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分子生物學導論/細胞核

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細胞核是第一個被發現的細胞器。可能儲存最古老的繪製圖可以追溯到早期的顯微鏡學家安東尼·範·列文虎克（1632-1723）。他在鮭魚的紅血球中觀察到一個“腔”，即細胞核。與哺乳動物紅血球不同的是，其他脊椎動物的紅血球仍然擁有細胞核。細胞核也被弗朗茲·鮑爾在1804年和1831年由蘇格蘭植物學家 **羅伯特·布朗** 在倫敦林奈學會的一次演講中描述。布朗在顯微鏡下研究蘭花時，觀察到花的外層細胞中存在一個不透明區域，他稱之為“暈圈”或“細胞核”。他沒有提出潛在的功能。

1838年，馬蒂亞斯·施萊登提出細胞核在細胞生成中發揮作用，因此他引入了“細胞芽”（細胞構建者）這個名稱。他認為他觀察到新的細胞在“細胞芽”周圍組裝。弗朗茲·邁恩強烈反對這種觀點，他之前已經描述過細胞透過分裂進行增殖，並且認為許多細胞不會有細胞核。細胞可以透過“細胞芽”或其他方式從頭生成的想法，與羅伯特·雷馬克（1852）和魯道夫·維爾肖（1855）的工作相矛盾，他們堅決傳播了新的正規化，即細胞僅由細胞生成（“ **Omnis cellula e cellula** ”）。

細胞核的功能仍然不清楚。在1876年到1878年之間，奧斯卡·赫特維希發表了幾項關於海膽卵子受精的研究，表明精子的細胞核進入卵母細胞並與它的細胞核融合。這是首次有人提出，個體是由一個（單個）有核細胞發育而來的。這與恩斯特·海克爾的理論相矛盾，該理論認為，物種的整個系統發育將在胚胎髮育過程中重複，包括從一個“單細胞”，一個無結構的原始黏液團塊（“原生質”）生成第一個有核細胞。因此，精子細胞核對受精的必要性在相當長一段時間內一直存在爭議。然而，赫特維希在其他動物群體（例如兩棲動物和軟體動物）中證實了他的觀察結果。 **愛德華·施特拉斯伯格** 為植物得到了相同的結果（1884）。這為將細胞核在遺傳中發揮重要作用鋪平了道路。1873年，奧古斯特·魏斯曼假設母體和父體生殖細胞在遺傳上的等效性。細胞核作為遺傳資訊的載體功能，直到後來，在有絲分裂被發現以及孟德爾法則在20世紀初被重新發現後才變得明朗；染色體遺傳理論被髮展出來。 [1]

細胞核

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圖1 HeLa 細胞用 DNA 染料 藍色 Hoechst 染色。中央和最右側的細胞處於 間期，因此它們的整個細胞核都被標記。左側是一個正在經歷 有絲分裂 的細胞，它的DNA已經濃縮，準備分裂。

細胞核（ **複數：細胞核**；源於拉丁語 nucleus 或 nuculeus，意思是核）是真核細胞中發現的一種膜包裹的細胞器。它包含細胞的大部分遺傳物質（DNA），以與各種蛋白質（如組蛋白）形成複合物的多個長線性 DNA 分子形式組織，形成染色體。這些染色體中的基因是細胞的核基因組。細胞核的功能是維護這些基因的完整性，並透過調節基因表達來控制細胞的活動——因此，細胞核是細胞的控制中心。構成細胞核的主要結構是核膜，它是一種包圍整個細胞器的雙層膜，將它的內容物與細胞質隔開，以及核纖層，它是一種位於細胞核內的網狀結構，為其提供機械支撐，就像細胞骨架支撐整個細胞一樣。由於核膜對大多數分子來說是不可滲透的，因此需要核孔來允許分子穿過核膜。這些孔穿透兩層膜，提供一個通道，允許小分子和離子自由移動。較大分子（如蛋白質）的運動受到嚴格控制，需要由載體蛋白調節的主動運輸。核運輸對細胞功能至關重要，因為透過孔的移動是基因表達和染色體維持所必需的。雖然細胞核內部不包含任何膜結合的亞區室，但其內容物並不均勻，存在許多亞核體，它們由獨特的蛋白質、RNA 分子和染色體的特定部分組成。其中最著名的是核仁，它主要參與核糖體的組裝。在核仁中產生後，核糖體被輸出到細胞質中，在那裡它們翻譯 mRNA。 [2]

細胞核的組成部分

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核骨架

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在用非離子去垢劑處理細胞核後，再用核酸酶處理和高鹽提取去除染色質和可溶性蛋白質，保留下來不溶性的核骨架框架，通常被稱為核基質。這種核骨架由兩個部分組成，即核纖層和一個由複雜結構的纖維組成的網路，連線到核纖層並分佈在整個核體積中。這些高度結構化的纖維組裝體已被證明連線到一個潛在的 10 nm 核心細絲網路中。核纖層蛋白 A、B 和 C 是外周纖層的核心結構成分。將纖層連線到核膜和異染色質的其他蛋白質聚集在核周緣。其他與核基質相關的成分，如 hnRNP 複合物、新轉錄的完整長度 mRNA、RNA 聚合酶 I 和 II、各種轉錄因子和剪接體複合物，位於連線到核纖層的潛在的支鏈 10 nm 細絲網路上。這些關聯可能是動態的，並允許核結構和功能具有相當大的可塑性。此外，許多研究表明存在一個組織結構，如核基質，來協調 DNA 合成的空間調控。構成核骨架的主要候選蛋白是核纖層蛋白和核肌動蛋白。

1.Nuclear envelope:
有絲分裂期間的核膜破裂和重組。在 G2 結束時，包括 CDK1 在內的細胞週期蛋白依賴性激酶的啟用觸發進入有絲分裂前期。核膜破裂，並且 NE 相關的蛋白質要麼轉運到著絲粒，要麼與斷裂的內質網網路一起分佈，要麼溶解在細胞質中。在後期期間 NE 重組時，SUN1 和 LAP2 最初出現在濃縮的染色質周圍，儘管在不同的區域。然後，核纖層蛋白在末期加入核周緣。此圖說明了 NE 和核纖層在正常有絲分裂中發揮的重要作用。Chi 等人。生物醫學科學雜誌 2009 年。[3]

