核基质

将分离纯化的大鼠肝细胞核用非离子去垢剂、核酸酶消化与高盐缓冲液处理,当核膜、染色质和核仁被抽提后,发现核内仍保留一个以纤维蛋白成分为主的网架结构,将这种网状结构命名为核基质(nuclear matrix)。

因为它的基本形态与细胞质骨架相似,同时与胞质骨架体系存在一定的联系,所以也有人将其称为核骨架(nuclear skeleton)。
但对核骨架或核基质概念的理解,目前有两种看法:

  1. 广义的概念是核骨架由核纤层、核孔复合体、残存的核仁和一个不溶的网络状结构(即核基质)组成。
  2. 狭义的概念是指核基质,它不包含核膜、核纤层、染色质和核仁等成分,但是这些网络状结构与核纤层及核孔复合体等有结构上的联系,而且在功能上与核仁、染色质结构和功能密切相关。
    笔者认为比较好的理解:
    细胞核骨架=核骨架=核孔复合体+核纤层+残存核仁+核基质(即一个不溶的网络状结构)

一、核基质的组成成分与形态结构

核基质是一个以纤维蛋白成分为主的纤维网架结构,分布在整个细胞核内。这些网架结构是由粗细不均、直径为3~30nm的纤维组成。纤维单体的直径约3~4nm,较粗的纤维是单体纤维的聚合体。

核基质的主要成分是蛋白质,(其)含量达90%以上,另有少量的RNA。RNA含量虽少,但对于维持核基质三维网络结构的完整性是必需的。RNA在核基质纤维网络之间可能起着某种连接作用。

由于在核基质纤维上结合有一定数量的RNP颗粒,因此,有人提出核基质的结构组分是以蛋白质为主的RNP复合物。

组成核基质的蛋白质成分较为复杂多变,核基质蛋白可分为两类:

  1. 一类是核基质蛋白(nuclear matrix protein, NMP),其中多数是纤维蛋白,也含有硫蛋白,是各种类型细胞所共有的;
  2. 另一类是功能性的核基质结合蛋白(nuclear matrix associated protein,NMAP),与细胞类型、分化程度、生理及病理状态有关。

二、核基质的功能

近年的研究表明,核基质可能参与DNA复制、基因表达、hnRNA加工、染色体DNA有序包装和构建等生命活动。

(一)核基质参与DNA复制

1.核基质上锚泊DNA复制复合体

DNA袢环与DNA复制有关的酶和因子锚定在核基质上形成DNA复制复合体(DNA replication complex),进行DNA复制。 DNA就像从一个固定的复制复合体中释放出来。

DNA聚合酶在核基质上可能具有特定的结合位点,DNA聚合酶通过结合于核基质上而被激活。

核基质可能是DNA复制的空间支架。一个袢环中可能有几个复制起始点。只有起始点结合到核基质时,DNA合成才能开始。

DNA袢环是通过其特定位点结合在核基质上的。该特定位点的核苷酸序列被称为核基质结合序列(matrix-attached region,MAR),该序列富含AT,它通过与核基质相互作用,调节基因的复制与转录等。

2.核基质上结合新合成的DNA

新合成的DNA先结合在核基质上。

3.核基质上DNA的复制效率提高

核基质可能为DNA精确而高效的复制提供良好的空间支架。高度纯化的DNA在离体进行DNA复制时,DNA的复制效率极低且复制错误多。

(二)核基质参与基因转录和加工

1.核基质与基因转录活性密切相关

具有转录活性的基因结合在核基质上,只有与核基质结合的基因才能进行转录。RNA是在核基质上进行合成的。

2.核基质参与RNA的加工修饰

核基质与hnRNA的加工过程也有密切的联系。

hnRNA加工常以RNP复合物(核糖核蛋白复合物)的形态进行,用RNase处理RNP复合物,剩余的蛋白质能组装成核基质样的纤维网络,由此推测,核基质参与了RNA转录后的加工修饰。

有人具体指出hnRNA上的poly A区可能就是hnRNA在核基质中的附着点。

(三)核基质参与染色体构建

染色质组装的放射环模型中,由30nm染色质细丝折叠而成的袢环锚定在核基质上,每18个袢环呈放射状排列结合在核基质上构成微带,再由微带沿着核基质形成的轴心支架构成染色单体。

这个模型说明核基质可能对于间期核内DNA有规律的空间构型起着维系和支架的作用,它们参与 DNA超螺旋化的稳定过程。

(四)核基质与细胞分化相关

核基质的发达状况与核内RNA合成能力、细胞分化程度密切相关。

分化程度高的细胞中RNA合成能力强,核基质也很发达。核基质结构和功能的改变,可导致基因选择性转录活性的变化,引起细胞分化。