construct),
The DNA and histone molecules
form "beads on a string" structure
on the surface of mica.
一 染色质的概念及化学组成染色质是指间期细胞核内由
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存在的形式。
DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，非组蛋白与 RNA的含量则随细胞生理状态不同而变化。
CHROMATIN MODELING
（一） 染色质 DNA
一个生物储存在单倍染色体组中的总遗传信息，
称为该生物的基因组
（ genome）。
根据突变分析表明，并非所有基因都是必需基因
（ essential gene）
起调控作用的 DNA序列在整个基因组中占有很高的比例，并能与调控蛋白相互作用而修饰自己的双螺旋空间结构，以便更好地为调控蛋白所识别。有些中度重复序列 DNA具有编码功能，
如编码 rRNA和 tRNA以及组蛋白的基因，但大部分中度重复序列不编码任何产物。缺少编码功能的中度重复序列 DNA是物种进化过程中在基因组中可移动的遗传元件。
高度重复 DNA序列主要由一些短的
DNA序列呈串联重复排列。
卫星 DNA（ satellite
DNA）主要分布在染色体着丝粒部位。
微卫星 DNA（ microsatellite DNA）在遗传上高度保守，可做重要的遗传标记，用于构建遗传图谱。
生物界物种的多样性也寓于 DNA分子 4种核苷酸千变万化的不同排列之中。
大沟（ major groove）的特征在遗传信息表达过程中起关键作用。基因表达调控蛋白都是通过其分子上特定的氨基酸侧链与沟中碱基对两侧潜在的氢原子供体（ =NH）或受体（ O和 N）形成氢键而识别 DNA遗传信息的。
（二） 染色质蛋白质
DNA结合蛋白包括两类：一是组蛋白
（ histone），与 DNA非特异性结合；另一类是非组蛋白（ nonhistone），与 DNA
特异性相结合。
1.组蛋白
① 核小体组蛋白 (nucleosomal
histone),包括 H2B,H2A,H3和
H4。这四种组蛋白没有种属及组织特异性，在进化上十分保守，
特别是 H3和 H4是所有已知蛋白质中最保守的。这种保守性表明，
H3和 H4的功能几乎涉及它们所有的氨基酸，以致任何位置上氨基酸残基的突变对细胞都将是有害的。
② H1组蛋白
H1有一定的种属和组织特异性。
Atomic force microscopy images of
reconstituted nucleosomal arrays,(A)
A chromatin fiber with a beads-on-a-
string morphology reconstituted at 1,
1 histone octamers to DNA ratio,(B)
When 1.5,1 histone octamers to
DNA ratio is used for reconstitution a
condensation of the core histone
octamers is observed
2.非组蛋白非组蛋白是指染色体上与特异 DNA序列相结合的蛋白质，所以又称为序列特异性 DNA结合蛋白
（ sequence specific DNA binding protein）
（ 1）非组蛋白的特性
①非组蛋白具有多样性和异质性
②对 DNA具有识别特异性
③ 具有多种功能
（ 2）序列特异性 DNA结合蛋白的不同结构模式
① α螺旋 -转角 -α螺旋模式 (helix-turn-helix motif)
② 锌指模式 (Zinc finger motif)
③ 亮氨酸拉链模式 (Leucine zipper motif,ZIP)
④ 螺旋 -环 -螺旋结构模式 （ helix-loop-helix
motif,HLH）
⑤ HMG框结构模式 （ HMG-box motif）
序列特异性 DNA结合蛋白的不同结构模式图
α螺旋 -转角 -α螺旋模式 (helix-
turn-helix motif)
Helix-Turn-Helix
The helix-turn-helix motif
involves two alpha-helical
segments in the regulatory
protein,linked by a tight
bend in the amino acid
chain,One of the helices,
called the recognition helix,
is held in the protein in a
position that fits exactly into
the major or minor DNA
groove,Amino acids side
chains facing the groove
recognize and bind a
specific sequence in the
DNA,
The second helix backs up and stabilizes the recognition helix by interacting with portions of
the DNA molecule,Generally regulatory proteins containing the helix-turn helix motif combine
by twos as dimers,in which two of the recognition helices are held in positions so that they
precisely into two consecutive major or minor groves in the DNA.
锌指模式 (Zinc finger motif)
Zinc-Finger
The zinc-finger motif consist of 30-residue
sequences containing two cysteines and two
histidines,The cysteine and histidine
residues are held in four-parts complex by a
stabilizing zinc atom forming the amino acid
chain into a fingerlike loop that extends into
the DNA and interacts with the edges of
nucleic acid bases exposed in the major
groove,Proteins with this motif usually have
multiple zinc fingers,ranging from 2 to 10,
extending into and interacting with
nucleotide sequences consecutive DNA
regions,Several regulatory proteins in yeast,
regulators controlling genes in coordination
with steroid hormones and TFIIA,a protein
that activate 5S rRNA genes are among the
regulatory proteins with zinc fingers.
