遗传学基础

第一章遗传的细胞学基础Chapter1CytologicFoundationofHeredity遗传学与细胞学(Cytology)遗传学对掌握细胞学基础的要求侧重于：–染色体的数目、形态和结构；–细胞有丝分裂、减数分裂、融合(受精)过程及其染色体的行为；–有丝分裂、减数分裂及受精的遗传学意义。第一章遗传的细胞学基础第一节染色体的数目、大小、形态特征和结构第二节体细胞分裂与细胞周期第三节细胞的减数分裂真核细胞的结构与功能（细胞壁——支撑和保护）细胞膜——保护、保持形态、与吸收分泌等其它生理功能有关细胞质核糖体(遗传信息表达的主要场所)线粒体和质体(半自主性细胞器)细胞核——控制细胞发育和性状遗传细胞核的数目、结构、染色质和染色体染色质(chromatin)和染色体(chromosome)采用碱性染料对间期的细胞核染色，会发现其中具有染色较深的、纤细的网状物，称为染色质。在细胞分裂过程，核内的染色质便卷缩而呈现为一定数目和形态的染色体。染色质和染色体是同一物质在细胞分裂过程中所表现的不同形态。染色体：–是遗传信息的主要载体；–具有稳定的、特定的形态结构和数目；–具有自我复制能力；–在细胞分裂过程中数目与结构呈连续而有规律性的变化。染色体的3个基本元素自主复制序列(autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS)，是DNA复制的起点；着丝粒序列(centromereDNAsequence,CEN)，由大量串联的重复序列组成，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；端粒序列(telomereDNAsequence,TEL)，不同生物的端粒序列都很相似，由长5-10bp的重复单位串联而成。第一节染色体的数目、大小、形态特征和结构染色体是所有真核生物细胞都具有的结构。–各物种染色体都具有特定的数目与形态特征。–而且同一物种内的各染色体间往往也能够通过其形态特征加以区分、识别。染色体的形态结构与数目在细胞分裂过程中有一系列规律性变化。识别染色体数目与形态特征的最佳时期是细胞有丝分裂中期。第一节染色体的数目、大小、形态特征和结构一、染色体的数目二、染色体的大小三、染色体的形态特征四、染色体的结构五、特殊类型的染色体一、染色体的数目不同生物物种的染色体数目是生物物种的特征，相对恒定；体细胞中染色体成对存在(2n)，而配子中染色体数目是体细胞中的一半(n)。同源染色体(homologouschromosome)与非同源染色体(non-homologouschromosome)染色体组：二倍体生物配子中所含的形态、结构和功能彼此不同的一组染色体，用X表示。黑麦(2n=2X=14)不同物种染色体数可以相同–方穗山羊草、黄瓜和黄麻的染色体数目都为14–洋葱、蒜和葱的染色体数目都为16物种的染色体数目与其进化程度无关–瓶尔小草属的染色体数目比人的染色体数目多二、染色体的大小不同物种间染色体的大小差异很大，长度的变幅为0.20-50m，宽度的变幅为0.20-2.00m。绝对长度：染色体的真实长度，以长度单位为单位。相对长度：某一染色体绝对长度占该染色体组绝对长度的百分数。同一物种不同染色体宽度大致相同，其染色体大小主要对长度而言。三、染色体的形态特征分析染色体形态特征的主要目的是区分识别染色体。未经过显带处理，在普通光学显微镜下能够观察分析并用于染色体识别的特征主要有：–着丝粒的位置(染色体臂的相对长度)；–次缢痕和随体的有无及位置。显带处理后可把带纹特征作为染色体识别的特征着丝粒的位置染色体臂长度和着丝粒的位置是染色体识别与编号的一个重要特征。对每条染色体而言，着丝粒在染色体上的相对位置是固定的，根据其位置和两臂的相对长度可以将染色体的形态分为：–1.中央着丝粒染色体–2.近中着丝粒染色体–3.近端着丝粒染色体–4.端着丝粒染色体染色单体(chromatid)在有丝分裂中期所观察到的染色体是经过间期复制的染色体，均包含有两条成分、结构和形态一致的染色单体。