荊楚理工學院細胞生物學

荊楚理工學院細胞生物學第1頁/共33頁第三節(jié)染色體一、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

同一物種的染色體數(shù)目是相對穩(wěn)定的，性細胞染色體為單倍體（haploid），體細胞為2倍體（diploid），還有一些物種的染色體成倍增加成為4n、6n、8n等，稱為多倍體。同一個體的體細胞并非都是2倍體，如大鼠肝細胞有4n、8n、16n等多倍體細胞，果蠅卵巢滋養(yǎng)細胞表現(xiàn)為2n、4n、8n、16n、32n、64n、128n等不同倍性。染色體的數(shù)目因物種而異，如人類2n=46，黑猩猩2n=48，果蠅2n=8，家蠶2n=56，小麥2n=42，。在植物中染色體最少的僅2對染色體，最多的物種可達400-600對。在動物中染色體最少的是一種介殼蟲的雄蟲僅有兩條染色體，而另一極端是一種灰蝶有217-223對染色體。第2頁/共33頁染色體（Chromosome）姊妹染色單體（Sisterchromatid）根據(jù)著絲粒在染色體上的位置：中著絲粒染色體（Metacentricchromosome）近中著絲粒染色體（Submetacentricchromosome）近端著絲粒染色體（Arocentricchromosome）端著絲粒染色體（Telocentricchromosome）染色體的各部分名稱第3頁/共33頁根據(jù)著絲粒位置進行的染色體分類圖示第4頁/共33頁1、著絲粒與動粒（也稱著絲點,kenetoche）著絲粒和動粒（著絲點）是兩個不同的概念，前者指中期染色單體相互聯(lián)系在一起的特殊部位；后者指主縊痕處兩個染色單體外側(cè)表層部位的特殊結(jié)構(gòu)，它與仿錘絲微管相接觸。著絲粒含3個結(jié)構(gòu)域，即：動粒結(jié)構(gòu)域（kinetochoredomain）、中央結(jié)構(gòu)域（centraldomain）和配對結(jié)構(gòu)域（paringdomain）。

動粒結(jié)構(gòu)域位于著絲粒的表面，由外板（outerplate）、內(nèi)板（innerplate）、中間區(qū)（interzone）和圍繞外層的纖維冠(fibrouscorona)。內(nèi)外板的電子密度高，中間區(qū)電子密度低。內(nèi)板與中央結(jié)構(gòu)域的著絲粒異染色質(zhì)結(jié)合，外板與微管纖維結(jié)合，纖維冠上結(jié)合有馬達蛋白。。第5頁/共33頁

中央結(jié)構(gòu)域位于著絲粒結(jié)構(gòu)域的下方,是著絲粒區(qū)的主體，由高度串聯(lián)重復的α衛(wèi)星DNA構(gòu)成，重復單位171bp，重復2000-3000次，表現(xiàn)為異染色質(zhì)特性。

配對結(jié)構(gòu)域位于著絲粒結(jié)構(gòu)的內(nèi)層，中期兩條染色單體在此處相互連結(jié)，在此區(qū)域發(fā)現(xiàn)有兩類蛋白，一類為內(nèi)著絲粒蛋白INCENP（innercentromereprotein），另一類為染色單體連接蛋白CLIP（chromatidlinkingprotein）.