亮氨酸拉链模式 (Leucine zipper motif,ZIP)
Leucine-zipper
The leucine-zipper motif set up a
connecting region that holds two
identical or different polypeptides
into a two-part regulatory unit.,
The leucine zipper consists of a
coil of two alpha helices,one
from each of the two proteins,
held together by the zipper,The
teeth of the zipper are a series of
leucine residues,which occur at
every seventh position in the
alpha helices forming the coil,In
this position they form
hydrophobic associations that
hold the coil together,The zipper
places two alpha helices,one
from each polypeptide,in
positions where they fit precisely
into the major groove of the DNA.
螺旋 -环 -螺旋结构模式（ helix-loop-helix
motif,HLH） A variation on the leucine zipper,the helix-loop-
helix motif separates
the N-terminal probe helix
from the dimerization
helix with a long loop
region,The helices
overlap into a four-helix
bundle core,as seen in
the transcription factor
MyoD,As for Jun-Fos,the
probe helices have an
excess of positive charged
amino acids,This points
out the separate roles,
dimerization and DNA
binding,There are cases
of proteins using a Zinc
finger DNA binding
domain with a coiled-
coiled helix dimerization
domain,e.g,GAL4.
HMG框结构模式（ HMG-box motif）
Left,Structure of the HMG box B of HMG1 (determined by NMR spectroscopy),
Centre,Structure-specific recognition of four-way junction DNA by HMG box A of HMG1.
Right,HMG1 distorts relaxed circular DNA (R) and causes supercoiling,in the presence of
topoisomerase I,Agarose gel electrophoresis resolves molecules with different degrees of
supercoiling,S is the fully supercoiled form
二 染色质的基本结构单位 —— 核小体
（ nucleosome）
（一）主要实验证据 染色质电镜照片
（二）核小体结构要点
1.每个核小体单位包括 200bp左右的 DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白
H1。
2.组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构，由 4个二聚体组成，包括两个 H2A·H2B和两个
H3·H4。
3.146bp的 DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体 1.75圈。组蛋白
H1在核心颗粒外结合额外 20
bp DNA，包括组蛋白 H1和 166
bp DNA的核小体结构又称染色质小体（ chromotosome）。
4.两个相邻核小体之间以连接 DNA（ linker
DNA）相连，典型长度 60 bp。
5.组蛋白与 DNA之间的相互作用主要是结构性的,基本不依赖于核苷酸的特异序列。
6.核小体沿 DNA的定位受不同因素的影响。
三 染色体包装的结构模型
（一）染色质包装的多级螺旋模型有组蛋白 H1存在的情况下，
核小体串珠结构螺旋盘绕，
每圈 6个核小体，形成螺线管（ solenoid）。螺线管进一步螺旋化形成圆筒状结构，称为超螺线管；超螺线管进一步螺旋折叠，形成染色单体（ chromatid），
根据多级螺旋模型
（ multiple coiling model），
经过四级螺旋结构包装形成的染色体结构，一共压缩了 8400倍。
染色体包装的不同组织水平
（二） 染色体的骨架 -放射环结构模型
（ scafford radial
loop structure
model）
四 常染色质和异染色质
The nuclear pore
(arrow),
H-condensed
heterochromatin
E-euchromatin,
Basal lamina of
the Schwann cell
- empty arrow,
Scale = 300 nm,
(Rat,trigeminal
nerve.)
