《细胞核和染色体》PPT课件.ppt

第 三 节 染 色 体一 、 中 期 染 色 体 的 形 态 结 构 同 一 物 种 的 染 色 体 数 目 是 相 对 稳 定 的 ， 性 细 胞 染 色 体 为 单倍 体 （ haploid） ， 体 细 胞 为 2倍 体 （ diploid） ， 还 有 一 些 物种 的 染 色 体 成 倍 增 加 成 为 4n、 6n、 8n等 ， 称 为 多 倍 体 。 同 一个 体 的 体 细 胞 并 非 都 是 2倍 体 ， 如 大 鼠 肝 细 胞 有 4n、 8n、 16n等 多 倍 体 细 胞 ， 果 蝇 卵 巢 滋 养 细 胞 表 现 为 2n、 4n、 8n、 16n、32n、 64n、 128n等 不 同 倍 性 。 染 色 体 的 数 目 因 物 种 而 异 ， 如 人 类 2n=46， 黑 猩 猩 2n=48，果 蝇 2n=8， 家 蚕 2n=56， 小 麦 2n=42， 。 在 植 物 中 染 色 体 最 少的 仅 2对 染 色 体 ， 最 多 的 物 种 可 达 400-600对 。 在 动 物 中 染 色体 最 少 的 是 一 种 介 壳 虫 的 雄 虫 仅 有 两 条 染 色 体 ， 而 另 一 极 端 是 一 种 灰 蝶 有 217-223对 染 色 体 。 染 色 体（ Chromosome）姊 妹 染 色 单 体（ Sister chromatid）根 据 着 丝 粒 在 染 色 体 上 的 位 置 ：中 着 丝 粒 染 色 体（ Metacentric chromosome）近 中 着 丝 粒 染 色 体（ Submetacentric chromosome）近 端 着 丝 粒 染 色 体（ Arocentric chromosome）端 着 丝 粒 染 色 体 （ Telocentric chromosome）染 色 体 的 各 部 分 名 称 根 据 着 丝 粒 位 置 进 行 的 染 色 体 分 类 图 示 1、 着 丝 粒 与 动 粒 （ 也 称 着 丝 点 ,kenetoche） 着 丝 粒 和 动 粒 （ 着 丝 点 ） 是 两 个 不 同 的 概 念 ， 前 者 指 中 期 染色 单 体 相 互 联 系 在 一 起 的 特 殊 部 位 ； 后 者 指 主 缢 痕 处 两 个 染 色单 体 外 侧 表 层 部 位 的 特 殊 结 构 ， 它 与 仿 锤 丝 微 管 相 接 触 。 着 丝 粒 含 3个 结 构 域 ， 即 ： 动 粒 结 构 域 （ kinetochore domain） 、 中 央 结 构 域 （ central domain） 和 配 对 结 构 域（ paring domain） 。 动 粒 结 构 域 位 于 着 丝 粒 的 表 面 ， 由 外 板 （ outer plate） 、内 板 （ inner plate） 、 中 间 区 （ interzone） 和 围 绕 外 层 的 纤 维冠 (fibrous corona)。 内 外 板 的 电 子 密 度 高 ， 中 间 区 电 子 密 度低 。 内 板 与 中 央 结 构 域 的 着 丝 粒 异 染 色 质 结 合 ， 外 板 与 微 管 纤维 结 合 ， 纤 维 冠 上 结 合 有 马 达 蛋 白 。 。 中 央 结 构 域 位 于 着 丝 粒 结 构 域 的 下 方 ,是 着 丝 粒 区 的 主 体 ，由 高 度 串 联 重 复 的 卫 星 DNA构 成 ， 重 复 单 位 171bp， 重 复2000-3000次 ， 表 现 为 异 染 色 质 特 性 。 配 对 结 构 域 位 于 着 丝 粒 结 构 的 内 层 ， 中 期 两 条 染 色 单 体 在 此处 相 互 连 结 ， 在 此 区 域 发 现 有 两 类 蛋 白 ， 一 类 为 内 着 丝 粒 蛋 白INCENP（ inner centromere protein） ， 另 一 类 为 染 色 单 体连 接 蛋 白 CLIP（ chromatid linking protein） . 对 着 丝 粒 蛋 白 主 要 是 使 用 ACA来 研 究 的 。 