標籤:細胞核

核被膜(nuclear envelope)是真核生物的細胞核的最外層結構, 由兩層單位膜所組成。它將DNA與細胞質隔開,形成了核內特殊的微環境,保護DNA分子免受損傷;使 DNA的複製和RNA的翻譯表達在時空上分隔開來;此外染色體定位於核膜上,有利於解旋、複製、凝縮、平均分配到子核,核被膜還是核質物質交換的通道。

1核被膜的結構

核被膜由內核膜(inner nuclear membrane)、外核膜(outer nuclear membrane)和核周隙(perinuclear space)三部分構成。核被膜上有核孔與細胞質相通。
核被膜(nuclear envelope)包裹在核表面,由基本平行的內層膜、外層膜兩構成。兩層膜的間隙寬10~15nm,稱為核周隙(perinuclear cisterna)。核被膜上有核孔(nuclear pore)穿通。外核膜表面有核糖體附著,並與粗面內質網相續;核周隙亦與內質網腔相通,因此,核被膜也參與蛋白質合成。內核膜也參與蛋白質合成。內核膜的核質面有厚20~80nm的核纖層(fibrous lamina),是一層由細絲交織形成的緻密網狀結構。核纖層不僅對核膜有支持、穩定作用,也是染色質纖維西端的附著部位。

2核纖層

作用
1.保持核的形態:是核被膜的支架,用高鹽溶液、非離子去污劑和核酸酶去除大部分核物質,剩餘的核纖層仍能維持核的輪廓。此外,核纖層與核骨架以及穿過核被膜的中間纖維相連,使胞質骨架和核骨架形成一連續網路結構。
2.參與染色質和核的組裝:核纖層在細胞分裂時呈現出周期性的變化,在間期核中,核纖層提供了染色質(異染色質)在核周邊錨定的位點。在前期結束時,核纖層被磷酸化,核膜解體。其中B型核纖肽與核膜殘餘小泡結合,A型溶於胞質中。在分裂末期,核纖肽去磷酸化重新組裝,介導了核膜的重建。

3核孔

核孔是直徑50~80nm 的圓形孔。內、外核膜在孔緣相連續,孔內有環(annulus)與中心顆粒組成核孔複合體。環有16個球形亞單位,孔內、外線各有8個。從位於核孔中心的中心顆粒(又稱孔栓)放射狀發出細絲與16個亞單位相連。核孔所在處無核纖層。一般認為,水離子和核苷等小分子物質可直接通透核被膜;而RNA與蛋白質等大分子則經核孔出入核,但其出入方式尚不明了。顯然,核功能活躍的細胞核孔數量多。成熟的精子幾乎無核孔,而卵母細胞的核孔極其豐富,成為研究該結構的主要材料。
核孔是細胞核與細胞質之間物質交換的通道,一方面核的蛋白都是在細胞質中合成的,通過核孔定向輸入細胞核,另一方面細胞核中合成的各類RNA、核糖體亞單位需要通過核孔運到細胞質。此外注射實驗證明,小分子物質能夠以自由擴散的方式通過核孔進入細胞核。
核孔由至少50種不同的蛋白質(nucleoporin)構成,稱為核孔複合體(nuclear pore complex,NPC)。一般哺乳動物細胞平均有3000個核孔。細胞核活動旺盛的細胞中核孔數目較多,反之較少。如蛙卵細胞每個核可有37.7X106個核孔,但其成熟后細胞核僅150~300個核孔。
在電鏡下觀察,核孔是呈圓形或八角形,一般認為其結構如fish-trap,主要包括以下幾個部分:①胞質環(cytoplasmic ring),位於核孔複合體胞質一側,環上有8條纖維伸向胞質;②核質環(nuclear ring),位於核孔複合體核質一側,上面伸出8條纖維,纖維端部與端環相連,構成籠子狀的結構;③轉運器(transporter),核孔中央的一個栓狀的中央顆粒;④輻(Spoke):核孔邊緣伸向核孔中央的突出物。

4核被膜的物質運輸

1982年R. Laskey發現核內含量豐富的核質蛋白(nucleoplasmin)的C端有一個信號序列,可引導蛋白質進入細胞核,稱作核定位信號(nuclear localization signal,NLS)。第一個被確定的NLS是病毒SV40的T抗原,它在胞質中合成后很快積累在核中。其NLS為:pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val,即使單個氨基酸被替換,亦失去作用。
NLS由4-8個氨基酸組成,含有Pro、Lys和Arg。對其連接的蛋白質無特殊要求,並且完成核輸入后不被切除。
Karyopherin是一類與核孔選擇性運輸有關的蛋白家族,相當於受體蛋白。其中imporin負責將蛋白從細胞質運進細胞核,exportin負責相反方向的運輸。
通過核孔複合體的轉運還涉及Ran蛋白,Ran是一種G蛋白,調節貨物受體複合體的組裝和解體,在細胞核內Ran-GTP的含量遠高於細胞質。
核質蛋白向細胞核的輸入可描述如下:①蛋白與NLS受體,即imporin α/β二聚體結合;②貨物與受體的複合物與NPC胞質環上的纖維結合;③纖維向核彎曲,轉運器構象發生改變,形成親水通道,貨物通過;④貨物受體複合體與Ran-GTP結合,複合體解散,釋放出貨物;⑤與Ran-GTP結合的imporin β,輸出細胞核,在細胞質中Ran結合的GTP水解,Ran-GDP返回細胞核重新轉換為Ran-GTP;⑥imporin α在核內exportin的幫助下運回細胞質。
對細胞核向細胞質的大分子輸出了解較少,大多數情況下,細胞核內的RNA是與蛋白質形成RNP複合物轉運出細胞核的。RNP的蛋白質上具有核輸出信號(nuclear export signal, NES),可與細胞內的受體exportin結合,形成RNP-exportin-Ran-GTP複合體,輸出細胞核后,Ran-GTP水解,釋放出結合的RNA,Ran-GDP、exportin和RNP蛋白返回細胞核。

