细胞核

核膜包括以平行方式相互重疊的兩層膜狀構造，也就是內膜及外膜，膜的厚度约为70～80nm，兩者之間的距離約20到40nm，其间称为核周隙或膜间腔。核膜將細胞核完全包覆，使內側的遺傳物質與外側的細胞質分離。並阻擋大分子在核質與細胞質之間自由擴散[9]。細胞核的外膜與另一種膜狀構造粗糙內質網相連，而膜间腔与内质网腔相通，兩者皆綴有核糖體。内膜面向核质，表面光滑没有核糖体颗粒。

穿透核膜的核孔擁有類似於通道的功能，是由多種核稱為核孔蛋白的蛋白質所組成。核孔的直径为80～120nm[1]，分子量約125百萬Da，含有約50（酵母菌）到100（脊椎動物）個蛋白質[7]。不過真正可讓分子自由擴散的孔道只有寬9奈米，這是因為核孔中間存在一些調節系統。小型的水溶性分子可以直接通過，而大型分子如核酸與蛋白質則會受到阻礙，需要透過主動運輸才能進入細胞核。典型的哺乳類細胞核膜上，擁有約3000到4000個核孔[10]，這些核孔含有8個形狀有如甜甜圈的環狀對稱構造，同時嵌於內外膜之中[11]。伴隨這些環狀構造的核籃（nuclear basket），則向內延伸進入核質；另外還有一系列的絲狀構造伸入細胞質中。這些構造的功能是用來與核運輸蛋白結合[7]。

許多蛋白質、核糖體次單元或RNA，可在一類稱為核轉運蛋白（karyopherin）的運輸因子中介下通過核孔。其中可幫助分子進入核內的又稱為內輸蛋白（importin）；幫助分子離開細胞核的則稱作外輸蛋白（exportin）。大多數核轉運蛋白可直接與欲運送的分子作用，有些則需要轉接蛋白協助[12]。類固醇激素如皮質醇與醛固酮，以及其他作為細胞信號的脂溶性分子，可以從細胞膜擴散進入細胞質，並與將要進入細胞核內的核受體蛋白結合。這些受體與配體結合時具有轉錄因子的功用，若配體不存在，受體則有組織蛋白去乙醯酶的作用，可抑制基因表現[7]。

動物細胞內有兩種用來支撐細胞核的中間纖維：其中核纖層為一種有系統的網狀結構，分佈於核模內側；而另一種較缺乏系統的支撐構造則位於核模外側。兩種結構除了支撐核模外，也是染色體與核孔的賴以固定的位點[13]。

核纖層主要是由層蛋白所構成，與多數蛋白質相同，層蛋白是合成於細胞質，之後再送入細胞核內部。這些蛋白質在核內會先聚集在一起，再與原有的核纖層網狀構造結合[14][15]。此外，層蛋白也會出現在核質內部，組成另一種可在螢光顯微下觀察，稱為nucleoplasmic veil的調控結構[16]。此構造位於核仁外側，且存在於分裂間期[17]，其功能則尚未明瞭。目前已知有些形成veil的層蛋白結構，會與染色質結合並破壞其構造，進而抑制蛋白質編碼基因的轉錄[18]。

與其他中間纖維相同的是，層蛋白單體含有一個α螺旋結構域。這些結構域兩兩互相纏繞，形成一種稱為捲曲螺旋的雙體結構。而兩個雙體還會再以反平行方式，組合成一種稱為原絲的四聚體。八條原絲可以在水平排列下，形成捲曲狀的繩狀纖維。這些纖維可以在相同狀態下聚合或分解，因此纖維的長度，是取決於纖維的增加與減少速率之間的競爭[13]。

當層蛋白基因發生突變時，會導致纖維的聚合情形發生缺陷，此種狀況稱為層蛋白病。這類病症中，以一系列稱為早衰症的疾病較為著名。罹患早衰症的人，會顯現出提早成熟並老化的現象。至於基因與老化表型之間在生物化學上的詳細機制，目前並不明瞭[19]。

老鼠纖維母細胞中的細胞核，圖中可見染成藍色的DNA。其中2號染色體及9號染色體，分別以熒光原位雜交方式染成紅色與綠色。

染色质主要由蛋白质遗传物质DNA和构成，可以被碱性染料染成深色，在细胞分裂的间期，染色质呈现细长丝状；在分裂期，它们们会缩短变粗成为染色体，此时是观察染色体的最佳时期。此外还有少量遗传物质存在于线粒体、叶绿体等细胞器中。[20]

