細胞生物學/核膜

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
核膜(nuclear membrane)又稱核被膜(nuclear envelope), 是細胞核與細胞質之間的界膜。它將細胞分成核與質兩大結構與功能區域：DNA複製、RNA轉錄與加工在核內進行，蛋白質翻譯則在細胞質中進行。

核膜的化學組成

核膜的主要化學成分是蛋白質和脂類，此外，還有少量核酸成分。
核膜中的蛋白質約佔65%～75%, 通過電泳分析可鑑別出核膜含有20多種蛋白質，分子量為16 000～160 000, 包括組蛋白、基因調節蛋白、DNA和RNA聚合酶、RNA酶等。
核膜所含的酶類與內質網極為相似，如內質網的標記酶G6PD也存在於核膜。與電子傳遞有關的酶類，如NADH細胞色素c還原酶、NADH細胞色素從還原酶、細胞色素P₄₅₀等，均見於內質網及核膜上，但其含量有差異，如內質網上細胞色素P₄₅₀的含量高於核膜。
核膜中所含的脂類也與內質網相似，都含有卵磷脂和磷脂醯乙醇胺，以及膽固醇、甘油三酯等。但其含量有差別，核膜所含的不飽和脂肪酸的含量都較低，而膽固醇和甘油三酯的含量卻較高。這種結構成分的相似性和特異性，不僅說明核膜與內質網的密切關係，同時也說明兩者也具有各自的結構特點。

核膜的結構

在電鏡下，核膜是由內外層核膜、核周隙、核孔複合體和核纖層等結構組成。
因內、外核膜的組成成分和結構都有差異，因此核膜是一種不對稱的雙層膜結構。

外核膜與糙面內質網相連續

外核膜(outer nuclear membrane)為核膜中面向胞質的一層膜，在形態和生化性質上與細胞質中的糙面內質網膜相近，並與糙面內質網相連續。外核膜外表面有核糖體附着，可進行蛋白質的合成。外核膜與細胞質相鄰的表面可見中間纖維、微管形成的細胞骨架網絡，這些結構的存在起着固定細胞核並維持細胞核形態的作用。

內核膜表面光滑包圍核質

內核膜(inner nuclear membrane)與外核膜平行排列，表面光滑，無核糖體附着，核質面附着一層結構緻密的纖維蛋白網絡，稱為核纖層，對核膜起支持作用。

核周隙為內、外核膜之間的緩衝區

內、外層核膜在核孔的位置互相融合，兩層核膜之間的腔隙稱為核周隙(perinuclear space) , 寬約20～40nm, 這一寬度常隨細胞種類不同和細胞的功能狀態不同而改變。核周隙與糙面內質網腔相通，內含有多種蛋白質和酶類。
因內、外核膜在生化性質及功能上呈現較大的差別，因此，核周隙成為內、外核膜之間的緩衝區。

