染色体介绍

早在 1848 年 Hofmeister 发现了染色体,1888 年由 Waldeyer 将它命名为染色体。染色体是生物细胞中 的一个重要的组成部分，每一物种都有一定数目及一定形态结构的染色体。染色体能通过细胞分裂而复制。 并且在世代相传的过程中具有稳定地保持形态、结构和功能的特征。染色体物质存在于细胞核内，只有当细胞分裂时在其前期未到中期才表现出典型的染色体形态。简单 的讲，染色体就是细胞分裂中期内能被碱性染料染色的棒状小体，就其本质而言，染色体是遗传物质的载 体。人类 99%的遗传物质位于染色体上。染色体的化学成分是 DNA、RNA 和蛋白质组成的核蛋白物质。在染色体的不同部位上，由于染色质 组成和分布上的差异，分为常染色质区和异染色质区，二者在结构上是连续的，这种差别被称为“异固缩现 象”。其特征为异染色质区的复制多迟于常染色质区，在遗传上表现为惰性状态，而常染色质区在遗传功能 上具有更为积极的作用。在形态上每条染色体被着丝粒分为长臂和短臂两部分，根据染色体两臂的长度可将染色体分为三类： 一类是近端着丝粒染色体；其二是近中着丝粒染色体；第三为中间着丝粒染色体。在三类染色体中，近端 着丝粒染色体的次缢痕末端由一条染色质丝连着一小段染色体称为随体。次缢痕类似于主缢痕（着丝粒） 但该区不能弯曲，且多与核仁形成有关，又称为核仁形成区。同种细胞内染色体的形态、大小、着丝粒及 次缢痕在染色体上的位置以及随体的有无都是相对固定的，均为染色体认别中的重要标志。各种生物的染色体数目都是相对恒定的，通常体细胞内的染色体数目比其生殖细胞中的染色体数目多 一倍，分别用2n和n表示。1956年美籍华人蒋有兴等证明人类染色体数目为46条即2n=46、n = 23。 前面我们已知染色体是遗传物质的载体，那么我们也可理解成基因是位于染色体上的遗传单位。由此可见， 对染色体的研究属遗传学范围。遗传是指亲代和子代之间某些性状的相似。当然，我们大家都知道遗传的是带有遗传信息的遗传物质， 而不是我们看到的性状。对遗传物质的做文章即构成研究生物遗传与变异的学科称为遗传学。它研究的范 围包括遗传物质的本质、遗传物质的传递和遗传信息的实现三个方面。如果用我们今天讨论的染色体研究 举例，那就是研究染色体的质和量（遗传物质的本质），染色体传递和异常染色体胎儿的产前检出。遗传学 这一学科的名称是由英国遗传学家贝特森在1909年发表的著作孟德尔的遗传原理中提出的。孟德尔 奥地利人，当代遗传学的奠基人，其孟德尔的基因分离定律和自由组合定律是当代遗传学的理论基础。现 代医学遗传学把遗传病可分为孟德尔遗传病、染色体病和多基因病三类。这里我们又提出了医学遗传学这个名词，遗传是指遗传物质，也可称基因组。人们在认识了遗传后发 现人类的智力、体力、健康和绝大多数疾病无一不是遗传与环境相互作用的结果。由于遗传与环境影响了 人类的发展，其最主要的是健康与疾病，故而就产生了医学遗传学。医学遗传学是研究人类遗传性疾病的 发生机理、传递规律、诊断方法、以及治疗与预防措施的遗传学分支学科。简单的讲就是研究人类疾病与 遗传关系的一门学科。近二十年来随着医学科学的发展及研究手段和技术的发展，医学遗传学又建立和形 成了不少新的分支：如医学细胞遗传学研究人类染色体的结构、畸变的类型、成因、频率以及与疾病的关 系；临床细胞遗传学则是侧重研究某些疾病或综合征与染色体畸变的关系；群体细胞遗传学侧重研究人类 群体中染色体畸变的频率和类型、以及染色体多态；肿瘤遗传学研究肿瘤的发生与遗传关系。在肿瘤遗传 学理论中，有关肿瘤发生的遗传机理的几种假设中，其中有一条染色体不平衡假说；认为染色体异常是癌 变的原初变化，各种因素（遗传与环境）造成细胞的不对称分裂而使子细胞内遗传物质的分布不平衡，从 而影响基因的正常功能而形成肿瘤发生的原因。