張榮巖

(山東省東營市第一中學 257091)

1 細胞核的結構美

細胞核主要由核膜、核仁、染色質、核纖層和核骨架組成，它們相互聯系和依存，使細胞核作為一個統(tǒng)一的整體發(fā)揮重要的生理功能。

1.1 核外膜的過渡美 核膜由內、外兩層平行但不連續(xù)的單位膜組成，面向胞質的一層為核外膜，面向核質的一層為核內膜，兩層膜之間的空隙為核周池。核外膜常與粗面內質網相連通，可看作是粗面內質網與核內膜的過渡。這種過渡使細胞的內膜系統(tǒng)在結構上保持連續(xù)，在功能上高度協(xié)調，實現了膜結構的“互聯互通”。這種過渡使核周池與內質網腔相通，從而使核周池內的多種蛋白質和酶能順利地進入內質網腔，也使內質網腔內的相關物質順暢地流入核周池，實現物質和信息的“交流與共享”；還能有效地調節(jié)核周池的寬度隨細胞功能狀態(tài)的變化而發(fā)生改變，以實現結構與功能的“協(xié)調與適應”。

1.2 核骨架的支撐美 核骨架是細胞核內以蛋白質為主的纖維網架體系，主要由核骨架蛋白和核骨架結合蛋白組成，并含有少量的RNA。核骨架蛋白能與富含AT的DNA序列結合，核骨架結合蛋白則是一些起調節(jié)作用的因子，包括起催化作用的酶、接受和傳遞信號的受體等。DNA復制是細胞分裂和生物遺傳中的重要事件。人的每個體細胞核所含的DNA約為6×109bp，分布在46條染色體中，總長度達2 m，平均每條染色體DNA分子長約5 cm，而細胞核的直徑只有約5～8 μm，相當于一個網球含有2 km長的細線[1]。

在細胞核這樣小小的空間容納如此多的DNA，怎樣在空間上進行有序調節(jié)，確保DNA復制能準確無誤地進行呢？原來，DNA以復制環(huán)的形式錨定在核骨架上，其復制位點與核骨架結合后為DNA解螺旋提供更好的支撐，從而得到更合適的空間。而且與復制有關的DNA聚合酶也錨定在核骨架上，該酶因與核骨架上的特定位點結合而被激活，進而啟動DNA復制。DNA復制還有嚴格的“等級制度”，占染色質總數10%的常染色質先行復制，其他異質染色質則卷曲凝縮起來為其騰出足夠的空間，避免了“擁擠和堵車”。

1.3 核纖層蛋白的交錯美 核纖層蛋白是組成核纖層的重要成分，在哺乳動物和鳥類的細胞中，存在三種核纖層蛋白(A,B,C)，它們都以二聚體的形式存在, 有球形的頭和尾部結構域以及一個桿狀的α螺旋中心。二聚體以頭-頭、尾-尾相接的方式相互“咬合”，縱橫交錯編織形成核纖層。這種交錯實現了核纖層蛋白從無序到有序的轉化，使編織形成的籠狀網絡更加穩(wěn)固，為細胞核完成各項生命活動提供結構支架。核纖層蛋白通過C端添加的與疏水異丙基結合的脂肪酸插入核膜的內脂層，牢固地把內層核膜錨定在核纖層上；它向內還與染色質的特定區(qū)段結合，為染色質提供結構支撐；核纖層蛋白在核內與核基質相連，在核外與中間纖維相接，構成貫穿于細胞核和細胞質的統(tǒng)一網架結構體系。

1.4 核孔復合體的結構美 核孔是核被膜上由蛋白質構成的極其復雜的可調節(jié)孔道，是由100余種1000多個蛋白質構成的復合體[1]，包括胞質環(huán)、核質環(huán)、輻和中央栓四部分，組成一個像“捕魚籠”樣的結構。胞質環(huán)上的胞質絲伸入細胞質，就像“魚竿”一樣把親核蛋白等物質“釣入魚籠”內；中央栓則把釣來的“魚”經過處理后轉運到細胞核內；輻由核孔邊緣伸向中心，呈輻射狀八重對稱，連接內、外環(huán)，支撐著核孔，為“魚”順利通過核孔提供條件；核質環(huán)游離在核質中，其末端小環(huán)的8個顆粒上又發(fā)出8條細長的纖維，與一種“電纜”通道相通。不同的核孔復合體發(fā)出的“電纜”相互交叉，形成一個遍布核質、相互貫通的復雜網絡，為實現核質間頻繁的物質交換和信息交流打下堅實的基礎。

