染色体基础知识.docx

1、染色体基础知识染色体染色体（Chromosome ）是细胞内具有遗传性质的物体，易被碱性染料染成深色，所以叫染色体（染色质）；其本质是脱氧核甘酸，是细胞核内由核蛋白组成、能用碱性染料染色、有结构的线状体，是遗传物质基因的载体。染色体染色体是细胞核中载有遗传信息（基因）的物质，在显微镜下呈圆柱状或杆状，主要由脱氧核糖核酸和蛋白质组成，在细胞发生有丝分裂时期容易被碱性染料（例如龙胆紫和醋酸洋红）着色，因此而得名。在无性繁殖物种中，生物体内所有细胞的染色体数目都一样；而在有性繁殖大部分物种中，生物体的体细胞染色体成对分布，称为二倍体。性细胞如精子、卵子等是单倍体，染色体数目只是体细胞的一半。 1哺乳

2、动物雄性个体细胞的性染色体对为XY，雌性则为XX。鸟类和蚕的性染色体与哺乳动物不同：雄性个体的是ZZ，雌性个体为ZW。编辑本段发现1879年德国生物学家弗莱明（F1emingw ）把细胞核中的丝状和粒状的物质，用染料染红，观察发现这些物质平时散漫地分布在细胞核中，当细胞分裂时，散漫的染色物体便浓缩，形成一定数目和一定形状的条状物，到分裂完成时，条状物又疏松为散漫状。 1883年美国学者提出了遗传基因在染色体上的学说。 染色体1888年正式被命名为染色体。1902年美国生物学家沃尔特萨顿和鲍维里通过观察发现细胞的减数分裂时染色体与基因具有明显的平行关系，并推测基因位于染色体上。1928年摩尔根通

3、过果蝇杂交实验证实了染色体是基因的载体，从而获得了生理医学诺贝尔奖。1953年4月自然杂志刊登了美国的沃森和英国的克里克在英国剑桥大学合作的研究成果：DNA双螺旋结构的分子模型，被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现。1956年，美籍华裔遗传学家Joe Hin Tjio (19192001，资料译为 庄有兴 或 蒋有兴 ),和Levan首次发现人的体细胞的染色体数目为46条，标志着人类细胞遗传学的建立。46条染色体按其大小、形态配成23对，第一对到第二十二对叫做常染色体，为男女共有，第二十三对是一对性染色体，雄性个体细胞的性染色体对为XY；雌性则为XX。编辑本段结构简介染色体的超微结构显示染

4、色体是由直径仅100埃（Å，1埃=0.1纳米）的DNA-组蛋白高度螺旋化的纤维所组成。每一条染色单体可看作一条双螺旋的DNA分子。有丝分裂间期时，DNA解螺旋而形成无限伸展的细丝，此时不易为染料所着色，光镜下呈无定形物质，称之为染色质。有丝分裂时DNA高度螺旋化而呈现特定的形态，此时易被碱性染料（例如龙胆紫和醋酸洋红）着色，称之为常染色体。1970年后陆续问世的各种显带技术对染色体的识别作出了很大贡献。中期染色体经过DNA变性、胰酶消化或荧光染色等处理，可出现沿纵轴排列的明暗相间的带纹。按照染色体上特征性的标志可将每一个臂从内到外分为若干区，每个区又可分为若干条带，每条带又再分为若

5、干个亚带，例如“9q34.1”即表示9号染色体长臂第3区第4条带的第1个亚带。由于每条染色体带纹的数目和宽度是相对恒定的，根据带型的不同可识别每条 染色体染色体及其片段。80年代以来根据DNA双链互补的原理，应用已知序列的DNA探针进行荧光原位杂交（Fluorescence in situ hybridization，FISH）可以识别整条染色体、染色体的1个臂、1条带甚至一个基因，因而大大提高了染色体识别的准确性和敏感性。染色体是遗传物质基因的载体，控制人类形态、生理和生化等特征的结构基因呈直线排列在染色体上。2000年6月26日人类基因组计划（HGP）已宣布完成人类基因组序列框架图。200