在前面所讨论的医学遗传学分支中，我们讨论的均是与染色体有关的几个分支，由于现已知人类有 4000 多种遗传病，其中染色体病所占比例较少，但染色体异常由于其与恶性肿瘤的发生密切相关外，其 严重的致畸、致残给社会及家庭造成的损失和负担却较另两类遗传病大的多，严重的多，而且染色体病的 检查，诊断及预防又较另两类方便、简单的多。由于以上两方面的原因，它促使人们认识并重视研究染色 体。一、认识染色体：人类和哺乳类细胞遗传学开始发展是很缓慢的。Painter（1922）最初认为人的二倍体染色体是48或 46 条，当时他趋向于 46 条，但在 1923 年他修改了他的观点，认为人的 2n 染色体是 48 条而不是 46 条，并提出人类性别染色体是xx/xy的观点。由于当时没有解决染色体制备上的方法学问题，而仅靠压片 法致使 48 条的错误理论坚持了三十多年。人们把这段时间称为低渗前时期，这段时期内得到的有关脊椎 动物细胞遗传学的绝大部分资料和结论是不可靠或者是错误的。所以这个世纪的前半页，是人类遗传学的 黑暗年代。1959 年,蒋有兴（美籍华人）等修正了关于人的2n染色体为48条错误，明确证实了人的2n为46 条，这是近代人类细胞遗传学得以发展的起始点。而这个起始点的建立应归功于染色体制备方法学上的突 破，即低渗。所以这个时期被称为低渗时期。这是人类遗传学发展史上的第二个时期。在时间划分上这个 时期仅有8年，但这个时期在染色体制备方法学上的突破及常规方法的建立为人类遗传学的发展打下了重 要的基础。1959-1969年被称为三体时期，故名思意，即三体性的发现。1959年法国医师Lejeune发现先天 性愚型患儿伴有染色体三体性。在这以前许多先天性综合症的病因一直迷惑着临床医师，而 Lejeune 的 这一发现象暴风雨般冲击着医学科学界。在以后几年里人们不断证实了他的发现，而且把他扩展到了其它 先天性疾病，特别是多重畸形的疾病，同时又发现了单体、部分单体和部分三体等染色体改变。这个时期 内的另一重要的成就是建立了人体外周血淋巴细胞培养技术及气干法制片，这项技术的建立是细胞遗传学 上的一次革命，直到今天这项技术还仍是研究人和哺乳类动物染色体最主要的技术。1970 年显带技术问世标志着细胞遗传学进入了第四个时期，即显带时期。有人称显带技术的问世是 细胞遗传学进入了蜜月期，该技术的问世，带来了人类遗传学的飞速发展。显带是一类分带技术，是一种方法学。是把染色体标本经过特殊处理后染色，使染色体有深、浅或明、 暗的区别带。这里我们介绍几种常出现在文献中的带型。G 带；也叫 G 显带，这是临床上最常用的显带方法。用蛋白水解酶，尿素待处理中期染色体标本均可 显带。 G 带的特性是显带方法简单恒定，带型稳定，保存时间长。Q带；用喹吖因染料染中期染色体标本可出现一种特征性黄光亮暗带型，一般富含AT-DNA区段表现 为亮带，富含GC-DNA区段黄光较暗，常用于人类Y染色体长臂的观察。临床上较少用，不能长久保存。C 带；这种方法将结构异染色质和高度重复的 DNA 区域染色。在人类染色体上这些区域位于着丝粒 和 Y 染色体上。常用于某一科题的研究。R带；带型与G带相近，常用于染色体末端的研究。Ag-NOR；也称银染色，着色的为与rDNA转录有关的酸性蛋白，即显示的是有转录活性的核仁形成 区。故用于研究rRNA的初态变化，临床上常用于着丝粒，随体等研究。SCE；即姐妹染色单体互换，它是利用DNA复制的特征在细胞培养过程中加入一定量的BudR,是处 于第二分裂周期中的细胞的同一染色体的两条姐妹染色单体的染色有深浅之分，利用其着色差别，可以检 查姐妹染色单体的交换情况。