遺傳學 遺傳的細胞學基礎

第二章遺傳的細胞學基礎本章內容細胞結構及遺傳物質的分布染色體細胞分裂大腸桿菌霍亂菌淋病球菌肉毒梭菌草履蟲眼蟲神經(jīng)細胞鐘型蟲細胞的一般結構真核細胞的結構細胞內遺傳物質分布細胞質遺傳體系細胞核遺傳體系2.1細胞結構及遺傳物質的分布2.1細胞結構及遺傳物質的分布

細胞的一般結構原核細胞(prokaryoticcell)2.1細胞結構及遺傳物質的分布動物細胞植物細胞真核細胞的結構細胞膜（cellmembrane或plasmamembrane）使細胞成為具有一定形態(tài)結構的單位，借以調節(jié)和維持細胞內微小環(huán)境的相對穩(wěn)定性。選擇性物質運輸，伴隨著能量的傳遞

激素作用、酶促反應細胞識別、電子傳遞真核細胞的結構細胞質（cytoplasm）指質膜以內細胞核以外的膠體物質，內含許多蛋白質、脂肪等物質，以及各種細胞器。線粒體、葉綠體內質網(wǎng)高爾基體核糖體溶酶體中心體真核細胞的結構細胞核（nucleus）主要是由核膜、染色質、核仁和核骨架構成一般細胞一個細胞核，但是也有多個細胞核的細胞，如骨骼肌細胞遺傳物質儲存和復制的場所原核細胞與真核細胞的比較細胞內遺傳物質的分布主要在染色體上部分在細胞質內細胞核遺傳胞質遺傳生物的遺傳細胞質遺傳體系線粒體(mitochondrion)細胞的“動力工廠”（powerhouse）半自主性細胞器，有DNA和RNA葉綠體（chloroplast）植物“光合作用”的場所有DNA，半自主性的細胞器細胞核遺傳體系核膜（nuclearmembrane）核仁(nucleolus)

核基質(nuclearmatrix)

染色質(chromatin)細胞核遺傳體系核仁（Nucleolus）由纖維區(qū)和顆粒區(qū)構成，與RNA的合成、加工和核糖體單位的裝配有關核仁組織區(qū)(nucleolarzone

)：細胞周期中形成核仁的染色質的特定部位--核仁組織者（nucleolarorganizer）核糖體RNA基因所在的區(qū)域，其精細結構呈燈刷狀。能夠合成核糖體的28S、18S和5.8SrRNA染色質（Chromatin）指間期細胞核內由DNA、組蛋白、非組蛋白和少量RNA組成的線性復合結構，因其易被堿性染料染色而得名。常染色質（euchromatin）:指在細胞間期呈松散狀，染色較淺而且具有轉錄活性的染色質。異染色質(heterochromatin)：指在細胞間期呈凝縮狀態(tài)，而且染色較深，很少進行轉錄的染色質。染色質與染色體？染色體的形態(tài)染色體的組成染色體的結構染色體的數(shù)目染色體的分類核型和核型分析2.2染色體1.著絲粒/主縊痕中期染色體由兩條姊妹染色單體組成，兩條姊妹染色單體通過著絲粒相連，著絲粒處凹陷縮窄，因此也稱為主縊痕（primaryconstriction）。著絲粒將染色體分為長短相等或不相等的兩個臂，短臂（shortarm，p），長臂（longarm，q）。長臂著絲粒短臂次縊痕隨體2.2.1染色體的形態(tài)著絲點（kinetochore）和著絲粒（centromere）著絲點：指著絲粒的兩側各有一個蛋白質構成的三層的盤狀或球狀結構，它與紡錘絲微管相接觸。著絲粒：指中期染色單體相互聯(lián)系在一起的特殊部位。2.次縊痕（secondaryconstriction）在有些中期染色體的短臂上可見凹陷縮窄區(qū)，稱為次縊痕次縊痕含有rDNA基因，能合成rRNA,是負責組織核仁的區(qū)域。次縊痕與核仁組織區(qū)幾乎可作同義詞，只是在使用上有差別。通常在對染色體一般形態(tài)描述時用次縊痕（指有這樣一種結構），而在討論其功能時常用核仁組織區(qū)，表示次縊痕具有組成核仁的特殊功能。2.2.1染色體的形態(tài)2.2.1染色體的形態(tài)3.隨體（Satellite）隨體是指次縊痕區(qū)至染色體末端的部分，有如染色體的小衛(wèi)星。隨體主要由異染色質組成，是高度重復的DNA序列。

