第2节 人类染色体
染色体是遗传物质的载体，生物界中每一物种都有其特定的染色体数目及形态学特征，并且稳定地世代传递。正常人性细胞的全部染色体称为一个染色体组（chromosome set）。具有一个染色体组的细胞称为单倍体（haploid），用n表示；如人的生殖细胞含有23条染色体，属于单倍体，n＝23。若细胞中具有两个染色体组，则被称为二倍体（diploid），用2n表示；如人的体细胞包含46条染色体，包括两个染色体组，因此是二倍体，2n＝46。
一、人类染色体的特征和类型
在细胞周期的中期，染色体达到最大凝集，形态清晰、典型而最易于辨认，所以常被用于染色体研究和临床染色体病的诊断。显微观察表明，每一中期染色体含有两条姐妹染色单体（sister chromatid），两条单体之间借着丝粒（centromere）相连。着丝粒处含有较多异染色质，凹陷而狭窄，着色较浅，又称为主缢痕或初级缢痕（primary constriction）。着丝粒将染色体纵向分为两部分，即长臂（q）和短臂（p）。染色体长臂和短臂的末端各存在一特化部位——端粒（telomere），其中含有端粒DNA和端粒蛋白，对维持染色体结构的稳定起着重要作用。部分染色体在染色体纵轴上还具有除主缢痕外的另一缢缩的浅染区，称为次缢痕（secondary constriction）。人类染色体中13、14、15、21、22号染色体的末端存在一球形或棒状结构，称为随体（satellite），随体通过一细丝与染色体臂相连（图2－5）。
按照着丝粒的相对位置，人类染色体分为以下三类：①近中着丝粒染色体（metacentric chromosome），着丝粒位于染色体纵轴1／2至5／8处，染色体长臂与短臂接近等长；②亚中着丝粒染色体（submetacentric chromosome），着丝粒偏离中部，位于染色体纵轴5／8至7／8处，长臂与短臂长度有明显差别；③近端着丝粒染色体（subtelocentric chromosome），着丝粒位于染色体纵轴7／8至末端处，短臂很短（图2－6）。此外，在一些动物细胞中尚存在第四种染色体类型，即端着丝粒染色体（telocentric chromosome），其着丝粒位于染色体末端，没有短臂，人类正常细胞不存在此类染色体，但在肿瘤细胞中可见到。
图2－5 中期染色体模式图
图2－6 染色体的类型
二、人类的正常核型
核型（karyotype）是指一个中期体细胞中的全部染色体，按其大小、形态特征依序排列而成的图像。对这些图像进行染色体数目、形态特征的分析称为核型分析（karyotype analysis）。
（一）人类染色体非显带核型
1956年蒋有兴（Tjio）和Leven证实了人体正常体细胞含有46条染色体。后来多种染色体异常的发现，大大促进了对染色体及相关疾病的研究。为了统一对异常染色体的描述，1960年在美国丹佛、1963年在英国伦敦、1966年在美国芝加哥相继召开了三次国际会议，讨论和制定了人类染色体统一的标准命名系统，即丹佛体制（Denver system）。根据丹佛体制，正常人体细胞中的46条染色体分成23对，其中第1～22对为常染色体（autosome），男女均有；另外一对为性染色体（sex chromosome），男女不一样，男性为XY，女性为XX。这23对染色体按照其大小和着丝粒的位置由1号依次编到22号，并分成7组（A、B、C、D、E、F和G组），X染色体分在C组，Y染色体分在G组（图2－7）。
图2－7 正常男性核型（a）和正常女性核型（b）
（1）A组。1～3号染色体，体积大，易于区分。1号染色体最大，为近中着丝粒染色体，长臂近着丝粒处常见次缢痕；2号染色体略小，属于亚中着丝粒染色体；3号染色体是此组中最小的，为近中着丝粒染色体。
（2）B组。4～5号染色体，均为大的亚中着丝粒染色体，但彼此不易区分。
（3）C组。6～12号染色体和X染色体，都是中等大小的亚中着丝粒染色体，故组内区分较困难。9号染色体长臂常可见次缢痕；6、7、8、11号染色体和X染色体的短臂较长，而9、10、12号染色体的短臂较短；X染色体的大小介于7号染色体和8号染色体之间。
（4）D组。13～15号染色体，均为中等大小的近端着丝粒染色体，短臂具有随体，但因制片因素不一定出现，这三对染色体彼此区分较难。
（5）E组。16～18号染色体，中等大小。16号染色体是近中着丝粒染色体，其长臂可见次缢痕；17、18号染色体属于亚中着丝粒染色体，其中18号染色体短臂较短。
（6）F组。19、20号染色体，都是近中着丝粒染色体，较小，难以相互区分。
（7）G组。21、22号染色体和Y染色体，体积最小，均为近端着丝粒染色体。21、22号染色体短臂末端可见随体，但21号染色体稍小于22号染色体；Y染色体较21、22号染色体大，其短臂没有随体，但有时其长臂可见次缢痕。
（二）人类染色体显带核型
1.染色体显带及其命名