用这种方法比观察染色体畸变要敏感的多。这里我们仅介绍了常用的几种带型，资料中还有不同的显带技术，但都大同小异，这里我们不再讨论。 由于这些带型技术的出现，现在人们开始从临床上的不同角度与遗传学的方法去分析和研究不同的疾病。1981 年人类染色体高分辨技术问世，这是一项具有标志意义的技术，即标志着人类染色体病的研究进入 了第三个发展阶段。这种高分辨技术不但使一些过去不知原因的临床疾病在染色体上找到了答案，而且预 计人类中已确定的数千种单基因疾中的一部分将在染色体水平上明确病因，并将实现某些癌症的宫内诊断 和预防。当然这还需要其它方法和技术的协作。由前面的讨论可知，染色体的发展经历了数目不清一数目确定一分带一高分辨一染色体切割一荧光原 位杂交等不同的发展阶段，染色体切割和荧光原位杂交前面未介绍，我们将在后面简单的讨。上面我们讨论了染色体的分带技术，那么分带的物质基础或者说其本质源在那里，这就需要简单的讨 论一点染色体的基本结构。二、染色体的结构和功能的相互关系：在染色体中，可区分出具有特殊结构和功能的区域。着丝粒是有丝分裂纺锤体微管附着的部位，与染 色体分裂相关。若着丝粒区发生横裂，其产生短臂和长臂则形成等臂染色体。等臂染色体的形成使肌体有 关的基因组合呈严重紊乱，临床上携带者有明显的特征。染色体末端的端粒不含基因，但有一特殊结构， 没有端粒，染色体便不稳定，它可与其它染色体结合形成双着丝粒染色体，自体结合则可形成环状染色体。 双着丝粒染色体属于非稳定形结构畸变，在肿瘤或化疗病人及机体遭受电离辐射后常出现这种类型染色体。 而这类环状染色体因含有着丝粒结构也称为着丝粒环，实际上是染色体缺失的一种特殊类型，由于有端粒 的部分或全部丢失，可导致染色体不稳性或激活端粒酶活性。目前认为端粒与衰老过程有关，而端粒酶活 性则与肿瘤相关。间期细胞核中的染色质根据其形态、功能及着色特性分为常染色质和异染色质两种类型，常染色质具 有折叠压缩程度较低，基因活性高，碱性染色料着色浅特征。构成常染色质的DNA主要是单一顺序DNA 和中度重复DNA。异染色质则具有折叠压缩程度较高，基因活性低，碱性染料着色深特征。从功能上看， 异染色质区域很少或没有活泼的基因存在，而有重复 DNA 顺序。异染色质又分为结构性异染色质和兼性 异染色质，前者常分布在着丝粒、端粒、次缢痕等部位，由高度重复的 DNA 序列构成，因它们对染色体 的稳定性很重要，因此是进化上的保守区，即具有显著的遗传惰性。兼性异染色质是异染色质化的一个过 程，而异染色质化可能是基因关闭的一种可能形式。总之，常染色质与异染色质有明显的区别，它们在螺 旋化程度、所含DNA序列、功能以及复制时间等方面都相差，是构成染色体分带的结构基础。在人类 1 号、 9 号、 16 号染色体以及 Y 染色体长臂的异染色质是多态性的。这些区域一个或多个中 的异染色质区段的长度在不同个体间可有变化。其变化在临床上可使流产率增高，其相关的理论基础不清。三染色体畸变：染色体畸变：细胞中染色体发生数量或结构改变的一类变化称为染色体畸变。也叫 做染色体异常。这 些染色体异常可用光学显微镜检出。由于染色体畸变可导致因基组增减和位置的转移，造成了基因间或遗 传物质的增失即不平衡，影响物质代谢的正常进程而给机体造成严重的危害，成为染色体病形成的基础。染色体异常分为数目和结构异常两类。数目异常包括整个染色体组成倍增加、个别染色体整条或某个 节段的增减造成染色结构改变，而致染色数量变异；染色体结构异常常涉及一条至多条染色体上较大的区 段变化，影响较多的基因。1、染色体数目异常的类型：染色体数目异常的主要原因在于生殖细胞分裂过程中出现了染色体的行为异常。