對著絲粒蛋白主要是使用ACA來研究的。ACA是從CREST綜合癥病人血清中分離出來的抗著絲粒蛋白的抗體(anticentromereantibodies)。用ACAs發(fā)現(xiàn)鑒定出來的CENP主要有6種，即：CENP-A至F，它們都能與一個17bp的DNA模式特異結(jié)合，與細胞的分裂及調(diào)控密切相關(guān)，進化上非常保守。第6頁/共33頁第7頁/共33頁著絲粒結(jié)構(gòu)區(qū)域組織第8頁/共33頁著絲粒的3個結(jié)構(gòu)域第9頁/共33頁著絲點結(jié)構(gòu)域第10頁/共33頁熒光原位雜交顯示著絲粒衛(wèi)星DNA第11頁/共33頁2、主縊痕（primaryconstriction）中期染色體上一個染色較淺而縊縮的部位，主縊痕處有著絲粒，亦稱著絲粒區(qū)，由于這一區(qū)域染色線的螺旋化程序低，DNA含量少，所以染色很淺或不著色。一般動植物的染色體具有一個位置固定的著絲粒(localizedcontromere)，有些生物整個染色體都具有著絲?；钚裕Q為全著絲粒（holocentromere）如：如蛔蟲、線蟲、蝶、蛾、蚜蟲等。3、次縊痕（secondaryconstriction）除主縊痕外，染色體上第二個呈淺縊縮的部分稱次縊痕，次縊痕的位置相對穩(wěn)定，數(shù)目、位置和大小是鑒定染色體個別性的一個顯著特征。4、核仁組織區(qū)（nucleolarorganizingregions,NORs）核糖體RNA基因（5SrRNA基因除外）所在的區(qū)域。核仁組織區(qū)位于染色體的次縊痕區(qū)，但并非所有的次縊痕都是NORs。第12頁/共33頁5、隨體（satellite）指位于染色體末端的球形染色體節(jié)段，通過次縊痕區(qū)與染色體主體部分相連。位于染色體末端的隨體稱為端隨體，位于兩個次縊痕中間的稱中間隨體。6、端粒（telomere）染色體端部的特化部分，作用是維持染色體的完整性和個體性（用X射線將染色體打斷，不具端粒的染色體末端有粘性，會與其它片段相連或兩端相連而成環(huán)狀）。端粒由高度重復的短序列串聯(lián)而成，在進化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似，哺乳類的序列為GGGTTA，500-3000次重復。第13頁/共33頁熒光原位雜交顯示端粒和端粒序列第14頁/共33頁

二、染色體DNA的三種功能元件

為確保染色體的復制和穩(wěn)定遺傳，染色體具有3個基本元素，即：自主復制序列(autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS)、著絲粒序列(centromereDNAsequence,CEN)和端粒序列(telomereDNAsequence,TEL)。1、自主復制序列(ARS)

是DNA復制的起點，酵母基因組含200-400個ARS，大多數(shù)具有一個11-14bp，富含AT的共有序列（ARSconsensussequence,ACS）。含有這一序列的質(zhì)粒能高效轉(zhuǎn)化宿主細胞，并能在細胞中獨立于宿主染色體存在。第15頁/共33頁2、著絲粒序列(CEN)

不同來源的CEN的共同特點是具有兩個彼此相鄰的核心區(qū)，一個是80-90bp的AT區(qū)，另一個是11bp的保守區(qū)。CEN由大量串聯(lián)的重復序列組成，如α衛(wèi)星DNA，其功能是參與形成著絲粒，使細胞分裂中染色體能夠準確地分離.3、端粒序列(TEL)

不同生物的端粒序列都很相似，由長5-10bp的重復單位串聯(lián)而成，人的重復序列為GGGTTA。真核細胞染色體端粒的重復序列不是染色體DNA復制時連續(xù)合成的，而是由端粒酶（telomerase）合成后添加到染色體末端。端粒酶是一種核糖核蛋白復合物，具有逆轉(zhuǎn)錄酶的性質(zhì)，以物種專一的內(nèi)在RNA為模板，把合成DNA的添加到染色體的3‘端。第16頁/共33頁端粒序列和端粒酶第17頁/共33頁

端粒起到細胞分裂計時器的作用，端粒核苷酸復制和基因DNA不同，每復制一次減少50-100bp，正常體細胞染色體缺乏端粒酶活性，故隨細胞分裂而變短，細胞隨之衰老。人的生殖細胞和部分干細胞染色體具有端粒酶活性，所以人的生殖細胞染色體末端比體細胞染色體末端長幾千個bp。腫瘤細胞和永生細胞系具有端粒酶的活性。

