细胞核中的生命美学

张荣岩

(山东省东营市第一中学 257091)

1 细胞核的结构美

细胞核主要由核膜、核仁、染色质、核纤层和核骨架组成，它们相互联系和依存，使细胞核作为一个统一的整体发挥重要的生理功能。

1.1 核外膜的过渡美 核膜由内、外两层平行但不连续的单位膜组成，面向胞质的一层为核外膜，面向核质的一层为核内膜，两层膜之间的空隙为核周池。核外膜常与粗面内质网相连通，可看作是粗面内质网与核内膜的过渡。这种过渡使细胞的内膜系统在结构上保持连续，在功能上高度协调，实现了膜结构的“互联互通”。这种过渡使核周池与内质网腔相通，从而使核周池内的多种蛋白质和酶能顺利地进入内质网腔，也使内质网腔内的相关物质顺畅地流入核周池，实现物质和信息的“交流与共享”；还能有效地调节核周池的宽度随细胞功能状态的变化而发生改变，以实现结构与功能的“协调与适应”。

1.2 核骨架的支撑美 核骨架是细胞核内以蛋白质为主的纤维网架体系，主要由核骨架蛋白和核骨架结合蛋白组成，并含有少量的RNA。核骨架蛋白能与富含AT的DNA序列结合，核骨架结合蛋白则是一些起调节作用的因子，包括起催化作用的酶、接受和传递信号的受体等。DNA复制是细胞分裂和生物遗传中的重要事件。人的每个体细胞核所含的DNA约为6×109bp，分布在46条染色体中，总长度达2 m，平均每条染色体DNA分子长约5 cm，而细胞核的直径只有约5～8 μm，相当于一个网球含有2 km长的细线[1]。

在细胞核这样小小的空间容纳如此多的DNA，怎样在空间上进行有序调节，确保DNA复制能准确无误地进行呢？原来，DNA以复制环的形式锚定在核骨架上，其复制位点与核骨架结合后为DNA解螺旋提供更好的支撑，从而得到更合适的空间。而且与复制有关的DNA聚合酶也锚定在核骨架上，该酶因与核骨架上的特定位点结合而被激活，进而启动DNA复制。DNA复制还有严格的“等级制度”，占染色质总数10%的常染色质先行复制，其他异质染色质则卷曲凝缩起来为其腾出足够的空间，避免了“拥挤和堵车”。

1.3 核纤层蛋白的交错美 核纤层蛋白是组成核纤层的重要成分，在哺乳动物和鸟类的细胞中，存在三种核纤层蛋白(A,B,C)，它们都以二聚体的形式存在, 有球形的头和尾部结构域以及一个杆状的α螺旋中心。二聚体以头-头、尾-尾相接的方式相互“咬合”，纵横交错编织形成核纤层。这种交错实现了核纤层蛋白从无序到有序的转化，使编织形成的笼状网络更加稳固，为细胞核完成各项生命活动提供结构支架。核纤层蛋白通过C端添加的与疏水异丙基结合的脂肪酸插入核膜的内脂层，牢固地把内层核膜锚定在核纤层上；它向内还与染色质的特定区段结合，为染色质提供结构支撑；核纤层蛋白在核内与核基质相连，在核外与中间纤维相接，构成贯穿于细胞核和细胞质的统一网架结构体系。

1.4 核孔复合体的结构美 核孔是核被膜上由蛋白质构成的极其复杂的可调节孔道，是由100余种1000多个蛋白质构成的复合体[1]，包括胞质环、核质环、辐和中央栓四部分，组成一个像“捕鱼笼”样的结构。胞质环上的胞质丝伸入细胞质，就像“鱼竿”一样把亲核蛋白等物质“钓入鱼笼”内；中央栓则把钓来的“鱼”经过处理后转运到细胞核内；辐由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称，连接内、外环，支撑着核孔，为“鱼”顺利通过核孔提供条件；核质环游离在核质中，其末端小环的8个颗粒上又发出8条细长的纤维，与一种“电缆”通道相通。不同的核孔复合体发出的“电缆”相互交叉，形成一个遍布核质、相互贯通的复杂网络，为实现核质间频繁的物质交换和信息交流打下坚实的基础。

