医学细胞生物学 二、细胞骨架蛋白与神经系统疾病 此外，包括亨廷顿舞蹈病(Huntingto n disease, HD)在内的一组多聚谷氨酰胺疾病(polyglutamine disease)的共同特点是，细胞质内缠结含有微管蛋白和微丝聚合蛋白Slal。这些成分多与胞质内运输器有关，说明细胞骨架的损坏可能造成聚集物的形成，对细胞有毒性作用。


医学细胞生物学 三、细胞骨架与遗传性疾病 一些遗传性疾病的患者常有细胞骨架的异常或细胞骨架蛋白基因的突变。如人类遗传性疾病单纯性大庖性表皮松解症(epid ermolysi s bullosa simplex)，就是由于表皮细胞层表达的角蛋白基因突变而破坏了这类细胞的角蛋白中间纤维网，因此对机械性损伤非常敏感，即一点轻微的压挤便可使突变的基底细胞破坏，使患者的皮肤起疤。在入类或在小鼠中，凡带有这种突变基因的个体都变得很脆弱，以致死于机械创伤。此外，Wi skott Aldrich综合征(Wiskott Aldrich Syndrome, WAS)是X连锁隐性遗传的免疫缺陷疾病，临床表现有血小板减少、湿疹、反复感染，并发不同程度的细胞免疫和体液免疫缺乏。研究表明，WAS患者T淋巴细胞的细胞骨架异常，血小板和淋巴细胞变小，微绒毛数量减少，形态变小。进一步研究表明引起WAS的根源是微丝的异常。


医学细胞生物学 三、细胞骨架与遗传性疾病 纤毛不动综合征是一种由纤毛结构缺陷引起的常染色体隐性遗传性病，家族中的近亲婚配，可能为发病原因。除了会导致男性不育外，还会引起下列疾病：慢性支气管炎、支气管扩张、慢性鼻窦炎、中耳炎、内脏逆位等。精子鞭毛与纤毛虽然它们的长度及运动方式不同，但核心结构均是轴丝，由于轴丝结构复杂，所以其中任何一处发生异常均可引起精子鞭毛摆动及纤毛运动障碍。其中，最常见的病理变化是动力蛋白臂异常，其次为放射辐和中心微管异常，甚至有的患者纤毛或鞭毛无中心微管或无轴丝。据统计，纤毛不动综合征占男性不育因素的l.14%。 （李丰）第八章胞核 细胞核是真核细胞内最大、最重要的结构，它使核内物质稳定在一定区域，建立遗传物质稳定的活动环境。细胞核是遗传信息储存、复制和转录的场所，遗传信息指导细胞内蛋白质合成，从而调控细胞增殖、生长、分化、衰老和死亡，所以细胞核是细胞生命活动的指挥控制中心。真核细胞中，除哺乳动物的成熟红细胞和高等植物韧皮部的成熟筛管等少数细胞之外，都含有细胞核。一般来说，细胞失去细胞核后，由于不能执行正常的生理功能，将导致细胞死亡。


医学细胞生物学 （李丰）第八章胞核 细胞核的形态与细胞的形态有一定的关系。在圆形、卵圆形、多边形的细胞中，细胞核的形态一般为圆球形；在柱形、梭形的细胞中，则A呈椭圆形；在细长的肌细胞中呈杅状；但也有少数细胞的细胞核呈不规则状，如白细胞的细胞核呈马蹄形或多叶形。在一些异常细胞如肿瘤细胞中，常可见畸形核。


医学细胞生物学 （李丰）第八章胞核 细胞核的大小为细胞总体积的10%左右，但在不同生物及不同生理状态下有所差异，高等动物细胞核的直径一般为5~10µm，高等植物细胞核的直径一般为5~20µm。常用细胞核与细胞质的体积比，即核质比(nuclear-cytoplasmic raB tio)来表示细胞核的相对大小：核质比＝细胞核的体积细胞体积－细胞核体积核质比大表示核相对较大，核质比小则表示核相对较小。核仁大多数细胞为单核，但也有双核和染色外核膜膜多核的，如肝细胞、肾小管细胞和软骨细胞有双核，而破骨细胞的核可达几百个。糙面内质网细胞核通常位于细胞的中央，但也可因细胞中分泌颗粒的形成或包含物的推挤而发生位移。在含有分泌颗粒的腺细胞图8-1细胞核结构A大鼠胰腺细胞核电镜照片；B间期细胞核结构模式图中，核多偏于细胞的一端。N：细胞核；NE：核膜细胞核的形态结构在细胞周期中变化很大，分裂间期的细胞核称为间期核，只有在间期才能看到完整的细胞核。间期核由核膜、染色质、核仁和核基质（核骨架）等构成（图8-1)。细胞进入分裂期后，核膜裂解、核仁消失、核的各种组分重新分配，因此看不到完整的细胞核。


医学细胞生物学 第八章细胞核179第一节核膜 核膜(nuclear membrane)又称核被膜(nuclear envelope)，是细胞核与细胞质之间的界膜。它将细胞分成核与质两大结构与功能区域：DNA复制、RNA转录与加工在核内进行，蛋白质翻译则在细胞质中进行。 —、核膜的化学组成 核膜的主要化学成分是蛋白质和脂类，此外，还有少量核酸成分。核膜中的蛋白质约占65%～75%，通过电泳分析可鉴别出核膜含有20多种蛋白质，分子盘为16000-160000，包括组蛋白、基因调节蛋白、DNA和RNA聚合酶、RNA酶等。核膜所含的酶类与内质网极为相似，如内质网的标记酶G6PD也存在于核膜。与电子传递有关的酶类，如NADH细胞色素c还原酶、NADH细胞色素从还原酶、细胞色素p450等，均见千内质网及核膜上，但其含量有差异，如内质网上细胞色素p450的含量高千核膜。核膜中所含的脂类也与内质网相似，都含有卵磷脂和磷脂酰乙醇胺，以及胆固醇、甘油三酷等。但其含榄有差别，核膜所含的不饱和脂肪酸的含量都较低，而胆固醇和甘油三酷的含量却较高。这种结构成分的相似性和特异性，不仅说明核膜与内质网的密切关系，同时也说明两者也具有各自的结构特点。


医学细胞生物学 二、核膜的结构 在电镜下，核膜是由内外层核膜、核周隙、核孔复合体和核纤层等结构组成（图8-2)。 细胞质基质细胞核核孔复合体//>＿＿j胞质环胞质纤丝环状亚单位\/外核膜腔内亚单位核周隙核纤丝|50nm| 图8-2核膜的结构A核膜的电镜照片；B核膜的结构示意图（主要展示核孔复合体的结构模型）180第二筒细胞的结构与功能因内、外核膜的组成成分和结构都有差异，因此核膜是一种不对称的双层膜结构。 （一）外核膜与糙面内质网相连续 外核膜(outer nucl ear membrane)为核膜中面向胞质的一层膜，在形态和生化性质上与细胞质中的糙面内质网膜相近，并与糙面内质网相连续。外核膜外表面有核糖体附着，可进行蛋白质的合成。外核膜与细胞质相邻的表面可见中间纤维、微管形成的细胞骨架网络，这些结构的存在起着固定细胞核并维持细胞核形态的作用。


医学细胞生物学 （二）内核膜表面光滑包围核质 内核膜(inner nucl ear membrane)与外核膜平行排列，表面光滑，无核糖体附着，核质面附着一层结构致密的纤维蛋白网络，称为核纤层，对核膜起支持作用。（三）核周隙为内、外核膜之间的缓冲区内、外层核膜在核孔的位置互相融合，两层核膜之间的腔隙称为核周隙(perinuclear space)，宽约20~40nm，这一宽度常随细胞种类不同和细胞的功能状态不同而改变。核周隙与糙面内质网腔相通，内含有多种蛋白质和酶类。因内、外核膜在生化性质及功能上呈现较大的差别，因此，核周隙成为内、外核膜之间的缓冲区。


医学细胞生物学 （二）内核膜表面光滑包围核质 （四）核孔复合体是由多种蛋白质构成的复合结构在内外核膜的融合之处形成环状开口，称为核孔(nuclear pore)。核孔的数目、疏密程度和分布形式随细胞种类和生理状态不同而有很大的变化，一般来说，动物细胞的核孔数多于植物细胞；代谢不活跃的细胞中核孔数较少，例如晚期有核红细胞与淋巴细胞的核孔数为l~3个／µm2；但在RNA转运速度高，蛋白质合成旺盛的细胞中核孔数目较多，例如在肝、肾等高度分化但代谢活跃的细胞中，核孔数为l2~20个／µm2o核孔并非单纯由内外两层核膜融合形成的简单孔洞，而是由多种蛋白质以特定方式排列形成的复合结构，称为核孔复合体(nuclear pore complex, NPC)（图8-3)（动画8-1"核孔复合体及功能”)。


医学细胞生物学 （二）内核膜表面光滑包围核质 _,,<~'_;.ff:节）怂岱勾．。心”··i`－寸士心r</｀书.｝，上·3、仁},｀叭乍介少I,.'`;＼了：、t飞灰石产气广今':1;房p?..C今．,. t''•i f~飞J'}_t，凡．勺;,d·心"4'/C),.·、，环13峰:}｀．心·`A夕'\-f....;· ::"'，，句'..:i心C., .'" .`,..令,. i``'J气、µ..；．心、Q七｀｀·恰 ·．：｀`. .`一 . K`住心芯tp｀、｀～芦t厚，·•• .iT｀


医学细胞生物学 K`住心芯tp｀、｀～芦t厚，·•• _.-~．沪 d c令 t o O.4出．／芬｀．旷3j,”;，.一^义-l心畸．心＇｝心、b3'i,冷'v.、心心，漫.“．七、心i,i\.:克益J'F心、凸.个..佥也；仓｀！人i~~，图8-3核孔要合体结构电镜照片A核孔复合体胞质面的结构；B.核孔复合体核质面的结构（引自：Lodish H, Berk A, Matsudaira P, et al. Molecular Cell Biology.5th ed. New York:W. H. Freeman and company,2003)关于核孔复合体的结构一直是一个令人感兴趣的问题，许多研究者利用树脂包埋超薄切片技术、负染色技术以及冷冻蚀刻技术等方法研究核孔复合体的形态结构，提出了不同的核孔复合体模型。但由千分离纯化核孔复合体的难度较大，迄今对核孔复合体的描述仍没有完全统一的模型。目前比较普遍被接受的是捕鱼笼式(fish-trap)核孔复合体模型（图8-2)。该模型认为核孔复合体的基本结构包括以下四个部分：心胞质环(cytoplasmic ring)：位千核孔复合体结构边缘胞质面一侧的环状结构，与柱状亚单位相连，环上对称分布8条短纤维，并伸向细胞质；＠核质环(nucleoplasmic ring)：位于核孔复合体结构边缘核质面一侧的孔环状结构，与柱状亚单位相连，在环上也对称分布8条长约100nm的纤维伸向核内，纤维末端形成一个由8个颗粒组成的直径约60nm的小环，构成捕鱼笼似的结构，称核篮(nucl ear b asket)；＠辐(spoke)：是由核孔边缘伸向中心的结构，呈辐射状八重对称分布，把胞质环、核质环和中央栓连接在一起。辐的结构较复杂，可进一步分为三个结构域：柱状亚单位(column subunit)，位于核孔边缘，连接胞质环与核质环，起支撑作用；腔内亚单位(luminal subunit)，位于柱状亚单位外侧，与核膜的核孔区域接触，穿过核膜伸入双层核膜的核周隙，起铀定核孔复合体的作用；环状亚单位(annular subunit)，位于柱状亚单位之内，是靠近核孔复合体中心部分，由颗粒状结构环绕形成；＠中央栓(central plug)：又称中央颗粒(central granule)，位于核孔复合体的中心，是呈颗粒状或棒状的运输蛋白质，其在核质交换中发挥一定的作用。


医学细胞生物学 K`住心芯tp｀、｀～芦t厚，·•• 核孔复合体主要由蛋白质组成，迄今已鉴定的脊椎动物的核孔复合体蛋白质成分已达到十多种，其中gp210和p62是最具代表性的两个成分，它们核纤层分别代表着核孔复合体蛋白的两种类型。gp210内核膜代表着一类结构性穿膜蛋白，是第一个被鉴定出来染色质的核孔复合体蛋白，位于核膜的＂孔膜区”，在描定核孔复合体的结构上起重要作用。p62代表一类B功能性的核孔复合体蛋白，对核孔复合体行使主动运输的功能非常重要。


医学细胞生物学 （五）核纤层是紧贴内核膜的纤维蛋白网 核纤层(nuclear lami na)是位于内核膜内侧与染色质之间的一层由高电子密度纤维蛋白质组成的网络片层结构。在细胞分裂中对核膜的破裂和重建起调节作用。核纤层的厚蒲随细胞不同而异，lµm一般厚10-20nm，在有些细胞中可达30-100nm图8-4核纤层的分布与超微结构（图8-4)。A.核纤层分布示意图；B核纤层的超微结构核纤层的主要化学成分是核纤层蛋白(larrrin)。在哺乳类细胞中，核纤层是由3种属于中间纤维性质的多肤组成，分别称为核纤层蛋白A、B、C。通过克隆并分析编码核纤层蛋白的mRNA，从序列分析中推论核纤层蛋白具有中间纤维蛋白的a－螺旋区同源的氨基酸顺序。Lamin A和Lamin C是由同一基因编码的不同的加工产物。两种蛋白质之间仅在—COOH末端不同，它们都有一段由350个氨基酸残基组成的多肤序列，该序列与中间纤维蛋白的a－螺旋区约有28％的氨基酸相同。而核纤层蛋白与波形蛋白之间在同源区域则有70％的氨基酸相同，其同源性高千不同的中间纤维蛋白之间的同源程度。因此，核纤层蛋白实际上是一种中间纤维蛋白。


医学细胞生物学 （五）核纤层是紧贴内核膜的纤维蛋白网 核纤层与核膜、核孔复合体及染色质在结构和功能上有密切的联系（图8-5)。1核纤层在细胞核中起支架作用用高盐溶液、非离子去污剂和核酸酶去除大部分核物质，只有核孔复合体与核纤层存留，但仍能维持核的轮廓。此外，核纤层与核骨架及穿过核膜的中间纤维相连，使胞质骨架和核骨架形成一连续网络结构。2核纤层与核膜的崩解和重建密切相关真核细胞在细胞分裂过程中核膜经历崩解与重建的变化，内核膜下的核纤层也经历解聚与聚合的变化。生化分析表明，Lamin A、Lamin B和Lamin C均有亲膜结合作用，其中以Lam i n B与核膜的结合力最强。同时，在内核膜上有Lami n B受体，可为Lamin B提供结合位点，从而把核膜固定在核纤层上。细胞分裂前期，核纤层蛋白磷酸化，核纤层可逆性去组装，发生解聚，使核膜破裂。此过程中Lamin A与Lamin C分散到细胞质中，Lamin B因与核膜结合力强，解聚后即与核膜小泡结合，这些小泡在细胞分裂末期是核膜重建的基础。


医学细胞生物学 （五）核纤层是紧贴内核膜的纤维蛋白网 细胞分裂末期，核纤层蛋白发生去磷酸化，核纤层蛋白又重新在细胞核的周围聚集，核膜再次形成。说明核纤层蛋白的磷酸化与去磷酸化在细胞的有丝分裂过程中与核膜的崩解与重建密切相关。3.核纤层与染色质凝集成染色体相关核纤层蛋白可与染色质上的一些特殊位点相结合，为染色质提供了结构支架。细胞分裂间期，染色质与核纤层紧密结合，因此不能螺旋化成染色体；而在细胞有丝分裂前期，随着核纤层蛋白的解聚，染色质与核纤层蛋白的结合丧失，染色质逐渐凝集成染色体。把La min A抗体注入分裂期细胞，抑制核纤层蛋白的重新聚合时，会阻断分裂末期染色体解旋成染色质，使染色体停留在凝集状态。说明核纤层对细胞分裂结束后染色质、细胞核的形成非常重要。核纤层与染色质的相互作用有助千维待和稳定间期染色质高度有序的结构，而高度有序的染色质结构对于基因表达的调控非常重要。4.核纤层参与DNA的复制利用爪赡卵母细胞核重建体系的研究发现，重建的没有核纤层的细胞核，虽然细胞核里具有DNA复制过程所需要的蛋白质和酶，但却不能进行DNA的复制，这表明只有染色质而无完整的核膜是不能复制DNA的，提示核纤层参与了DNA的复制。


医学细胞生物学 三、核膜的功能 核膜作为细胞核与细胞质的界膜，在稳定核的形态和成分，控制核质之间的物质交换，参与生物大分子的合成及细胞分裂等方面起着十分重要的作用。（一）核膜为基因表达提供了时空隔离屏障原核细胞因缺乏核膜，遗传物质DNA分子是分布千细胞质中的，RNA转录及蛋白质合成也均发生于细胞质，在RNA3'端转录尚未结束时，其5'端即已被核糖体结合，并开始进行蛋白质的合成，致使RNA转录本在进行翻译以前，因时间及空间的缺乏，不能有效地被剪切、修饰。真核细胞中，核膜将核物质与细胞质物质限定在各自特定的区域，使DNA复制、RNA转录及蛋白质合成在时空上相互分隔进行，建立了遗传物质稳定的活动环境。真核生物的基因结构复杂，转录后需要经过复杂的加工，所以核膜的出现保证了RNA转录后先进行加工、修饰，才能输入细胞质中，进而指导和参与蛋白质的合成，使遗传信息的表达悯控过程更加精确、高效（图8-6)。


医学细胞生物学 三、核膜的功能 （二）核膜参与蛋臼质的合成外核膜的表面附着核糖体，可进行蛋白质的合成。通过免疫电镜技术证实，抗体的形成首先出现在核膜的外层。外膜的附着核糖体也能合成少狱膜蛋白。（三）核孔复合体控制着核－质间的物质交换核孔复合体作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为9~10nm，有的可达12.5nm。实验表明，水分子和某些离子，以及一些小分子，如单糖、双糖、氨基酸、核背和核昔酸等，可以自由扩散，穿梭于核质之间。但对千绝大多数大分子物质的核－质分配则需要经核孔复合体进行主动运输。主动运输具'O有高度选择性，其选择性表现在三个方面：心核孔复合体的直径大小是可调节的，主动运输的功能直径比被动运输大，为10~2Onm，可调节达26nm;(2)核孔复合体的主动运输是信号识别与载体介导的过程，需消耗能量；＠核孔复合体的主动运输具有双向性，兼有核输入和核输出i(a)转录它既能把DNA复制、RNA转录所需的各种酶及组两种功能。蛋白、核糖体蛋白和核质蛋白等，经核孔复合体运进细胞核；同时又能把细胞核内装配好的核糖体大小亚基和经转录加工后的RNA通过核孔复合体运到细胞质。


医学细胞生物学 三、核膜的功能 1亲核蛋白的核输入在细胞质中游离核糖体上合成、气；、＄了丐令mRNA经核孔转运入细胞核发挥作用的蛋白质称为亲核蛋白(karyoph山cprotein)，常见的如核糖体蛋白、组蛋白、DNA聚合酶、(c)翻译j RNA聚合酶等。核质蛋白(nucleoplasmin)是一种亲核蛋白，可同组蛋白(d)翻译后加y翁汪碌H2A、H2B结合，协助核小体的装配。核质蛋白由5个单体组成，分子量为165000，具有头尾两个不同的结构域。用蛋白＠蛋白质水解酶可把核质蛋白切成头、尾两部分，用放射性核素标记后把带有放射性标记的完整核质蛋白，以及它的头、尾片段分别注射到爪赡卵母细胞的细胞质中，结果发现，完整的核质图8-6核膜的区域化作用蛋白和其尾部片段均可以在核内出现，而头部却仍停留在细胞质中。用尾部包裹直径为20nm的胶体金颗粒，然后注射到细胞质中，虽然它们的直径已大大超过核孔复合体的有效直径，但电镜下却可看到胶体金颗粒通过核孔进入核内。在运输过程中核孔复合体的直径从9nm可扩大到26nm，说明核孔复合体中央亲水性通道的大小是可调节的，蛋白质的核输入具有选择性（图8-7)。


医学细胞生物学 胶体金尾＼、上z”t t·I头一只仑l一1、-乙 放射性物质放射性物质放射性物质尾部包裹的标记的核质蛋白标记的头部标记的尾部胶体金颗粒.. 进入胞核滞留胞质进入胞核通过核孔进入胞核184第二篇细胞的结构与功能 通过对亲核蛋白的序列分析，发现这些亲核蛋白一般都有一段特殊的氨基酸信号序列，正是这些信号序列起到｀定向”和“定位”的作用，从而保证蛋白质通过核孔复合体向核内输入，因此，将这一特殊的信号序列命名为核定位序列(nuclear localization sequence, NLS)或核定位信号(nuclear localization signal, NLS)。具有NLS的蛋白质才能进入核内。通过大拔的研究发现NLS是含4~8个氨基酸的短肤序列。不同的亲核蛋白上的NLS不同，但都富含带正电荷的赖氨酸和精氨酸，通常还有脯氨酸。这些信号序列与指导蛋白质穿膜运输的信号肤不同，NLS可以位千亲核蛋白的任何部位，并且在指导亲核蛋白完成核输入以后不被切除。这个特点有利于细胞分裂完成后，亲核蛋白在子细胞中能够重新输入细胞核。


医学细胞生物学 进入胞核滞留胞质进入胞核通过核孔进入胞核184第二篇细胞的结构与功能 通过大屈研究表明，仅有NLS的蛋白质自身不能通过核孔复合体，它必须通过和NLS受体结合才可通过核孔复合体，这种受体称为输入蛋白(importin)。推测这些输入蛋白在被转运的亲核蛋白与核孔复合体运输装置之间作为一种衔接体蛋白(adaptor prote in)而起作用，将在细胞质中结合的蛋白质经核孔复合体转运到核内。目前比较确定的输入蛋白受体有核输入受体m核输入受体B和Ra n（一种GTP结合蛋白）等。在它们的参与下，亲核蛋白的入核转运可分为以下几个步骤（图8-8):CD亲核蛋白通过NLS识别核输人受体a，与核输入受体可B异二聚体结合，形成转运复合物；＠在核输入受体B的介导下，转运复合物与核孔复合体的胞质纤维结合；＠转运复合物在核孔复合体中移动，从胞质面转移到核质面；＠转运复合物在核质面与Ran-GTP结合，导致复合物解离，亲核蛋白释放；＠受体的亚基与结合的Ran GTP返回细胞质，在胞质内Ran-GTP水解形成Ran-GDP并与核输入受体B解离，Ran-GDP返回核内，再转换成Ran-GTP状态。


医学细胞生物学 核基质}-、核输人受体P核输入受体r:r含核定位严勹蛋白。。I IO。 一经典实验：核定位信号的发现－－－－－一月早知识:细胞核作力一个独特的生化区域，需要一种蛋白分配机制来确保核－质间蛋白质的正确分:布，借以维持细胞核的生化特性。20世纪70年代的研究表明小分子物质可以通过扩散方式迅速通过核膜，而大多数蛋白质则不能。这提示进入核内的蛋白质很可能被特异性识别，并被选择性地从胞质中转运入核。早前Gunter Blobel等已发现了由一小段氨基酸组成的信号序列可引导蛋白质定位于内质网。那么，核内的蛋白质是否存在类似的信号序列来引导其入核转运呢？1984年，A. Sm心及其同事对这一问题进行了深入探讨，发现了核定位信号的存在。实验内容他们选用猴肾病毒(SV40)的T抗原作为研究动物细胞核定位的蛋白模型。T抗原常分布于被SV40感染的宿主细胞核内。研究发现在嗤齿类动物及猴子的细胞内，T抗原的Lys-128。


医学细胞生物学 第八章细胞核185 无论是突变为Thr还是Asn，均可阻止T抗原在核内聚集，表明Lys-128应是核定位信号的一部分。：Smith及其同事用两种方法验证了这一假说。:首先探讨了去除T抗原的不同区域对其在亚细胞层次上定位的影响。发现去除T抗原的笫：,1~l26位氨基酸或笫l36~C末端的氨基酸后，它依旧聚集于细胞核；相反，去除笫127-132位氨基酸后，T抗原则滞留于胞质中。因此，l27~l32位氨基酸序列是T抗原核定位所必需的。此外，将T抗原的笫l27~132位氨基酸序列与胞质蛋白半乳糖符酶融合或丙酮酸酷酶融合，：均可引起这些胞质蛋白在核内聚集。因此，T抗原的该段氨基酸序列即是引导蛋白核定位的必要；条件。:Kalderon D, Robe1is BL, Richardson WD, et al. A sh01i amino acid sequence able to specify nuclear!location. Cell,1984,39:499-509.


医学细胞生物学 第二节染色质与染色体 染色质(chromatin)是间期细胞核中由DNA和组蛋白构成的能被碱性染料着色的物质，是遗传信息的载体。在细胞分裂间期，染色质成细丝状，形态不规则，弥散在细胞核内；当细胞进入分裂期时，染色质高度螺旋、折叠而缩短变租，最终凝集形成条状的染色体(chromosome)，以保证遗传物质DNA能够被准确地分配到两个子代细胞中。因此，染色质和染色体是细胞核内同一物质在细胞周期不同时相的不同表现形态。 —、染色质的组成成分 染色质和染色体的组成成分主要是DNA和组蛋白，此外还含有非组蛋白及少呈的RNA。DNA和组蛋白是染色质的稳定成分，两者的比率接近1:1。非组蛋白的含量变动较大，常随着细胞生理状态的不同而改变。 (-)DNA是遗传信息的载体 DNA分子是由数目巨大的腺嗦呤(A)、鸟嗦呤(G)、胞啥唗(C)和胸腺啥唗(T)四种脱氧核糖核。


医学细胞生物学 186第二篇细胞的结构与功能 昔酸通过3',5'－磷酸二酣键聚合而成的生物大分子。DNA分子呈双螺旋结构，其两条链的核甘酸序列按碱基互补配对原则排列，即A对T,G对C。真核细胞中每条未复制的染色体均含有一条线型DNA分子。一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信息称为一个基因组(genome)。DNA的主要功能是携带和传递遗传信息，并通过转录形成的RNA来指导蛋白质合成。真核细胞中染色质DNA序列根据其在基因组中分子组成的差异分为单一序列和重复序列两大类型重复序列又分为中度重复序列和高度重复序列。单一序列(unique sequence)，又称单拷贝序列(sing le-copy sequence)，在基因组中一般只有单一拷贝或少数几个拷贝。一般为具有编码功能的基因。真核生物大多数编码蛋白质（酶）的结构基因属这种形式。


医学细胞生物学 186第二篇细胞的结构与功能 中度重复序列(mod erately repetitive sequen ce)，其重复次数在101-105之间，序列长度由几百到几千个碱基对(bp)不等。中度重复序列多数是不编码蛋白的序列，构成基因内和基因间的间隔序列，在基因调控中起重要作用，涉及DNA复制、RNA转录及转录后加工等方面。在中度重复序列中，有一些是有编码功能的基因，如rRNA基因，tRNA基因，组蛋白的基因、核糖体蛋白的基因等。高度重复序列(high ly repetitive seque nce)，其长度较短，一般为几个至几十个bp，但重复拷贝数超过105，分布在染色体的端粒、着丝粒区。它们有些散在分布，另一些则串联重复，均不能转录，主要是构成结构基因的间隔，维系染色体结构，还可能与减数分裂中同源染色体联会有关。一条功能性的染色质DNA分子必须能进行自我复制，得到两个完全相同的DNA分子，并将其平均分配到子细胞中，保证遗传信息的稳定传递。要达到这个目的，染色质DNA必须包含三类不同的功能序列（图8-9)：复制源序列、着丝粒序列及端粒序列。心复制源序列(replicat i on origin sequence):它是DNA进行复制的起始点。对千真核细胞来说，多个复制源序列可被成串激活，该序列处的DNA双链解旋并打开，形成复制叉。因此，一条DNA分子上可同时在多个复制源序列处形成多个复制叉，使得DNA分子可在不同部位同时进行复制。根据不同来源的复制源序列分析，发现所有的复制源序列DNA均有一段11-14bp的同源性很高的富含AT的保守序列：200bp-A(T)TITAT(C)A(G)TITA(T)-200bp，同时证明这段序列及其上下游各200bp左右的区域是维持复制源功能所必需的。＠着丝粒序列(centromere seq uence)：着丝粒序列是真核生物在细胞分裂时，两个姐妹染色单体连接的区域，根据不同来源的着丝粒序列分析，发现其共同特点是两个彼此相邻的核心区，一个是80-90bp的AT区，另一个是含有11个高度保守的碱基序列：－TGArm、CCGAA-，功能是形成着丝粒，在细胞分裂时，两个姐妹染色单体从着丝粒分离，保证均等分配两个子代染色单体。通过着丝粒序列缺失损伤实验或着丝粒序列一门「l\))飞11~11)。


医学细胞生物学 186第二篇细胞的结构与功能  第八童细胞核187 插入突变实验，发现一旦伤及这两个核心区，着丝粒序列即丧失其功能。＠端粒序列(telomere sequ e n ce)：它存在于真核生物染色体的末端，在序列组成上十分相似，为一在进化中高度保守的串联重复序列。双链中一条3'端为富含TG序列，互补链富含CA的序列。端粒序列在维持DNA分子两末端复制的完整性与染色体的稳定性方面发挥重要作用。采用分子克隆技术把真核细胞染色体的复制源序列、着丝粒序列、端粒序列分别克隆，并把它们相互拼接在一起构造成人工染色体，用于科学研究。（二）组蛋白是真核细胞染色质中的基本结构蛋白组蛋白(histon e)是真核细胞染色质的基本结构蛋白质。组蛋白富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸，等电点一般在p H10.0以上，属碱性蛋白质。用聚丙烯酰胺凝胶电泳可将组蛋白分离成5种，即H l,H2A、H2B、H3、H4（表8-1)。5种组蛋白在染色质的分布与功能上存在差异，可分为核小体组蛋白和连接组蛋白。


医学细胞生物学 第八童细胞核187 种类赖氨酸／精氨酸残基数分子量存在部位及结构作用HI29021523000存在千连接线上，锁定核小体及参与高一层次的包装H2A l.2212914500存在于核心颗粒，形成核小体H2B2.6612513774存在千核心颗粒，形成核小体1-130.7713515324存在于核心颗粒，形成核小体H40.7910211822存在于核心颗粒，形成核小体核小体组蛋白(nucleosomal his tone)包括H2A、H2B、H3、H4四种，分子量较小，这类组蛋白之间有相互作用形成聚合体的趋势，从而可将DNA卷曲形成核小体。核小体的组蛋白在进化上高度保守，无种屈及组织特异性，其中H3和H4是已知蛋白质中最为保守的，不同种属间这两种蛋白的一级结构高度相似，例如牛和豌豆的H4组蛋白的102个拭基酸残基中仅有2个不同，海星与小牛胸腺的H4组蛋白仅有一个氨基酸不同，这一特点表明H3和H4的功能几乎涉及它们所有的氨基酸，以致其分子中任何氨基酸的改变都将对细胞产生影响（动画8-2“核小体的形成过程”)。


医学细胞生物学 第八童细胞核187 HI组蛋白由215个氨基酸残基组成，分子伍较大，为连接组蛋白。H1组蛋白在构成核小体时起连接作用，与染色质的高级结构的构建有关。Hl组蛋白在进化中不如核小体组蛋白那么保守，有一定的种屈特异性和组织特异性。在哺乳类细胞中，HI约有六种密切相关的亚型，氨基酸顺序稍有不同。在成熟的鱼类和鸟类的红细胞中，H I被H5取代。组蛋白在细胞周期的S期与DNA同时合成。组蛋白在胞质中合成后即转移到核内，与DNA结合，装配形成核小体。组蛋白带正电荷与DNA结合可抑制DNA的复制与RNA转录。但一些组蛋白的修饰可影响染色质的活性，这些修饰包括乙酰化、磷酸化和甲基化。当组蛋白某些氨基酸乙酰化或磷酸化后，则可改变组蛋白的电荷性质，降低组蛋白与DNA的结合，使DNA解旋从而有利于复制和转录的进行。而甲基化则可增强组蛋白与DNA的相互作用，降低DNA的转录活性。


