人类染色体的基本特征

一、染色质和染色体

染色质（chromatin）和染色体实质上是同一物质在不同细胞周期、执行不同生理功能时不同的存在形式。在细胞从间期到分裂期过程中，染色质通过螺旋化凝缩（condensation）成为染色体，而在细胞从分裂期到间期过程中，染色体又解螺旋舒展成为染色质。

（一）染色质

染色质是间期细胞核中伸展开的DNA蛋白质纤维。呈松散状的，染色浅而均匀的染色质称为常染色质（euchromatin）。常染色质中不含重复性DNA，多为结构基因的位置所在，具有转录活性。异染色质（heterochromatin）则指呈凝缩状的，染色较深，很少进行转录的染色质。一般而言，组成异染色质的DNA螺旋化程度比较高，因而可被碱性染料深染，这种现象称为正异固缩。当然，异染色质区域的正异固缩状态并不是一成不变的。在细胞周期的另一些时相中，异染色质又可表现为螺旋化程度较低而浅染，称为负异固缩。异染色质常被分为专性异染色质和兼性异染色质两种。前者由高度重复的DNA组成，没有转录活性，在间期核中始终处于异固缩状态，如着丝粒区，存在于生物的整个生命过程中；后者则在特定条件下，由常染色质转变而来，受发育控制。例如，人类女性2条X性染色体中的1条在细胞分裂的间期即处于异固缩状态，这一状态从受精卵形成后的第3天开始，约1周后完成，且维持终身不变。用硫堇或其他染料染色显示出1个直径为1μm大小的浓染小体，贴近核膜边缘，称为X染色质（X chromatin），也称X小体或Barr小体（Barr body），为正常女性体细胞所特有。在男性的XY性染色体中，Y染色体长臂远端的异染色质，在间期可用荧光染料染色显示出1个直径约0.3μm的强荧光小体，称为Y染色质（Y chromatin），也称Y小体，为正常男性体细胞所特有。因此，体细胞间期的性染色质可用于区别男女性别。

（二）染色质和染色体的结构

染色质由无数个重复的亚单位——核小体（nucleosome）构成。核心是由4种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4各2个分子）所组成的八聚体，其中2个H2A－H2B二聚体相对位于（H3H4）2四聚体的两个面上。其表面围以DNA双螺旋，长约146bp。此时DNA分子被压缩了6倍。组蛋白H1位于相邻的2个核小体的连接区DNA表面，促使核小体折叠或卷曲，产生1∶40倍压缩的30nm纤维状结构，相当于基本染色质丝。染色质丝进一步螺旋化，形成环状结构。这些环的基部附着于一种非组蛋白“支架”上。这种纤维的直径约为240nm，它可能是间期染色体的最终包装水平，故称为染色单体丝。染色体包装的最后阶段发生在细胞进入有丝分裂或减数分裂时。染色单体丝通过围绕中心轴螺旋缠绕和向染色体中心方向的压缩作用形成染色体。至此，数厘米长的DNA成为了数微米长的染色体，其长度约为原来的万分之一（图10－1）。这种有效的包装方式，使细胞在分裂过程中能够把携带遗传信息的DNA从染色体形式平均分配给子细胞。

图10－1 从DNA到染色体水平的压缩过程

在分裂中期，将大多数蛋白质从染色体抽提后，显微镜下可观察到染色体支架。其最丰富的蛋白组分为DNA拓扑异构酶Ⅱ（topoⅡ）和ScⅡ。拓扑异构酶Ⅱ可改变DNA的拓扑结构，其对于有丝分裂的成功与否至关重要。例如，新生DNA的分离、有丝分裂前染色质凝聚和分裂后期姊妹染色单体的分离。ScⅡ是染色体结构维持（structural maintenance of chromosome，SMC）蛋白家族的成员。ScⅡ在建立和维持有丝分裂染色体凝聚中起作用。

二、人类染色体的数目、结构和形态

染色体在细胞周期中经历着凝缩和舒展的周期性变化。在细胞分裂中期染色体达到凝缩的高峰，轮廓、结构清楚，形态恒定，最便于观察和比较，因而这是染色体观察分析的通用时相。

（一）人类染色体的数目

人类体细胞有46条染色体，即23对，为二倍体（2n），其中44条（22对）为常染色体，另2条（1对）与性别分化有关，为性染色体。性染色体在女性为XX，在男性为XY。生殖细胞中卵细胞和精子各有23条染色体（n），分别为22＋X和22＋Y。一个配子的全部染色体称为染色体组（chromosome set），染色体组所包括的全部基因称为基因组（genome）。

