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细胞生物学/核基质

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细胞核 - 核膜 - 染色质与染色体 - 核仁 - 核基质 - 细胞核的功能 - 细胞核与疾病
1974年初,美国R. Berezney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, 将这种网状结构命名为核基质(nuclear 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(nuclear skeleton)。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相关。

核基质的组成成分与形态结构[编辑]

电镜下观察,核基质是一个以纤维蛋白成分为主的纤维网架结构,分布在整个细胞核内。这些网架结构是由粗细不均、直径为3~30nm的纤维组成。纤维单体的直径约3~4nm, 较粗的纤维是单体纤维的聚合体。
核基质的主要成分是蛋白质,基含量达90%以上,另有少量的RNA。RNA含量虽少,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。由于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。
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40 000~60 000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(nuclear 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。

核基质的功能[编辑]

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[编辑]

1、核基质上描泊DNA复制复合体 实验表明DNA袢环与DNA复制有关的酶和因子锚定在核基质上形成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聚合酶通过结合于核基质上而被激活。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。
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,一个袢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袢环是通过其特定位点结合在核基质上的。该特定位点的核苷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。
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。

核基质参与基因转录和加工[编辑]

1、核基质与基因转录活性密切相关 D.A.Jakcosn等(1981)用3H-尿嘧啶核苷脉冲标记HeLa细胞,发现95%以上新合成的RNA存在于核基质上,说明RNA是在核基质上进行合成的。
B.Volgestin等(1983)利用雌激素刺激鸡输卯管细胞中卵清蛋白基因的表达,发现只有活跃转录的卵清蛋白基因才结合于核基质上,而不转录的β珠蛋白基因不结合。D. Bentzen等(1984)却报道了成红细胞中正在转录的β-珠蛋白基因结合于核基质上。上述实验表明,具有转录活性的基因结合在核基质上,只有与核基质结合的基因才能进行转录。
2、核基质参与RNA的加工修饰 核基质与hnRNA的加工过程也有密切的联系。hnRNA加工常以RNP复合物的形态进行,用RNaes处理RNP复合物,剩余的蛋白质能组装成核基质样的纤维网络,由此推测,核基质参与了RNA转录后的加工修饰。
E. M. Ciejek(1982)等以小鸡输卵管细胞为材料,在-20℃低温条件下(降低内源核糖核酸酶活性)分离出核基质,发现所有的卵清蛋白和卵黏蛋白mRNA的前体都仅存在于核基质中。有人则具体指出hnRNA上的poly A区可能就是hnRNA在核基质中的附着点。

核基质参与染色体构建[编辑]

染色质组装的放射环模型中,由30nm染色质细丝折叠而成的袢环铀定在核基质上,每18个袢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。

核基质与细胞分化相关[编辑]

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。