6、1年2月12日HGP和塞雷拉公司公布了人类基因组图谱和初步分析结果。人类基因组共有33.5万个基因，而不是以往认为的10万个。由此可见，染色体和基因二者密切相关，染色体的任何改变必然导致基因的异常。染色体成分染色体的“绳珠模型”。染色体的主要化学成份是脱氧核糖核酸（DNA）和蛋白质构成，染色体上的蛋白质有两类：一类是低分子量的碱性蛋白即组蛋白（histones），另一类是酸性蛋白质，即非组蛋白蛋白质（non-histone proteins）。非组蛋白蛋白质的种类和含量不十分恒定，而组蛋白的种类和含量都很恒定，其含量大致与DNA相等。所以人们早就猜测，组蛋白在DNA蛋白质纤丝的形成上起着重要作

7、用。Kornberg根据生化资料，特别是根据电镜照相，最先在1974年提出绳珠模型（beads onastring model），用来说明DNA蛋白质纤丝的结构。纤丝的结构单位是核小体，它是染色体结构的最基本单位。核小体的核心是由4种组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）各两个分子构成的扁球状8聚体。现在我们知道，DNA分子具有典型的双螺旋结构，一个DNA分子就像是一条长长的双螺旋的纤丝。一条染色体有一个DNA分子。DNA双螺旋依次在每个组蛋白8聚体分子的表面盘绕约1.75圈，其长度相当于140个碱基对。组蛋白8聚体与其表面上盘绕的DNA分子共同构成核小体。在相邻的两个核小体之间，有长约5060

8、个碱基对的DNA连接线。在相邻的连接线之间结合着一个第5种组蛋白（H1）的分子。密集成串的核小体形成了核质中的100埃左右的纤维，这就是染色体的“一级结构”，就像成串的珠子一样，DNA为绳，组蛋白为珠，被称作染色体的“绳珠模型”如图在这里，DNA分子大约被压缩了7倍。染色体的一级结构经螺旋化形成中空的线状体，称为螺线体或核丝或螺线筒或螺旋管，这是染色体的“二级结构”，其外径约300埃，内径100埃，相邻螺旋间距为110埃。螺旋体的每一周螺旋包括6个核小体，因此DNA的长度在这个等级上又被再压缩了6倍。300埃左右的螺线体（二级结构）再进一步螺旋化，形成直径为0.4微米（m）的筒状体，称为超螺旋

9、管。这就是染色体的“三级结构”。到这里，DNA又再被压缩了40倍。超螺旋体进一步折叠盘绕后，形成染色单体染色体的“四级结构”。两条染色单体组成一条染色体。到这里，DNA的长度又再被压缩了5倍。从染色体的一级结构到四级结构，DNA分子一共被压缩了76405=8400倍。例如，人的染色体中DNA分子伸展开来的长度平均约为几个厘米，而染色体被压缩到只有几纳米长。编辑本段组型染色体组型（Karyotype）：描述一个生物体内所有染色体的大小、形状和数量信息的图象。这种组型技术 人类的23对染色体可用来寻找染色体歧变同特定疾病的关系，比如：染色体数目的异常增加、形状发生异常变化等。以染色体的数目和形态来

10、表示染色体组的特性，称为染色体组型。虽然染色体组型一般是以处于体细胞有丝分裂中期的染色体的数目和形态来表示，但是，也可以其他时期，特别是以前期或分裂间期的染色体形态来表示。关于整个染色体的情况可作下列记载而加以表示：各自的长度、粗细；着丝粒的位置；随体及次缢痕的有无、数目、位置；凝缩部不同的部分以及异染色质部分、常染色质部分；染色粒、端粒的形态、大小及分布情况；小缢痕的数目、位置；由于温度和药品处理所产生的染色体分带（band）的形态、数目、位置等等。对于染色体组的表示，现已提出几种方法。例如，染色体的数目是以n、2n分别表示配子和合子的染色体数目，以x表示基数，以b表示原始基数，以2x、3x