5核被膜染色觀察

在HE染色切片上,細胞核(nucleus)以其強嗜鹼性而成為細胞內最醒目的結構。由於它含有DNA--遺傳信息,因此,借DNA複製與選擇性轉錄,細胞核成為細胞增殖、分化、代謝等活動中關鍵環節之一。人體絕大多數種類的細胞具有單個細胞核,少數無核、雙核或多核。核的形態在細胞周期各階段不同,間期核的形態在不同細胞亦相差甚遠,但其結構都包括核被膜,染色質,核仁與核基質四部。
核被膜觀察:在電鏡下觀察,可見核被膜由兩層平行排列的單位膜組成。內、 外兩層膜之間的腔隙稱核周腔。核被膜外層表面有核蛋白體附著,並與內質網相接。核被膜上有許多由內、外膜層融合而成的孔,稱核孔。核孔是核內與細胞質之間進行物質交換的通道,核孔的數目可隨細胞生理狀況的不同而變化。核被膜對控制細胞質與核之間的物質交流,維持核內環境的恆定有重要作用。

6核被膜核苷三磷酸酶(NTPase)

核被膜上NTPase的活性與核膜結構的完整性息息相關,因此任何能影響細胞核膜結構的因素幾乎都可以影響核膜NTPase活性。膳食中脂肪含量可影響NTPase的活性與核膜中的脂質組成及膽固醇含量,餵食高P/S膳食的大鼠肝細胞核膜上C18:2ω6水平增加,NTPase酶活性升高;核膜上膽固醇及其氧化產物等均可直接影響NTPase的活性;JCR:LA-cp肥胖大鼠肝細胞核膜上膽固醇含量變化可調節其酶的活性。致癌物黃曲霉毒素、DM-NA等低劑量時可使NTPase酶活性增加,而致癌物高劑量時其毒性作用則可掩蓋NTPase酶的活性變化,推測NTPase酶活性變化可能是致癌劑使細胞核膜發生膨脹的結果,此可部分解釋某些腫瘤發生過程中為什麼成熟mRNA要發生轉運的增加。同樣細胞核膜上自由基的變化也可影響核被膜NTPase的活性,進而影響成熟mRNA的轉運過程。
電鏡和熒光光子漂白掃描技術證實大鼠肝細胞核膜上存在胰島素結合位點,胰島素與其核膜上相應位點的結合后,可通過核膜上NTPase酶的活性變化,和核孔actinomyosin樣收縮器的定向作用來影響生物大分子包括mRNA在內的特異性出核轉運;同樣核膜上有甲狀腺素和類固醇結合位點以及EGF受體,它們在與其配體結合后,通過核膜空間結構的改變或者通過其它途徑,影響NTPase活性和生物分子的跨核膜轉運。6月齡肥胖雌性大鼠肝細胞核膜NTPase酶活性明顯高於相應大鼠NT-Pase的活性,且NTPase的Vmax值隨年齡的增加而增加,提示其NTPase活性變化可能是體內雌激素經核膜受體作用的結果。
分子生物學的發展尤其是Northern雜交技術的簡化使人們能從mRNA水平推測蛋白質的表達情況,但是mRNA和蛋白質的變化發展顯然是不平行的。自從細胞核膜NTPase被發現與確認以來,人們越來越感到要研究蛋白功能的實驗必須補充了解mRNA的特異轉運。Gupta報道大鼠心肌細胞核膜NTPase受去磷酸化作用調節,因此由激素或其它因子引起信號轉導作用,經細胞核膜NTPase的活性變化調節mRNA的特異轉運,可能會成為今後進一步研究代謝調控的重點。

7伴護分子p97對核被膜的改造

伴護分子p97是一種ATP酶,參與各種不同的功能,如內質網中蛋白的降解和細胞周期調控等。在有絲分裂開始的時候,核被膜被拆開,並在過程的最後被改造。這項研究為核被膜的改造提供了一個機理上的解釋。研究發現,p97與染色質上Aurora B(核被膜形成的一種已知的抑製成分)的一種泛素化形式相結合。這導致Aurora B從染色質中被提取出來,從而允許染色體解凝和核被膜形成。
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