1983年，A.W.Murray等人首次成功構(gòu)建了包括ARS、CEN、TEL和外源DNA，總長度為55kb的酵母人工染色體(yeastartificialchromosome,YAC)。YAC可用于轉(zhuǎn)基因和構(gòu)建基因文庫，容納插入片段的能力遠高于質(zhì)粒。第18頁/共33頁染色體的三種基本序列第19頁/共33頁三、核型與染色體顯帶對人類到底有多少條染色體這樣的問題一直爭論到1956年才得以確認，主要歸功于50年代以后逐步發(fā)展起來的低滲處理，壓片技術(shù)以及秋水仙處理和細胞培養(yǎng)技術(shù)。二十世紀六十年代末至七十年代發(fā)展起來的各種染色體分帶技術(shù)，使染色體的研究進入了一個黃金時代。為人類遺傳病的鑒定，物種的親緣關(guān)系與進化研究、遺傳育種等方面提供了重要的依據(jù)。核型（karyotype）

是細胞分裂中期染色體的表型，包括染色體的數(shù)目、大小和形態(tài)特征等方面。如果將成對的染色體按形狀、大小依順序排列起來叫核型圖(karyogram)，而染色體組型（idiogram）通常指核型的模式圖，代表一個物種染色體的模式特征。核型分析對于探討人類遺傳病的機制、物種親緣關(guān)系與進化、遠源雜種的鑒定等具有重要意義。第20頁/共33頁一種蟬的有絲分裂核型第21頁/共33頁染色體顯帶技術(shù)：是經(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，于1968年由瑞典人Casperson首先建立。顯帶技術(shù)可分為兩大類，一類是產(chǎn)生的染色帶分布在整個染色體的長度上，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。Q帶：喹丫因染色后，紫外照射下的明暗帶（富含AT的明帶，富含GC的暗帶）；G帶：Giemsa染料染色后所呈現(xiàn)的染色體區(qū)帶；R帶：是中期染色體經(jīng)堿性磷酸鹽處理，丫啶橙或Giemsa染色后所呈現(xiàn)的帶型，一般與G帶正好相反；C帶：顯示著絲粒結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)及它染色體區(qū)段的異染色質(zhì)。T帶：是染色體端粒部位經(jīng)丫啶橙染色后呈現(xiàn)的區(qū)帶；N帶：Ag-As染色，主要染核仁組織者區(qū)域的酸性蛋白。1975年建立了染色體高分辨顯帶技術(shù)。染色體微切割和分子克隆技術(shù)。第22頁/共33頁正常男人染色體顯帶核型第23頁/共33頁人類G帶核型（顯示染色體上富含AT的序列）第24頁/共33頁人類Q核型（Q帶與G帶相似）第25頁/共33頁人類帶C核型（顯示著絲粒異染色質(zhì)）第26頁/共33頁人類染色體組型和帶型第27頁/共33頁

四、巨大染色體1．多線染色體（polytenechromosome）

1881年意大利的Balbiani發(fā)現(xiàn)雙翅目搖蚊幼蟲的唾腺細胞的具有如下特點：①體積巨大，染色體比其它體細胞染色體長100-200倍，體積大1000-2000倍。②多線性，每條多線染色體由500-4000條解旋的染色體合并在一起形成。③體細胞聯(lián)會，同源染色體緊密配對，并合并成一個染色體。④橫帶紋，染色后呈現(xiàn)出明暗相間的帶紋。⑤膨突和環(huán)，在幼蟲發(fā)育的某個階段，多線染色體的某些帶區(qū)疏松膨大，形成膨突（puff），或巴氏環(huán)（Balbianiring）。用H3-TdR處理細胞，發(fā)現(xiàn)膨突被標記，說明膨突是基因活躍轉(zhuǎn)錄的形態(tài)學標志。多線染色體是由于核內(nèi)有絲分裂的結(jié)果，即染色體多次復制而不分離的結(jié)果。第28頁/共33頁果蠅的多腺染色體第29頁/共33頁多線染色體帶和脹泡形成示意圖第30頁/共33頁2．燈刷染色體（lamp-brushchromosome）

1882年Flemming首次報道，這種染色體最早發(fā)現(xiàn)于魚類、兩棲類和爬行類卵母細胞減數(shù)分裂的雙線期。由于染色體主軸兩側(cè)有側(cè)環(huán)，狀如燈刷，故名燈刷