第三节 染色体一、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，性细胞染色体为单倍体（ haploid ），体细胞为 2 倍体（ diploid ），还有一些物种的染色体成倍增加成为 4n 、 6n 、 8n 等，称为多倍体。同一个体的体细胞并非都是 2 倍体，如大鼠肝细胞有 4n 、 8n 、16n 等多倍体细胞，果蝇卵巢滋养细胞表现为 2n 、 4n 、 8n 、16n 、 32n 、 64n 、 128n 等不同倍性。

染色体的数目因物种而异，如人类 2n=46 ，黑猩猩 2n=48 ，果蝇 2n=8 ，家蚕 2n=56 ，小麦 2n=42 ，。在植物中染色体最少的仅 2 对染色体，最多的物种可达 400-600 对。在动物中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有 217-223 对染色体。

染色体（ Chromosome ）姊妹染色单体（ Sister chromatid ）根据着丝粒在染色体上的位置：中着丝粒染色体（ Metacentric chromosome ）近中着丝粒染色体（ Submetacentric chromosom

e ）近端着丝粒染色体（ Arocentric chromosome ）端着丝粒染色体（ Telocentric chromosome ）

染色体的各部分名称

根据着丝粒位置进行的染色体分类图示

1 、着丝粒与动粒（也称着丝点 ,kenetoche ）

着丝粒和动粒（着丝点）是两个不同的概念，前者指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位；后者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。

着丝粒含 3 个结构域，即：动粒结构域（ kinetochore dom

ain ）、中央结构域（ central domain ）和配对结构域（ pari

ng domain ）。

动粒结构域位于着丝粒的表面，由外板（ outer plate ）、内板（ inner plate ）、中间区（ interzone ）和围绕外层的纤维冠 (fibrous corona) 。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。。

中央结构域位于着丝粒结构域的下方 , 是着丝粒区的主体，由高度串联重复的 α 卫星 DNA 构成，重复单位 171bp ，重复2000-3000 次，表现为异染色质特性。

配对结构域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，一类为内着丝粒蛋白 I

NCENP （ inner centromere protein ），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 ACA 来研究的。 ACA 是从 CRES

T 综合症病人血清中分离出来的抗着丝粒蛋白的抗体 (anticent

romere antibodies) 。用 ACAs 发现鉴定出来的 CENP 主要有 6 种，即： CENP-A 至 F ，它们都能与一个 17bp 的 DNA

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。

着丝粒结构区域组织

着丝粒的 3 个结构域

着丝点结构域

荧光原位杂交显示着丝粒卫星 DNA

2 、主缢痕（ primary constriction ） 中期染色体上一个染色较浅而缢缩的部位，主缢痕处有着丝粒，亦称着丝粒区，由于这一区域染色线的螺旋化程序低， DN

A 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位置固定的着丝粒 (localized contromere) ，有些生物整个染色体都具有着丝粒活性，称为全着丝粒（ holocentromer

e ）如：如蛔虫、线虫、蝶、蛾、蚜虫等。

3 、次缢痕（ secondary constriction ） 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、位置和大小是鉴定染色体个别性的一个显著特征。

4 、核仁组织区（ nucleolar organizing regions, NORs ） 核糖体 RNA基因（ 5SrRNA基因除外）所在的区域。核仁组织区位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是 NOR

s 。

5 、随体（ satellite ） 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称为端随体，位于两个次缢痕中间的称中间随体。

6 、端粒（ telomere ） 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（用 X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两端相连而成环状）。端粒由高度重复的短序列串联而成，在进化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似，哺乳类的序列为 GGGTTA ， 500-3000 次重复。

荧光原位杂交显示端粒和端粒序列

二、染色体 DNA 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 3 个基本元素，即：自主复制序列 (autonomously replicating DNA sequence,

ARS) 、着丝粒序列 (centromere DNA sequence,CEN) 和端粒序列 (telomere DNA sequence,TEL) 。

1 、自主复制序列 ( ARS)

是 DNA 复制的起点，酵母基因组含 200-400 个 ARS ，大多数具有一个 11-14 bp ，富含 AT 的共有序列（ ARS consensu

s sequence, ACS ）。含有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。

2 、着丝粒序列 (CEN)

不同来源的 CEN 的共同特点是具有两个彼此相邻的核心区，一个是 80-90 bp 的 AT 区，另一个是 11 bp 的保守区。 C

EN 由大量串联的重复序列组成，如 α 卫星 DNA ，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 .

