染色体和染色质结构不同的原因

1888年,德国人沃尔德耶(Waldeyer)提出,染色体是遗传物质的载体。染色体具有储存和表达遗传信息的功能。

(一)染色质与染色体

染色质是指间期细胞核内伸展呈细丝状,易被碱性染料着色的物质。由于分子生物学研究的进展,现在认为,染色质是由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构,是遗传物质在间期的存在形式。染色体是指细胞在有丝分裂或减数分裂时,由染色质高度螺旋化缩短变粗形成的棒状结构。当细胞分裂结束时,染色体又解旋伸展恢复成染色质。

重点提示

①染色质和染色体是同一种物质在细胞周期不同时期的2种表现形态。②间期的染色质有利于遗传信息的表达,分裂期的染色体有利于遗传物质的平均分配。

染色质是由核酸和蛋白质组成的核蛋白复合体,主要由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量的RNA组成。染色质的基本结构单位是核小体。核小体由5种组蛋白和约200个碱基对的DNA组成(图2-11)。其中由4种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各2个分子组成的八聚体构成核小体核心,DNA分子(约140个碱基对)在核心的外围缠绕1.75圈。2个核小体之间由一段长约60个碱基对的DNA分子相连,称为连接区。在连接区结合1个组蛋白H1。许多核小体相连,形成一串念珠状纤维(DNA-组蛋白纤丝),就是染色质的结构。

当细胞周期进入分裂期时,核小体构成的念珠状纤维经过螺旋,形成螺线管,每一周螺旋包含6个核小体;螺线管再进一步折叠成一系列环带;环带结构进一步螺旋化、折叠,最后形成染色体。这样,从DNA分子经过螺旋化及折叠之后形成染色体,其长度压缩为原来的1/8400(图2-12)。

图2-11　核小体结构

图2-12　染色质纤维装配形成染色体模型

在间期细胞核中,染色质可分为常染色质和异染色质2种类型。常染色质折叠压缩程度较低,呈松散状,着色浅而均匀,功能活跃,具有转录活性。异染色质折叠压缩程度较高,呈凝聚状态,着色较深,功能很不活跃,很少或没有转录活性。两者将随着细胞活动的变化相互转变。

(二)人类染色体的形态结构

通过显微镜观察发现,在细胞增殖周期的不同时期,染色体的形态结构经历着凝聚和舒展的动态变化。染色体的形态结构在有丝分裂中期最为典型(图2-13),常用于染色体的研究和临床上染色体病的诊断。

图2-13　中期染色体结构

每条中期染色体都含有2条染色单体,互称姐妹染色单体,2条姐妹染色单体之间通过着丝粒彼此连接。2条染色单体在着丝粒连接处浅染并内缢,称为主缢痕。着丝粒将染色体横向分成2部分,较长的为长臂(q),较短的为短臂(p)。两臂的末端均有一特化的部位,称为端粒,能维持染色体的稳定性和完整性,是染色体必不可少的结构。除了主缢痕外,某些染色体的长臂或短臂上也可见到浅染并内缢的部位,称为副缢痕。人类近端着丝粒染色体的短臂末端还有球状结构,称为随体,随体与短臂之间的细丝状结构称为随体柄,也属于副缢痕区,是r RNA基因的存在部位。

图2-14　人类染色体类型

A.中央着丝粒染色体;B.近端着丝粒染色体;C、D.亚中着丝粒染色体

(三)人类染色体的类型

每条染色体上着丝粒的位置是恒定的。根据染色体上着丝粒的位置不同,可以将人类染色体分为3类(图2-14):①中央着丝粒染色体。着丝粒位于染色体纵轴的1/2～5/8处,染色体的两臂长度基本相等或近似相等。②亚中着丝粒染色体。着丝粒位于染色体纵轴的5/8～7/8处,染色体的两臂长度明显不等。③近端着丝粒染色体。着丝粒位于染色体纵轴的7/8至末端,染色体的短臂非常短。

(四)人类染色体数目

各种生物的染色体数目是相对恒定的,这对维持物种的稳定性具有重要意义。人类的正常体细胞为二倍体,有46条染色体,其中22对为常染色体,1对为性染色体。女性的性染色体为XX,男性的性染色体为XY。生殖细胞中的染色体数目为单倍体,精子和卵子各有23条染色体,精子为22+X或22+Y,卵子为22+X。

(五)人类染色体核型

将一个体细胞中的全部染色体,按其大小、形态特征进行分组排列所构成的图像,称为核型。在完全正常的情况下,一个体细胞的核型代表了该生物体的染色体组成。把细胞分裂中期染色体的显微摄影照片放大后,逐条裁剪下来进行染色体数目,形态特征的分析,确定其与正常核型是否完全一致,称为核型分析。通过核型分析,可以识别和分析某些遗传病的染色体异常。

1.人类非显带染色体核型　非显带染色体核型是按常规染色方法所得到的染色体标本,一般用吉姆萨(Giesma)染色,使染色体均匀着色,无深浅条纹显示(图2-15)。

1960年在美国丹佛召开了第1届国际遗传学会议,讨论并确定了丹佛体制,为识别和分析人类染色体提供了依据。丹佛体制依据人类染色体的大小和着丝粒的位置等,将人类体细胞的46条染色体进行配对、分组、排列和编号,分为A、B、C、D、E、F、G 7组。其中22对与性别无关,称为常染色体,按其长度和着丝粒位置依次编为1～22号。另1对与性别相关,称为性染色体,女性为XX,男性为XY。X染色体归入C组,Y染色体归入G组。各组染色体分类特征见表2-2。

图2-15　正常人类非显带染色体核型

表2-2　人类染色体分组及各组形态特征(丹佛体制)