ACA是 从 CREST 综 合 症 病 人 血 清 中 分 离 出 来 的 抗 着 丝 粒 蛋 白 的 抗 体(anticentromere antibodies)。 用 ACAs发 现 鉴 定 出 来 的CENP主 要 有 6种 ， 即 ： CENP-A至 F， 它 们 都 能 与 一 个 17bp的DNA模 式 特 异 结 合 ， 与 细 胞 的 分 裂 及 调 控 密 切 相 关 ， 进 化 上 非 常 保 守 。 着 丝 粒 结 构 区 域 组 织 着 丝 粒 的 3个 结 构 域 着 丝 点 结 构 域 荧 光 原 位 杂 交 显 示 着 丝 粒 卫 星 DNA 2、 主 缢 痕 （ primary constriction） 中 期 染 色 体 上 一 个 染 色 较 浅 而 缢 缩 的 部 位 ， 主 缢 痕 处 有 着 丝粒 ， 亦 称 着 丝 粒 区 ， 由 于 这 一 区 域 染 色 线 的 螺 旋 化 程 序 低 ，DNA含 量 少 ， 所 以 染 色 很 浅 或 不 着 色 。 一 般 动 植 物 的 染 色 体 具有 一 个 位 置 固 定 的 着 丝 粒 (localized contromere)， 有 些 生 物 整个 染 色 体 都 具 有 着 丝 粒 活 性 ， 称 为 全 着 丝 粒 （ holocentromere）如 ： 如 蛔 虫 、 线 虫 、 蝶 、 蛾 、 蚜 虫 等 。3、 次 缢 痕 （ secondary constriction） 除 主 缢 痕 外 ， 染 色 体 上 第 二 个 呈 浅 缢 缩 的 部 分 称 次 缢 痕 ， 次缢 痕 的 位 置 相 对 稳 定 ， 数 目 、 位 置 和 大 小 是 鉴 定 染 色 体 个 别 性的 一 个 显 著 特 征 。4、 核 仁 组 织 区 （ nucleolar organizing regions, NORs） 核 糖 体 RNA基 因 （ 5SrRNA基 因 除 外 ） 所 在 的 区 域 。 核 仁 组织 区 位 于 染 色 体 的 次 缢 痕 区 ， 但 并 非 所 有 的 次 缢 痕 都 是 NORs。 5、 随 体 （ satellite） 指 位 于 染 色 体 末 端 的 球 形 染 色 体 节 段 ， 通 过 次 缢 痕 区 与 染色 体 主 体 部 分 相 连 。 位 于 染 色 体 末 端 的 随 体 称 为 端 随 体 ， 位 于两 个 次 缢 痕 中 间 的 称 中 间 随 体 。6、 端 粒 （ telomere） 染 色 体 端 部 的 特 化 部 分 ， 作 用 是 维 持 染 色 体 的 完 整 性 和 个体 性 （ 用 X射 线 将 染 色 体 打 断 ， 不 具 端 粒 的 染 色 体 末 端 有 粘 性 ， 会 与 其 它片 段 相 连 或 两 端 相 连 而 成 环 状 ） 。 端 粒 由 高 度 重 复 的 短 序 列 串 联 而成 ， 在 进 化 上 高 度 保 守 ， 不 同 生 物 的 端 粒 序 列 都 很 相 似 ， 哺 乳类 的 序 列 为 GGGTTA， 500-3000次 重 复 。 荧 光 原 位 杂 交 显 示 端 粒 和 端 粒 序 列 二 、 染 色 体 DNA的 三 种 功 能 元 件 为 确 保 染 色 体 的 复 制 和 稳 定 遗 传 ， 染 色 体 具 有 3个 基 本 元 素 ，即 ： 自 主 复 制 序 列 (autonomously replicating DNA sequence, ARS)、 着 丝 粒 序 列 (centromere DNA sequence,CEN) 和 端 粒序 列 (telomere DNA sequence,TEL) 。1、 自 主 复 制 序 列 ( ARS) 是 DNA复 制 的 起 点 ， 酵 母 基 因 组 含 200-400个 ARS， 大 多 数具 有 一 个 11-14 bp， 富 含 AT的 共 有 序 列 （ ARS consensus sequence, ACS） 。 含 有 这 一 序 列 的 质 粒 能 高 效 转 化 宿 主 细 胞 ，并 能 在 细 胞 中 独 立 于 宿 主 染 色 体 存 在 。 