2.6. 细胞核与染色质及核糖体¶
细胞核（nucleus）是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是细胞遗传、代谢的调控中心，进行基因复制、转录及其初产物加工；多呈球形、卵圆形；主要由核被膜、核纤层、染色质、核仁、核体组成。
核糖体（ribosome）是核糖核蛋白颗粒（ribonucleoprotein particle），是胞内合成蛋白质的细胞器，依mRNA信息将氨基酸高效精确的合成多肽链。
2.6.1. 核被膜¶
核被膜（nuclear envelope）于细胞核最外层，胞核与胞质间界限，由双层核膜、核孔复合体、核纤层（nuclear lamina）构成；构成核、质间选择性屏障，调控核内外物质、信息交流。
2.6.1.1. 核膜¶
核被膜由内外两层平行、不连续单位膜构成，核质侧为内（层）核膜（inner nuclear membrane）、胞质侧为外（层）核膜（outer nuclear membrane），膜间空隙约20~40nm称核周间隙（perinuclear）/核周池（perinuclear cisternae）。
内外核膜特点：外核膜表面附着核糖体，且与rER相连使得核周间隙与ER腔相通；内膜光滑，内表面具致密纤维网络结构，即核纤层，还具特有蛋白（LBR等）。
双层核膜常于某些部位相互融合形成环状开口，称核孔（nuclear pore）；核孔上具复杂结构，即核孔复合体（nuclear pore complex，NPC），核孔周围核膜称孔膜区（pore membrane domain）具特有蛋白组分（gp210等）。
真核细胞中，核膜伴随细胞周期有规律地解体、重建；分裂期时核膜崩解为单层膜泡、NPC解体、核纤层去组装，核被膜去组装具区域特异性（domain-specific）；分裂末期核被膜围绕染色体重新形成（源自旧核被膜）。
2.6.1.2. 核孔复合体¶
核孔复合体镶嵌于核孔上，横向看依次为环、辐、栓结构亚单位，纵向看依次为胞质环、辐、核质环结构亚单位。
胞质环（cytoplasmic ring）：于核孔胞质侧，又称外环；环上具8条短纤维对称分布伸向胞质。核质环（nuclear ring）：于核孔核质侧，又称内环；环上具8条纤维伸向核内，末端具环形成核篮（nuclear basket）。
辐（spoke）：由核孔边缘延伸向中心，呈辐射状8重对称；柱状亚单位（column subunit）于核孔边缘起连接内外环支撑作用；腔内亚单位（luminal subunit）为柱状亚单位外接触核膜部分的区域，穿过核膜伸入核周间隙；环带亚单位（annular subunit）是柱状亚单位内近核孔复合体中心部分，由8颗粒状结构环绕形成核孔复合体的核质交换通道。
栓/中央栓（central plug）于核孔中心，呈颗粒状/棒状，又称中央颗粒（central granule）。
NPC蛋白统一称核孔蛋白（nucleoporin，Nup），gp210、p62是最具代表性成分。gp210（结构性跨膜蛋白）介导核孔复合体与核膜连接、内外核膜融合形成核孔过程中起重要作用、在核孔复合体的核质交换功能起作用。p62（功能性Nup）的N端直接参与核质交换，C端则将分子稳定于NPC上。
从功能上，NPC可视为特殊跨膜运输蛋白复合体，是双功能（被动扩散、主动运输）、双向性（蛋白质入核，RNA、RNP出核）、亲水性核质交换通道。
经被动运输的：10nm以下的物质。组蛋白H1则因带信号肽而经主动运输，有的小分子蛋白虽无信号肽但与其它具信号肽成分结合而被主动运输至核内。
经主动运输的：亲核蛋白的输入、RNA及核糖核蛋白颗粒（RNP）的出核。选择性表现：对运输颗粒大小的限制、需信号识别与载体介导消耗ATP（具饱和动力学特征）、具双向性。
亲核蛋白（karyophilic protein）：在胞质内合成后，需要或能够进入胞核发挥功能的一类蛋白质；常在一个细胞周期中一次性地转运至核内并停留于核内行使功能（组蛋白等），有一些则穿梭于核质间（importin等）；常含特殊氨基酸序列以保证可经NPC转运至核内，此序列称核定位序列（nuclear localization sequence）或核定位信号（nuclear localization signal，NLS）；转运分结合、转移（耗能）两步。
核输出信号（nuclear export signal，NES）是出核转运起决定作用的氨基酸序列。
2.6.1.3. 核纤层¶
核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构，哺乳动物中主要由laminA、B、C构成；起结构支撑、调节基因表达、调节DNA修复、与细胞周期相关。
2.6.2. 染色质¶
染色质（chromatin）是遗传物质载体，间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在形式。
染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂、减数分裂特定阶段由染色质聚缩成的棒状结构。
