第八章：(3)细胞核和染色体.ppt

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1、第三节第三节 染色体染色体一、中期染色体的形态结构一、中期染色体的形态结构 同一物种的染色体数目是相对稳定的，性细胞染同一物种的染色体数目是相对稳定的，性细胞染色体为色体为单倍体单倍体（haploid），），体细胞为体细胞为2倍体倍体（diploid），），还有一些物种的染色体成倍增加成为还有一些物种的染色体成倍增加成为4n、6n、8n等，称为等，称为多倍体多倍体。同一个体的体细胞并。同一个体的体细胞并非都是非都是2倍体，如大鼠肝细胞有倍体，如大鼠肝细胞有4n、8n、16n等多倍等多倍体细胞，果蝇卵巢滋养细胞表现为体细胞，果蝇卵巢滋养细胞表现为2n、4n、8n、16n、32n、64n、128n

2、等不同倍性。等不同倍性。染色体的数目因物种而异，如人类染色体的数目因物种而异，如人类2n=46，黑，黑猩猩猩猩2n=48，果蝇，果蝇2n=8，家蚕，家蚕2n=56，小麦，小麦2n=42，。，。在在植物中植物中染色体最少的仅染色体最少的仅2对染色体，最多的物种对染色体，最多的物种可达可达400-600对。在对。在动物中动物中染色体最少的是一种介壳染色体最少的是一种介壳虫的雄虫仅有两条染色体，而另一极端是一种灰蝶虫的雄虫仅有两条染色体，而另一极端是一种灰蝶有有217-223对染色体。对染色体。着丝粒在染色体上的位置：着丝粒在染色体上的位置：中着丝粒染色体中着丝粒染色体（Metacentric ch

3、romosome）近中着丝粒染色体近中着丝粒染色体(Submetacentric chromosome)近端着丝粒染色体近端着丝粒染色体（Arocentric chromosome）端着丝粒染色体端着丝粒染色体（Telocentric chromosome）染色体的各部分名称染色体的各部分名称染色体（染色体（Chromosome）姊妹染色单体（姊妹染色单体（Sister chromatid）根据着丝粒位置进行的染色体分类图示根据着丝粒位置进行的染色体分类图示1 1、着丝粒与动粒（也称着丝点、着丝粒与动粒（也称着丝点,kenetochekenetoche）着丝粒和动粒（着丝点）是两个不同的概念，

4、着丝粒和动粒（着丝点）是两个不同的概念，前前者者指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位；指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位；后者后者指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构，指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构，它与仿锤丝微管相接触。它与仿锤丝微管相接触。着丝粒含着丝粒含3个结构域，即：个结构域，即：动粒结构域动粒结构域（kinetochore domain）、）、中央结构域中央结构域（central domain）和和配对结构域配对结构域（paring domain）。）。动粒结构域动粒结构域位于着丝粒的表面，由位于着丝粒的表面，由外板外板（outer plate）、）、内板

5、内板（inner plate）、）、中间区中间区（interzone）和围绕外层的纤维冠和围绕外层的纤维冠(fibrous corona)。内外板的电。内外板的电子密度高，中间区电子密度低。内板与中央结构域的子密度高，中间区电子密度低。内板与中央结构域的着丝粒异染色质结合，外板与微管纤维结合，纤维冠着丝粒异染色质结合，外板与微管纤维结合，纤维冠上结合有马达蛋白。上结合有马达蛋白。中央结构域中央结构域位于着丝粒结构域的下方位于着丝粒结构域的下方,是着是着丝粒区的主体，由高度串联重复的丝粒区的主体，由高度串联重复的卫星卫星DNA构构成，重复单位成，重复单位171bp，重复，重复2000-3000次

6、，表现为次，表现为异染色质特性。异染色质特性。配对结构域配对结构域位于着丝粒结构的内层，中期两条染位于着丝粒结构的内层，中期两条染色单体在此处相互连结，在此区域发现有两类蛋白，色单体在此处相互连结，在此区域发现有两类蛋白，一类为内着丝粒蛋白一类为内着丝粒蛋白INCENP（inner centromere protein），），另一类为染色单体连接蛋白另一类为染色单体连接蛋白CLIP（chromatid linking protein）.对着丝粒蛋白主要是使用对着丝粒蛋白主要是使用ACA来研究的。来研究的。ACA是从是从CREST 综合症病人血清中分离出来的综合症病人血清中分离出来的抗着丝粒蛋白