（二）人类染色体的结构和形态

每对染色体由2条形态、功能相同的染色体构成，分别来源于父方和母方，这对染色体称为同源染色体（homologous chromosome）。在细胞分裂中期，每条染色体均含有2条染色单体（chromatid），互称姐妹染色单体（sister chromatid），它们各含1条DNA双螺旋链。2条姐妹染色单体仅在着丝粒（centromere）处相连，着丝粒区富含重复性DNA构成的异染色质，在分裂中期时，由于相对地解旋、浅染并内缢，故也称主缢痕（primary constriction）。着丝粒是纺锤体附着之点，在细胞分裂中与染色体的运动密切相关，失去着丝粒的染色体片段通常不能在分裂后期向两极移动而丢失。着丝粒将染色体横向分为两臂，较长的称为长臂（q），较短的称为短臂（p）。图10－2为中期染色体的模式图。

图10－2 中期染色体的形态结构

根据着丝粒的位置，人类染色体可分为3种：①中着丝粒染色体（metacentric chromosome），着丝粒位于或靠近染色体中央（染色体长度的1／2～5／8之间），将染色体分为长短相近的两个臂；②亚中着丝粒染色体（submetacentric chromosome），着丝粒偏向一端（5／8～7／8），将染色体分为长短明显不同的两个臂；③近端着丝粒染色体（acrocentric chromosome），着丝粒靠近一端（7／8～末端）。人类没有真正的端着丝粒染色体（见图10－2）。

在有些染色体的非着丝粒区还能见到浅染内缢的节段，称为副缢痕（secondary constriction）。人类近端着丝粒染色体（D、G组）短臂上的副缢痕区（也称随体柄）是核糖体RNA基因所在之处，产生含rRNA的核仁，因而也被称为核仁组织区（nucleolus organizer region，NOR），可被特殊的银染法染成黑色。在该区的远侧和一个球形染色体节段相连，这个染色体节段称为随体（satellite）。核仁组织区与随体共同构成随体区。

在染色单体的两端，各有一个端粒（telomere）。端粒在维持染色体的稳定性和完整性方面起重要作用。缺失端粒的染色体，其末端彼此黏合，形成易位、倒位等畸变。人类染色体端粒DNA含有（TTAGGG）n串联重复序列，长度为5～20kb。近些年的研究揭示，体细胞的染色体端粒的重复DNA序列长度与细胞的衰老和肿瘤的发生有关。正常人体细胞的端粒随年龄的增长而逐步缩短，不同年龄时期的端粒长度变化表明，细胞的衰老决定着整个机体的衰老。因此，可以把有活性的端粒酶导入衰老细胞中或激活衰老细胞中端粒酶的活性以探索老年性疾病、早衰、脑萎缩等疾病治疗的途径。但在维持细胞永生性的同时，应有效地调节细胞的繁殖能力，以避免其无限增殖而形成肿瘤，故这一治疗方法的安全性还有待研究。一般认为，体细胞分化完成后，其端粒的长度就不再加长，而是在不断缩短，因为此时的端粒酶不再具有活性，所以体细胞丧失了无限增殖的能力，而绝大多数恶性肿瘤细胞中又重新拥有了端粒酶活性。研究表明，肿瘤细胞的端粒长度明显短于周围正常组织细胞的端粒长度，但可维持一种动态平衡。由此推测，可能是细胞端粒缩短到一定程度后激活了端粒酶，使细胞获得永生性，且具有无限繁殖能力，以致形成肿瘤。端粒酶的发现正逐渐成为诊断和治疗癌症、预测和延缓衰老的有力手段。

