1遗传学第2章-遗传学的细胞基础

1 §2 遗传学的细胞基础 Chapter 2 Cytological Basis of Genetics §2.1 染色质与染色体 §2.2 细胞分裂 §2.3 染色体周史 §2.1 染色质与染色体 1 染色质与染色体的概念* 2 染色体的形态 3 染色体的结构* 4 染色体的数目 5 染色体组型或核型 染色质（chromatin）是存在于真核生物间 期细胞核内的一种易被碱性染料着色的无定形 物质，是伸展开的DNA蛋白质纤维，每一条染 色体是由一个线性的、完整的、双螺旋的DNA 分子，加上围绕其中的组蛋白和非组蛋白所组 成的，是细胞分裂间期遗传物质的存在形式。 1 染色质与染色体的概念* 常染色质（ euchromatin ）是染色质的主要成分，染 色较浅，着色均匀。呈高度分散状态, 它的折叠、包装和 凝缩程度是很疏松的。活性表达状态的基因一定处在常染 色质中；但常染色质中的基因并非全处于活性表达状态， 通常只有一小部分基因在进行转录。 异染色质（heterochromatin）折叠非常致密，在染色 体上染色较深，而且在细胞分裂周期中致密程度很少发生 变化。折叠致密的染色质内没有表达活性的基因，所以处 于有丝分裂中的染色体是没有转录活性的。同样，位于异 染色质中的基因也是没有转录活性的。在间期细胞中含有 两种异染色质，每种异染色质各有不同的DNA序列，但这 些DNA序列都不进行转录。 （1）组成型异染色质（constitutive heterochromatin）即 通常所指的异染色质，这是一种永久性的、在染色体上 有固定位置的异染色质。它由不表达的DNA序列（如卫 星DNA）组成，在染色体的结构中起作用。它常集中在 染色体的一些特定区段，最典型的是位于染色体的着丝 粒周围。 （2）功能型异染色质（facultative heterochromatin）又称 X异染色质，是在特定条件下，由常染色质转变而来。 染色体（chromosome）是染色 质在细胞分裂过程中经过紧密缠绕、 折叠、凝缩、精巧包装而成的具有固 定形态的遗传物质存在形式，是高度 螺旋化的DNA蛋白质纤维。 2 染色质和染色体是真核生物遗传物质存在 的两种不同形态，两者不存在成分上的差异， 仅反映它们处于细胞分裂周期的不同功能阶段 而已。 （间期）染色质 （中期）染色体 染色体这一概念除指真核生物细胞分裂中 期具有一定形态特征的染色质外，现在已扩大 为包括原核生物及细胞器在内的基因载体的总 称。大部分原核生物的染色体形态比较简单， 它只是一条裸露的或与少数蛋白质结合的DNA 或RNA双链或单链分子。 2 染色体的形态 随体 短臂 次缢痕 着丝点 主缢痕 长臂 染色体在复制之后，含有纵向并列的 两条染色单体（chromatids），由着丝粒 （centromere）联在一起。每一染色单体 的骨架是一条连续的DNA分子，一般认 为细胞分裂中期时看到的染色单体就是由 一条DNA蛋白质纤丝重复折叠而成的。 染色体复制后含有两条纵向并列的染色单体 3 染色体的结构* 细菌的染色体是一个封闭环状双链DNA分子， 它虽然没有真核生物染色体那种特定的形态特征，但 也是有一定的结构。从外形上看，细菌的染色体就像 是一簇或一片相当密集的草丛，占据细菌细胞体积的 1/3左右，形成了所谓的拟核（nucleoid）。当细菌细 胞裂解时，释放出双链DNA环突（loop），这种双链 体不是处于游离的伸展状态，而是同一些蛋白质结合 在一起的超螺旋结构。 3 真核生物的染色体结构要复杂得多， 一般包括四个组成部分，即着丝粒、端 粒、复制起始点以及基因和非编码序列。 在细胞分裂过程中，经过致密缠绕、折 叠、凝缩和精巧包装而形成有固定形态的 染色体，是由核小体（nucleosome）构成 的。 核小体是所有真核生物染色质的基本单 位，它由DNA和组蛋白（histone）构成。由4 种组蛋白H2A、H2B、H3和H4，每一种组蛋白 各2个分子，形成一个组蛋白八聚体，约200bp 的DNA分子盘绕在组蛋白八聚体构成的核心结 构外面，形成了一个核小体。连接相邻2个核 小体的DNA分子上结合了另一种组蛋白H1。 