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細胞生物學/核基質

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細胞核 - 核膜 - 染色質與染色體 - 核仁 - 核基質 - 細胞核的功能 - 細胞核與疾病
1974年初,美國R. Berezney和D.S.Coffey等將分離純化的大鼠肝細胞核用非離子去垢劑、核酸酶消化與高鹽緩衝液處理,當核膜、染色質和核仁被抽提後,發現核內仍保留一個以纖維蛋白成分為主的網架結構, 將這種網狀結構命名為核基質(nuclear matrix)。因為它的基本形態與細胞質骨架相似,同時與胞質骨架體系存在一定的聯繫,所以也有人將其稱為核骨架(nuclear skeleton)。但對核骨架或核基質概念的理解,目前有兩種看法:廣義的概念是核骨架由核纖層、核孔複合體、殘存的核仁和一個不溶的網絡狀結構(即核基質)組成。狹義的概念是指核基質,它不包含核膜、核纖層、染色質和核仁等成分,但是這些網絡狀結構與核纖層及核孔複合體等有結構上的聯繫,而且在功能上與核仁、染色質結構和功能密切相關。

核基質的組成成分與形態結構[編輯]

電鏡下觀察,核基質是一個以纖維蛋白成分為主的纖維網架結構,分布在整個細胞核內。這些網架結構是由粗細不均、直徑為3~30nm的纖維組成。纖維單體的直徑約3~4nm, 較粗的纖維是單體纖維的聚合體。
核基質的主要成分是蛋白質,基含量達90%以上,另有少量的RNA。RNA含量雖少,但對於維持核基質三維網絡結構的完整性是必需的。在製備核基質過程中,用RNase消化處理,製備的核基質上的網狀顆粒結構變得稀疏,並發現核基質纖維的三維空間結構有很大的改變。因此,認為RNA在核基質纖維網絡之間可能起着某種連接作用。由於在核基質纖維上結合有一定數量的RNP顆粒,因此,有人提出核基質的結構組分是以蛋白質為主的RNP複合物。
組成核基質的蛋白質成分較為複雜,它不像細胞質骨架如微管、微絲那樣,主要由專一的蛋白質成分組成,而且核基質蛋白在不同類型細胞和不同生理狀態的細胞中均有明顯差異,同時也與提取核基質成分時採用的方法、步驟與鹽溶液的不同有關。
雙向電泳顯示,核基質蛋白多達200餘種,可分為兩類:一類是核基質蛋白(nuclear matrix protein, NMP), 分子量在40 000~60 000之間,其中多數是纖維蛋白,也含有硫蛋白,是各種類型細胞所共有的;另一類是功能性的核基質結合蛋白(nuclear matrix associated protein, NMAP), 與細胞類型、分化程 度、生理及病理狀態有關。
核基質複雜多樣的生物學功能除了靠核基質本身的蛋白質完成外,更重要的是通過多種核基質結合蛋白的共同參與。

核基質的功能[編輯]

近年的研究表明,核基質可能參與DNA複製、基因表達、hnRNA加工、染色體DNA有序包裝和構建等生命活動。

核基質參與DNA複製[編輯]

1、核基質上描泊DNA複製複合體 實驗表明DNA袢環與DNA複製有關的酶和因子錨定在核基質上形成DNA複製複合體(DNA replication complex), 進行DNA複製。實驗證明,DNA聚合酶在核基質上可能具有特定的結合位點,DNA聚合酶通過結合於核基質上而被激活。有人認為從鏈的起始到鏈的終止,整個過程在核基質上進行。核基質可能是DNA複製的空間支架。
在複製時DNA複製起始點結合在核基質上,同時還觀察到新合成的DNA會隨着複製時間的延長而逐漸從核基質移向DNA環。所以,DNA複製時,DNA就像從一個固定的複製複合體中釋放出來。
2、核基質上結合新合成的DNA Coffey(l980)和Berezney(1981)等分別以體外培養的3T3成纖維細胞、大鼠再生肝細胞為材料,用3H-TdR進行脈衝標記,發現標記後30分鐘內,90%的放射性摻入集中在與核基質結合的DNA上。這表明,新合成的DNA先結合在核基質上。S. J. McCready(1980)的實驗,以HeLa細胞為材料,也證實新合成的DNA是結合在核基質上的。他們認為,一個袢環中可能有幾個複製起始點。只有起始點結合到核基質時,DNA合成才能開始。電鏡放射自顯影的實驗也指出了DNA複製的位點結合於核基質上。通過研究表明,DNA袢環是通過其特定位點結合在核基質上的。該特定位點的核苷酸序列被稱為核基質結合序列(matrix-attached region, MAR), 該序列富含AT, 它通過與核基質相互作用,調節基因的複製與轉錄等。
3、核基質上DNA的複製效率提高 最初的DNA複製模式認為,可溶性的DNA聚合酶結合於DNA複製起始點後,沿模板移動合成新DNA。實際上高度純化的DNA在離體進行DNA複製時,DNA的複製效率極低且複製錯誤多,而在含有核基質組分的非洲爪蟾卯母細胞提取物的非細胞系統中進行DNA複製,其DNA複製效率很高, 表明核基質可能為DNA精確而高效的複製提供良好的空間支架。

核基質參與基因轉錄和加工[編輯]

1、核基質與基因轉錄活性密切相關 D.A.Jakcosn等(1981)用3H-尿嘧啶核苷脈衝標記HeLa細胞,發現95%以上新合成的RNA存在於核基質上,說明RNA是在核基質上進行合成的。
B.Volgestin等(1983)利用雌激素刺激雞輸卯管細胞中卵清蛋白基因的表達,發現只有活躍轉錄的卵清蛋白基因才結合於核基質上,而不轉錄的β珠蛋白基因不結合。D. Bentzen等(1984)卻報道了成紅細胞中正在轉錄的β-珠蛋白基因結合於核基質上。上述實驗表明,具有轉錄活性的基因結合在核基質上,只有與核基質結合的基因才能進行轉錄。
2、核基質參與RNA的加工修飾 核基質與hnRNA的加工過程也有密切的聯繫。hnRNA加工常以RNP複合物的形態進行,用RNaes處理RNP複合物,剩餘的蛋白質能組裝成核基質樣的纖維網絡,由此推測,核基質參與了RNA轉錄後的加工修飾。
E. M. Ciejek(1982)等以小雞輸卵管細胞為材料,在-20℃低溫條件下(降低內源核糖核酸酶活性)分離出核基質,發現所有的卵清蛋白和卵黏蛋白mRNA的前體都僅存在於核基質中。有人則具體指出hnRNA上的poly A區可能就是hnRNA在核基質中的附着點。

核基質參與染色體構建[編輯]

染色質組裝的放射環模型中,由30nm染色質細絲摺疊而成的袢環鈾定在核基質上,每18個袢環呈放射狀排列結合在核基質上構成微帶,再由微帶沿着核基質形成的軸心支架構成染色單體。根據這個模型,說明核基質可能對於間期核內DNA有規律的空間構型起着維繫和支架的作用,它們參與DNA超螺旋化的穩定過程。

核基質與細胞分化相關[編輯]

核基質的發達狀況與核內RNA合成能力、細胞分化程度密切相關。分化程度高的細胞中RNA合成能力強,核基質也很發達。核基質結構和功能的改變,可導致基因選擇性轉錄活性的變化,引起細胞分化。
與正常細胞相比,腫瘤細胞中核基質的結構及組成存在異常,許多癌基因可結合於核基質上,核基質上也存在某些致癌物作用的位點。