A整倍体：染色体数 目整倍的增减，常由双雄受精、双雌受精和核内复制造成。结果出现：单倍体(均流产)；三倍体(人类有 69,XXX/69,XXY)；四倍体(人类为92,XXXX或92,XXXY)。把三倍体以上的细胞称为多倍体。B非整 倍体：由染色体不分离、染色体丢失所致。染色体数目比二倍体增减一条或几条，结果形成：(1) 亚二倍体：染色体数目少于二倍体，结果必然导致单体性，如45,XO。这是妇产科较常见疾病， 临床上称为先天性性腺发育不全或Tu rne r综合征。(2) 超二倍体：染色体数目多于二倍体，结果必然导致三体性。如 47,XXX。(3) 假二倍体：数目虽为二倍体，但有某号染色体增减。这类核型常见于肿瘤病人的外周血细胞中。C：嵌合体：即一个个体中存在着一个以上细胞系，在受精及受精卵的早期，受精或早期卵裂阶段发 生了异常受精或染色体不分离、染色体丢失及核内复制等可导致嵌合体发生，如 46,XX/47,XXX 或 46,XX/45,XO。这类病人常因性腺发育异常而就诊。我们把以上染色体组成不同于二倍体的细胞或个体统称为异倍体。异倍体产生的机理主要与染色体不 分离和内复制有关。2染色体结构异常：染色体的结构异常包括缺失、重复、倒位和易位四种类型。染色体结构异常的基础是断裂和重接。如 果一条染色体发生了断裂，随后又在原位重接，这称为愈合或重接，若接在另一位置叫重排。而这种重排 的形成是多种多样的，现已查明染色体结构异常近4000种，染色体综合症300 余种。我们这里讨论常见 的几种：(1) 缺失：指染色体部分丢失，即是指染色体上某一区段及带有基因一起丢失，从而引起变异的现象。丢失分为末端缺失和中间缺失。环状染色体是末端缺失的一种特殊形式。(2) 重复：染色体上某一段含有两份以上。分为染色体内重复和染色体间重复两类。染色体内重复可 能是同源染色体间不等互换所造成，而染色体间重复可能是一种插入，也看作为部份三体。重复分为正位 重复和倒位重复。(3) 倒位：染色体发生两次断裂后，中间部分 1800 旋转后重接。分为臂内倒位和臂间倒位，臂内 倒位指旋转在着丝粒一侧的臂上倒转，而臂间倒位的旋转在包括着丝粒在内带有两臂的一个区段内发。(4) 易位：是指两对非同源染色体之间发生某个区段转移的畸变。分为染色体内易位和染色体间易位 两类，染色体间易位又分为单向易位和相互易位。罗伯逊易位也叫着丝粒融合，另外还有串联易位、插入 易位、复杂易位、整臂易位等，相互易位又分为对称易位和不对称易位两类。它们均是相互易位的特殊表 现形式。在染色体的报告中，我们常可见到的结构异常还有等臂染色体(i)、断裂(b)、断片(f)、裂隙(g)、 双微体(dmin)、双着丝粒染色体(die)、微小体(min)、内复制(end)、三射体(tr)、四射体(qr)、环状染 色体(r)、随体(s)、标记染色体(mar)、衍生染色体(der)等。四、染色体病： 染色体数目或结构异常所致的疾病称为染色体病。染色体是组成细胞核的基本物质，是基因的载体。是人类细胞遗传学研究的主要对象。从 21 三体发 现到现在人们已发现人类染色体数目和结构异常达 4000余种，染色体综合症 400多个，其中除携带者和 少数性染色体异常者外，智力低下和生长发育异常几乎是染色体异常者的共同特征。有资料统计表明，染 色体异常占自然流产胚胎的50%、占死产婴的8%、占新生儿死亡者的6%、占新生活婴的5-10%。、 占一般人群的5%o。染色体异常综合症是由于染色体异常引起的一 大类遗传病。通常伴有发育畸形和智力低下，同时也是 导致流产和不育的重要原因。染色体异常与染色体病不完全相同，而染色体病与染色体异常综合症不完全相同，但临床上常同用。 