2、 着 丝 粒 序 列 (CEN) 不 同 来 源 的 CEN的 共 同 特 点 是 具 有 两 个 彼 此 相 邻 的 核 心 区 ，一 个 是 80-90 bp的 AT区 ， 另 一 个 是 11 bp的 保 守 区 。 CEN由 大量 串 联 的 重 复 序 列 组 成 ， 如 卫 星 DNA， 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 .3、 端 粒 序 列 (TEL) 不 同 生 物 的 端 粒 序 列 都 很 相 似 ， 由 长 5-10 bp的 重 复 单 位 串联 而 成 ， 人 的 重 复 序 列 为 GGGTTA。 真 核 细 胞 染 色 体 端 粒 的重 复 序 列 不 是 染 色 体 DNA复 制 时 连 续 合 成 的 ， 而 是 由 端 粒 酶（ telomerase） 合 成 后 添 加 到 染 色 体 末 端 。 端 粒 酶 是 一 种 核 糖核 蛋 白 复 合 物 ， 具 有 逆 转 录 酶 的 性 质 ， 以 物 种 专 一 的 内 在RNA为 模 板 ， 把 合 成 DNA的 添 加 到 染 色 体 的 3端 。 端 粒 序 列 和 端 粒 酶 端 粒 起 到 细 胞 分 裂 计 时 器 的 作 用 ， 端 粒 核 苷 酸 复 制 和 基 因DNA不 同 ， 每 复 制 一 次 减 少 50-100 bp， 正 常 体 细 胞 染 色 体 缺乏 端 粒 酶 活 性 ， 故 随 细 胞 分 裂 而 变 短 ， 细 胞 随 之 衰 老 。 人 的 生殖 细 胞 和 部 分 干 细 胞 染 色 体 具 有 端 粒 酶 活 性 ， 所 以 人 的 生 殖 细胞 染 色 体 末 端 比 体 细 胞 染 色 体 末 端 长 几 千 个 bp。 肿 瘤 细 胞 和 永生 细 胞 系 具 有 端 粒 酶 的 活 性 。 1983年 ， A. W. Murray等 人 首 次 成 功 构 建 了 包 括 ARS、CEN、 TEL和 外 源 DNA， 总 长 度 为 55kb的 酵 母 人 工 染 色 体(yeast artificial chromosome, YAC)。 YAC可 用 于 转 基 因 和构 建 基 因 文 库 ， 容 纳 插 入 片 段 的 能 力 远 高 于 质 粒 。 染 色 体 的 三 种 基 本 序 列 三 、 核 型 与 染 色 体 显 带 对 人 类 到 底 有 多 少 条 染 色 体 这 样 的 问 题 一 直 争 论 到 1956年 才得 以 确 认 ， 主 要 归 功 于 50年 代 以 后 逐 步 发 展 起 来 的 低 渗 处 理 ，压 片 技 术 以 及 秋 水 仙 处 理 和 细 胞 培 养 技 术 。 二 十 世 纪 六 十 年 代末 至 七 十 年 代 发 展 起 来 的 各 种 染 色 体 分 带 技 术 ， 使 染 色 体 的 研究 进 入 了 一 个 黄 金 时 代 。 为 人 类 遗 传 病 的 鉴 定 ， 物 种 的 亲 缘 关系 与 进 化 研 究 、 遗 传 育 种 等 方 面 提 供 了 重 要 的 依 据 。核 型 （ karyotype） 是 细 胞 分 裂 中 期 染 色 体 的 表 型 ， 包 括 染 色 体 的 数 目 、 大 小 和形 态 特 征 等 方 面 。 如 果 将 成 对 的 染 色 体 按 形 状 、 大 小 依 顺 序 排列 起 来 叫 核 型 图 (karyogram)， 而 染 色 体 组 型 （ idiogram） 通常 指 核 型 的 模 式 图 ， 代 表 一 个 物 种 染 色 体 的 模 式 特 征 。 核 型 分 析 对 于 探 讨 人 类 遗 传 病 的 机 制 、 物 种 亲 缘 关 系 与 进 化 、 远 源 杂种 的 鉴 定 等 具 有 重 要 意 义 。 一 种 蝉 的 有 丝 分 裂 核 型 染 色 体 显 带 技 术 ： 是 经 物 理 、 化 学 因 素 处 理 后 ， 再 用 染 料 对 染 色 体 进 行 分 化染 色 ， 使 其 呈 现 特 定 的 深 浅 不 同 带 纹 （ band） 的 方 法 ， 于1968年 由 瑞 典 人 Casperson首 先 建 立 。 