常染色质（ euchromatin）是指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。
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具有转录活性。
异染色质 (heterochromatin)是指间期核中，染色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，用碱性燃料染色时着色深的那些染色质。异染色质又分结构异染色质或组成型异染色质
（ constitutive heterochromatin）和兼性异染色质
（ facultative）。结构异染色质指的是各种类型的细胞，除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态,DNA包装比在整个细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。
第三节 染色体染色体（ chromosome）是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。
中期染色体由两条相同的姐妹染色单体（ sister chromatid）构成，
彼此以着丝粒相连，分为四种类型：
中着丝粒染色体 （ metacentric
chromosome)，
近中着丝粒染色体 （ submetacentric
chromosome），
近端着丝粒染色体 （ acrocentric
chromosome）具有微小短臂，
端着丝粒染色体（ telecentric
chromosome）。
一 中期染色体的形态结构
Numbering of
Chromosome Bands
中着丝粒染色体（ metacentric chromosome)
Metacentric
Chromosome
近中着丝粒染色体（ submetacentric chromosome）
Submetacentric
Chromosome
近端着丝粒染色体（ acrocentric chromosome）
Acrocentric
Chromosome
(1)着丝粒
（ centromere）
与动点（又称着丝点，
kinetochore）：
染色体各部的主要结构：
(2)次缢痕（ secondary
constriction）
(3)核仁组织区（ nucleolar
organizing region,NOR）
位于染色体的次缢痕部位，
但是并非所有次缢痕都是
NOR。
(4)随体（ satellite）
(5)端粒（ telomere）
telomere
二 染色体 DNA的三种功能元件在细胞世代中确保染色体的复制和稳定遗传，染色体起码具备三种功能元件（ functional
elements）,一个 DNA复制起点，确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性；一个着丝粒，使细胞分裂时已完成复制的染色体能平均分配到子细胞中；最后，染色体的两个末端必须有端粒，保持染色体的独立性和稳定性。
1.自主复制 DNA序列（ autonomously replicating DNA
sequence,ARS）
现在已经利用双向电泳定位复制起点的技术，直接证明了 ARS在质粒以及酵母染色上与复制起点
（ replication origin）共定位的现象。
2.着丝粒 DNA序列（ centromere DNA sequence,CEN）
3.端粒 DNA序列（ telomere DNA sequence,TEL）
真核细胞染色体端粒的重复序列不是染色体 DNA复制时连续合成的，而是由端粒酶（ telomerase）合成后添加到染色体末端。
三 核型与染色体显带核型（ karyotype）是指染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、
形态特征等。
将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来，再按长短、
形态等特征排列起来的图象称为核型模式图（ idiogram）
550 band level human karyotype
Q带技术即喹 吖 因荧光染色技术,G带即 Giemsa
带,R带又称反带（ reverse bands）,C带主要显示着丝粒结构异染色质，及其它染色体区段的异染色质部分,T带又称末端带（ teminal
bands）,N带又称 Ag-As染色法。
Idiogram of
human
chromosomes
四 巨大染色体在某些生物的细胞中，特别是在发育的某些阶段,可以观察到一些特殊的、体积很大的染色体，包括 多线染色体
（ polytene chromosome）和 灯刷染色体 （ lampbrush chromosome）,统称为巨大染色体（ giant chromosome）
（一） 多线染色体
Polytene Chromsomes of Drosophila virilis
The centromere (arrow in left image) holds together the arms of the chromomes,In both
images,the light bands (puffs) where active transcription is occurring are visible,The dark
bands,with condensed heterochromatic DNA,are also evident
1.多线染色体的来源：
多线染色体来源于核内有丝分裂
（ endomitosis），即核内 DNA多次复制而细胞不分裂，产生的子染色体并行排列。
2.多线染色体的带及间带因为带区染色质包装程度比间带染色质高的多，所以带区呈现深染而间带浅染。
3.多线染色体与基因活性在果蝇个体发育某个阶段，多线染色体的某些带区变得疏松膨大而形成胀泡（ puff），胀泡是基因活跃转录的形态学标志。
Schematic drawing of a polytene chromosome,The upper
figure shows the organization of the chromosome
(chromatids,chromomeres,chromosome bands),The
lower figure exhibits the change in chromosome structure
upon puff formation at one locus,It can be observed how
the heavily coiled chromatid within each chromomere of a
single chromosome band extends into a loop,There can
be thousands of chromatids arranged side by side in a
polytene chromosome,and thus thousands of the same
type of gene are activated at the locus,
（二） 灯刷染色体
Nuclear crystals,lampbrush-
chromosome-like structures,
and perinuclear cytoskeletal
elements associated with
nuclear fragmentation in
characean internodal cells.