隨體是識別染色體的主要特征之一。2.2.1染色體的形態(tài)4.端粒(Telomere)端粒指染色體的自然末端。不一定有明確的形態(tài)特征，對染色體起封口作用，使DNA序列終止。端粒是染色體不可缺少的組成部分。保持了染色體的遺傳上的獨立性，無端粒的染色體與其它無端粒染色體連接起來，造成后期染色體的缺失或重復。

端粒與衰老有關古人已對衰老頗有感觸：“白發(fā)三千丈,緣愁似個長。不知明鏡里，何處得秋霜”。一千多年過去了，多少的感嘆，多少的無耐，人，總無法了解衰老的真諦！1938年，Muller發(fā)現(xiàn)了端粒（Telomere）細胞衰老是細胞生命活動的必然規(guī)律，Hayflick等指出：細胞，至少是培養(yǎng)的細胞，不是不死的，而是有一定的壽命的；它們的增殖能力不是無限的，而是有一定的極限。這就是著名的“Hayflick極限”。端粒與衰老有關Hayflick等還發(fā)現(xiàn)，細胞的增殖能力與供體的年齡有關。如從胎兒肺得到的成纖維細胞可在體外條件下傳代50次，而從成人肺得到的成纖維細胞只能傳代20次，與成人細胞的端粒長度小于胎兒細胞的端粒長度有關。端粒與衰老有關端粒與衰老有關比較長的端粒就意味著長壽嗎？猶他大學的遺傳學家RichardCawthon及其同事檢查了143名老年男女的端粒長度。研究表明，那些端粒短于平均長度的實驗參與者比那些端粒較長的參與者早死４到５年，而且死于心臟病的幾率比后者高３倍多。端粒最短的參與者（即正常的２５％）死于傳染病的幾率比那些端粒較長的人高８倍多。男性端粒長度縮短略快于女性！！端粒與衰老有關降低身體的新陳代謝速率，少吃少飲。如一盞油燈，火焰小，點得長，火焰大，點得短。這與Hayflick極限和端粒長度均有關聯(lián)。代謝率高，細胞分裂次數(shù)增多，端?？s短，壽命也短了。用藥物刺激體內的干細胞，彌補衰老損耗細胞。

用什么方法能獲得延緩端粒縮短從而達到延緩衰老的效果？端粒酶——新研究方向！端粒酶（Telomerase）基本的核蛋白逆轉錄酶，可將端粒DNA加至真核細胞染色體末端。能延長縮短的端粒，增強體外細胞的增殖能力只有在造血細胞、干細胞、生殖細胞和癌細胞中具有活性.2.2.1染色體——形態(tài)姐妹染色單體（sisterchromatid)著絲粒（centromere)堿性染料著色淺主縊痕（primaryconstriction)連接兩個染色單體長臂(q)、短臂（p)次縊痕（secondaryconstriction)染色體上其他淺染縊縮部位鑒定染色體的標記（位置、數(shù)目和大?。┲z粒次縊痕長臂短臂中著絲粒染色體近中著絲粒染色體近端著絲粒染色體端著絲粒染色體著絲粒次縊痕隨體染色體的分類2.2.2染色體的組成染色體物質組成DNA1組蛋白1非組蛋白0.05－1RNA0.052.2.3染色體的結構核小體螺線管超螺線管染色體2.2.3染色體的結構(1)核小體(nucleosome)140bpDNA，一個組蛋白八聚體，一分子的組蛋白質H1?，F(xiàn)在把包括H1在內的核小體稱為染色小體(chromatosome)。這種由核小體串聯(lián)的11nm的染色質纖維稱為核絲，染色質的初級結構。2.2.3染色體的結構(2)螺線管(Solenoid)

由核小體的長鏈進一步螺旋纏繞形成直徑約30nm左右的染色質纖維，即螺線管，為染色質的二級結構。2.2.3染色體的結構(3)超螺線管（supersolenoid）

30nm的染色線（螺線管）進一步壓縮形成400nm染色線，稱為超螺線管。超螺線管可以看作是染色質的第三級結構。2.2.3染色體的結構(4)染色體（chromosome）超螺線管再次折迭和纏繞形成染色體。由DNA到核小體――30nm染色質纖維幾乎都公認是按螺旋方式縮集的，染色體的最高層次結構是由300nm左右的染色線以螺旋方式縮集的，這四個等級的演變都是通過螺旋化實現(xiàn)的，因此稱之為多級螺旋模型（multiplecoilingmodel）。染色體組裝示意圖染色體組裝