DNA复制、基因转录、同源重组、DNA修复、转录偶联修复（transcription coupled repair）、DNA及组蛋白修饰等均在染色质水平进行。
2.6.2.1. 染色质DNA¶
基因组（genome）：某一生物细胞中储存于单倍体染色体组中的总遗传信息。必需基因（essential gene）、非必需基因（nonessential gene）。
基因组DNA分：蛋白编码序列；编码rRNA、tRNA、snRNA及组蛋白的串联重复序列；含重复序列的DNA；未分类的间隔DNA（unclassified DNA）。重复序列DNA：简单序列DNA（simple sequence DNA）、散在重复序列（interspersed repeats sequence）。
散在重复序列含：DNA转座子、LTR反转座子、非LTR反转座子、假基因。非LTR反转座子含：短散在元件（short interspersed element，SINE）、长散在元件（long interspersed element，LINE）。
真核生物基因组还含高度重复DNA序列（由短DNA序列串联重复排列）：卫星DNA（satellite DNA）、小卫星DNA（minisatellite DNA）、微卫星DNA（microsatellite DNA）。
2.6.2.2. 染色质蛋白¶
与染色质DNA结合的蛋白质负责DNA分子遗传信息的组织、复制、阅读；含：组蛋白（histone），无序列特异性；非组蛋白（nonhistone），与特定DNA序列/组蛋白结合。
组蛋白是构成真核生物染色体的基本结构蛋白，富含Arg、Lys等碱性氨基酸属碱性蛋白质；功能上分：核小体组蛋白（nucleosomal histone）即H2A、H2B、H3、H4；H1组蛋白。
非组蛋白是与特异性DNA序列结合的蛋白质，又称序列特异性DNA结合蛋白（sequence specific DNA binding protein），具有种类多样性、识别DNA特异性、功能多样性。
2.6.2.3. 核小体¶
核小体（nucleosome）是染色质组装的基本结构单位；每个核小体单位含200bpDNA超螺旋及1组蛋白八聚体及1组蛋白H1，147bpDNA盘绕组蛋白1.75圈，组蛋白H1于核心颗粒外结合额外20bpDNA，相邻核小体间以连接DNA（linker DNA）相连约60bp，组蛋白与DNA间相互作用是结构性不依赖特异序列。
2.6.2.4. 染色质组装¶
组装染色质过程伴随组蛋白的结合、与DNA结合、组蛋白乙酰化/去乙酰化。组装形成的核小体经多级组装成染色体612 表8-2。染色质骨架-放射环结构模型（scaffold radial loop structure model）：30nm染色线折叠成环，沿染色体纵轴向四周伸出成放射环。
2.6.2.5. 染色质类型¶
间期染色质依形态、活性、染色性能分：常染色质（euchromatin）、异染色质（heterochromatin）。
常染色质是间期细胞核内染色质纤维折叠压缩程度低，相对处于伸展态，碱性染料染色着色浅的染色质。
异染色质是间期细胞核内染色质纤维折叠压缩程度高、处聚缩状态，碱性染料染色着色深的染色质。可分：结构异染色质/组成型异染色质（constitutive heterochromatin）、兼性异染色质（facultative heterochromatin）。
结构异染色质：各细胞类型中，整个细胞周期均处于聚缩状态，无较大变化的异染色质；间期核中，结构异染色质聚集成多个染色中心（chromocenter）；特征：中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕、染色体臂某些节段，由相对简单、高度重复的DNA序列构成，具显著遗传惰性，复制上较常染色质表现为晚复制、早聚缩，占较大部分核DNA。
兼性异染色质：某些细胞类型或一定的发育阶段，常染色质聚缩、丧失基因转录活性变为异染色质。
巴氏小体（Barr body）：雌性哺乳动物细胞核内的两X染色体在发育早期有一条随机发生异染色质化而失活。
异染色质与常染色质间的转变常伴随组蛋白、DN修饰。
非活性染色质（inactive chromatin）是无转录活性的染色质。
活性染色质（active chromatin）是具转录活性的染色质，因核小体构型改变常具松散染色质结构利于转录调控因子与顺式调控元件结合及RNApol滑动；活性染色质对DNaseⅠ超敏感，组蛋白组成及修饰变化（少与H1结合、乙酰化程度高、H2B少磷酸化、H2A少有变异）。
2.6.3. 染色质复制与表达¶
2.6.3.1. 染色质复制与修复¶
细胞分裂先为遗传信息复制，复制发生于细胞周期S期，即需基因组DNA复制，亦需组装为染色质；高度浓缩的染色质结构对基因组DNA具重要保护作用，产生突变后需对其修复；染色质修复（chromatin restoration）是修复后的DNA组装成染色质的过程。
2.6.3.2. 染色质激活与失活¶