染色体病分为常染色体病和性染色体病两大类。常染色体病指由人类的第 1-22 号染色体结构或数目 异常所引起的疾病；性染色体病是指由于人类的性染色体结构或数目异常引起的疾病，也称性染色体异常 综合征。(一) 常染色体病：主要包括三体综合征、单体综合征、部分三体综合征、部仿单体综合征和嵌合体 5类。这类疾病的共同临床特征有生长发育迟缓、智力发育不良并伴有多发畸形等。1、21三体综合征：称先天愚型或唐氐综合征(Downs syndrome)。是发病率最高的染色体病， 在新生儿中的发病率约为1 /8001/600。男性多于女性。核型分为单纯三体型(92.5%)；罗伯逊易位 型及相互易位型(4.8%)；嵌合体型(2.7%)。 21 三体的出生风险率随孕妇年龄的增加而增大。临床特征： 面部扁平、宽眼距、斜视。耳小低位。张口吐舌，唇厚。蹼颈。手短而宽、通贯掌。先天性心脏缺陷。智 力障碍。2、18三体综合征：又称爱德华综合征(Edwards symdrome )。在新生儿中发病率约为1/3500 1/7000。女性多于男性(4： 1)。核型可有 18 三体型(80%)；嵌合型(10%)；易位型(10%)。 患儿由于临床症状多而复杂，出生前生长障碍，多于出生后2-3个月内死亡。3、13三体综合征：又称帕韬综合征(Pataus syndrome)。在新生儿中的发病率约为1/6000。 男性高于女性。 90%的患儿在6个月内死亡。核型80%为游离型， 20%为易位型和嵌合型。临床上以生 长发育障碍、智力发育差、小头畸形、小眼球、低耳位、唇裂、腭裂、多指等为特征。4、5P综合征：又称为猫叫综合征。为最常见的染色体缺失综合征。群体发病率约为1/50000, 女性多于男性。核型为5号染色体的短臂缺失，其缺失部位内含5P14或5P15。该综合征的最大特征是 患儿有猫叫样啼哭声。(二) 性染色体病：性染色体病是由性染色体X或Y染色体结构或数目异常引起的疾病。这类疾病的共同特征是性发育不全或 两性畸形、智力低下等，也可表现为原发闭经、生殖力下降或智力较差。1、Klinefelter综合征：也称为先天性睾丸发育不全或原发性小睾丸症。其核型较正常多出一条X染 色体。80%为 47,XXY； 15%患者为嵌合型，如 46,XY/47, XXY； 46,XY/ 48,XXXY,其它约为 5%, 如48,XXXY, 49,XXXXY。该病群体发生率约为1/1000。其临床特征是；外表男性，具有男性生殖器， 但阴茎小,多数无精子产生及无生育能力；体毛稀少或无,胡须稀疏；喉结不显；身材瘦长,体力较弱； 其性情体态表现趋于女性化。2、Turner综合征：又称先天性卵巢发育不全综全征。其核型有多种类型，但以一条X染色体的缺失 或部分缺失或其它改变为特征。该综合征在女性新生儿中的发病率约为 1/2500,在成年女子中约为 1/3500，在原发闭经患者中约占1/3。临床特征有原发闭经，卵巢萎缩或呈条索状，子宫发育不良；乳腺 发育差、乳头间距宽；外生殖器幼稚型；身材矮小，多数身高在120-140cm左右；后发际低，颈短而蹼 颈；肘外翻，而部高痣等。一般无生育能力。3、基因实变所造成的性分化异常：(1) 女性假两性畸形：患者核型为46,XX，性腺为卵巢，但外生殖器男性化，阴蒂大。(2) 男性假两性畸形：患者核型为46,XY，性腺为睾丸，外生殖器介于两性之间，由于不同的基因 实变，可造成睾酮合成障碍；睾酮作用障碍；睾酮转化缺陷等几种情况。(3) 真两性畸形：多散发，但也有家族史。患者同时具有男女两性的性腺，外生殖变化很大。核型 60%为46,XX； 20%为46,XY； 10%为46,XX/46,XY。患者多有发育不良的子宫，少数无子宫。