灯刷染色体

灯刷染色体形如灯刷状，是一类处于伸展状态具有正在转录的环状突起的巨大染色体。常见于进行减数分裂的细胞中。因此它常是同源染色体配对形成的含有4条染色单体的二价体。卵母细胞发育中所需的全部mRNA和其他物质都是从灯刷染色体转录下来合成的。灯刷染色体首次由W.弗勒明在1882年报道，但未肯定这是一种染色体。1892年J.吕克特对在鲨鱼卵母细胞中的这种巨大染色体的结构进行了研究，并因其形状酷似欧洲当时擦洗煤油灯罩的灯刷,取名为灯刷染色体。50年代在H.G.卡伦等人改进了研究技术后，灯刷染色体的研究才蓬勃发展起来。灯刷染色体在生物界分布广泛，但出现的时期不同。大多数动物的灯刷染色体出现在卵母细胞第一次减数分裂的双线期，例如软体动物、节肢动物中的甲壳类和大多数昆虫类、毛颚动物、棘皮动物和脊索动物。有些动物灯刷染色体出现在精母细胞减数分裂的前期，例如多种直翅目和双翅目昆虫，部分两栖类以及猕猴和人等哺乳动物。线虫的灯刷染色体可出现在间期体细胞中。在植物界，某些大型单细胞藻类含有灯刷染色体。高等植物雄性配子减数分裂中也出现灯刷染色体，例如垂花葱和玉米。不同物种灯刷染色体的大小十分悬殊。一般说来，凡单套染色体中DNA的含量（C值）高的动物，灯刷染色体大，侧环长，而且灯刷染色体持续时间也比较长。两栖类的具有最高的C值,灯刷染色体也最大，是研究灯刷染色体的常用材料，其中研究得最为详尽的是某些有尾两栖类。两栖类灯刷染色体两栖类卵母细胞中，第一次减数分裂的双线期时，每条染色体的两条同源染色体经复制而形成总数为4条姊妹染色单体的结构并产生交叉。这一状态在卵母细胞中可维持数月或数年之久。每条染色单体由一条去氧核糖核蛋白(DNP)纤维构成。纤维在一定部位包装致密成为染色粒，其间由很短的DNP相连,称为轴丝。染色粒和轴丝构成灯刷染色体的轴。从染色粒向外伸展出的DNP纤维称为侧环。轴上除侧环外，还有着丝粒、球体、端粒、轴颗粒等结构。这些结构和某些巨大侧环常出现在特定染色体的固定部位，据此可以鉴别各条染色体，称为界标。染色粒配对同源染色体中，染色体轴上染色粒的数目和分布大体相同，但形状不很规则。有肋螈的染色粒在扫描电镜下可见由若干小型侧环组成。染色粒的数量较多，例如冠螈的单倍体染色体组中约有5000个染色粒。染色粒的数目和大小不仅与物种有关，也随侧环转录活性而变化。年轻的卵母细胞中由于侧环转录活性处于高峰，染色粒较小，但数目较多。此时若用放线菌素D抑制侧环的转录活性,相邻的染色粒会彼此融合而在染色体轴上产生少数较大的致密体。在正常情况下随着卵母细胞渐趋成熟，侧环转录活性逐步降低,侧环回缩,染色粒也彼此逐渐融合，数量变少，最终成一条无法认出染色粒的染色体轴。着丝粒灯刷染色体的着丝粒通常位于交叉附近。着丝粒有二种形态：一种为颗粒状，大小形态与前后染色粒不易区分，如东方蝾螈；另一种在着丝粒的前后带有由相邻染色粒彼此融合而成的轴棒,例如冠螈。着丝粒和轴棒上均无侧环。灯刷染色体着丝粒指数与体细胞的大抵相同。侧环与转录侧环是DNA活跃地转录的区域。它们的长度相差很大，两栖类中侧环平均长度为10～15微米，长的可达200～300微米，小的在光学显微镜下难以分辨。通常一个染色粒具一对侧环，但有些染色粒可有数个侧环。在侧环上从转录起始点到终点称为一个转录单位。用电镜铺展术观察到侧环DNA细丝的转录过程:直径约为12.5微米的一系列的RNA聚合酶附着在转录单位的DNA细丝上。转录产物核糖核蛋白(RNP)在起始处较短,以后逐步增长。所以转录单位的宽窄不同（宽端约2～3微米），使每一转录单位在形态上呈现极性。多数侧环上只有一个转录单位，有些侧环则具数个转录单位，这些单位的转录方向可以相同,也可以不同。由于转录产物(基质-RNP)的种类、数量和堆积状态的不同，在某些染色体轴的特定部位可以形成不同类型的侧环。这些侧环是灯刷染色体的重要界标。各个侧环不是同步地产生的。某些侧环能出现在不同成熟程度的卵母细胞的灯刷染色体上，而另一些仅在年青的卵母细胞中伸展并显示活跃的转录活性，以后即失去转录活性并回缩到染色粒中。在较大的卵母细胞中出现较长的侧环，回缩也迟。激素处理也能影响侧环的伸展和回缩，并能诱生象侧环样的其他类型的结构，这些形态变化的意义尚不清楚。球体在特定部位出现的球体相当于一般染色体的次缢痕，并含有酸性蛋白。