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染色体

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染色体

染色体是什么

染色体(Chromosome)是细胞内具有遗传性质的物体,易被碱性染料染成深色,所以叫染色体(染色质);其本质是脱氧核甘酸,是细胞核内由核蛋白组成、能用碱性染料染色、有结构的线状体,是遗传物质基因的载体。

染色体的类型

在有不同性别的生物体内,有两个基本类型的染色体:性染色体和常染色体。前者控制性联遗传特征,后者控制着除性联遗传特征以外的全部遗传特征。
  人体共有22对常染色体和一对性染色体。男女的性染色体不同,男性由一个X性染色体和一个Y性染色体组成,而女性则有两个X性染色体。第22对染色体是常染色体中最后一对,形体较小,但它与免疫系统、先天性心脏病、精神分裂、智力迟钝和白血病以及多种癌症相关。

染色体的形态

染色体在细胞分裂之前才形成。在细胞的代谢期或间期,染色体分散成一级结构或伸展开的脱氧核糖核酸分子,组成细胞核内的染色质或核质。
  染色体的形态以中期时最为典型。每条染色体由两条染色单体组成,中间狭窄处称为着丝点(centromere),又称主缢痕,它将染色体分为短臂(p)和长臂(q)。按着丝粒位置的不同,人类染色体可分为中着丝粒染色体、亚中着丝粒染色体和近端着丝粒染色体等3种类型。近端着丝粒染色体的短臂末端有一个叫做随体的结构,它呈圆球形,中间以细丝与短臂相连。有的染色体长臂上还可看到另一些较小的狭窄区,称为次缢痕。染色体臂的末端存在着一种叫做端粒(telomere)的结构,它有保持染色体完整性的功能。

染色体的结构

核小体
  核小体是染色体结构的最基本单位。核小体的核心是由4种组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)各两个分子构成的扁球状8聚体。
  脱氧核糖核酸分子具有典型的双螺旋结构,一个脱氧核糖核酸分子就像是一条长长的双螺旋的飘带。一条染色体有一个脱氧核糖核酸分子。脱氧核糖核酸双螺旋依次在每个组蛋白8聚体分子的表面盘绕约1.75圈,其长度相当于140个碱基对。组蛋白8聚体与其表面上盘绕的脱氧核糖核酸分子共同构成核小体。在相邻的两个核小体之间,有长约50~60个碱基对的脱氧核糖核酸连接线。在相邻的连接线之间结合着一个第5种组蛋白(H1)的分子。密集成串的核小体形成了核质中的100埃左右的纤维,这就是染色体的“一级结构”。在这里,脱氧核糖核酸分子大约被压缩了7倍。
  螺线体
  染色体的一级结构经螺旋化形成中空的线状体,称为螺线体或核丝,这是染色体的“二级结构”,其外径约300埃,内径100埃,相邻螺旋间距为110埃。螺丝体的每一周螺旋包括6个核小体,因此脱氧核糖核酸的长度在这个等级上又被再压缩了6倍。
  超螺旋体
  300埃左右的螺线体(二级结构)再进一步螺旋化,形成直径为0.4微米(μm)的筒状体,称为超螺旋体。这就是染色体的“三级结构”。到这里,脱氧核糖核酸又再被压缩了40倍。
  四级结构
  超螺旋体进一步折叠盘绕后,形成染色单体—染色体的“四级结构”。两条染色单体组成一条染色体。到这里,脱氧核糖核酸的长度又再被压缩了5倍。从染色体的一级结构到四级结构,脱氧核糖核酸分子一共被压缩了7×6×40×5=8400倍。例如,人的染色体中脱氧核糖核酸分子伸展开来的长度平均约为几个厘米,而染色体被压缩到只有几个微米长。

