染色体

  细胞核中载有遗传信息(基因)的物质,在显微镜下呈丝状或棒状,由核酸蛋白质组成,在细胞发生有丝分裂时期容易被碱性染料着色,因此而得名。在有不同性别的生物体内,有两个基本类型的染色体:性染色体和常染色体。前者控制性联遗传特征,后者控制着除性联遗传特征以外的全部遗传特征。人体共有23对染色体(22对常染色体和1对性染色体)。男女的性染色体不同,男性由一个X性染色体和一个Y性染色体组成,而女性则有两个X性染色体。常染色体中的第22对染色体,与免疫系统、先天性心脏病、精神分裂、智力迟钝和白血病以及多种癌症相关。

概述

  染色体结构图早在1883年,鲁克斯(W·Roux)就观察到细胞核内能被染色的丝状体。1888年,德国人沃尔德耶(W·Waldeyer)称这种丝状体为“染色体”(英语:chromosome;希腊语:chroma=颜色,soma=体),意即可染色的小体。并
染色体结构图
猜测染色体与遗传有关。1902年,博韦里(T·Boveri)和萨顿(W·S·Sutton)指出,染色体在细胞分裂中的行为与孟德尔的遗传因子平行:两者在体细胞中都成对存在,而在生殖细胞中则是成单的;成对的染色体或遗传因子在细胞减数分裂时彼此分离,进入不同的子细胞中,不同对的染色体或遗传因子可以自由组合。因而,博韦里和萨顿认为,染色体很可能是遗传因子的载体。  染色体在细胞分裂之前才形成。在细胞的代谢期或间期,染色体分散成一级结构或伸展开的DNA分子,组成细胞核内的染色质或核质。  染色体的形态以中期时最为典型。每条染色体由两条染色单体组成,中间狭窄处称为着丝点(centromere),又称主缢痕,它将染色体分为短臂(p)和长臂(q)。按着丝粒位置的不同,人类染色体可分为中着丝粒染色体、亚中着丝粒染色体和近端着丝粒染色体等3种类型。近端着丝粒染色体的短臂末端有一个叫做随体的结构,它呈圆球形,中间以细丝与短臂相连。有的染色体长臂上还可看到另一些较小的狭窄区,称为次缢痕。染色体臂的末端存在着一种叫做端粒(telomere)的结构,它有保持染色体完整性的功能。  真核细胞有丝分裂和减数分裂时由染色质聚缩而成的结构,一般呈棒状,因易被碱性染料染色故称染色体。染色质是由核内的脱氧核糖核酸(DNA)与组蛋白、非组蛋白等结合形成的线状结构 。真核细胞的绝大部分DNA集中在染色体中,所以染色体是细胞中主宰遗传的结构。原核细胞的DNA也常被称为染色体。但它的DNA并不像真核细胞的染色质那样与组蛋白等形成复合体,在细胞分裂时也不聚缩。      

·数目和大小

  各种生物的染色体数目不同。大多数生物的体细胞含有12~50个染色体(2n)。少的如植物的纤细单冠菊和动物的壳虫都只有4条染色体;最多的是一种瓶尔小草2n=1260和一种蝴蝶2n=446。人的染色体数为46。     植物中染色体数目常呈倍性现象。例如小麦二倍体染色体数为14,四倍体小麦为28,普通小麦为42,属六倍体。     各种生物的染色体大小不一,长度以1~10微米最为常见,直径多为1~2微米。通常植物的比动物的大。在一些生物细胞中还出现特别大的染色体,称巨大染色体,如见于卵母细胞中的灯刷染色体和双翅目昆虫某些细胞中的多线染色体。      