核膜（NE）（也稱為核周膜、核膜、核膜或核膜）是包圍真核細胞遺傳物質的雙層脂質雙層。核膜還充當物理屏障，將核內容物（特別是 DNA）與胞質溶膠（細胞質）隔開。許多核孔嵌入核膜中，促進和調節物質（蛋白質，如轉錄因子和 RNA）在核和細胞質之間的交換。核膜由脂質雙層組成。外膜與粗麵內質網連續，而核心膜是幾種核心膜蛋白的主要駐留地。**外核膜和核心膜在核孔複合體的位置融合。**膜的結構還包括核糖體。構成核膜的兩個膜之間的空間稱為核周空間（也稱為核周池、NE 腔），通常寬約 20-40 奈米。核心膜連線到核纖層。[4]

有絲分裂期間的核膜破裂

有絲分裂期間的核膜破裂和重組。在 G2 結束時，包括 CDK1 在內的細胞週期蛋白依賴性激酶的啟用觸發進入有絲分裂前期。核膜破裂，並且 NE 相關的蛋白質要麼轉運到著絲粒，要麼與斷裂的內質網網路一起分佈，要麼溶解在細胞質中。在後期期間 NE 重組時，SUN1 和 LAP2 最初出現在濃縮的染色質周圍，儘管在不同的區域。然後，核纖層蛋白在末期加入核周緣。此圖說明了 NE 和核纖層在正常有絲分裂中發揮的重要作用。Chi 等人。生物醫學科學雜誌 2009 年。[1] 在有絲分裂的前期，染色單體開始濃縮形成染色體，核膜破裂並縮回有絲分裂內質網。在中期，核膜已完全解體並被內質網吸收，使染色體可以透過附著在每個染色體著絲粒上的紡錘體纖維連線在一起。其他真核生物，如酵母菌，進行封閉的有絲分裂，其中染色體在核膜內分離，然後在三個子細胞分裂時出芽。在有絲分裂過程中，核膜在前期被降解。沒有這一步驟，核物質將無法分離成兩個核，進而分離成兩個細胞。然而，在後期結束時，染色體現在已經分離，並且每一組都在母細胞的各自一半中。為了保護遺傳物質，核膜必須在這個階段重新形成。這是利用來自內質網的膜和稱為核纖層蛋白的蛋白質來完成的，這些蛋白質引導新的包膜。 （阿爾伯茨）像細胞中的一些其他細胞器一樣，內質網由磷脂雙層組成。這種薄膜非常靈活，部分可以被掐斷形成新的細胞器、囊泡，或者在這種情況下，形成核。2007 年，研究人員發現，ER 的片段會斷裂並融合形成核膜。然而，必須有一個結構元素將這些囊泡聚集在一起，因為核比 ER 的結構要複雜得多。這個元素是染色單體和核膜本身之間的核纖層，稱為核纖層。核纖層蛋白是長的纖維狀蛋白質。在前期，它們被磷酸化（添加了一個磷酸基團），導致蛋白質改變形狀並失去其結構特性。這就是導致核膜破裂的原因。然而，在後期結束時，現有的核纖層蛋白被去磷酸化，甚至產生更多。一旦染色體分離，核纖層蛋白就開始再次形成。在有絲分裂開始的時候，內質網的末端與 DNA 結合，使用核纖層蛋白 A 受體。 （Duband-Goulet 和 Courvalin）一旦核纖層蛋白開始重新形成，它就會迫使內質網的微管在染色單體的表面形成網路。 （安德森和赫策）這些管最終被壓平並融合，形成一個完整的核膜。尚不清楚是什麼機制導致這種情況發生。內質網和 LBR 最終從 DNA 上分離。在成熟的細胞中，核纖層蛋白形成一個連續的層，位於核膜的內部，並透過稱為核膜蛋白的蛋白質連線到核。[5]

2.Nuclear pores:

核孔是穿過核膜的大型蛋白質複合體，核膜是包圍真核細胞核的雙層膜。在脊椎動物細胞的核膜中，平均約有 2000 個核孔複合體，但它會根據細胞型別和生命週期中的階段而有所不同。構成核孔複合體的蛋白質被稱為核孔蛋白。大約一半的核孔蛋白通常包含 α 螺旋或 β-螺旋槳摺疊，或者在某些情況下兩者作為獨立的結構域存在。另一半則顯示出“天然展開”蛋白質的典型結構特徵，即它們是高度靈活的蛋白質，缺乏有序的二級結構。[6]

NPC 的組裝

由於 NPC 控制著對基因組的訪問，因此在細胞週期中大量轉錄所需的區域，它必須大量存在。例如，迴圈哺乳動物和酵母細胞在細胞有絲分裂的 G1 和 G2 階段之間使核中的 NPC 數量增加一倍。卵母細胞積累大量 NPC 以備發育早期階段的快速有絲分裂。間期細胞還必須保持一定水平的 NPC 生成，以使細胞中的 NPC 水平保持恆定，因為有些 NPC 可能被損壞。一些細胞甚至可以由於轉錄需求增加而增加 NPC 數量。