三、性别决定及性染色体

（一）性别决定

早在1921年，Painter就提出人类的性染色体在女性是XX，男性为XY。在正常情况下，人类的性别由性染色体决定，即有2条正常的X染色体组成的受精卵将分化发育为女性个体，正常的XY型受精卵则分化发育为男性个体。性别的分化发育包括：性腺、内生殖器、外生殖器及第二性征。就其本质来讲，性别的分化发育是一个相当复杂的过程，至今尚未完全弄清。在Y染色体短臂，靠近拟常染色体区边缘有一段长35kb的DNA序列（Yp11.3）是性别决定的关键区，有睾丸决定因子（testis－determining factor，TDF）基因。通过对转基因动物的研究，现已确定了SRY基因Y染色体的性决定区（sex－determining region of Y chromosome）是TDF的最佳候选基因，其编码的蛋白质对睾丸发育起主要诱导物的作用。在性染色体为XY的胚胎中，Y染色体上的Y染色体的性决定区（SRY）作用可使原始性腺的髓质分化为睾丸，皮质退化，睾丸的间质细胞产生的雄激素使同侧的Wolff管（中肾管）及外生殖器原基分别分化为男性内生殖器和外生殖器，并在青春期使其出现男性第二性征。睾丸的支持细胞分泌Müller管（中肾旁管）抑制因子使同侧Müller管退化。在性染色体为XX的胚胎中，因无Y染色体上SRY作用，原始性腺髓质退化，皮质分化为卵巢；Wolff管及Müller管因无雄激素及Müller管抑制因子作用，前者不分化，后者则因未被抑制而分化为女性内生殖器，外生殖器原基也因无雄激素作用分化为女性外生殖器；女性的第二性征发育还需女性激素。因此，Y染色体上的SRY在性别分化发育过程中起了“开关”的主导作用，胚胎的原始生殖组织在无雄性因子作用的情况下有向女性自然分化的倾向。

但对各种性分化异常型，如较常见的XXY、X三体、X单体，较少见的Yq－、Xp－、Xq－，特别是很罕见的XX男性，XY女性，还有9p－、10q－及Xp21－22重复所表现的性分化异常等，应如何解释呢？对这些病例的分子和细胞遗传学研究证实，在性分化发育中SRY起主导的“开关”作用，但也提示还必须要有常染色体，特别是X和Y染色体上其他许多有关基因的共同参与。

（二）Y染色体

在男性减数分裂中，X染色体和Y染色体短臂末端部分配对，可发生正常的交换重组。此段染色体彼此是同源的，如一对常染色体，故也将此段染色体称为X和Y染色体上拟常染色体区（pseudoautosomal region）。1990年，Sinclair等报道了对Y染色体上TDF基因的克隆和定位，将其称为Y染色体上性别决定区基因，即SRY，定位在Yp距离常染色体区边界仅约8kb处。如果X和Y染色体配对时发生不等位互换，可产生两种罕见异常，即XX男性和XY女性。

在Y染色体长臂上的常染色质部分（Yq11.22－11.23）有一段DNA序列，它与成熟精子的发生有关，称为无精子症因子（azoospermia factor，AZF）。Kent－First等（2000）提出，AZF基因包含4个非重叠区域：AZFa、AZFb、AZFc和AZFd。它们的缺失可导致无精症或严重少精症。Reijo等（1995）对无精症患者进行缺失筛检发现Y染色体微小缺失（Y chromosome microdeletion）涉及1种对精子生成有重要作用的基因——无精症中缺失基因（deleted in azoospermia，DAZ），并将DAZ确定为AZF的重要候选基因。DAZ定位于Yq11。DAZ基因仅在睾丸组织中表达，其编码的蛋白质主要存在于精细胞形成的后减数分裂期。在男性不育门诊患者中，约20％患者为非梗阻性少精症或无精症，AZF的微小缺失可能是遗传因素之一。此外，Y染色体长臂远端约2／3处为异染色质区，此段染色体呈多态性，基因增多时可使Y染色体比一般G组染色体大，甚至可大于18号染色体，一般无特殊临床意义。但当此区的缺失涉及AZF的缺失，则也会引起无精子症。

（三）X染色体

1.X染色体的失活 Xp和Xq上均有很多区域或基因在性别决定中起着特殊的作用。女性有2条X染色体，男性只有1条，但女性X染色体的基因产物并未比男性多1倍。对此，英国遗传学家Mary Lyon在1961年首先提出了“X失活假说”，或称“Lyon”假说，其要点是：①在间期细胞核中，女性的2条X染色体中，只有1条X染色体有转录活性，另外1条X染色体无转录活性，呈固缩状，形成X小体或Barr小体。这样，在含XX的细胞和XY的细胞中，其X连锁的基因产物数量就基本相等，称为剂量补偿（dosage compensation）。不论细胞内有几条X染色体，只有1条X染色体是具有转录活性，其余的X染色体均失活、固缩，形成X染色质。因此，一个细胞中所含的X染色质数目等于X染色体数目减1。怀疑有X染色体数目异常时，可以通过用性染色质检查做出初步诊断。例如，细胞核内X小体数目在正常男性和一个X女性患者为0，在正常女性和XXY男性患者中为1，XXX患者则为2（图10－3）。②失活发生在胚胎早期，受精后约第3天（桑椹期）16－24细胞开始，第1周末完成。③失活是随机的，即失活的X染色体既可来自父亲，也可来自母亲，但一个细胞某条X染色体一旦失活，由该细胞繁衍而来的子细胞都具有同一条失活的X染色体。换句话讲，失活是随机的，一旦形成，保持不变。