医学细胞生物学 第八童细胞核187 （三）非组蛋白能从多方面影响染色质的结构和功能非组蛋白(non扣stone)是指细胞核中除组蛋白以外所有蛋白质的总称，为一类带负电荷的酸性蛋白质，富含天门冬氨酸、谷氨酸等。非组蛋白数屈远少于组蛋白，但其种类多且功能多样，用双向疑胶电泳可得到500多种不同组分，分子队一殷在15000-100000之间。包括染色体骨架蛋白、i周节蛋白及参与核酸代谢和染色质化学修饰的相关酶类。非组蛋白有种属和组织特异性，在整个细胞周期都能合成，其含扯常随细胞的类型及生理病理状态不同而变化，一般功能活跃细胞的染色质中非组蛋白的含址高于不活跃细胞中的染色质。非组蛋白的组分中含有启动蛋白、DNA聚合酶、引物酶等，它们以复合物形式结合在某段DNA分子上，启动和推进DNA分子的复制。有些非组蛋白是转录活动的调控因子，与基因的选择性表达有关。非组蛋白作用于一段特异DNA序列上，能特异地解除组蛋白对DNA的抑制作用，以调控有关基因的转录。在染色质结构的＂拌环“模型中，组蛋白把DNA双链分子装配成核小体串珠结构，非组蛋白则帮助DNA分子进一步盘曲折叠，DNA拌环停泊在非组蛋白组成的支架上，构建成染色质的高级结构。


医学细胞生物学 二、常染色质与异染色质 根据间期核中染色质螺旋化程度以及功能状态的不同，可分为常染色质(euchromati n)和异染色质(heterochromalin)。(—)常染色质是处于功能活跃呈伸展状态的染色质纤维常染色质是指间期核中处于伸展状态，螺旋化程度低，用碱性染料染色浅而均匀的染色质。常染色质大部分位千间期核的中央，一部分介于异染色质之间。在核仁相随染色质中也有一部分常染色质，往往以拌环的形式伸入核仁内。在细胞分裂期，常染色质位于染色体的臂。构成常染色质的DNA主要是单－DNA序列和中度重复DNA序列（如组蛋白基因和核糖体蛋白基因），常染色质具有转录活性，是正常情况下经常处于功能活性状态的染色质，但并非常染色质的所有基因都具有转录活性，处于常染色质状态只是基因转录的必要条件。（二）异染色质是处千功能惰性呈凝缩状态的染色质纤维异染色质是指间期核中，螺旋化程度高，处千凝缩状态，用碱性染料染色时着色较深的染色质，一般位于核的边缘或围绕在核仁的周围，是转录不活跃或者无转录活性的染色质。


医学细胞生物学 二、常染色质与异染色质 异染色质可分为组成性异染色质(constitutive beterochromalin)和兼性异染色质(facu l tative heterochromatin)两类。组成性异染色质又称“恒定性异染色质”，是异染色质的主要类型。在各种类型细胞的细胞周期中（除复制期外）都呈凝缩状态，是由高度重复的DNA序列构成，在分裂中期染色体上常位千染色体的着丝粒区、端粒区、次缢痕等部位；具有显著的遗传惰性，不转录也不编码蛋白质；在复制行为上，较常染色质早聚缩晚复制。将培养的细胞进行同步化处理，在S期掺入3H胸腺啼唗的实验证明，组成性异染色质多在S期的晚期复制，而常染色质多在S期的早、中期复制。


医学细胞生物学 二、常染色质与异染色质 兼性异染色质是指在生物体的某些细胞类型或一定发育阶段，处于凝缩失活状态，而在其他时期松展为常染色质。兼性异染色质的总量随不同细胞类型而变化，一殷胚胎细胞含量少，而高度分化的细胞含量较多，这就说明随着细胞分化，较多的基因渐次以聚缩状态关闭。因此，染色质的聚缩可能是关闭基因活性的一种途径。例如，人类女性卯母细胞和胚胎发育早期，两条X染色体均为常染色质；至胚胎发育的第l6~18天，体细胞将随机保持一条X染色体有转录活性，呈常染色质状态；而另一条X染色体则失去转录活性，成为异染色质。在间期核中失活的X染色体呈异固缩状态，形成直径约lµm的浓染小体，紧贴核膜内缘，称为X染色质或X小体。X染色质检查可用于性别和性染色质异常鉴定。 三、染色质组装形成染色体 20世纪70年代以前，染色质一直被认为是由组蛋白包衷在DNA外，形成类似＂铅笔”状的结构。1974年经R. D. Kornberg等入对染色质进行酶切降韶研究及电镜观察后，人们对于染色质的结构才有了进一步的认识。现已知道，染色质的基本结构单位为核小体，核小体在串联的基础上，发生进一步折叠、压缩形成高级结构，最终组装成染色体。


医学细胞生物学 （一）核小体为染色质的基本结构单位 组成染色质的基本结构单位是核小体(nucleosome)。每个核小体包括有200个左右hp的DNA、8个组蛋白分子组成的八聚体及一分子组蛋白H1。八聚体是由四种组蛋白H2人H2B、H3和H4各两个分子组成，两个H3、H4二聚体相互结合形成四聚体，位于核心颗粒中央，两个H2A、H2B二聚体分别位千四聚体两侧。］46bp的DNA分子在八聚体上缠绕l75圈，形成核小体的核心颗粒。在两个相。 第八章细胞核189 邻的核小体之间以连接DNA(l i nker DNA)分子相连，典型长度约60bp，其长度变异较大，随细胞类型不同而不同，其七结合一个组蛋白分子Hl，组蛋白Hl锁定核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。多个核小体形成一条念珠状的纤维，直径约为10nm（图8－lO)。 连接DNA核小体 组蛋白与DNA之间的互相作用主要是结构性的，基本不依赖核甘酸的特异序列。实验表明，核小体具有自装配的性质。


医学细胞生物学 （二）核小体进—步螺旋形成螺线管 由直径10nm的核小体串珠结构进行螺旋盘绕，每6个核小体螺旋一周，形成外径30nm，内径10nm的中空螺线管(solenoid)，组蛋白Hl位于螺线管内部，是螺线管形成和稳定的关键因素。螺线管为染色质的二级结构（图8-11)。在电镜下观察发现，大多数染色质以30nm染色质纤维形式存在。 蛋组Hl组蛋白核`',小体（三）螺线管进—步包装成染色体 关于DNA如何组装成染色体，在一级及二级结构上已有直接实验证据，并被大多数科学家认可。但从30nm的螺线管如何进一步组装成染色体的过程尚存在争议，目前主要有多级螺旋模型(muhi ple coiling mod e l)及骨架－放射环结构模型(secufold-radial loop structure mod e l)得到较为广泛的接受。1染色体多级螺旋模型在该榄型中，由螺线管进一步螺旋盘绕，形成直径为400nm的圆筒状结构，称为超螺线管(supersolen o id)，这是染色质组装的三级结构。超螺线管再进一步螺旋、折叠形成染色质的四级结构——染色单体。


医学细胞生物学 蛋组Hl组蛋白核`',小体（三）螺线管进—步包装成染色体 根据多级螺旋模型，当DNA分子缠绕在直径10nm的核小体核心颗粒上时，长度被压缩7倍；直径10nm的核小体形成螺线管后，DNA分子长度又被压缩6倍；而当螺线管盘绕形成超螺线管时，DNA分子长度被压缩约为40倍；超螺线管再度折叠、缠绕形成染色单体后，DNA分子长度又将被压缩5倍。因此，在染色质的组装过程中，DNA分子在经过核小体、螺线管、超螺线管到染色单体四级连续螺旋、折叠后，其长度共压缩了8400倍（图8-12)。2染色体骨架——放射环结构模型该模型认为螺线管以后的高级结构，是由30nm螺线管纤维折叠成的拌环构成的，螺线管一端与由非组蛋白构成的染色体支架某一点结合，另一端向周围呈环状迂回后又返回到与其相图8-12染色质组装的多级螺旋模型邻近的点，形成一个个拌环围绕在支架的周围。每个DNA拌环长度约2lµm，包含315个核小体。每18个拌环呈放射状平面排列，结合在核骨架上形成微带(miniband)，再由微带沿纵轴纵向排列构建成为染色单体（图8-13)。放射环模型最早是由U. K. Laemmli等(1977)根据大量的实验结果提出的。他们用2moVL的NaCl溶液加肝素处理HeLa细胞中期染色体，以去除组蛋白及大部分非组蛋白。电镜下观察染色体铺展标本，看到由非组蛋白构成的染色体骨架，两条染色单体的骨架相连于着丝粒区。由骨架的一点伸展出许多直径30nm的染色质纤维构成的侧环。若用EDTA处理染色体标本后，则可见30nm的纤维解螺旋，形成10nm的纤维。此外，实验观察发现，两栖类卯母细胞的灯刷染色体和昆虫的多线染色体，都含有一系列的拌环结构域(l oop domain)，提示拌环结构可能是染色体高级结构的普遍特征。放射环模型较好地解释了电镜下观察到的10nm及30nm纤维产生的结构形态，同时也说明了染色质中DNA-宁非组蛋白的作用。而且，祥环结构可能是保证DNA分子多点复制特性的高效性和准确性的结构基础；也是TDNA分子中基因活动的区域性和相对独立性的结构基核小体-l, r一、上l,-11广础（动画8-3“核小体浓缩成染色体的过程”)。


医学细胞生物学 蛋组Hl组蛋白核`',小体（三）螺线管进—步包装成染色体  四、染色体的形态结构T螺线管30nm 在细胞有丝分裂中期，因染色质高度凝集成染色上体，此时染色体形态、结构特征明显，可作为染色体一尸T般形态和结构的标准，常用于染色体研究及染色体病的诊断检查。伸展的拌环＼/I/\／八＼fn vJI^300nm(—)着丝粒将两条姐妹染色单体相连每一中期染色体都是由两条相同的染色单体构成，两条单体之间在着丝粒部位相连。彼此互称为姐浓缩的拌环宫55％运＇涿·,·709nm妹染色单体(s ister chromatid)。在中期染色体的两姐妹染色单体连接处，存在一~o~个向内凹陷的、浅染的缢痕，称主缢痕(primary constriction)或初级缢痕。着丝粒(centromere)位于主缢痕内染色体:==c14fnm两条姐妹染色单体相连处的中心部位。该结构由高度重复DNA序列的异染色质组成，并将染色单体分为两图8-13染色质组装的放射环模型。 第八章胞核 个臂。着丝粒可作为一个重要标志在染色体鉴别中起作用，中期染色体可根据着丝粒的位置，分为4种类型（图8-14)。


医学细胞生物学 细姐妹染色单体短劈眷丝粒长停中若丝粒近中着丝粒近端籽丝粒染色体染色体染色体~ 中着丝粒染色体(metacentric chromosome)：着丝粒位于或靠近染色体中央，如将染色体全长分为8等份，则着丝粒位于染色体纵（长）轴的1/2~5/8之间，将染色体分成大致相等的两臂。亚中着丝粒染色体(subme tacentric chromosome)：着丝粒位于染色体纵轴的5/8~7/8之间，将染色体分成长短不等的短臂(p)和长臂(q)。近端着丝粒染色体(acrocentric chromosome)：着丝粒靠近染色体的一端，位于染色体纵轴的7/8~近末端之间，短臂很短。端着丝粒染色体(telocentric chromosome)：着丝粒位于染色体的一端，形成的染色体只有一个臂。在人类正常染色体中没有这种端着丝粒染色体，但在肿瘤细胞中可以见到。


医学细胞生物学 细姐妹染色单体短劈眷丝粒长停中若丝粒近中着丝粒近端籽丝粒染色体染色体染色体~ （二）着丝粒－动粒复合体介导纺锤丝与染色体的结合动粒(k inetochore)是由多种蛋白质组成的存在于着丝粒两侧的圆盘状结构。每一中期染色体含有两个动粒，是细胞分裂时纺锤丝微管附着的部位，与细胞分裂过程中染色体的运动密切相关。在细胞分裂后期，微管牵引着两条染色单体向细胞两极移动，动粒起着核心作用，控制着微管的装配和染色体的移动。着丝粒－动粒复合体(centromere-kinetochore complex)是由着丝粒与动粒共同组成的一种复合结构，两者的结构成分相互穿插，在功能上紧密联系，共同介导纺锤丝与染色体的结合。它包括三种结构域：动粒域(ki n e tochore domain)、中心域(ce ntral domain)及位于中心域内表面的配对域(pairin g domain)（图8-15)。


医学细胞生物学 细姐妹染色单体短劈眷丝粒长停中若丝粒近中着丝粒近端籽丝粒染色体染色体染色体~ 动粒域位千着丝粒的外表面，包括外、中、/,, l I内三层式板状结构的动粒和围绕在动粒外层的60nm；内层电子密度高，厚约15~40nm，与着丝｝纤I l lI粒中心域相联系。在没有动粒微管存在时，外\\I I l I lI层表面还可见覆盖着一层由动力蛋白构成的纤I I I ll维冠(fibrous corona)，是支配染色体运动和分离I(________I I的重要结构。动粒域主要含有与动粒结构、功图8-15着丝粒动粒复合体结构示意图能相关的蛋白质，常为进化上高度保守的着丝粒蛋白(centromere protein, CENP)以及一些与染色体运动相关的微管蛋白、钙调蛋白(CaM)、动力蛋白等。中心域位于动粒域的内侧，是着丝粒区的主体，由富含重复DNA序列的异染色质组成，能抗低渗膨胀和核酸酶消化。对着丝粒－动粒复合体结构的形成和正常功能活性的维待有重要作用。


医学细胞生物学 细姐妹染色单体短劈眷丝粒长停中若丝粒近中着丝粒近端籽丝粒染色体染色体染色体~ 配对域在中心域内表面，是有丝分裂中期姐妹染色单体相互作用的位点。该结构域分布有两类重要蛋白，即内着丝粒蛋白(in ner cen tromere prote in, INCENP)及染色单体连接蛋白(c hromati d lin king proteins, CLIPs)。在细胞分裂期，这些蛋白与姐妹染色单体的配对、分离有密切关系，伴随着染色单体之间分离的发生，INCENP可迁移到纺锤体赤道区域，而CLIPs则会逐渐消失。着丝粒动粒复合体的三种结构域在组成及功能上虽有区别，但当细胞进入有丝分裂时，它们彼此间需要相互配合、共同作用，才能确保有丝分裂过程中染色体与纺锤体的整合，为染色体的有序配对及分离提供了结构基础。（三）次缢痕并非存在所有染色体上有些染色体的长、短臂上可见凹陷缩窄区，称为次缢痕(secondary constriction)，次缢痕为染色体上除主缢痕外的浅染缢缩部位，为某些染色体所特有的形态特征。次缢痕在染色体上的数目、位置及大小通常较恒定，可作为染色体鉴定的一种常用标记。


医学细胞生物学 细姐妹染色单体短劈眷丝粒长停中若丝粒近中着丝粒近端籽丝粒染色体染色体染色体~ （四）随体是位千染色体末端的球状结构人类近端着丝粒染色体短臂的末端，可见球状结构，称为随体(satelli te)。随体通过柄部凹陷缩他染色体的末端融合，保持染色体的结构完整；＠在细胞的寿命、衰老和死亡以及肿瘤的发生和治疗中起作用。在正常情况下，染色体末端彼此之间不发生融合，但当染色体发生断裂而端粒丢失后，染色体的断端可以彼此粘连相接，形成异常染色体（动画8-4“端粒及端粒酶＂）。 五、核型与带型 核型(karyotype)是指一个体细胞中的全部染色体，按其大小、形态特征顺序排列所构成的图像。将待测细胞的核型进行染色体数目、形态特征的分析，称为核型分析(kai"yo ty pe a nalysi s)。


医学细胞生物学 五、核型与带型 根据染色体的长度和着丝粒的位置，将人类体细胞的46条染色体进行配对，顺序排列编号，其中22对为男女所共有，称为常染色体(au tosomal chromosome)，编为1~22号，并分为A、B、C,D、E、F,G7个组，A组最大，G组最小（表8-2)。另一对随男女性别而异，称为性染色体(sex chromosome)。女性为XX染色体，男性为XY染色体。X染色体较大，为亚中着丝粒染色体，列入C组；Y染色体较小，为近端着丝粒染色体，列入G组。 第八章细胞核193 组号染色体号大小着丝粒位置次缢痕随体组内鉴别程度A l~3最大中(I号、3号）1号常见无可鉴别亚中(2号） B4~5次大亚中无难鉴别 C6~l2;X中等亚中9号常见无难鉴别(X大小位于7至8号之间） D13~15中等近端有难鉴别E16~18小中(16号）16号常见无可鉴别亚中(17号、18号）F19~20次小中无难鉴别 G2l~22;Y最小近端(21号、22号）有难鉴别(21号、22号）


医学细胞生物学 (Y)无可鉴别(Y两长臂平行靠拢） 按照国际标准，核型的描述包括两部分内容，第一部分是染色体总数（包括性染色体），第二部分是性染色体组成，两者之间用逗号隔开。正常女性核型描述为46,XX。正常男性核型描述为46,XY。通常采用常规染色和显带染色技术来辨别染色体。常规染色方法所得到的染色体标本，除着丝粒和次缢痕外，整条染色体着色均匀，因此在核型分析中，除A组和E组外，组内各号染色体均难以准确鉴别。显带染色则能精确识别每一条染色体。


医学细胞生物学 (Y)无可鉴别(Y两长臂平行靠拢） 显带技术将染色体标本经过一定程序处理，并用特定染料染色，使染色体沿其长轴显现出明暗或深浅相间、宽窄不等的横行带纹，构成了每条染色体的带型。每对同源染色体的带型基本相同且相对稳定，不同对染色体的带型不同，因此通过显带染色体核型分析，除可准确地识别每条染色体外，还能检测各条染色体的微小变化，如缺失、易位等，这大大提高了核型分析的精确度。_目前常用的染色体显带方法有G带法、Q带法、R带法及高分辨图8-17人类1号染色体显带等方法，这些方法可以恒定的显示入体24条染色体的特异性带的带型示意图型（图8-17)，表明了带型的客观性和应用性，为识别染色体的改变提供技术分析基础，为临床上某些疾病的诊断和病因研究提供了有效的手段。


医学细胞生物学 第三节核仁 核仁是真核细胞间期核中出现的结构，在细胞分裂期表现出周期性的消失和重建。核仁的形状、大小、数目依生物的种类、细胞的形状和生理状态而异。每个细胞核一般有1~2个核仁，但也有多个的。蛋白质合成旺盛、生长活跃的细胞，如分泌细胞、卯母细胞中的核仁较大，其体积可达细胞核的25%；蛋白质合成不活跃的细胞，如精子和肌细胞，休眠的植物细胞其核仁不明显。核仁主要是rRNA合成、加工和核糖体亚基的装配场所。 —、核仁的主要成分 研究表明核仁含有三种主要成分：蛋白质、RNA和DNA。但这三种成分的含址依细胞类型和生理状态而异。从离体核仁的分析得知，核仁的蛋白质占核仁干重的80％左右，包括核糖体蛋白、组蛋白、非组蛋白等多种蛋白质。核仁中存在许多参与核仁生理功能的酶类，例如碱性磷酸酶、核甘酸酶、ATP酶、RNA聚合酶、RNA酶、DNA酶和DNA聚合酶等。


医学细胞生物学 —、核仁的主要成分 核仁中的RNA含量大约占核仁干重的10%，变动范围在3%～l3%。RNA转录及蛋白质合成旺盛的细胞，其核仁中的RNA含量高。核仁的RNA常与蛋白质结合成核糖核蛋白。核仁中含有约8%的DNA，主要是存在千核仁染色质(nu cleolar chromatin)中的DNA。核仁还含有微量脂类。含水量较核内其他组分少。 二、核仁的结构 光镜下，核仁通常是匀质的球体，具有较强的折光性，容易被某些碱性或酸性染料着色。电镜下，核仁是裸露无膜的纤维网状结构。核仁的超微结构包括3个不完全分隔的部分，即纤维中心(fibri llar center,FC)、致密纤维组分(dense fibrill扣component,DFC)、颗粒组分(granular component, GC)（图8-18)。 颗粒组分纤维中心 'r拿＇，｝曾、，`'图8-18人成纤维细胞核电镜照片A完整的细胞核；B核仁（引自：Albe rts B, Johnson A, Lewis J, el al. Molecular Biology of theCell.5th ed. New York:Garland Publishing, Inc.,2007)(—)核仁的纤维中心是分布有rRNA基因的染色质区电镜下核仁结构的纤维中心由直径10nm的纤维组成，位于核仁中央部位的浅染低电子密度区，包埋在颗粒组分的内部，是rRNA基因rDNA的存在部位。rDNA实际上是从染色体上伸展出的DNA拌环，拌环上的rRNA基因成串排列，通过转录产生rRNA，组织形成核仁，因此称为核仁组织者(nuclear organizer)。rRNA基因通常分布在几条不同的染色体上，人类细胞的rRNA基因分布千第13、14、15、21和22号5对染色体的次缢痕部位，因此，在人类二倍体的细胞中，就有10条染色体上分布有rRNA基因，他们共同构成的区域称为核仁组织区（图8-l9)，含有核仁组织区的染色体称为核仁组织染色体(nucleolar organizing chromosome)。


医学细胞生物学 颗粒组分纤维中心 （二）核仁的致密纤维组分包含处于不同转录阶段的rRNA分子。核仁结构的致密纤维组分位千核仁浅染区周阶的高含有rRNA基因的10条间期染色质以拌环形式伸入核仁内核膜图8-19人10条染色体的「DNA拌环伸入核仁组织区示意图电子密度区，染色深，呈环型或半月型分布。电镜下可见该区域由紧密排列的细纤维丝组成，直径一般为4~1Onm，长度约20~40nm，主要含有正在转录的rRNA分子，核糖体蛋白及某些特异性的RNA结合蛋白，构成核仁的海绵状网架。用RNA酶及蛋白酶可将该区域的纤维丝消化。（三）核仁的颗粒组分由正在加工的rRNA及蛋白质构成核仁结构的颗粒组分是电子密度较大的颗粒，直径为15-20nm，密布于纤维骨架之间，或围绕在纤维组分的外侧。该区域是rRNA基因转录产物进一步加工、成熟的部位。颗粒组分主要由rRNA和蛋白质组成的核糖核蛋白颗粒，为处于不同加工及成熟阶段的核糖体亚基前体。上述三种组分存在于核仁基质中。核仁基质为核仁区一些无定形的蛋白质性液体物质，电子密度低。因核仁基质与核基质互相连通，所以有人认为核仁基质与核基质是同一物质。


医学细胞生物学 三、核仁的功能 核仁是rRNA合成、加工和装配核糖体亚基的重要场所，除5S rRNA外，真核生物的所有rRNA都在核仁内合成。在RNA聚合酶等多种酶的参与下，核仁中的rDNA开始转录rRNA，初级产物是纤维状，而后是颗粒状，最后完全成熟形成核糖体亚基，由核仁转运至细胞质。（一）核仁是rRNA基因转录和加工的场所真核生物中的18S、5.8S和28S rRNA基因组成一个转录单位，在核仁组织区呈串状重复排列。已知在所有的细胞中均含有多拷贝编码rRNA的基因。根据对两栖类卵母细胞和其他细胞中具有转录活性的rRNA基因的电镜观察，发现它们都有共同的形态特征，即核仁的核心部分由长的DNA纤维组成，新生的RNA链从DNA长轴两侧垂直伸展出来，而且是从一端到另一端有规律地增长，构成箭头状，似圣诞树(Christmasee)的结构外形（图8tr-号20)。沿DNA长纤维有一系列重复的箭头状结构单位。每个结构单位中的DNA纤维是一个rRNA的基因，因而每个箭头状结构代表一个rRNA基因转录单位。在两个箭头状的结构之间存在着不被转录的间隔DNA。不同生物的间隔DNA片段长度不同，人的间隔片段长约30OOObp。


医学细胞生物学 放、一.尸~-大l三_.f`^'I'j＂呱…i心尽羁间隔序列L一间隔序列_j非编码间隔序列 在RNA聚合酶I的作用下，rRNA基因进行转录，形成45S rRNA分子。从45S rRNA剪切为18S、5.8S和28S三种rRNA，是一个多步骤、复杂加工的过程。通过3H标记尿瞪唗和放线菌素D研究HeLa细胞前1-RNA合成时发现：当HeLa细胞同3H标记尿啼唗共培养25分钟后，被标记的rRNA的沉降系数是45S，加入放线菌素D阻断RNA的合成后，标记的45S rRNA首先转变成32SrRNA，随着培养时间的延长，逐渐出现被标记的28S、18S的rRNA。根据这一研究结果推测rRNA的加工过程为：45S rRNA裂解为4lS、32S、20S等中间产物。20S很快裂解为18S rRNA,32S进一步剪切为28S和5.8S rRNA。


医学细胞生物学 放、一.尸~-大l三_.f`^'I'j＂呱…i心尽羁间隔序列L一间隔序列_j非编码间隔序列 虽然所有真核生物的18S、5.8S和28S rRNA基因是相同的，并且在染色体上组成同一个转录单位，但是不同生物中的18S、5.8S和28S rRN A基因的转录起点和间隔区的长短并不完全相同。真核细胞核糖体中5S rRNA（含有120个核昔酸）基因不定位在核仁组织区，如入类的5S rRNA。 196第二篇细胞的结构与功能 基因定位在1号染色体上，也呈串联重复排列，中间同样有不被转录的间隔区域，5S rRNA是由RNA聚合酶III所转录的，转录后被运至核仁中，参与核糖体大亚基的装配。


医学细胞生物学 （二）核仁是核糖体亚基装配的场所 核糖体大、小亚基的组装是在核仁内进行的。如图8-21所示，45S rRNA前体转录出来以后，很快与进入核仁的蛋白质结合，组成80S的核糖核蛋白颗粒。以核糖核蛋白方式进行加工，即一边转录一边进行核糖体亚基的组装。根据对带有放射性标记的核仁组分的分析，发现大部分核糖体蛋白质参与了45S rRNA的包装，在加工过程中，80S的大核糖核蛋白颗粒逐渐失去一些RNA和蛋白质，然后剪切形成两种大小不同的核糖体亚基。由28S rRNA、5.8S rRNA、5S rRNA与蛋白质一起装配成核糖体的大亚基，其沉降系数为60S。18S rRNA与蛋白质共同构成核糖体的小亚基，其沉降系数为40S。大、小亚基形成后，经过核孔进入细胞质，进一步装配为成熟的核糖体。


医学细胞生物学 严尸夕NA核糖体蛋白纬二名2s8S～．、工亡.L-5S细胞质委18S霆＼：心40S亚基60S亚基 通过放射性脉冲标记和示踪实验表明，在30分钟内，核糖体小亚基在核仁中首先成熟，并很快通过核孔进入细胞质中，而核糖体大亚基的组装约需l小时左右，所以核仁中核糖体的大亚基比小亚基多。加工下来的蛋白质和小的RNA分子存留在核仁中，可能起着催化核糖体构建的作用。一般认为，核糖体的成熟作用只发生在其亚基被转移到细胞质以后，这样有利于阻止有功能的核糖体与细胞核内加工不完全的hnRNA分子结合，避免mRNA前体提前在核内进行翻译，这一特点对保证真核细胞的转录、翻译控制在不同时空中进行有重要的意义。


医学细胞生物学 四、核仁周期 核仁随细胞的周期性变化而变化，在细胞分裂前期消失，分裂末期又重新出现。这种周期性变化与核仁组织区的活动有关e在有丝分裂前期，染色质凝集，伸入到核仁组织区的rDNA拌环缠绕、回缩到相应的染色体次缢痕处，rRNA合成停止，核仁的各种结构成分分散于核基质中，核仁逐渐缩小，最后消失。所以在分裂中期和后期的细胞中见不到核仁。当细胞进入分裂末期时，已到达细胞两极的染色体逐渐解旋成染色质，核仁组织区的rDNA拌环呈伸展状态，并开始重新合成rRNA，核仁的纤维组分和颗粒组分开始生成，核仁又重新出现。在核仁的周期性变化中，rRNA基因的活性表达是核仁重建的必要条件，而原有的核仁组分可能起一定的协助作用（动画8-5“核仁的形成及功能”)。


医学细胞生物学 第四节核基质 1974年初，美国R. B e rezn e y和D. S. Coffey等将分离纯化的大鼠肝细胞核用非离子去垢剂、核酸酶消化与高盐缓冲液处理，当核膜、染色质和核仁被抽提后，发现核内仍保留一个以纤维蛋白成分为主的网架结构（图8-22)，将这种网状结构命名为核基质(n uclear matrix)。因为它的基本形态与细胞质骨架相似，同时与胞质骨架体系存在一定的联系，所以也有人将其称为核骨架(nucle釭ske leton)。但对核骨架或核基质概念的理解，目前有两种看法：广义的概念是核骨架由核纤层、核孔复合体、残存的核仁和一个不溶的网络状结构（即核基质）组成。狭义的概念是指核基质，它不包含核膜、核纤层、染色质和核仁等成分，但是这些网络状结构与核纤层及核孔复合体等有结构上的联系，而且在功能上与核仁、染色质结构和功能密切图8-22核基质的透射显微镜图像相关。小鼠成纤维细胞的核基质，首先用去垢剂、高盐提取，然后用核酸酶和低盐处理去除染色质一、核基质的组成成分与形态结构镶嵌的DNA，可见有残存的纤维状基质构成的核质区和细胞骨架基质构成的胞质区（引自：电镜下观察，核基质是一个以纤维蛋白成分为主Karp G. Cell and Molecular Biology:Concepts的纤维网架结构，分布在整个细胞核内。这些网架结and Experiments.2"'1ed. New York:John Wiley&构是由粗细不均、直径为3~30nm的纤维组成。纤维Sons, Inc.,1999)单体的直径约3~4nm，较粗的纤维是单体纤维的聚合体。


医学细胞生物学 第四节核基质 核基质的主要成分是蛋白质，基含植达90％以上，另有少址的RNA。RNA含蜇虽少，但对于维持核基质三维网络结构的完整性是必需的。在制备核基质过程中，用RNase消化处理，制备的核基质上的网状颗粒结构变得稀疏，并发现核基质纤维的三维空间结构有很大的改变。因此，认为RNA在核基质纤维网络之间可能起着某种连接作用。由千在核基质纤维上结合有一定数量的RNP颗粒，因此，有人提出核基质的结构组分是以蛋白质为主的RNP复合物。组成核基质的蛋白质成分较为复杂，它不像细胞质骨架如微管、微丝那样，主要由专一的蛋白质成分组成，而且核基质蛋白在不同类型细胞和不同生理状态的细胞中均有明显差异，同时也与提取核基质成分时采用的方法、步骤与盐溶液的不同有关。


医学细胞生物学 第四节核基质 双向电泳显示，核基质蛋白多达200余种，可分为两类：一类是核基质蛋白(nuclear matrix protein, NMP)，分子量在40000~60000之间，其中多数是纤维蛋白，也含有硫蛋白，是各种类型细胞所共有的；另一类是功能性的核基质结合蛋白(nu clear matrix associated protein, NMAP)，与细胞类型、分化程度、生理及病理状态有关。核基质复杂多样的生物学功能除了靠核基质本身的蛋白质完成外，更重要的是通过多种核基质结合蛋白的共同参与。 二、核基质的功能 近年的研究表明，核基质可能参与DNA复制、基因表达、hnRNA加工、染色体DNA有序包装和构建等生命活动。(—)核基质参与DNA复制1核基质上描泊DNA复制复合体实验表明DNA拌环与DNA复制有关的酶和因子铀定在核基质上形成DNA复制复合体(DNA replication complex)，进行DNA复制。实验证明，DNA聚合酶在核基质上可能具有特定的结合位点，DNA聚合酶通过结合千核基质上而被激活。有人认为从链的起始到链的终止，整个过程在核基质上进行。核基质可能是DNA复制的空间支架。