诊断 常以染色体或剖腹性腺活检为标准。五、阅读染色体报告：染色体异常类型很多很复杂，现在已知的已有近 4000 种，就我们上面讨论的 Tuner 综合症核型有25 种之多。我们只能简单的介绍怎样阅读染色体报告。以下报告单为例说明。我们从上向下阅读，诊断：若染色体异常，诊断名称为染色体病或综合征名称，否则为临床上的初步 诊断；标本：反映检查物质的性质；两联表格：反映检查标本染色体数目异常的比例；常染色体数：反映 常染色体数目的量；性染色体数：反映性染色体数目的量；核型：反映受检机体细胞核型，是报告单的核 心。一般情况下，核型是终生不变的；数目畸变率：多种数目异常的文字总体量；结构畸变率：所有结构 异常的文字体量；其它：我们写进随体联会平均率，阅片中，发现的特殊异常均可写入该项。后三项内的 百分率，若未在核型中出现一般均是可以改变的，若高出报告单中的百分率，则提示机体处于某种有害或 不健康环境中。六、染色体检查：染色体检查也称为染色体核型分析，是染色体病进行确诊的最常用和最有效的手段。目前国内大部分医院均有染色体检查室，并以 G 带作为常规分析带型。一般认为有下列情况之一者应考虑染色体检查：( 1 )反复流产的夫妇；(2) 原发闭经及不孕症个体；(3) 非外因性的智力低下个体；(4) 疑为先天愚型的个体及双亲；(5) 外生殖器畸形的个体；(6) 家族中有多个相似的多发畸形的个体；(7) 身材高大，性惰粗暴的男性个体；(8) 有明显发育异常并伴有先天畸形的个体；(9) 男性不育症个体；(10) 各种具有标记染色体的恶性肿瘤患者。七染色体研究的现状：目前染色体的研究几乎深入到每个学科的每一个领域，现代人讲的是分子水平，但均都从细胞水平开 始，而染色体是把细胞与分子联系起来的重要桥梁，故在遗传学研究中或者在医学研究中被广泛重视及应 用。而近几年研究最热门的肿瘤学专门分支出来一个肿瘤遗传学来研究染色体基因与肿瘤的关系。相继出 现了脆性位点、热点、重排与癌基因激活及抑癌基因丢失，癌基因定位、抑癌基因定位及杂合位点缺失等 与染色体相关理论。近几年发展引人注目的还有荧光原位杂交技术和染色体切割技术。 荧光原位杂交是一种应用荧光物质依靠核酸探针杂交原理在核中或染色体显示 DNA 序列位置的方法。具 有快速、安全、经济、灵敏度高、特异性强等优点。目前 FISH 已衍生成一个技术系列，包括原位杂交显 带、荧光原位杂交基因定位、染色体原位抑制性杂交、染色体涂片、反向染色体涂片等。实际上这项技术 已不是细胞遗传学研究的内容，但也不是纯分子生物学的范围，实际上是分子生物学与细胞遗传学结合的 产物，即分子细胞遗传学。人类染色体切割技术始于 1986 年，该技术可以从特定区域切取所需的染色体片段，结合 PCR 方法、 分子克隆、DNA测序和FISH等方法，用于染色体特定区带的DNA文库构建、特异性探针的制备、疾病 遗传学特征的分析和有关基因的鉴定、分析、克隆和定位等。人类染色体显微切割技术开辟了现代遗传学 研究的新领域，缩短了传流细胞遗传学与分子生物学之间的距离，其前景及意义重大。但由于技术要求较 高，目前一般实验室开展还有困难。植物染色体制片技术是植物细胞遗传学、染色体工程、植物细胞生物学、植物细胞分类学和 物种生物学等众多学科的基本实验技术。植物染色体的研究由于和植物遗传育种工作的结合 而获得良好的发展。因此，植物染色体的技术在这些研究工作中具有特别重要的意义。Belling(1921)提出染色体压片技术后，植物压片已成为植物染色体研究中广泛应用的常规技 术1。但是由于植物细胞有很坚实的细胞壁，染色体很难像动物染色体那样平整地贴在载 玻片上。陈瑞阳(1982)提出了植物染色体标本制备的酶解去壁低渗法。