染色质就是由一连串的核小体所组成。 1974年，Kornberg提出绳珠模型 （beads on-a-string model） 4 染色体的数目 每一种生物的染色体数目是恒定的。多数高等 动植物是二倍体（diploid），也就是说，每一体细 胞中有两组同样的染色体，用2n表示；亲本的每一 配子带有一组染色体，用n表示。 如人的染色体是46（2n＝46），果蝇的染色体 是8（2n＝8）。但多数微生物的营养体是单倍体， 如链孢霉的单倍体染色体数是7（n＝7）。 4 5 染色体组型或核型（karyotype） 在细胞有丝分裂期间观察到细胞内的整 套染色体称为染色体组型或核型。 Broad bean（Vicia fabe）2n=12 Onion（Allium cepe）2n=16 端着丝粒染色体（telocentric chromosome） 着丝粒位于染色体的一端，此时被着丝粒区分成的 染色体长臂和染色体短臂的长度相差悬殊。 近端着丝粒染色体（subtelocentric chromosome） 着丝粒靠近染色体的一端。 近中着丝粒染色体（submetacentric chromoeome） 着丝粒靠近染色体的中央部位。 中着丝粒染色体（metacentric chromosome） 着丝粒居于染色体的中央部位，又称等臂染色体 （isochromosome）。 （1）按照着丝粒在染色体上的位置，可把染色体分成 中期染色体经过酶或其他化学试剂处理，再用染料 染色后，染色体上可以显现出染色深浅不一的带纹。这 种深浅相间的带纹图形称为染色体带型。不同的染色体 各有自身特定的带型，据此可以区分出不同的染色体。 染色体特定的带型发生变化，则表明该染色体的结构发 生了改变。 一般常用的显带技术是G显带、R显带和Q显带、C 显带和Cd显带等。 （2）染色体带型（banding pattern） §2.2 细胞分裂 1 细菌的有丝分裂 2 真核类细胞分裂 3 成熟分裂（减数分裂） 1 细菌的有丝分裂（mitosis） 细菌属原核类（prokaryote），染色体的结 构简单，是一个裸露的DNA分子。 细菌分裂时，细胞延长，带着原有染色体 的细胞膜部分与带着新复制的染色体的另一细胞 膜部分彼此远离，当两染色体充分分开时，中间 发生凹陷，细菌细胞分成两个，这样每一染色体 处在各自的细胞中。 5 Color-enhanced electron micrograph of E.coli undergoing cell division. 细 菌 细 胞 分 裂 2 真核类细胞分裂 间期 前期 中期 后期 末期 间期（interphase） 前期（prophase） 中期（metaphase） 后期（anaphase） 末期（telophase） 间期是DNA合成和细胞生理代谢活动旺盛的时期。 根据细胞内染色体的形态和DNA合成情况，又可将间期 划分成: G1期：此时没有DNA复制，但有RNA和蛋白质合成。 S期：此时细胞内进行DNA合成，将DNA总量增加一倍。 G2期：此时细胞里含有两套完整的二倍体染色体，不再 进行DNA合成。 M期：此时染色体真正开始分裂。 （1）间期（interphase） 细胞周期（cell cycle） 有丝分裂间 期内G1期→S期 →G2期→M期这 样一个过程称为 一个细胞周期。 （2）前期（prophase） 核内的染色体细 丝开始螺旋化，缩短 变粗，染色体逐渐清 晰起来。每一染色体 含有纵向并列的两条染色单体，前期快结束 时，染色体缩得很短。 6 （3）中期（metaphase） 中期开始时核膜崩解， 核质（nucleoplasm）与胞质 混合。纺锤体的细丝-纺锤丝 （spindle fibers）与染色体的 着丝粒区域连接。染色体向赤道面移动，着丝 粒区域排列在赤道板上。这时最为容易计算染 色体的数目。 （4）后期（anaphase） 每一染色体的着丝粒已 分裂为二，相互离开。着丝 粒离开后，即被纺锤丝拉向 两极，同时并列的染色单体也跟着分开，分别 向两极移动。这时染色体又是单条了，也可叫 做子染色体。 （5）末期（telophase） 两组子染色体到达两 极，染色体的螺旋结构逐 渐消失，又出现核的重建 过程。两个子核形成后， 接着便发生细胞质的分割过程，把母细胞分隔 成两个子细胞，细胞分裂结束。 有丝分裂的意义 细胞的增殖是通过有丝分裂实现 的。通过有丝分裂，每条染色体精确复制 成的两条染色单体（chromatid）均等地 分到两个子细胞，使子细胞含有同母细胞 相同的遗传信息。 3 成熟分裂（减数分裂） 是一种特殊方式的细胞分裂，是在配 子形成过程中发生的，包括两次连续的核 分裂，但染色体只复制一次，因而在形成 的四个子细胞核中，每个核只含有单倍数 的染色体，即染色体数减少一半，所以把 它叫做减数分裂（meiosis）。 减数分裂的过程 两次连续的核分裂分别称为第一次 减数分裂（减数分裂Ⅰ，meiosis Ⅰ）和 第二次减数分裂（减数分裂Ⅱ，meiosis Ⅱ），在两次减数分裂中都能区分出前 期、中期、后期和末期。 7 葱小孢子母细胞减数分裂过程 细线期 偶线期 粗线期 双线期 终变期 中期I 后期I 末期I 前期Ⅱ 中期Ⅱ 后期Ⅱ 末期Ⅱ 四分孢子 （1）前期Ⅰ 第一次减数分裂的前期特别长， 包括细线期、偶线期、粗线期、双线 期、终变期。 细线期（leptotene） 虽然染色体已在间期时复制，每一染 色体已含有两染色单体，但在细线期还看 不出它的双重性。 偶线期（zygotene） 两个同源染色体开始配对称联会（synapsis）， 出现联会复合体（synaptonemal）。 SC是同源染色体间形成的梯子样的 结构。在电镜下观察，两侧是约40nm 的侧生组分（lateral element），电子 密度很高，两侧之间为宽约100nm的 中间区（intermediate space），在电 镜下是明亮区，在中间区的中央为中 央组分（central element），宽约 30nm。侧生组分与中央组分之间有横 向排列的粗约7~10nm的SC纤维，使 SC外观呈梯子状。 联会复合体（synaptonemal complex，SC）是减 数分裂合线期两条同源染色体之间形成的一种结 构，它与染色体的配对，交换和分离密切相关。 粗线期（pachytene） 染色体继续缩短变粗，两条同源染色体配对 完毕。因此原来是2n条染色体，经配对后形成n 组染色体，每一组合有2条同源染色体，这种配 对的染色体叫做双价体，也叫二价体 （bivalent）。 8 粗线期到了最后阶段，亦可看到每一 染色体的双重性，即每一染色体含有两条 染色单体（姐妹染色单体），因此，双价 体就含有4条染色单体，每一双价体中4条 染色单体相互绞扭在一起。 姐妹染色单体 姐妹染色单体 非姐妹染色单体 双线期（diplotene） 双价体中的两条同源染色体开始分开，但分开 不完全，并不形成两个独立的单价体，而是在两个 同源染色体之间仍有若干处发生交叉而相互连接。 交叉的地方实际上是染色单体发生了交换的结果。 终变期（diackinesis） 又称浓缩期，两条同源染色体仍有交叉 联系着，所以仍为n个双价体。染色体变得更 为粗短，螺旋化达到最高度，双价体开始向 赤道面移动，分裂进入中期Ⅰ。 （2）中期Ⅰ 各个双价体排列在赤道面上，两个同 源染色体上的着丝粒逐渐远离，双价体开 始分离，但仍有交叉联系着。 （3）后期Ⅰ 双价体中的两条同源染色体分开，分别向两极移 动，每一染色体有两个染色单体，在着丝粒区相连 （相当于有丝分裂前期的一条染色体）。这样，每一 极得到n条染色体，即在后期Ⅰ时染色体数目减半。 双价体中哪一条染色体移向哪一极是完全随机的。 （4）末期Ⅰ 核膜重建，核仁重新形成，接着进行胞质 分裂，成为两个子细胞。 末期Ⅰ的染色体只有n个，但每个染色体具 有两条染色单体；而有丝分裂末期的染色体数 为2n个，每个染色体只有一条染色单体。 9 （5）减数间期 在第一次分裂之末，两个子细胞进入间 期，这时细胞核的形态与有丝分裂间期相似， 但有许多生物没有间期，后期染色体直接进入 第二次减数分裂的晚前期（late prophase）， 染色体仍旧保持原来的浓缩状态。而不论有没 有间期，在两次减数分裂之间都没有DNA的合 成及染色体的复制。 