組裝理論 那麼這些龐大的蛋白質複合體是如何組裝的呢？由於某些蛋白質複合體（如 Nup 107–160 複合體）的免疫耗竭會導致無孔核的形成，因此 Nup 複合體很可能參與了核膜外膜與內膜的融合，而不是膜的融合開始孔的形成。這可能導致形成完整的 NPC 的幾種方法。一種可能性是，作為蛋白質複合體，它與染色質結合。然後，它被插入靠近染色質的雙層膜中。這反過來會導致該膜的融合。最終，其他蛋白質複合體在這個蛋白質複合體周圍結合形成 NPC。這種方法在有絲分裂的每個階段都是可能的，因為雙層膜在膜融合蛋白複合體能夠插入之前就存在於染色質周圍。有絲分裂後細胞可以先形成膜，然後再將孔插入到膜形成之後。另一種形成 NPC 的模型是，與單個蛋白質複合體相比，從一個預孔開始。當幾個 Nup 複合體聚合在一起並與染色質結合時，就會形成這種預孔。這將使雙層膜在有絲分裂重組期間圍繞它形成。使用電子顯微鏡觀察到染色質在核膜（NE）形成之前可能存在預孔結構。在細胞週期的間期，預孔的形成將在核內發生，每個組分透過現有的 NPC 轉運進來。這些 Nups 將與 importin 結合，一旦形成，就會阻止預孔在細胞質中組裝。一旦轉運到核內，Ran GTP 將與 importin 結合並導致它釋放貨物。這個 Nup 將能夠形成預孔。importin 的結合至少已被證明可以將 Nup 107 和 Nup 153 核孔蛋白帶入核內。NPC 組裝是一個非常快速的過程，但定義的中間狀態會發生，這導致了這種組裝以逐步方式發生的觀點。第三種可能的 NPC 組裝方法是分裂。這種方法似乎是為間期期間的 NPC 形成量身定製的。當更多的前體被新增到現有的 NPC 上時，就會發生這種情況。NPC 的八重對稱性已被證明具有一定的可塑性，並且將允許這種情況發生。最終，足夠多的前體將被新增並允許一個新的 NPC 從原始的 NPC 分裂出來。這種 NPC 組裝方法只能在細胞週期的間期發生。

核孔複合體（NPC）的拆卸 在有絲分裂過程中，NPC 似乎會分階段拆卸。外圍核孔蛋白，例如 Nup 153、Nup 98 和 Nup 214，會從 NPC 上分離。其餘的，可以被認為是支架蛋白，會保持穩定，以圓柱形環狀複合物的形式存在於核膜內。NPC 外圍組的這種拆卸被認為主要是磷酸驅動的，因為這些核孔蛋白中的一些在有絲分裂的各個階段會發生磷酸化。然而，參與磷酸化的酶在體內尚不清楚。在後生動物（進行開放式有絲分裂）中，NE 在外圍 Nups 丟失後會迅速降解。其原因可能是由於 NPC 結構發生了改變。這種改變可能會使 NPC 對參與 NE 降解的酶（如胞質微管蛋白）更具滲透性，並允許關鍵的有絲分裂調節蛋白進入。

在進行封閉式有絲分裂（核不降解）的真菌中，已經證明 NE 滲透性屏障的變化是由於 NPC 內部的變化造成的，而這正是允許有絲分裂調節蛋白進入的原因。在麴黴屬真菌中，NPC 的組成似乎受到有絲分裂激酶 NIMA 的影響，可能是透過磷酸化核孔蛋白 Nup98 和 Gle2/Rae1。這種重塑似乎允許蛋白質複合物 cdc2/cyclinB 進入細胞核，以及許多其他蛋白質，例如可溶性微管蛋白。NPC 支架在整個封閉式有絲分裂過程中都保持完整。這似乎能保持 NE 的完整性。[6]

3.Nuclear lamina:

核纖層是真核細胞核內一個緻密的（約 30 到 100 奈米厚）纖維狀網路。它由中間纖維和膜相關蛋白組成。除了提供機械支撐外，核纖層還調節重要的細胞事件，例如 DNA 複製和細胞分裂。此外，它參與染色質組織，並錨定嵌入核膜中的核孔複合體。核纖層與雙層核膜的內側相連，而外側則與內質網連續。

核纖層結構

核纖層由兩個主要成分組成：核纖層蛋白和核纖層相關膜蛋白。核纖層蛋白是 V 型中間纖維，根據序列同源性、生化特性和細胞週期中的細胞定位，可以分為 A 型（核纖層蛋白 A、C）或 B 型（核纖層蛋白 B1、B2）。V 型中間纖維與細胞質中間纖維的不同之處在於它們的桿狀結構域更長（長 42 個氨基酸），它們都在 C 末端帶有核定位訊號 (NLS)，並且它們表現出典型的三級結構。核纖層蛋白多肽幾乎完全呈 α-螺旋構象，具有多個 α-螺旋結構域，這些結構域由長度和氨基酸序列高度保守的非 α-螺旋連線體隔開。C 末端和 N 末端都是非 α-螺旋的，C 末端顯示出球狀結構。它們的分子量範圍從 60 到 80 千道爾頓 (kDa)。在核纖層蛋白的氨基酸序列中，還有兩個磷酸化受體位點存在，它們位於中央桿狀結構域的兩側。在有絲分裂開始時發生的磷酸化事件會導致構象改變，從而導致核纖層解聚。在脊椎動物基因組中，核纖層蛋白由三個基因編碼。透過可變剪接，可以獲得至少七種不同的多肽（剪接變體），其中一些是生殖細胞特異性的，並在減數分裂過程中染色質重組中發揮重要作用。並非所有生物都有相同數量的核纖層蛋白編碼基因；例如，果蠅只有 2 個基因，而秀麗隱杆線蟲只有一個。核纖層蛋白多肽的存在是後生動物的獨有特性。植物或單細胞真核生物（如釀酒酵母）缺乏核纖層蛋白。核纖層相關膜蛋白是整合膜蛋白或外周膜蛋白。最重要的核纖層相關蛋白是 1 和 2（LAP1、LAP2）、埃美林、核纖層蛋白 B 受體 (LBR)、奧特芬和 MAN1。由於它們位於內膜內或與內膜相關，它們介導了核纖層與核膜的連線。[7]

核纖層蛋白的功能

核纖層蛋白透過兩個核纖層蛋白多肽之間的相互作用組裝，其中 α-螺旋區域相互纏繞形成雙鏈 α-螺旋捲曲螺旋結構，隨後多個二聚體進行頭尾相連的結合。線性延伸的聚合物透過聚合物側對側的結合而橫向擴充套件，從而形成一個位於核膜下方的二維結構。除了為細胞核提供機械支撐外，核纖層蛋白還在染色質組織、細胞週期調節、DNA 複製、細胞分化和凋亡中發揮著至關重要的作用。

染色質組織 基因組的非隨機組織強烈表明核纖層蛋白在染色質組織中起作用。事實上，已經證明核纖層蛋白多肽透過其 α-螺旋（桿狀）結構域在稱為基質附著區 (MAR) 的特定 DNA 序列上具有結合染色質的親和力。MAR 的長度約為 300-1000 bp，具有高 A/T 含量。核纖層蛋白 A 和 B 也可以透過其尾部結構域中的一個序列元件結合核心組蛋白。[8]