一条染色体的两个染色单体互称为姊妹染色单体(sisterchromatid)。次缢痕(secondaryconstriction)和随体(satellite)某些染色体的一个或两个臂上往往还具有另一个染色较淡的缢缩部位，称为次缢痕，通常在染色体短臂上。随体的位置、大小也相对恒定，可以作为染色体识别的标志。次缢痕在细胞分裂时，与核仁的形成有关，因此也称为核仁组织中心(nucleolusorganizer)。染色体带型发现：1968年，瑞典细胞化学家Caspersson种类–Q带：氮芥喹吖因(QM)–G带–R带–C带：着丝粒次缢痕–T带：染色体末端–N带：NOR高分辨显带(highresolutionbanding)常规染色技术与显带技术的对比四、染色体的结构(一)、染色质的种类(二)、染色质的基本结构(三)、染色体的结构模型常染色质和异染色质通常根据间期染色反应，可以将染色质分为常染色质和异染色质。–常染色质(euchromatin)：染色质线中染色浅的区段。–异染色质(heterochromatin)：在细胞间期染色质线中，染色深的区段。常染色质和异染色质结构差异:–两者结构上连续，化学性质上没有差异，只是核酸螺旋化程度(密度)不同。–异染色质在间期的复制晚于常染色质，间期仍然高度螺旋化状态；–而常染色质区处于松散状态。功能差异:–遗传信息的表达(转录)主要在间期进行，并需要染色质(局部)处于解螺旋状态。–异染色质在遗传功能上是惰性的，一般不编码蛋白质，主要起维持染色体结构完整性的作用。–常染色质间期活跃表达，带有重要的遗传信息。组成性异染色质与兼性异染色质组成性(constitutive).–在所有组织、细胞中均以异染色质状态存在；–只与染色体结构有关，一般无功能表达；–构成染色体的特殊区域，如：着丝粒部位等。兼性(facultative).–在一些组织中象常染色质一样正常表达，而在其它组织中以异染色质状态存在，完全不表达；–携带组织特异性表达的遗传信息；–可存在于染色体的任何部位。(二)、染色质的基本结构–染色质是染色体在细胞分裂间期所表现的形态，呈纤细的丝状结构，也称为染色质线(chromatinfiber)。1.化学组成–(1).DNA：每条染色体一个双链DNA分子•是遗传信息的载体，也就是所谓的遗传物质。–(2).蛋白质•组蛋白(histone)：呈碱性，结构稳定；与DNA以一定的比例结合。•非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；可以帮助DNA分子折叠形成不同的结构域，从而有利于DNA的复制和基因的转录，以及控制基因转录，调节基因表达。–(3).另外，可能存在少量的RNA(二)、染色质的基本结构2.基本结构单位–染色质的基本结构单位是核小体。•每个基本单位约180-200bp。–核小体(nucleosome)核心颗粒：直径约11nm•组蛋白：H2A、H2B、H3、H4四种组蛋白各两分子的八聚体，直径约10nm)；•DNA链：DNA双螺旋链盘绕于组蛋白八聚体表面1.75圈，约合146bp。(二)、染色质的基本结构–连接丝(linker)：核小体间的连接部分，两个核小体之间的DNA双链；含50-60bp，变化范围8-114bp。–组蛋白H1：结合于连接丝与核小体的接合部位。组蛋白组蛋白是染色体的结构蛋白，其与DNA组成核小体。根据其凝胶电泳性质可将其分为H1、H2A、H2B、H3及H4。组蛋白含有大量的赖氨酸和精氨酸，其中H3、H4富含精氨酸，H1富含赖氨酸。H2A、H2B介于两者之间。组蛋白的特性进化上极端保守性。–其中H3、H4最保守，H1较不保守。无组织特异性。–到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类的红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。肽链上氨基酸分布的不对称性。–碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。组蛋白的特性组蛋白的修饰作用。