11、、4x、表示多倍性，以2x 1、2x-1、等等表示非整惰性，以1、2、3、等编号表示各个染色体。另外，为了表示各个染色体的形态特征，还可采用“V”形、“J”形等名称，或者采用由ALevan等（1964）所提出的根据着丝粒的位置进行分类的方法等。关于人类的染色体组型的表示法，在国际上是统一的（在丹佛1960、伦敦1963、芝加哥1966、巴黎1971等地召开的人类染色体会议上所制订的），已规定了为了表示染色体形态特征的染色体臂比、着丝点指数等指标。编辑本段结构序列染色体（variation）要确保在细胞世代中保持稳定，必须具有自主复制、保证复制的完整性、遗传物质能够平均分配的能力，与这些能力相关

12、的结构序列是：自主复制DNA序列20世纪70年代末首次在酵母菌中发现。自主复制DNA序列具有一个复制起始点，能确保染色体在细胞周期中能够自我复制，从而保证染色体在世代传递中具有稳定性和连续性。着丝粒DNA序列着丝粒DNA序列与染色体的分离有关。着丝粒DNA序列能确保染色体在细胞分裂时能被平均分配到2个子细胞中去。着丝粒DNA序列特点：（1）一方面在所有的真核生物中它们的功能是高度保守的，另一方面即使在亲缘关系非常相近的物种之间它们的序列也是多样的。（2）绝大多数生物的着丝粒都是由高度重复的串联序列构成的，然而，在着丝粒的核心区域，重复序列的删除，扩增以及突变发生的非常频繁，目前的种种研究表明，

13、重复序列并不是着丝粒活性所必须的。（3）有些科学家提出了可能是DNA的二级结构甚至是高级结构是决定着丝粒位置和功能的因素。即功能的序列无关性。端粒DNA序列为一段短的正向重复序列，在人类为TTAGGG的高度重复序列。端粒DNA功能是保证染色体的独立性和遗传稳定性。染色体的分裂分叁种；一是母钟分裂，这个一般发生在受精卵的早期，人类具体就是从一条受精卵分裂为个体的23对染色体的过程，意思是按照母体蓝图进行子代分裂，被分裂的23对染色体分别可以造出各种组织器官，如果第一条是造肝的，那么它上面的所有造肝的基因片段都被打开，相反其它器官的制造信息都被关闭，这个过程母体蓝图染色体要分裂4次（按几何级数分裂

14、）；二是子钟分裂，按照母体蓝图分裂的23对人类染色体已经在“母钟分裂”过程中分别被打开，它们各自按照各自的“子代蓝图”进行下面造器官的分裂，一个个有机的器官从此被造出，并且开始发挥各自的功能，这个过程子体蓝图染色体要分裂24次（个物种染色体的不同，其分裂的次数也不同，不过一个总的原则是按染色体数分裂），在24次分裂后，一个完整的人体就被造出来；三是孙钟分裂，一个独立的人体，在生长发育的过程中，还有一些器质性和功能性的东西没有出现，所以必须再打开，进行再分裂。比如七岁儿童脱牙，十多岁少年具有生育能力，有些遗传病到一定时候的发作，等等。分裂期的染色体对应三种分裂，必须有三种控制分裂发生的手段。母钟

15、分裂是“端点（又叫端粒）控制体系”，这种分裂的原始触发点在外界，比如飘荡在空气中的细菌，它只要没有接触食物或易感物，就永远是不产生分裂的原命（见XX词条“双命”），一旦接触，在端点的作用下就开始母钟分裂。子钟分裂是受制于子钟染色体的端点，与外界刺激无关。孙钟染色体分裂受制于染色体外相对应的一些蛋白质，它们的功能仅仅是到一定时间将这个包含某信息的片段打开。依此看来，染色体就是人体的生物钟。所以我们将第一条受精卵叫“母钟”，将母钟分裂出来的23对染色体叫子钟，将23对染色体造出的各种组织器官所包含的染色体叫“孙钟”，改变子钟孙钟的染色体都不可以改变遗传，只有改变母钟的基因才可以造成“变异”。染色体