显 带 技 术 可 分 为 两 大 类 ，一 类 是 产 生 的 染 色 带 分 布 在 整 个 染 色 体 的 长 度 上 ， 如 ： G、Q和 R带 ， 另 一 类 是 局 部 性 的 显 带 ， 它 只 能 使 少 数 特 定 的 区 域显 带 ， 如 C、 Cd、 T和 N带 。Q带 ： 喹 丫 因 染 色 后 ， 紫 外 照 射 下 的 明 暗 带 （ 富 含 AT的 明 带 ， 富 含 GC的 暗带 ） ； G带 ： Giemsa染 料 染 色 后 所 呈 现 的 染 色 体 区 带 ； R带 ： 是 中 期 染 色体 经 碱 性 磷 酸 盐 处 理 ， 丫 啶 橙 或 Giemsa染 色 后 所 呈 现 的 带 型 ， 一 般 与 G带正 好 相 反 ； C带 ： 显 示 着 丝 粒 结 构 异 染 色 质 及 它 染 色 体 区 段 的 异 染 色 质 。T带 ： 是 染 色 体 端 粒 部 位 经 丫 啶 橙 染 色 后 呈 现 的 区 带 ； N带 ： Ag-As染 色 ， 主 要 染 核 仁 组 织 者 区 域 的 酸 性 蛋 白 。1975年 建 立 了 染 色 体 高 分 辨 显 带 技 术 。染 色 体 微 切 割 和 分 子 克 隆 技 术 。 正 常 男 人 染 色 体 显 带 核 型 人 类 G 带 核 型 （ 显 示 染 色 体 上 富 含 AT的 序 列 ） 人 类 Q核 型 （ Q带 与 G 带 相 似 ） 人 类 带 C核 型 （ 显 示 着 丝 粒 异 染 色 质 ） 人类染色体组型和带型 四 、 巨 大 染 色 体1 多 线 染 色 体 （ polytene chromosome） 1881年 意 大 利 的 Balbiani发 现 双 翅 目 摇 蚊 幼 虫 的 唾 腺 细 胞 的具 有 如 下 特 点 ： 体 积 巨 大 ， 染 色 体 比 其 它 体 细 胞 染 色 体 长100-200倍 ， 体 积 大 1000-2000倍 。 多 线 性 ， 每 条 多 线 染 色 体由 500-4000条 解 旋 的 染 色 体 合 并 在 一 起 形 成 。 体 细 胞 联 会 ，同 源 染 色 体 紧 密 配 对 ， 并 合 并 成 一 个 染 色 体 。 横 带 纹 ， 染 色后 呈 现 出 明 暗 相 间 的 带 纹 。 膨 突 和 环 ， 在 幼 虫 发 育 的 某 个 阶段 ， 多 线 染 色 体 的 某 些 带 区 疏 松 膨 大 ， 形 成 膨 突 （ puff） ， 或巴 氏 环 （ Balbiani ring） 。 用 H 3-TdR处 理 细 胞 ， 发 现 膨 突 被 标记 ， 说 明 膨 突 是 基 因 活 跃 转 录 的 形 态 学 标 志 。 多 线 染 色 体 是 由 于 核 内 有 丝 分 裂 的 结 果 ， 即 染 色 体 多 次 复 制而 不 分 离 的 结 果 。 果蝇的多腺染色体 多 线 染 色 体 带 和 胀 泡 形 成 示 意 图 2 灯 刷 染 色 体 （ lamp-brush chromosome） 1882年 Flemming首 次 报 道 ， 这 种 染 色 体 最 早 发 现 于 鱼 类 、两 栖 类 和 爬 行 类 卵 母 细 胞 减 数 分 裂 的 双 线 期 。 由 于 染 色 体 主轴 两 侧 有 侧 环 ， 状 如 灯 刷 ， 故 名 灯 刷 染 色 体 。 由 两 条 同 源 染色 体 组 成 ， 在 交 叉 处 结 合 ， 每 条 同 源 染 色 体 含 2条 染 色 单 体 。轴 上 有 一 些 染 色 粒 ， 代 表 染 色 质 紧 密 螺 旋 化 的 部 位 。 同 时 两条 染 色 单 体 向 两 边 伸 出 许 多 侧 环 ， 一 个 平 均 大 小 的 环 约 含 100 bp DNA， 两 栖 类 一 套 灯 刷 染 色 体 大 约 有 一 万 个 侧 环 。 灯 刷 染 色 体 中 大 部 分 DNA以 染 色 粒 形 式 存 在 ， 没 有 转 录 活性 。 侧 环 是 RNA活 跃 转 录 的 区 域 ， 一 个 侧 环 是 一 个 转 录 单 位或 几 个 转 录 单 位 的 组 合 ， 侧 环 的 粗 细 与 转 录 状 态 有 关 。 灯刷染色体 灯 刷 染 色 体 结 构 模 型