細(xì)胞核中的生命美學(xué)

張榮巖

(山東省東營(yíng)市第一中學(xué) 257091)

1 細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)美

細(xì)胞核主要由核膜、核仁、染色質(zhì)、核纖層和核骨架組成，它們相互聯(lián)系和依存，使細(xì)胞核作為一個(gè)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(nèi)、外兩層平行但不連續(xù)的單位膜組成，面向胞質(zhì)的一層為核外膜，面向核質(zhì)的一層為核內(nèi)膜，兩層膜之間的空隙為核周池。核外膜常與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連通，可看作是粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與核內(nèi)膜的過渡。這種過渡使細(xì)胞的內(nèi)膜系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上保持連續(xù)，在功能上高度協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)的“互聯(lián)互通”。這種過渡使核周池與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通，從而使核周池內(nèi)的多種蛋白質(zhì)和酶能順利地進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，也使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的相關(guān)物質(zhì)順暢地流入核周池，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和信息的“交流與共享”；還能有效地調(diào)節(jié)核周池的寬度隨細(xì)胞功能狀態(tài)的變化而發(fā)生改變，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能的“協(xié)調(diào)與適應(yīng)”。

1.2 核骨架的支撐美 核骨架是細(xì)胞核內(nèi)以蛋白質(zhì)為主的纖維網(wǎng)架體系，主要由核骨架蛋白和核骨架結(jié)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(jié)合，核骨架結(jié)合蛋白則是一些起調(diào)節(jié)作用的因子，包括起催化作用的酶、接受和傳遞信號(hào)的受體等。DNA復(fù)制是細(xì)胞分裂和生物遺傳中的重要事件。人的每個(gè)體細(xì)胞核所含的DNA約為6×109bp，分布在46條染色體中，總長(zhǎng)度達(dá)2 m，平均每條染色體DNA分子長(zhǎng)約5 cm，而細(xì)胞核的直徑只有約5～8 μm，相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)球含有2 km長(zhǎng)的細(xì)線[1]。

在細(xì)胞核這樣小小的空間容納如此多的DNA，怎樣在空間上進(jìn)行有序調(diào)節(jié)，確保DNA復(fù)制能準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行呢？原來，DNA以復(fù)制環(huán)的形式錨定在核骨架上，其復(fù)制位點(diǎn)與核骨架結(jié)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(fù)制有關(guān)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(diǎn)結(jié)合而被激活，進(jìn)而啟動(dòng)DNA復(fù)制。DNA復(fù)制還有嚴(yán)格的“等級(jí)制度”，占染色質(zhì)總數(shù)10%的常染色質(zhì)先行復(fù)制，其他異質(zhì)染色質(zhì)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(cuò)美 核纖層蛋白是組成核纖層的重要成分，在哺乳動(dòng)物和鳥類的細(xì)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(jié)構(gòu)域以及一個(gè)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(cuò)編織形成核纖層。這種交錯(cuò)實(shí)現(xiàn)了核纖層蛋白從無序到有序的轉(zhuǎn)化，使編織形成的籠狀網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)固，為細(xì)胞核完成各項(xiàng)生命活動(dòng)提供結(jié)構(gòu)支架。核纖層蛋白通過C端添加的與疏水異丙基結(jié)合的脂肪酸插入核膜的內(nèi)脂層，牢固地把內(nèi)層核膜錨定在核纖層上；它向內(nèi)還與染色質(zhì)的特定區(qū)段結(jié)合，為染色質(zhì)提供結(jié)構(gòu)支撐；核纖層蛋白在核內(nèi)與核基質(zhì)相連，在核外與中間纖維相接，構(gòu)成貫穿于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)的統(tǒng)一網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系。