1.灯刷染色体的超微结构灯刷染色体是卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体，
它是一个二阶体，包含四条染色单体。
2.灯刷染色体的转录功能灯刷染色体的形态与卵子发生过程中营养物物储备是密切相关的。侧环是 RNA活跃转录的区域，一个侧环往往是一个大的转录单位或几个转录单位组合构成的。 Chicken lampbrush chromosome 1
第四节 核仁核仁（ nucleolus）是真核细胞间期核中最显著的结构。在光镜下被染色的细胞，相差显微镜下的活细胞或分离细胞的细胞核都容易看到核仁，它们通常表现为一个单一或者多个匀质的球形小体。
一 核仁的超微结构
Ec = Euchromatin
Grc = Granulum chromatini
Hc = Heterochromatin
Nc = Nucleolus
Pa = Pars amorpha nucleoli
Pf = Pars filamentosa
nucleoli
Pg = Pars granulosa
1.纤维中心纤维中心（ fibrillar
centers,FC）是包埋在颗粒组分内部一个或几个浅染的低电子密度的圆形结构小岛，在纤维中心存在 rDNA、
RNA聚合酶 Ⅰ 和结合的转录因子。
2.致密纤维组分致密纤维组分（ dense fibrillar
component,DFC）是核仁超微结构中电子密度最高的部分。
呈环形或半月形包围 FC。
rRNA以很高的密度出现在
DFC区域。
3.颗粒组分颗粒组分（ granular
component,GC）是核仁的主要结构，由直径 15～ 20nm的核糖核蛋白（ RNP）颗粒构成。
the nuclear body was emerged from the granular
component of nucleolus
二 核仁的功能核仁的主要功能涉及核糖体的生物发生（ ribosome
biogenesis）
（一） rRNA基因转录的形态及组织特征真核生物核糖体含有 4种 rRNA，即 5.8S rRNA,18S
rRNA,28S rRNA,5S rRNA，其中前三种的基因组成一个转录单位。与为蛋白质编码的 mRNA不同,rRNA分子是 rRNA基因的最终产物。
（二） rRNA前体的加工
（三）核糖体亚单位的装配
45S rRNA前体转录以后很快与蛋白质结合，因此，
rRNA前体的加工过程是以核蛋白而不是游离 rRNA的方式进行的。
三 核仁周期第五节 染色质结构和基因转录按功能状态的不同可以将染色体分为活性染色体
（ active chromatin）和非活性染色质（ inactive
chromatin）
一 活性染色质的主要特征
（一）活性染色质具有 DnaseⅠ 超敏感位点
（二）活性染色质在生化上具有特殊性二 染色质结构与基因转录
（一）疏松染色质结构的形成
1.DNA局部结构的改变与核小体相位的影响
2.组蛋白的修饰
(1)核心组蛋白的赖氨酸残基乙酰基化（ acetylation）
有活性的 X染色体含有乙酰基化的组蛋白，而失活的 X染色体其组蛋白则没有乙酰基化修饰。
(2)组蛋白 H1的磷酸化
H1磷酸化必然导致对 DNA亲和力下降
3.HMG结构域蛋白的影响与这一结构域相应的 DNA序列称为,HMG box”，而具有一个或多个 HMG结构域的蛋白质称为 HMG结构域蛋白。
（二）染色质的区间性
1.基因座控制区（ Locus control region,LCR）
2.隔离子能防止处于阻抑状态与活化状态的染色质结构域之间的结构特点向两侧扩展的染色质 DNA序列称为隔离子（ insulator）
（三）染色质模板的转录第六节 核基质与核体一 核基质用核酸酶（ Dnase和 RNase）与高盐溶液对细胞核进行处理，将 DNA、组蛋白和 RNA抽提后，核内仍残留纤维蛋白的网架结构，称为核基质（ nuclear matrix）
因为它的基本形态与胞质骨架很相似，又与胞质骨架有一定联系，所以有人称为核骨架（ nuclear
skeleton）。核基质就是指在细胞核内，除了核被膜、
核纤层、染色质与核仁以外的网架结构体系。从这一理解出发核骨架与核基质具有等同含义。
二 核体高等真核细胞的间期核内除染色质与核仁结构外，
最近在染色质之间的空间发现许多形态上不同的亚核结构域（ subnuclear domain），统称为核体（ nuclear bodies,NBs）
Confocal microscopy
section of a cell
nucleus in interphase.
第一节 核被膜与核孔复合物一、核被膜
(nuclear
envelop)
（一）结构构成核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成。面向核质的那层膜被称作内
（层）膜（ inner
nuclear
membrane），面向胞质的另一层膜称为外（层）核膜
（ outer nuclear
membrane ）
两膜之间的透明空隙称为核周间隙
（ perinuclear
space）或核周池
（ perinuclear
cisternae）
外核膜可以看作是糙面内质网的一个特化区域。
紧贴内核膜内表面有一层致密的纤维网络结构，
即核纤层。内外核膜在某些部位相互融合形成环状开口，称为核孔
（ nuclear pore），核孔周围的核膜特称为孔膜区（ pore membrane
domain）。
Nuclear membrane consist of an inner
and outer membrane with a perinuclear
space between them,The outer
membrane is occasionally continuous with
the endoplasmic reticulum and is studded
with ribosomes at the 'outside' surface,
（二）核被膜在细胞周期中的崩解与装配一个成熟的卵母细胞所储存的原料可供形成 103 ~104
个 细胞核。
Nuclear envelope structure
and function in living cells
二、核孔复合物 （ nuclear pore
complex,NPC）
转录功能活跃的细胞，其核孔复合体数量较多。
Nuclear membrane embedded in ice;
partially freeze dried.