·化学组成 

  中期染色体与间期染色质的化学组成相似 ,都含有DNA、组蛋白、非组蛋白和核糖核酸(RNA)以及少量脂类、钙和镁。①DNA。不同生物的单倍体细胞中DNA含量不同,在同一种生物的单倍体细胞中DNA含量一般是恒定的;高等生物细胞核内DNA含量比低等生物的高,但也有相反现象。在亲缘关系近的种属间,细胞核内DNA含量也可相差很大。②组蛋白。属碱性蛋白,主要有5种(H1、H2A、H2B、H3和H4)。组蛋白缺乏组织专一性,种属之间差异少。③非组蛋白。至少包括50~100种不同的蛋白质,其中80%为酸性蛋白,具有种属专一性。有人认为非组蛋白能专一地激活某些基因。      

·中期染色体的形态

    
人类染色体示意图
  中期染色体具有比较稳定的形态。它由两条相同的姐妹染色单体构成,并在纵轴方向呈现一些变细的部位;分别称为主缢痕和次缢痕。前者是着丝粒的所在地,后者为核仁组织区的部位。着丝粒的两侧各有一由蛋白质构成的3层的盘状或球状结构,称动粒着丝点,与纺锤体的纺锤丝连接。在分裂的前期和中期,着丝粒把两个姐妹染色体连结在一起,到后期,两个单体的着丝粒分开,纺锤丝把两条染色单体拉向两极。核仁组织区存在于某一染色体的次缢痕区。在间期核中由染色体的这一区域形成核仁,故名。端粒是染色体末端部分的特殊构造。它不呈现特殊的形状,但可起防止染色体末端彼此粘连的作用。染色体末端部分的粒状结构,通过次缢痕区与染色体的主体部分相联,称为随体。      

·染色体的结构

  
电子显微镜下的人类染色体
构成染色体(染色质)的基本单位是核小体。是由4种组蛋白组成的核心颗粒,外绕DNA分子组成。完整的核小体为110埃×110埃×57埃的扁圆柱状小体,DNA在核心颗粒外缠绕2周。核小体靠DNA互相连结成串珠状结构。染色体的高层次结构是每一染色单体由一条DNA蛋白纤维盘绕而成。由核小体串连成的细线称核丝,直径约100埃。由核丝如何聚缩成染色体有各种假说,尚无定论。按多级螺旋假说;核丝螺旋成直径约300埃的染色纤维,称螺线管,后者再螺旋成直径为2000~4000埃的染色线,称超螺线管。这种染色线再螺旋乃成直径约1~2微米的染色体。按有的模型,由300埃的染色质纤维形成染色体的过程不是靠 螺旋,而是靠随机折叠或形成侧环。不同的模型都有或多或少的事实根据。      在细胞周期中显示正常周期变化的染色质称为常染色质;变化不正常的染色体片段,统称异染色质。在DNA合成期异染色质区比常染色质区晚复制。异染色质分结构异染色质和兼性异染色质两大类。①结构异染色质是间期
人体内共有23对46条染色体
细胞核内经常呈现浓集的染色质团块,通常多位于核膜下,其中含有高度重复顺序的DNA;常分布于染色体的着丝粒区、端粒和次缢痕附近。②兼性异染色质是某些生物在一定发育时期的间期核内,原来的常染色质凝缩,并丧失基因活性,变为的异染色质。例如雌性哺乳动物体细胞核内,两个X 染色体之一异染色质化。      

·性染色体与性别 

  在雌雄异株植物和雌雄异体动物中 ,决定性别或影响性器官分化的染色体称性染色体,其余为常染色体。动物的性染色体有3种类型:①XX(雌),XY( 雄)型, 例如,哺乳动物雄性个体有两个不同的性染色体(X、Y),故能产生两种不同的配子。一种带X染色体,一种带 Y染色体。但雌性的两个性染色体是同源的(X、X)只能产生带X的配子。带X的精子与卵子结合产生雌性个体,而带Y的精子与卵子结合产生雄性个体。②ZW(或XY)(雌)、ZZ(或XX)(雄)型,例如鸟类和爬行类等,雌性产生含Z或W两种配子,雄性产生含Z配子。③XX(雌),XO(雄)型,例如某些昆虫,雌性产生含X的一种配子,雄性产生含X或不含性染色体的配子。