医学细胞生物学 二、核基质的功能 在复制时DNA复制起始点结合在核基质上，同时还观察到新合成的DNA会随着复制时间的延长而逐渐从核基质移向DNA环。所以，DNA复制时，DNA就像从一个固定的复制复合体中释放出来。2.核基质上结合新合成的DNA Coffey(l980)和Berezney(1981)等分别以体外培养的3T3成纤维细胞、大鼠再生肝细胞为材料，用3H-TdR进行脉冲标记，发现标记后30分钟内，90％的放射性掺入集中在与核基质结合的DNA上。这表明，新合成的DNA先结合在核基质上。S. J. McCready(1980)的实验，以HeLa细胞为材料，也证实新合成的DNA是结合在核基质上的。他们认为，一个拌环中可能有几个复制起始点。只有起始点结合到核基质时，DNA合成才能开始。电镜放射自显影的实验也指出了DNA复制的位点结合于核基质上。通过研究表明，DNA拌环是通过其特定位点结合在核基质上的。该特定位点的核昔酸序列被称为核基质结合序列(matrix-attached region, MAR)，该序列富含AT，它通过与核基质相互作用，调节基因的复制与转录等。


医学细胞生物学 二、核基质的功能 3核基质上DNA的复制效率提高最初的DNA复制模式认为，可溶性的DNA聚合酶结合于DNA复制起始点后，沿模板移动合成新DNA。实际上高度纯化的DNA在离体进行DNA复制时，DNA的复制效率极低且复制错误多，而在含有核基质组分的非洲爪蟾卯母细胞提取物的非细胞系统中进行DNA复制，其DNA复制效率很高，表明核基质可能为DNA精确而高效的复制提供良好的空间支架。（二）核基质参与基因转录和加工1核基质与基因转录活性密切相关D. A. Jac k son等(1981)用3H－尿啥唗核昔脉冲标记HeLa细胞，发现95％以上新合成的RNA存在千核基质上，说明RNA是在核基质上进行合成的。 （三）核基质参与染色体构建 染色质组装的放射环模型中，由30nm染色质细丝折叠而成的拌环铀定在核基质上，每18个拌环呈放射状排列结合在核基质上构成微带，再由微带沿着核基质形成的轴心支架构成染色单体。根据这个模型，说明核基质可能对于间期核内DNA有规律的空间构型起着维系和支架的作用，它们参与DNA超螺旋化的稳定过程。


医学细胞生物学 （四）核基质与细胞分化相关 核基质的发达状况与核内RNA合成能力、细胞分化程度密切相关。分化程度高的细胞中RNA合成能力强，核基质也很发达。核基质结构和功能的改变，可导致基因选择性转录活性的变化，引起细胞分化。与正常细胞相比，肿瘤细胞中核基质的结构及组成存在异常，许多癌基因可结合于核基质上，核基质上也存在某些致癌物作用的位点。 第五节细胞核的功能 细胞核是细胞遗传物质储存、复制、传递及核糖体大小亚基组装的场所，在维持细胞遗传稳定性及细胞的代谢、生长、分化、增殖等生命活动中起着控制中心的作用。


医学细胞生物学 —、遗传信息的贮存和复制 生物物种要得以延续，子代必须从亲代获得所有控制个体发生、发育及各种性状的遗传信息，而遗传信息是通过DNA复制、生殖细胞或体细胞分裂传递给子代或子细胞的。(-)DNA复制是在多个复制起点上进行的半保留复制真核生物中，染色体为DNA分子的载体，每条染色体为一个DNA分子，每个DNA分子上有多个复制起点。含有起点的复制单位称为复制子(replicon)。复制从复制起点开始，双向进行，在起点两侧分别形成一个复制叉(replication fork)（图8-23)。在进行DNA复制时，多个复制子可同时从起始点进行双向复制，一个复制起点的两个复制叉向两侧推进，最终将与另一起始点的复制叉相连，电镜下观察到的复制子呈一个个气泡状结构（图8-24)。


医学细胞生物学 6..拓扑异构酶·-~解旋酶.^、九农心飞少 当亲代DNA分子上的所有复制子都汇合连接成两条连续的子代DNA分子时，复制解旋酶解旋酶得以完成。复制后的两个DNA分子中的碱基顺序与复制前的DNA分子相同，而且每一个DNA分子都含有一条旧链和一条新合成的链，因此DNA的复制是半保留复制(semiconservative replication)（图8-25)。图8-24DNA的双向及多起点复制示意图（二）DNA复制为半不连续性复制由千DNA聚合酶催化合成DNA链的方向只能是5'---+3'，使DNA链的3'端加脱氧核背酸，所以新合成的DNA链只能沿5'一3'的方向进行。而DNA双链的方向一条为5'---+3'，另一条为3'---+5'，彼此反向平行。在以3'---+5'方向为模板的链模板链图8-25DNA的半保留复制示意图上，子链合成的方向与复制叉推进的方向一后随链致，DNA是沿5'一3'方向连续复制的，速度较冈崎片段快，称为前导链(leading strand)；而以5'一3'链方向为模板合成的3'-+5'方向的互补链，其合成方向与复制叉推进的方向相反，合成过程则需要引物(primer)的存在，即需要一复制叉移动方向个长约lObp的RNA序列以提供DNA聚合酶所需的3'端，而且每一引物只能始动合成一个100-200bp的DNA片段，称为冈崎片图8-26DNA复制的半不连续性示意图段(Okazaki fragment)，因此在5'一3'方向的模板链上，DNA的复制是不连续的。当一个个冈崎片段合成后，引物被去除，在DNA连接酶(DNA li gase)的作用下，补上一段DNA。所以，这一条DNA链合成较慢，称为后随链(lagging strand)。因此，DNA的复制又是半不连续复制(semi－小scontinuous replication)（图8-26)。


医学细胞生物学 6..拓扑异构酶·-~解旋酶.^、九农心飞少 （三）端粒酶能够保持DNA复制时染色体末端的完整性端粒是由端粒酶合成的，端粒酶是由RNA和具有反转录酶活性的蛋白质组成的复合结构，其RNA长159bp，含一个CAACCCCAA序列，能为端粒DNA的合成提供模板，合成的方向是5'一3'。而端粒酶中的蛋白质则为一种反转录酶。在DNA复制终末时，由千DNA双链中后随链所进行的DNA转录(transcription)是将遗传信息从DNA传递给RNA分子的过程，是细胞合成蛋白质图8-27端粒酶的作用所必需的重要环节。真核细胞RNA转录及其端粒酶通过其RNA序列识别染色体富含G的末端，并与后的加工、剪接、转运都是在细胞核各组分相之结合。在端粒酶作用下，延长染色体DNA的3'末端，互配合、共同作用下完成的。随着端粒酶在染色体末端的移动，3＇末端被进一步延长由RNA聚合酶I转录的rRNA分子，在核仁部位和5S rRNA以及与从胞质中转运入核的核糖体蛋白结合形成核糖核蛋白颗粒，并在核仁内加工、成熟，以核糖体大、小亚基的形式转运出核；由RNA聚合酶II转录的核内异质RNA(heterogeneous nuclem-RNA, hnRNA)，首先在核内进行5'端加帽、3'端加多聚A尾以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA，由DNA转录的mRNA前体只有在核内经转录后加工修饰成为成熟的mRNA分子才能被转运出核；5S rRNA和tRNA的转录则均由RNA聚合酶IlI催化，在核内合成（详见第九章）。


医学细胞生物学 6..拓扑异构酶·-~解旋酶.^、九农心飞少  第六节细胞核与疾病 细胞核是细胞生命活动的控制枢纽，细胞核的结构和功能受损，将导致严重的后果，常会引起细胞生长、增殖、分化等的异常，从而导致疾病的产生。 —、细胞核结构异常与疾病 细胞核内遗传物质改变将导致遗传病，根据遗传物质改变的不同，可分为染色体病和基因病。染色体异常可以表现为染色体的数目异常，也可表现为染色体的结构异常。由染色体数目和结构异常所引起的疾病称染色体病(chromosomal disease)。常见的染色体病有：21三体综合征、先天性睾丸发育不全综合征等。由于染色体病往往涉及许多基因，所以常表现为复杂的综合征。而由基因突变引起的疾病称为基因病，包括单基因病、多基因病。常见的单基因病有：短指、遗传性舞蹈症、先天性聋哑、白化病、色盲、血友病等。而少年型糖尿病、哮喘、冠心病、原发性高血压、精神分裂症等则属于多基因病。还有一些疾病，与细胞核形态结构的改变密切相关。


医学细胞生物学 （一）肿瘤细胞核异常 与正常细胞相比，肿瘤细胞增殖、生长旺盛，代谢活动活跃，其细胞核的形态结构有很多的异常。在肿瘤细胞中，细胞核通常较大，核质比增高。核的形状表现为：拉长、边缘呈锯齿状、凹陷、长芽、分叶及弯月形等畸形。在骨髓瘤细胞中，甚至出现仅细胞核分裂但细胞质不分裂而形成的双核细胞（四倍体）。肿瘤细胞的核膜增厚且呈不规则状，可出现小泡、小裂状突起。核孔的数目在肿瘤细胞中往往增加。肿瘤细胞核仁大而数目较多，常规染色的肿瘤细胞中核仁深染。这是由于这些核仁的形态变化反映了肿瘤细胞活跃的RNA代谢的变化。恶性肿瘤细胞的组蛋白磷酸化程度升高，磷酸化可以改变组蛋白中的赖氨酸所带的电荷，降低组蛋白与DNA的结合，从而有利于转录的进行。肿瘤细胞的染色质沿核的周边分布并呈粗颗粒或团块状，分布不均匀。当染色质形成染色体时，可出现正常或异常的有丝分裂相。肿瘤组织的有丝分裂相数目一般是增多的，据此可诊断某些类型的恶性肿瘤。染色体异常被认为是肿瘤的特征之一，很多的肿瘤细胞都有染色体畸变。染色体的变化是肿瘤早期诊断的客观指标，在医学上具有一定的意义。


医学细胞生物学 （二）核纤层蛋白异常与早衰 在人类早老征患者的表皮细胞中，电镜观察发现核纤层增厚的现象。核纤层不仅能稳定核膜结构，而且与异染色质组装、基因的转录以及DNA复制等密切相关。核纤层主要由两类蛋白组成：A型核纤层蛋白和B型核纤层蛋白。A型核纤层蛋白主要包括Lamin A和Lamin C,B型核纤层蛋白主要包括Lamin Bl和Lamin B2。当编码核纤层的基因发生突变，可以直接引起细胞核纤层的损伤，造成细胞衰老，也将引发机体一系列与衰老相关的退行性病变。Lamin A及其结合蛋白的突变将影响核膜蛋白的定位和功能，或影响基因组的稳定性，导致早老的发生。人类早老征患者Lamin A合成障碍，有毒性的Lamin A前体的累积，人类正常年老细胞中同样存在Lamin A减少。


医学细胞生物学 二、核转运异常与疾病 雄激素受体(androgen receptor, AR)在男性第二性征的发育及前列腺的生长过程中起着重要的作用，其核定位对个体正常的生理状态非常重要。在胞质中Import a通过识别AR上的核定位信号(NLS)，并与其结合，然后再与Import[3结合，AR-Import a-Import[3复合体通过核孔复合体进细胞核，然后将AR释放。AR或AR的NLS位点的突变（如：Lys630、Lys632、Lys633)会严重影响AR与Import a的结合，导致AR不能正常入核。AR或者AR的NLS位点的突变体造成的AR异常，其亚细胞定位明显与前列腺癌以及雄激素不敏感症相关。


医学细胞生物学 三、端粒异常与疾病 研究发现高血压患者内皮细胞中端粒长度存在异常。对体外高血压动物模型研究发现，血管平滑肌细胞的端粒消耗加速，由此可能对血管平滑肌细胞增殖与凋亡失衡产生影响。在非胰岛素依赖性糖尿病人的白细胞中也出现端粒长度缩短的现象，因此有人推测一些与年龄老化相关疾病（如高血压、糖尿病、动脉粥样硬化和恶性肿瘤等）的发生机制可能与年龄增加导致的端粒磨损加速、长度缩短相关，端粒的这些异常增加了疾病等位基因杂合性丢失的机率及染色体基因型的不稳定，使发病风险升高。 推荐读物小、结 细胞核是真核细胞内的最大、最重要的结构，是细胞生命活动的控制中心。间期细胞核主要由核膜、染色质、核仁及核基质（核骨架）构成。核膜作为界膜将细胞区分为细胞核与细胞质两个彼此独立又相互联系的功能区，从而使基因的转录和翻译过程在时空上分开。核孔复合体是核－质之间的物质运输和信息交流的通道。核纤层是附着在内核膜下由核纤层蛋白组成的纤维蛋白网，与核膜及朵色质在结构和功能上有密切的联系。


医学细胞生物学 推荐读物小、结 染色质是由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的核酸蛋白质复合结构。按其螺旋化程度及功能状态的不同分为常染色质和异朵色质两类，异朵色质又分为组成性异染色质和兼性异染色质。核小体为朵色质的基本结构单位。核小体进一步螺旋形成30nm朵色质纤维，染色质经过多级折叠、包装后可形成染色体。在细胞分裂中期染色体形态、结构特征最为明显，具有两条朵色单体，主要结构包括染色体臂、着丝粒与动拉、次缢痕、随体和端粒。人体染色体有中着丝粒、亚中着丝粒、近瑞着丝拉三种类型。核仁主要由蛋白质与rRNA组成。电镜下的核仁结构由纤维中心、致密纤维组分、颗粒成分三个不完全分隔的部分构成。核仁是一种高度动态的结构，经历着周期性的变化，核仁的形成与核仁组织朵色体上存在的含有rRNA基因的核仁组织区有关。核仁的主要功能是合成除5S rRNA之外的所有彸勹rRNA及装配核糖体大、小亚基。


医学细胞生物学 推荐读物小、结 核基质为间期核内由非组蛋白组成的纤维网架结构，核基质与DNA复制、基因表达及朵色体构建有着密切的关系。细胞核是遗传信息的贮存场所，核内进行基因复制、转录和转录出的初级产物的加工等活动，从而控制细胞代谢、生长、繁殖和分化。细胞核的结构或功能受损，可导致疾病的发生。（项荣） 第九章细胞内遗传信息的传递及调控 人类对基因的认识和探索经历了近百年的历程，这个历程是从奥地利的一个神父孟德尔“中心法则”的不断补充和完善，丰富了人们对遗传信息传递过程的认识。遗传信息（即基因信息）传递的结果，是合成在细胞内执行特定功能的蛋白质，该过程受到严密和精确的调控，其中任何环节出现异常均可导致疾病的发生。


医学细胞生物学 第一节基因及其结构—、基因及其信息流向 (—)基因是DNA分子中含有特定遗传信息的核苦酸序列细胞的生物学性状是由其遗传物质所携带的遗传信息决定的，绝大多数的遗传物质是DNA，少数噬菌体和病毒的遗传物质是RNA。基因(gene)是细胞内遗传物质的最小功能单位，是负载有特定遗传信息的DNA片段。在原核细胞中，一个基因就是DNA分子的一个片段；但在真核细胞，一个基因可以是DNA分子的一个片段或是若干片段的组合。基因能够编码生物活性物质，其产物为各种RNA和蛋白质。为了区分调控途径中的成员和被调控的基因，目前一般将基因分为结构基因(s tructural gene)和调控基因(regulat01-y gene)。结构基因是指编码非调控因子的任何蛋白质和RNA的基因，其表达产物如结构蛋白、酶、rRNA和tRNA等；而调控基因则通过编码蛋白质或RNA来调节其他基因的表达。


医学细胞生物学 第一节基因及其结构—、基因及其信息流向 构成DNA遗传信息的物质基础是DNA序列中的核甘酸排列顺序，不同的生物细胞中DNA所载有的遗传信息大小不一，基因数目不同，所合成的蛋白质种类不同，这也是生物物种丰富多彩的原因。蛋白质是生命活动的执行者，通过转录和翻译，基因DNA的编码序列决定了蛋白质的一级结构，从而决定蛋白质的功能。通过DNA的复制，基因所携带的遗传信息代代相传。基因组(genome)是指细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质，是所有染色体上全部基因和基因间的DNA的总和，它含有一个生物体进行各种生命活动所需要的全部遗传信息。原核细胞没有细胞核结构，其基因组以裸露DNA或RNA的形式存在于细胞中，其基因组结构较真核细胞简单。真第九章细胞内遗传信息的传递及调控核细胞基因组的复杂性和信息榄的庞大程度远远超过原核细胞。研究表明，由于DNA存在编码区与非编码区，基因组的大小并不一定代表基因组的复杂性。例如，人类基因组约有3. Oxl09bp，但只有2万～3万个基因，仅是大肠杆菌(E. coli)4000个基因的5~7倍；而蛛姬和百合花的DNA数量却是人类基因组的10倍，但这些生物的复杂程度显然比不上人类。


医学细胞生物学 （二）中心法则揭示了基因的信息流向 基因是遗传信息的贮存形式。在细胞内，遗传信息的流向一般是DNA--+RNA一蛋白质。首先以DNA作为模板合成RNA分子，接着RNA分子指导特定蛋白质合成，此过程称为基因表达(gene expression)。基因表达的终产物是蛋白质（也可以是RNA)。遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的流动，称为分子生物学的中心法则(central dogma)（图9-l)。中心法则包括：心复制(replication)，即遗传信息可由亲代DNA通过半保留复制传递Dm给子代DNA;＠转录(transcripti on)，即以DNA为模板合成RNA的过程；＠翻译(translation)以RNA(mRNA)为模板指导蛋白质生物合成的过程，即由mRNA的核昔酸序列转变为蛋白质的氨基酸序列。后来的研究发现了逆转录现象，逆转录酶能催化以RNA为模板合成DNA，从而证明了遗传信息亦可反向传递，即从RNA--+DNA；另外，一些RNA病毒可以RNA为模板复制出新的RNA这些现象都是对中心法则的有益补充。


医学细胞生物学 （二）中心法则揭示了基因的信息流向 在遗传信息传递的过程中，RNA分子起很重要的作用。负责翻译为蛋白质的RNA，像信使那样携带着来自DNA的遗传信息到胞质核糖体指导合成蛋白质，因而称之为信使RNA(messenger RNA, mRNA)。除mRNA外，核糖体RNA(ribosomal图9-1中心法则示意图RNA,rRNA)和转运RNA(transfer RNA, tRNA)都是基因表达的终产物，它们不能被翻译成蛋白质，但为蛋白质合成所需要。细胞中还有一些小分子的RNA在遗传信息的表达调控中起重要作用。 二、基因的结构及特点(—)原核细胞的基因结构较为简单 大多数原核细胞中只有一个DNA分子，即一条染色体。原核细胞基因组DNA的绝大部分可编码蛋白质，只有小部分不转录，为非编码区。在原核细胞中，功能相关的结构基因串联排列，受上游共同调控区的控制，同时转录和翻译，最终形成功能相关的几种蛋白质。如大肠杆菌中与乳糖代谢有关的酶有三种：B－半乳糖昔酶、B－半乳糖昔通透酶和B－半乳糖昔乙酰转移酶，编码这三种酶的结构基因分别为LacZ、LacY和LacA，串联排列于大肠杆菌DNA的某一区段上。


医学细胞生物学 二、基因的结构及特点(—)原核细胞的基因结构较为简单 位千结构基因上游的是启动子(promot er)序列，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，可以控制在同一条DNA上紧密连接的一个或几个基因的转录。原核生物的启动子大约有55个碱基对长，其中包含有转录的起始点和RNA聚合酶的识别部位及结合部位。起始点是DNA模板链上开始进行转录作用的位点，以“+1”标识，在DNA模板上，从起始点开始顺着转录方向的区域称为下游；从起始点逆着转录方向的区域称为上游。识别部位是RNA聚合酶的G因子识别DNA分子的部位，约有6个碱基对，其中心位千上游－35bp处，所以称为－35区，其共有序列是5'-TTGACA-3'。结合部位是指在DNA分子上与RNA聚合酶核心酶紧密结合的序列，其长度大约是7个碱基对，其中心位于起始点上游的－lObp处，因此将此部位称为－10区。多种启动子的－10区具有高度的保守性和一致性，它们有一个共有序列或共同序列，为5'-TATAAT-3'，又称为Pribnow盒(pribnow box)。在Pr山now盒中的DNA双链容易解开，利于RNA聚合酶的进入而促使转录作用的起始。


医学细胞生物学 二、基因的结构及特点(—)原核细胞的基因结构较为简单 原核细胞结构基因序列是连续的（没有内含子成分），在转录后不需要剪切和加工。 206第二篇细胞的结构与功能（二）真核细胞基因是不连续的断裂基因 与原核细胞相比，真核细胞基因组DNA含量要大得多，如人单倍体基因组DNA含最是大肠杆菌的近700倍。除了数量多，真核细胞的基因结构也更复杂。首先，基因序列由编码区(coding region)和非编码区(non-coding region)组成，编码区（编码序列）是不连续的，被非编码区（非编码序列）所隔断，因而真核细胞基因也称为断裂基因(spli t gene)。其次，在真核基因组中存在许多重复序列，有些碱基序列反复出现可达百万次以上。此外，真核细胞基因大小相差悬殊，如人血红蛋白B－珠蛋白基因全长约1700bp，而DMD(Duchenne's muscular dystrophy，假肥大型肌营养不良）基因全长可达2300kb。真核细胞基因结构的复杂性赋予了真核生物更为精细的功能。


医学细胞生物学 206第二篇细胞的结构与功能（二）真核细胞基因是不连续的断裂基因 1真核细胞基因由多个功能区域组成真核基因一般是由若干内含子和外显子构成的不连续镶嵌结构的基因。除内含子和外显子之外，完整的基因还包括位千编码区上游的启动子和基因末端的终止子。(1)外显子和内含子：原核细胞的基因往往是连续的，DNA经转录后即可得到直接编码蛋白质的序列，而真核细胞基因中编码序列常常被非编码序列隔断，转录后需加工切去非编码序列成为成熟的RNA，才能进行蛋白质的合成。通常人们把基因内部能够被转录，并能指导蛋白质生物合成的编码序列称为外显子(exon)，把在基因内部能够被转录，但不能指导蛋白质生物合成的非编码的序列称为内含子(intron）。一个断裂基因可由若千个外显子和若干个内含子组成，基因中的外显子与内含子间隔排列，其转录的终产物为mRNA。在内含子的5'端多以GT开始，3＇端多以AG结束，称GT-AG法则，是普遍存在于真核细胞基因中RNA剪接的识别信号。在RNA剪接加工后形成的成熟mRNA的5'端和3'端，都各有一段由30到数百个核昔酸组成的非翻译区(untranslated region, UTR)。


医学细胞生物学 206第二篇细胞的结构与功能（二）真核细胞基因是不连续的断裂基因 (2)启动子：启动子是基因上游的DNA序列，是控制转录的关键部位。启动子中含有特征性的核心序列，真核生物典型的启动子是由TATA盒及其上游的CAAT盒和（或）GC盒组成。在转录起始位点上游－25~-35bp区段是由7~10个碱基组成而以TATA为核心的序列，称为TATA盒(TATA box）。这一部位是RNA聚合酶及其他蛋白质因子的结合位点，与转录起始的准确定位有关。若TATA盒缺失，转录合成的RNA可有不同的5'端。位于TATA盒的上游，距转录起始点-70~-80bp区含有CCAAT序列，在－80~-llO bp区含有GGGCGG序列，这两段保守序列分别称CAAT盒(CAAT box)和GC盒(GC box),目前统称为上游启动子序列(upstream promoter sequence, UPS)或上游启动子元件(upstream promoter elemen t, UPE)，它们是许多蛋白质转录因子的结合位点。CAAT盒和GC盒是基因有效转录所必需的DNA序列，主要控制转录的起始频率，基本不参与起始位点的确定。


医学细胞生物学 206第二篇细胞的结构与功能（二）真核细胞基因是不连续的断裂基因 (3)终止子：终止子(terminator)是存在千基因末端具有转录终止功能的特定顺序。转录后形成发夹结构，使RNA聚合酶从模板上脱离，终止转录。2.基因家族是真核细胞中—组来源相同、功能相关的基因真核细胞基因结构最显著的特征之一是存在许多基因家族(gene family)。基因家族是真核细胞基因组中来源相同、结构相似、功能相关的一组基因，是由一个祖先基因经重复和变异形成的。按照在基因组中的分布不同，基因家族可分为二类，一类是基因家族的成员成簇存在，串联排列千特殊的染色体区段上，形成基因簇(gene cluster)，它们常可同时转录，合成功能相关或相同的产物，如组蛋白、rRNA基因家族；另一类是基因家族成员分散存在，广泛地分布于整个染色体，甚至可存在于不同的染色体上，如干扰素、珠蛋白等基因家族。


医学细胞生物学 206第二篇细胞的结构与功能（二）真核细胞基因是不连续的断裂基因 在基因家族中，有些成员不能产生有功能的基因产物，称为假基因(pseudogene)，它们或是不能转录，或是转录后生成无功能的基因产物。假基因在核昔酸序列上与有功能的基因相似，它们可能来自同一祖先基因，只是在进化过程中某些成员的核昔酸序列中发生缺失、倒位、点突变而成为无功能,的假基因。大多数基因家族都有假基因的存在，但数量很少。


医学细胞生物学 第九章细胞内遗传信息的传递及调控207 3真核基因组中含有大量的DNA重复序列在真核细胞基因组中，编码蛋白质的基因一般只有一个或几个拷贝，这称为单一序列(uni q u e sequence)。除此之外，基因组中还含有大量的功能未知、有多个拷贝的DNA重复序列(repetitive sequence)。在动物细胞中，多达一半的DNA由DNA重复序列组成。根据DNA重复程度的不同，将其分为以下两种：(1)中度重复序列：中度重复序列(moderate ly repetitive sequence)由相对较短的序列组成，重复次数在10~1000之间。一般认为，中度重复序列属非编码序列，散在分布千基因组中，与基因调控有关。如人类Alu家族(Alu family)是人类基因组中含量最丰富的中度重复序列，占人类基因组的3%~6%，长300bp,Alu家族成员约有30万个，因每个Alu序列中隐含有一个限制性内切酶Alu I的识别序列ACCT而得名。Al u序列的功能可能与转录调节、hnRNA加工有关。


医学细胞生物学 第九章细胞内遗传信息的传递及调控207 某些编码功能性RNA和蛋白质的基因在基因组中的重复次数也达几十到几百次，它们串联排列于基因组的一定区域，如rRNA基因和tRNA基因等，从严格意义上讲，它们也属于中度重复序列。(2)高度重复序列：高度重复序列(highly repetitive sequen ce)由基因组中非常短的序列（一般小于lOObp)组成，其在基因组中的重复次数在几千次以上，一般组成长的串联重复序列，常成簇分布于染色体着丝粒区及染色体的端部，如卫星DNA。高度重复序列在哺乳动物基因组中的比例一般小于JO%，可能与基因表达调控及染色体结构维持有关，具体功能尚不清楚。在生物进化过程中，来自自然环境和体内多种因素的影响，可引起DNA结构的改变，也就是基因发生突变。虽然细胞内具有修复DNA损伤的功能，但并非所有的损伤都能被修复。一些未能修复的损伤有可能形成可遗传的突变。如果突变是发生在结构基因中，将使基因编码的蛋白质发生结构改变，失去原有的功能，导致疾病的发生。基因突变是生物进化和分化的分子基础，也是某些疾病的基础，是生物界普遍存在的现象。


医学细胞生物学 第九章细胞内遗传信息的传递及调控207 '，··一．一一一．经典实验：内含子的发现e---－－邑-邑一在分子克隆技术出现之前，人们对真核细胞中mRNA的合成知之甚少，但已知在真核细胞中mRNA的合成过程比在细菌中复杂得多。真核细胞中mRNA的合成似乎不仅包括转录，还包括对初始转录产物的加工和修饰过程。当时推测，真核细胞可能首先在细胞核中产生一个较长的mRNA初始转录产物，接着被切割形成较小的mRNA分子，并被输送到细胞质中。在当时，人们认为这个切割过程包括去除初始转录产物的5'末瑞和3'末端部分的序列。根据这个观点，mRNA被包含在较长的初始转录产物中，并且编码mRNA的DNA序列应该是没有间断的。直至RNA剪接的发现，这一对真核细胞mRNA的认识才得以彻底改变。P.A. Sh缸p和R. J. Roberts两个研究小组于1977年分别独立地发现了剪接现象。


医学细胞生物学 外显子4A.电镜图片；B根据电镜结果绘制的模式图发表论文 Berget SM, Moore C, Sharp PA. Spliced segments at the5'terminu s of adenovirus2late mR-i NA. Proc Natl Acad Sci. USA,1977,74:3171-3175.!Chow LT, Gelinas RE, Broker TR, et al. An amazing sequence arrangement at the5'ends of ade-[novirus2messe nger RNA. Cell,1977,12:1-8. ：一一—-－_五一二~:二结构基因一编码链


医学细胞生物学 ：一一—-－_五一二~:二结构基因一编码链 转录的本质是一个以DNA双螺旋链中反义链为模板，以四种核昔三磷酸ATP、GTP、CTP、UTP为原料，在RNA聚合酶作用下，遵循碱基互补配对原则合成RNA的过程。RNA合成的方向是5'一3''生成的RNA链与模板链反向平行，游离的NTP只能连接到RNA链的3'-0H端。在RNA合成中不需要引物。在真核细胞中，转录生成的RNA是初级转录产物，必须经过不同方式的加工和修饰才具有生物活性。 二、原核细胞的基因转录 (—)RNA聚合酶和p因子是原核细胞基因转录的主要因子1. RNA聚合酶原核细胞中只有一种RNA聚合酶，催化转录形成各种RNA分子。大肠杆菌的RNA聚合酶是由4种不同亚基构成的复合体，记为伍部'6，称为全酶，没有G亚基的复合体称为核心酶。G亚基的主要功能是识别原核细胞基因上游的启动子，启动基因转录。核心酶的作用是催化RNA的聚合。其中B'亚基能与DNA模板结合，B亚基能与核昔三磷酸结合，并在磷酸二酣键形成中起作用。2. p因子p因子是一种蛋白质。当转录进行到基因末端时，p因子能识别终止信号并与之结合，使RNA聚合酶不能继续作用而使转录终止。


医学细胞生物学 二、原核细胞的基因转录 （二）原核细胞基因转录的基本过程通常被分为三个阶段1.转录起始阶段首先RNA聚合酶的6亚基识别基因上游的启动子，使全酶与启动子结合并形成复合体，这是转录起始的关键，随后DNA双链从局部被打开，以反义链为模板，按照碱基互补配对原则将第一个核昔三磷酸结合到模板的转录起始点上，并与第二个核昔三磷酸形成第一个磷酸二酷键。通常，当RNA链达8~9个核甘酸后，G亚基便从全酶解离出来，至此完成转录的起始（图9-4)。 RNA聚合酶6亚基起始位点 2.转录的延长阶段核心酶沿模板链3'一5'方向移动，在滑行中使DNA双链不断解旋，并按模板的碱基序列配对加入相应的核昔三磷酸(ATP、GTP、CTP、UTP)，与DNA分子中双链间碱基配对有所不同的是转录中由新加入的U与模板中的A配对，使RNA链以5'-+3'方向不断延长。随着RNA链的延长，核心酶前面的DNA链不断解旋，而核心酶后面已完成转录的区段则重新形成双螺旋。


医学细胞生物学 RNA聚合酶6亚基起始位点 3.转录的终止阶段模板DNA上具有特殊的转录终止序列，即终止位点，当RNA聚合酶移动至终止部位时，转录终止，RNA从DNA模板上脱离。原核细胞中转录终止有两种形式，一种是p因子依赖性终止，即p因子在转录终止点与RNA聚合酶结合，使RNA链脱离。另一种是p因子非依赖性终止，由新合成RNA链形成局部发夹结构(hairpin struc ture)，发夹结构形成可能改变了RNA聚合酶的构象，导致了酶模板结合方式的改变，RNA聚合酶则不再向下移动，磷酸二酷键停止形成，RNA从模板脱离。原核细胞转录形成的mRNA分子一般不需要加工，在合成后即可作为模板参与蛋白质的合成。而tRNA和rRNA则需要在合成初级转录产物的基础上，进一步剪切修饰才能成为具有生物功能的成熟分子。例如，rRNA基因的初级转录产物在核酸酶的作用下，剪切成3种rRNA，即5S rRNA,16S rRNA,23S rRNA，三者比例为1:1:1。