7、的抗体抗着丝粒蛋白的抗体(anticentromere antibodies)。用。用ACAs发现鉴定出来的发现鉴定出来的CENP主要主要有有6种，即：种，即：CENP-A至至F，它们都能与一个，它们都能与一个17bp的的DNA模式特异结合，与细胞的分裂及调控密切模式特异结合，与细胞的分裂及调控密切相关，进化上非常保守。相关，进化上非常保守。着丝粒结构区域组织着丝粒结构区域组织着丝粒的着丝粒的3个结构域个结构域着丝点结构域着丝点结构域荧光原位杂交显示着丝粒卫星荧光原位杂交显示着丝粒卫星DNA2、主缢痕（主缢痕（primary constriction）中期染色体上一个染色较浅而缢缩的部位，中期

8、染色体上一个染色较浅而缢缩的部位，主缢痕处有着丝粒，主缢痕处有着丝粒，亦称着丝粒区亦称着丝粒区，由于这一区，由于这一区域染色线的螺旋化程序低，域染色线的螺旋化程序低，DNA含量少，所以染含量少，所以染色很浅或不着色。一般动植物的染色体具有一个色很浅或不着色。一般动植物的染色体具有一个位置固定的着丝粒位置固定的着丝粒(localized contromere)，有些有些生物整个染色体都具有着丝粒活性，称为全着丝生物整个染色体都具有着丝粒活性，称为全着丝粒粒(holocentromere)如：如蛔虫、线虫、蝶、蛾、如：如蛔虫、线虫、蝶、蛾、蚜虫等。蚜虫等。3、次缢痕（、次缢痕（secondary

9、constriction）除主缢痕外，染色体上第二个呈浅缢缩的部分除主缢痕外，染色体上第二个呈浅缢缩的部分称次缢痕，次缢痕的位置相对稳定，数目、位置和称次缢痕，次缢痕的位置相对稳定，数目、位置和大小是鉴定染色体个别性的一个显著特征。大小是鉴定染色体个别性的一个显著特征。4、核仁组织区（、核仁组织区（nucleolar organizing regions,NORs）核糖体核糖体RNA基因（基因（5SrRNA基因除外）所在的基因除外）所在的区域。核仁组织区位于染色体的次缢痕区，但并非区域。核仁组织区位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是所有的次缢痕都是NORs。5、随体（随体（satell

10、ite）指位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢指位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区与染色体主体部分相连。位于染色体末端的随体痕区与染色体主体部分相连。位于染色体末端的随体称为端随体，位于两个次缢痕中间的称中间随体。称为端随体，位于两个次缢痕中间的称中间随体。6、端粒（端粒（telomere）染色体端部的特化部分，作用是维持染色体的染色体端部的特化部分，作用是维持染色体的完整性和个体性完整性和个体性（用（用X射线将染色体打断，不具射线将染色体打断，不具端粒的染色体末端有粘性，会与其它片段相连或端粒的染色体末端有粘性，会与其它片段相连或两端相连而成环状）两端相连而成环状）。端粒由高度

11、重复的短序列。端粒由高度重复的短序列串联而成，在进化上高度保守，不同生物的端粒串联而成，在进化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似，哺乳类的序列为序列都很相似，哺乳类的序列为GGGTTA，500-3000次重复。次重复。荧光原位杂交显示端粒和端粒序列荧光原位杂交显示端粒和端粒序列 二、染色体二、染色体DNA的三种功能元件的三种功能元件 为确保染色体的复制和稳定遗传，染色体具有为确保染色体的复制和稳定遗传，染色体具有3个基本元素，个基本元素，即：即：自主复制序列自主复制序列(autonomously replicating DNA sequence,ARS)、着丝粒序列着丝粒序列(centro

12、mere DNA sequence,CEN)和和端粒序列端粒序列(telomere DNA sequence,TEL)。染色体的三种基本序列染色体的三种基本序列1、自主复制序列、自主复制序列(ARS)是是DNA复制的起点，酵母基因组含复制的起点，酵母基因组含200-400个个ARS，大多数具有一个，大多数具有一个11-14 bp，富含，富含AT的共的共有序列（有序列（ARS consensus sequence,ACS）。含有）。含有这一序列的质粒能高效转化宿主细胞，并能在细这一序列的质粒能高效转化宿主细胞，并能在细胞中独立于宿主染色体存在。胞中独立于宿主染色体存在。2、着丝粒序列、着丝粒序列

13、(CEN)不同来源的不同来源的CEN的共同特点是具有两个彼此相的共同特点是具有两个彼此相邻的核心区，一个是邻的核心区，一个是80-90 bp的的AT区，另一个是区，另一个是11 bp的保守区。的保守区。CEN由大量串联的重复序列组成，由大量串联的重复序列组成，如如卫星卫星DNA，其功能是参与形成着丝粒，使细胞其功能是参与形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离。分裂中染色体能够准确地分离。3、端粒序列、端粒序列(TEL)不同生物的端粒序列都很相似，由长不同生物的端粒序列都很相似，由长5-10 bp的重复单位串联而成，人的重复序列为的重复单位串联而成，人的重复序列为GGGTTA。真核细胞染色