非显带的染色体标本由于对某些染色体的组内区分较为困难，对染色体的一些结构畸变更不能正确检出，因此其应用相当受限。20世纪60年代染色体显带技术（banding technique）开始出现，Caspersson等应用荧光染料氮芥喹吖因（quinacrine mustard，QM）处理中期染色体标本后，在荧光显微镜下观察到染色体纵轴上出现明暗相间、宽窄不一的带纹，称为Q带（Q bind），但荧光持续时间短，标本不能长期保存。随后又出现了G显带技术，将经空气干燥的染色体标本经过碱、热、胰酶或蛋白酶处理，然后经Giemsa染液染色，得到与Q带类似的带纹，即G带（G bind），由于该带在普通显微镜下就可观察，并能长期保存，所以其应用最为广泛，现已成为临床诊断染色体病的常规方法。此后又相继出现了与G带明暗相反的R带（R band）、专门显示着丝粒及其周围异染色质区域的C带（C band）、专一显示染色体端粒的T带（T band）和显示核仁组织区的N带（N band）等数种染色体显带技术。1971年在巴黎召开的第四届国际人类细胞遗传学会议，根据Q带、G带和R带，绘制了人类正常体细胞显带核型模式图（图2－8），一套单倍体的染色体带纹达到320条。
国际人类细胞遗传学会议还确定了“人类细胞遗传学命名的国际体制”（An International System of Human Cytogenetic Nomenclature，ISCN），按照该体制，染色体上明显而恒定的结构区域如着丝粒、末端和某些特殊的带，称为界标（landmark）；界标之间的区域称为区（region）；区内分为若干深浅不一的带（band）。需要注意的是，各区带的编号均从着丝粒朝染色体臂的末端方向依序进行。作为界标的带属于该界标远侧端的第1带；被着丝粒一分为二的带，则可看成两个带，分别属于长、短臂的1区1带。所以，描述一染色体特定带纹时需依次记录染色体号、臂符号、区号、带号，并且书写时不用任何间隔或标点。例如，1号染色体短臂1区2带可表示成1p12（图2－9）。
2.染色体高分辨显带及其命名
1975年，Yunis等建立起人类高分辨显带（high resolution banding）技术。通过观察用早中期、晚前期或更早期的细胞制备的染色体高分辨显带标本可发现，其带纹数量可达到550条、850条或更多，因而更易发现一些常规显带所不能反映的染色体更微细的畸变，在临床染色体检查、肿瘤染色体研究和基因定位中意义重大。高分辨显带是在原来常规基础上再分出亚带、次亚带，因而其描述的方法就是在原带号后加上小数点、亚带号、次亚带号。例如，1号染色体长臂4区3带第1亚带第2次亚带可记录为1q43.12。
三、人类细胞遗传学研究进展
20世纪80年代，出现了荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization，FISH）、染色体特定区带的显微切割和微克隆（microclone）技术，将细胞遗传学与分子生物学有机地结合起来，从而产生了分子细胞遗传学（molecular cytogenetics）。
常规的染色体分析方法，即使是高分辨显带技术，主要对中期染色体的研究有较大意义，对间期细胞核和极其微小的染色体异常的研究则相当困难。FISH技术在20世纪80年代中后期建立，该技术根据核酸探针杂交原理，应用荧光物质标记的单链DNA探针，与染色体标本上的其同源互补序列杂交，利用荧光技术可在核中或染色体上显示特定DNA序列的位置。FISH技术具有快速、安全、方便、特异性强、可多重染色、分辨率和灵敏度高等优点。通过FISH技术，能更准确地认识遗传物质的结构及其细微变化，为各种基因相关疾病的分型、预前和预后提供准确的依据，在临床肿瘤学和产前诊断方面应用广泛。近年来FISH已有较大发展，衍生了一系列新技术，包括原位杂交显带（in situ hybridization banding，ISHB）、比较基因组杂交（comparative genomic hybridization，CGH）、纤维荧光原位杂交（DNA fiber－FISH）、染色体涂染（chromosome painting）、反向染色体涂染等。
图2－8 人类显带染色体模式图
图2－9 人类显带染色体界标、区、带命名示意图
染色体显微切割和显微克隆技术首次应用于1981年Scatenghe对果蝇多线X染色体特定区域的研究，1989年开始应用于人类染色体研究。该技术可以从染色体标本的特定区域切取所需的染色体片段，结合PCR、分子克隆和FISH等分子生物学方法，构建特定染色体或染色体区域DNA文库。与基因组DNA文库相比，从该DNA文库中筛选某一特定基因更为经济和高效。此外，染色体显微切割和显微克隆技术还可用于特异性探针的制备、疾病遗传学特征的分析以及有关基因的鉴定、分析、克隆和定位等领域。
分子细胞遗传学已成为细胞遗传学研究发展的主流。
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