染色質可分為兩種，一種是DNA以較鬆散的方式組成的真染色質，其中含有細胞中較多可表現的基因[21]。另一種則是DNA結構較為緊密的異染色質，其中的DNA鮮少被轉錄。異染色質又可分為兩種，一種稱為「選擇性」異染色質，含有的基因在特定種類細胞或特定發育階段才會表現；另一種稱為「永久性」異染色質，內含一些染色體構成物，例如端粒或著絲粒[22]。染色質在分裂間期會分別組織在各自的領域中[23]，這些領域稱為「染色體區域」[24]。主要存在於真染色質內的可作用基因，傾向於靠近在染色質區域的邊緣地帶[25]。

可與特定染色質結構，尤其是與核小體結合的一些抗體，與一些自體免疫疾病，如全身性紅斑狼瘡有關[26]。這些抗體稱為抗核抗體（ANA），已知與一部分發生於多發性硬化症中的全身性免疫系統失調有關[27]。在早衰症中，抗體在導致自體免疫疾病症狀上的影響並不顯著。

細胞核的電子顯微攝影圖像，暗色部分為經染色處理的核仁。

核仁是細胞核內部一種染色濃度較高，且非膜狀的不連續構造，有時被稱作「次胞器」（suborganelle）。這些核仁是從rDNA，也就是核糖體RNA（rRNA）的DNA編碼周圍開始成型，rDNA片段具有串聯重複特性，稱作核仁組織區域（nucleolar organizer regions；NOR）。核仁的主要作用，是合成rRNA並組成核糖體；而核仁的凝聚性，則視其活性而定。當核糖體進行合成時，組成核仁的原料會快速聚合在一起，以幫助核糖體的生成，而核仁也並因此成型。觀察顯示當rDNA失去作用時，會使核仁的結構混雜在一起，使上述模型獲得支持[28]。

核糖體組成的第一個步驟，是rDNA的轉錄，參與此過程的酵素是RNA聚合酶I。轉錄作用會生成rRNA前體，之後再被切割成三個次單元，分別是5.8S、18S以及28SrRNA[29]。核仁中的rRNA會在轉錄以及後轉錄過程中聚集在一起，形成小核仁RNA（snoRNA）分子，其部分結構是來自被剪接作用移出的內含子，這些內含子原本屬於mRNA前體；而此過程裡的mRNA，則是由負責核糖體功能的基因所轉錄而成。組裝完成的核糖體次單元，是各種進出核孔的分子中體積最大者[7]。

在電子顯微鏡的觀察下，可見核仁含有三個不同的區域，其中位於最內部的稱為「纖維中心」（fibrillar centers，FCs），往外一層為「緻密纖維組分」（dense fibrillar component，DFC），最外圍則是「顆粒組分」（granular component，GC）。rDNA的轉錄可發生於FC或是FC與DFC的邊界上。因此當細胞中的rDNA正在轉錄時，會使FC的數量增加。而大多數rRNA的分割與修飾，則發生在DFC部分，之後再於GC部位與蛋白質會合[29]。

除了核仁以外，細胞核內還有多種並非由膜所包圍的小體，包括卡哈爾體（Cajal bodies）、螺旋體雙子（Gemini of coiled bodies）、多型間期核質輔助物（polymorphic interphase karyosomal association，PIKA）、早幼粒細胞白血病體（promyelocytic leukaemia bodies，PML bodies）、paraspeckles以及 splicing speckles。這些次核構造的數量尚未明瞭，不過由此可知核質內容並非均勻，而是含有許多有組織、有功能的次級區域[32]。

其他還有一些次核構造會作為異常疾病過程的一部分而出現，例如小型內核桿（small intranuclear rods）的出現，已知與伴隨著部分線狀肌肉病變（nemaline myopathy）病例。此症狀是肌動蛋白基因發生突變時的典型後果，會產生一些含有突變肌動蛋白的桿狀構造[34]。