医学细胞生物学 三、真核细胞的基因转录和转录后加工 真核细胞基因转录要比原核细胞复杂得多。真核细胞基因转录形成初级转录产物的基本过程与原核细胞相似，也分为转录的起始、延长和终止。但所需酶及各种蛋白因子有所不同，最为复杂的是真核细胞中转录形成的RNA前体分子通常需要经过复杂的加工修饰过程才能成为成熟的功能形式。与原核细胞只有一种RNA聚合酶负责全部的mRNA、rRNA、tRNA合成不同的是，真核细胞中含有多种RNA聚合酶（表9-1)，它们专一性地转录不同基因而生成各不相同的产物。下面介绍各种RNA的合成和加工。


医学细胞生物学 三、真核细胞的基因转录和转录后加工 种类细胞内定位转录的基因RNA聚合酶I核仁5.8S rRNA,18S rRNA牙'!128S rRNA RNA聚合酶II核质所有编码蛋白的基因，snoRNA和某些snRNA RNA聚合酶皿核质tRNA,5SrRNA，某些snRNA和其他小RNA（一）真核细胞mRNA成熟前经历首尾加工和中间剪接1. mRNA的初级转录本是hnRNA mRNA是RNA中唯一具有编码蛋白质功能的RNA分子，其前体是编码基因在RNA聚合酶II催化下转录形成的。由于mRNA前体分子的大小各不相同，被称为不均一核RNA(heterogeneous nuclear RNA, hnRNA), hnRNA需经过剪切修饰才能成为成熟的mRNA。


医学细胞生物学 三、真核细胞的基因转录和转录后加工 RNA聚合酶II启动转录时，需要一些称为转录因子(transcription factor, TF)的蛋白质参与，才能形成具有活性的转录复合物。这些参与构成RNA聚合酶II转录起始复合物的转录因子通常称为通用转录因子(ge neral transcription factor)，为RNA聚合酶II启动转录所必需。通用转录因子有TFIIA、TF II B、TF II D、TF II E、TF II F、TFII H，它们在真核生物进化中高度保守。


医学细胞生物学 三、真核细胞的基因转录和转录后加工 在基因转录起始的过程中，RNA聚合酶II的定位因子是TF II D。TF II D由TATA－结合蛋白(TATA-binding protein,TBP)和11种TBP关联因子(TEP-assoc iated factor)组成。先由TBP结合到启动子的TATA盒，然后TF II B与TBP结合，TFII B也能与DNA结合。TF II A虽然不是必需的，但它能稳定已与DNA结合的TF II B-TBP复合体，并且在TBP与不具有特征序列的启动子结合（这种结合较弱）时发挥重要作用。TF II B-TBP复合体再与由RNA聚合酶II和TF II F组成的复合体结合。TF II F的作用是通过和RNA聚合酶II一起与TF II B相互作用，降低RNA聚合酶II与DNA的非特异部位的结合，来协助RNA聚合酶Il靶向结合启动子。最后是转录起始位点TF Il E和TF Il H加入，形成闭合复合体，完成转录起始_TATA盒广复合物的装配。TFilH具有解旋酶活性，能使转录起始I点附近的DNA双螺旋解开，使闭合复合体成为开放复=「-二）


医学细胞生物学 三、真核细胞的基因转录和转录后加工 合体，启动转录（图9-5)。当合成一段60-70bp的RNA TBP TFII D后，TF Il E和TFil H释放，RNA聚合酶Il进入转录延长I七合一廿恤甘h,．国句，＂止勹心右`l期。一旦RNA合成结束，转录即终止。有关真核生物转录终止的机制目前尚不清楚。


医学细胞生物学 2.成熟的mRNA是hnRNA经过戴帽、加尾和剪 接后形成的转录形成的前体RNA需经过加工过程成为成熟的mRNA，才能进入细胞质进行蛋白质合成。加工过程包括戴帽、加尾和剪接（图9-6)。TFIIF(l)5'末端加上“帽子”结构－戴帽：戴帽(capping)是指对hnRNA5'端进行化学修饰，即首先在mRNA前体5'端开始的第一个核昔酸上接上一个三磷酸鸟嗦呤，然后在甲基转移酶的作用下，在鸟嗦呤第7位的氮上进行甲基化，形成一个7－甲基鸟嗦呤三磷酸RNA聚合酶II(m7Gppp)的帽子结构，同时在原来第一个核昔酸的2'O上也进行甲基化，因此，一个帽带有二个甲基。新生的mRNA的长度达25~30bp时，就开始进行戴帽修饰。mRNA戴帽的作用一是能封闭mRNA5'端，使其不再加接核背酸，同时也防止转运时被核酸酶水解，增强mRNA r_ucTTRRAGTTpp的稳定性；二是帽子结构能被核糖体小亚基识别，有利于mRNA最初翻译的准确性。(2)3'末端加上“尾”结构－加尾：加尾(ta山ng)是指对mRNA前体3'端的修饰过程，即在腺昔酸聚合酶5的作用下，在3'端加上由200~250个腺背酸组成的多


医学细胞生物学 2.成熟的mRNA是hnRNA经过戴帽、加尾和剪 聚腺昔酸(poly-A)的尾巴。加尾一方面可使mRNA3'端稳定，防止被核酸酶水解，另一方面有利于mRNA由核 转j;. 到细胞质的转运。图9-5真核生物转录起始复合物的形成目前发现，决定mRNA前体分子加尾的信号序列存在于mRNA3'端，即在发生多聚腺昔酸化位点的上游l0~30bp处存在一高度保守的6核昔酸序列（在哺乳动物中为AAUAAA)，在多聚腺昔酸化位点的下游常存在富含G和U的序列。这些序列可被含有腺背酸聚合酶的复合物所识别，进行加尾。


医学细胞生物学 转j;. (3)剪接：基因转录过程是以一段连续的DNA序列为模板进行的，在初级转录产物中包含有内含子和外显子序列，在形成成熟mRNA过程中，需将hnRNA中的内含子切除，形成由连续编码序列组成的mRNA模板。剪接(splicing)即是将RNA前体分子中内含子切除，将外显子拼接的过程。对真核生物外显子与内含子相邻序列研究发现，初级转录产物中的内含子常以GU开始，以AG结束，被认为是真核生物基因特有的剪接信号，也称剪接点。几乎所有真核生物基因的内含子均遵循这一GU-AG规则表明这类内含子存在着共同的剪接机制。完成hnRNA剪接需要有三个必需的序列：5'GU序列，3'AG序列和分支点(branch site)。分支点位于内含子3'端上游约30个碱基处，为一高度保守的A，在3剪接位点的识别中起重要作用。点突变研究表明，剪接点GU或AG的突变可以阻止剪接的出现。例如，人类的B－珠蛋白生成障碍性贫血可能就是由于B－珠蛋白的hnRNA的内含子剪切点外显子内含子外显子内含子外显子顺序发生改变，不能形成成熟的B珠蛋白mRNA，因而不能合成正常的血红蛋白，从而导致疾病。mRNA前体的剪接是通过剪接体(spliceosome)完成的。剪接体大小为60S，由数种小分子核糖核蛋白颗粒(small nuclear ribonucleoprolein particle, snRNP)组成。snRNP由细胞核中存在的一类小核RN A(small nucleru·RNA, snRNA)和一些蛋白质组成，常见的snRNA有U1、U2、U4、us和U6,除U6snRNA由RNA聚合酶皿转录外，其他snRNA均由RNA聚合酶II催化合成。剪接过程见图9-7，首先Ul snRNP结合到具有5'帽结构的hnRNA内含子5'剪接点，随后U2s nRNP结合到内含子分支点，这一过程需要ATP供能。接着，U4、us、U6snRNP以复合体的形式与先期已经结合于mRNA前体分子的Ul、U2装配成无活性的剪接体；再通过内部的重排，U1、U4被排出剪接体，从而使无活性的剪接体转变为有活性的剪接体。此后，发生两步反应，第一步，分支点上的核昔酸A接近5'剪接点，内含子与5'外显子被从此处断开，切断的内含子5'端与核昔酸A共价连接形成套索状(lariat)结构。第二步，5'5'51'外显子序列勹勹3'1：显子序列寸前体分子mRNAU5U4〉／剪切体的装配3'剪切点步骤l：套索状结构形成并切割5'剪切点2:切割3'切点两端外显子序列连接3,以套装形式切除的内含子序列IJOH-（将在核中被降解）


医学细胞生物学 转j;.  5'3'成熟的mRNA第九章细胞内遗传信息的传递及调控213 外显子上的3'-0H端与3'外显子的起始部位结合，并切割3'剪接点，3＇和5'端外显子彼此连接，剪接体各组分和套索状结构脱离，剪接完成。（二）核仁DNA编码的rRNA分子都来源于一个前体分子的合成后加工真核细胞中的rRNA基因串联排列千特定的核仁染色质区段，为多拷贝基因，人体每个单倍体基因组上包含有200个rRNA基因拷贝，每个基因之间由不转录的间隔DNA分隔，这种间隔长度在不同种属生物间差别较大。每个基因由3个外显子和2个内含子组成，3个外显子依次为编码18S rRNA、5.8S rRNA、28S rRNA的前体序列，共同组成一个转录单位。在RNA聚合酶I催化下转录形成原始rRNA前体--45S rRNA，最终剪切为28S、18S和5.8S rRNA（图9-8)。有关45S rRNA前体的加工过程及其与核糖体大、小亚基形成的关系，已在第八章细胞核中详细叙述。rRNA前体的另一种加工形式是甲基化，主要发生在核糖的2'－轻基，一般认为，这种化学修饰有利于前体rRNA的有效裂解。


医学细胞生物学 非转录区转录单位II妇蠲圈，＇，护夕转录间隔区转录单位转录!RNA聚合酶I催化RNA初级产物45S|18S5.8S28SRNA加工修饰卜转录间隔区被颐成熟的rRNA分子仁二二］仁Jc==] 有研究表明，rRNA的剪接不需要任何蛋白质的参与即可发生，进行的是自身剪接。1982年T. Cech等发现在四膜虫细胞的rRNA剪接过程中，前体rRNA释放出一种能催化霖核昔酸底物剪接的短链RNA(Ll9RNA)，即为一种具有酶活性的核酶(ribozyme)。（三）新合成的tRNA只有经过加工修饰后才能成为有活性的分子tRNA是一类小分子撮的RNA分子，真核细胞中有50~60种。它们能够识别mRNA中的密码子并携带由密码子所指定的氨基酸进行蛋白质的合成。在真核细胞中含有多个编码tRNA的基因，人体细胞中有1300个拷贝，成簇存在并被间隔区分开，在RNA聚合酶皿的作用下被转录为tRNA前体。tRNA前体基因转录需要两种转录因子，TF皿B和TF皿C，它们可与tRNA基因转录起始点下游＋10~+60中的两个特殊区段结合形成复合物，该复合物与RNA聚合酶皿结合，启动tRNA基因的转录。


医学细胞生物学 非转录区转录单位II妇蠲圈，＇，护夕转录间隔区转录单位转录!RNA聚合酶I催化RNA初级产物45S|18S5.8S28SRNA加工修饰卜转录间隔区被颐成熟的rRNA分子仁二二］仁Jc==] 真核生物tRNA前体约为100个核昔酸长度，这种新转录生成的tRNA前体一般无生物活性，需要进行剪接和碱基修饰才能形成成熟的tRNA。 第二篇细胞的结构与功能 转变为假尿密唗核节；＠脱氨基反应，部分腺甘酸脱氨基成为次黄嗦呤核昔酸。(3)3'末端加上CCA：在核甘酸转移酶的作用下，3＇末端除去个别碱基后，换上tRNA分子统一的CCA-OHc末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂结构。原核生物tRNA成熟的机制与真核生物相同。（四）5SrRNA由核仁外基因编码5S rRNA是一类特殊的rRNA分子。与其他类型的rRNA分子不同，5S rRNA是由核仁外的基因编码，5S rDNA为串联排列的多拷贝基因，在RNA聚合酶III的作用下，5S rDNA转录为5S rRNA。由千在5S rDNA中无内含子存在，所以，由5S rDNA转录形成的5S rRNA无需进一步的剪切加工，即可转运至核仁中，直接参与核糖体大亚基的组装。


医学细胞生物学 第三节蛋白质的生物合成 在遗传信息的传递过程中，DNA将其遗传信息转录给mRNA，这是基因表达的第一步，mRNA再指导蛋白质的合成，这是基因表达的第二步，即翻译(translati o n)。在翻译过程需要300多种生物大分子的参与，其中包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子。mRNA作为翻译的模板，决定蛋白质中的氨基酸顺序；tRNA作为运输工具，携带氨基酸准确进入指定位置；rRNA与多种蛋白质组成核糖体，作为蛋白质合成的装配机器。体内的蛋白质处千不断合成与降解的动态平衡。细胞内的蛋白质不断地被降解和被新合成的蛋白质取代，以维系细胞正常的生命活动。


医学细胞生物学 —、遗传信息翻译的基本原理(—)mRNA携带指导蛋白质合成的遗传密码 生物体的遗传信息储存于DNA分子四种碱基的排列顺序中，通过转录，这种顺序转移到mRNA分子中。由千DNA和RNA具有相似的结构特点，因而在转录中可通过碱基互补配对的形式实现信息的传递。但RNA和蛋白质的结构不同，而且组成蛋白质的氨基酸有20种，组成RNA的碱基只有4种，无法实现相互之间的一一对应。那么RNA与蛋白质间的信息传递是以什么方式进行的呢？现在人们认识到，在mRNA链上从5'端到3'端每3个相邻的核背酸可以决定一个特定的氨基酸，这种核甘酸三联体被称为密码子(codon)。除了5'端和3'端的非翻译区之外，整个mRNA链即是由串联排列的密码子组成，这样，就把mRNA上的碱基排列顺序叫做遗传密码(genetic code)。在蛋白质合成中，它们决定氨基酸的排列顺序。核昔酸有4种，每3个为一组，共可组成64种密码子（表9-2)。


医学细胞生物学 第九童细胞内遗传信皂的传递及调控215G续表第一碱基第二碱基第三碱基(5'端）u C A G(3'端）AUU异亮氨酸ACU苏氨酸AAU门冬酰胺AGU丝氨酸u A AUC异亮氨酸ACC苏氨酸AAC门冬酰胺AGC丝氨酸AUA异亮氨酸ACA苏氨酸AAA赖氨酸AGA精氨酸A AUG甲硫氨酸ACG苏氨酸AAG赖氨酸AGG精氨酸GGUU颌氨酸CCU丙氨酸GAU门冬氨酸GGU甘氨酸u GUC颌氨酸GCC丙氨酸GAC门冬氨酸GGC甘氨酸C GUA颌氨酸GCA丙氨酸GAA谷氨酸GGA甘氨酸A GUG颌氨酸GCG丙氨酸GAG谷氨酸GGG甘氨酸G遗传密码有如下特点：心通用性(universal)：从原核生物到真核生物，几乎所有生物体中的遗传密码都是通用的，就是说，一个特定的碱基序列无论在哪一种生物体中均编码同一种氨基酸。但也有例外，动物细胞线粒体和植物细胞叶绿体中，蛋白质合成所使用的三联密码子有少数与目前通用密码子有所不同（详见第六章）。＠简并性(degeneracy)：密码子有64种，其中三个密码子UAA、UAG、UGA为终止密码，不决定氨基酸，其余61个密码子都可以编码氨基酸，而氨基酸只有20种，所以，必然出现多个密码子决定同一氨基酸的情况，这种现象叫做遗传密码的简并性。如丙氨酸由GCU、GCC、GCA、GCG4种密码子决定，而亮氨酸则由6种密码子决定。＠连续性(commaless)：在翻译过程中，遗传密码的阅读是连续的，在mRNA上的每个三联体密码子之间没有间隔。＠方向性（如ect ion):mRNA中每个密码子的阅读方向必须从5'-+3'，因而起始密码子AUG总是位千5'端，终止密码子则位于3'端，翻译过程是从mRNA的5'一3'方向进行。


医学细胞生物学 第九童细胞内遗传信皂的传递及调控215G续表第一碱基第二碱基第三碱基(5'端）u C A G(3'端）AUU异亮氨酸ACU苏氨酸AAU门冬酰胺AGU丝氨酸u （二）tRNA既能识别mRNA上的密码子又能携带特定的氨基酸在翻译过程中，mRNA上的碱基序列可以决定蛋白质中的氨基酸序列，但在mRNA碱基与氨基酸之间不具有特异的化学识别作用，两者之间的相互作用是通过另一类核酸分子tRNA实现的。tRNA既能够识别mRNA上的密码子，又能携带特定的氨基酸，因而被称为蛋白质合成的接合器(adap tor)（图9-9)（动画9-1"tRNA的转录后加工”)。


医学细胞生物学 合成的肤链酸基酸\I/动方向对应氨基酸的密码子 tRNA结构的主要特点是3'端的CCA序列，活化后的氨基酸就是通过CCA序列上的－OH与tRNA结合，然后被带到核糖体上参与蛋白质的合成。tRNA携带特定氨基酸的过程是通过氨酰－tRNA合成酶催化的两步反应完成的，反应的第一步是氨基酸与ATP在氨酰－tRNA合成酶作用下形成氨酰AMP，完成氨基酸的活化；第二步，活化氨基酸的氨酰基被转移至tRNA分子上形成氨酰－tRNA(aminoacyl-tRNA)并释放AMP，完成氨基酸与tRNA的连接。tRNA的另一个重要的结构部位是位于反密码环中的一个三联核背酸，在蛋白质合成中能通过碱基互补配对识别mRNA上的密码子，这种存在于tRNA中的三联核昔酸被称为反密码子(anticodon)。不同的tRNA分子有不同的反密码子。


医学细胞生物学 合成的肤链酸基酸\I/动方向对应氨基酸的密码子 在翻译过程中，tRNA携带特定的氨基酸，通过反密码子识别mRNA上的密码子，实现遗传信息从mRNA到蛋白质的传递，因此，密码子与反密码子之间的正确识别是遗传信息正确传递的保证。在生物体中，tRNA的种类要小于编码氨基酸的密码子的种类，要识别这些密码子，必然存在一种反密码子识别多种密码子的现象。一般来讲，密码子的前两位碱基在和反密码子配对时，遵循正常的碱基互补配对原则，而第三位碱基的配对具有一定的灵活性，即反密码子的第三个碱基(5'碱基）可与密码子第三位上的不同碱基配对，这就是密码子和反密码子配对的摆动性(wobble)。例如，携带丙氨酸的tRNA反密码子为3'-CGC-5'，它既可以和密码子5'-GCG-3'配对，也可以和5'-GCU-3'配对。 二、蛋白质合成的场所——核糖体 核糖体(ribosome)也称核蛋白体。核糖体几乎存在千所有的细胞内，即使是最简单的支原体细胞也至少含有上百个核糖体。此外，在线粒体中也含有核糖体。核糖体是合成蛋白质的机器，其功能是按照mRNA的指令由氨基酸合成蛋白质。


医学细胞生物学 二、蛋白质合成的场所——核糖体 （一）核糖体是由rRNA和蛋白质组成的大分子复合物生物体内含有两种基本类型的核糖体，一是70S的核糖体，存在于原核细胞；另一类是80S的核糖体，存在于真核细胞。此外，真核细胞线粒体内的核糖体近于70S。70S和80S的核糖体均由大小不同的两个亚单位组成，大的称为大亚基，小的称为小亚基。核糖体大小亚基在细胞内一般以游离状态存在，只有当小亚基与mRNA结合后，大亚基才与小亚基结合，形成完整的核糖体。分析结果显示：在70S核糖体中，小亚基为30S，由16S rRNA和21种蛋白质组成，大亚基为50S,由23S rRNA、5S rRNA和34种蛋白质组成。在80S核糖体中，小亚基为40S，由18S rRNA和33种蛋白质组成，大亚基为60S，由28S rRNA、5.8S rRNA和5S rRNA及49种蛋白质组成（表9-3)。RNA约占核糖体的60%，蛋白质约占40%。核糖体中的RNA主要构成核糖体的骨架，将蛋白质串联起来，并决定蛋白质的定位。


医学细胞生物学 二、蛋白质合成的场所——核糖体 原核生物真核生物完整核糖体70S80S核糖体大亚基50S60S组成大亚基的rRNA23S，含2900个核昔酸28S，含4700个核昔酸5S，含120个核昔酸5.8S，含160个核昔酸5S，含120个核昔酸组成大亚基的蛋白质34种约49种核糖体小亚基30S40S组成小亚基的rRNA16S，含1540个核昔酸18S，含1900个核昔酸组成小亚基的蛋白质21种约33种电镜下，核糖体呈颗粒状，直径约为15-25nm，图9－l0显示了根据电镜负染色结果所绘制的核糖体立体结构模型。（二）核糖体是蛋白质合成的场所在原核细胞中，除少数核糖体附着在质膜以外，大部分核糖体则以游离形式存在。在真核细胞第九章细胞内遗传信息的传递及调控217新生肤链释放部位核糖体大亚基中，很多核糖体附着在内质网膜的外表面，形成糙面内质网，还有一部分核糖体以游离形式分布在细胞质溶胶内。呈游离状态的核糖体称为游离核糖体，附着在膜上的核糖体称为附着核糖体，两者的结构与功能基本相同，其不同点在于所合成的蛋白质种类不同，如游离核糖体主要合成细胞内的某些基础性蛋白，附着核糖体主要合成细胞的分泌蛋白和膜蛋白。


医学细胞生物学 二、蛋白质合成的场所——核糖体 核糖体上存在多个与蛋白质的多肤链形成密切相关的活性部位（图9-11)，主要有：1. mRNA结合位点原核生物30S小亚基具有专一性地识别和选择mRNA起始位点的性质。研究发现，30S小亚基通过其16S rRNA的3'端与mRNAS'端起始密码子上游碱基配对结合。在原核生物的mRNAS'端起始密码子的上游都有一个SD序列(Shine-Dalgrunosequence)，即5'-AGGAGGU-3'序列，这个富嗦呤区与30S小亚基上16S rRNA3'端的富瞪唗区序列5'-CACCUCCUUA-3'互补。SD序列可指导mRNA的起始密码子正确定位在30S小亚基的P位，又称为核糖体结合位点(ribosomal binding site, RBS)。在真核生物中，核糖体上有专一位点或因子识别mRNA的帽子结构，使mRNA与核糖体结合。5参与蛋白质合成的因子的结合部位如结合起始因子(initi at i on factor, IF汃延长因子(e longation factor, EF)和终止因子或释放因子(release factor, RF)的部位。


医学细胞生物学 三、蛋白质合成的一般过程 蛋白质生物合成可分为五个阶段，即氨基酸的活化、多肤链合成的起始、肤链的延长、肤链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。原核生物与真核生物的蛋白质合成过程中有很多区别，真核生物此过程比较复杂，下面着重介绍原核生物蛋白质合成的过程，并指出真核生物与其不同之处。\}{ai（一）氨基酸活化是蛋白质生物合成的预备阶段氨基酸在参与合成肤链以前需活化以获得额外的能量。在氨酰－tRNA合成酶作用下，氨基酸的狻基与tRNA3'末端的CCA-OH缩合成氨酰－tRNA。该反应是耗能过程，生成的氨酰－tRNA中酷酰键含较高能量，可用千肤键合成。其总反应式可写为：氨基酸＋tRNA+ATP----*氨酰－tRNA+AMP+PPi氨酰－tRNA合成酶分布在细胞质中，其作用具有高度特异性，它既能识别特异的氨基酸，又能辨认携带该种氨基酸的特异tRNA，这是保证遗传信息准确翻译的关键之一。


医学细胞生物学 （二）起始过程形成起始复合物 起始阶段指核糖体大、小亚基，mRNA和具有启动作用的起始氨酰－tRNA装配为起始复合物的过程。具有启动作用的氨酰－tRNA在原核细胞是甲酰甲硫氨酰－tRNA(fMet-tRNA仆1e'），在真核细胞是甲硫氨酰－tRNA(Met-tRNAMe,)。


医学细胞生物学 （二）起始过程形成起始复合物 在大肠杆菌中翻译起始复合物形成的过程：心在起始因子－1(IF-1)和(IF-3)作用下，核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位(SD序列），形成IF1-IF3-30S亚基－mRNA复合物；＠在起始因子－2作用下，fMet-tRNA仆1e'与mRNA分子中的AUG相结合（密码子与反密码子配对），形成30S前起始复合物，即IF1-IF2-IF3-30S亚基－mRNA-fMet-tRNA几le复合物，此步需要GTP和M忙参与；＠50S亚基与上述的30S前起始复合物结合，同时IF-1、IF-2和IF-3脱落，形成70S起始复合物，即30S亚基－mRNA50S亚基－mRNA-fMet-tRNAfme'复合物。此时fMet-tRNAf!lc'占据着50S亚基的肤酰位(P位），而A位留空有待千对应mRNA中第二个密码的相应氨酰－tRNA进入，从而进入延长阶段（图9-12)。


医学细胞生物学 30S亚基/二)l~也@形成的复合物与mRNA`结合l+50S亚只第九章细胞内遗传信息的传递及调控219 与原核细胞相比，真核细胞蛋白质合成起始过程更为复杂。参与该过程的起始因子被称为eIF(e代表真核细胞）。某些eIF参与了40S小亚基与mRNA5'端帽子结构的结合。在起始复合物形成后，40S小亚基在mRNA上扫描直到发现正确的AUG起始密码子，然后5'3'eIF被释放，60S大亚基结合到起始复合物上来，启动蛋白质的合成。此外，mRNA3'端尾部的poly-A可以促进起始复合物的形成，提高翻译效率。


医学细胞生物学 （三）肤链延长是多因子参与的核糖体循环过程 起始复合物形成后，根据mRNA上密码子序列的指导，各种氨酰－tRNA依次结合到核糖体上使肤链从N端向C端逐渐延长。由于肤链延长在核糖体上连续循环进行，所以这个过程又称为核糖体循环(ribosome circulali on)，核糖体循环包括进位(registration)、成肤(peptide bond formation)、转位(translocation)三个步骤（图9-13)。每经过一个循环肤链增加一个氨基酸残基（动画9-2"蛋5'3'白质合成的进位、成肤、转位”)。1.进位起始复合物形成时，P位已被起始－tRNA占据，而A位是空的。根据70S起始复合物A位上』肤键形成mRNA密码子，特异的氨酰－tRNA进入A位。此步骤需GTP、M矿和延长因子EF-Tu与EF-Ts。EF-Tu和EF-Ts是延长因子EF-T的两个亚基。EF-Tu与GTP、氨酰tRNA反应生成三元复合物－氨酰－tRNA-EF-Tu-GTP。5'3'该复合物中tRNA的反密码子与小亚基上mRNA结合后，其中的GTP分解释放Pi,EF-Tu-GDP脱落并与EF-Ts


医学细胞生物学 （三）肤链延长是多因子参与的核糖体循环过程 反应生成GDP和EF-Tu-EF-Ts，后者再与GTP反应，释放出EF-Ts生成EF-Tu-GTP并进入下一次延长反应。-－转位2成肤在起始复合物形成后，核糖体的P位上已结合了£Me t-tRNA仆1e'，在进位后，P位和A位上各结合了一个氨酰tRNA，两个氨基酸之间在核糖体大亚基转肤酶的作用下，P位上的氨基酸提供a-COOH基，与A位上的氨基酸的a-N比基形成肤键，从而使P位上的氨基5'3'酸连接到A位氨基酸的氨基上，这就是成肤。成肤后，在A位上形成了一个二肤酰tRNA。P位上的tRNA随之从核糖体上脱落下来，使P位空出。图9-13核糖体循环3.转位P位空出后，在延长因子G(EF-G)的作用下，由GTP供能，核糖体沿mRNA5'端向3'端移动一个密码子距离，结果使肤酰tRNA由A位移到P位，空出的A位可接受新的氨酰－tRNA。此后，肤链上每增加一个氨基酸残基，即重复上述进位、成肤、转位的步骤，直至肤链合成终止。真核细胞的肤链延长过程与原核细胞大致相同，仅在参与的因子方面有所区别。如真核细胞的延长因子有3种，分别为eEFl a,eEFl防和eEF2；转位时所需因子为eEF-2。（四）脉链合成终止过程包括三个步骤在核糖体向mRNA3'端移动中，肤链也逐渐延长，当mRNA的终止信号UAA、UAG、UGA中任一种进入A位时，没有任何tRNA能与之识别，只有释放因子(RF)识别这种信号。原核细胞的RF有3种，RF-1识别UAA和UAG,RF-2识别UAA和UGA,RF-3结合GTP并促进RF-1、RF-2与核糖体结1.终止密码的辨认当A位上出现终止密码时，RF-I或RF-2识别并结合到A位上。


医学细胞生物学 （三）肤链延长是多因子参与的核糖体循环过程 2肤链和mRNA等释出RF的结合使核糖体上转肤酶构象改变，具有水解酶活性，使P位上tRNA与肤链间酷键水解，肤链脱落。tRNA、RF、mRNA也随后从核糖体上释出。核糖体3核糖体大小亚基解聚在IF-3作用下，大小亚基解聚，重新进入新循环。真核细胞终止过程与原核细胞相似，但其释放因子为eRF l，它可识别3种终止密码子。在生物细胞内进行蛋白质合成时，每分子mRNA上NH2不只结合一个核糖体，而是同时结合着多个核糖体。蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA的起始部位结器合，引入第一个甲硫氨酸，接着核糖体向mRNA的3'端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位图9-14多聚核糖体与蛋白质合成结合，并向前移动一定的距离，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去直至终止。这样，多个核糖体结合到一个mRNA分子上，成串排列，形成蛋白质合成的功能单位，称为多聚核糖体(polyribosome)（图9-14)。两个核糖体之间有一定的长度间隔，每个核糖体都独立完成一条多肤链的合成，所以这种多聚核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肤链，这就大大提高了翻译的效率。


医学细胞生物学 四、肤链合成后的加工修饰 从核糖体mRNA链释放的新生多肤链尚不具有生物活性，必需经过化学修饰（如糖基化、甲基化等）和加工处理，使其在一级结构的基础上进一步盘曲、折叠，对千含有多个亚基的蛋白质还需要亚基与亚基间的结合，这样才能形成具有天然构象和生物学活性的功能蛋白。(—)一级结构的修饰改变了多肤链氨基酸的性质和组成新生多肤链一级结构的修饰常通过化学反应进行，如磷酸化、甲基化、二硫键形成等，这往往能改变多肤链氨基酸的性质和组成，并为空间结构的形成提供基础。1.肤链氨基端的修饰原核生物中几乎所有蛋白质合成都是从N－甲酰甲硫氨酸开始，真核生物从甲硫氨酸开始，但天然蛋白质大多数不是以甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸为氨基端起始的。因此，在多肤链合成终止，甚至在肤链合成进行的同时，甲酰基经脱甲酰基酶水解而除去，甲硫氨酸或者氨基端的一些氨基酸残基由氨肤酶水解掉，包括除去信号肤序列。2.共价修饰许多蛋白质可以进行不同类型化学基团的共价修饰，如磷酸化、糖基化、胫基化、甲基化、乙酰化和二硫键形成等，修饰后可以表现为激活状态，也可表现为失活状态。


医学细胞生物学 四、肤链合成后的加工修饰 磷酸化多发生在多肤链丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基上，由蛋白激酶催化，磷酸化后蛋白质的活性发生改变，如磷酸化酶经磷酸化后活性增加，而糖原合成酶经磷酸化后活性丧失；质膜蛋白质和许多分泌型蛋白质都具有糖链，这些寡糖链通过糖基化反应结合在丝氨酸或苏氨酸的经基上，如红细胞膜上的ABO血型决定簇；胶原蛋白前体脯氨酸和赖氨酸残基胫基化形成经脯氨酸和胫赖氨酸，对成熟胶原的链间共价交联是必需的；mRNA上没有胱氨酸的密码子，多肤链中的二硫键，是在肤链合成后，通过两个半胱氨酸的琉基氧化形成的，二硫键的形成对维持蛋白质的活性和结构是必需的。