細胞週期調節 在有絲分裂開始時（前期、前中期），細胞機制參與各種細胞成分（包括核膜、核纖層和核孔複合體等結構）的拆卸。這種核分解對於允許有絲分裂紡錘體與（濃縮的）染色體相互作用並在其著絲粒處結合是必要的。這些不同的拆卸事件是由 cyclin B/Cdk1 蛋白激酶複合物 (MPF) 引發的。一旦該複合物被啟用，細胞就會被迫進入有絲分裂，透過隨後啟用和調節其他蛋白激酶，或透過直接磷酸化參與這種細胞重組的結構蛋白。在 cyclin B/Cdk1 磷酸化後，核纖層解聚，B 型核纖層蛋白與核膜片段保持相關，而 A 型核纖層蛋白在有絲分裂的剩餘階段保持完全可溶。核纖層在該階段分解的重要性可以透過抑制分解事件會導致細胞週期完全停滯的實驗來證明。在有絲分裂結束時（後期、末期），核重組是一個嚴格的時間調控過程，從仍然部分濃縮的染色體表面上的“骨架”蛋白的結合開始，然後是核膜組裝。新的核孔複合體透過這些複合體被積極地匯入核纖層蛋白，並利用它們的 NLS。這種典型的等級制度引發了一個問題，即核纖層蛋白在這個階段是否具有穩定作用或某些調節功能，因為很明顯它在染色質周圍的核膜組裝中沒有發揮重要作用。

胚胎髮育和細胞分化 在各種模式生物（如非洲爪蟾、雞和哺乳動物）中很容易觀察到核纖層蛋白在胚胎髮育中的存在。在非洲爪蟾中，已經鑑定了五種不同的型別，它們在胚胎髮育的不同階段表現出不同的表達模式。主要型別是 LI 和 LII，它們被認為是核纖層蛋白 B1 和 B2 的同源物。LA 被認為是核纖層蛋白 A 的同源物，而 LIII 被認為是 B 型核纖層蛋白。還存在第四種類型，它是生殖細胞特異性的。在雞的早期胚胎階段，唯一的核纖層蛋白是 B 型核纖層蛋白。在後面的階段，核纖層蛋白 B1 的表達模式下降，而核纖層蛋白 A 的表達逐漸增加。哺乳動物發育似乎以類似的方式進行。在後一種情況下，B 型核纖層蛋白也是在早期階段表達的。核纖層蛋白 B1 達到了最高的表達水平，而核纖層蛋白 B2 在早期階段的表達相對恆定，並在細胞分化後開始增加。隨著相對較晚的發育階段中不同組織型別的發育，核纖層蛋白 A 和核纖層蛋白 C 的水平會增加。這些發現表明，在最基本的形式中，功能性核纖層蛋白只需要 B 型核纖層蛋白。[8]

DNA 複製 各種實驗表明，核纖層蛋白在 DNA 複製的延伸階段起作用。據推測，核纖層蛋白提供了一個支架，對於組裝延伸複合物至關重要，或者它為組裝這種核支架提供了一個起始點。在複製過程中，不僅存在與核纖層蛋白相關的核纖層蛋白，而且也存在遊離的核纖層蛋白多肽，它們似乎在複製過程中發揮著一定的調節作用。[8]

凋亡 凋亡，基本上可以被認為是細胞自殺，在組織穩態和防禦生物體免受病毒或其他病原體的入侵中至關重要。凋亡是一個高度受調控的過程，其中核纖層在早期階段被分解。與有絲分裂過程中磷酸化誘導的分解不同，核纖層蛋白被蛋白水解切割降解，核纖層蛋白和核纖層相關膜蛋白都是靶標。這種蛋白水解活性是由 caspase 蛋白家族的成員執行的，這些成員在天冬氨酸 (Asp) 殘基後切割核纖層蛋白。[7][8]

染色體

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來自人類女性淋巴細胞的核型圖，使用FISH 探測Alu 序列。

在 1880 年代中期的一系列實驗中，西奧多爾·博韋裡（Theodor Boveri）給出了染色體是遺傳載體的決定性證明。他的兩個原則是染色體的連續性和染色體的個體性。正是第二個原則如此新穎。威廉·魯克斯（Wilhelm Roux）認為每個染色體攜帶不同的遺傳負荷。博韋裡能夠檢驗並證實了這一假設。在 1900 年代初格里高爾·孟德爾（Gregor Mendel）早期工作的重新發現的幫助下，博韋裡能夠指出遺傳規則和染色體行為之間的聯絡。博韋裡影響了兩代美國細胞學家：埃德蒙·比徹·威爾遜（Edmund Beecher Wilson）、沃爾特·薩頓（Walter Sutton）和西奧菲勒斯·潘特（Theophilus Painter）都受到博韋裡的影響（威爾遜和潘特實際上與他一起工作）。在他著名的教科書《發育與遺傳中的細胞》中，威爾遜將博韋裡和薩頓（都在 1902 年左右）的獨立工作聯絡在一起，將染色體遺傳理論命名為“薩頓-博韋裡理論”（有時名稱會顛倒）。恩斯特·邁爾（Ernst Mayr）指出，該理論受到一些著名遺傳學家的強烈反對：威廉·貝特森（William Bateson）、威廉·約翰森（Wilhelm Johannsen）、理查德·戈爾德施密特（Richard Goldschmidt）和 T.H. 摩根（T.H. Morgan），他們都具有相當教條的思維方式。最終，完整的證據來自摩根自己實驗室的染色體圖。細胞核包含細胞中大部分的遺傳物質，以多種線性 DNA 分子的形式組織成稱為染色體的結構。染色體是細胞中發現的 DNA 和蛋白質的組織結構。它是一條盤繞的 DNA 序列，包含許多基因、調控元件和其他核苷酸序列。染色體還包含與 DNA 結合的蛋白質，這些蛋白質用於包裝 DNA 並控制其功能。染色體[9] 這個詞源於希臘語 χρῶμα (chroma, 顏色) 和 σῶμα (soma, 身體)，因為它們具有被特定染料強烈染色[10] 的特性。