染色质疏松状态源自核小体结构改变/解聚；DNA结构与核小体相位变化（变构因子调节核小体相位而调节染色质活性）、组蛋白修饰等激活染色体。
位置花斑效应（position effect variegation）：基因表达具位置效应，有的活性基因转位至异染色质区附近时会失活的现象。失活的X染色体较活性的X染色体不被乙酰化。
2.6.3.3. 染色质与基因表达调控¶
真核细胞基因转录模板是染色质（非裸露的DNA），染色质的紧密/疏松结构可决定RNApol可否转录。
对转录的调节依赖转录因子（transcription factor），转录因子是一类依靠特异识别DNA序列并结合的蛋白质；分：通用转录因子（general transcription factor）与RNApol核心启动子位点结合，特异转录因子（specific transcription factor）与特异基因各调控位点结合促进/阻遏基因转录。
增强子（enhancer）是一类无方向性的可显著增强目的基因转录的蛋白因子。
转录因子至少含DNA结合域（DNA binding domain）、激活结构域（activation domain），转录抑制因子（transcriptional repressor）则为DNA结合域、抑制结构域（repression domain）。
DNA结合基序（DNA binding motif）是蛋白质与DNA结合时形成的特殊空间结构，如：锌指（zinc finger）、螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix）、亮氨酸拉链（leucine zipper）、同源异型结构。
转录因子是基因表达调控的重要因素，但非唯一机制，还有DNA甲基化等途径。
DNA甲基化（DNA methylation）常于C上，集中于富含CG区域/CG岛（CG rich island）；非活跃转录基因甲基化程度高于活跃转录基因；甲基化经干扰转录因子对DNA结合位点的识别、将转录激活因子识别的DNA序列转为转录抑制因子的结合位点来抑制转录，但DNA甲基化与基因活性非绝对关系。
基因组印记（genomic imprinting）是哺乳动物特有现象。组蛋白修饰（乙酰化等）介导的基因表达调控。
2.6.3.4. 染色质与表观遗传¶
表观遗传修饰（DNA、组蛋白）使DNA序列相同的个体具不同表型；组蛋白修饰构成的组蛋白密码子（histone code）、染色质重塑（chromatin remodeling）、组蛋白异型体（histone variants）、DNA甲基化、非编码RNA（noncoding RNAs）；染色质上各种标记可在细胞分裂过程中被遗传，共同构成特定细胞在特定时期的表观基因组（epigenome）。
2.6.4. 染色体¶
染色体是细胞在有丝分裂（减数分裂）时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密组装的结果。
2.6.4.1. 形态结构¶
中期染色体形态较稳定，由两姐妹染色单体（chromatid）构成，彼此经着丝粒（centromere）相连；依着丝粒位置分：中着丝粒染色体（metacentric chromosome）两臂长度相等，亚中着丝粒染色体（submetacentric chromosome），亚端着丝粒染色体（subtelocentric chromosome）具微小短臂，端着丝粒染色体（telocentrie chromosome）。
着丝粒连接两染色单体，并将染色单体分为两臂：短臂（p）、长臂（q）；主缢痕（primary constriction）：着丝粒为高度有序的整合结构，至少含3中不同结构域表 6 1。
结构域 |
构成 |
|---|---|
动粒结构域（kinetochore do-main） |
与中央结构域联系的内板（inner plate），中间间隙（middle space），外板（outer plate） |
中央结构域（central domain） |
着丝粒区主体，由串联重复卫星DNA组成 |
配对结构域（pairing domain） |
次缢痕（secondary constriction）：主缢痕外染色体上其它浅染缢缩部位；数目、位置、大小是染色体特有特征，可供鉴定。
核仁组织区（nucleolar organizing region，NOR）位于染色体次缢痕，rRNA基因所在区（非5s rRNA），与间期细胞核仁形成有关。
随体（satellite）位于染色体末端的球形染色体节段，经次缢痕与染色体主体相连，重要形态特征，具随体染色体称sat染色体。
端粒（telomere）是染色体两端特化结构，常由富G的短串联重复序列DNA（TEL DNA）组成；长度与细胞及个体寿命相关，维持染色体完整性、独立性。
2.6.4.2. 功能元件¶
染色体需具备3种功能元件（functional element）：DNA复制起点、着丝粒、端粒。
真核细胞染色体端粒重复序列由端粒酶（telomerase）合成添加至染色体末端；该酶具反转录酶性质，由特异RNA模板合成端粒重复序列。