核孔複合體是由多種蛋白質構成的複合結構

在內外核膜的融合之處形成環狀開口，稱為核孔(nuclear pore)。核孔的數目、疏密程度和分佈形式隨細胞種類和生理狀態不同而有很大的變化，一般來說， 動物細胞的核孔數多於植物細胞；代謝不活躍的細胞中核孔數較少，例如晚期有核紅細胞與淋巴細胞的核孔數為1～3個/μm²；但在RNA轉運速度高，蛋白質合成旺盛的細胞中核孔數目較多，例如在肝、腎等高度分化但代謝活躍的細胞中，核孔數為12～20個/μm²。
核孔並非單純由內外兩層核膜融合形成的簡單孔洞，而是由多種蛋白質以特定方式排列形成的複合結構，稱為核孔複合體(nuclear pore complex, NPC)。
關於核孔複合體的結構一直是一個令人感興趣的問題，許多研究者利用樹脂包埋超薄切片技術、負染色技術以及冷凍蝕刻技術等方法研究核孔複合體的形態結構，提出了不同的核孔複合體模型。但由於分離純化核孔複合體的難度較大，迄今對核孔複合體的描述仍沒有完全統一的模型。
目前比較普遍被接受的是捕魚籠式(fish-trap)核孔複合體模型。該模型認為核孔複合體的基本結構包括以下四個部分：①胞質環(cytoplasmic ring): 位於核孔複合體結構邊緣胞質面一側的環狀結構，與柱狀亞單位相連，環上對稱分佈8條短纖維，並伸向細胞質；②核質環(nucleoplasmic ring): 位於核孔複合體結構邊緣核質面一側的孔環狀結構，與柱狀亞單位相連，在環上也對稱分佈8條長約100nm的纖維伸向核內，纖維末端形成一個由8個顆粒組成的直徑約60nm的小環，構成捕魚籠似的結構，稱核籃(nuclear basket); ③輻(spoke): 是由核孔邊緣伸向中心的結構，呈輻射狀八重對稱分佈，把胞質環、核質環和中央栓連接在一起。輻的結構較複雜，可進一步分為三個結構域：柱狀亞單位(column subunit) , 位於核孔邊緣，連接胞質環與核質環，起支撐作用；腔內亞單位(luminal subunit), 位於柱狀亞單位外側，與核膜的核孔區域接觸，穿過核膜伸入雙層核膜的核周隙，起錨定核孔複合體的作用；環狀亞單位(annular subunit), 位於柱狀亞單位之內，是靠近核孔複合體中心部分，由顆粒狀結構環繞形成；④中央栓(central plug): 又稱中央顆粒(central granule), 位於核孔複合體的中心，是呈顆粒狀或棒狀的運輸蛋白質，其在核質交換中發揮一定的作用。
核孔複合體主要由蛋白質組成，迄今已鑑定的脊椎動物的核孔複合體蛋白質成分已達到十多種，其中gp210和p62是最具代表性的兩個成分，它們分別代表着核孔複合體蛋白的兩種類型。gp210代表着一類結構性穿膜蛋白，是第一個被鑑定出來的核孔複合體蛋白，位於核膜的「孔膜區」，在描定核孔複合體的結構上起重要作用。p62代表一類功能性的核孔複合體蛋白，對核孔複合體行使主動運輸的功能非常重要。

核纖層是緊貼內核膜的纖維蛋白網

核纖層(nuclear lamina)是位於內核膜內側與染色質之間的一層由高電子密度纖維蛋白質組成的網絡片層結構。在細胞分裂中對核膜的破裂和重建起調節作用。核纖層的厚蒲隨細胞不同而異，一般厚10～20nm, 在有些細胞中可達30～100nm。
核纖層的主要化學成分是核纖層蛋白(lamin)。在哺乳類細胞中，核纖層是由3種屬於中間纖維性質的多肽組成，分別稱為核纖層蛋白A、B、C。
通過克隆並分析編碼核纖層蛋白的mRNA, 從序列分析中推論核纖層蛋白具有中間纖維蛋白的α-螺旋區同源的胺基酸順序。Lamin A和Lamin C是由同一基因編碼的不同的加工產物。兩種蛋白質之間僅在—COOH末端不同，它們都有一段由350個胺基酸殘基組成的多肽序列，該序列與中間纖維蛋白的α-螺旋區約有28%的胺基酸相同。而核纖層蛋白與波形蛋白之間在同源區域則有70%的胺基酸相同，其同源性高於不同的中間纖維蛋白之間的同源程度。因此，核纖層蛋白實際上是一種中間纖維蛋白。
核纖層與核膜、核孔複合體及染色質在結構和功能上有密切的聯繫。
1、核纖層在細胞核中起支架作用 用高鹽溶液、非離子去污劑和核酸酶去除大部分核物質，只有核孔複合體與核纖層存留，但仍能維持核的輪廓。此外，核纖層與核骨架及穿過核膜的中間纖維相連，使胞質骨架和核骨架形成一連續網絡結構。
2、核纖層與核膜的崩解和重建密切相關 真核細胞在細胞分裂過程中核膜經歷崩解與重建的變化，內核膜下的核纖層也經歷解聚與聚合的變化。生化分析表明，Lamin A、 Lamin B和Lamin C均有親膜結合作用，其中以Lamin B與核膜的結合力最強。同時，在內核膜上有Lamin B受體，可為Lamin B提供結合位點，從而把核膜固定在核纖層上。
細胞分裂前期，核纖層蛋白磷酸化，核纖層可逆性去組裝，發生解聚，使核膜破裂。此過程中Lamin A與Lamin C分散到細胞質中，Lamin B因與核膜結合力強，解聚後即與核膜小泡結合，這些小泡在細胞分裂末期是核膜重建的基礎。
細胞分裂末期，核纖層蛋白發生去磷酸化，核纖層蛋白又重新在細胞核的周圍聚集，核膜再次形成。說明核纖層蛋白的磷酸化與去磷酸化在細胞的有絲分裂過程中與核膜的崩解與重建密切相關。
3、核纖層與染色質凝集成染色體相關 核纖層蛋白可與染色質上的一些特殊位點相結合，為染色質提供了結構支架。細胞分裂間期，染色質與核纖層緊密結合，因此不能螺旋化成染色體；而在細胞有絲分裂前期，隨着核纖層蛋白的解聚，染色質與核纖層蛋白的結合喪失，染色質逐漸凝集成染色體。把Lamin A抗體注入分裂期細胞，抑制核纖層蛋白的重新聚合時，會阻斷分裂末期染色體解旋成染色質，使染色體停留在凝集狀態。說明核纖層對細胞分裂結束後染色質、細胞核的形成非常重要。
核纖層與染色質的相互作用有助千維待和穩定間期染色質高度有序的結構，而高度有序的染色質結構對於基因表達的調控非常重要。
4、核纖層參與DNA的複製 利用爪贍卵母細胞核重建體系的研究發現，重建的沒有核纖層的細胞核，雖然細胞核里具有DNA複製過程所需要的蛋白質和酶，但卻不能進行DNA的複製，這表明只有染色質而無完整的核膜是不能複製DNA的，提示核纖層參與了DNA的複製。