16、可以携带“遗传基因”但是不能传递“打开信息”，打开某个基因段的所有信息都是通过染色体端点或染色体外的蛋白质发挥作用才完成分裂或复制的。分裂是染色体整体的，复制是染色体某个基因片段的。编辑本段不同状态基因和染色体基因在细胞里并非一盘“散沙”或“散兵游勇”，它们大多有规律地集中在细胞核内的染色体地（chromosome）上，而且每一种生物细胞内染色体的形态和数目都是一定的。染色体复制时染色体在复制以后，含有纵向并列的两个染色单体（chromatids），只有在着丝粒（centromere）区域仍联在一起。着丝粒在染色体上的位置是固定的。由于着丝粒位置的不同，把染色体分成大致相等或长短不等的两臂（a

17、rms）。着丝粒的位置在染色体中间或中间附近时，染色体两臂的长度差不多，这着丝粒叫做中间着丝粒或亚中间着丝粒。着丝粒的位置靠近染色体的一端时，根据着丝粒离开端部的远近，这着丝粒叫做近端部着丝粒或端部着丝粒。着丝粒所在的地方往往表现为一个缢痕，所以着丝粒又称初级缢痕（primary constriction）。染色体模式图有些染色体上除了初级缢痕以外，还有一个次级缢痕（secondary constriction），连上一个叫做随体（satellite）的远端染色体小段。次级缢痕的位置也是固定的。在细胞分裂将结束时，核内出现一个到几个核仁，核仁总是出现在次级缢痕的地方，所以次级缢痕也叫做核仁形成

18、区（nucleolar organizer）如图：着丝粒是有丝分裂或减数分裂中的染色体高度压缩的一个区域，在此纺锤体纤维与其结合。复杂的DNA序列构成了着丝粉。发育的面包酵母（啤酒酵母）的着丝粒长度约为220个碱基对，并且通过多种与剩余DNA结合组蛋白有明显区别的蛋白质共同保护其免受限制性核酸内切酶（简称限制酶）的消化。虽然着丝粒区域通过特殊的蛋自质保护其免受限制性内切核酸酶的攻击，但该区域投有核小体而且被去凝聚，这似乎说明了在有丝分裂和减数分裂过程中着丝粒区域被高度缩窄原因。着丝粒的220对碱基序列两侧是限制性内切核酸酶敏感位点，该位点的功能也许是促进DNA的断裂，有助于染色单体在后期的相互

19、分离。限制性内切核酸酶是一种在核酸内特殊位点进行切割的酶类。编辑本段不同生物真核生物真核生物的基因分布住许多染色体中，一般来讲这些染色体在大小上有很大不同。与细菌染色体（由环状DNA分子构成）比较，真核染色体含有线性双链DNA。DNA和多种类型的相关蛋白质构成r染色体。真核染色体的结构成分中并没有RNA。真核染色体组真核染色体可被不同程度的浓缩。最低的浓缩结构是伸展的核小体形式（extended nucleosome form）（图3一la）。核小体是由近乎球状的组蛋白形成的八聚体（histone）（H2a、H2b、H3和H4）和在其外围绕两圈的DNA所构成。DNA的约200个碱基对围绕着由组

20、蛋白构成的球形体。并有DNA的50个碱基对连接相邻的核小体。虽然真核染色体伸展的核小体形式与细菌当中看到的串珠样的结构相似，但是这些结构可能并不相同。伸展的核小体形式存在于染色体将被复制的区域，或存在于与RNA分子合成有关的区域。真核DNA更紧密的状态是螺线管形式（solenoid form）。与核小体结合的组蛋白H1诱导其组装成6个核小体的环，并且这些环组成圆筒状螺线管结构。在分裂间期大多数真核染色体以螺线管形式存在。进行复制或被表达的（转录为RNA分子）这些部分去解凝成为伸展的核小体形式。DNA的复制发生在间期的S阶段。基因表达发生在间期的所有阶段（G0、S和G1）。那些不进行增殖的（进入