Nuclear membrane embedded in ice;
partially freeze dried,
（一）结构模型核孔复合物主要有以下 4种结构组分：
①胞质环（ cytoplasmic ring）
②核质环（ nuclear ring） /核篮
(nuclear basket)
③ 辐（ spoke）
柱状亚单位（ column
subunit）
腔内亚单位（ luminal
subunit）
环带亚单位（ annular
subunit）
④栓（ central plug） /中央颗粒
（ central granule）
Cut open nuclear pore complex,
somes proteins labelled
Cut open nuclear pore complex
including the central plug
3-Dimensional
reconstruction of a spoke
complex
（二）核孔复合体的功能：核质交换的双向选择性亲水通道
1.通过核孔复合体的被动扩散
2.通过核孔复合体的主动运输如果细胞在迅速生长，
则需要每个核孔每分钟从细胞核向细胞质输出三对核糖体大小亚基。
核孔复合物的有效直径大小是可被调节的。 Schematic view of a cell nucleus including some pore complexes
亲核蛋白一般含有特殊氨基酸序列。这段具有,定向,,定位,作用的序列被命名为核定位序列或核定位信号（ nuclear localization sequence或 nuclear
localization signal,NLS）对于 RNA及核糖体亚单位的出核转运机制了解得较少。
由 DNA转录出来的
mRNA前体只有在核内经过转录后加工，修饰成成熟的 RNA分子后才能被转运出核。所谓的 RNA
出核转运实际上是 RNA－蛋白质复合体的转运。
Importin and exportin mediated nucleocytoplasmic transport
已发现一些于 RNA共同出核的蛋白因子，含有对它们的出核转运起决定作用的氨基酸序列，
命名为核输出信号（ nuclear export signal,NES）
第二节 染色质 (CHROMATIN)
染色质和染色体是在细胞周期不同阶段可以互相转变的形态结构。
MAC Mode image of chicken
chromatin in air (172-72 construct),
The DNA and histone molecules
form "beads on a string" structure
on the surface of mica.
一 染色质的概念及化学组成染色质是指间期细胞核内由
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存在的形式。
DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，非组蛋白与 RNA的含量则随细胞生理状态不同而变化。
CHROMATIN MODELING
（一） 染色质 DNA
一个生物储存在单倍染色体组中的总遗传信息，
称为该生物的基因组
（ genome）。
根据突变分析表明，并非所有基因都是必需基因
（ essential gene）
起调控作用的 DNA序列在整个基因组中占有很高的比例，并能与调控蛋白相互作用而修饰自己的双螺旋空间结构，以便更好地为调控蛋白所识别。有些中度重复序列 DNA具有编码功能，
如编码 rRNA和 tRNA以及组蛋白的基因，但大部分中度重复序列不编码任何产物。缺少编码功能的中度重复序列 DNA是物种进化过程中在基因组中可移动的遗传元件。
高度重复 DNA序列主要由一些短的
DNA序列呈串联重复排列。
卫星 DNA（ satellite
DNA）主要分布在染色体着丝粒部位。
微卫星 DNA（ microsatellite DNA）在遗传上高度保守，可做重要的遗传标记，用于构建遗传图谱。
生物界物种的多样性也寓于 DNA分子 4种核苷酸千变万化的不同排列之中。
大沟（ major groove）的特征在遗传信息表达过程中起关键作用。基因表达调控蛋白都是通过其分子上特定的氨基酸侧链与沟中碱基对两侧潜在的氢原子供体（ =NH）或受体（ O和 N）形成氢键而识别 DNA遗传信息的。
（二） 染色质蛋白质
DNA结合蛋白包括两类：一是组蛋白
（ histone），与 DNA非特异性结合；另一类是非组蛋白（ nonhistone），与 DNA
特异性相结合。
1.组蛋白
① 核小体组蛋白 (nucleosomal
histone),包括 H2B,H2A,H3和
H4。这四种组蛋白没有种属及组织特异性，在进化上十分保守，
特别是 H3和 H4是所有已知蛋白质中最保守的。这种保守性表明，
H3和 H4的功能几乎涉及它们所有的氨基酸，以致任何位置上氨基酸残基的突变对细胞都将是有害的。
② H1组蛋白
H1有一定的种属和组织特异性。
Atomic force microscopy images of
reconstituted nucleosomal arrays,(A)
A chromatin fiber with a beads-on-a-
string morphology reconstituted at 1,
1 histone octamers to DNA ratio,(B)
When 1.5,1 histone octamers to
DNA ratio is used for reconstitution a
condensation of the core histone
octamers is observed
2.非组蛋白非组蛋白是指染色体上与特异 DNA序列相结合的蛋白质，所以又称为序列特异性 DNA结合蛋白
（ sequence specific DNA binding protein）
（ 1）非组蛋白的特性
①非组蛋白具有多样性和异质性
②对 DNA具有识别特异性
③ 具有多种功能
（ 2）序列特异性 DNA结合蛋白的不同结构模式
① α螺旋 -转角 -α螺旋模式 (helix-turn-helix motif)
② 锌指模式 (Zinc finger motif)
③ 亮氨酸拉链模式 (Leucine zipper motif,ZIP)
④ 螺旋 -环 -螺旋结构模式 （ helix-loop-helix
motif,HLH）
⑤ HMG框结构模式 （ HMG-box motif）
序列特异性 DNA结合蛋白的不同结构模式图
α螺旋 -转角 -α螺旋模式 (helix-
turn-helix motif)
Helix-Turn-Helix
The helix-turn-helix motif
involves two alpha-helical
segments in the regulatory
protein,linked by a tight
bend in the amino acid
chain,One of the helices,
called the recognition helix,
is held in the protein in a
position that fits exactly into
the major or minor DNA
groove,Amino acids side
chains facing the groove
recognize and bind a
specific sequence in the
DNA,
The second helix backs up and stabilizes the recognition helix by interacting with portions of
the DNA molecule,Generally regulatory proteins containing the helix-turn helix motif combine
by twos as dimers,in which two of the recognition helices are held in positions so that they
precisely into two consecutive major or minor groves in the DNA.