14、体端粒的重复序列不是染色体真核细胞染色体端粒的重复序列不是染色体DNA复制时连续合成的，而是由端粒酶复制时连续合成的，而是由端粒酶（telomerase）合成后添加到染色体末端。端粒）合成后添加到染色体末端。端粒酶是一种酶是一种核糖核蛋白复合物核糖核蛋白复合物，具有逆转录酶的性，具有逆转录酶的性质，以质，以物种专一的内在物种专一的内在RNA为模板为模板，把合成，把合成DNA的添加到染色体的的添加到染色体的3端。端。端粒序列和端粒酶端粒序列和端粒酶 端粒起到细胞分裂端粒起到细胞分裂计时器计时器的作用，端粒核苷酸复的作用，端粒核苷酸复制和基因制和基因DNA不同，每复制一次减少不同，每复制一次减少5

15、0-100 bp，正正常体细胞染色体缺乏端粒酶活性，故随细胞分裂而变常体细胞染色体缺乏端粒酶活性，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。人的生殖细胞和部分干细胞染色短，细胞随之衰老。人的生殖细胞和部分干细胞染色体具有端粒酶活性，所以体具有端粒酶活性，所以人的生殖细胞染色体末端比人的生殖细胞染色体末端比体细胞染色体末端长几千个体细胞染色体末端长几千个bpbp。肿瘤细胞和永生细胞肿瘤细胞和永生细胞系具有端粒酶的活性。系具有端粒酶的活性。人工染色体：人工染色体：1983年，年，A.W.Murray等人首次成功构建了等人首次成功构建了包括包括ARS、CEN、TEL和外源和外源DNA，总长度为，总长度为55

16、kb的酵母人工染色体的酵母人工染色体(yeast artificial chromosome,YAC)。YAC可用于转基因和构建可用于转基因和构建基因文库，容纳插入片段的能力远高于质粒。基因文库，容纳插入片段的能力远高于质粒。三、核型与染色体显带三、核型与染色体显带 对人类到底有多少条染色体这样的问题一直争对人类到底有多少条染色体这样的问题一直争论到论到1956年才得以确认，主要归功于年才得以确认，主要归功于50年代以后年代以后逐步发展起来的逐步发展起来的低渗处理低渗处理，压片技术压片技术以及以及秋水仙处秋水仙处理理和和细胞培养技术细胞培养技术。二十世纪六十年代末至七十年。二十世纪六十年代末至

17、七十年代发展起来的各种染色体分带技术，使染色体的研代发展起来的各种染色体分带技术，使染色体的研究进入了一个黄金时代。为人类遗传病的鉴定，物究进入了一个黄金时代。为人类遗传病的鉴定，物种的亲缘关系与进化研究、遗传育种等方面提供了种的亲缘关系与进化研究、遗传育种等方面提供了重要的依据。重要的依据。核型（核型（karyotype）是细胞分裂中期染色体的表型，包括染色体的是细胞分裂中期染色体的表型，包括染色体的数目、大小和形态特征等方面。如果将成对的染色数目、大小和形态特征等方面。如果将成对的染色体按形状、大小依顺序排列起来叫体按形状、大小依顺序排列起来叫核型图核型图(karyogram)，而染色体组

18、型（，而染色体组型（idiogram）通常指）通常指核核型的模式图型的模式图，代表一个物种染色体的模式特征。核，代表一个物种染色体的模式特征。核型分析对于探讨人类遗传病的机制、物种亲缘关系型分析对于探讨人类遗传病的机制、物种亲缘关系与进化、远源杂种的鉴定等具有重要意义。与进化、远源杂种的鉴定等具有重要意义。一种蝉的有丝分裂核型一种蝉的有丝分裂核型染色体显带技术：染色体显带技术：是经物理、化学因素处理后，再用染料对染色是经物理、化学因素处理后，再用染料对染色体进行分化染色，使其呈现特定的深浅不同带纹体进行分化染色，使其呈现特定的深浅不同带纹（band）的方法，于的方法，于19681968年由瑞典