按照国际标准,非显带染色体核型描述分为2部分:一是染色体总数,二是性染色体组成,中间用“,”隔开。如正常男性的核型为46,XY;正常女性的核型为46,XX;如果一女性缺少了1条X染色体,则核型为45,X。

重点提示

非显带染色体不能将每一条染色体本身特征完全显示出来,只能识别染色体数目异常,这使染色体结构畸变的研究与临床应用受到了极大限制。

2.人类显带染色体核型　20世纪70年代以来,出现了染色体显带技术。染色体经过特殊处理并用特定的染料染色后,使所有染色体的长臂和短臂上呈现出一条条明暗交替或深浅相间带纹,这就是染色体显带技术,经过显带技术处理的染色体称为显带染色体。不同对的染色体具有不同的带的形态,称为带型。由于每号染色体均具有特征性的带型,容易准确分辨出每一条染色体,且能准确诊断出这条染色体的形态结构是否正常,具有重要的临床应用价值。常见的几种染色体显带技术有G显带、Q显带、C显带、T显带、N显带。G显带技术是目前应用最广泛的一种染色体核型分析技术。将染色体标本经胰蛋白酶或其他盐溶液预处理后,再用吉姆萨染料染色,染色体长臂和短臂上可显示深浅相间的带纹,称为G带(图2-16)。

图2-16　人类G显带染色体(显示深浅相间的带纹)

1971年在巴黎召开了人类细胞遗传学会议,确定了区分每条显带染色体的标准及显带染色体的命名原则,即《人类细胞遗传学命名的国际体制》(ISCN),制定了正常人类显带染色体模式图(图2-17)。

根据ISCN规定的界标将染色体划分为若干区,每个区又包括若干带。界标是染色体上具有恒定、显著形态学特征的部位,包括着丝粒、两臂末端和某些显著的带,界标是分隔区与区之间的界限。区是两相邻界标之间的染色体区域,区的编号从着丝粒开始,向长臂、短臂的远端依次编号。带是染色体纵轴上连续的明暗相间的横纹,每条染色体都是由一系列连续的带构成的,没有非带区,它借助其亮(深)或暗(浅)的着色强度,清晰地与相邻带相区别。

染色体区和带的命名:1条染色体的区和带的命名始于着丝粒,并沿着染色体的长臂和短臂向远端依次编号。靠近着丝粒的2个区分别标为长臂的1区或短臂的1区,然后向长臂和短臂的远端依次标记为2区、3区、……。每1区内以离着丝粒最近的带为1带,向远端依次标记为2带、3带……。标记1个特定的带时,需要标明以下4项内容:①染色体号;②臂的符号;③区的序号;④带的序号。以上符号按顺序书写,不间隔,不加标点。例如,1q25表示1号染色体长臂2区5带(图2-18)。

用显带技术对染色体进行核型分析,不但可准确地识别每一号染色体,也为分析每一条染色体微细结构的异常提供了手段。在G显带和Q显带染色体标本上,人类的一个染色体组中最多只能显示出约320条带。20世纪70年代后期出现的高分辨染色体显带技术,可使人类的一个染色体组中显示出550～850条或更多的带纹,这有助于发现更多微细的染色体结构异常,使染色体结构畸变的断裂点定位更精确。目前,染色体显带技术已被应用于临床细胞遗传学检查、肿瘤染色体的研究和基因定位等多个领域。

图2-17　正常人类显带染色体模式

图2-18　显带染色体的区和带

重点提示

各条染色体均具有独特的带型,由此可清晰地鉴别每一号染色体,应用染色体显带技术可以识别染色体细微的结构异常,有利于对染色体病的明确诊断。

(六)性染色质

性染色质存在于间期细胞核内,包括X染色质和Y染色质2种。

1.X染色质　正常女性的间期细胞核中,有一个紧贴核膜内缘的染色较深、直径约为1μm的椭圆形小体,称X染色质、又称巴氏小体或X小体(图2-19)。X染色质存在于所有雌性哺乳动物的间期细胞核中。

图2-19　X染色质和Y染色质

正常女性体细胞中有2条X染色体,正常男性却仅有1条X染色体,由于X染色体上有很多X连锁基因,这样在男女体细胞中就存在着基因数量上的差异,但男女在X染色体上基因产物一样多,如何解释呢?1961年英国遗传学家赖昂(Lyon)提出了赖昂假说即X染色质失活假说,其要点如下:①女性体细胞中的2条X染色体只有1条有转录活性,另一条则无转录活性,这样,男女体细胞中X染色体的基因产物在数量上就基本相等了,称为剂量补偿。失去活性的这条X染色体,在间期细胞核中螺旋化,呈异固缩状态,形成X染色质。若间期细胞核中出现X染色质则称为X染色质阳性(+),反之称为X染色质阴性(-)。一个体细胞中所含的X染色质数目等于X染色体数减1。如正常女性46,XX有1个X染色质,核型为47,XXX的个体有2个X染色质。②X染色体的失活是随机发生的,异固缩的X染色体可能来自父亲,也可能是来自母亲。③X染色体的失活发生在胚胎发育的早期,如果细胞中失活的那条X染色体是来自父亲,则由它分裂形成的所有子细胞中,都是来自父亲的那条X染色体失活。

2.Y染色质　正常男性的体细胞中只有1条有活性的X染色体,另外还有1条Y染色体。如果用荧光染料染色后,可以在荧光显微镜下观察到细胞核中有1个直径约为0.3μm的强荧光小体,称为Y染色质(图2-19)。1条Y染色体形成1个Y染色质。如正常男性46,XY有1个Y染色质,核型为47,XYY的个体有2个Y染色质。

重点提示

可根据X染色质和Y染色质有无鉴定胎儿性别,通过性染色质分析对于诊断性染色体数目异常引起的疾病具有重要的临床应用价值。