锌指模式 (Zinc finger motif)
Zinc-Finger
The zinc-finger motif consist of 30-residue
sequences containing two cysteines and two
histidines,The cysteine and histidine
residues are held in four-parts complex by a
stabilizing zinc atom forming the amino acid
chain into a fingerlike loop that extends into
the DNA and interacts with the edges of
nucleic acid bases exposed in the major
groove,Proteins with this motif usually have
multiple zinc fingers,ranging from 2 to 10,
extending into and interacting with
nucleotide sequences consecutive DNA
regions,Several regulatory proteins in yeast,
regulators controlling genes in coordination
with steroid hormones and TFIIA,a protein
that activate 5S rRNA genes are among the
regulatory proteins with zinc fingers.
亮氨酸拉链模式 (Leucine zipper motif,ZIP)
Leucine-zipper
The leucine-zipper motif set up a
connecting region that holds two
identical or different polypeptides
into a two-part regulatory unit.,
The leucine zipper consists of a
coil of two alpha helices,one
from each of the two proteins,
held together by the zipper,The
teeth of the zipper are a series of
leucine residues,which occur at
every seventh position in the
alpha helices forming the coil,In
this position they form
hydrophobic associations that
hold the coil together,The zipper
places two alpha helices,one
from each polypeptide,in
positions where they fit precisely
into the major groove of the DNA.
螺旋 -环 -螺旋结构模式（ helix-loop-helix
motif,HLH） A variation on the leucine zipper,the helix-loop-
helix motif separates
the N-terminal probe helix
from the dimerization
helix with a long loop
region,The helices
overlap into a four-helix
bundle core,as seen in
the transcription factor
MyoD,As for Jun-Fos,the
probe helices have an
excess of positive charged
amino acids,This points
out the separate roles,
dimerization and DNA
binding,There are cases
of proteins using a Zinc
finger DNA binding
domain with a coiled-
coiled helix dimerization
domain,e.g,GAL4.
HMG框结构模式（ HMG-box motif）
Left,Structure of the HMG box B of HMG1 (determined by NMR spectroscopy),
Centre,Structure-specific recognition of four-way junction DNA by HMG box A of HMG1.
Right,HMG1 distorts relaxed circular DNA (R) and causes supercoiling,in the presence of
topoisomerase I,Agarose gel electrophoresis resolves molecules with different degrees of
supercoiling,S is the fully supercoiled form
二 染色质的基本结构单位 —— 核小体
（ nucleosome）
（一）主要实验证据 染色质电镜照片
（二）核小体结构要点
1.每个核小体单位包括 200bp左右的 DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白
H1。
2.组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构，由 4个二聚体组成，包括两个 H2A·H2B和两个
H3·H4。
3.146bp的 DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体 1.75圈。组蛋白
H1在核心颗粒外结合额外 20
bp DNA，包括组蛋白 H1和 166
bp DNA的核小体结构又称染色质小体（ chromotosome）。
4.两个相邻核小体之间以连接 DNA（ linker
DNA）相连，典型长度 60 bp。
5.组蛋白与 DNA之间的相互作用主要是结构性的,基本不依赖于核苷酸的特异序列。
6.核小体沿 DNA的定位受不同因素的影响。
三 染色体包装的结构模型
（一）染色质包装的多级螺旋模型有组蛋白 H1存在的情况下，
核小体串珠结构螺旋盘绕，
每圈 6个核小体，形成螺线管（ solenoid）。螺线管进一步螺旋化形成圆筒状结构，称为超螺线管；超螺线管进一步螺旋折叠，形成染色单体（ chromatid），
根据多级螺旋模型
（ multiple coiling model），
经过四级螺旋结构包装形成的染色体结构，一共压缩了 8400倍。
染色体包装的不同组织水平
（二） 染色体的骨架 -放射环结构模型
（ scafford radial
loop structure
model）
四 常染色质和异染色质
The nuclear pore
(arrow),
H-condensed
heterochromatin
E-euchromatin,
Basal lamina of
the Schwann cell
- empty arrow,
Scale = 300 nm,
(Rat,trigeminal
nerve.)