2 细胞核的功能美

细胞核是遗传信息库，是细胞代谢和遗传的控制中心。核孔、核膜、核仁、染色质等表现出惊人的协调与配合。

2.1 核孔复合体的选择美 细胞代谢的中心是细胞质，而其控制中心是细胞核。怎样实现核质间特定的物质交换和频繁的信息交流呢？原来，精巧的核孔复合体具有高度的选择性，离子、小分子以及直径在10 nm以下的物质原则上可以自由通过；大分子以及有些直径小于10 nm的小分子主要通过核孔复合体的主动运输来完成。这种主动选择是一个信号识别与载体介导的过程，亲核蛋白上有一段特殊的氨基酸序列称为“核定位信号”，它特异性地与受体蛋白结合，保证蛋白质能够通过核孔复合体被转运到核内；有些蛋白质自身没有信号序列，但可以与其他有核定位信号的蛋白质结合被运输到核内。同样，成熟的RNA转运出核也是一个修饰加工、信号调节和蛋白质介导的过程，转录形成的rRNA总是在核仁中与从细胞质转运进来的核糖体蛋白质结合形成核糖体亚单位才能离开细胞核。核孔复合体能识别“核定位信号”，按照细胞核的需求选择性地把大分子运入；能甄别RNA是否被修饰过，是否与核糖体蛋白质结合，按照细胞质的需要选择性地把物质转运出核，不会发生错运、漏运和“偷运”等情况。

2.2 核膜核仁的崩解美 核膜、核仁规律性的崩解与装配是细胞周期的一大特征。在细胞周期的分裂期，核膜解体，核仁消失，众多染色体可以在较大空间内进行“排队”，为染色体平均分配腾出空间。经复制的染色体一旦平均分配到细胞两极，核膜又重新装配起来行使对染色质的保护功能；核仁也重新组织起来，用以合成、加工rRNA，并对核糖体亚单位进行装配。

2.3 染色质的形变美 细胞核中最重要的结构是染色质。在细胞分裂的间期，染色质呈极细的丝状物，在细胞核内交织成网；在分裂期，染色质高度螺旋化，变短变粗，形成染色体，因此，染色质与染色体是同一种物质在细胞不同时期的两种存在状态。两者周期性形变的意义在于：细胞分裂间期的重要任务是完成染色质的复制，即DNA复制和有关蛋白质的合成，为分裂期做好充分的物质准备。而处于解螺旋松解状态的极细的染色质不仅有利于DNA的复制，也有利于基因的表达，以合成相关蛋白质。分裂期的主要任务是完成染色体的平均分配，即保证复制后的染色体平均分配到两个子细胞中。这时染色质高度螺旋化，经过四级螺旋包装形成染色体，不仅有利于染色体在纺锤丝的牵引下进行“排队”，进而平均分配到细胞的两极；也可避免纤细而交织的染色质被纺锤丝拉断的危险，保护遗传物质不受损伤。

2.4 rRNA合成的组织美 rRNA是组成核糖体的主要成分，真核生物核糖体含有4种rRNA，即5.6S rRNA、18S rRNA、28S rRNA和5S rRNA。其中前3种rRNA的基因组成一个转录单位，它是rRNA基因拷贝串联成的重复序列，成簇分布在核仁组织区。新形成的rRNA链沿转录方向从DNA长轴两侧垂直伸展出来，并且从一端到另一端有规律地增长，形成箭头状结构，外形像“圣诞树”，每个箭头状结构代表rRNA基因转录单位。这种组织形式一有利于增加启动子的局部浓度，从而使转录高效进行；二有利于RNA聚合酶对启动子的识别并与之结合，节省转录时间；三有利于专一性很强的RNA聚合酶Ⅰ在一个转录单位连续运作，从而使rRNA基因的转录能够以受控的级联放大方式进行，转录合成更多的rRNA。

2.5 mRNA的修饰美 mRNA在细胞核中被转录形成后，必须经过戴帽、加尾、剪接、编辑等修饰过程，形成成熟的mRNA才能被转运出核。戴帽就是在5′端倒扣一个鸟嘌呤核糖核苷酸；加尾就是在加尾信号的作用下，由poly(A)合成酶在3′端催化多聚腺苷酸反应，形成约40～200个[2]左右的腺苷酸序列。细胞中有许多核酸酶负责水解mRNA，戴帽能使mRNA免遭核酸酶的破坏，还能使mRNA容易被蛋白质合成的起始因子所识别，并与核糖体小亚基结合，从而启动蛋白质合成；加尾是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式，并提高其在细胞质中的稳定性。另外，mRNA前体还要经过剪接、编辑等修饰过程才能成为成熟的mRNA。其中剪接是在被称为剪接体的核酸蛋白复合物作用下完成的。剪接体依次删除mRNA前体中的内含子。生产成熟mRNA的剪接方式称为常规剪接；但在特定条件下某个内含子的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和内含子，这种剪接方式称为变位剪接[3]。变位剪接几乎包括所有可能的形式，因此，同一个基因的mRNA前体经过变位剪接可以产生许多不同的蛋白质或形成一组相似的蛋白质家族。