1.4 核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)美 核孔是核被膜上由蛋白質(zhì)構(gòu)成的極其復(fù)雜的可調(diào)節(jié)孔道，是由100余種1000多個(gè)蛋白質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合體[1]，包括胞質(zhì)環(huán)、核質(zhì)環(huán)、輻和中央栓四部分，組成一個(gè)像“捕魚籠”樣的結(jié)構(gòu)。胞質(zhì)環(huán)上的胞質(zhì)絲伸入細(xì)胞質(zhì)，就像“魚竿”一樣把親核蛋白等物質(zhì)“釣入魚籠”內(nèi)；中央栓則把釣來的“魚”經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核內(nèi)；輻由核孔邊緣伸向中心，呈輻射狀八重對(duì)稱，連接內(nèi)、外環(huán)，支撐著核孔，為“魚”順利通過核孔提供條件；核質(zhì)環(huán)游離在核質(zhì)中，其末端小環(huán)的8個(gè)顆粒上又發(fā)出8條細(xì)長(zhǎng)的纖維，與一種“電纜”通道相通。不同的核孔復(fù)合體發(fā)出的“電纜”相互交叉，形成一個(gè)遍布核質(zhì)、相互貫通的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)核質(zhì)間頻繁的物質(zhì)交換和信息交流打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 細(xì)胞核的功能美

細(xì)胞核是遺傳信息庫(kù)，是細(xì)胞代謝和遺傳的控制中心。核孔、核膜、核仁、染色質(zhì)等表現(xiàn)出驚人的協(xié)調(diào)與配合。

2.1 核孔復(fù)合體的選擇美 細(xì)胞代謝的中心是細(xì)胞質(zhì)，而其控制中心是細(xì)胞核。怎樣實(shí)現(xiàn)核質(zhì)間特定的物質(zhì)交換和頻繁的信息交流呢？原來，精巧的核孔復(fù)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(zhì)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(fù)合體的主動(dòng)運(yùn)輸來完成。這種主動(dòng)選擇是一個(gè)信號(hào)識(shí)別與載體介導(dǎo)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(hào)”，它特異性地與受體蛋白結(jié)合，保證蛋白質(zhì)能夠通過核孔復(fù)合體被轉(zhuǎn)運(yùn)到核內(nèi)；有些蛋白質(zhì)自身沒有信號(hào)序列，但可以與其他有核定位信號(hào)的蛋白質(zhì)結(jié)合被運(yùn)輸?shù)胶藘?nèi)。同樣，成熟的RNA轉(zhuǎn)運(yùn)出核也是一個(gè)修飾加工、信號(hào)調(diào)節(jié)和蛋白質(zhì)介導(dǎo)的過程，轉(zhuǎn)錄形成的rRNA總是在核仁中與從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)來的核糖體蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體亞單位才能離開細(xì)胞核。核孔復(fù)合體能識(shí)別“核定位信號(hào)”，按照細(xì)胞核的需求選擇性地把大分子運(yùn)入；能甄別RNA是否被修飾過，是否與核糖體蛋白質(zhì)結(jié)合，按照細(xì)胞質(zhì)的需要選擇性地把物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)出核，不會(huì)發(fā)生錯(cuò)運(yùn)、漏運(yùn)和“偷運(yùn)”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(xì)胞周期的一大特征。在細(xì)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(nèi)進(jìn)行“排隊(duì)”，為染色體平均分配騰出空間。經(jīng)復(fù)制的染色體一旦平均分配到細(xì)胞兩極，核膜又重新裝配起來行使對(duì)染色質(zhì)的保護(hù)功能；核仁也重新組織起來，用以合成、加工rRNA，并對(duì)核糖體亞單位進(jìn)行裝配。