21、细胞周期）真核细胞被认为是在G0阶段，并且与间期细胞相似。在间期细胞核中看到的染色质是由绝大多数以螺线管形式存在的DNA 构成。 DNA最紧密的状态是环状的螺线管形式。DNA结合蛋白促进螺线管在支架蛋白中心核前后形成环状。在一些真核生物中螺线管的l8个环组成了一个盘状结构。染色体凝聚为数百个叠在一起的盘状结构。在有丝分裂和减数分裂的过程中，可观察到环状的螺线管形式。由于许多长的染色体必须在细胞内移动，并且在移动过程中可能被牵扯，所以染色体的浓缩是必要的。原核生物-细菌在高中阶段，染色体必须由DNA和蛋白质组成。由于原核生物的染色体一般不含组蛋白，所以称原核生物没有染色体。一般而言，原核生物的染

22、色体可以进行复制，但大多数细胞容易存活多份。所有必需的细菌基因存在于细胞质中的单个环状双链DNA（dsDNA）染色体中。细菌染色体与质膜相附着。 染色体细菌染色体（bacterial chromosome）依其种类不同可编码1000个或5000 个蛋白质。除了细菌染色体以外，还可有一个或多个较小的染色体，称为质粒，它一般指定 20一100个蛋白质。质粒是环状双链DNA分子，它可与或不与质膜附着。质粒编码的大多数或全部蛋白质在正常环境条件下并不是细胞生存所绝对必需的。许多质粒编码的蛋白质使其把一些遗传信息向其他细胞转移成为可能，并促进稀有化合物的代谢。或使细胞可抵抗某些化学物质或重金属。由DNA

23、、蛋白质和RNA构成的细菌染色体是高度浓缩的。它不仅通过拓扑异构酶（topoisomerase）形成超螺旋，并且，环绕在由RNA和蛋白质形成的“核”的内外。许多DNA的负电荷被多胺如精胺（spermine）和亚精胺（spermidine）和DNA缠绕着的碱性蛋白质所中和。通过柔和地裂解细菌细胞得到的DNA外观呈串珠状。虽然细菌染色体也是高度浓缩的，但是，在光学显微镜下它们不能被看到。在透射电子显微镜下，细菌染色体的外观与非分裂的真核细胞核内的染色质（chiromatin）非常相像。人类男性染色体的组成:22对常染色体+xy 女性染色体的组成：22对常染色体+xx人体内每个细胞内有23对染色体。

24、包括22对常染色体和一对性染色体. 性染色体包括：X染色体和Y染色体。含有一对X染色体的受精卵发育成女性，而具有一条X染色体和一条Y染色体者则发育成男性。这样，对于女性来说，正常的性染色体组成是XX，男性是XY。这就意味着，女性细胞减数分裂产生的配子都含有一个X染色体；男性产生的精子中有一半含有X染色体，而另一半含有Y染色体。精子和卵子的染色体上携带着遗传基因，上面记录着父母传给子女的遗传信息。同样，当性染色体异常时，就可形成遗传性疾病。男性不育症中因染色体异常引起者约占2%21%，尤其以少精子症和无精子症多见。数目列表每一种生物的染色体数是恒定的。多数高等动植物是二倍体（diploid），也

25、就是说，每一身体细胞中有 玉米的染色体人类的染色体两组同样的染色体（有时与性别直接有关的染色体，即性染色体，可以不成对）。亲本的每一配子带有一组染色体，叫做单倍体（haploid），用n来表示。两个配子结合后，具有两组染色体，叫做二倍体，用2n表示。例如玉米的二倍体染色体数是20（2n=20），即有10对染色体，如图。人的染色体数是46（2n=46），即有23对染色体，如图。但多数微生物的营养体是单倍体，例如链孢霉的单倍体染色体数是7 。常见生物染色体数目列表 通名学名双倍体数动物人类Homo sapiens46金丝猴Rhinopithecus rhinopithecus roxellanae