核膜使細胞核可掌控其內容物，並使這些物質與外部的細胞質隔離開來。這種作用對於核膜內外兩側的各種調控處理作用皆相當重要。有時細胞質中的處理作用必須受到限制，這時參與作用的關鍵物質就會移動到細胞核中，並與轉錄因子作用以進行負向調節，進而抑制反應路徑中特定酵素的生成。以降解葡萄糖並生成能量的反應途徑糖解作用為例，參與其中的己糖激酶負責催化第一個步驟，使葡萄糖轉變成葡萄糖-6-磷酸。當糖解作用的後期產物果糖-6-磷酸濃度較高時，調控蛋白就會將六碳糖激酶移入細胞核[35]，使其與核內蛋白質組合成為轉錄抑制複合物，以減弱糖解作用相關基因的表現[36]。

為了調控正在轉錄當中的基因，細胞可將某些參與調節基因表現的轉錄因子與DNA隔離，直到這些因子在其他訊息傳遞路徑中活化。不必要的基因表現即使只有少量，也會在此過程中受到阻礙。以參與大部分發炎反應的NF-κB調控基因為例，轉錄作用會受一連串訊息路徑所誘導，一開始是TNF-α訊號分子與細胞膜上的受器結合，導致訊號蛋白的重新補充，最後使NF-κB受到活化。NF-κB上的核定位信號可使其經由核孔運輸進入細胞核內，刺激目標基因的轉錄[13]。

分隔作用也可以防止細胞對尚未經過剪接的mRNA進行轉譯[37]，因為真核生物的mRNA必須在轉譯作用開始之前去除其中的內含子，才能合成有用的蛋白質。mRNA在與核糖體接觸並開始轉譯以前，會先在細胞核中進行剪接作用，如果沒有細胞核，那麼未經處裡的mRNA就會受到轉譯，進而產生形狀錯誤，且功能無用的蛋白質。

還在進行轉錄合成的核糖體RNA，可見正在增長的初級轉錄產物。右方箭頭所指為DNA的3'端，為RNA合成起始點；左方箭頭所指是5'端，是近乎完成的初級轉錄產物。

基因表現的第一步是轉錄，此過程利用DNA作為模板來合成RNA。具有蛋白質編碼的基因，會轉錄生成信使RNA（mRNA），而mRNA則會在稍後的轉譯作用中，經由核糖體的作用合成出蛋白質。由於核糖體位於細胞核外側，因此mRNA必須在合成後送出核外[38]。

因為細胞核是轉錄進行位置，所以含有多種不同的蛋白質，有些直接參與轉錄；有些則參與相關的調節作用。這些蛋白質包括可以將雙股DNA螺旋解開，幫助其他蛋白與其接觸的螺旋酶；或是可以合成RNA的RNA聚合酶；以及可以改變DNA超螺旋程度的拓樸異構酶；還有多種調節基因表現的轉錄因子[39]。

新合成的mRNA分子稱為初級轉錄產物或前體mRNA，在送入細胞質以前，必須先在細胞核內經過後轉錄修飾作用的處理。而細胞核內未受修飾的mRNA，將會被降解而非用作蛋白質的轉譯合成。三種主要的修飾作用是5'端加帽、3'端的多聚腺苷酸化，以及RNA剪接作用。前體mRNA會在細胞核中與多種蛋白質複合成異源核糖核蛋白顆粒（hnRNP）。加上5'端帽的過程與轉錄作用同時進行，是後轉錄修飾的第一個步驟。3'端多聚腺苷酸尾鏈則是在轉錄完成後才會加上。

RNA剪接是由稱為剪接體的複合物進行，此過程中前體mRNA上不會轉譯成蛋白質的內含子將會被移除，之後將切割過的外顯子片段重新組合成連續的分子。剪接作用通常發生在5'端帽與3'多聚腺苷酸處理完成之後，不過在一些外顯子也可以發生在轉錄完成以前[7]。包括可編碼出抗體的許多前體mRNA，可以經由多種不同的剪接方式生產出不同的mRNA，進而轉錄出多種不同的蛋白質序列。這種過程稱為選擇性剪接，使一段變化有限的DNA得以生產出許多不一樣的蛋白質。

细胞核与细胞质之间并不是简单的支配和被支配地位，细胞质本身并不是完全被动地接受细胞核的控制，而是对细胞核的正常功能的发挥具有不可缺少的作用，甚至对其有相当大的影响。可以说，细胞的生长发育是细胞核和细胞质的共同作用结果。这一观点可以用核移植实验说明：蛙脑细胞活性较低通常不再分裂，而成熟的未受精卵处于即将开始活跃的DNA合成状态。将分离的脑细胞核注入这种卵细胞，很快脑细胞核就被活化，进而进行DNA的合成。