3 对遗传物质的保护美

遗传物质是亲代与子代之间传递遗传信息的物质，它蕴藏着生物体生长、发育、遗传和变异的全部信息。在生物进化过程中，真核生物形成了一套完整的保护体系。

3.1 双层核膜的屏障美 核被膜是保护遗传物质的重要屏障。双层核膜使核内温度、压力、pH和化学成分相对稳定，为遗传物质结构的演化提供良好的微环境，使高度复杂的遗传装置相对独立，也使基因的表达具有严格的区域性。另外，遗传物质的复制、RNA转录与加工都在核内进行，蛋白质翻译则局限在细胞质中，减少了相互干扰，从而使细胞的生命活动更加有序和高效。

3.2 蛋白质的纠缠美 细胞核中的DNA与蛋白质“纠缠”在一起形成染色质，与DNA结合的蛋白质有两类：一类是与DNA非特异性结合的组蛋白；另一类是与DNA特异性结合的非组蛋白。组蛋白属于碱性蛋白，可以和酸性的DNA紧密结合，其中核小体组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)C端的疏水氨基酸相互结合凝聚成核心。N端带正电荷的氨基酸则向四面伸出与DNA分子结合，帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构；组蛋白H1则像“锯钉”一样把缠绕在核小体两端的DNA牢牢地连接起来。非组蛋白与特异DNA序列结合，帮助DNA分子折叠形成不同的结构域，以有利于DNA的复制和基因的转录。细胞代谢越旺盛，非组蛋白的含量越高。

3.3 DNA复制的纠错美 虽然DNA复制严格遵守碱基互补配对原则，但在外界和生物体内部因素的作用下，DNA分子很容易受到损伤，其复制过程会出现错配、漏配、多配等错误。对生物体来说，这种损伤和错误多数是有害的，甚至是致死的。但幸运的是，在生物的进化过程中，细胞内形成了一套完整的灵敏度极高的监测系统，用于识别和纠正基因组中出现的异常情况。这一系统包括“巡逻”蛋白、“警报”蛋白以及损伤修复酶。例如，细胞中有一种错配修复酶专门识别并修复错配的碱基；在淋巴细胞和皮肤成纤维细胞中有一种DNA光解酶，该酶能特异性识别紫外线造成的核酸链上的嘧啶二聚体，并在可见光的激活下将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体；细胞中还有多种特异的核酸内切酶，可识别DNA的损伤部位，在其附近将DNA单链切开，再由外切酶将损伤链切除，然后由聚合酶以完整链为模板进行修复合成，最后由连接酶封口。通过及时纠错，保证DNA的结构完整和准确无误地遗传给后代。

3.4 染色体端粒的反纠错美 染色体DNA复制始于内部起始点，以短链RNA分子作引物，沿5′→3′方向延伸互补链。其中前导链[1]连续合成，随从链先分段沿5′→3′方向合成冈崎片段，然后切去各段引物，再由DNA连接酶将冈崎片段连接成完整的DNA链。由于DNA聚合酶不能催化DNA链从3′→5′方向延伸，子代DNA链5′端的引物被切去后会留下一段空缺，导致子代DNA分子上有一段不完整的5'末端[4]。此时，如果不能延长子代DNA链上留下的一段空缺，就会在一些修复酶的作用下，把另一条链中悬空的DNA链切除，从而造成DNA分子随着不断的复制而逐渐缩短。但巧妙的是，染色体末端有一种由蛋白和重复DNA构成的特殊结构——端粒，它能铸成一道“抗酶盾”，保护染色体末端。其中两个结合在端粒上的蛋白Rif1和Rif2，能检测到DNA修复监控系统的警告，并阻止这种警报系统中特异性蛋白的结合，从而阻断切除修复过程。而且端粒酶还能与端粒结合，并通过反转录[5]合成随从链5′端因引物被切除后留下的空缺，从而使染色体结构保持完整。端粒的这种反纠错功能确保遗传信息不会因为DNA复制而丢失，对于细胞的分裂和遗传具有重要的意义。

4 细胞核的进化美

细胞核的出现使细胞有更细化的分工和更复杂的结构，赋予真核细胞更强大的功能。同时，真核细胞种类的分化，特别是动植物的分化使生物体型向高级的方向发展。细胞核的出现，还使细胞增殖的方式多样化，其中减数分裂则是有性生殖的重要特征。有性生殖的出现使物种的变异更加多样性，大大推进生物进化的速度。总之，细胞核的出现使自然界更加纷繁复杂、绚丽多彩，是生物进化史上最美的事件之一。