26、44弥猴Macacamalatta42黄牛Bostaurus60猪Susscrofa78狗Cantis familiaris78猫Felis domesticus38马Equus Calibus32驴Equus asinus31山羊Capara hircus60绵羊Ovis aries54小家鼠Mus musculus40大家鼠Rattus norvegicus42水貂Mustela vison30豚鼠Cavia cobaya64兔Oryctolagus cuniculus44家鸽Columba livia domesticus约80鸡Gallus domesticus约78火鸡Meleagr

27、is gallopavo约80鸭Anas platyrhyncho约80家蚕Bombyx mori56家蝇Musca domestica12果蝇Drosophila melanogaster8蜜蜂Apis mellifera3216蚊Culex pipiens6佛蝗Phlaeobainfumata2423淡水水螅Hydra vulgaris attenuata32植物洋葱Alliumcepa16大麦Hordeum uulgare14水稻Oryza sativa24小麦Triticum vulgare42玉米Zea mays20金鱼草Antirrhinum majus16陆地棉Gossypium

28、 hirsutum52中棉Gossypium arboreum26豌豆Pisum sativum14香豌豆Lathyrus odoratus14蚕豆Vicia faba12菜豆phaseolus vulgaris22向日葵Helianthusannuus34烟草Nicotiana taldcum48番茄Solanum lycopersicum24松Pinus species24青菜Brassica chinensis20甘蓝Brassica oleracea18月见草Oenothera biennis14微生物链孢霉Neurospora crassa7青霉菌Penicillium specie

29、s4曲霉Aspergillus nidulans8衣藻Chlamydomonas reinhardi16编辑本段性染色体遗传的染色体学说的证据来自于这样的实验，一些特殊基因的遗传行为和性染色体（sex chromosome）传递的关系。性染色体在高等真核生物的两种性别中是不同的。性染色体的发现为Sutton-Boveri的学说提供了一个实验证据。在孟德尔以前（1891年）德国的细胞学家亨金（Henking,H）曾经用半翅目的昆虫蝽做实验，发现减数分裂中雄体细胞中含11对染色体和一条不配对的单条染色体，在第一次减数分裂时，它移向一极，亨金无以为名，就称其为“X”染色体。后来在其它物种的雄体中也发

30、现了“X”染色体。1900年麦克朗（McClung, C.E）等就发现了决定性别的染色体。他们采用的材料多为蚱蜢和其它直翅目昆虫。1902年麦克朗发现了一种特殊的染色体，称为副染色体（accessory chromosome）。在受精时，它决定昆虫的性别。1906年威尔逊（Wilson, E.B）观察到另一种半翅目昆虫（Proteror）的雌体有6对染色体，而雄性只有5对，另外加一条不配对的染色体，威尔逊称其为X染色体，其实雌性是有一对性染色体，雄性为XO型。在1905年斯蒂文斯（Stevens, N）发现拟步行虫属（Tenebrio molitor）中的一种甲虫雌雄个体的染色体数目是相同的，

31、但在雄性中有一对是异源的，大小不同，其中有一条雌性中也有，但是是成对的；另一 染色体条雌性中怎么也找不到，斯蒂文斯就称之为Y染色体。在黑腹果蝇中也发现了相同的情况，果蝇共有4对染色体，在雄性中有一对是异形的染色体。在1914年塞勒（Seiler,J）证明了在雄蛾中染色体都是同形的，而在雌蛾中有一对异形染色体。他们根据异形染色体的存在和性别的相关性，发现了性染色体，现在已完全证实了他们的推论是完全正确的。严格地说异形染色体的存在仅是一条线索，而不是证据，不能因为存在异形染色体，就表明其为性染色体。一定要通过实验证明这条染色体上存在决定性别的主要基因，方能定论。编辑本段X-染色体2005年3月17日，在Nature杂志上发表的一篇文章宣告基本完成对人类X染色体的全面分析。对X染色体的详细测序是英国Wellcome Trust Sanger研究中心领导下世界各地多所著名学院超过250位基因组研究人员共