2 細胞核的功能美

細胞核是遺傳信息庫，是細胞代謝和遺傳的控制中心。核孔、核膜、核仁、染色質等表現出驚人的協(xié)調與配合。

2.1 核孔復合體的選擇美 細胞代謝的中心是細胞質，而其控制中心是細胞核。怎樣實現核質間特定的物質交換和頻繁的信息交流呢？原來，精巧的核孔復合體具有高度的選擇性，離子、小分子以及直徑在10 nm以下的物質原則上可以自由通過；大分子以及有些直徑小于10 nm的小分子主要通過核孔復合體的主動運輸來完成。這種主動選擇是一個信號識別與載體介導的過程，親核蛋白上有一段特殊的氨基酸序列稱為“核定位信號”，它特異性地與受體蛋白結合，保證蛋白質能夠通過核孔復合體被轉運到核內；有些蛋白質自身沒有信號序列，但可以與其他有核定位信號的蛋白質結合被運輸到核內。同樣，成熟的RNA轉運出核也是一個修飾加工、信號調節(jié)和蛋白質介導的過程，轉錄形成的rRNA總是在核仁中與從細胞質轉運進來的核糖體蛋白質結合形成核糖體亞單位才能離開細胞核。核孔復合體能識別“核定位信號”，按照細胞核的需求選擇性地把大分子運入；能甄別RNA是否被修飾過，是否與核糖體蛋白質結合，按照細胞質的需要選擇性地把物質轉運出核，不會發(fā)生錯運、漏運和“偷運”等情況。

2.2 核膜核仁的崩解美 核膜、核仁規(guī)律性的崩解與裝配是細胞周期的一大特征。在細胞周期的分裂期，核膜解體，核仁消失，眾多染色體可以在較大空間內進行“排隊”，為染色體平均分配騰出空間。經復制的染色體一旦平均分配到細胞兩極，核膜又重新裝配起來行使對染色質的保護功能；核仁也重新組織起來，用以合成、加工rRNA，并對核糖體亞單位進行裝配。

2.3 染色質的形變美 細胞核中最重要的結構是染色質。在細胞分裂的間期，染色質呈極細的絲狀物，在細胞核內交織成網；在分裂期，染色質高度螺旋化，變短變粗，形成染色體，因此，染色質與染色體是同一種物質在細胞不同時期的兩種存在狀態(tài)。兩者周期性形變的意義在于：細胞分裂間期的重要任務是完成染色質的復制，即DNA復制和有關蛋白質的合成，為分裂期做好充分的物質準備。而處于解螺旋松解狀態(tài)的極細的染色質不僅有利于DNA的復制，也有利于基因的表達，以合成相關蛋白質。分裂期的主要任務是完成染色體的平均分配，即保證復制后的染色體平均分配到兩個子細胞中。這時染色質高度螺旋化，經過四級螺旋包裝形成染色體，不僅有利于染色體在紡錘絲的牽引下進行“排隊”，進而平均分配到細胞的兩極；也可避免纖細而交織的染色質被紡錘絲拉斷的危險，保護遺傳物質不受損傷。

2.4 rRNA合成的組織美 rRNA是組成核糖體的主要成分，真核生物核糖體含有4種rRNA，即5.6S rRNA、18S rRNA、28S rRNA和5S rRNA。其中前3種rRNA的基因組成一個轉錄單位，它是rRNA基因拷貝串聯成的重復序列，成簇分布在核仁組織區(qū)。新形成的rRNA鏈沿轉錄方向從DNA長軸兩側垂直伸展出來，并且從一端到另一端有規(guī)律地增長，形成箭頭狀結構，外形像“圣誕樹”，每個箭頭狀結構代表rRNA基因轉錄單位。這種組織形式一有利于增加啟動子的局部濃度，從而使轉錄高效進行；二有利于RNA聚合酶對啟動子的識別并與之結合，節(jié)省轉錄時間；三有利于專一性很強的RNA聚合酶Ⅰ在一個轉錄單位連續(xù)運作，從而使rRNA基因的轉錄能夠以受控的級聯放大方式進行，轉錄合成更多的rRNA。

2.5 mRNA的修飾美 mRNA在細胞核中被轉錄形成后，必須經過戴帽、加尾、剪接、編輯等修飾過程，形成成熟的mRNA才能被轉運出核。戴帽就是在5′端倒扣一個鳥嘌呤核糖核苷酸；加尾就是在加尾信號的作用下，由poly(A)合成酶在3′端催化多聚腺苷酸反應，形成約40～200個[2]左右的腺苷酸序列。細胞中有許多核酸酶負責水解mRNA，戴帽能使mRNA免遭核酸酶的破壞，還能使mRNA容易被蛋白質合成的起始因子所識別，并與核糖體小亞基結合，從而啟動蛋白質合成；加尾是mRNA由細胞核進入細胞質所必需的形式，并提高其在細胞質中的穩(wěn)定性。另外，mRNA前體還要經過剪接、編輯等修飾過程才能成為成熟的mRNA。其中剪接是在被稱為剪接體的核酸蛋白復合物作用下完成的。剪接體依次刪除mRNA前體中的內含子。生產成熟mRNA的剪接方式稱為常規(guī)剪接；但在特定條件下某個內含子的5′端與另一個內含子的3′端進行剪接時就會刪除這兩個內含子及其中間的全部外顯子和內含子，這種剪接方式稱為變位剪接[3]。變位剪接幾乎包括所有可能的形式，因此，同一個基因的mRNA前體經過變位剪接可以產生許多不同的蛋白質或形成一組相似的蛋白質家族。