19、人年由瑞典人CaspersonCasperson首首先建立。显带技术可分为两大类，一类是产生的染先建立。显带技术可分为两大类，一类是产生的染色带分布在整个染色体的长度上，如：色带分布在整个染色体的长度上，如：G、Q和和R带，带，另一类是局部性的显带，它只能使少数特定的区域另一类是局部性的显带，它只能使少数特定的区域显带，如显带，如C、Cd、T和和N带。带。Q带：带：喹丫因染色后，紫外照射下的明暗带（富含喹丫因染色后，紫外照射下的明暗带（富含AT的明带，富含的明带，富含GC的暗带）；的暗带）；G带：带：Giemsa染料染料染色后所呈现的染色体区带；染色后所呈现的染色体区带；R带：带：是中期染色体

20、经是中期染色体经碱性磷酸盐处理，丫啶橙或碱性磷酸盐处理，丫啶橙或Giemsa染色后所呈现的染色后所呈现的带型，一般与带型，一般与G带正好相反；带正好相反；C带：带：显示着丝粒结构显示着丝粒结构异染色质及其它染色体区段的异染色质。异染色质及其它染色体区段的异染色质。T带：带：是染是染色体端粒部位经丫啶橙染色后呈现的区带；色体端粒部位经丫啶橙染色后呈现的区带；N带：带：Ag-As染色，主要染核仁组织者区域的酸性蛋白。染色，主要染核仁组织者区域的酸性蛋白。1975年建立了染色体高分辨显带技术。年建立了染色体高分辨显带技术。染色体微切割和分子克隆技术。染色体微切割和分子克隆技术。正常男人染色体显带核型

21、正常男人染色体显带核型人类人类G带核型带核型（显示染色体上富含（显示染色体上富含AT的序列）的序列）人类人类Q核型核型（Q带与带与G带相似）带相似）人类带人类带C核型核型（显示着丝粒异染色质）（显示着丝粒异染色质）人人类类染染色色体体组组型型和和带带型型 四、巨大染色体四、巨大染色体1多线染色体（多线染色体（polytenepolytene chromosome chromosome）1881年意大利的年意大利的Balbiani发现双翅目摇蚊幼虫的发现双翅目摇蚊幼虫的唾腺细胞的具有如下特点：唾腺细胞的具有如下特点：体积巨大体积巨大，染色体比其，染色体比其它体细胞染色体长它体细胞染色体长100-

22、200倍，体积大倍，体积大1000-2000倍。倍。多线性多线性，每条多线染色体由，每条多线染色体由500-4000条解旋的染色条解旋的染色体合并在一起形成。体合并在一起形成。体细胞联会体细胞联会，同源染色体紧密，同源染色体紧密配对，并合并成一个染色体。配对，并合并成一个染色体。横带纹横带纹，染色后呈现，染色后呈现出明暗相间的带纹。出明暗相间的带纹。膨突和环膨突和环，在幼虫发育的某个阶段，多线染色，在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成膨突（体的某些带区疏松膨大，形成膨突（puff），或），或巴氏环（巴氏环（Balbiani ring）。用）。用H3-TdR处理细胞，处理细胞

23、，发现膨突被标记，说明膨突是基因活跃转录的形发现膨突被标记，说明膨突是基因活跃转录的形态学标志。态学标志。多线染色体是由于核内有丝分裂的结果，即多线染色体是由于核内有丝分裂的结果，即染色体多次复制而不分离的结果。染色体多次复制而不分离的结果。果果蝇蝇的的多多腺腺染染色色体体多线染色体带和胀泡形成示意图多线染色体带和胀泡形成示意图2灯刷染色体（灯刷染色体（lamp-brush chromosomelamp-brush chromosome）18821882年年FlemmingFlemming首次报道，这种染色体最早发现首次报道，这种染色体最早发现于鱼类、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线于鱼类

24、、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期。由于染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名期。由于染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。由两条同源染色体组成，在交叉处结灯刷染色体。由两条同源染色体组成，在交叉处结合，每条同源染色体含合，每条同源染色体含2条染色单体。轴上有一些染条染色单体。轴上有一些染色粒，代表染色质紧密螺旋化的部位。同时两条染色粒，代表染色质紧密螺旋化的部位。同时两条染色单体向两边伸出许多侧环，一个平均大小的环约色单体向两边伸出许多侧环，一个平均大小的环约含含100 100 bpbp DNA DNA，两栖类一套灯刷染色体大约有一万两栖类一套灯刷染色体大约有一万个侧环。个侧环。灯刷染色体中大部分灯刷染色体中大部分DNA以染色粒形式以染色粒形式存在，没有转录活性。侧环是存在，没有转录活性。侧环是RNA活跃转录活跃转录的区域，一个侧环是一个转录单位或几个转的区域，一个侧环是一个转录单位或几个转录单位的组合，侧环的粗细与转录状态有关。录单位的组合，侧环的粗细与转录状态有关。灯灯刷刷染染色色体体灯刷染色体结构模型灯刷染色体结构模型