2.6.4.3. 染色体带型¶
核型（karyotype）：染色体组在有丝分裂中期的表型，是染色体数目、大小、形态特征的总和。
核型模式图（idiogram）：染色体组的全部染色体逐个绘制，依形态等排列的图像。
2.6.4.4. 特殊染色体¶
巨大染色体（giant chromosome）：多线染色体（polytene chromosome）、灯刷染色体（lampbrush chromosome）。
多线染色体源于核内有丝分裂（endomitosis），核内DNA多次复制而细胞不分裂。
灯刷染色体是卵母细胞减数分裂Ⅰ时停留于双线期的染色体。
2.6.5. 核仁与核体¶
核仁（nucleolus）是真核细胞周期核中最显著结构；表现为单一或多个匀质球形小体，大小、形状、数目随物种、细胞类型、代谢状态而变化；是rRNA合成、加工及核糖体亚单位组装场所。
2.6.5.1. 核仁结构¶
纤维中心（fibrillar center，FC）是包埋于颗粒组分内部一个/几个浅染低电子密度的圆形结构；存在rDNA、RNApolⅠ及结合的转录因子，常认为是NOR于间期的副本。
致密纤维组分（dense fibrillary component，DFC）是核仁超微结构种电子密度最高的部分，包围FC，由致密的纤维构成；rRNA高密度出现于此区域，具特异性结合蛋白。
颗粒组分（granular component，GC）是核仁重要结构，由RNP构成可悲酶消化；是正加工、成熟的核糖体亚单位前体颗粒。
周围的染色质依情况称核仁相随染色质（nucleolar associated chromatin）、核仁内染色质（intranucleolar chromatin）、核仁周边染色质（perinucleolar chromatin）。
2.6.5.2. 核仁功能¶
核仁主要功能与核糖体生物发生（ribosome biogenesis）相关；涉及mRNA输出与降解。
2.6.5.3. 核仁动态周期变化¶
有丝分裂时核仁变形、变小随染色质凝集而消失，rRNA合成停止。
有丝分裂末期，rRNA合成重新开始，核仁重建随核仁物质聚集成分散的前核仁体（prenucleolar body，PNB），于NOR周围融合成发育的核仁。
细胞周期中核仁周期（nucleolar cycle）性变化，动态变化依赖rDNA转录、细胞周期。
2.6.5.4. 核体¶
核体（nuclear body）结构是胞核内其它结构，无膜包被、高度动态变化；如Cajal体、GEMS、染色质间颗粒。
2.6.6. 核基质¶
核基质（nuclear matrix）/核骨架（nuclear skeleton）：胞核经核酸酶、高盐溶液处理后，抽提DNA、RNA、组蛋白后残留的纤维蛋白网架结构，与胞质骨架有一定联系。核骨架（广义）：核基质、核纤层、染色体骨架（chromosome scaffold）。
核骨架是存于真核胞核内的结构体系；与核纤层、中间丝相连成网络体系，贯穿于核质的相对独立结构系统；主要成分由非组蛋白的纤维蛋白构成，RNA可能对维持骨架结构完整性是必要的；与DNA复制、基因表达、染色体组装与构建具密切关系。
2.6.7. 核糖体类型与结构¶
2.6.7.1. 基本类型与化学组成¶
核糖体由大小亚基（subunit）组成，分真原核细胞核糖体。
类型 |
核糖体 |
亚基 |
亚基大小 |
RNA |
|---|---|---|---|---|
原核 |
70S |
大亚基 |
50S |
23S、5S |
小亚基 |
30S |
16S |
||
真核 |
80S |
大亚基 |
60S |
25-28S、5.8S、5S |
小亚基 |
40S |
8S |
核糖体大小亚基常游离于胞质基质中，小亚基与mRNA结合后大亚基才结合形成完整核糖体。
2.6.7.2. 结构¶
rRNA高度压缩构成核糖体核心、决定核糖体整体形态；核糖体蛋白分布于表面；由rRNA催化肽键形成。
核糖体分子具1个mRNA结合位点，3个tRNA结合位点：A位点（aminoacyl site）、P位点（petidyl site）、E位点（exit site），这些位点横跨大小亚基结合面；结合面上（mRNA、tRNA结合处）无核糖体蛋白分布。
2.6.7.3. 核糖体蛋白质与rRNA功能¶
核糖体上具与一系列蛋白质合成相关的结合位点、催化位点：mRNA结合位点、A位点、P位点、E位点、延伸因子结合位点（肽酰tRNA从A位点转移至P位点相关酶）、肽酰转移酶催化位点。
rRNA是起主要作用的结构成分：具肽酰转移酶活性、提供tRNA结合位点、为蛋白质合成因子提供结合位点、起始时参与mRNA选择性结合及延伸时肽链与mRNA结合，大小亚基结合、校正阅读（proofreading）、抗生素作用等。
2.6.8. 多核糖体与蛋白质合成¶
2.6.8.1. 多核糖体¶
多核核糖体（polyribosome/polysome）：蛋白质合成时多个核糖体串联与同一mRNA上高效合成肽链，是核糖体与mRNA的聚合体。
2.6.8.2. 蛋白质合成¶
蛋白质合成/蛋白质翻译，主要分肽链起始、肽链延伸、肽链终止612 9.9.2。