2.3 染色質(zhì)的形變美 細(xì)胞核中最重要的結(jié)構(gòu)是染色質(zhì)。在細(xì)胞分裂的間期，染色質(zhì)呈極細(xì)的絲狀物，在細(xì)胞核內(nèi)交織成網(wǎng)；在分裂期，染色質(zhì)高度螺旋化，變短變粗，形成染色體，因此，染色質(zhì)與染色體是同一種物質(zhì)在細(xì)胞不同時(shí)期的兩種存在狀態(tài)。兩者周期性形變的意義在于：細(xì)胞分裂間期的重要任務(wù)是完成染色質(zhì)的復(fù)制，即DNA復(fù)制和有關(guān)蛋白質(zhì)的合成，為分裂期做好充分的物質(zhì)準(zhǔn)備。而處于解螺旋松解狀態(tài)的極細(xì)的染色質(zhì)不僅有利于DNA的復(fù)制，也有利于基因的表達(dá)，以合成相關(guān)蛋白質(zhì)。分裂期的主要任務(wù)是完成染色體的平均分配，即保證復(fù)制后的染色體平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中。這時(shí)染色質(zhì)高度螺旋化，經(jīng)過四級(jí)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(jìn)行“排隊(duì)”，進(jìn)而平均分配到細(xì)胞的兩極；也可避免纖細(xì)而交織的染色質(zhì)被紡錘絲拉斷的危險(xiǎn)，保護(hù)遺傳物質(zhì)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(gè)轉(zhuǎn)錄單位，它是rRNA基因拷貝串聯(lián)成的重復(fù)序列，成簇分布在核仁組織區(qū)。新形成的rRNA鏈沿轉(zhuǎn)錄方向從DNA長(zhǎng)軸兩側(cè)垂直伸展出來，并且從一端到另一端有規(guī)律地增長(zhǎng)，形成箭頭狀結(jié)構(gòu)，外形像“圣誕樹”，每個(gè)箭頭狀結(jié)構(gòu)代表rRNA基因轉(zhuǎn)錄單位。這種組織形式一有利于增加啟動(dòng)子的局部濃度，從而使轉(zhuǎn)錄高效進(jìn)行；二有利于RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子的識(shí)別并與之結(jié)合，節(jié)省轉(zhuǎn)錄時(shí)間；三有利于專一性很強(qiáng)的RNA聚合酶Ⅰ在一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位連續(xù)運(yùn)作，從而使rRNA基因的轉(zhuǎn)錄能夠以受控的級(jí)聯(lián)放大方式進(jìn)行，轉(zhuǎn)錄合成更多的rRNA。

2.5 mRNA的修飾美 mRNA在細(xì)胞核中被轉(zhuǎn)錄形成后，必須經(jīng)過戴帽、加尾、剪接、編輯等修飾過程，形成成熟的mRNA才能被轉(zhuǎn)運(yùn)出核。戴帽就是在5′端倒扣一個(gè)鳥嘌呤核糖核苷酸；加尾就是在加尾信號(hào)的作用下，由poly(A)合成酶在3′端催化多聚腺苷酸反應(yīng)，形成約40～200個(gè)[2]左右的腺苷酸序列。細(xì)胞中有許多核酸酶負(fù)責(zé)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(zhì)合成的起始因子所識(shí)別，并與核糖體小亞基結(jié)合，從而啟動(dòng)蛋白質(zhì)合成；加尾是mRNA由細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)所必需的形式，并提高其在細(xì)胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。另外，mRNA前體還要經(jīng)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(fù)合物作用下完成的。剪接體依次刪除mRNA前體中的內(nèi)含子。生產(chǎn)成熟mRNA的剪接方式稱為常規(guī)剪接；但在特定條件下某個(gè)內(nèi)含子的5′端與另一個(gè)內(nèi)含子的3′端進(jìn)行剪接時(shí)就會(huì)刪除這兩個(gè)內(nèi)含子及其中間的全部外顯子和內(nèi)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(gè)基因的mRNA前體經(jīng)過變位剪接可以產(chǎn)生許多不同的蛋白質(zhì)或形成一組相似的蛋白質(zhì)家族。