医学细胞生物学 四、肤链合成后的加工修饰 3多肤链的水解修饰有些活性蛋白往往是由其无活性的前体蛋白水解而得来的，如大多数的蛋白酶原水解后转变为蛋白酶。一般真核细胞中一个基因对应一个mRNA，一个mRNA对应一条多彷，：，肤链，但少数情况下一种mRNA翻译后的多肤链经水解后产生几种不同的蛋白质或多肤，如哺乳动物的鸦片样促黑皮质激素原(proopio-melano-cortin, POMC)初翻译产物为265个氨基酸，在垂体前叶细胞中，POMC初切割成为N－端片段和C－端片段的B－促脂解激素(13-LT, lipotropin)，然后N－端片段又被切割成较小的N－端片段和39肤的促肾上腺皮质激素(ACTH)，而在脑下垂体中叶细胞中，B-促脂解激素再次被切割产生B－内啡肤(!3-endorphin); ACTH也被切割产生13肤的促黑激素(a-melanotropin)。（二）高级结构的修饰包括亚基聚合、多肤折叠和辅基连接有许多蛋白质是由两个以上亚基构成，并需要各亚基肤链通过非共价键聚合成多聚体才能表现出完整的生物活性，如由两条a链、两条B链所组成的入血红蛋白、细胞膜上的镶嵌蛋白和穿膜蛋白等。


医学细胞生物学 四、肤链合成后的加工修饰 新生肤链必须逐步折叠成天然空间构象才能成为有活性的功能蛋白。一般认为，蛋白质一级结构是其空间结构形成的基础，同时也需要其他的酶、蛋白质辅助才能完成折叠过程。分子伴侣(molecular chaperone)是一类能识别肤链的非天然结构、并能促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠的酶或蛋白分子，它能介导其他蛋白质正确装配成有功能活性的空间结构，而本身并不参与最终装配产物的组成。目前认为“分子伴侣＂蛋白有两类：O蛋白因子，如热休克蛋白(heat shock protein, HSP)、伴侣素(chaperonin)，它们可以和部分折叠或没有折叠的蛋白质分子结合，稳定它们的构象，使其免遭其他酶的水解或促进蛋白质折叠成正确的空间结构；＠酶，如蛋白质二硫键异构酶(protei n disulfide isomerase, POI)，可以识别和水解非正确配对的二硫键；肤－脯氨酸顺反异构酶(peptide prolyl cis-trans i somerase, PPI)能促进多肤链中肤酰－脯氨酸肤链的顺反异构体之间的转换。有些蛋白，特别是结合蛋白和带辅基的酶，合成后都需要结合相应辅基，才能成为天然功能蛋白质。 五、蛋白质的降解 细胞内蛋白质处千不断合成与降解的动态平衡。细胞内的蛋白质不断地被降解和被新合成的蛋白质取代。蛋白的降解在细胞的生理活动中发挥着不可替代的作用，包括处理损伤或错误折叠的蛋白翻译后修饰的蛋白及功能发挥后蛋白质的清除等。细胞内蛋白质在一系列蛋白酶的作用下水解成多肤，再在肤酶作用下降解成游离氨基酸，又再被重利用合成新的蛋白质。如果蛋白质的降解速率和位点出现异常，就会影响细胞的多种功能，如细胞分裂、信号传递等，从而导致疾病的发生。胞内蛋白质的降解主要通过两个途径，即泛素－蛋白酶体途径(ubiquitin proteasome system)和溶酶体途径。(1)蛋白质通过泛素－蛋白酶体途径被降解：泛素－蛋白酶体途径是细胞内蛋白质选择性降解的重要途径。细胞中新合成的蛋白质中有超过30％需要通过泛素介导而被降解以保证蛋白质的质址。泛素是在1975年从小牛的胰脏中分离得到的1种含有76个氨基酸的小肤，随后被发现存在于大掀不同的组织和有机体（但至今未在细菌中发现）中，因此命名为泛素(ubiqu山n)。泛素可以与待降解的蛋白质共价结合，而且一种蛋白质可以和多个泛素分子结合。后来将这种现象称为多泛素化(poly咖quitination)，蛋白质的多泛素化是启动蛋白质降解的信号。在细胞内存在3种与泛素有关的重要的酶：泛素激活酶(E l汃泛素结合酶(E2汃泛素蛋白连接酶(E3)。El激活泛素分子，此过程需要ATP供能；泛素分子被激活后被运送到E2上，E2负责将泛素绑在被降解的蛋白质上；E3能识别被降解的蛋白质；最后，E3释放出被泛素标记的蛋白质。如此循环反复，在结合了一定数量（一般认为至少5个）的泛素分子后，被降解蛋白质就被运送到细胞内的一种被称为＂垃圾处理厂＂的蛋白酶体(pro teasome)结构中进行降解（图9-15)。蛋白酶体是一个26S蛋白复合体，主要存在于细胞核和细胞质中，负责依赖泛素的蛋白质降解途径，降解异常蛋白和短寿命蛋白。蛋白酶体本身不具备选择蛋白质的能力，只有被泛索分子标记而且被E3识别的蛋白质才能在蛋白酶体中进行降解。


医学细胞生物学 五、蛋白质的降解 (2)蛋白质在溶酶体通过ATP非依赖途径被降解：与蛋白质在蛋白酶体通过ATP依赖途径被降解的途径不同，溶酶体是真核细胞的消化器官，内含多种酸性水解酶，可以直接分解蛋白质分子。蛋。 222第二篇细胞的结构与功能第一步第二步蛋白底物砌四@@~@b泛素@@@多三三步硐砌b n'b尸'>』\`也;*子多肤 ＠泛素活化酶＠泛素结合酶＠泛素－蛋白连接酶26S蛋白酶体白质通过此途径降解，是不需要ATP提供能量的。蛋白物质经自噬形成自噬体，或内吞作用进入细胞后，通过溶酶体消化，分解为小分子氨基酸。溶酶体降解蛋白质是一条非特异性的蛋白质降解系统，真核细胞内的膜蛋白、长寿蛋白和一部分短寿命蛋白都是在溶酶体中降解的。蛋白质在溶酶体的酸性环境中被相应的酶降解，然后通过溶酶体膜的载体蛋白运送至胞液，为合成新的蛋白质提供原料（动画9-3”原核生物肤链合成终止过程”)。


医学细胞生物学 第四节基因表达的调控 遗传信息（基因信息）由DNA转录为RNA、再由RNA翻译为蛋白质，通常称为基因的表达。基因表达的实质是通过基因的转录和翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。基因的表达受到严密和精确的调控，以适应环境、维持生长和发育的需要。遗传信息传递过程中任何环节的改变均会导致基因表达的变化，基因表达的涸控可发生在遗传信息传递的各个阶段。基因表达的调控一般表现为正性调控(pos山ve regulation)和负性调控(negative regulation)，前者使基因表达量增加，后者则是使基因表达量减少。在介绍基因的表达调控之前，首先了解一下基因表达的特点。 一、基因表达的一般特点 同一个体所有细胞都具有相同的基因组，携带个体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息。但生物基因组的遗传信息（基因）不是同时全部都表达出来，即使是极其简单的生物（如最简单的病毒），其基因组所含的全部基因也不是以同样的强度同时表达。


医学细胞生物学 （一）基因表达具有时间性和空间性 ·1'`基因表达具有严格的时间和空间特异性，这是由基因的启动子等调控序列与调节蛋白相互作用第九章细胞内遗传信息的传递及调控223决定的。例如，病原体侵入宿主后呈现一定的感染阶段，随感染阶段的发展、生长环境的变化，有些基因开启，有些基因关闭。按照功能需要，某一特定基因表达严格按照一定的时间顺序发生，这称为基因表达的时间特异性(temporal specifi city)。多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启或关闭，表现为分化、发育阶段一致的时间性，也称为阶段特异性(stage specifi city)。


医学细胞生物学 （一）基因表达具有时间性和空间性 在个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官中表达多少是不一样的。一种基因产物在个体的不同组织或器官中表达，即在个体的不同空间出现，这就是基因表达的空间特异性(spa tial specificity)。不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异性(tissue specific ity)。例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其他组织细胞，合成的某些酶（如精氨酸酶）为肝脏所特有。


医学细胞生物学 （一）基因表达具有时间性和空间性 （二）基因表达有组成性表达和可诱导／阻遏表达两种方式改变基因表达的情况以适应环境，在原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要，因为这些细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。例如，周厮有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作为能源和碳源，不必更多去合成利用其他糖类的酶类；当外界没有葡萄糖时，细菌就要适应环境中存在的其他糖类（如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等），开放能利用这些糖的酶类基因，以满足生长的需要。即使是内环境保持稳定的高等哺乳类动物，也经常要变动基因的表达来适应环境。例如，与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。


医学细胞生物学 二、原核基因的表达调控 相对千真核细胞，原核细胞的基因表达调控机制比较简单，研究得较为深入。转录调控是原核生物基因表达调控的关键步骤。原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。操纵子(operon)由结构基因和表达调控元件组成，是原核细胞中最常见的表达调控单位。操纵子机制在原核基因表达调控中具有普遍意义。首饭衬？东回原核基因表达调控最典型的代表是大肠杆菌(E. coil)乳糖操纵子(lac operon)调控模式。在此，以乳糖操纵子为例说明原核基因的表达调控机制（动画9-4"乳糖操纵子阻遏蛋白的负性调节”)。


医学细胞生物学 二、原核基因的表达调控 大肠杆菌乳糖代谢相关基因组成乳糖操纵子。大肠杆菌的乳糖操纵子含LacZ、LacY和LacA三个结构基因，分别编码B－半乳糖昔酶(r3-galactos idase)、p－半乳糖昔通透酶(permease）和B－半乳糖昔乙酰转移酶(tran sace tylase)，此外还有一个操纵序列0lac、一个启动序列plac及一个调节基因Lael（图916)。Lael编码一种阻遏蛋白(repressor)，后者与Ohc序列结合，使操纵子受阻遏而处于关闭状态。在启动子P/，IC上游还有一个分解（代谢）物激活蛋白(catabolite activator protein, CAP)的结合位点，其主要作用是增强乳糖操纵子的转录活性。由P如序列、0如序列和CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区，三个酶的编码基因都由同一调控区调节，实现基因产物的协调表达。 224第二篇细胞的结构与功能 调节基因启动序列DNA各1LacZILac Y|LacA l


医学细胞生物学 操纵序列！\o－半乳糖昔酶基因\胪－半乳糖背乙庐－半乳糖昔酰转移酶基因通透酶基因 大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，乳糖操纵子处于阻遏状态。Laci在其自身的启动子控制下，表达产生阻遏蛋白，阻遏蛋白与操纵序列0lac结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子plac的结合，阻止了基因的转录启动。当有乳糖存在时，乳糖受B－半乳糖甘酶的催化转变为半乳糖，半乳糖与阻遏蛋白结合，使其构象改变，失去与Olac的亲和力，与Olac解离，基因转录开放。该机制很好地解释了单纯乳糖存在时，细菌是如何利用乳糖作碳源的。然而细菌生长环境是复杂的，例如有葡萄糖或葡萄糖／乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖才是最节能的。这时，葡萄糖的存在使细菌内的cAMP浓度降低，阻碍cAMP与CAP结合，抑制乳糖操纵子转录（因为只有与cAMP结合的CAP才能结合到PI《,c上游的CAP结合位点），使细菌只能利用葡萄糖（动画9-5“低糖时，乳糖操纵子正、负性调节的协同作用＂；动画9-6“高糖时，乳糖操纵子正、负性调节的协同作用”)。


医学细胞生物学 三、真核基因的表达调控 真核细胞的基因表达调控要比原核细胞复杂得多。由于核膜的存在，真核细胞基因的转录与蛋白质的翻译分别在细胞内不同的区域进行。真核细胞基因表达调控可以在转录水平、RNA加工水平、RNA转运水平、mRNA降解水平、翻译水平和蛋白质活性水平上进行（图9-17)。对大多数基因来说，转录水平是最重要的控制点。此外，在某些细胞中DNA水平的变化如染色质上基因拷贝数的变化、DNA重排、DNA甲基化等也会影响基因的表达，这将在第十五章细胞分化中介绍。


医学细胞生物学 三[蛋运转控调DNA转录.~mRNA m RN l2转录水平RNA加工的调控调控质白


医学细胞生物学 三[蛋运转控调DNA转录.~mRNA m RN l2转录水平RNA加工的调控调控质白 （一）转录水平调控是真核细胞基因表达的主要控制点转录水平调控主要是对基因表达转录起始的调节。真核基因具有复杂的调控区，它包括启动子区和其他能调节基因表达的转录因子和基因调节蛋白结合位点。影响基因表达的各种因子通过与DNA调控区的结合而增强或抑制基因的表达。图9-18显示了真核细胞基因表达调控区的一般结构。真核细胞中存在多种基因表达调节蛋白，它们能促进或抑制基因的转录，有些基因表达调节蛋白是特异性的DNA结合蛋白，它们能够和靶基因相邻的DNA序列结合；还有一些基因表达调节蛋白虽然不能直接与DNA结合，但它们可通过与其他基因表达调节蛋白的相互作用调控基因转录。通常将基因表达调节蛋白称做反式作用因子(trans-acting factor)，将它们所识别的DNA序列叫做顺式作用元件o;~(cis-acting element)。具体地讲，顺式作用元件是对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响第九章细胞内遗传信息的传递及调控225与其自身同处在一个DNA分子上的基因，这种DNA序列一般不编码蛋白质，多位千基因旁侧或内含子中。基因表达的调节是通过反式作用因子与顺式作用元件相互作用而实现的。 基因表达调节蛋白调控序列1间隔DNA序列1X基因的调控区 1.顺式作用元件是能够调控基因表达的特殊DNA序列根据顺式作用元件在基因组中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用的方式，可将真核基因的顺式作用元件分为启动子、增强子(enhancer)和沉默子(silencer)。启动子是决定细胞基因转录起始、能被RNA聚合酶所识别并结合的特异性DNA序列，它是基因准确和有效地进行转录所必需的结构（详见本章第一节）。增强子是一种能增强真核细胞某些启动子功能的调节序列，不具有启动子的功能，但能增强或提高启动子的活性。增强子在DNA双链中没有5'与3'固定的方向性，作用不受序列方向性的限制。增强子在所调控基因的上游或下游均可发挥作用，但大多位千上游；下游内含子中，乃至下游最后一个外显子以外的序列也可含有增强子。增强子在距离启动子相对较远（距启动子数kb至数十kb)时也能发挥作用。增强子一般有组织或细胞特异性，但对启动子的影响无严格的专一性。基因重组实验证明，同一增强子可影响不同类型的启动子，真核生物增强子也可影响原核生物的启动子（图9-19)。在顺式作用元件中还存在一种与增强子作用相反的沉默子。沉默子是基因表达的负性调控元件。当特异蛋白因子与其结合时，对基因转录起阻遏作用。沉默子最早在酵母中发现，后来在T淋巴细胞的T抗原受体基因的转录和重排中也证实了这种负调控顺式元件的存在。目前对这种在基因转录降低或关闭中起作用的序列研究还不多，但从已有的例子来看，沉默子的作用可不受序列方向的影响，能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。2.反式作用因子通过顺式作用元件调控基因的表达真核基因表达的调节蛋白又称转录调节因子或转录因子。绝大多数真核转录调节因子由它的编码基因表达后，通过与特异的顺式作用元件的识别、结合（即DNA－蛋白质相互作用）反式激活另一基因的表达。RNA聚合酶和转录因子就是反式作用因子。能直接结合DNA序列的反式作用因子是少数，但不同的反式作用因子之间可以相互作用，因而目前认为多数转录因子是通过蛋白质－蛋白质间作用与DNA序列联系并影响转录效率的，转录因子之间或转录因子与DNA的结合都会引起DNA构象的变化，从而调节转录。作为蛋白质的转录因子从功能上分析其结构，可包含有不同区域：心DNA结合域(DNA binding domain)：多由60~l00个氨基酸残基构成的几个亚区组成。其他一些不与DNA直接结合的转录因子没有DNA结合域，但能通过转录激活域直接或间接作用千转录复合体而影响转录效率。＠转录激活域(activating domain)：常由30~100个氨基酸残基组成，该结构域包含富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同种类。＠连接区：即连接上两个结构域的部分。与DNA结合的转录因子大多以二聚体形式起作用，其DNA结合域常见有以下几种：心锌指结构(zinc finger)，是最常见的DNA结合域，它由约23个氨基酸残基组成，其中的半胱氨酸和组氨酸通过配位键与锌原子结合这样形成一个以锌原子为中心的”指“状结构，称为锌指结构。锌指结构的N-ot})J)J~/`:1I//、二～\图9-19增强子作用模式示意图没有增强子存在时，基因转录维持在较低的基础水平(A)；当有增强子存在时，可以使转录水平升高。增强子可以紧邻启动子上游(B)；也可以位于转录起始位点的上游或下游几kb处(C和D)；与转录方向相反的增强子也可刺激转录(E)末端形成B－片层，C－末端形成Cl'.－螺旋，Cl'.－螺旋能够与DNA大沟相结合（图9-20)。一个转录因子中常常含有多个串联重复的锌指结构，如与GC盒结合的转录因子SP1中就含有3个重复的锌指结构，这些锌指结构中的3个Cl'.－螺旋恰好等于DNA大沟的一圈。＠螺旋－转角－螺旋(helix-turn-helix, HTH),如图9-21A所示，这类结构域通常由3个Cl'.－螺旋结构组成，其中一个螺旋与DNA大沟结合，另两个螺旋则位于其上面起稳固作用。例如，参与大肠杆菌乳糖操纵子调控的CAP蛋白以及真核细胞中的同源异形结构域(homeodomain)蛋白中就含有HTH结构域。＠螺旋－环－螺旋(helix-loop-helix,HLH)，这类结构至少有两个Cl'.－螺旋，螺旋间由短肤段形成的环连接，两个具有HLH结构的转录因子以二聚体形式相连，两个较长的Cl'.－螺旋刚好能够嵌入DNA的大沟（图9-21B)。例如，参与肌细胞生成的转录因子MyoD蛋白就含有HLH结构域。＠亮氨酸拉链(l eucine zipper)，该结构的特点是蛋白质分子的肤链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，结果导致这些亮氨酸残基都在Cl'.－螺旋的同一个方向出现，两个这样的Cl'.－螺旋肤链单体就能通过亮氨酸残基以疏水键结合形成二聚体。该二聚体另一端的·o肤段形成“Y”形的结构（富含碱性氨基酸残基）与DNA大沟结合（图9-21C)。在肝、小肠上皮、脂肪细胞和某些神经细胞中有称为C/EBP(CCAAT/enhancer-binding protein)家族成员的一类蛋白质能够与CAAT盒结合，其特征就是能形成具有亮氨酸拉链的二聚体结构。


医学细胞生物学 基因表达调节蛋白调控序列1间隔DNA序列1X基因的调控区  A．螺旋转角－螺旋B．螺旋环－螺旋c．亮氨酸拉链亮氨酸拉链 总之，反式作用因子能够通过识别启动子、启动子附近和增强子等顺式作用元件中的特异靶序列并与之结合（即蛋白质－DNA相互作用），以及通过蛋白质－蛋白质的相互作用，最终影响RNA聚合酶活性，从而对基因表达发挥正调控或负调控作用。通常把发挥正调控作用的反式作用因子称为转录激活蛋白(acti valor)。


医学细胞生物学 A．螺旋转角－螺旋B．螺旋环－螺旋c．亮氨酸拉链亮氨酸拉链 3真核细胞的阻遏蛋白真核细胞中除存在发挥正性调控作用的转录激活蛋白之外，还有一类阻遏蛋白(repressor，也称抑制子）也参与了真核细胞基因表达的负性调控。与原核细胞中起同样作用的分子一样，真核阻遏蛋白通过与特定的DNA序列结合而抑制转录。其中，某些阻遏蛋白通过干扰其他转录因子与DNA的结合来发挥抑制作用，例如，在转录起始位点附近结合的阻遏蛋白可以阻止RNA聚合酶或通用转录因子与启动子的相互作用；另一些阻遏蛋白则通过与转录激活蛋白竞争结合DNA分子中的调控序列发挥作用，这些阻遏蛋白含有和激活蛋白相同的DNA结合域，但是阻遏蛋白没有转录激活域，无法激活转录。这类阻遏蛋白抑制基因转录的实质是：通过阻止激活蛋白与启动子或增强子的结合，抑制转录。


医学细胞生物学 A．螺旋转角－螺旋B．螺旋环－螺旋c．亮氨酸拉链亮氨酸拉链 另一类阻遏蛋白，称为活性阻遏蛋白(active repressor)，与那些仅仅干扰激活蛋白结合的阻遏蛋白不同，它们虽然也有DNA结合域，但主要靠功能结构域通过蛋白质－蛋白质的相互作用来抑制转录，例如果蝇的Kruppel基因，其表达的蛋白质即为活性阻遏蛋白。灼uppel蛋白中除了含有一个能够与DNA结合的锌指结构域之外，还存在一个独立的抑制结构域，灼uppel蛋白与DNA结合后，依赖其抑制结构域与特定的转录激活蛋白、中介蛋白或通用转录因子相互作用而抑制转录。阻遏蛋白对基因转录的调控作用扩展了人们对真核细胞基因表达调控机制的认识。阻遏蛋白一个重要的功能可能是抑制组织特异性基因在不适当细胞中的表达。例如，免疫球蛋白基因的增强子中含有阻遏蛋白的结合位点，该位点与阻遏蛋白的结合有助于抑制非淋巴细胞中免疫球蛋白的表达，确保免疫球蛋白的组织特异性表达。


医学细胞生物学 A．螺旋转角－螺旋B．螺旋环－螺旋c．亮氨酸拉链亮氨酸拉链 4.染色质通过结构重塑调控基因的转录染色质是高度有序的紧密结构，限制了转录因子对DNA的接近和结合，控制着真核细胞基因的转录。基因表达激活首先需要将致密压缩的染色质／核小体舒展开来，该过程涉及具有酶活性的功能蛋白复合体参与，通过调整核小体结构，中和组蛋白碱性氨基酸残基上的正电荷来减弱组蛋白与DNA（携负电荷）间的结合，从而降低相邻核小体间的聚集，增加转录因子的进入，最终促进基因转录。这种染色质结构的动态变化过程通常称为染色质重塑(chro matin remolding)。染色质重塑是基因表达调控的主要方式之一。目前认为引起染色质重塑的方式主要有以下两种（图9-22): 特定组蛋白的乙酰化结合通用转录因子


医学细胞生物学 特定组蛋白的乙酰化结合通用转录因子 图9-22真核细胞中基因活化蛋白通过影响局部染色质的结构而激活转录显示了通过组蛋白共价化学修饰和染色质重塑复合体两种方式引起局部染色质结构改变(1)依赖ATP的物理性修饰：即以ATP水解释放的能矗，使组蛋白和DNA的构象发生局部改变。该过程主要通过依赖ATP的染色质重塑复合体或染色质重建子(remodeler)来完成，这些复合体是一种以ATP酶为催化中心的多种蛋白亚基复合体，如SWI/SNF复合体，能够被DNA结合的激动子(activator，也称基因活化蛋白）或抑制子(repressor)招募至启动子部位，借ATP水解的能址移动核小体的位置使DNA序列暴露或被掩盖，而参与基因表达调控。彸“I(2）组蛋白共价化学修饰：最初，染色质上的组蛋白被认为仅仅是维系染色质或染色体结构的组第九章细胞内遗传信息的传递及调控229成成分，现在入们认识到，组蛋白的结构是动态变化的，这种变化影响了染色质结构的构型，从而调节基因的表达。组蛋白结构的改变源于组蛋白中被修饰的氨基酸。


医学细胞生物学 特定组蛋白的乙酰化结合通用转录因子 核小体的核心组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)是一类小分子量的强碱性蛋白，它们均由球状结构域（外周被146bp大小DNA包绕）和从核小体表面伸出的位千蛋白N－端的”组蛋白尾巴”组成。近些年研究表明，组蛋白特别是H3和H4尾部的氨基酸残基能够被化学修饰，包括组蛋白的乙酰化(acetylation)、甲基化(methylation)、磷酸化(phosphorylation)、泛素化(ubiquitination)、sumo化(sumoylation)、多聚ADP核糖基化[poly(ADP-ribosyl)ati on]等。组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型以及各种修饰在时间、空间上的组合与生物学功能的关系被称为组蛋白密码(histone code)，它决定了染色质转录活跃或沉默的状态。图9-23描述了组蛋白修饰的一般概念和常见标记。 磷酸化噜户P户孽母 呐OT;:;岛TCGtAP陆OLAT沪酗~PATGGVtPH~l35aa


医学细胞生物学 乙酰化押户PP P 甲基化SCRCKCCKGLCKCCAKRHRKVLRDNIQGITKPAlRRLAR十组蛋白H4|102aa（精氨酸）I J581216211笚（活化甲嘉矗酸）)cRG~GGtRAKAKSRSSRAGLQFPVGRVHRLLRKGNY仁五正｀｀129.. 甲基化（阻遏的赖氨酸）户梪 令泛素化PEPA~APAPK胪沪KAVTKAQKKDSKKRKRSRKESYSV仁亘画~125aaA.组蛋白核心八聚体被DNA盘绕，N－端无结构的组蛋白尾部从八个组蛋白组成的球状结构域上伸出；B.组蛋白尾部氨基酸残基的修饰位点，组蛋白N－端的尾部痰括了已知共价修饰位点的大部分，修饰也可发生在球状结构域，一般地，活化标签包括乙酰化，精氨酸甲基化，以及一些赖氨酸甲基化，如H3K4和H3K36；球状区域的H3K79具有抑制沉默的功能；抑制标签包括H3K9、H3K27和H4K20组蛋白修饰导致基因转录或沉默的机制与其引起的染色质重塑密切相关。组蛋白N－端尾部的氨基酸修饰直接影响了核小体的结构，进而影响到转录起始复合体是否易于同启动子部位的DNA结合。在此以组蛋白常见的修饰方式一一组蛋白乙酰化为例，说明组蛋白修饰影响基因转录的机制。组蛋白乙酰化多发生于H3和H4氨基酸的赖氨酸残基。在组蛋白乙酰基转移酶(histone acetyltransferase,HAT，也称乙酰化酶）作用下，于组蛋白N－端尾部的赖氨酸加上乙酰基，称为组蛋白乙酰化。组蛋白N端的赖氨酸残基乙酰化会移去正电荷，降低组蛋白和DNA之间的亲和力，使得RNA聚合酶和通用转录因子容易进入启动子区域（图9-22)。因此，在大多数情况下，组蛋白乙酰化有利于基因转录。低乙酰化的组蛋白通常位千非转录活性的常染色质区域或异染色质区域。一些组蛋白可以快速地乙酰化，然后又去乙酰化，使得组蛋白结合基因的表达受到精确地调控。组蛋白的去乙酰化由组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)催化完成，组蛋白去乙酰化则抑制转录。其具体机制是：基因激活因子结合于特定上游激活序列(UAS)并招募组蛋白乙酰化酶，催化附近的组蛋白乙酰化，促进基因激活；而结合于上游抑制序列(URS)的转录抑制因子则招募组蛋白去乙酰化酶，催化附近的组蛋白去乙酰化，抑制转录。


医学细胞生物学 甲基化（阻遏的赖氨酸）户梪 5. DNA甲基化修饰程度影响基因表达水平真核DNA分子中的胞啼唗碱基约有5％被甲基化修饰为5－甲基胞啥唗。胞啥唗碱基的甲基化修饰常发生在基因上游调控序列的CpG（岛）富含区。处于活性染色质区、呈现转录活性状态的基因的CpG序列一般总是低甲基化的；而不表达或处千低表达水平的基因的CpG序列则总是高甲基化的。实际上，DNA胞啼唗的甲基化与去甲基化修饰是一个动态的过程，在真核基因的表达调控中发挥着重要作用。DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase, DNMT)催化甲基与胞啼唗的共价结合，而去甲基化酶(demethylase)则负责去除5－甲基胞瞪唗上的甲基。6非编码RNA能够调节基因转录近年来的研究显示，除了转录调节蛋白以外，一些非编码RNA分子，如miRNA等小RNA和长链非编码能调控基因的转录。相对千长链非编码RNA，人们对小RNA(miRNA)的作用机制有较多的认识。在第二章中已经介绍过miRNA在发挥RNA干扰（降解mRNA)中的作用机制（图2-12)，在此简述miRNA在调节基因转录中的作用。在miRNA发挥转录抑制作用时，-m IRNA miRNA与另一种蛋白质复合体RITS(R~A-induced transcriptional silencing)复合体结合，解离后的一条miRNA链将RITS复合体引导至同源基因处（很可能是通过碱基配对结合千同RNA聚合酶II结合的mRNA上），然后，RITS复合体通过募集组蛋白甲基转移酶，使组蛋白H3的赖氨酸－9发生甲基化，靶基因的mRNA结合导致异染色质形成，最终抑制基因的转录（图924)。（二）RNA加工水平调控的主要途径是剪接以外显子和内含子为单元的基因结构形式是真核细胞基因结构的特点，人类的大多数基因中都含有内含子。多数真核细胞的mRNA前体分子经剪接去除内含子后仅形成一种成熟的mRNA，并经过翻抑制基因的转录译生成一条相应的多肤链，这种RNA剪接方式称为常规剪接(constitutive splicin g)。但许多高等真核细图9-24miRNA调节基因的转录胞的mRNA前体不止含有一个内含子，在特定条件下，剪接发生在两个内含子之间，即某个内含子的5'端与另一个内含子的3'端进行剪接时，就会删除这两个内含子及其中间的全部外显子或内含子，这称为RNA可变剪接(alternative splicing)（详见第十五章，图15-14)。由此，一个基因的mRNA前体经过可变剪接可以产生多种不同的蛋白质，或形成一组相似的蛋白质家族。


医学细胞生物学 甲基化（阻遏的赖氨酸）户梪 mRNA前体的剪接由被称为剪接体的核酸－蛋白质复合物完成，该复合物主要包括snRNA及富含丝氨酸和精氨酸的相关蛋白。剪接首先是剪接体识别mRNA前体剪接位点，剪接位点的选择受许多顺式作用元件和反式作用因子的调控。反式作用因子可以通过识别正性或负性的顺式作用元件对不同的剪接位点进行选择。此外，剪接体中的剪接因子也参与了对选择性剪接的调控。


医学细胞生物学 甲基化（阻遏的赖氨酸）户梪 （三）真核细胞基因表达的翻译水平调控与起始因子磷酸化密切相关真核细胞翻译水平调节点主要在翻译起始阶段和延长阶段，尤其是起始阶段。如起始因子活性的调节、Met-tRNA"'•'与核糖体小亚基结合的调节、mRNA与小亚基结合的调节等。其中通过磷酸化作用改变起始因子活性这一点备受关注。蛋白质合成速率的快速变化很大程度上取决千起始水平，通过磷酸化调节起始因子活性对起始阶段有重要的控制作用。如e1F-2a亚单位的磷酸化可以阻碍elF的正常运行，从而抑制蛋白质合成的起始。elF-2a亚单位的磷酸化由特异蛋白激酶催化。在病毒感染的细胞中，细胞抗病毒机制之一即是通过双链RNA(double-stranded RNA, dsRNA)激活一种蛋白激酶，使eIF-2a磷酸化，从而抑制蛋白质合成的起始。此外，mRNA的5'UTR（非翻译区）与3'UTR在翻译过程中能够相互依赖、协同作用提高翻译效率。一些蛋白质能够识别mRNA的3'UTR，通过干扰3'poly-A尾与5'端帽的联络而减少翻译的起动。


医学细胞生物学 第九章细胞内遗传信息的传递及调控231第五节基因的信息传递与医学 遗传信息传递过程中任何环节出现异常均会导致基因表达的异常，引起疾病的发生。转录因子突变和基因修饰改变都可在不同层面影响基因的正常表达，从而引发疾病；蛋白质降解异常与肿瘤、神经退行性疾病、心血管疾病、代谢性疾病的发生发展密切相关；利用原核生物和真核生物蛋白质合成的体系差异，医学上设计出对病原微生物有特效，而对人体没有损害的药物，例如抗生素和干扰素等。 —、基因表达调控异常与疾病 基因表达调控是高度有序的多级调控过程，在基因表达的过程中任何环节出现错误都可能影响基因的正常表达，从而引发疾病。