染色体的医学应用

生殖功能障碍者
  在不孕症、多发性流产和畸胎等有生殖功能障碍的妇夫中至少有7%~10%是染色体异常的携带者。常见的有染色体结构异常如平衡易位和倒位以及数量异常如由于女性少一条X染色体造成的45,XO,或多一条Y染色体造成的47XXY。平衡易位和倒位由于无基因的丢失,携带者本身常并不发病,却可因其生殖细胞染色体异常而导致不孕症、流产和畸胎等生殖功能障碍。性染色体数目异常除可造成不孕外,还常出现第二性征异常。
  第二性征异常者
  常见于女性,如有原发性闭经、性发育不良,伴身材矮小、肘外翻、盾状胸和智力稍有低下,阴毛、腋毛少或缺如,后发际低,不育等,应考虑是否有X染色体异常。常见的X染色体异常有特纳氏综合征和环形X染色体。特纳氏综合征患者比正常女性少一条X染色体,其染色体核型为:45,XO。环形X染色体患者由于某种原因使X染色体两端同时出现断裂,并在断裂部位重接形成,环形染色体越小临床症状越重。早期发现这些异常并给予适当的治疗可使第二性征得到一定程度地改善,也可能获得生育能力。
  外生殖器两性畸形者
  对于外生殖器分化模糊,如阴茎伴尿道下裂,阴蒂肥大呈阴茎样,根据生殖器外观常难以正确决定性别的患者,通过性染色体的检查有助于做出明确诊断。根据染色体检查结果和临床其它检查,两性畸形可分为真两性畸形、假两性畸形、性逆转综合征等几种不同情况。
  1、真两性畸形:内生殖器同时存在着两性的特征,即体内同时存在睾丸、输精管和卵巢、输卵管。
        染色体检查表现为两种类型:a、46,XX/46,XY,即一个机体内存在着两个细胞系,每种细胞的比例决定性别取向,产生的原因:X精子和Y精子同时与两个卵子受精后融合,或X精子和Y精子同时与卵细胞和刚形成、尚未排出卵外的极体分别受精所致。b、核型是46,XX,但是Y染色体的某些基因或片段易位于X染色体上,或常染色体基因突变而具有Y染色体的功能。
  2、假两性畸形:有进一步分为女假两性畸形和男假两性畸形。女假两性畸形内生殖器表现为女性,有子宫、卵巢、输卵管,染色体检查为46,XX。男性假两性畸形内生殖器表现为男性即性腺是睾丸,染色体核型是46,XY。
  3、性逆转综合征:即染色体核型与表型相反,例如核型是女性核型46,XX,但表型却似男性;或核型是男性核型46,XY,但表型却似女性。46,XX男性的主要临床表现有睾丸发育不良,隐睾,阴茎有尿道下裂,精子少或无精子,可有喉节、胡须。腋毛稀疏,群体发病率:1/2万。46,XY女性的主要临床表现有身材较高,卵巢为条索状,无子宫,盲端阴道,原发性闭经,乳房不发育。
  先天性多发性畸形
  和智力低下的患儿及其父母染色体病的特点就是多发性畸形和智力低下,常见临床特征有,头小、毛发稀而细、眼距宽、耳位低、短颈、鼻塌而短、外生殖器发育不良、腭裂、肌张低下或亢进、颠痫、通贯掌、肛门闭锁、身材矮小、发育迟缓、眼裂小、发际低、持续性新生儿黄疸及明显的青斑、眼睑下垂、心脏畸形、肾脏畸形、虹膜或视网膜缺损等。染色体检查可发现有21-三体综合征等异常。
  性情异常者
  身材高大、性情凶猛和有攻击性行为的男性,有些可能为性染色体异常者。如XYY综合征,染色体检查表现为比正常男性多一条Y染色体,染色体核型表现为47,XYY。患者多数表型正常,即健康情况良好,常有生育能力,但子代男性中同样为47,XYY的机会大于正常人群。该病的发病率占一般男性人群的1/750。男性如出现身材修长、四肢细长、阴茎小、睾丸发不发育和精液中无精子者,有时还可以伴有智力异常,应通过染色体检查确定是否患有可氏综合症,该病患者比正常男性多一条X染色体,染色体核型表现为原`原47,XXY。其发病率在一般男性中为1/800,在男性精神发育不全者中为1%,而在男性不孕者中可高达1/10。
  接触过有害物质者
  辐射、化学药物、病毒等可以引起染色体的断裂,如果染色体裂后原来的片段未在原来的位置上重接,将形成各种结构异常的染色体,如缺失、易位、倒位、重复、环形染色体等,这些畸变如发生在体细胞可以引起一些相应的疾病,例如肿瘤。如畸变发生在生殖细胞就发生遗传效应,殃及子代,可以引起流产、死胎、畸形儿。
  婚前检查
  婚前检查可以发现表型正常的异常染色体携带者,如染色体平衡易位、倒位,染色体的平衡易位和倒位由于基因不丢失而表型正常,但极易引起流产、畸胎、死胎,盲目保胎会引起畸形儿的出生率增加。婚前检查还可以发现表形基本正常,但性染色体异常者,这些患者可表现为性功能障碍、无生育能力等。因此,婚前检查对优生优育有着重要的意义。
  白血病及其它肿瘤患者
  白血病及其它肿瘤时出现的染色体异常可使血细胞的癌基因表达,使血细胞无控制的恶性生长。不同的白血病常有各自的特征性染色体异常,因此染色体检查有助于白血病的诊断和预后判定。
  1、慢性粒细胞白血病:Ph染色体是其标记染色体,由9号和22号染色体部份片段相互易位形成的。Ph染色体的出现为慢性粒细胞白血病的确诊指标,治疗过程中Ph染色体的出现或消失,还可作为疗效和愈后的参考指标。
  2、急性非淋巴细胞白血病:染色体改变主要为8号和21号染色体相互易位,以及15号和17号染色体相互易位,形成4条异常染色体,并且增加一条12号染色体。
  3、急淋巴细胞白血病:染色体检查可发现8号和14号染色体相互易位,4号和11号染色体相互易位,9号和22号染色体相互易位形成的6条异常染色体并增加一条21号染色体。