现代关于染色体超微结构的概念

    染色体的超微结构显示染色体是由直径仅100埃(?)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,此时易为碱性染料着色,称之为染色体。  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。2001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3~3.5万个基因,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。  染色体的主要化学成份是脱氧核糖核酸(DNA)和5种称为组蛋白的蛋白质。核小体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飘带。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50~60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”。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,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。螺丝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(μm)的筒状体,称为超螺旋体。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7×6×40×5=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个微米长。

染色体、基因与人体基因组研究

   染色体是细胞核中载有遗传信息(基因)的物质,在显微镜下呈丝状或棒状,由核酸和蛋白质组成,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。
DNA的双螺旋结构
  在有不同性别的生物体内,有两个基本类型的染色体:性染色体和常染色体。前者控制性联遗传特征,后者控制着除性联遗传特征以外的全部遗传特征。人体共有22对常染色体和一对性染色体。男女的性染色体不同,男性由一个X性染色体和一个Y性染色体组成,而女性则有两个X性染色体。第22对染色体是常染色体中最后一对,形体较小,但它与免疫系统、先天性心脏病、精神分裂、智力迟钝和白血病以及多种癌症相关。   研究结果表明,每一个染色体含有一个脱氧核糖核酸(DNA)分子,每个DNA分子含有很多个基因,一个基因是DNA分子的一部分。现代遗传学认为,基因是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称,是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上,并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代,还可以使遗传信息得到表达,也就是使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质的分子结构上,从而使后代表现出与亲代相似的性状。一个基因要有正常的生理机能,它的几个正常组成部分一定要位于相继邻接的位置上,也就是说核苷酸要排成一定的次序,才能决定一种蛋白质的分子结构。假使几个正常组成部分分处于两个染色体上,理论上就是核苷酸的种类和排列改变了,这样就失去正常的生理机能。所以,基因不仅是一个遗传物质在上下代之间传递的基本单位,也是一个功能上的独立单位。   染色体的DNA分子中含有四种核苷酸,核苷酸排列顺序的不同决定了遗传信息的差异。人的生、老、病、死归根结底都与基因和染色体相关。人体基因组图谱好比是一张能说明构成每一个人体细胞脱氧核糖核酸(DNA)的30亿个碱基对精确排列的“地图”。这些碱基对以一种特殊方式排列形成人体的10万个基因,基因又成为制造蛋白和化合物的蓝图,蛋白和化合物则负责指导人体细胞和器官的形成和运作。科学家们认为,通过对每一个基因的测定,人们将能够找到新的方法来治疗和预防许多疾病,如癌症和心脏病等。从理论上讲,如果掌握了所有基因上核苷酸分布的详细情况,关于人类生长、发育、衰老、遗传病变的秘密都将随之揭开,科学家将拥有新的“武器”来征服癌症、艾滋病、肝炎、肺结核和阿尔茨海默氏症等。   人类只有一个基因组,大约有5-10万个基因。人类基因组计划是美国科学家于1985年率先提出的,旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列,发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置,破译人类全部遗传信息,使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。   为了破译人体DNA分子的全部核苷酸顺序,建立完整的遗传信息数据库,由多国政府支持的人体基因组计划在1989年启动,先后有美、英、日、德、法及中国等6个国家参与,并于2003年4月宣布完成人类基因组序列绘制。此后,有塞莱拉遗传信息公司等多家公司和实验室先后宣布独立或联合破译人体基因组。破译人类基因组序列这一生命科学成就将促进生物学的不同领域如神经生物学、细胞生物学、发育生物学等的发展;医学也将从中获得极大益处,5000多种遗传性疾病以及恶性肿瘤、心血管疾病和其它严重危害人类的疾病,都有可能得到预测、预防、早期诊断和治疗。