医学细胞生物学 —、基因表达调控异常与疾病 转录因子突变与疾病的发生密切相关。转录因子在真核细胞基因表达调控中起重要作用，其本身结构与功能的改变，将引起细胞或个体功能有较大缺陷。研究表明，至少有30多种疾病与转录因子有关。例如，转录因子TBX5显性突变可引起心手综合征(Holt Oram syndrome, HOS)，表现为大拇指异常、心脏的房间隔缺损、室间隔缺损及复合畸形；转录因子PAX3显性突变会产生Wa缸denburg综合征I型(WSl)，引起宽鼻梁、眼内毗侧移、着色异常如眼睫毛和头发变白、虹膜异色并有耳蜗性失聪等临床表现；转录因子NKX2-l突变后，表现出中枢神经、甲状腺及肺功能等多方面的复杂症状，如小头畸形、基底神经节畸形、肌张力减退、共济失调、手足徐动症、发育迟缓和肺功能紊乱等；锌指类转录因子GATA3突变后的临床表现为血内甲状旁腺素水平降低、感觉神经性耳聋和肾脏发育不良。


医学细胞生物学 二、蛋白质降解异常与疾病 蛋白质是执行生命活动的基本分子，细胞中的蛋白质不断地处于合成、降解的代谢更新过程中。在正常代谢条件下，蛋白质的合成和降解有精确的调节而处于动态平衡。内源性的蛋白质都有一定寿命，最终都会被降解。如果蛋白质的降解出现异常，就会影响细胞的多种功能，从而引起疾病的发生。在此以肿瘤和神经退行性疾病为例，说明蛋白质与疾病的关系。


医学细胞生物学 二、蛋白质降解异常与疾病 蛋白质降解异常与肿瘤：在后续章节中我们将学到泛素介导的蛋白质降解途径在细胞周期、DNA修复、细胞凋亡中起重要作用，当泛素介导的蛋白质降解途径出现异常时，则有可能导致肿瘤的发生。例如，细胞周期的正常进行需要细胞周期蛋白和其他蛋白质的降解，细胞周期蛋白Cyclin A稳定存在千S期和G2期，细胞通过M期需要Cyclin A的降解，若Cyclin A不被降解则会引起细胞周期停止在M期的中期，从而导致染色体的不正常分离，诱发肿瘤形成。p53基因是细胞生长周期中的负调节因子，参与细胞周期的调控、DNA修复、细胞分化、细胞凋亡等重要的生物学功能，其表达水平和活性受到严格的控制，如果p53蛋白降解异常，则会发生肿瘤。研究表明，10％的肿瘤中负责降解p53的泛素连接酶Mdm2的表达异常升高。有研究指出，抑制26S蛋白酶体的活性，可以选择性抑制肿瘤细胞的增殖。


医学细胞生物学 二、蛋白质降解异常与疾病 蛋白质降解异常与神经退行性疾病：大多数神经退行性疾病与细胞内或细胞外错误折叠蛋白不能被有效降解和清除有关。例如，老年性痴呆症(Alzheimer disease, AD)的主要病理改变是神经元细胞内神经原纤维缠结(NFT)的形成及细胞外B－淀粉样蛋白老年斑(SP)的沉积。泛素－蛋白酶体系统能及时降解错误折叠和修饰的蛋白，使细胞尤其是神经细胞内的蛋白质处于稳定状态，其功能障碍将导致细胞内异常蛋白的聚积和毒性代谢产物AB无法及时清除，导致NFT和SP。随着缠结和斑块的不断聚集又会抑制蛋白酶体的降解活性，由此恶性循环，不断促进AD的发生发展。蛋白传染因子导致的疾病，如人的纹状体脊髓变性病，以及由含异常扩展多聚谷胺酰胺片段蛋白聚集引起的疾病，如亨廷顿(huntington)舞蹈病，都发现与泛素蛋白酶体途径介导的蛋白降解异常有关。因此，泛素－蛋白江qi酶体在神经退行性疾病中的作用越来越受到关注。


医学细胞生物学 二、蛋白质降解异常与疾病 三、基于原核生物和真核生物蛋白质合成体系差异的药物研制蛋白质生物合成在细胞生命过程中具有重要作用，影响蛋白质生物合成的物质非常多，它们可以作用千RNA转录水平，对蛋白质的生物合成起间接作用。原核生物和真核生物翻译过程相似但也有差别，这种差别在医学上有重要的价值，利用原核生物和真核生物蛋白质合成的体系差异，设计出对病原微生物有特效，而对人体没有损害的药物。这类药物主要以抗生素为代表。


医学细胞生物学 二、蛋白质降解异常与疾病 抗生素(ant灿otics)是一类微生物来源的能够杀灭或抑制细菌的药物，它们通过直接千扰原核生物的蛋白质合成而起到杀灭或抑制作用，但并不影响（或较少影响）真核生物的蛋白质合成。抗生素可作用于蛋白质合成的多个环节，包括抑制起始因子，延长因子及核糖体的作用等。例如：链霉素和卡那霉素通过与原核生物核糖体小亚基结合，使其构象改变，引起读码错误，使细菌蛋白质没有活性，从而起到抑菌作用；氯霉素能与原核生物核糖体大亚基结合从而阻断翻译延长过程，包括与核糖体上的A位紧密结合，而阻碍氨酰tRNA进入A位，以及抑制转肤酶活性，使肤链延伸受到影响等；四环素和土霉素则通过阻止氨酰－tRNA在A位置上的联结，从而阻止肤链延伸和细菌蛋白质合成。嗦呤霉素(puromycin)的结构与酪氨酰－tRNA相似，因而它可作氨酰tRNA的类似物，在翻译过程中取代一些氨酰－tRNA进入核糖体的A位，当延长中的肤转入此异常A位时，容易脱落，以肤基嗦呤霉素的形式从核糖体上早期解离，而终止肤链合成。由于嗦呤霉素对原核和真核生物的翻译过程均有干扰作用，故难于用做抗菌药物，仅作为抗肿瘤药物使用。


医学细胞生物学 第三篇细胞的社会性第十章细胞连接与细胞黏附 在胚胎发育过程中，细胞通过分裂、分化，然后迁移到达预定区；同一组织内的细胞间直接形成一些连接结构让细胞连在一起成为整体，以便协同发挥功能；不同组织间，通过细胞识别、黏着然后形成连接机制，从而进一步形成各种器官乃至系统，最终形成完整的有机体。人体的形态建成既是细胞分裂、分化的结果，也是细胞通过表面分子相互识别、黏着以及形成特殊细胞连接的结果。细胞之间、细胞与细胞外基质之间通过细胞表面特殊的黏附分子彼此识别和黏着；通过相邻细胞表面形成特殊连接装置以加强彼此间的机械联系和保障功能的协调。细胞之间、细胞与细胞外基质之间的相互作用是组织形成、定位、生存及稳态维持的重要保证，而细胞连接(cell junction)与细胞黏附(cell adhes ion)是细胞间发生关联的结构基础和基本方式。细胞连接与细胞黏附体现细胞的社会性。


医学细胞生物学 第一节细胞连接 人和多细胞动物体内除结缔组织和血液外，各种组织的细胞之间按一定排列方式，在相邻细胞表面一些特殊的蛋白质形成一些特殊结构把细胞连接在一起，以加强细胞间的机械联系和维持组织结构的完整性、协调性，有一些细胞通过细胞膜上的特殊蛋白与细胞外基质结合在一起，这种细胞表面与其他细胞或细胞外基质结合的特化区称为细胞连接。细胞连接是维系细胞间相对稳定的特化连接结构，也是相邻细胞之间协同作用的重要结构基础。细胞连接有多种类型，根据其结构和功能特点可分为三大类，即封闭连接(occlu ding junction)、描定连接(anchoring junc tion)和通讯连接(comm uni cating junction)（表10-1，图10-1)。


医学细胞生物学 —、紧密连接 1.紧密连接的概念入和脊椎动物体内的封闭连接只有一种，称为紧密连接(tight junction)。广泛分布于各种上皮细胞，如消化道上皮、膀胱上皮、睾丸曲细精管生精上皮的支持细胞基部和腺体的上皮细胞管腔面的顶端侧面区域；此外，脑毛细血管内皮细胞之间也存在紧密连接结构。透射电镜显示，在紧密连接处，两个相邻细胞质膜以断续的点状结构连在一起，点状接触部位细胞间隙消失，非第十章细胞连接与细胞黏附237细胞与细胞连接细胞与细胞外基质连接接接连带连密着粒隙紧黏桥间细胞连接细胞黏附图10-1细胞连接、细胞黏附和细胞外基质点状接触处尚有10~15nm的细胞间隙。冰冻断裂复型技术显示，紧密连接区域是一种＂焊接线”样的带状网络（图10-2A)。焊接线又称峙线，扫描电镜显示，两个相邻细胞膜上的暗线由成串排列的特殊穿膜蛋白质颗粒构成（图10-2B)，这种在相邻细胞膜上形成的特征性结构称为封闭索(seali ng s trand)，封闭索相互交错成网状，呈带状环绕每个上皮细胞的顶部，将相邻细胞紧密连接在一起，封闭细胞间隙（图10-3A)。


医学细胞生物学 E面质膜侧面峙线(P面）蛋白质颗粒条索紧密连接［微绒毛肠腔 图10-2小肠上皮细胞紧密连接电镜照片A冰冻断裂复型电镜照片，示细胞微绒毛和细胞紧密连接区；B扫描电镜照片，示蛋白质颗粒条索238第三篇细胞的社会性图10-3紧密连接模式图A相邻质膜上蛋白颗粒连成的封闭索；B紧密连接中的两种穿膜蛋白2参与紧密连接的分子现已证明有40余种蛋白质参与了紧密连接的形成与功能。这些蛋白质主要是穿膜蛋白和胞质外周蛋白(cytoplsmic peripheral protein)。从紧密连接皓线中至少确定了两类穿膜蛋白：一类称为闭合蛋白(occl ucl in)，是一种表观分子量为65kD的4次穿膜蛋白；另一类称为密封蛋白(clauclin)，也是一种4次穿膜的蛋白，表观分子量较小，为20-27kD的（至少24种此类蛋白得以鉴定），是形成崝线的主要成分。两类穿膜蛋白的C末端和N末端均伸向细胞质，C末端具有能与其他紧密连接蛋白结合的区域，通过与其他紧密连接蛋白的相互作用，参与紧密连接的形成（图103B)。胞质外周蛋白有多种，包括PDZ蛋白、zo家族、PATJ、PAR-3和PAR-6等，它们帮助穿膜蛋白与细胞骨架相连，还能将蛋白激酶、磷酸酶、小GTP酶和转录因子等调节蛋白聚集到紧密连接处发生作用。近年来发现，密封蛋白claudin-1和闭合蛋白还是丙型肝炎病毒(hepatitis C viru, HCV)入侵细胞所必需的受体，提示紧密连接很可能和HCV入侵细胞的过程有关。


医学细胞生物学 E面质膜侧面峙线(P面）蛋白质颗粒条索紧密连接［微绒毛肠腔  3紧密连接的主要功能紧密连接有以下两个功能。 (1)封闭上皮细胞的间隙，形成一道与外界隔离的封闭带，保证组织内环境的稳定。防止细胞外物质无选择地通过细胞间隙进入组织，或组织中的物质回流入腔中。如小肠上皮细胞的紧密连接结构，对腔内大部分物质起着阻隔作用。脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间的紧密连接构成了血脑屏障(blood-brain barrier)和血睾屏障(blood-testis banie1)，保护这些重要器官和组织免受异物侵害。(2)形成上皮细胞质膜蛋白与膜脂分子侧向扩散的屏障，从而维持上皮细胞的极性。如小肠上皮细胞游离面质膜上含有大量吸收葡萄糖分子的协同运输载体，完成Na十驱动的葡萄糖同向转运；而基底面含有执行被动运输的葡萄糖转运载体，将葡萄糖转运到细胞外液，从而完成葡萄糖的吸收和转运功能。正是由于紧密连接限制了膜蛋白和膜脂分子的流动性，从而保证了小肠上皮细胞物质运转的方向性。紧密连接还具有将上皮细胞联合成整体的机械连接作用。


医学细胞生物学 3紧密连接的主要功能紧密连接有以下两个功能。 4.紧密连接与医学有人发现在活动期的炎症性肠病，紧密连接的完整性被破坏，Z0-1和闭锁蛋白以及闭合蛋白－1和2的表达均降低。低糖皮质激素治疗多发性硬化症，主要是通过保持闭合蛋臼l、5以及闭锁蛋白的表达水平，维待紧密连接的完整性，增强血脑屏障的功能来实现的。 二、描定连接 铀定连接是一类由细胞骨架纤维参与、存在于细胞间或细胞与细胞外基质之间的连接结构。其主要作用是形成能够抵抗机械张力的牢固黏合。铀定连接广泛分布千动物各种组织中，在上皮、心肌和子宫颈等需要承受机械力的组织中分布尤为丰富。其重要功能是参与组织器官形态和功能的维待细胞的迁移运动以及发育和分化等多种过程。


医学细胞生物学 二、描定连接 彸，t，，根据参与连接的细胞骨架纤维类型不同，铀定连接可分为两大类：一类是肌动蛋白丝参与的铀定连接，称为黏着连接(adhe1ing junc tion),黏着连接又可分为两类：细胞与细胞之间的黏着连接称为黏着带(adhesion belt);细胞与细胞外基质间的黏着连接称为黏着斑(focal ad h esion)。另一类是中间纤维参与的错定连接，称为桥粒连接(desmosome junction)，桥粒连接也分为两类：细胞与细胞之间的连接称为桥粒(desmosome)；细胞与细胞外基质间的连接称为半桥粒(hemidesmosome)。


医学细胞生物学 二、描定连接 铀定连接主要由两类蛋白构成：一类是细胞内铺定蛋白(intracellulru·ancho1细胞外基质protein)，这类蛋白在细胞质面一端与特定图10-4描定连接的两类蛋白示意图的细胞骨架成分（肌动蛋白丝或中间纤维）相连，另一端与穿膜黏着蛋白连接；第二类蛋白统称穿膜黏着蛋白(transmembrane adhesion protein)，是一类细胞黏附分子，其胞内部分与胞内铀定蛋白相连，胞外部分与相邻细胞特异的穿膜黏着蛋白或细胞外基质蛋白相连（图10-4)（动画10-1“微丝及中间纤维参与铀定连接”)。


医学细胞生物学 (—)黏着连接是由肌动蛋白丝参与的描定连接1.黏着带 (1)黏着带的概念及分子组成特点：位于上皮细胞紧密连接的下方，是相邻细胞之间形成的一个连续的带状结构（图10-5A)。透射电镜显示，在黏着带处相邻细胞质膜之间的间隙约15-30nm，间隙两侧的质膜通过伸出的穿膜黏着蛋白相互黏合（图l0-5B)。参与形成黏着带的穿膜黏着蛋白称为钙黏着蛋白(cad h erin)，是一类C砍依赖性细胞黏附分子（有关钙黏着蛋白特点与功能见本章第二节）。钙黏着蛋白在质膜中形成同源二聚体，相邻细胞的钙黏着蛋白胞外结构形成胞间横桥相连，其胞内区域通过铀定蛋白与肌动蛋白丝相连；从而使细胞间的连接与胞内的微丝束网络连接在一起，细胞间牵拉的张力通过微丝束网络得以缓解。胞内铀定蛋白包括a、B、-y联蛋白(catenin汃黏着斑蛋白(vinculin汃斑珠蛋白(plakoglobin）和a-辅肌动蛋白(a-actin i n)等，形成复杂的多分子复合体，起铀定肌动蛋白丝的作用。


医学细胞生物学 微绒毛内的肌动蛋白纤维微绒毛细胞l细胞2紧密连接肌动蛋白纤维束相邻上皮细胞的质膜肌动蛋白纤维钙黏着蛋白二聚体铀定蛋白A.黏若带示意图；B黏着带的组成结构模式图胞』[内白240第三篇细胞的社会性 (2)黏着带的功能：少黏着带在维持细胞形态和组织器官完整性方面具有重要作用，特别是为上皮细胞和心肌细胞提供了抵抗机械张力的牢固黏合。＠发育中影响形态发生。由于微丝束具有收缩功能，在动物胚胎发育过程中黏着带可以使上皮细胞内陷形成管状或泡状原基，从而对形态发生起重要作用。


医学细胞生物学 2.黏着斑 (1)黏着斑的概念及结构特点：位千上皮细胞基底部，是细胞通过局部黏附与细胞外基质之间形成的黏着连接。参与黏着斑连接的穿膜黏着蛋白是整联蛋白(integrin)（大多数为a5阳），其胞外区与细胞外基质（主要是纤连蛋白与胶原）成分相连，胞内部分通过铀定蛋白与肌动蛋白丝相连，从而介导细胞与细胞外基质的黏着（图10-6)。黏着斑部位的铀定蛋白有：踝蛋白(talin)、a－辅肌动蛋白、细丝蛋白(filamin)和纽蛋白等。由于整联蛋白是纤连蛋白的受体，因此，细胞通过整联蛋白与细胞外基质之间的连接是受体与配体之间的识别和结合（有关整联蛋白的特点与功能见本章第二节）。 黏着斑＼激酶信号传导桩蛋白＼至细胞核a－辅肌动蛋白 (2)黏着斑的相关生物学功能：心参与肌细胞与肌健的连接。黏着斑在肌细胞与肌腮（主要是胶原）形成的连接中很常见。＠体外培养细胞常通过黏着斑贴附在培养基质上，它的形成与解离对于细胞的铺展和迁移具重要意义。＠黏着斑还参与细胞信号转导，整联蛋白的胞内部分与蛋白激酶，如黏着斑激酶(FAK)结合，当整联蛋白与胞外配体结合后可以激活这些激酶，引起连锁反应，促进与细胞生长和增殖相关基因的转录。


医学细胞生物学 黏着斑＼激酶信号传导桩蛋白＼至细胞核a－辅肌动蛋白 （二）桥粒连接是由中间纤维参与的描定连接桥粒连接广泛分布于承受机械力的组织中，如皮肤、心肌、食管、膀胱、子宫和阴道等处的上皮细胞之间，为其提供机械支持力，维持组织完整性。根据其分布位置不同，可以分为桥粒和半桥粒两种。


医学细胞生物学 1.桥粒 (I)桥粒的概念及结构特点：位于上皮细胞黏着带的下方，是相邻细胞间的一种斑点状的描定连接结构，结构中含有桥粒斑(desmosomal plaque)。电镜下，桥粒连接处相邻细胞质膜之间的间隙约20~0.30nm，质膜的胞质侧各有一致密的胞质斑(cytoplasmic plaque)，称为桥粒斑。其直径约05µm，是由多种第十章细胞连接与细胞黏附241胞内铀定蛋白包括桥粒斑珠蛋白和桥粒斑蛋白(desmoplaki n)构成的复合物，是中间纤维附着的部位，许多成束的中间纤维伸向桥粒斑，被更细的纤维系牢在胞质斑上，然后折返形成拌状结构。在不同类型细胞中附着的中间纤维也不同，如上皮细胞中主要是角蛋白丝(keratin filaments)，心肌细胞中则为结蛋白丝(desmin filame nts)。桥粒质膜处的穿膜黏着蛋白为桥粒黏蛋白(desmoglein)和桥粒胶蛋白(desmocol lin)，均属于钙黏着蛋白家族。其胞内部分与桥粒斑相连，胞外部分与相邻细胞的穿膜黏着蛋白相连，通过依赖C汒的黏附机制将两个相邻细胞连接在一起（图10-7)。相邻细胞中的中间纤维通过桥粒斑和穿膜黏着蛋白构成了贯穿整个组织的整体网架，增强了细胞抵抗外界压力与张力的机械强度。


医学细胞生物学 1.桥粒  桥粒黏蛋白 (2)桥粒的功能及稳定性：桥粒是一种坚韧、牢固的细胞连接结构，对上皮细胞结构的维持非常重要。胰蛋白酶、胶原酶、透明质酸酶和Ca正鳌合剂（如乙二胺四乙酸）等均能够破坏桥粒结构。(3)桥粒与医学：一些皮肤病与桥粒结构的破坏有关。临床上一种自身免疫性疾病一天庖疮(pemphigus)，就是由千患者体内产生了抗桥粒穿膜黏着蛋白抗体，破坏了桥粒结构，导致上皮细胞桥粒连接丧失，组织液通过细胞间隙进入表皮，引起严重的皮肤水疤病，如不及时治疗，严重者可危及生命。良性家族性天疤疮(H叫ey-Hailey病）跟桥粒斑组分的细胞内化、分子被破坏及桥粒数量减少密切相关。


医学细胞生物学 2.半桥粒 (1)半桥粒的概念及结构特点：半桥粒是上皮细胞基底面与基膜之间的连接结构，因其结构仅为桥粒的一半而得名。形态上与桥粒类似，但功能与化学组成不同。半桥粒的胞质斑是由一种称为网蛋白(plectin)的胞内铀定蛋白组成，可与细胞内的中间纤维相连。半桥粒部位的穿膜黏着蛋白一种是整联蛋白（心阴），另一种是穿膜蛋白BP180，通过一种特殊的层粘连蛋白（描定纤维）与基膜相连，从而将细胞与基膜牢固地柳在一起。这些整联蛋白也从细胞外基质向胞内传导信号，影响着上皮细胞的形状和活性（图10-8)。(2)半桥粒的功能：半桥粒主要功能是把上皮细胞与其下方的基膜连接在一起，防止机械力造成的上皮与其下方的组织剥离。(3)半桥粒与医学．一种自身免疫性疾病一一大泡性类天疤疮(bullous pemphigoid)，由千患者体内产生的抗体破坏了半桥粒结构，导致表皮基底层细胞脱离基膜，组织液渗入表皮下空间，引起严重的表皮下水泡。层粘连蛋白和整联蛋白心或阳基因的突变均可引起大瘛性表皮松解症(epidermo lysis bullosa)，其症状与大泡性类天庖疮相似。


医学细胞生物学 242第三篇细胞的社会性细胞质胶原纤维6、歹A0.3µm B V11型胶原纤维A.半桥粒结构照片；B半桥粒结构模式图三、通讯连接 生物体大多数组织相邻细胞膜上存在特殊的连接方式，以实现细胞间电信号和化学信号的通讯联系，从而完成群体细胞间的合作和协涸，这种连接形式称为通讯连接。通讯连接除了具有机械的细胞连接作用外，还可在细胞间形成代谢偶联或电偶联。在动物组织细胞间通讯主要由间隙连接(gap junct i on)介导。存在于神经元之间或神经元与效应细胞之间的化学突触(chemi cal synapse)也属于通讯连接。


医学细胞生物学 242第三篇细胞的社会性细胞质胶原纤维6、歹A0.3µm B V11型胶原纤维A.半桥粒结构照片；B半桥粒结构模式图三、通讯连接 (—)间隙连接是动物组织中普遍存在的一种细胞连接方式1间隙连接的结构特点相邻细胞间的连接子(connexon)相对接形成微小的通道，使细胞相连接起来的方式。除骨骼肌细胞及血细胞外，几乎所有的动物组织细胞都利用间隙连接来进行通讯联系。透射电镜显示，间隙连接部位相邻细胞膜之间有2~3nm的缝隙，因而间隙连接也称缝隙连接。间隙连接的基本结构单位是连接子(connexon)。每个连接子长7.5nm，外径6nm，由6个相同或相似的穿膜连接蛋白－~连接子蛋白(connexin, Cx)环绕而成，中央形成15~2nm的亲水性通道。相邻质膜上的两个连接子相对接而连在一起，通过中央通道使相邻细胞质连通。冷冻蚀刻技术显示，许多心间隙连接单位往往集结在一起呈斑块状，不同细胞、不同区域内单位面积内的数显不等，可含有几个噱到数百个连接子（图10-9)。通过密度梯度离心技术可将质膜上的间隙连接区域的膜片分离出来。


医学细胞生物学 （动画10-2"间隙连接”) 目前已经从不同动物或不同组织中分离出20余种不同的连接子蛋白，它们属于同一类蛋白家族，尽管不同的连接子蛋白相对分子扯差异较大，但都具有4个保守的a－螺旋穿膜区。一个连接子可以由相同的连接子蛋白构成同源连接子，也可以由不同的连接子蛋白构成异源连接子。由不同连接子蛋白所构成的连接子，在通透性、导电率和可调性方面是不同的，它们的分布具有组织细胞特异性。如心肌细胞的连接子蛋白是Cx43，心脏电传导系统细胞的连接子蛋白是Cx40，当这两种连接子蛋白形成间隙连接时，连接子之间便没有通透功能，从而保证了心脏器官不同类型细胞功能的相对独立。 2间隙连接的生物学功能 (I)加强相邻细胞的机械连接：间隙连接中相邻细胞膜内连接子颗粒的相互融合，加强了相邻细胞的机械连接。间隙连接的更重要的功能是介导细胞间通讯，细胞通讯(cell communication)是指一个细胞的信息通过化学递质或电信号传递给另一个细胞，协调相邻细胞间的功能活动。间隙连接的通讯方式有两种，即代谢耦联(metabol ic coupling)和电耦联(electric coupling)。


医学细胞生物学 第十章细胞连接与细胞黏附243相邻细胞的质膜大的间隙连接2-4nm4r.细成胞”总上3嗖产飞少',;｀个通连道的间开两放“接时相子1邻司．如岭勹苍逼｀.冬..．噜．俨矛．.『-.. 小的心i^）．尸,.;'t.:;'s·心·,'.. D图10-9间隙连接的结构A质膜横切面显示间隙连接；B质膜冷冻蚀刻显示间隙连接成片分布区域；C间隙连接三维结构示意图；D连接子蛋白与连接子(2)代谢耦联：是指小分子质扯（小于lkD)代谢物和信号分子，在相邻细胞间通过间隙连接的传递。在相邻细胞间，通过连接子形成的亲水性通道，允许如无机离子、单糖、氨基酸、核甘酸、维生素、cAMP和IP3等小分子物质从一个细胞迅速进入另一个细胞，从而使细胞可以共享这些重要的物质，协调细胞群体的功能活动，这种功能在胚胎发育早期特别重要。在血液循环建立以前，同一发育区的细胞通过代谢耦联使物质平均分配，以控制细胞的分化。当细胞分化时，细胞与其周即组织解耦联，但每个细胞群中的细胞仍相互耦联，以保持发育行为一致。


医学细胞生物学 第十章细胞连接与细胞黏附243相邻细胞的质膜大的间隙连接2-4nm4r.细成胞”总上3嗖产飞少',;｀个通连道的间开两放“接时相子1邻司．如岭勹苍逼｀.冬..．噜．俨矛．.『-.. 间隙连接的通透性是可调节的。在实验条件下，降低细胞pH，或升高钙离子浓度均可降低间隙连接的通透性。当细胞受损时，大扯钙离子进入，导致间隙连接关闭，以免正常细胞受到伤害。间隙连接的通透性还受胞外化学信号的调节，有助于细胞间的代谢耦联。如胰高血糖素作用千肝细胞时，使肝细胞内cAMP浓度增高，cAMP激活了依赖于cAMP的蛋白激酶，蛋白激酶又使间隙连接蛋白磷酸化，导致其构象发生改变，从而使间隙连接通透性增加，使cAMP可以迅速从一个细胞扩散到周围的肝细胞，最终使肝细胞共同对胰高血糖素的刺激作出应答反应。


医学细胞生物学 第十章细胞连接与细胞黏附243相邻细胞的质膜大的间隙连接2-4nm4r.细成胞”总上3嗖产飞少',;｀个通连道的间开两放“接时相子1邻司．如岭勹苍逼｀.冬..．噜．俨矛．.『-.. (3)电耦联：也称离子耦联(ionic coupling)，其连接子是一种离子通道，带电的离子能通过间隙连接到达相邻细胞，使电信号从一个细胞传递到另一个细胞。在兴奋性组织的细胞之间，广泛存在电耦联现象。如电耦联使心肌细胞同步收缩和舒张，若这种连接破坏，电耦联消失，则心脏停止跳动；成年动物大多数平滑肌细胞仅有少数平滑肌受神经支配，其兴奋传导主要靠间隙连接，小肠平滑肌细胞通过电耦联，使收缩和蠕动同步化。3间隙连接与医学胚胎发育中细胞间的偶联提供信号物质的通路，从而为某一特定细胞提供它的＂位匠信息”，并根据其位置影响其分化。肿瘤细胞之间间隙的连接明显减少或消失，间隙连接类似＂肿瘤抑制因子”。


医学细胞生物学 第十章细胞连接与细胞黏附243相邻细胞的质膜大的间隙连接2-4nm4r.细成胞”总上3嗖产飞少',;｀个通连道的间开两放“接时相子1邻司．如岭勹苍逼｀.冬..．噜．俨矛．.『-.. （二）突触也是—种细胞通讯连接方式神经元之间或神经元与效应细胞（如肌细胞）之间通过突触(synapse)完成神经冲动的传递。突触可分为电突触(elec tron i c synapse)和化学突触两种基本类型。电突触是指细胞间形成间隙连接，电冲动可直接通过间隙连接从突触前向突触后传导（图10-10)，速度快而准确。而化学突触的突触前和突触后细胞膜之间存在20nm宽的间隙，使电信号不能通过，因此信号传递时，要经过将电信号转变为化学信号，再将化学信号转变为电信号的过程。化学突触信号传递时，神经冲动传递到轴突末端，引起神经递质小泡释放神经递质，然后神经递质作用千突触后细胞，引起新的神经冲动。这种信号传递速度不及电突触。电突触对千某些无脊椎动物和鱼类快速准确地逃避反射具有十分重要的意图A电突触结构示意图；B电突触的间隙连接示意义。


医学细胞生物学 第二节细胞黏附 在动物个体发育过程中，无论是受精、还是胚泡植入、形态发生、组织器官的形成以及成体结构与功能的维持，都离不开细胞的识别与黏附。在胚胎发育过程中，具有相同表面特性的细胞通过特异性识别并黏附在一起形成内、中外三个不同的胚层；同样通过细胞的识别与黏附使具有相同表面特性的细胞聚集在一起形成组织和器官。通常将这种在细胞识别的基础上，同类细胞发生聚集形成细胞团或组织的过程称为细胞黏附(cell adhesion)。细胞黏附通过细胞表面特定的细胞黏附分子(cell adhesion molecule, CAM)介导细胞与细胞之间、细胞与细胞外基质之间的彼此黏着。黏附分子的类型：目前已发现的细胞黏附分子达百余种，根据其分子结构与功能特性，可分为四大类：钙黏着蛋白(cadherin)，选择素(selectin)，免疫球蛋白超家族(Ig-superfamily, IgSF)和整联蛋白家族(integrin family)。细胞黏附分子多数需要依赖千二价阳离子C芷或M忙才起作用，这些分子介导的细胞识别与黏附还能在细胞骨架的参与下，形成桥粒、半桥粒、黏着带以及黏着斑等铀定连接结构（表10-2)。黏附分子类型主要成员Ca2+/Mg2+在胞内相连的参与的细依赖性细胞骨架成分胞连接钙黏着蛋白E,N,P－钙黏着蛋白+肌动蛋白丝黏着带桥粒－钙黏着蛋白+中间纤维桥粒免疫球蛋白超家族神经细胞黏附分子白细胞整联蛋白a l132+肌动蛋白丝整联蛋白20多种类型+肌动蛋白丝黏着斑质膜蛋白聚糖多配体蛋白聚糖肌动蛋白丝黏附分子的结构特点：细胞黏附分子均为穿膜糖蛋白，由三部分组成：心胞外区，较长，肤链的N端部分带有糖链，是与配体识别的部位；＠穿膜区，多为一次穿膜的a－螺旋；＠胞质区，肤链的C端部分，一般较小，可与质膜下的细胞骨架成分或与胞内的信号转导蛋白结合。细胞黏附分子介导细胞识别与黏附的方式（图10-11)：心同亲型结合(homophilic binding), A B C即相邻细胞表面的同种黏附分子间的相互识别与黏附，如钙黏着蛋白主要以这种方式介导细图10-11细胞间黏附的三种方式胞黏附；＠异亲型结合(heterophilic bi nding)，即结合A同亲型结合；B异亲型结合；C.连接分子依赖性两相邻细胞表面的不同种黏附分子间的相互识别与黏附，如选择素和整联蛋白主要以这种方式介导细胞黏附；＠连接分子依赖性结合(linker-dependent binding)，即相邻细胞黏附分子通过连接分子中介才能相互识别与黏着。