球体周期性地脱落到核质中，并在同一部位形成新的球体。球体间常见彼此融合现象，但大小并不增加。电子显微镜下可见球体内层为圆而致密的髓心被电子密度较弱的外鞘包围着。在不同的亚种之间球体的大小是相对恒定的。端粒位于某些染色体两端，是一种在蛋白质中包埋着DNP的小球体。端粒两侧无侧环,其大小具种的特性。轴颗粒结构与端粒相似。也可见到轴颗粒间的融合。有些轴颗粒在染色体上具明显而较恒定的位置，可作为鉴定染色体的界标。其他界标和工作图谱在某些两栖类灯刷染色体轴上尚有其他界标,如双轴结构、轴棒状结构,几对较大的侧环成簇地出现在轴的特定部位等。在形态学基础上现在已经绘出了多种两栖类灯刷染色体的工作图谱。这样的图谱反映一整套灯刷染色体的相对长度、着丝粒部位和各种不同界标着生的位置，是利用灯刷染色体进行深入研究的基础。果蝇的Y染色体多种动物精母细胞染色体上可以看到周围有绒毛状的结构，提示精子发生中存在灯刷期。多种果蝇其生长期的初级精母细胞中的灯刷样结构比较典型，研究得也最为清楚。果蝇精母细胞第一次成熟分裂到双线期，在某一染色体上会出现成对的侧环。由于XO型的果蝇的精母细胞中不具侧环,而XYY果蝇的精母细胞中侧环数目加倍,因而很容易判定只有Y染色体是灯刷染色体。Y染色体在减数分裂中不配对,所以和两栖类的不同,果蝇的灯刷染色体不是二价体。果蝇的Y染色体共有平均长度为50微米的5对侧环，每对侧环都有专门的名称。环套位于染色体短臂上的一对侧环。DNP轴含260千碱基对(kb)，在超薄切片上可见其上有直径为40纳米的RNP颗粒，是典型的灯刷样侧环。杵状环位于长臂近着丝粒处,带有2个体积很大的杵状体故名。杵状体由0.2～1微米的蛋白质球体和弥散的纤丝物质组成。这对侧环是否象灯刷侧环那样正在转录，目前还缺乏染色质铺展实验的证据。管状带这对侧环在光学显微镜可见由含致密小颗粒的弥散物质组成。在电子显微镜下可见弥散物质由直径35纳米的小管组成，而致密的颗粒由小管紧密包装而成。铺展实验表明管状带的结构类似灯刷侧环。假核仁这对侧环具有大的假核仁和前后各一个假核仁球部，两者超微结构相似,均由纤丝物质组成,其中含有小的RNP颗粒。铺展实验中可见转录本长达1000kb，说明这对侧环上可能只有一个转录单位。丝状体位于长臂端部，由两部分组成。远端的弥散部分由纤丝组成,其中分布着35～40纳米的富含RNP的颗粒，一端与假核仁球部相接；近端的致密部分由紧密包装的纤丝组成，无RNP颗粒。铺展实验证明DNP轴上有长约500kb的转录单位。果蝇灯刷染色体的侧环活跃地合成其他染色体不能合成的一种对生育必不可少的RNA。没有Y染色体的XO型雄果蝇是完全不育的。Y染色体有缺陷的果蝇精子发生中出现的形态学异常是十分多样的：精子细胞在伸长时生长受阻；精子中细胞器格局被打乱以及这些细胞器出现种种异常。这就说明侧环上的基因的机能（即Y染色体雄性生育因子）不是为这些细胞器分化时所需的某一蛋白质编码，而是调节着细胞生长和精子细胞器的自我装配。而且这种Y染色体畸形的果蝇,其精子发生受阻在早期或晚期，取决于缺少哪一对侧环。这提示不同的生育因子可能依次地作用于精子形成的不同的阶段。植物的灯刷染色体有关植物灯刷染色体的报道不多。在垂花葱雄性减数分裂双线期、玉米雄性减数分裂终变期均有灯刷期的记载。但所报道的灯刷染色体，只是一条较长的染色体，周围有绒毛状的结构（图10）。真菌减数分裂双线期的灯刷染色体与此大同小异。只有地中海伞藻具有典型的灯刷染色体的结构。灯刷染色体是一类包装不象一般染色体那么紧密，并且正在进行转录的巨大染色体，因而历来是研究染色体结构和功能的独特材料。灯刷染色体研究中所取得的进展，也促进了对一般染色体结构的了解。70年代以来,曾利用同位素标记的DNA与灯刷染色体上新产生的RNA进行原位杂交，以确定单个基因的定位。但是陆续发现这些DNA探针专一性不强,例如组蛋白基因和5sDNA探针都能与许多侧环上转录的RNA杂交，而灯刷染色体同一区域也可为不同探针所标记，这样就使人们对用这种方法所定位的基因的真实性产生了怀疑。随着更精确的实验技术的发展和应用，可以预期在卵子发育中灯刷染色体的基因活动将逐渐得到阐明，这不仅对于理解胚胎早期发育十分重要，而且还可以帮助了解体细胞分化中基因的调节与控制。