常染色质（ euchromatin）是指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。
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具有转录活性。
异染色质 (heterochromatin)是指间期核中，染色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，用碱性燃料染色时着色深的那些染色质。异染色质又分结构异染色质或组成型异染色质
（ constitutive heterochromatin）和兼性异染色质
（ facultative）。结构异染色质指的是各种类型的细胞，除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态,DNA包装比在整个细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。
第三节 染色体染色体（ chromosome）是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。
中期染色体由两条相同的姐妹染色单体（ sister chromatid）构成，
彼此以着丝粒相连，分为四种类型：
中着丝粒染色体 （ metacentric
chromosome)，
近中着丝粒染色体 （ submetacentric
chromosome），
近端着丝粒染色体 （ acrocentric
chromosome）具有微小短臂，
端着丝粒染色体（ telecentric
chromosome）。
一 中期染色体的形态结构
Numbering of
Chromosome Bands
中着丝粒染色体（ metacentric chromosome)
Metacentric
Chromosome
近中着丝粒染色体（ submetacentric chromosome）
Submetacentric
Chromosome
近端着丝粒染色体（ acrocentric chromosome）
Acrocentric
Chromosome
(1)着丝粒
（ centromere）
与动点（又称着丝点，
kinetochore）：
染色体各部的主要结构：
(2)次缢痕（ secondary
constriction）
(3)核仁组织区（ nucleolar
organizing region,NOR）
位于染色体的次缢痕部位，
但是并非所有次缢痕都是
NOR。
(4)随体（ satellite）
(5)端粒（ telomere）
telomere
二 染色体 DNA的三种功能元件在细胞世代中确保染色体的复制和稳定遗传，染色体起码具备三种功能元件（ functional
elements）,一个 DNA复制起点，确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性；一个着丝粒，使细胞分裂时已完成复制的染色体能平均分配到子细胞中；最后，染色体的两个末端必须有端粒，保持染色体的独立性和稳定性。
1.自主复制 DNA序列（ autonomously replicating DNA
sequence,ARS）
现在已经利用双向电泳定位复制起点的技术，直接证明了 ARS在质粒以及酵母染色上与复制起点
（ replication origin）共定位的现象。
2.着丝粒 DNA序列（ centromere DNA sequence,CEN）
3.端粒 DNA序列（ telomere DNA sequence,TEL）
真核细胞染色体端粒的重复序列不是染色体 DNA复制时连续合成的，而是由端粒酶（ telomerase）合成后添加到染色体末端。
三 核型与染色体显带核型（ karyotype）是指染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、
形态特征等。
将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来，再按长短、
形态等特征排列起来的图象称为核型模式图（ idiogram）
550 band level human karyotype
Q带技术即喹 吖 因荧光染色技术,G带即 Giemsa
带,R带又称反带（ reverse bands）,C带主要显示着丝粒结构异染色质，及其它染色体区段的异染色质部分,T带又称末端带（ teminal
bands）,N带又称 Ag-As染色法。
Idiogram of
human
chromosomes
四 巨大染色体在某些生物的细胞中，特别是在发育的某些阶段,可以观察到一些特殊的、体积很大的染色体，包括 多线染色体
（ polytene chromosome）和 灯刷染色体 （ lampbrush chromosome）,统称为巨大染色体（ giant chromosome）
（一） 多线染色体
Polytene Chromsomes of Drosophila virilis
The centromere (arrow in left image) holds together the arms of the chromomes,In both
images,the light bands (puffs) where active transcription is occurring are visible,The dark
bands,with condensed heterochromatic DNA,are also evident
1.多线染色体的来源：
多线染色体来源于核内有丝分裂
（ endomitosis），即核内 DNA多次复制而细胞不分裂，产生的子染色体并行排列。
2.多线染色体的带及间带因为带区染色质包装程度比间带染色质高的多，所以带区呈现深染而间带浅染。
3.多线染色体与基因活性在果蝇个体发育某个阶段，多线染色体的某些带区变得疏松膨大而形成胀泡（ puff），胀泡是基因活跃转录的形态学标志。
Schematic drawing of a polytene chromosome,The upper
figure shows the organization of the chromosome
(chromatids,chromomeres,chromosome bands),The
lower figure exhibits the change in chromosome structure
upon puff formation at one locus,It can be observed how
the heavily coiled chromatid within each chromomere of a
single chromosome band extends into a loop,There can
be thousands of chromatids arranged side by side in a
polytene chromosome,and thus thousands of the same
type of gene are activated at the locus,
（二） 灯刷染色体
Nuclear crystals,lampbrush-
chromosome-like structures,
and perinuclear cytoskeletal
elements associated with
nuclear fragmentation in
characean internodal cells.