图10－3 细胞分裂间期的X小体

2.X染色体失活的意义 X染色体失活的意义在于：①剂量补偿：由于只有1条X染色体有活性，故男女两性X连锁基因的产物相同。②杂合子表型的变异：由于X染色体失活是随机的，因此在杂合子的携带者女性中具有活性的某一特征等位基因的比例就可能不同，结果显示出不同表型。如血友病A（XR）的抗溶血因子（antihaemolytic factor，AHF，也称因子Ⅷ），在女性杂合子（Hh）的AHF水平不仅比纯合子女性（HH）低，也比正常男性（HY）低。因为男性XH完全有活性、完全表达，而女性的XH在部分细胞中有表达，部分细胞中失活不表达，AHF量界于正常男性和患者间。③嵌合体：女性是X一连锁基因的嵌合体。

近年来的研究发现，X染色体失活可能由X染色体上所存在的Xic基因X染色体失活中心（X－inactivation centre）及其X染色体失活特异转录物（X－inactive－specific transcript） Xist决定（图10－4）。

3.X失活假说的补充

（1）局部失活：Lyon假说可以解释许多遗传现象，但经典的Lyon假说不能解释何以核型为45，X的Turner综合征患者及多X患者会有各种异常。也不能解释何以X越多症状越严重。可见，为保证正常的发育，至少在胚胎发育的某一阶段需要双份X染色体上的基因。现在知道，失活的X染色体上，失活中心在Xq13，其大部分基因是失活的，但并非全部失活，在Xp和Xq上均有不失活的基因。这方面已有一些证据，如Xg血型基因、Ig G基因、Ig M基因和类固醇硫酸酯酶基因（STS缺陷时会引起X连锁的先天性鱼鳞病），这些基因无剂量补偿。然而这些不失活基因产物在显性纯合子女性中并没达到显性半合子男性的2倍，似说明这些不失活基因的表达不完全；还有X和Y染色体上的拟常染色体区基因，在正常女性和正常男性中都有2份此区基因的表达，这些失活的基因可能对X染色体异常病例的表型起作用。如在45，X患者中少了1份，而在47，XXX患者中又多了1份，故两者都有异常表型。

（2）非随机失活：正常情况下女性体细胞中X染色体失活是随机的，但在异常情况下X染色体失活是非随机的。①在X染色体结构异常的患者中是结构异常的染色体失活。这可能反映了对异常不平衡细胞的对抗性选择，即异常的X染色体失活有利于细胞存活，因此X染色体结构异常病例比常染色体结构异常病例易于存活，故也较为多见。②在X染色体与常染色体平衡易位时，正常的X染色体易于失活，易位X染色体的两个部分均保持活性，这或许反映了对易位中常染色体上基因失活细胞的对抗性选择，即易位X染色体失活时涉及其常染色体上基因的失活，这类细胞不易存活。③不平衡的X染色体与常染色体易位时，正常的X染色体有活性，异常的X染色体失活。④正常的2条X染色体在胚胎外膜中父方X染色体易于失活，这种倾向的基础和意义尚不清楚。

图10－4 Lyon假说女性体细胞中X染色体随机失活机制

X连锁隐性遗传病常见于男性，很少见于女性。在女性的X染色体与常染色体平衡易位携带者中，如果易位点在X染色体的某个基因（XR）上，则会引起此基因的突变，而由于另一条正常的X染色体失活，无表达。这样，此女性将会出现这种XR病。因此，当一种典型的XR病发生在某女性时，提示她可能有X与常染色体易位，应做染色体检查分析，以明确诊断。

X染色体连锁显性遗传病，多见于女性，但病情较轻；在男性中虽少见，但病情较为严重，甚至早期夭折。如皮肤色素失禁症，通常见于女性，男性患儿早期夭折；当见于男性轻型患儿时，提示其可能同时为XXY患者，也应做染色体检查分析，以明确诊断。此现象同样也可用X失活假说来解释。