3 對(duì)遺傳物質(zhì)的保護(hù)美

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

3.1 雙層核膜的屏障美 核被膜是保護(hù)遺傳物質(zhì)的重要屏障。雙層核膜使核內(nèi)溫度、壓力、pH和化學(xué)成分相對(duì)穩(wěn)定，為遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化提供良好的微環(huán)境，使高度復(fù)雜的遺傳裝置相對(duì)獨(dú)立，也使基因的表達(dá)具有嚴(yán)格的區(qū)域性。另外，遺傳物質(zhì)的復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄與加工都在核內(nèi)進(jìn)行，蛋白質(zhì)翻譯則局限在細(xì)胞質(zhì)中，減少了相互干擾，從而使細(xì)胞的生命活動(dòng)更加有序和高效。

3.2 蛋白質(zhì)的糾纏美 細(xì)胞核中的DNA與蛋白質(zhì)“糾纏”在一起形成染色質(zhì)，與DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)有兩類：一類是與DNA非特異性結(jié)合的組蛋白；另一類是與DNA特異性結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)合，幫助DNA卷曲形成核小體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；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(jié)合，幫助DNA分子折疊形成不同的結(jié)構(gòu)域，以有利于DNA的復(fù)制和基因的轉(zhuǎn)錄。細(xì)胞代謝越旺盛，非組蛋白的含量越高。

3.3 DNA復(fù)制的糾錯(cuò)美 雖然DNA復(fù)制嚴(yán)格遵守堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，但在外界和生物體內(nèi)部因素的作用下，DNA分子很容易受到損傷，其復(fù)制過程會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)配、漏配、多配等錯(cuò)誤。對(duì)生物體來說，這種損傷和錯(cuò)誤多數(shù)是有害的，甚至是致死的。但幸運(yùn)的是，在生物的進(jìn)化過程中，細(xì)胞內(nèi)形成了一套完整的靈敏度極高的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于識(shí)別和糾正基因組中出現(xiàn)的異常情況。這一系統(tǒng)包括“巡邏”蛋白、“警報(bào)”蛋白以及損傷修復(fù)酶。例如，細(xì)胞中有一種錯(cuò)配修復(fù)酶專門識(shí)別并修復(fù)錯(cuò)配的堿基；在淋巴細(xì)胞和皮膚成纖維細(xì)胞中有一種DNA光解酶，該酶能特異性識(shí)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(gè)正常的嘧啶單體；細(xì)胞中還有多種特異的核酸內(nèi)切酶，可識(shí)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(jìn)行修復(fù)合成，最后由連接酶封口。通過及時(shí)糾錯(cuò)，保證DNA的結(jié)構(gòu)完整和準(zhǔn)確無誤地遺傳給后代。

3.4 染色體端粒的反糾錯(cuò)美 染色體DNA復(fù)制始于內(nèi)部起始點(diǎn)，以短鏈RNA分子作引物，沿5′→3′方向延伸互補(bǔ)鏈。其中前導(dǎo)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(huì)留下一段空缺，導(dǎo)致子代DNA分子上有一段不完整的5'末端[4]。此時(shí)，如果不能延長(zhǎng)子代DNA鏈上留下的一段空缺，就會(huì)在一些修復(fù)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(fù)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(fù)DNA構(gòu)成的特殊結(jié)構(gòu)——端粒，它能鑄成一道“抗酶盾”，保護(hù)染色體末端。其中兩個(gè)結(jié)合在端粒上的蛋白R(shí)if1和Rif2，能檢測(cè)到DNA修復(fù)監(jiān)控系統(tǒng)的警告，并阻止這種警報(bào)系統(tǒng)中特異性蛋白的結(jié)合，從而阻斷切除修復(fù)過程。而且端粒酶還能與端粒結(jié)合，并通過反轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)保持完整。端粒的這種反糾錯(cuò)功能確保遺傳信息不會(huì)因?yàn)镈NA復(fù)制而丟失，對(duì)于細(xì)胞的分裂和遺傳具有重要的意義。

4 細(xì)胞核的進(jìn)化美

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