1.灯刷染色体的超微结构灯刷染色体是卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体，
它是一个二阶体，包含四条染色单体。
2.灯刷染色体的转录功能灯刷染色体的形态与卵子发生过程中营养物物储备是密切相关的。侧环是 RNA活跃转录的区域，一个侧环往往是一个大的转录单位或几个转录单位组合构成的。 Chicken lampbrush chromosome 1
第四节 核仁核仁（ nucleolus）是真核细胞间期核中最显著的结构。在光镜下被染色的细胞，相差显微镜下的活细胞或分离细胞的细胞核都容易看到核仁，它们通常表现为一个单一或者多个匀质的球形小体。
一 核仁的超微结构
Ec = Euchromatin
Grc = Granulum chromatini
Hc = Heterochromatin
Nc = Nucleolus
Pa = Pars amorpha nucleoli
Pf = Pars filamentosa
nucleoli
Pg = Pars granulosa
1.纤维中心纤维中心（ fibrillar
centers,FC）是包埋在颗粒组分内部一个或几个浅染的低电子密度的圆形结构小岛，在纤维中心存在 rDNA、
RNA聚合酶 Ⅰ 和结合的转录因子。
2.致密纤维组分致密纤维组分（ dense fibrillar
component,DFC）是核仁超微结构中电子密度最高的部分。
呈环形或半月形包围 FC。
rRNA以很高的密度出现在
DFC区域。
3.颗粒组分颗粒组分（ granular
component,GC）是核仁的主要结构，由直径 15～ 20nm的核糖核蛋白（ RNP）颗粒构成。
the nuclear body was emerged from the granular
component of nucleolus
二 核仁的功能核仁的主要功能涉及核糖体的生物发生（ ribosome
biogenesis）
（一） rRNA基因转录的形态及组织特征真核生物核糖体含有 4种 rRNA，即 5.8S rRNA,18S
rRNA,28S rRNA,5S rRNA，其中前三种的基因组成一个转录单位。与为蛋白质编码的 mRNA不同,rRNA分子是 rRNA基因的最终产物。
（二） rRNA前体的加工
（三）核糖体亚单位的装配
45S rRNA前体转录以后很快与蛋白质结合，因此，
rRNA前体的加工过程是以核蛋白而不是游离 rRNA的方式进行的。
三 核仁周期第五节 染色质结构和基因转录按功能状态的不同可以将染色体分为活性染色体
（ active chromatin）和非活性染色质（ inactive
chromatin）
一 活性染色质的主要特征
（一）活性染色质具有 DnaseⅠ 超敏感位点
（二）活性染色质在生化上具有特殊性二 染色质结构与基因转录
（一）疏松染色质结构的形成
1.DNA局部结构的改变与核小体相位的影响
2.组蛋白的修饰
(1)核心组蛋白的赖氨酸残基乙酰基化（ acetylation）
有活性的 X染色体含有乙酰基化的组蛋白，而失活的 X染色体其组蛋白则没有乙酰基化修饰。
(2)组蛋白 H1的磷酸化
H1磷酸化必然导致对 DNA亲和力下降
3.HMG结构域蛋白的影响与这一结构域相应的 DNA序列称为,HMG box”，而具有一个或多个 HMG结构域的蛋白质称为 HMG结构域蛋白。
（二）染色质的区间性
1.基因座控制区（ Locus control region,LCR）
2.隔离子能防止处于阻抑状态与活化状态的染色质结构域之间的结构特点向两侧扩展的染色质 DNA序列称为隔离子（ insulator）
（三）染色质模板的转录第六节 核基质与核体一 核基质用核酸酶（ Dnase和 RNase）与高盐溶液对细胞核进行处理，将 DNA、组蛋白和 RNA抽提后，核内仍残留纤维蛋白的网架结构，称为核基质（ nuclear matrix）
因为它的基本形态与胞质骨架很相似，又与胞质骨架有一定联系，所以有人称为核骨架（ nuclear
skeleton）。核基质就是指在细胞核内，除了核被膜、
核纤层、染色质与核仁以外的网架结构体系。从这一理解出发核骨架与核基质具有等同含义。
二 核体高等真核细胞的间期核内除染色质与核仁结构外，
最近在染色质之间的空间发现许多形态上不同的亚核结构域（ subnuclear domain），统称为核体（ nuclear bodies,NBs）