端粒 端粒是染色體末端重複 DNA 的區域，它保護染色體末端免受退化。它的名稱源於希臘語名詞 telos “末端” 和 merοs “部分”。端粒區域透過允許染色體末端縮短來阻止染色體末端附近基因的降解，而染色體末端縮短在染色體複製過程中必然發生。

下表描述了不同生物體細胞核中存在的染色體總數（包括性染色體）。[11]

一些植物的染色體數量[11]
植物物種 #[11]
擬南芥 (二倍體)[12]
 10
黑麥 (二倍體)[13] 14
玉米 (二倍體或古四倍體)[14]
莖、穗和須
 20
單粒小麥 (二倍體)[15] 14
硬粒小麥 (四倍體)[15] 28
麵包小麥 (六倍體)[15]
緊湊小麥的穗
 42
栽培菸草 (四倍體)[16] 48
蛇舌蕨 (二倍體)[17]
 約 1,200
一些動物的染色體數量 (2n)[11]
物種 # 物種 #
普通果蠅
雄性 (左) 和雌性 D. melanogaster
 8 豚鼠[18] 64
孔雀魚 (Poecilia reticulata)[19]
雄性和雌性孔雀魚。
 46 蝸牛[20] 54
蚯蚓 (Octodrilus complanatus)[21]
Ocypus olens 試圖捕食 Lumbricus sp。
 36 西藏狐 36
家貓[22] 38 家豬 38
實驗鼠[23][24]
BALB/c 小鼠
 40 實驗鼠[24] 42
兔子 (Oryctolagus cuniculus)[25] 44 敘利亞倉鼠[23] 44
野兔[26][27] 48 人類[28] 46
大猩猩，黑猩猩[28] 48 家羊 54
大象[29] 56 奶牛 60
驢 62 馬 64
狗[30] 78 翠鳥[31] 132
金魚[32] 100-104 家蠶[33] 56
其他生物的染色體數量[11]
物種 大型
染色體		 中等
染色體		 微染色體
布魯氏錐蟲 11 6 ~100
家鴿 (Columba livia domestics)[34] 18 - 59-63
雞[35] 8 2 條性染色體 60

DNA 包裝 原核生物沒有細胞核。相反，它們的 DNA 被組織成稱為核區的結構。核區是一個獨特的結構，佔據細菌細胞的特定區域。然而，這種結構是動態的，並透過一系列類似組蛋白的蛋白質的作用來維持和重塑，這些蛋白質與細菌染色體相關聯。在古細菌中，染色體中的 DNA 組織得更加緊密，DNA 被包裝在類似真核細胞核小體的結構中。細菌染色體往往與細菌的質膜相連。在分子生物學應用中，這允許透過離心裂解的細菌和沉澱膜（以及連線的 DNA）來將其與質粒 DNA 分離。原核染色體和質粒與真核 DNA 一樣，通常是超螺旋的。DNA 必須首先釋放到其鬆弛狀態，才能用於轉錄、調控和複製。[11]

圖 2：DNA 緊縮中的主要結構；DNA、核小體、10nm 的“串珠”纖維、30nm 纖維和中期 染色體。

核仁

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核仁是細胞核中一個離散的、染色密集的結構。它是一個無膜結構，有時被稱為亞細胞器。它形成於核仁組織區 (NOR) 周圍的 rDNA 串聯重複序列，編碼核糖體 RNA (rRNA) 的 DNA。核仁的主要作用是合成 rRNA 並組裝核糖體。核仁的結構凝聚力取決於其活性，因為核仁中的核糖體組裝導致核仁組分的瞬時關聯，促進進一步的核糖體組裝，從而進一步關聯。該模型得到以下觀察結果的支援：rDNA 失活會導致核仁結構的相互交織。[36]

剪接斑點或 SC35 斑點

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有時被稱為染色質間顆粒簇 (IGC) 或剪接因子隔室，斑點富含剪接 snRNP 和其他用於前 mRNA 加工的剪接蛋白。由於細胞不斷變化的需求，這些結構的組成和位置會根據 mRNA 轉錄和特定蛋白磷酸化進行調節而改變。[36]

卡哈爾體或螺旋體

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細胞核通常包含 1 到 10 個緊湊結構，稱為卡哈爾體或螺旋體 (CB)，其直徑在 0.2 µm 到 2.0 µm 之間，具體取決於細胞型別和物種。在電子顯微鏡下觀察時，它們類似於一團纏繞的線，是蛋白卷曲蛋白分佈的密集焦點。CB 參與許多與 RNA 加工相關的不同作用，特別是小核仁 RNA (snoRNA) 和小核 RNA (snRNA) 成熟以及組蛋白 mRNA 修飾。[36]

核輸入和輸出

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核定位訊號 (NLS)

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核定位訊號或序列 (NLS) 是一種氨基酸序列，它像蛋白質暴露表面上的“標籤”一樣。該序列用於透過核孔複合體將蛋白質靶向細胞核，並透過細胞質核轉運受體識別，將新合成的蛋白質導向細胞核。通常，該訊號由一個或多個帶正電荷的賴氨酸或精氨酸的短序列組成。不同的核定位蛋白可能共享相同的 NLS。NLS 與核輸出訊號具有相反的功能，後者將蛋白質從細胞核中靶向輸出。[37]

A. 經典 NLS 經典核定位訊號可進一步分類為單部分或雙部分。第一個被發現的 NLS 是 SV40 大 T 抗原中的序列 PKKKRKV（單部分 NLS）。核質蛋白的 NLS，KR[PAATKKAGQA]KKKK，是無處不在的雙部分訊號的原型：兩個鹼性氨基酸簇，由大約 10 個氨基酸的間隔物隔開。這兩種訊號都得到 importin α 的識別。Importin α 本身包含一個雙部分 NLS，該 NLS 特異性地被 importin β 識別。後者可以被認為是實際的輸入介質。Chelsky 等人提出了單部分 NLS 的共有序列 K-K/R-X-K/R。因此，Chelsky 序列可能是雙部分 NLS 下游鹼性簇的一部分。Makkerh 等人對 SV40 T 抗原（單部分）、C-myc（單部分）和核質蛋白（雙部分）的核定位訊號進行了比較誘變，並展示了所有三種訊號的共同氨基酸特徵。值得注意的是，中性和酸性氨基酸的作用首次在促進 NLS 效率方面得到證明。[37]