医学细胞生物学 一、钙黏着蛋白家族 钙黏着蛋白是一类依赖于Ca正的同亲型细胞黏附分子，在胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官的构成中起重要作用。钙黏着蛋白是一个很大的糖蛋白家族，不同类型的细胞以及发育不同阶段，细胞表面的钙黏着蛋白的种类和数扯均有所不同。目前已在人类中发现了约200种钙黏着蛋白成员，不同的钙黏着蛋白都有其特定的组织分布，常根据其最初发现的组织类型命名，如上皮组织中的钙黏着蛋白称E－钙黏着蛋白(epithelial cadherin, E-cadherin)；神经组织中的钙黏着蛋白称N－钙黏着蛋白(neural cadherin, N-cadherin)；胎盘、乳腺和表皮中的钙黏着蛋白称P－钙黏着蛋白(placental cadhe1in, P-cadheri n)；血管内皮细胞中的钙黏着蛋白称VE－钙黏着蛋白(vascular endothelial cadherin, VE-cadherin)（表10-3)。上述几种最常见的钙黏着蛋白称为典型钙黏着蛋白(classica l cadherin)，具有细胞黏着和信号转导功能，其胞内或胞外结构域在序列组成上高度相似。此外还有一些非典型钙黏着蛋白，在结构序列组成上差异较大，主要功能是介导细胞黏着，如桥粒中的钙黏着蛋白分子结构特点钙黏着蛋白分子典型结构为单次穿膜糖蛋白，由700~750个氨基酸残基组成，在质膜中常以同源二聚体的形式存在，依靠Ca2•与相邻的细胞的钙黏着蛋白分子结合。


医学细胞生物学 一、钙黏着蛋白家族 钙黏着蛋白分子胞外区约由110个氨基酸残基组成，常折叠成5个重复结构域，C汒结合在重复结构域之间，可将胞外区锁定在一起形成棒状结构，赋予钙黏着蛋白刚性和强度。Ca2＋结合越多，钙黏着蛋白刚性越强。如果去除Ca2+，胞外区就变得松软塌落，不能相互黏附（图10-12)，故在细胞培养时常用阳离子鳌合剂EDTA破坏Ca2＋或M忙依赖性细胞黏附。钙黏着蛋白的胞内部分是高度保守的区域，可以通过胞内衔接蛋白即联蛋白(a.-catenin或[3-catenin)与肌动蛋白丝连接；钙黏着蛋白胞内部分还与胞内信号蛋白([3-catenin或p120-cat eni n)相连，介导信号向细胞内传导，以调整细胞的功能活动。 246第三筒细胞的社会性钙黏着蛋白广＿^^重复子细胞1质膜细胞质钙黏着蛋白同源二聚体钙黏着蛋白同源二聚体 图10-12钙黏着蛋白的结构与功能A一个经典钙黏着蛋白；B一个钙黏着蛋白重复子的三维结构；C. Ca2•对钙黏着蛋白的影响(1)介导细胞与细胞之间的同亲性细胞黏附：在胚胎和成入组织中，同类细胞需要具备自我标识与彼此黏附的特性，这一特性主要是由钙黏着蛋白分子在特定组织上的选择性表达所决定的。


医学细胞生物学 246第三筒细胞的社会性钙黏着蛋白广＿^^重复子细胞1质膜细胞质钙黏着蛋白同源二聚体钙黏着蛋白同源二聚体 如E－钙黏着蛋白就是保持上皮细胞相互黏合的主要细胞黏附分子，如果将编码E－钙黏着蛋白的DNA转染至不表达钙黏着蛋白也无黏附作用的一种成纤维细胞(L cell)，可使这种成纤维细胞之间发生Ca2＋依赖性的同亲性细胞黏附，表现出上皮细胞样的聚集，并且膜蛋白出现极性分布。用抗E－钙黏着蛋白抗体可以抑制这种黏附。(2)在个体发育过程中影响细胞的分化，参与组织器官的形成：在个体发育过程中，细胞通过调控钙黏着蛋白表达的种类与数量而决定胚胎细胞间的相互作用（黏附、分离、迁移、再黏附），影响细胞的分化，参与组织器官的形成。


医学细胞生物学 246第三筒细胞的社会性钙黏着蛋白广＿^^重复子细胞1质膜细胞质钙黏着蛋白同源二聚体钙黏着蛋白同源二聚体 如E－钙黏着蛋白在胚胎发育进入8细胞卵裂时期就开始表达，使松散的分裂球细胞紧密黏附；在外胚层发育形成神经管时，神经管细胞停止表达E－钙黏着蛋白，转而表达N－钙黏着蛋白；而当神经崝细胞从神经管迁移出来时，神经峭细胞则很少表达N－钙黏着蛋白，转而主要表达钙黏着蛋白－7；当神经皓细胞迁移至神经节并分化成神经元时，又重新表达N－钙黏着蛋白。近年来在神经系统发现一个独特的钙黏着蛋白家族，称为原钙黏着蛋白(protocadherin)，它们携带介导突触连接分子的密码，对千神经元识别靶细胞并建立起正确的突触联系起重要的作用。


医学细胞生物学 246第三筒细胞的社会性钙黏着蛋白广＿^^重复子细胞1质膜细胞质钙黏着蛋白同源二聚体钙黏着蛋白同源二聚体 上皮细胞转型为间质细胞或间质细胞转型为上皮细胞是一个受控的可逆过程，称之为上皮－间质转换(epithelial-mesenchymal transition, EMT)，是细胞转分化的一种方式。其分子机制是E－钙黏着蛋白的表达与否。细胞表达E－钙黏着蛋白后，分散的间质细胞会聚集在一起形成上皮组织；不表达E－钙黏着蛋白的上皮细胞则从上皮组织迁移出来形成游离的间质细胞。E－钙黏着蛋白的表达受到启动子区甲基化的影响，又受多种转录调控因子如Snail, Sl ug、Twist等的负调控起抑制作用。这种上皮－间质转型(EMT)在胚胎发育、器官的细胞更新和再生，以及某些多能干细胞的分化等过程均发挥重要的生理作用。


医学细胞生物学 (3)参与细胞之间稳定的特化连接结构：参与铀定连接。 在黏着连接中，钙黏着蛋白胞内区通过细胞内铀定蛋白a和B联蛋白(catenin)与肌动蛋白丝相第十章细胞连接与细胞黏附247连，形成细胞之间牢固连接的黏着带（图10-13)；在桥粒结构中，钙黏着蛋白家族的桥粒黏蛋白和桥粒胶蛋白的胞内区钙黏着蛋白同源二聚体通过胞质斑与中间纤维相连形成牢固的连接结构。另外，一I l些钙黏着蛋白在铀定连接中起向细胞内传递信号的作用。如VE－钙黏着蛋白不仅参与内皮细胞间的黏附，还作为血管内皮生长因子的辅助受体，参与维持内皮细胞存活信号的传递。3.钙黏着蛋白与疾病(I)钙黏着蛋白功能的丧失在恶性肿瘤的扩散中起重要作用。缺失E－钙黏着蛋白可导致上皮性肿瘤的发生。在上皮癌的研究中，很多种癌组织细胞表面的E－钙黏着蛋白减少或消失，导致癌细胞容易从肿瘤组织中脱落，成为癌细细胞质胞侵袭与转移的前提。因而有人将E－钙黏着蛋白视为细胞转移抑制分子，表达E－钙黏着蛋白越多，细胞转移越少，因此，人为升高恶性肿瘤细胞中钙黏着蛋白的表达时，其在动物体内的生长能力降低。


医学细胞生物学 (3)参与细胞之间稳定的特化连接结构：参与铀定连接。 (2)钙黏着蛋白的表达与器官纤维化有关。钙黏着蛋白的表达与EMT相关，而医学上脏器纤维化病变也与EMT有关，例如与肾纤维化病变直接相关的肾间质成纤维细胞绝图10-13钙黏着蛋白通过附着蛋白与大多数由上皮细胞经EMT而来。微丝结合选择素是一类依赖千Ca正的异亲型细胞黏附分子，它们能特异性地识别并结合其他细胞表面寡糖链中的特定糖基，主要介导白细胞与血管内皮细胞或血小板的识别和黏附，在炎症反应和免疫反应中起重要作用。选择素家族包括三种成员：L－选择素(leukocyte selectin)最早在淋巴细胞上作为归巢受体被发现，后来发现在各种白细胞上都表达；P－选择素(platelet selectin)主要位千血小板和内皮细胞上；E选择素(endothelial selecti n)表达千活化的内皮细胞上。


医学细胞生物学 (3)参与细胞之间稳定的特化连接结构：参与铀定连接。 1.选择素的分子结构特点选择素是单次穿膜糖蛋白，其胞外区由三大结构域组成：即N－末端的C型凝集素(C lectin)样结构域、表皮生长因子(epithelial growth factor, EGF)样结构域以及与补体调节蛋白(complement control protein module, CCP)同源的结构域。其中N－末端凝集素结构域是识别特异糖基，参与细胞之间选择性黏附的活性部位。所有选择素均可识别和结合一类特定的糖基（图10-14), Ca“参与该识别黏附过程。EGF样和CCP结构域具有加强分子间黏附以及参与补体系统调节等作用。选择素分子的胞内区可通过铀定蛋白与细胞内微丝结合。2选择素的功能主要功能是参与白细胞与血管内皮细胞或血小板的识别与黏着，帮助白细胞从血液进入炎症部位。


医学细胞生物学 (3)参与细胞之间稳定的特化连接结构：参与铀定连接。 在炎症发生部位，血管内皮表达E－选择素，与白细胞和血小板上的寡糖链识别，由千选择素与白细胞表面的特异寡糖链亲和力较小，加上血流速度的影响，白细胞在炎症部位的血管中黏附—分离，再黏附一冉分离，呈现滚动方式运动，随后激活了自身整联蛋白，由后者介导白细胞与血管内皮细胞较紧密地结合在一起，并使白细胞经内皮细胞间隙迁移至组织（图10-15)。白细胞以这种机制富集到炎症发生的部位。


医学细胞生物学 248第三篇细胞的社会性 。凝集素样结构域Q EGF样结构域补体调节蛋白结构域乙_夕夕_--夕A示3种选择素的结构；B这3种选择素都能够识别糖蛋白寡糖链末端的糖基配体并与之结合；C示糖基配体的详细结构基底膜三、免疫球蛋白超家族免疫球蛋白超家族(immunoglobi n-superfamily, lg弱黏附强黏附SF)是一类分子结构中含有类似免疫球蛋白结构域、及滚动及迁移启不依赖Ca2＋的细胞黏附分子。这类分子的胞外区由（选择素依赖）（整联蛋白依赖）白细胞一个或多个免疫球蛋白(lg)样结构域组成。每一个lg结构域都是由90~110个氨基酸残基形成的紧密内皮细胞折叠结构，其间有二硫键相连接。lg-SF成员复杂，其中有的介导同亲型细胞黏着，如各种神经细胞黏附分组织子(neu ral cell adhesion molecule, N-CAM或NCAM)及图10-15选择素及整联蛋白介导白细胞迁移血小板－内皮细胞黏附分子(PE-CAM或PECAM)；有第十章细胞连接与细胞黏附249的介导异亲型细胞黏着，如细胞间黏附分子(I-CAM或ICAM)及血管细胞黏附分子(V-CAM或VCAM)等。大多数lg-SF黏附分子介导淋巴细胞和免疫应答所需要的细胞（巨噬细胞、其他淋巴细胞和靶细胞）之间的特异的相互作用。但一些lg-SF成员，如N-CAM介导非免疫细胞的黏着。


医学细胞生物学 248第三篇细胞的社会性  1. lg-SF黏附分子的功能 (1)一些lg-SF成员通过同亲型细胞黏着机制参与神经细胞黏附。表达于神经细胞的lg-SF黏附分子成员，由单一基因编码，mRNA的选择性剪接及糖基化的不同形成了20余种不同的N-CAM，其配体也为N-CAM。分析发现，所有N-CAM的胞外区都有5个免疫球蛋白样的结构域，它们通过同亲型黏着机制与相邻细胞同类分子结合黏附在一起，与神经系统的发育、轴突的生长和再生以及突触的形成密切相关（图10-16)。N-CAM的基因缺陷可引起智力发育迟缓和其他神经系统病变。除了神经组织外，N-CAM也可在肌肉和胰腺等其他组织中表达。 NH2NH2NH2NH2细胞1免疫球蛋白样结构域i11[型纤连蛋白结构域细胞2 图10-16神经细胞黏附分子的结构A.4种神经细胞黏附分子免疫球蛋白结构域，每个结构域在环末端形成二硫键；B同亲型黏着(4)一些lg-SF成员参与血小板和内皮的识别与黏附。PE-CAM主要表达千血小板和内皮细胞，既可以同亲型黏着方式又可以异亲型黏着方式与其他黏附分子结合，在血管内皮细胞的紧密黏附中起主要作用。


医学细胞生物学 250第三篇细胞的社会性2. lg-SF黏附分子与医学四、整联蛋白家族 整联蛋白(integrin)是一类普遍存在千脊椎动物细胞表面，依赖于Ca2＋或M忙的异亲型细胞黏附分子，介导细胞与细胞外基质之间以及细胞和细胞之间的相互识别和黏附，具有联系细胞外部作用因素与细胞内部结构（细胞骨架）的功能。经典实验：整联蛋白的发现研究背景细胞与细胞外基质黏附作用的分子基础一直受到细胞生物学家的关庄。20世纪70年代末到80年代初，包括R.0. Hynes实验室在内的一些研究工作发现，在细胞骨架的应力纤维(stress fiber)与细胞外基质中的纤连蛋白之间存在一种物理性的连接，并发现有多个细胞骨架蛋白（包括纽蛋白和踝蛋白）参与其中，但是连接细胞与细胞外基质的关键性穿膜蛋白尚不清楚。


医学细胞生物学 250第三篇细胞的社会性2. lg-SF黏附分子与医学四、整联蛋白家族 A. F. Horwitz和C. Buck等人利用自制的抗体筛选出参与细胞和细胞外基质黏附的候选穿膜蛋白一140kD大小的穿膜糖蛋白复合体。免疫荧光和免疫电镜栓剧发现这些糖蛋白定位于细胞与细胞外基质的黏附部位。另有研究表明140kD糖蛋白复合体与纤连蛋白结合，参与细胞黏附。这些结果提示，这个140kD的糖蛋白复合体很可能是介导细胞与细胞外基质黏附的关键性穿膜蛋白。但该糖蛋白复合体的编码基因及其蛋白结构特征均不清楚。Hyn es实验室人员利用抗体杂交技术，筛选到了这种糖蛋白复合体的编码基因，并对其进行了进一步的鉴定。 第十章细胞连接与细胞黏附251 接着，他们对该段cDNA进行测序，并由此推断其编码的氨基酸序列，发现该段cDNA编码了一个由803个氨基酸组成的蛋白质。此蛋白包含一个位于氨基端的信号序列，以及一个位于狻基端的由23个疏水氨基酸构成的跨膜a－螺旋。对氨基酸序列的进一步分析显示，该蛋白可能存在一个短的胞内结构域和一个长的含有多个糖基化位点的胞外结构域，这些都符合推测的穿膜糖蛋白的结构。


医学细胞生物学 第十章细胞连接与细胞黏附251 发表论文Tamkun JW., DeSimon e DW, Fonda D, et al. Stmcture of inte护·in, a glycoprotein involved in the lransmembrane linkage hehveen fibroneclin and actin. Cell,1986,46:271-282. 2整联蛋白的功能 (l)整联蛋白介导细胞与细胞外基质间的连接或相互作用：整联蛋白介导细胞与细胞外基质的铀定连10nm接。由bl亚基组成的整联蛋白为细胞外基质蛋白的图10-17整联蛋白的结构受体，其胞外区具有与大多数细胞外基质蛋白，如蛋白聚糖、纤连蛋白、层粘连蛋白等含有RGD三肤序列结合的位点，因此可以使细胞黏着于细胞外基质上。一般来说，整联蛋白与其配体结合的亲和性不很高，而在细胞表面的数量较多，这种低亲和性有利于细胞调节其与细胞外基质成分结合的牢固程度与可逆性结合，细胞可通过膜上这类受体(b l亚基）与细胞外基质成分黏附、分离、再黏附、再分离，从而进行迁移。


医学细胞生物学 2整联蛋白的功能 (2)整联蛋白也介导细胞间相互作用：在一些细胞表面有与整联蛋白结合的特异性配体（如Ig超家族成员），可以介导细胞间的反应。如由b2亚基组成的整联蛋白能使白细胞在感染部位的血管内皮细胞上黏附，白细胞由此得以迁移出血管进入炎症部位。b3亚基组成的整联蛋白见千血小板和其他类型的细胞，可以介导血小板的黏附，参与凝血过程。(3)整联蛋白在信号传递中发挥重要作用：整联蛋白与其配体结合后聚集成簇，不但借以形成稳定、牢固的结合，并可启动信号转导，调节细胞的行为，如细胞的迁移、增殖、分化、存活和凋亡等基本生命活动。整联蛋白参与的信号传递方向有”由内向外”(insid e out)及“由外向内”(outside in)两种形式（图10-18)。


医学细胞生物学 细胞外基质成分（整联蛋白的配体）贮信号分子气4'气卢活勹，广三飞白信号分子受体胞外信号内传胞内细胞外传整联蛋白与细胞外整联蛋白在细基质分离胞膜上分散开黏着斑组装黏着斑去组装（整联蛋白簇集）第十章细胞连接与细胞黏附253 研究发现整联蛋白往往以无活性的形式存在千细胞表面，当细胞内事件启动胞内信号传递后，激活整联蛋白，使其胞内结构域发生构型改变，继而诱导胞外结构域发生构型变化，从而增强整联蛋白与其他胞外配体的结合能力，最后介导细胞黏着。这种由细胞内信号的启动，通过改变细胞本身的功能状态，将胞内信号由整联蛋白胞内区传递到细胞外，促进整联蛋白与配体结合的方式称为”由内向外＂的信号转导。一些蛋白，如肌动蛋白结合蛋白和黏着斑激酶(focal adhesion kinase, FAK)等胞内蛋白，能直接与整联蛋白胞内区结合，通过磷酸化或去磷酸化作用调节整联蛋白的活性，影响其功能。”由内向外”的信号转导主要控制细胞黏附力，对千血小板和白细胞介导的黏附反应是非常重要的。


医学细胞生物学 细胞外基质成分（整联蛋白的配体）贮信号分子气4'气卢活勹，广三飞白信号分子受体胞外信号内传胞内细胞外传整联蛋白与细胞外整联蛋白在细基质分离胞膜上分散开黏着斑组装黏着斑去组装（整联蛋白簇集）第十章细胞连接与细胞黏附253 整联蛋白还可作为受体介导信号从细胞外环境向细胞内的转导，这种方式称为”由外向内＂的信号转导。例如，细胞在体外培养时，大多数正常细胞必需贴附在细胞外基质上才能生长，如果细胞不能贴附在细胞外基质上就会停止分裂直至死亡，这种现象叫做铀定依赖性生长。其原因是因为它们的整联蛋白不能与细胞外基质配体相互作用，致使无法向细胞内传递存活信号。现在知道，这种整联蛋白介导的”由外向内”的信号转导通路依赖细胞内酪氨酸激酶一FAK。整联蛋A白与配体结合可使整联蛋白发生簇集，导致FAK自主磷酸化而与Src激酶结合，FAK/Src复合体使多个下游分子磷酸化，血小板活化FAK-MAPK和FAK-PI3K等通路，直血小板凝集接或间接传递信号，调控细胞增殖、黏附整联蛋白纤维蛋白原与｛申展、迁移等多种细胞功能。3整联蛋白与医学血小板凝聚与血小板黏着血栓形成：整联蛋白胞外区可以通过自身结构域识别含有RGD的三肤序列的配体，体外实验证实，含有RGD序列的入工合成肤可以竞争性阻断细胞与纤连蛋白的结合，使培养的细胞不能贴壁生长。据估计大约半数的整联蛋白含有结合RGD的结合成的构域。RGD序列的发现开辟了以受体－配RGD短肤体相互作用为基础的新的治疗疾病的手段。血栓的形成是造成心脏病发作的病因之一。血凝块的形成始千血小板的凝聚，由血小板特异的整联蛋白a IIb因与血浆中含有RGD序列的纤维蛋白原结合，图10-19血小板整联蛋白与纤维蛋白原结合介导血小板相介导了血小板的凝聚（图10-19)。动物实互黏附验表明，含有RGD序列的入工合成肤可以A血小板整联蛋白活化后与纤维蛋白原结合形成血凝块；B用合成的RGD短肤抑制血小板凝聚竞争性地阻止血小板整联蛋白与血浆中纤维蛋白原结合，从而预防血凝块的形成。这一发现使人们设计出一种新的非肤类抗凝血药物（如Aggrastat)，它们类似千RGD结构，但只与血小板整联蛋白结合。此外，一种直接抗整联蛋白的特异性抗体（称为ReoPro)，能阻止接受血管外科手术患者的血凝块形成。整联蛋白有望成为疾病治疗的靶点。目前已有三个以整联蛋白a IIb阳为靶点的治疗不稳定心绞痛的药物已经进入市场。


医学细胞生物学 细胞外基质成分（整联蛋白的配体）贮信号分子气4'气卢活勹，广三飞白信号分子受体胞外信号内传胞内细胞外传整联蛋白与细胞外整联蛋白在细基质分离胞膜上分散开黏着斑组装黏着斑去组装（整联蛋白簇集）第十章细胞连接与细胞黏附253


医学细胞生物学 （王向东）第十一章细胞微环境及其与细胞的相互作用 在人体或哺乳动物组织中，细胞的存在和活动都与其所处的周围环境有关，这种环境被称为细胞的微环境(cell microenviroment)。包括细胞外基质在内的细胞微环境与细胞一起，共同组成机体的组织。1978年，R. Schofield提出了“微环境”(microenvironment或niche)假说，用来描述支持干细胞生长的生理性微环境。随着研究的深化，细胞微环境的概念也得到拓展和完善。可以认为，细胞微环境是由相邻细胞和非细胞成分共同构成的局部“区室”，它参与其细胞所在组织结构有序性和稳定性的维持，也参与其细胞本身功能活动的调控。细胞微环境总是处于一种动态的平衡状态，谓之微环境稳态(microenviromental homeostasis)。细胞微环境的稳态是保持细胞正常生命活动（如增殖、分化）的基础。微环境成分的异常变化，与许多病理过程有关，如肿瘤的发生发展、组织器官的纤维化以及组织创伤修复等。因此，在医学上细胞微环境与细胞同样具有重要意义。近年来，对于细胞微环境的研究备受关注，已经成为细胞生物学及医学领域的研究热点和前沿。


医学细胞生物学 第一节细胞微环境的组成 在哺乳动物和人体组织中，任何一个细胞都不是孤立存在的，细胞与细胞微环境相互作用并发挥功能。细胞微环境主要由不同类型的细胞成分、细胞外基质、细胞外调节分子和液体物质组成。细胞微环境中的各种成分不仅对细胞起支持、保护、连结和营养作用，而且与细胞的增殖、分化、黏着与迁移、代谢等基本生命活动密切相关。细胞与这些相邻结构和成分之间的信息沟通失衡，在疾病发生过程中起重要作用。


医学细胞生物学 —、微环境的细胞成分 细胞生存的微环境中的细胞成分在不同类型的细胞中有所不同。在干细胞微环境中主要是干细胞龛(stem cell niche)（支持细胞，support cells)（详见第十七章）。有些组织中的未分化前体细胞（如干细胞），其相邻的微小血管也是细胞微环境的主要组分之一。在肿瘤细胞微环境中存在大谥的间质细胞(mesenchymal cell)，包括炎性细胞、内皮细胞、脂肪细胞、肿瘤相关成纤维细胞等。间质细胞与肿瘤细胞相互作用，在促进肿瘤细胞生长、转移的同时，也为肿瘤细胞逃避机体免疫系统的攻击提供了必要的条件。部分间质细胞的功能出现异常后可以促进肿瘤的转移和定植，部分可起到抗原呈递作用，该过程需要间质细胞分泌的多种细胞因子参与。 二、细胞外基质 细胞外基质(extracellular matrix, ECM)是细胞微环境的核心组分，也是目前研究较清楚的细胞微环境成分。细胞外基质由细胞合成并分泌到细胞外空间，是一个由许多大分子，主要是一些蛋白和多糖或蛋白聚糖构成的精密有序的三维网状结构。ECM的存在形式有二类：一是存在千细胞之间称之释放，作用于内皮细胞或微环境中的其他细胞。


医学细胞生物学 二、细胞外基质 邮，1"．回为间质性基质二是存在于内皮细胞和上皮细胞的基底部，称基膜或基底膜（动画11-1“细胞外基；嘎三：三三三产三三三勹：三艺三三勹代谢、识别、黏着、迁移等基本生命活动密切相关。首先，ECM中的生物大分子所构成的三维网状结构，为细胞和组织提供结构支持。其次，ECM还可以通过黏附受体进行信号传导，并可以结合、储存、释放生长因子和其他生物活性分子。例如，在血管组织，ECM不仅仅作为结构物质支持血管的形成，也是血管生成促进因子和抑制因子的储存场所。ECM中的生物活性分子在蛋白酶的作用下激活或细胞外基质的结构和功能异常，与许多病理过程有关，如组织器官纤维化、肿瘤恶变浸润以及组细胞微环境中的因子，除了有生物化学的多样性和特异性之外，还具有生物物理学的多样性，包细胞外基质是目前了解较清楚的细胞微环境的重要组成成分。构成细胞外基质的大分子种类繁多，大致可分为三类心糖胺聚糖与蛋白聚糖；＠胶原和弹性蛋白＠非胶原糖蛋白纤连蛋白和层粘；：，、一织创伤修复等。


医学细胞生物学 三、细胞外调节因子 信号分子和细胞因子是细胞微环境中重要的细胞外调节分子。信号分子是指生物体内的某些化学分子与相应的细胞受体相结合，在细胞间和细胞内传递信息，如激素、神经递质、生长因子等。根据信号分子的溶解性可分为亲水性和亲脂性两类。细胞因子是一类特殊的信号分子，是由免疫细胞（如单核、巨噬细胞、T细胞、B细胞、NK细胞等）和某些非免疫细胞（内皮细胞、表皮细胞、成纤维细胞等）分泌的一类具有广泛生物学活性的小分子蛋白质，它们通过与相应的受体结合而发挥对细胞行为（如免疫反应、血管生成、损伤修复等）的调节作用。在肿瘤微环境中，细胞因子与其相应配体特异性结合后可导致肿瘤的发生、发展及转移。括分子结构的力学特性，微环境剪切流(sh ear flow)等。 第二节细胞外基质的主要组成成分连蛋白（图11-1)。纤连蛋白层粘连蛋白L/广蛋白聚糖第十一章细胞微环境及其与细胞的相互作用257 细胞外基质从结构表现形式上看，主要由凝胶样基质和纤维网架构成。糖胺聚糖与蛋白聚糖构成凝胶样基质，纤维网架由起结构作用的胶原和弹性蛋白，以及起黏着作用的纤连蛋白和层粘连蛋白构成。


医学细胞生物学 第二节细胞外基质的主要组成成分连蛋白（图11-1)。纤连蛋白层粘连蛋白L/广蛋白聚糖第十一章细胞微环境及其与细胞的相互作用257 在动物组织中，细胞外基质的含量因组织种类不同而异，上皮组织、肌组织及脑与脊髓中的细胞外基质含批较少，而结缔组织中细胞外基质含量最大。细胞外基质的组分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的特殊功能需要相适应。例如，角膜的细胞外基质为透明柔软的片层，肌腿则坚韧如绳索。细胞外基质不仅静态地发挥支持、连接、保水、保护等物理作用，而且动态地对细胞行为产生全方位的影响。


医学细胞生物学 一、糖胺聚糖与蛋白聚糖 糖胺聚糖(glycosaminoglycan,GAG)与蛋白聚糖(proteoglycan, PG)是一些高分子址的含糖化合物，它们构成细胞外高度亲水性的凝胶，赋予组织具有良好的弹性和抗压性。（一）糖胺聚糖是由重复的二糖单位构成的直链多糖糖胺聚糖是由重复的二糖单位构成的直链多糖，过去称为黏多糖(mucopolysaccharide)。其二糖单位之一是氨基已糖(N－乙酰氨基葡萄糖或N－乙酰氨基半乳糖），故又称氨基聚糖；二糖单位中另一个糖残基多为糖醒酸（葡萄糖醋酸或艾杜糖醒酸）。因糖残基上通常带有硫酸基团或狻基，因此糖胺聚糖带有大量负电荷（图11-2)。


医学细胞生物学 重复二糖 艾杜糖醋酸k°N－乙酰半乳糖胺－4－硫酸图11-2硫酸皮肤素GAG链的二糖重复序列根据糖残基的性质、连接方式、硫酸化数量和存在的部位，糖胺聚糖可分为六种：心透明质酸(hyaluromc acid,HA)；＠硫酸软骨素(chon如｀oiti n sulfate,CS)；＠硫酸皮肤素(dermatan sulfate, DS)；＠硫酸乙酰肝素(hepru-an sulfate, HS)；＠肝素(hepru·in)；＠硫酸角质素(keratan sulfate, KS)。其结构、特性及分布见表11-1。


医学细胞生物学 糖胺聚糖重复二糖单位组织分布 透明质酸D－葡萄糖酸酸，N－乙酰氨基葡萄糖结缔组织、皮肤、软骨、滑液、玻璃体硫酸软骨素D－葡萄糖酸酸，N－乙酰氨基半乳糖软骨、角膜、骨、皮肤、动脉硫酸皮肤素L－葡萄糖酸酸或艾杜糖醋酸．，N－乙酰氨基半乳糖皮肤、血管、心瓣膜、韧带硫酸乙酰肝素D－葡萄糖醋酸或艾杜糖醋酸.,N－乙酰氨基葡萄糖肺、动脉、细胞表面肝索D－葡萄糖酸酸或艾杜糖醋酸．，N－乙酰氨基葡萄糖肺、肝、皮肤、肥大细胞硫酸角质素D－半乳糖，N－乙酰氨基葡萄糖软骨、角膜、椎间盘注：·艾杜糖醋酸是由差向异构酶催化糖链中的D－葡萄糖酘酸进行差向异构化而生成的透明质酸(HA)是糖胺聚糖中结构最简单的一种，整个分子全部由葡萄糖醋酸和N－乙酰氨基葡萄糖二糖单位重复排列构成，不发生硫酸化。二糖单位有5000~25000个不等。由千透明质酸分子表面糖酸酸的狻基带有大屈的负电荷，其相斥作用使整个分子伸展膨胀占据很大的空间；其表面的大批亲水基团，可结合大拢水分子，使基质等渗性水肿，因而即使浓度很低，也能形成黏稠的胶体。如果没有约束，一个透明质酸分子可以占据1000倍于其自身分子的空间。当处千有限空间时可产生膨胀压，赋予组织具有良好的弹性和抗压性C透明质酸是一种重要的糖胺聚糖，在胚胎发育早期和组织创伤修复时，细胞大品分泌透明质酸，促进细胞迁移和增殖。任务完成后，可被透明质酸酶(hyaluronidase)降解。（二）蛋臼聚糖是由糖胺聚糖和核心蛋白共价结合形成的高分子量复合物1.蛋白聚糖的分子结构蛋白聚糖是由糖胺聚糖（除透明质酸外）与核心蛋白(core protein)共价结合形成的高分子温复合物，是一种含糖量极高的糖蛋白（含糖量可达分子总重址的90%~95%）。核心蛋白为单链多肤，一条核心蛋白分子上可以连接1~100条以上相同或者不同的糖胺聚糖（糖链较短，一般在300个糖基以下），形成蛋白聚糖单体。若干个蛋白聚糖单体通过连接蛋白(link er protein)以非共价键与透明质酸结合形成蛋白聚糖多聚体。