核膜的功能

核膜作為細胞核與細胞質的界膜，在穩定核的形態和成分，控制核質之間的物質交換，參與生物大分子的合成及細胞分裂等方面起着十分重要的作用。

核膜為基因表達提供了時空隔離屏障

原核細胞因缺乏核膜，遺傳物質DNA分子是分佈千細胞質中的，RNA轉錄及蛋白質合成也均發生於細胞質，在RNA3'端轉錄尚未結束時，其S'端即已被核糖體結合，並開始進行蛋白質的合成，致使RNA轉錄本在進行翻譯以前，因時間及空間的缺乏，不能有效地被剪切、修飾。
真核細胞中，核膜將核物質與細胞質物質限定在各自特定的區域，使DNA複製、RNA轉錄及蛋白質合成在時空上相互分隔進行，建立了遺傳物質穩定的活動環境。真核生物的基因結構複雜，轉錄後需要經過複雜的加工，所以核膜的出現保證了RNA轉錄後先進行加工、修飾，才能輸入細胞質中，進而指導和參與蛋白質的合成，使遺傳信息的表達調控過程更加精確、高效。

核膜參與蛋白質的合成

外核膜的表面附着核糖體，可進行蛋白質的合成。通過免疫電鏡技術證實，抗體的形成首先出現在核膜的外層。外膜的附着核糖體也能合成少量膜蛋白。

核孔複合體控制着核-質間的物質交換

核孔複合體作為被動擴散的親水通道，其有效直徑為9～10nm, 有的可達12.5nm。實驗表明，水分子和某些離子，以及一些小分子，如單糖、雙糖、胺基酸、核苷和核苷酸等，可以自由擴散，穿梭於核-質之間。但對於絕大多數大分子物質的核-質分配則需要經核孔複合體進行主動運輸。主動運輸具有高度選擇性，其選擇性表現在三個方面：①核孔複合體的直徑大小是可調節的，主動運輸的功能直徑比被動運輸大，為10～20nm, 可調節達26nm；②核孔複合體的主動運輸是信號識別與載體介導的過程，需消耗能量；③核孔複合體的主動運輸具有雙向性，兼有核輸入和核輸出兩種功能。它既能把DNA複製、RNA轉錄所需的各種酶及組蛋白、核糖體蛋白和核質蛋白等，經核孔複合體運進細胞核；同時又能把細胞核內裝配好的核糖體大小亞基和經轉錄加工後的RNA通過核孔複合體運到細胞質。
1、親核蛋白的核輸入 在細胞質中游離核糖體上合成、經核孔轉運入細胞核發揮作用的蛋白質稱為親核蛋白(karyophilic protein), 常見的如核糖體蛋白、組蛋白、DNA聚合酶、RNA聚合酶等。
核質蛋白(nucleoplasmin)是一種親核蛋白，可同組蛋白H2A、H2B結合，協助核小體的裝配。核質蛋白由5個單體組成，分子量為165 000, 具有頭尾兩個不同的結構域。用蛋白水解酶可把核質蛋白切成頭、尾兩部分，用放射性核素標記後把帶有放射性標記的完整核質蛋白，以及它的頭、尾片段分別注射到爪贍卵母細胞的細胞質中，結果發現，完整的核質蛋白和其尾部片段均可以在核內出現，而頭部卻仍停留在細胞質中。用尾部包裹直徑為20nm的膠體金顆粒，然後注射到細胞質中，雖然它們的直徑已大大超過核孔複合體的有效直徑，但電鏡下卻可看到膠體金顆粒通過核孔進入核內。在運輸過程中核孔複合體的直徑從9nm可擴大到26nm, 說明核孔複合體中央親水性通道的大小是可調節的，蛋白質的核輸入具有選擇性。