B. 非經典 NLS

還有許多其他型別的 NLS，例如 hnRNP A1 的酸性 M9 結構域、酵母轉錄抑制因子 Matα2 中的序列 KIPIK 以及 U snRNP 的複雜訊號。這些 NLS 中的大多數似乎直接被 importin β 家族的特定受體識別，而無需 importin α 樣蛋白的干預。一種似乎特定於大量生產和運輸的核糖體蛋白的訊號，似乎伴隨著一套專門的 importin β 樣核輸入受體。最近，Lee 等人首次提出了一類稱為 PY-NLS 的 NLS。這個 PY-NLS 基序，因此得名於其中的脯氨酸-酪氨酸氨基酸配對，允許蛋白質與 Importin β2（也稱為轉運蛋白或 karyopherin β2）結合，然後將貨物蛋白轉運到細胞核中。包含在 Importin β2 中的 PY-NLS 的結合結構基礎已被確定，並已設計出一種進口抑制劑。[37]

核輸出訊號 (NES)

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核輸出訊號 (NES) 是蛋白質中由 4 個疏水殘基組成的短氨基酸序列，它將蛋白質靶向透過核孔複合體從細胞核輸出到細胞質。它與核定位訊號具有相反的作用，核定位訊號將位於細胞質中的蛋白質靶向輸入到細胞核中。NES 被輸出蛋白識別並結合。對已知 NES 的計算機分析發現，疏水殘基最常見的間隔為 LxxxLxxLxL，其中“L”是疏水殘基（通常是亮氨酸），“x”是任何其他氨基酸；這些疏水殘基的間隔可以透過檢查包含 NES 的已知結構來解釋，因為關鍵殘基通常位於蛋白質中相鄰二級結構的同一面上，這使得它們能夠與輸出蛋白相互作用[1]。核糖核酸 (RNA) 由核苷酸組成，因此缺乏從細胞核中移動出來的核輸出訊號。因此，大多數形式的 RNA 將與蛋白質分子結合形成核糖核蛋白複合體，以從細胞核中輸出。核輸出首先從 Ran-GTP（一種 G 蛋白）與輸出蛋白的結合開始。這會導致輸出蛋白髮生形狀變化，從而增加其對輸出貨物的親和力。一旦貨物被結合，Ran-輸出蛋白-貨物複合體就會透過核孔從細胞核中移出。然後，GTP 酶啟用蛋白 (GAP) 將 Ran-GTP 水解為 Ran-GDP，這會導致形狀變化和隨後的輸出蛋白釋放。一旦不再與 Ran 結合，輸出蛋白分子也會失去對核貨物的親和力，複合體就會分解。輸出蛋白和 Ran-GDP 分別被回收至細胞核，細胞核中的鳥嘌呤交換因子 (GEF) 將 Ran 上的 GDP 切換為 GTP。[37]

間期核運輸中 Ran GTP 酶的作用

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Ran 迴圈示意圖
Ran 迴圈參與核孔處的核質轉運

Ran（RAs 相關核蛋白）是一種小的 25Kda 蛋白，參與間期期間進出細胞核的轉運，也參與有絲分裂。它是 Ras 超家族的成員。Ran 以兩種核苷酸結合形式存在於細胞中：GDP 結合和 GTP 結合。RanGDP 透過 RCC1（染色體凝聚調節因子 1）的作用轉化為 RanGTP，RCC1 是 Ran 的核苷酸交換因子。RCC1 也被稱為 RanGEF（Ran 鳥嘌呤核苷酸交換因子）。Ran 的內在 GTP 酶活性透過與 Ran GTP 酶啟用蛋白 (RanGAP) 相互作用而被啟用，並透過與 Ran 結合蛋白 (RanBP) 形成複合物而促進。GTP 酶啟用導致 RanGTP 轉化為 RanGDP，從而完成 Ran 迴圈。

Ran 可以自由地在細胞內擴散，但由於 RCC1 和 RanGAP 位於細胞中的不同位置，因此 RanGTP 和 RanGDP 的濃度也因位置不同而不同，從而形成作為其他細胞過程訊號的濃度梯度。RCC1 與染色質結合，因此位於細胞核內。RanGAP 在酵母中是細胞質的，而在植物和動物中與核膜結合。在哺乳動物細胞中，它被 SUMO 修飾並透過與核孔蛋白 RanBP2（Nup358）的相互作用附著在核孔複合體的細胞質側。Ran 迴圈中輔助蛋白的位置差異導致細胞核內 RanGTP 與 RanGDP 的比率很高，而細胞核外 RanGTP 與 RanGDP 的比率相反。除了 Ran 核苷酸結合狀態的梯度外，還有蛋白質本身的梯度，細胞核中的 Ran 濃度高於細胞質。細胞質 RanGDP 透過小蛋白 NTF2（核轉運因子 2）輸入細胞核，然後 RCC1 可以催化 Ran 上的 GTP 與 GDP 交換。

Ran 透過與核轉運蛋白相互作用並改變它們結合或釋放貨物分子的能力，參與跨核膜的蛋白質轉運。包含核定位訊號 (NLS) 的貨物蛋白與輸入蛋白結合並被轉運到細胞核。在細胞核內，RanGTP 與輸入蛋白結合並釋放輸入貨物。需要從細胞核輸出到細胞質的貨物與輸出蛋白在與 RanGTP 的三元複合體中結合。在細胞核外 RanGTP 水解為 Ran-GDP 後，複合體解離並釋放輸出貨物。[38]

輸入蛋白

Importin 在核運輸中也起著重要作用。Importin 是一種蛋白質，透過與稱為核定位訊號 (NLS) 的特定識別序列結合，將其他蛋白質分子移動到細胞核中。Importin 被歸類為核定位蛋白。Importin 具有兩個亞基，Importin α 和 Importin β。其中，Importin α 與要匯入細胞核的蛋白質的 NLS 結合，而 Importin β 則幫助將 Importin 異二聚體結合的蛋白質與核孔複合體對接。NLS-Importin α-Importin β 三聚體在與細胞核內的 Ran GTP 結合後解離。[39]