前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ和末期Ⅱ 前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ和末期Ⅱ的情况 和有丝分裂过程完全一样，也是每一染色体具 有两条染色单体，所不同的是染色体在第一次 分裂过程中已经减数，只有n个染色体。 前期Ⅱ 中期Ⅱ 后期Ⅱ 末期Ⅱ 四分孢子 „ 减数分裂是有性生殖生物产生性细胞所进行的 细胞分裂方式；而两性性细胞受精结合（细胞 融合）产生的合子是后代个体的起始点。 „ 减数分裂不仅是生物有性繁殖必不可少的环节 之一，也具有极为重要的遗传学意义。 减数分裂的遗传学意义 „ 双亲性母细胞（2n）经过减数分裂产生性细胞 （n），实现了染色体数目的减半； „ 雌雄性细胞融合产生的合子（及其所发育形成 的后代个体）就具有该物种固有的染色体数目 （2n），保持了物种的相对稳定。子代的性状 遗传和发育得以正常进行。 （1）保证了亲代与子代之间染色体数目的恒定性 染色体数目的恒定 减数分裂中期Ⅰ，二价体的两个成员 的排列方向是随机的，所以后期Ⅰ分别来 自双亲的两条同源染色体随机分向两极， 因而所产生的性细胞就可能会有2n种非同 源染色体的组合形式（染色体重组， recombination of chromosome）。 （2）为生物的变异提供了重要的物质基础 10 „ 如果某生物有两对同源 染色体：AA’和BB’，产 生的性细胞具有AA’中的 一条和BB’中的一条。 „ 非同源染色体在性细胞 中可能有22=4种组合。 中期Ⅰ二价体的随机取向 另一方面，非姐妹染色单体间的交叉导致 同源染色体间的片段交换（exchange of segment），使子细胞的遗传组成更加多样化， 为生物变异提供更为重要的物质基础（染色体 片段重组，recombination of segment）。同时 这也是连锁遗传规律及基因连锁分析的基础。 非姊妹染色单体交叉与片段交换 减数分裂与有丝分裂的异同点 名 称 间 期 前 期 中 期 后 期 末 期 间期Ⅱ 有丝分裂 合成 染色质 着丝点 着丝点 细胞质分 100% →染色体 排列赤 分开， 裂形成两 --- DNA 道板上 染色单 个子细胞， 体分开 染色体数 目不变 减数分裂 间期Ⅰ, 前期Ⅰ,持 中期Ⅰ， 后期Ⅰ，末期Ⅰ， 短， 合成 续时间长， 着丝点不 着丝点 形成两个 无DNA 99.7% 进行同源 排列赤道 不分开，子细胞， 合成 DNA。 染色配对、 板上，朝 同源染 染色体数 联会、交 向两极。 色体分 目减半。 换和交叉。 开。 合成0.3% DNA。 不同生物生活史中单倍体世代和二倍体世代所占的比例 §2.3 染色体周史 1 动物的生活史 2 植物的生活史 3 真菌类的生活史 4 藻类的生活史 11 1 动物的生活史 在动物中仅仅只 是在减数分裂形成配 子的阶段才存在单倍 体，而在其他绝大部 分的生活史中是以二 倍体的形式存在的。 果 蝇 2 植物的生活史 植物的大部分生活史也 是处在二倍体阶段，叫孢子 体（ sporophyte），只有一 小部分是在单倍体阶段，叫 配子体（gametophyte）。配 子体只是经历极少数的几次 有丝分裂。 玉 米 3 真菌类的生活史 真菌的生活史是单倍体世代占优势， 二倍体世代时间较短。 链孢霉（Neurospora crassa）有两种 繁殖方式：一种是无性繁殖，当无性孢子 （n）或菌丝落在营养物上，孢子萌发， 菌丝生长形成菌丝体（n）。 12 另一种是有性繁殖，需要两个不同交配 型（mating types）的菌丝体参与，一个交 配型的单倍体核（n）通过另一相对交配型 的子实体的受精丝，进入子实体中，核融合 形成2n核（A／a）。链孢霉只有在这个短暂 时间内是二倍体世代。 链孢霉 2n 4 藻类的生活史 叶状体 果孢子 丝状体壳孢子 单孢子 合子 精子囊 果胞 4细胞幼体 条斑紫菜 本章小结 了解细胞周期与生物的生活史， 掌握细胞分裂中染色体的行为与基因 的平行关系、染色体的基本结构。