雙鏈DNA

核小體螺線管超螺線管染色體7倍6倍40倍5倍約10000倍2.2.4染色體的數(shù)目同一物種的染色體數(shù)目是恒定的，不同物種間染色體數(shù)目差異很大，染色體數(shù)目的多少不反映物種進化的程度不同組織的細胞,染色體長度可能有很大差異常見物種的染色體數(shù)目，人（46）豬（38）雞（78）一些動物的染色體數(shù)目物種名稱染色體數(shù)目（2n）物種名稱染色體數(shù)目（2n）豬（Susscrofa）38貓（Felis

catus）38馬（Equus

caballus）64驢（E.asinus）62黃牛（Bos

taurus）60水牛（Bobalus

buffelus）48綿羊（Ovia

aries）54山羊（Caprahircus

）60鴨（Anao

platyrhyrcha）80雞（Gallusdomesticas）78小(白)鼠（Mus

musculus）40大家鼠（Rattus

norvegicus）42豚鼠（Cavia

cobaya）64兔（Oryctolagus

cuniculus）44獼猴（Macaca

mulatta）42人類（Homosapiens）462.2.5染色體的分類染色體根據(jù)分類的標準不同分為：1.同源染色體和非同源染色體2.常染色體和性染色體3.A染色體和B染色體同源染色體生物的染色體在體細胞內通常是成對存在的，即形態(tài)、結構、功能相似的染色體都有2條，它們稱為同源染色體（homologouschromosome）形態(tài)、結構、功能彼此不同的染色體稱為非同源染色體（non-homologouschromosome）A-B染色體許多生物的細胞除具有正常數(shù)目的染色體外，還會出現(xiàn)額外的染色體，通常我們把正常數(shù)目的染色體稱為A染色體，而把額外的染色體統(tǒng)稱為B染色體。染色體——數(shù)目和大小直徑：0.2-0.3μm長度：0.5－25μm植物染色體>動物染色體單子葉植物>雙子葉植物不同組織的細胞,染色體長度可能有很大差異如：果蠅外界環(huán)境條件對染色體大小也有一定影響特異染色體巨大染色體(giantchromosome)多線染色體(poletenechromosome)

一種纜狀的巨大染色體，見于有些生物生命周期的某些階段里的某些細胞中。由核內有絲分裂產生的多股染色單體平行排列而成。果蠅唾液腺細胞多線染色體特異染色體巨大染色體(giantchromosome)多線染色體(poletenechromosome)燈刷染色體(lampbrushchromosome):魚類、兩棲類、爬行類、鳥類的卵母細胞和一些昆蟲的精母細胞，在減數(shù)分裂雙線期中普遍發(fā)生染色體伸出大量側環(huán)的現(xiàn)象，其染色體外形類似燈刷，故名。每個燈刷染色體為一對同源染色體，長度可達0.5～1毫米2.2.6核型及核型分析核型(karyotype)指染色體組在有絲分裂中期的表型，包括染色體的數(shù)目、大小、形態(tài)特征等。即體細胞染色體在光學顯微鏡下所有可測定的表型特征的總稱。2.2.6核型及核型分析核型分析(karyotypeanalysis)按照染色體的數(shù)目、大小和著絲粒位置、臂比、次縊痕、隨體等形態(tài)特征，在對染色體進行測量計算的基礎上,對生物核內的染色體進行配對、分組、歸類、編號等分析的過程。2.2.6核型及核型分析染色體核型分析分類依據(jù)：染色體相對長度＝Ln/LNLn:某一染色體長度LN：整套染色體長度臂比＝Lnq/LNp

Lnq:長臂長度，LNp：短臂長度著絲粒指數(shù)＝q/(p+q)次縊痕、隨體特征人類染色體姜曲海豬染色體核型（雌）核型分析的應用物種鑒定與分類基因定位遺傳病診斷產前診斷核型分析流程染色體制備染色體顯帶同源染色體配對分類排列2.2.6核型及核型分析人外周血細胞染色體的制備染色體顯帶技術經(jīng)物理、化學因素處理后，再用染料對染色體進行分化染色，使其呈現(xiàn)特定的深淺不同帶紋（band）的方法。顯帶技術可分為兩大類，一類是產生的染色帶分布在整條染色體的長度上如：G、Q和R帶，另一類是局部性的顯帶，它只能使少數(shù)特定的區(qū)域顯帶，如C、Cd、T和N帶。染色體顯帶技術a.G帶，Giemsa染色可顯示出富含