細胞核的功能

細胞核的主要功能是控制基因表達並在細胞週期中介導 DNA 的複製。細胞核為基因轉錄提供了一個與細胞質中翻譯位置隔離的場所，從而允許細菌無法獲得的基因調控水平。

細胞區室化 細胞核膜允許細胞核控制其內容物，並在必要時將它們與細胞質的其他部分隔開。這對於控制核膜兩側的過程非常重要。在某些情況下，如果需要限制細胞質過程，則將關鍵參與者移至細胞核，在那裡它與轉錄因子相互作用，以下調該途徑中某些酶的產生。這種調控機制發生在糖酵解過程中，糖酵解是分解葡萄糖以產生能量的細胞途徑。己糖激酶是一種負責糖酵解第一步的酶，它從葡萄糖形成葡萄糖-6-磷酸。在高濃度的果糖-6-磷酸（從葡萄糖-6-磷酸後期產生的分子）中，調節蛋白將己糖激酶移至細胞核，在那裡它與核蛋白形成轉錄抑制複合物，以減少參與糖酵解的基因的表達。為了控制哪些基因正在轉錄，細胞將一些負責調節基因表達的轉錄因子蛋白質與物理訪問 DNA 隔離開來，直到它們被其他訊號通路啟用。這可以防止即使低水平的不適當基因表達。例如，在由 NF-κB 控制的基因（參與大多數炎症反應）的情況下，轉錄是在響應訊號通路（例如由訊號分子 TNF-α 啟動的訊號通路）時誘導的，它與細胞膜受體結合，導致招募訊號蛋白，並最終啟用轉錄因子 NF-κB。NF-κB 蛋白上的核定位訊號允許它透過核孔運輸到細胞核中，在那裡它刺激靶基因的轉錄。區室化使細胞能夠防止未剪接 mRNA 的翻譯。真核 mRNA 包含內含子，這些內含子必須在被翻譯以產生功能性蛋白質之前被移除。剪接是在細胞核內完成的，然後 mRNA 才能被核糖體用於翻譯。如果沒有細胞核，核糖體將翻譯新轉錄的（未加工的）mRNA，導致蛋白質形成錯誤和功能失常。[2]

基因表達 基因表達首先涉及轉錄，其中 DNA 被用作模板來產生 RNA。對於編碼蛋白質的基因，從該過程中產生的 RNA 是信使 RNA (mRNA)，然後需要透過核糖體翻譯以形成蛋白質。由於核糖體位於細胞核外部，因此產生的 mRNA 需要被輸出。由於細胞核是轉錄的場所，因此它還包含多種蛋白質，這些蛋白質要麼直接介導轉錄，要麼參與調節該過程。這些蛋白質包括解旋酶，它們解開雙鏈 DNA 分子以促進對其的訪問，RNA 聚合酶，它們合成不斷增長的 RNA 分子，拓撲異構酶，它們改變 DNA 中的超螺旋數量，幫助它纏繞和解開，以及大量調節表達的轉錄因子。[2]

前 mRNA 的加工 新合成的 mRNA 分子被稱為初級轉錄本或前 mRNA。它們必須在細胞核中進行轉錄後修飾，然後才能輸出到細胞質中；沒有這些修飾出現在細胞質中的 mRNA 會被降解，而不是用於蛋白質翻譯。三種主要的修飾是 5' 加帽、3' 多腺苷酸化和 RNA 剪接。當在細胞核中時，前 mRNA 與被稱為異質核糖核蛋白顆粒 (hnRNPs) 的複合物中的多種蛋白質相關聯。5' 加帽的新增與轉錄同時進行，是轉錄後修飾的第一步。3' 多腺苷酸尾僅在轉錄完成後新增。RNA 剪接由稱為剪接體的複合體進行，是將內含子（或不編碼蛋白質的 DNA 區域）從前 mRNA 中去除並將剩餘的外顯子連線起來重新形成單個連續分子的過程。此過程通常發生在 5' 加帽和 3' 多腺苷酸化之後，但可以在具有許多外顯子的轉錄本中合成完成之前開始。許多前 mRNA，包括編碼抗體的 mRNA，可以以多種方式進行剪接，以產生編碼不同蛋白質序列的不同成熟 mRNA。此過程稱為可變剪接，並允許從有限量的 DNA 產生大量不同的蛋白質。[2]

需要記住的事實

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亞核結構尺寸
結構名稱 結構直徑
卡哈爾小體 0.2–2.0 µm [40]
PIKA 5 µm [41]
PML 小體 0.2–1.0 µm [42]
副斑點 0.2–1.0 µm
斑點 20–25 nm [41]


人紅細胞不含細胞核。

賈第鞭毛蟲屬中的腸道寄生蟲，每個細胞有兩個細胞核。

一些原生動物物種和菌根中的一些真菌具有多核細胞。

在有絲分裂期間，NPC 似乎按階段分解。外周核孔蛋白，如 Nup 153 Nup 98 和 Nup 214，從 NPC 中分離。其餘可以被認為是支架蛋白，它們在核膜內保持穩定，作為圓柱形環狀複合物。NPC 外周基團的這種分解被認為主要是磷酸驅動的，因為這些核孔蛋白中的幾個在有絲分裂階段被磷酸化。然而，參與磷酸化的酶在體內尚不清楚。

在後生動物（進行開放有絲分裂）中，NE 在外周 Nups 丟失後迅速降解。這樣做的原因可能是由於 NPC 結構的變化。這種變化可能使 NPC 對參與 NE 降解的酶（如細胞質微管蛋白）更具滲透性，並允許關鍵的有絲分裂調節蛋白進入。

下表列出了各種染色體在各種植物、動物、原生生物和其他生物體中的數量，以二倍體數 (2n) 表示。[43]