染色体的概念

染色体(Chromosome ),是细胞内具有遗传性质的物体,易被碱性染料染成深色,又叫染色质。其本质是脱氧核甘酸,是细胞核内由核蛋白组成、能用碱性染料染色、有结构的线状体,是遗传物质基因的载体。在无性繁殖物种中,生物体内所有细胞的染色体数目都一样;而在有性繁殖大部分物种中,生物体的体细胞染色体成对分布,称为二倍体。性细胞如精子、卵子等是单倍体,染色体数目只是体细胞的一半。哺乳动物雄性个体细胞的性染色体对为XY,雌性则为XX。鸟类和蚕的性染色体与哺乳动物不同:雄性个体的是ZZ,雌性个体为ZW。

染色体的成分

1、染色体的主要化学成份是脱氧核糖核酸(DNA)和蛋白质构成,染色体上的蛋白质有两类:一类是低分子量的碱性蛋白质即组蛋白(histones),另一类是酸性蛋白质,即非组蛋白蛋白质(non-histone proteins)。非组蛋白蛋白质的种类和含量不十分恒定,而组蛋白的种类和含量都很恒定,其含量大致与DNA相等。所以人们早就猜测,组蛋白在DNA·蛋白质纤丝的形成上起着重要作用。Kornberg根据生化资料,特别是根据电镜照相,最先在1974年提出绳珠模型(beads on-a-string model),用来说明DNA·蛋白质纤丝的结构。纤丝的结构单位是核小体,它是染色体结构的最基本单位。

2、核小体的核心是由4种组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)各两个分子构成的扁球状8聚体。我们知道,DNA分子具有典型的双螺旋结,一个DNA分子就像是一条长长的双螺旋的纤丝。一条染色体有一个DNA分子。DNA双螺旋依次在每个组蛋白8聚体分子的表面盘绕约1.75圈,其长度相当于140个碱基对。组蛋白8聚体与其表面上盘绕的DNA分子共同构成核小体。在相邻的两个核小体之间,有长约50~60个碱基对的DNA连接线。在相邻的连接线之间结合着一个第5种组蛋白(H1)的分子。密集成串的核小体形成了核质中的100埃左右的纤维,这就是染色体的“一级结构”,就像成串的珠子一样,DNA为绳,组蛋白为珠,被称作染色体的“绳珠模型”如图→在这里,DNA分子大约被压缩了7倍。

3、染色体的一级结构经螺旋化形成中空的线状体,称为螺线体或核丝或螺线筒或螺染色体的“绳珠模型”。旋管,这是染色体的“二级结构”,其外径约300埃,内径100埃,相邻螺旋间距为110埃。螺旋体的每一周螺旋包括6个核小体,因此DNA的长度在这个等级上又被再压缩了6倍。

4、300埃左右的螺线体(二级结构)再进一步螺旋化,形成直径为0.4微米(μm)的筒状体,称为超螺旋管。这就是染色体的“三级结构”。到这里,DNA又再被压缩了40倍。超螺旋体进一步折叠盘绕后,形成染色单体—染色体的“四级结构”。两条染色单体组成一条染色体。到这里,DNA的长度又再被压缩了5倍。从染色体的一级结构到四级结构,DNA分子一共被压缩了7×6×40×5=8400倍。例如,人的染色体中DNA分子伸展开来的长度平均约为几个厘米,而染色体被压缩到只有几纳米长。

染色体的基本组形

染色体组型(Karyotype):描述一个生物体内所有染色体的大小、形状和数量信息的图象。这种组型技术人类的23对染色体可用来寻找染色体歧变同特定疾病的关系,比如:染色体数目的异常增加、形状发生异常变化等。以染色体的数目和形态来表示染色体组的特性,称为染色体组型。虽然染色体组型一般是以处于体细胞有丝分裂中期的染色体的数目和形态来表示,但是,也可以其他时期,特别是以前期或分裂间期的染色体形态来表示。关于整个染色体的情况可作下列记载而加以表示:各自的长度、粗细;着丝粒的位置;随体及次缢痕的有无、数目、位置;凝缩部不同的部分以及异染色质部分、常染色质部分;染色粒、端粒的形态、大小及分布情况;小缢痕的数目、位置;由于温度和药品处理所产生的染色体分带(band)的形态、数目、位置等等。对于染色体组的表示,现已提出几种方法。例如,染色体的数目是以n、2n分别表示配子和合子的染色体数目,以x表示基数,以b表示原始基数,以2x、3x、4x、……表示多倍性,以2x 1、2x-1、……等等表示非整惰性,以1、2、3、……等编号表示各个染色体。另外,为了表示各个染色体的形态特征,还可采用“V”形、“J”形等名称,或者采用由A.Levan等(1964)所提出的根据着丝粒的位置进行分类的方法等。关于人类的染色体组型的表示法,在国际上是统一的(在丹佛1960、伦敦1963、芝加哥1966、巴黎1971等地召开的人类染色体会议上所制订的),已规定了为了表示染色体形态特征的染色体臂比、着丝点指数等指标。

染色体的新进展

基因组研究以国际人类基因组计划为代表,是当今生物技术研究的“热中之热”。人类基因组草图的完成宣告了一个新时代——后基因组时代的到来。已经完成基因组测序的动物还有秀丽线虫(1998年)、果蝇(2000年)、狗(2004年)和小鸡(2004年)等。我国研究人员独立完成了水稻、家蚕、鸡、吸血虫、羊等物种的全基因组测序工作。

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