3 、端粒序列 (TEL)

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 GGGTTA 。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（ telomerase ）合成后添加到染色体末端。端粒酶是一种核糖核蛋白复合物，具有逆转录酶的性质，以物种专一的内在 R

NA 为模板，把合成 DNA 的添加到染色体的 3‘ 端。

端粒序列和端粒酶

端粒起到细胞分裂计时器的作用，端粒核苷酸复制和基因 D

NA 不同，每复制一次减少 50-100 bp ，正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体具有端粒酶活性，所以人的生殖细胞染色体末端比体细胞染色体末端长几千个 bp 。肿瘤细胞和永生细胞系具有端粒酶的活性。

1983年， A. W. Murray 等人首次成功构建了包括 ARS 、CEN 、 TEL 和外源 DNA ，总长度为 55kb 的酵母人工染色体(yeast artificial chromosome, YAC) 。 YAC 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。

染色体的三种基本序列

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论到 1956年才得以确认，主要归功于 50年代以后逐步发展起来的低渗处理，压片技术以及秋水仙处理和细胞培养技术。二十世纪六十年代末至七十年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。

核型（ karyotype ） 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。如果将成对的染色体按形状、大小依顺序排列起来叫核型图 (karyogram) ，而染色体组型（ idiogram ）通常指核型的模式图，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

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1968 年由瑞典人 Casperson首先建立。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：G 、 Q 和 R带，另一类是局部性的显带，它只能使少数特定的区域显带，如 C 、 Cd 、 T 和 N带。Q带：喹丫因染色后，紫外照射下的明暗带（富含 AT的明带，富含 GC的暗带）； G带： Giemsa染料染色后所呈现的染色体区带； R带：是中期染色体经碱性磷酸盐处理，丫啶橙或 Giemsa染色后所呈现的带型，一般与 G带正好相反； C带：显示着丝粒结构异染色质及它染色体区段的异染色质。 T带：是染色体端粒部位经丫啶橙染色后呈现的区带； N带： Ag-As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。染色体微切割和分子克隆技术。

正常男人染色体显带核型

人类 G带核型（显示染色体上富含 AT 的序列）

人类 Q核型（ Q带与 G带相似）

人类带 C核型（显示着丝粒异染色质）

人类染色体组型和带型

四、巨大染色体1．多线染色体（ polytene chromosome ） 1881年意大利的 Balbiani 发现双翅目摇蚊幼虫的唾腺细胞的具有如下特点：①体积巨大，染色体比其它体细胞染色体长100-200 倍，体积大 1000-2000 倍。②多线性，每条多线染色体由 500-4000 条解旋的染色体合并在一起形成。③体细胞联会，同源染色体紧密配对，并合并成一个染色体。④横带纹，染色后呈现出明暗相间的带纹。⑤膨突和环，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（ puff ），或巴氏环（ Balbiani ring ）。用 H3-TdR 处理细胞，发现膨突被标记，说明膨突是基因活跃转录的形态学标志。 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。

果蝇的多腺染色体

多线染色体带和胀泡形成示意图

2．灯刷染色体（ lamp-brush chromosome ） 1882年 Flemming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，在交叉处结合，每条同源染色体含 2 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。同时两条染色单体向两边伸出许多侧环，一个平均大小的环约含 100 bp DNA，两栖类一套灯刷染色体大约有一万个侧环。 灯刷染色体中大部分 DNA以染色粒形式存在，没有转录活性。侧环是 RNA活跃转录的区域，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。

灯刷染色体

灯刷染色体结构模型