生物 學名 染色體二倍體數 備註
非洲野狗 非洲野犬 78[44]
紫花苜蓿 苜蓿 32[45] 栽培紫花苜蓿是四倍體，2n=4x=32。野生親緣種有 2n=16。[45]
美洲獾 32
美洲貂 38
美洲水貂 30
水鼠 Anotomys leander 92[46] 與Ichthyomys pittieri並列為哺乳動物中數量最多的。
擬南芥 10
大麥 大麥 14
耳廓狐 耳廓狐 72[44]
豆類 菜豆屬 22[45] 該屬的所有物種都有相同的染色體數，包括菜豆、赤豆、小豆和扁豆。[45]
海狸（美洲） 美洲河狸 40
海狸（歐亞） 河狸 48
山毛櫸貂 38
孟加拉狐 孟加拉狐 60
月蕨屬 月蕨 90
nagaho-no-nastu-no-hana-warabi Botrypus strictus 88 B. strictus和B. virginianus已被證明在Botrypus屬中是並系的。
響尾蛇蕨 Botrypus virginianus 184
捲心菜 甘藍 18[45] 西蘭花、捲心菜、羽衣甘藍、苤藍、抱子甘藍和花椰菜都是同一個物種，具有相同的染色體數。
鯉魚 104
捲尾猴 54[47]
貓 家貓 38
雞 家雞 78
黑猩猩 黑猩猩 48 [48]
絨鼠 短尾絨鼠 64 [49]
長鼻浣熊 38
棉花 陸地棉 52[45] 2n=4x；栽培陸地棉源於異源四倍體
奶牛 原牛 60
郊狼 郊狼 78[44]
鹿鼠 48
豺 78
澳洲野犬 澳洲野犬 78[44]
狗 家犬 78[50] 76 個常染色體和 2 個性染色體。[51]
海豚 海豚科 海豚 44
驢 62
鴿子 78[52] 根據非洲環頸鴿
果蠅 果蠅 8[53] 6 個常染色體和 2 個性染色體。
鴨嘴獸 52
蚯蚓 地龍 36
針鼴 63/64 63（XXY，雄性）和 64（XXXX，雌性）
大象 56
麋鹿（馬鹿） 馬鹿 68
歐亞獾 44
西方蜜蜂 蜜蜂 32 雌性為 32，雄性為單倍體，因此為 16。
歐洲水貂 38
歐洲艾鼬 40
耳廓狐 耳廓狐 64[44]
雪貂 40
田問荊 216
漁貂（動物） 38 一種貂
狐猴 42
長頸鹿 長頸鹿 62
山羊 60
金豺 金豺 78[44]
大猩猩 48
灰狐 灰狐 66[44]
舞毒蛾 62
鷹嘴 8
野兔[54][55] 48
刺蝟Atelerix屬（非洲刺蝟） 90
刺蝟Erinaceus屬（林地刺蝟） 88
類似蕨類的植物 Helminthostachys zeylanica 94
馬 馬屬馬 64
人類 智人 46[56] 44 對常染色體和 2 對性染色體
鬣狗 40
食蟹猴 (半水生齧齒動物) 皮氏魚鼠 92[46] 哺乳動物中最高的
跳躍蟻 毛蟻 2[57] 雌性為 2，雄性為 單倍體，因此為 1；最小的可能數量。其他螞蟻物種擁有更多的染色體。[57]
袋鼠 12
小狐 50
獅子 非洲獅 38
長鼻獴 (一種獴) 36
玉米 玉米 20[45]
鬃狼 鬃狼 76
芒果 芒果 40[45]
狐獴 36
蚊子 埃及伊蚊 6[58] 整個 蚊科 的 2n=6 染色體數量是保守的，除了巴氏庫蚊，它擁有 2n=8。[58]
老鼠 小家鼠 40
騾子 63 半不育
燕麥 燕麥 42[45] 這是一個 六倍體，擁有 2n=6x=42。二倍體和四倍體栽培種也存在。[45]
蛇舌草 蛇舌草 網狀蛇舌草 1200 或 1260 這種蕨類植物擁有已知最高的染色體數量。
猩猩 48
亞洲小爪水獺 38
豌豆 豌豆 14
豬 38
鴿子 80
松貂 38
菠蘿 鳳梨 50[45]
馬鈴薯 馬鈴薯 48 這是一個四倍體；野生近緣種大多擁有 2n=24。[45]
豪豬 北美豪豬 34 [49]
兔子 44
浣熊 (北美浣熊) 38[59]
貉 貉 42 一些資料表明 亞種 擁有 38、54，甚至 56 條染色體
貉 貉 56
蘿蔔 蘿蔔 18
鼠 42
赤鹿 赤鹿 68
赤狐 赤狐 34[44] 再加上 3-5 個微染色體。
小熊貓 36
Reeves's Muntjac 小麂 46
水稻 水稻 24[45]
恆河猴 48
黑麥 黑麥 14[45]
黑貂 38
黑斑羚 46
葡萄蕨 Sceptridum 90
海獺 38
綿羊 54
蝦 對蝦 半滑對蝦 86-92 [60]
黏菌 盤狀網柄菌 12 [61]
蝸牛 24
斑點臭鼬 64
海星 36
條紋臭鼬 50
沼澤袋鼠 黑袋鼠 10/11 雄性 10，雌性 11
狸/貉 白化貉 38
老虎 虎 38
西藏狐 36
菸草 菸草 48 栽培種為四倍體。[45]
火雞 82
維吉尼亞負鼠 北美負鼠 22[62]
小麥 小麥 42[45] 這是一個六倍體，擁有 2n=6x=42。 硬粒小麥 為硬粒小麥 var. 硬粒小麥，是一個四倍體，擁有 2n=4x=28。[45]
白尾鹿 白尾鹿 70
狼 78
猛獁象 58 已滅絕；來自冰凍屍體的組織
狼獾 42
黃獴 36
酵母 32
龍葵 龍葵 24[63][64]
燈籠果 毛酸漿 24[65]

提問時間

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您對核膜瞭解多少？

核仁的功能是什麼？

什麼是染色體？

設計一個實驗，表明特定的蛋白質正在進入細胞核。

您將如何確定特定的蛋白質 X 位於細胞核中而不是細胞質中？

什麼是 importins？

您對 NLS 瞭解多少？

主動運輸和被動運輸有什麼區別？

參考文獻

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