–包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。•H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。•所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。–修饰作用只发生在细胞周期的特定时间和组蛋白的特定位点上。•组培细胞H1的磷酸化都发生在S期，其他细胞则发生在G2期；•H2B的乙基化都发生在赖氨酸残基上。(三)、染色体的结构模型染色体的单线性–未经复制的染色体含有一个染色单体。–染色单体含有一条双链DNA分子与蛋白质结合后形成的一条线性、无分支染色质线。–间期DNA分子通过半保留方式复制后就产生两条完全相同的DNA分子，所以含有两条姊妹染色单体。(三)、染色体的结构模型(三)、染色体的结构模型染色质的不同状态：–在DNA进行复制或转录时(主要在间期)，必须(局部)以DNA单链状态存在，所以核小体的结构也必须解开(染色质呈松弛状态)；–而在细胞分裂中期，染色质呈高度螺旋化状态，并且每条染色体都呈现其固有的形态特征。–很显然这两种状态间的转换不是随机、无序的卷缩，而应该是按照一定的规律转换的。(三)、染色体的结构模型贝克等(Bak,A.L.,1977)：染色体四级结构模型理论能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程–1.DNA+组蛋白核小体+连接丝–2.核小体螺线体(solenoid)–3.螺线体超螺线体(super-solenoid)–4.超螺线体染色体DNA+组蛋白核小体+连接丝核小体+连接丝螺线体(solenoid)螺线体超螺线体(super-solenoid)超螺线体染色体*染色体形成过程中长度的变化长度压缩第一级DNA+组蛋白核小体7倍第二级核小体螺线体6倍第三级螺线体超螺线体40倍第四级超螺线体染色体5倍8400倍（8000-10000）五、特殊类型的染色体(一)、多线染色体(二)、灯刷染色体(三)、B染色体*(一)、多线染色体单线性与多线性：–染色体在通常情况下具有单线性，但是双翅目昆虫(摇蚊、果蝇)的幼虫唾液腺、肠、马氏管等的细胞中存在巨大染色体，往往具有多达2048条染色质线(多线性)。多线染色体产生原因——核内复制：–染色单体在间期正常进行复制，但未发生着丝粒分裂和染色单体分离，导致一条染色体的染色单体数目成倍增长。例：–在果蝇中唾腺染色体经10-11次核内有丝分裂可形成1024、2048条染色质线的多线染色体。*细胞分裂间期多线染色体的形态由于成百上千的染色质线并排，就使染色体由于不同区段的螺旋化程度差异而在间期呈现清晰的带纹。染色体的螺旋化程度体现了染色质遗传活性，因而横纹的深浅和变化也可以作为研究基因活性差异的依据。*(二)、灯刷染色体灯刷染色体：–是在一些动物的初级卵母细胞双线期、果蝇属的精细胞的Y染色体、植物花粉细胞的终变期，观察到的另一种巨大染色体。形态：–灯刷染色体的主体呈柱状体，其表面伸出许多毛状突起，形似灯刷。形成：–它是一对同源染色体，这对同源染色体之间由一个或多个交叉的联系起来；–螺旋化的染色质构成灯刷染色体的柱状主体；–毛状突起是由于部分染色质没有螺旋化，或者螺旋化的程度较低。*灯刷染色体的形态*(三)、B染色体前面一再强调，生物物种的染色体形态、结构特征和数目的稳定性。事实上，这类染色体的数目增加或减少，对大多数生物，特别是二倍体生物常常是有害的。许多生物在染色体数目上也有特殊性表现，也就是说除了具有一定数目的形态、结构稳定的染色体外，还有一些额外染色体。这些额外染色体又称为B染色体、副染色体、超数染色体或附加染色体。额外染色体的数目在生物世代间及个体间都存在很大差异，并且很不稳定，在生物世代间传递规律也与常染色体不同。*黑麦(S.cereale,2n=14)的B染色体第二节体细胞分裂与细胞周期对多细胞生物而言，其生长发育通过体细胞的分裂实现。体细胞分裂的方式主要为有丝分裂。一、有丝分裂(一)、有丝分裂的过程–有丝分裂