3 對遺傳物質的保護美

遺傳物質是親代與子代之間傳遞遺傳信息的物質，它蘊藏著生物體生長、發(fā)育、遺傳和變異的全部信息。在生物進化過程中，真核生物形成了一套完整的保護體系。

3.1 雙層核膜的屏障美 核被膜是保護遺傳物質的重要屏障。雙層核膜使核內溫度、壓力、pH和化學成分相對穩(wěn)定，為遺傳物質結構的演化提供良好的微環(huán)境，使高度復雜的遺傳裝置相對獨立，也使基因的表達具有嚴格的區(qū)域性。另外，遺傳物質的復制、RNA轉錄與加工都在核內進行，蛋白質翻譯則局限在細胞質中，減少了相互干擾，從而使細胞的生命活動更加有序和高效。

3.2 蛋白質的糾纏美 細胞核中的DNA與蛋白質“糾纏”在一起形成染色質，與DNA結合的蛋白質有兩類：一類是與DNA非特異性結合的組蛋白；另一類是與DNA特異性結合的非組蛋白。組蛋白屬于堿性蛋白，可以和酸性的DNA緊密結合，其中核小體組蛋白(H2A、H2B、H3和H4)C端的疏水氨基酸相互結合凝聚成核心。N端帶正電荷的氨基酸則向四面伸出與DNA分子結合，幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結構；組蛋白H1則像“鋸釘”一樣把纏繞在核小體兩端的DNA牢牢地連接起來。非組蛋白與特異DNA序列結合，幫助DNA分子折疊形成不同的結構域，以有利于DNA的復制和基因的轉錄。細胞代謝越旺盛，非組蛋白的含量越高。

3.3 DNA復制的糾錯美 雖然DNA復制嚴格遵守堿基互補配對原則，但在外界和生物體內部因素的作用下，DNA分子很容易受到損傷，其復制過程會出現錯配、漏配、多配等錯誤。對生物體來說，這種損傷和錯誤多數是有害的，甚至是致死的。但幸運的是，在生物的進化過程中，細胞內形成了一套完整的靈敏度極高的監(jiān)測系統(tǒng)，用于識別和糾正基因組中出現的異常情況。這一系統(tǒng)包括“巡邏”蛋白、“警報”蛋白以及損傷修復酶。例如，細胞中有一種錯配修復酶專門識別并修復錯配的堿基；在淋巴細胞和皮膚成纖維細胞中有一種DNA光解酶，該酶能特異性識別紫外線造成的核酸鏈上的嘧啶二聚體，并在可見光的激活下將二聚體分解為兩個正常的嘧啶單體；細胞中還有多種特異的核酸內切酶，可識別DNA的損傷部位，在其附近將DNA單鏈切開，再由外切酶將損傷鏈切除，然后由聚合酶以完整鏈為模板進行修復合成，最后由連接酶封口。通過及時糾錯，保證DNA的結構完整和準確無誤地遺傳給后代。

3.4 染色體端粒的反糾錯美 染色體DNA復制始于內部起始點，以短鏈RNA分子作引物，沿5′→3′方向延伸互補鏈。其中前導鏈[1]連續(xù)合成，隨從鏈先分段沿5′→3′方向合成岡崎片段，然后切去各段引物，再由DNA連接酶將岡崎片段連接成完整的DNA鏈。由于DNA聚合酶不能催化DNA鏈從3′→5′方向延伸，子代DNA鏈5′端的引物被切去后會留下一段空缺，導致子代DNA分子上有一段不完整的5'末端[4]。此時，如果不能延長子代DNA鏈上留下的一段空缺，就會在一些修復酶的作用下，把另一條鏈中懸空的DNA鏈切除，從而造成DNA分子隨著不斷的復制而逐漸縮短。但巧妙的是，染色體末端有一種由蛋白和重復DNA構成的特殊結構——端粒，它能鑄成一道“抗酶盾”，保護染色體末端。其中兩個結合在端粒上的蛋白Rif1和Rif2，能檢測到DNA修復監(jiān)控系統(tǒng)的警告，并阻止這種警報系統(tǒng)中特異性蛋白的結合，從而阻斷切除修復過程。而且端粒酶還能與端粒結合，并通過反轉錄[5]合成隨從鏈5′端因引物被切除后留下的空缺，從而使染色體結構保持完整。端粒的這種反糾錯功能確保遺傳信息不會因為DNA復制而丟失，對于細胞的分裂和遺傳具有重要的意義。

4 細胞核的進化美

細胞核的出現使細胞有更細化的分工和更復雜的結構，賦予真核細胞更強大的功能。同時，真核細胞種類的分化，特別是動植物的分化使生物體型向高級的方向發(fā)展。細胞核的出現，還使細胞增殖的方式多樣化，其中減數分裂則是有性生殖的重要特征。有性生殖的出現使物種的變異更加多樣性，大大推進生物進化的速度?？傊?，細胞核的出現使自然界更加紛繁復雜、絢麗多彩，是生物進化史上最美的事件之一。