AT堿基對的DNA部分b.Q帶，用

quinacrinemustard染色，紫外燈下顯色c.C帶，顯示出著絲粒異染色質d.R帶，顯示出富含GC堿基對的DNA部分。細胞分裂概述無絲分裂細胞周期與有絲分裂減數(shù)分裂動物精子和卵子的形成2.3細胞周期與細胞分裂2.3.1細胞分裂（celldivision）細胞分裂是活細胞繁殖其種類的過程，是一個細胞分裂為兩個細胞的過程。核分裂→胞質分裂單細胞生物細胞分裂=個體的繁殖多細胞生物細胞分裂是個體生長、發(fā)育和繁殖的基礎。一切細胞來自細胞！細胞分裂形式無絲分裂(amitosis)：又稱直接分裂，由Remark（1841）發(fā)現(xiàn)于雞胚血細胞，不涉及紡錘體形成及染色體變化。有絲分裂(mitosis)：又稱為間接分裂，由Fleming(1882)年首次發(fā)現(xiàn)于動物Strasburger(1880)發(fā)現(xiàn)于植物。減數(shù)分裂(meiosis）：染色體復制一次，細胞連續(xù)分裂兩次。2.3.2無絲分裂無絲分裂分裂過程中沒有出現(xiàn)紡錘絲和染色體的變化蛙的紅細胞、雞胚血細胞、某些原生動物、胎膜細胞、胚乳細胞等也能進行無絲分裂。無絲分裂速度快、消耗能量少，所以經(jīng)常出現(xiàn)在生活力旺盛、生長迅速的組織中。2.3.3細胞周期與有絲分裂細胞周期(Cellcycle)是指從一次細胞分裂結束開始到下一次細胞分裂結束為止的一段歷程。細胞的生活/繁殖周期不同類型的細胞周期持續(xù)時間不同細胞周期的時相劃分細胞周期細胞分裂期(M期)細胞分裂間期(interphase)G1期(Gap1phase)S期(Synthesisphase)G2期(Gap2phase)細胞周期各時相的合成活動G1期（Gap1）主要合成rRNA、蛋白質、脂類和糖類細胞表現(xiàn)為生長S期（DNAsynthesisphase)DNA及組蛋白的合成同步相應的進行常染色質>異染色質轉錄的DNA>不能轉錄的DNAGC含量高>AT含量高G2期（Gap2）大量合成ATP、RNA、蛋白質，包括微管蛋白和促成熟因子（maturationpromotingfactor,MPF)分裂期核分裂和胞質分裂，形成兩個子細胞細胞周期各時相的合成活動是否存在影響細胞周期活性的調節(jié)因子？細胞周期的關卡(Checkpoint)G1關卡（限制點）細胞大小和環(huán)境狀態(tài)延長G1或進入G0G2關卡DNA復制是否完成中期關卡染色體排赤道板其他：DNA損傷，DNA復制不完全，紡錘體裝配不正常2001年10月8日美國人Leland

Hartwell、英國人PaulNurse、Timothy

Hunt因對細胞周期調控機理的研究而榮獲諾貝爾生理醫(yī)學獎。依據(jù)增殖，可將高等動物的細胞分為三類：連續(xù)分裂細胞，如表皮生發(fā)層細胞、部分骨髓細胞。休眠細胞暫不分裂，但在適當?shù)拇碳は驴芍匦逻M入細胞周期，稱G0期細胞，如淋巴細胞、肝、腎細胞等。不分裂細胞，指不可逆地脫離細胞周期，不再分裂的細胞，又稱終端細胞，如神經(jīng)、肌肉、多形核細胞等。不同類型細胞各司其職——細胞社會學（cellsociology）細胞周期與有絲分裂有絲分裂（mitosis）是真核細胞分裂產生體細胞的過程普遍見于高等動植物(動物和低等植物)有紡錘體、染色體出現(xiàn)，子染色體被平均分配到子細胞分期間期（interphase）前期(prophase)中期(metaphase)后期(anaphase)末期(telophase)胞質分裂(cytokinisis)分裂期有絲分裂中染色體(質)行為1、前期

a.染色體由細線狀逐漸縮短變粗，由2條染色單體纏繞在一起。

b.核仁崩潰消失（某些低等生物核仁仍保留，分成2份到子細胞）。

c.前期末時核膜破裂成碎片，使染色體最大限度地分散于細胞中。

d.動物細胞中，中心粒移向兩極。

有絲分裂中染色體(質)行為2、中期a.染色體縮短至最大程度聚集在赤道面上。是染色體分析計數(shù)的理想時期。b.