通過對親核蛋白的序列分析，發現這些親核蛋白一般都有一段特殊的胺基酸信號序列，正是這些信號序列起到「定向」和「定位」的作用，從而保證蛋白質通過核孔複合體向核內輸入，因此，將這一特殊的信號序列命名為核定位序列(nuclear localization sequence, NLS)或核定位信號(nuclear localization signal, NLS)。具有NLS 的蛋白質才能進入核內。
通過大量的研究發現NLS是含4～8個胺基酸的短肽序列。不同的親核蛋白上的NLS不同，但都富含帶正電荷的賴氨酸和精氨酸，通常還有脯氨酸。這些信號序列與指導蛋白質穿膜運輸的信號肽不同，NLS可以位於親核蛋白的任何部位，並且在指導親核蛋白完成核輸入以後不被切除。這個特點有利於細胞分裂完成後，親核蛋白在子細胞中能夠重新輸入細胞核。
通過大量研究表明，僅有NLS的蛋白質自身不能通過核孔複合體，它必須通過和NLS受體結合才可通過核孔複合體，這種受體稱為輸入蛋白(importin)。推測這些輸入蛋白在被轉運的親核蛋白與核孔複合體運輸裝置之間作為一種銜接體蛋白(adaptor protein)而起作用，將在細胞質中結合的蛋白質經核孔複合體轉運到核內。
目前比較確定的輸入蛋白受體有核輸入受體α、核輸入受體β和Ran(一種GTP結合蛋白）等。在它們的參與下，親核蛋白的入核轉運可分為以下幾個步驟：①親核蛋白通過NLS識別核輸入受體α, 與核輸入受體α/β異二聚體結合，形成轉運複合物；②在核輸入受體β的介導下，轉運複合物與核孔複合體的胞質纖維結合；③轉運複合物在核孔複合體中移動，從胞質面轉移到核質面；④轉運複合物在核質面與Ran-GTP結合，導致複合物解離，親核蛋白釋放；⑤受體的亞基與結合的Ran-GTP返回細胞質，在胞質內Ran-GTP水解形成Ran-GDP並與核輸入受體β解離，Ran-GDP返回核內，再轉換成Ran-GTP狀態。
2、RNA及核糖體亞基的核輸出 核孔複合體除了把親核蛋白輸入核內以外，還要把新形成的核糖體大、小亞基、mRNA和tRNA等輸出到細胞質。用小分子RNA(tRNA或5S rRNA)包裹着直徑為20nm 的膠體金顆粒，然後注入到蛙的卵母細胞核中，發現它們可以迅速地從細胞核進入細胞質中；如果將它們注入到蛙的卵母細胞質中，則它們會停留在細胞質內。由此看來，核孔複合體除了有親核蛋白輸入信號的受體外，還有識別RNA分子的受體，這些受體稱輸出蛋白(exportin)。當核孔複合體存在這些受體時，就能向細胞質中轉運RNA或與RNA結合的蛋白質。真核細胞中的RNA一般要經過轉錄後加工，修飾為成熟的RNA分子後才能被轉運出核。
將包裹了RNA的膠體金顆粒及包裹了入核信號肽的膠體金顆粒分別注射到細胞核及細胞質中，通過觀察同一個核孔複合體可發現上述物質的雙向運輸，即包裹了RNA的膠體金顆粒向細胞質轉運；而包裹了入核信號肽的膠體金顆粒則向細胞核轉運。由此證實，核孔複合體對大分子和顆粒物質的運輸是雙向性的，即將某些物質由細胞質轉運入細胞核的同時，也對另一些物質由細胞核向細胞質進行運輸。