医学细胞生物学 糖胺聚糖重复二糖单位组织分布 软骨中的蛋白聚糖复合体是巳知的最巨大分子之一，它的糖胺聚糖为硫酸软骨素和硫酸角质素，每个复合体相对分子量高达数百万，长达几个微米。这些蛋白聚糖赋予软骨凝胶样特性和抗变形能力（图11-3)。 lµm蛋白聚糖聚合体 图11-3细胞外基质中的蛋臼聚糖A细胞外基质中蛋白聚糖多聚体；B软骨中的蛋白聚糖电镜照片2蛋白聚糖的合成与装配蛋白聚糖的核心蛋白肤链在糙面内质网核糖体上合成，多糖侧链装配到核心蛋白上是在高尔基复合体中进行的。在装配时，首先是一个专一的连接四糖：木糖－半乳糖半乳糖－葡萄糖醋酸(Xyl-Gal-Gal-GlcUA)与核心蛋白的丝氨酸残基共价结合，在丝氨酸所处的肤链部位具有专一的构象，可被识别。然后在糖基转移酶(glycosyltransferases)的作用下，一个个糖基依次添加上去，形成了糖胺聚糖糖链（图11-4)。蛋白聚糖的一个显著特点是其多态性，可以含有不同氨基酸序列的核心蛋白，以及长度和成分不同的多糖链。每种蛋白聚糖都有其特有的结构，其功能由各自的核心蛋白和糖胺聚糖所决定（表112)。


医学细胞生物学 酸氨丝连接四糖GAG 专一的连接匹糖首先与核心蛋白的丝氨酸共价连接，GAG链的其余部分主要由重复的二糖单位组成蛋白聚糖并不都是细胞外基质成分，有的也是质膜的整合成分，如成纤维细胞和上皮细胞表面的黏结蛋白聚糖(syndecan)，其核心蛋白以穿膜糖蛋白的方式嵌入质膜的脂双分子层中，胞外区连有硫酸软骨素和硫酸类肝素GAG糖链，可以与细胞外基质的胶原、纤连蛋白以及信号分子结合，胞内区肤段可与膜下细胞骨架及细胞皮层内的信号蛋白分子相互作用，既可介导细胞与细胞外基质结合，又可使细胞内外信息相通（图11-5)。（三）糖胺聚糖与蛋白聚糖的功能糖胺聚糖和蛋白聚糖普遍存在于动物体内各种组织中，在结缔组织中含量最高。其功能主要有以下几个方面：1.使组织具有弹性和抗压性糖胺聚糖和蛋白聚糖构成了细胞外高度水合的凝胶状基质，使组织具有渗透压和膨胀压，有抗张、反弹、抗机械压力的缓冲作用。在维待组织的形态，防止机械损伤中起重要作用。软骨中的蛋白聚糖巨大复合体，赋予软骨具有良好的弹性和抗压性。


医学细胞生物学 第三篇细胞的社会性硫酸乙酰肝索\细胞外基质结合区细胞外细胞质 图11-5黏结蛋臼娶糖－4的结构示意图各种黏结蛋白聚糖的细胞外区不同，但穿膜区和细胞内区均相同。细胞内区除和肌动蛋白丝相连外，尚可结合调节分子，在信号转导过程中发挥作用2.对物质转运有选择渗透性由于糖基的高度亲水性和负电性，使糖链挺直交错，构成高度水化孔胶样物，孔的大小和电荷密度可调节对分子及细胞的通透性，具有分子筛的作用。水、离子和各种营养性小分子、代谢物、激素、维生素和细胞因子等可选择性渗透。肾小球基膜中的硫酸软骨素蛋白聚糖对于原尿的生成即具有筛滤作用。3角膜中蛋白聚糖具有透光性角膜中主要含硫酸软骨素和硫酸角质素，由于高度硫酸化，使基质脱水变得致密，阻止血管的形成，使角膜柔软并具有透光性，同时角质化具有保护作用。4糖胺聚糖有抗凝血作用肝素蛋白聚糖可与某些凝血因子结合而具有抗凝血作用，肝素蛋白聚糖常以单体形式存在，由靠近血管的肥大细胞分泌产生，并贮存千肥大细胞的颗粒中，当受到刺激时释放入血液，与抗凝血酶相结合，抑制凝血因子的作用，具有抗凝血功能。


医学细胞生物学 第三篇细胞的社会性硫酸乙酰肝索\细胞外基质结合区细胞外细胞质 5细胞表面的蛋白聚糖有传递信息作用在成纤维细胞和表皮细胞质膜内的黏结蛋白聚糖(syndecan-1)其胞外区硫酸乙酰肝素蛋白聚糖可与多种细胞外基质蛋白、生长因子等信号分子结合，将细胞外信号传递到细胞内引起细胞内生物学效应。6.糖胺聚糖和蛋白聚糖与组织老化有关糖胺聚糖和蛋白聚糖的种类和数楹随年龄而变动，与发育过程中组织的功能相适应。如在胚胎发育早期，透明质酸生成特别旺盛，它促进细胞增殖、迁移，并起阻止细胞分化作用。透明质酸和硫酸软骨素具有很好的保水性，3个月胎儿的皮肤中，透明质酸和硫酸软骨素的含批是成人的20倍，随着年龄的增长，含垃逐渐减少，它们的一部分逐渐被硫酸皮肤素取代。关节软骨中的蛋白聚糖随年龄增长而减少，同时硫酸软骨索逐渐被硫酸角质素取代。随着个体的老化，蛋白聚糖中糖链比重下降，导致组织的保水性及弹性减弱，糖胺聚糖和蛋白聚糖变化与老化过程有关。糖胺聚糖的众多阴离子可结合Ca2+，在组织的钙化，尤其是骨盐的沉积中起重要作用。


医学细胞生物学 （四）糖胺聚糖和蛋白聚糖与疾病 糖胺聚糖和蛋白聚糖的合成与代谢异常与许多疾病有关。蛋白聚糖的降解可在一系列细胞外酶或溶酶体中细胞内酶的催化下进行。由于基因突变引起先天性缺乏降解糖胺聚糖的酶（如糖昔酶或硫酸酷酶）可导致糖胺聚糖或蛋白聚糖及其降解中间产物在体内一定部位堆积，造成黏多糖累积病(mucopolysaccharidoses)，如Hun ler综合征。 第十一章细胞微环境及其与细胞的相互作用261 动脉粥样硬化患者血管内皮细胞表面硫酸乙酰肝素和硫酸软骨素含蜇下降，硫酸皮肤素蛋白聚糖含量升高，使其易与低密度脂蛋白结合，导致脂类沉积。糖胺聚糖的变化和蛋白聚糖分子的异常表达对肿瘤的发生、发展及转移有着重要意义。在一些肿瘤组织中，如间质瘤、乳腺癌、神经胶质瘤细胞合成分泌透明质酸和硫酸软骨素增多，透明质酸形成的含水凝胶有利千细胞的增殖和迁移，并抑制细胞分化；硫酸软骨素可促进乳腺癌、艾氏腹水癌的生长。在人肝癌、小鼠骨髓瘤、自发性乳腺癌中，均有硫酸乙酰肝素硫酸化程度降低现象，为肿瘤细胞的增殖、脱落、侵袭、转移提供了条件。


医学细胞生物学 二、胶原与弹性蛋白(—)胶原是细胞外基质中的骨架结构 胶原(collagen)是动物体内高度特化的纤维蛋白家族，是人体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的25％以上。它遍布千体内各种器官和组织，在结缔组织中特别丰富，是细胞外基质的框架结构。胶原可由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞以及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。1.胶原的分子结构典型的胶原分子呈纤维状，是由3条a多肤链盘绕而成的3股螺旋结构，长300nm，直径1.5nm，称为原胶原(tropocollagen)。每条a肤链的氨基酸组成和排列独特，含有丰富的甘氨酸(Gly)和脯氨酸(Pro)，其中甘氨酸含量占1/3，脯氨酸及胫脯氨酸(Hypro)约占1/4。a肤链中的氨基酸组成规律的Gly-X-Y三肤重复顺序(X和Y可以是任何一种氨基酸），但X常为Pro,Y常为Hypro或胫赖氨酸(Hylys)。由于三肤重复顺序中甘氨酸的分子量最小，使肤链卷曲成规律的a－螺旋结构，而肤链的轻基化和糖基化使肤链互相交联，形成稳定的3a－螺旋结构。


医学细胞生物学 二、胶原与弹性蛋白(—)胶原是细胞外基质中的骨架结构 2.胶原的类型a链是原胶原的基本亚单位，目前已发现人基因组中有42个编码a链的基因，每种a链由一种基因编码，各种基因产物以不同的方式组合成不同类型的胶原。每型胶原由3条相同或不同的Q链构成，例如I型胶原是异源三聚体，由2条a1(I)和1条a2(I)构成；而1I型胶和皿型原是同源三聚体，分别由3条0'.1(JI)和3条0'.1(ill)链组成。理论上42种Q链可以组合成数千种类型的胶原分子，但目前发现的胶原类型只有27种。其基因突变往往导致3股螺旋形成障碍。胶原在体内分布有一定的组织特异性，几种常见的胶原及其组织分布见表11-3。注．分子式一栏中罗马数字代表胶原类型，a1,a2,m分别代表肤链类型，中括号外的数字代表肤链数目3胶原的合成装配与降解与大多数分泌蛋白的合成、修饰类似，胶原的合成与组装始于内质网，在高尔基复合体中进行修饰最后在细胞外组装成胶原纤维。 262第三篇细胞的社会性前u链I比N心～千～更~COOH胶原纤维严－母－l0~300原胶原分子 1nm


医学细胞生物学 262第三篇细胞的社会性前u链I比N心～千～更~COOH胶原纤维严－母－l0~300原胶原分子 ___前胶原横纹(67nm)胶原原纤维图11-6胶原纤维形成过程中在细胞内和细胞外的变化示意图1合成前Cl.－链；2脯氨酸和赖氨酸进行胫基化；3胫赖氨酸糖基化；4三条前a－链的自我组装；5前胶原三股螺旋的形成；6分泌；7切除前肤；8组装成原纤维；9胶原原纤维聚集成胶原W型胶原与I、lI、皿型胶原不同，在Q链中不含规则的三肤重复顺序(Gly-X-Y)，因此不形成g螺旋结构；分泌到细胞外基质的前胶原分子的前肤不被切除；在装配成高级结构时，二个前胶原分子的狻基端头对头相接形成二聚体，几个二聚体再相互交联成网络，构成基膜的骨架结构。N型胶原与层粘连蛋白、硫酸乙酰肝素蛋白聚糖等组装成基膜。


医学细胞生物学 第十—章细胞微环境及其与细胞的相互作用263 (3)胶原的降解：一般情况下胶原更新转换率较慢，如骨胶原分子的半衰期可达10年。但在创伤修复或炎症反应初期，胶原转换率加快，并伴有胶原类型的转变。胶原分子可被胶原酶((,ullagenase)降解，胶原酶的活化与抑制对千调节胶原的转换率具有重要作用。创伤组织、癌变组织中胶原酶活性显著增高；一些酶类如蛋白酶、纤溶酶等可以活化胶原酶；结缔组织可以合成胶原酶抑制剂；激素可调节胶原酶的合成和降解，如糖皮质激素可以诱导胶原酶的合成，雌二醇和孕酮抑制子宫胶原的降解。


医学细胞生物学 4.胶原的功能 (1)胶原在不同组织中行使不同的功能：哺乳动物皮肤中的胶原编织成网，分布千皮下结缔组织中，具有抗衡来自不同方向的张力的作用。肌胞起着连接肌肉和骨的作用，在肌腮中的胶原纤维沿着肌腮的长轴平行排列，与承受拉力的方向一致，使肌腿具有很强的韧性，能够承受巨大的拉力。在骨、角膜和横脯肌腿中，胶原纤维形成胶合板样多片层结构，角膜形成有序的胶合板样多片层结构使角膜既透明又具有一定强度。皿型胶原形成微细的纤维网包绕在腺泡、骨骼肌和平滑肌细胞周围。N型胶原以三维网络形式构成各种上皮细胞基膜的网架结构。胶原通过与细胞外基质中各种成分结合，将细胞外基质组织起来，与细胞表面受体结合，连成组织和器官。(2)胶原与细胞的增殖和分化有关：胶原有刺激上皮细胞增殖的作用，人体内的细胞绝大多数属于贴附依赖性细胞，即只有在一定的细胞外基质上贴附铺展，才能使细胞增殖周期运行。胶原是细胞贴附的重要基质成分。胶原还起着诱导细胞分化的作用。如干细胞有多向分化潜能，在W型胶原和层粘连蛋白上分化为呈片层极性排列的上皮细胞；在I型胶原和纤连蛋白上分化为结缔组织的成纤维细胞；在II型胶原及软骨粘连蛋白上则分化为软骨细胞。


医学细胞生物学 4.胶原的功能 (3)哺乳动物在发育的不同阶段表达不同类型的胶原：在胎儿皮肤中含有大量的皿型胶原，随着发育的进程，旧型胶原逐渐被I型胶原取代。正常人皮肤中以1型胶原为主。皮肤在损伤后的修复阶段，皿型胶原含量显著增高。成熟的组织胶原较稳定，半衰期很长，如骨板中胶原分子的半衰期可长达10年。在创伤修复或炎症反应初期，胶原表达呈现胚胎期特点，胶原分子间缺乏交联，随着年龄增长，分子交联增多，胶原纤维结构逐渐变得紧密，从而导致皮肤、血管及组织变得僵硬，是衰老的重要特征。5.胶原与疾病胶原与多种疾病或病理过程有关。由于胶原的含量、结构、类型或代谢异常而导致的疾病称为胶原病(collagen disease)。如胶原表达过度或分布和比例异常，可造成肝、肺、皮肤病理性纤维化。恶性肿瘤细胞的侵润及转移，与他们能够分泌产生针对W胶原的专一性水解酶密切相关；基因突变引起胶原分子结构改变，导致遗传性胶原病等。


医学细胞生物学 4.胶原的功能 (1)维生素C缺乏导致维生素C缺乏症：在胶原合成过程中，前a链的轻基化是肤链间互相交联形成稳定的3a－螺旋结构的必需条件，该过程需脯氨酰3轻化酶和脯氨酰4胫化酶的催化，二者均以维生素C为辅助因子。当人体内维生素C缺乏时，可导致胶原前a链的胫基化反应不能充分进行，不能形成稳定的3股螺旋结构，随即在细胞内被降解；而原先存在于基质及血管中的正常胶原逐渐丧失，结果导致组织中胶原的缺乏，引起血管、肌腿、皮肤等脆性增加，皮下牙跟易出血及牙齿松动等症状，称为维生素C缺乏症。


医学细胞生物学 4.胶原的功能 (2)遗传性胶原病：胶原在体内分布广泛，基因突变引起胶原分子的表达或胶原装配异常将导致遗传性胶原病。如，成骨发育不全(Osteogenesis i mpe1fecta)综合征，由于编码I型胶原m(I)或气(I)的基因突变，使I型胶原合成障碍，导致骨骼发育不良，畸形，四肢短小，骨质疏松易骨折，重者早年天折；II型胶原基因突变可引起软骨异常，导致关节畸形、身材矮小；爱－唐综合征(Ehlers-Danlos syndrome)是一种胶原基因突变引起的遗传性疾病，由于缺乏一种切除前肤的酶，导致前胶原不能正常组装为高度有序的纤维，造成骨骼和肌腿缺乏刚性，关节活动过度，皮肤、肌胞、血管变脆症状。


医学细胞生物学 4.胶原的功能 (3)免疫性胶原病：胶原可引起免疫性疾病。天然或变性的胶原分子，均可引起免疫反应。正常情况下，人体对自身胶原结构组织具有免疫耐受性，如果机体丧失对自身胶原结构的免疫耐受，即可产生自身免疫性胶原组织损伤，导致类风湿性关节炎及慢性肾炎等。免疫复合物在胶原组织中沉积，可引起炎症反应。（二）弹性蛋白是构成细胞外基质中弹性纤维网络的主要成分入体一些器官组织在执行生理功能过程中，既需要强度也需要弹性，在受到外力牵拉后可迅速恢复原状，如皮肤、血管和肺组织等，由弹性蛋白形成的弹性纤维网络就赋予组织这种特性。弹性蛋白(elas tin)是弹性纤维的主要成分，是高度疏水的非糖基化纤维蛋白，约含750个氨基酸残基。它弹性纤维的氨基酸组成像胶原一样富含甘氨酸和脯氨酸，但很少胫化，不含轻赖氨酸，无糖基化修饰。由千肤链中不含胶原特有的三肤(Gly-X-Y)重复序列，故不形成规则的三股螺旋，而呈无规则的卷曲。弹性蛋白的肤链是由两种类型短肤交替排列构成，一种是疏水性短肤，赋予分子以弹性；另一种短肤为富含丙氨酸和赖氨酸残基的釭单个弹性蛋白分子螺旋短肤，负责在相邻分子间形成交联。每种短肤各由．勿一个外显子编码。


医学细胞生物学 4.胶原的功能 弹性蛋白在细胞中合成后，随即以可溶性前体——..原弹性蛋白(tropoelasti n)的形式分泌到细胞外，通过赖图11-7弹性蛋白网络的伸展和回缩氨酸残基之间相互交联装配成弹性纤维网。由于弹性蛋白的无规则卷曲及高度交联，使弹性纤维网可以像橡皮条一样的伸长与回缩（图11-7)，其伸展能力比同样截面的橡皮条至少高5倍。弹性纤维与胶原纤维相互交织，分别赋予组织弹性和抗张性。弹性蛋白的降解主要由弹性蛋白酶(elastase)催化。弹性纤维(elastic fiber)并非单纯由弹性蛋白构成，在弹性蛋白的表面还包绕着一层由糖蛋白构成的微原纤维(microfibril)。微原纤维直径约为10nm，是由一些不同的糖蛋白构成，其中一种较大的糖蛋白是原纤维蛋白(fibrillin)，是保持弹性纤维完整性必需的成分。它的基因发生突变可导致一种称为马方综合征(Marfan syndrome)的遗传性疾病。病变累及富含弹性纤维的组织，患者可出现骨骼及关节畸形，身材异常瘦长，严重者容易发生主动脉破裂。


医学细胞生物学 4.胶原的功能 弹性蛋白是动脉中含量最高的细胞外基质蛋白质，可占主动脉干重的50%。弹性蛋白基因的突变可导致动脉壁平滑肌细胞过度增殖而引起动脉狭窄。弹性蛋白与无弹性的胶原互相交织，可维待皮肤的韧性，并可防止组织和皮肤过度伸展和撕裂。随着年龄的增长，胶原的交联度越来越大，韧性越来越低，皮肤等组织中弹性蛋白生成减少，降解增强，结果是老年人的骨和关节灵活度下降，皮肤弹性降低起皱。 三、细胞外基质中的非胶原糖蛋白 在细胞外基质中除了胶原和弹性蛋白两类主要的纤维蛋白外，还含有另一类重要的蛋白成分一非胶原糖蛋白。目前已经在细胞外基质中发现数十种，它们都是多功能大分子，在结构上往往具有多个结构域，可与多种细胞及细胞外基质成分结合，是细胞外基质的组织者，对细胞的存活、增殖、分化、黏着、迁移等有着直接的影响。目前对其结构与功能了解最多的是纤连蛋白和层粘连蛋白两种。


医学细胞生物学 (—)纤连蛋白广泛存在于动物组织中 纤连蛋白(fibronectin,FN)是细胞外基质中发现最早的非胶原糖蛋白，广泛存在于人和动物组织中，是一类含糖的高分子量非胶原糖蛋白，含糖4.5%~9.5%，其糖含量因组织不同和分化状态不同而有差异。纤连蛋白有两种存在形式：一种是可溶性的纤连蛋白，主要存在于血浆及各种体液中，由，。1,肝实质细胞分泌产生，少部分产生于血管内皮细胞，称为血浆纤连蛋白(plasma fibronectin)；另一种是第十一章细胞微环境及其与细胞的相互作用265不溶性的纤连蛋白，主要存在于细胞外基质（包括某些基膜）及细胞表面，主要由间质细胞分泌产生，称之为细胞纤连蛋白。1纤连蛋臼的分子结构各种纤连蛋白均由相似的亚单位（分子量为220~250kD)组成。血浆纤连蛋白是由两条相似的肤链形成的二聚体(dime1)，两条肤链在C端借二硫键交联形成V字形。细胞纤连蛋白为由二聚体交联后形成的多聚体。


医学细胞生物学 (—)纤连蛋白广泛存在于动物组织中 目前在人体中已鉴定的纤连蛋白亚单位就有20种以上，它们是由同一基因编码的产物，转录后由于拼接上的不同而形成多种异型分子，具有不同的生物学功能。不同组织来源的纤连蛋白亚单位在结构上稍有区别，每条肤链约含2450个左右氨基酸残基，构成线性排列的5~6个杆状的功能区，各功能区之间的短肤连接部位可折屈，并对蛋白酶敏感（图11-8)，因此可以通过胰蛋白酶的水解作用分离这些功能区之间的短肤，来研究各功能区的功能。研究证实，分离下来的不同的杆状功能区上含有不同的大分子结合位点，可分别与不同的生物大分子或细胞表面受体结合，如可与I、II、W型胶原、肝素、凝血因子、纤维蛋白(fibrin)，以及细胞表面受体如整联蛋白等结合。 细胞硫酸乙 ,


医学细胞生物学 细胞硫酸乙 酰纤维蛋白硫酸乙酰肝素和胶原纤维蛋白结合域肝素结合域结合域纤维蛋白结合域结合域结合域研究表明，纤连蛋白肤链中的某些特殊的短肤序列，如Arg-Gly-Asp(RGD)三肤是细胞表面各种纤连蛋白受体识别并结合的最小结构单位。如果该结构区发生突变或缺失，则会导致纤连蛋白与细胞的黏附活性显著下降。一些含有RGD序列的短肤，可与纤连蛋白竞争结合细胞膜上的纤连蛋白受体，因此，这种短肤序列具有抑制细胞同纤连蛋白结合的作用。但RGD序列并不是纤连蛋白所独有的，许多细胞外基质蛋白都含有这种序列。此序列可被细胞表面受体中的整联蛋白所识别。因此，所谓的RGD序列，是指存在于纤连蛋白和某些细胞外基质蛋白肤链中的“精氨酸(R)－甘氨酸(G)－天冬氨酸(D)“三肤序列。可被细胞表面一些整联蛋白所识别，并与之结合。纤连蛋白的细胞表面受体是整联蛋白家族成员，是一种高分子量的穿膜糖蛋白，由a、B两种亚基（多肤链）组成的异源二聚体，其性质决定了细胞能结合的黏附分子的类型，介导与其他细胞表面或细胞外基质间的黏合（见第十章第二节，图10-17)。


医学细胞生物学 细胞硫酸乙 2.纤连蛋白的功能纤连蛋白与细胞的形状、黏着、迁移、增殖、分化以及创伤修复、肿瘤转移等均有密切关系。(1)介导细胞与细胞外基质间的黏着：纤连蛋白分子的多结构域以及其排列的特点，使得它可以同时与细胞外基质中多种生物大分子结合并介导细胞与细胞外基质、细胞之间的相互黏着。通过黏着斑的作用，调节细胞的形状和细胞骨架的装配，促进细胞的铺展，加速细胞的增殖与分化。 266第三篇细胞的社会性 (2)纤连蛋白与细胞的迁移：细胞的迁移依赖于细胞的黏附与去黏附以及细胞骨架的组装与去组装。在黏着斑处纤连蛋白受体通过纤连蛋白介导细胞与胞外基质黏附。细胞通过黏着斑的形成与解离，影响细胞骨架的组装与去组装，促进细胞的迁移运动。在胚胎发育早期，细胞分泌大量的纤连蛋白促进细胞迁移，例如在神经管形成时，神经唷细胞从神经管的背侧迁移到胚胎特定区域，分化成神经节、色素细胞等不同类型的细胞。如果注射纤连蛋白受体的抗体或含RGD序列的短肤，就阻断了细胞的迁移。


医学细胞生物学 266第三篇细胞的社会性 (3)纤连蛋白在组织创伤修复中的作用：血浆中的纤连蛋白能促进血液凝固和创伤面的修复。在组织创伤修复过程中，血浆纤连蛋白能与血浆纤维蛋白结合，在伤口处吸引成纤维细胞、平滑肌细胞和内皮细胞向伤口迁移，形成肉芽组织，然后形成瘢痕，同时还可以刺激上皮细胞增生，使创面修复。3.纤连蛋臼与疾病血浆纤连蛋白在促进血液凝固和创伤修复中起重要作用，由于血浆纤连蛋白主要来自肝实质细胞，少量来自血管内皮细胞，当肝坏死、严重肝炎、肝硬化、弥漫性肝癌时，血浆纤连蛋白显著降低。纤连蛋白与肾小球肾炎发生有关。在肾小球基膜中含有大量纤连蛋白，DNA、金黄色葡萄球菌、链球菌、胶原、纤维蛋白的降解产物可以直接或以免疫复合物的形式与纤连蛋白结合而沉积在肾小球基膜上，引起肾小球肾炎。血浆中纤连蛋白可与上述降解产物和免疫复合物结合，被肝Kupffer细胞和脾巨噬细胞表面受体识别而被清除，对肾脏起保护作用。


医学细胞生物学 266第三篇细胞的社会性 在创伤愈合过程中，组织局部的纤连蛋白过度表达，可导致瘢痕过度形成。由千恶性肿瘤细胞表面的纤连蛋白受体异常，细胞黏着能力下降，使细胞容易分散和转移。（二）层粘连蛋白是基膜的主要成分层粘连蛋白(Laminin, LN)是胚胎发育过程中出现最早的细胞外基质成分，同时也是基膜的主要结构组分之一。层粘连蛋白是黏合糖蛋白，含糖量可达15%-28%。在成体，它存在千上皮下和内皮下紧靠细胞基底部，还存在于肌细胞和脂肪细胞周围。在不同种属及组织中先后发现了多种层粘连蛋白异型分子，它们结构复杂，功能多样，除了构成基膜的片层网状结构外，还与细胞的分化、黏附、迁移和增殖有关。


医学细胞生物学 266第三篇细胞的社会性 1.层粘连蛋白的分子结构层粘连蛋白是一种高分子量糖蛋白，分子量为820-850kD,70nm长。层粘连蛋白是由a、B、丫三条不同的多肤链组成的异三聚体。三聚体分子由一条重链(a链）和二条轻链(B、'Y链）借二硫键交联而成，外形呈不对称十字形构型，有三条短臂和一条长臂。三条短臂各由三条肤链的N端序列构成。每一短臂上都有相间排列的两个或三个球形结构域和短杆区；层粘连蛋白十字形结构的长臂杆状区域由3条肤链的近C端序列共同构成。其中a链C端肤链序列高度卷曲形成一个较大的球状结构，此为肝素结合的部位（图11-9)。层粘连蛋白分子中存在的多个不同的结构域，可与W型胶原、硫酸乙酰肝素、肝素、脑甘脂和神经节昔脂等细胞外基质组分结合，还可通过自身的RGD三肤序列与细胞膜上的整联蛋白结合。现已证明层粘连蛋白分子中至少有8个与细胞结合的位点，可以分别与上皮细胞、内皮细胞、某些成纤维细胞、神经元、神经鞘细胞以及肿瘤细胞等结合。在层粘连蛋白分子上还发现了能与化脓性链球菌等原核细胞结合的部位。层粘连蛋白主要由附着在基膜上的上皮细胞和内皮细胞以及被基膜包绕的肌细胞等分泌产生。


医学细胞生物学 266第三篇细胞的社会性 层粘连蛋白是一个大的蛋白质家族，已鉴定出5种a链(a1-a5),4种B链((31～队）和3种丫链（丫l~'Y3)。目前发现有15种层粘连蛋白异形分子(laminin1-laminin15)，每种分子分布有组织特异性，在不同的组织类型和不同的发育阶段，有不同分子结构的层粘连蛋白表达。如lami ni n8存在于血fi~o·,1管内皮和肌细胞的基膜中，在胚胎组织中尤为丰富。


医学细胞生物学 第十—章细胞微环境及其与细胞的相互作用267结合硫酸脂／＼—丫结合W型胶原－螺旋卷曲螺旋诏。L~]j结合神经突结＾整联蛋白［口和肝素100nm（大的球状区）医11-9层粘连蛋白的分子结构A.层粘连蛋白的分子结构模式图；B电镜照片 2层粘连蛋白的功能层粘连蛋白是基膜的主要组分，在基膜的基本框架的构建和组装中起了关键作用。层粘连蛋白分子上也有被上皮细胞、内皮细胞、神经细胞、肌细胞以及多种肿瘤细胞表面层粘连蛋白受体识别与结合的RGD三肤序列，使细胞黏附固定在基膜上，促进细胞的生长并使细胞铺展而保持一定的形态。层粘连蛋白通过与细胞间的相互作用，可直接或间接控制细胞的活动，如细胞的黏附、迁移、分化、增殖或凋亡以及基因表达。层粘连蛋白在早期胚胎中对于保持细胞间的黏附、细胞的极性及细胞的分化具有重要意义。层粘连蛋白还有助于神经元在体外存活，并可在缺乏神经生长因子的情况下，促进中枢及外周神经元轴突的生长。3.层粘连蛋白与疾病层粘连蛋白在体内的合成与降解异常与许多疾病有关，如糖尿病具有广泛的基膜改变，糖尿病性肾病的肾小球基膜中层粘连蛋白的含量明显降低，血清和尿中出现层粘连蛋白和W型胶原的降解产物。


医学细胞生物学 第十—章细胞微环境及其与细胞的相互作用267结合硫酸脂／＼—丫结合W型胶原－螺旋卷曲螺旋诏。L~]j结合神经突结＾整联蛋白［口和肝素100nm（大的球状区）医11-9层粘连蛋白的分子结构A.层粘连蛋白的分子结构模式图；B电镜照片 一些疾病与层粘连蛋白的自身免疫反应有关，如由链球菌感染所致的肾小球肾炎患者血中出现抗层粘连蛋白的抗体，从而引起自身免疫反应，使肾小球基膜受损；在扩张性心肌病与心肌炎患者血清中也检测到抗层粘连蛋白的抗体。层粘连蛋白还具有促进肿瘤细胞生长和转移的作用。


医学细胞生物学 四、细胞外基质的特化结构一基膜 基膜(basal lamina或basement membrane)也称基底膜，是细胞外基质的特化结构形式，存在于多种组织之中。它是细胞外基质特化而成的一种柔软、坚韧的网膜结构，厚约40-120nm，以不同的形式存在千不同的组织结构之中。在各种上皮及内皮组织，基膜位千细胞基底部，是细胞基部的支撑垫。在肌肉、脂肪等组织，基膜包绕在细胞周围，将细胞与结缔组织隔离。在肾小球中，基膜介于两层细胞（内皮细胞和足细胞）之间，是滤过膜的主要结构。在胚胎发育过程中，基膜为细胞的分离和分化提供支架；在成年时参与细胞的增殖、分化、迁移和组织损伤修复等过程。基膜是机体抵抗肿瘤细268第三篇细胞的社会性胞转移和侵袭的第一道防线。（一）基膜的组成成分构成基膜的绝大多数细胞外基质组分是由坐落在基膜上的上皮细胞和下方的结缔组织细胞合成并分泌的。不同组织器官的基膜，甚至同一基膜的不同区域，其组成成分也有所不同。但各种基膜都含有W型胶原、层粘连蛋白、巢蛋白及渗滤素四种蛋白成分（图11-10)。


医学细胞生物学 巢蛋白三三亡蛋白N型胶原整联蛋白 1. N型胶原W型胶原是构成基膜的主要结构成分之一，是构成基膜的框架结构。W型胶原分子长400nm，被非螺旋片段隔断20多处，为W型胶原分子提供了可折屈的部位。各W型胶原分子通过C端球状头部之间的非共价键相互作用，以及N端非球状尾部之间的共价交联，形成了构成基膜基本框架的二维网络结构。2层粘连蛋白是基膜中的主要蛋白质成分，由mB、1三条肤链构成非对称型十字结构。蛋白之间通过长臂和短臂的臂端相连，自我装配成二维纤维网络结构，并进而通过巢蛋白与N型胶原二维网络相连接。细胞质膜中的整联蛋白为其受体。由千层粘连蛋白具有多个不同的功能结构域，既能与W型胶原结合，也能与细胞表面受体结合，从而将细胞与基膜紧密结合在一起。