紡錘體與每一染色單體的著絲粒連接，朝向兩極。c.

兩條染色單體在著絲點處相互連接，若此時用秋水仙素（Colchcine）處理時，染色體的臂很容易分離，而著絲點處連在一起，呈十字型或“8”型，這種染色單體連接方式又稱為C配對。有絲分裂中染色體(質)行為3、后期

姐妹染色單體分開成獨立的染色體。并由紡錘體連接著向兩極移動，細胞伸長，連續(xù)紡錘體拉長。從著絲粒分裂到移至細胞兩極的整個動態(tài)過程。有絲分裂中染色體(質)行為4、末期a.核膜形成，核仁消失。

b.

染色體松散成染色團。

c.動物細胞中在赤道板位置胞質縊縮，形成兩個子細胞。5.胞質分裂(cytokinisis)a.赤道板周圍細胞表面下陷縊縮形成收縮環(huán)（contractilering)b.最后將細胞分成兩個子細胞Twocentrosomes,andtheirformingradialarraysofastralmicrotubulesseparatingonthesurfaceofanearlyprophasenewtlungcellnucleus.圖片來自http:///前中期核膜解體到染色體排列到赤道面(equatorialplane)上。中期染色體排列到赤道面上。植物細胞有絲分裂的整個過程前期：兩極發(fā)出紡錘體，形成紡錘體！

末期：出現(xiàn)細胞板，并形成細胞壁

動物細胞與植物細胞有絲分裂的比較植物細胞動物細胞不同點1、前期：細胞兩極發(fā)出紡錘絲構成紡錘體2、末期：細胞板形成細胞壁分成兩個子細胞1、前期：兩組中心體發(fā)出星射線構成紡錘體2、末期：細胞膜內陷縊裂成兩個子細胞相同點1、間期都有染色體的復制；2、核膜、核仁的變化相同；3、染色體的行為變化完全相同。DNA復制是在間期進行間期為染色質，分裂期是染色體！前期（含中期）染色體是由兩條染色單體組成的。中期著絲點排列在中央赤道板上，研究染色體的形態(tài)特征和進行染色體計數(shù)的最佳時期。后期是染色單體分開。從后期至末期染色體重新變成染色質期間染色體是單條的。兩個子細胞的染色體數(shù)目與結構和母體的一樣有絲分裂注意點有絲分裂的意義1．維持個體的正常生長和發(fā)育首先,核內每個染色體準確地復制分裂為二，為形成的兩個子細胞在遺傳組成上與母細胞完全一樣提供了基礎。其次,復制后的各對染色體有規(guī)則而均勻地分配到兩個子細胞核中去，從而使兩個子細胞與母細胞具有同樣質量和數(shù)量的染色體。2．保證物種的連續(xù)性和穩(wěn)定性2.3.4減數(shù)分裂(meiosis)指有性生殖的個體在形成生殖細胞過程中發(fā)生的一種特殊分裂方式。

細胞僅進行一次DNA復制，卻連續(xù)分裂兩次，使得產生的配子中的染色體數(shù)目減半。構成減數(shù)分裂過程的兩次連續(xù)的細胞分裂通常稱為減數(shù)第一分裂和減數(shù)第二分裂，各分為前、中、后、末四個時期：減數(shù)分裂的時相劃分減數(shù)分裂I分離的是同源染色體，所以稱為異型分裂（heterotypicdivision）或減數(shù)分裂（reductionaldivision）；前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ減數(shù)分裂II分離的是姊妹染色單體，類似于有絲分裂，所以稱為同型分裂（homotypicdivision）或均等分裂（equationaldivision）。前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ前期Ⅰ①細線期（leptotene

）②合線期（zygotene

）③粗線期（pachytene）④雙線期（di