第2章遺傳的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)

1、第2章 遺傳的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)遺傳的染色體學(xué)說提出染色體與基因的關(guān)系Morgan 證實(shí)和發(fā)展了該學(xué)說遺傳學(xué)的發(fā)展始終與細(xì)胞學(xué)密切相關(guān)2.1 染色體的結(jié)構(gòu)與功能2.1.1染色質(zhì)染色質(zhì)（chromatin）是在間期細(xì)胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白和少量RNA組成的(線性復(fù)合結(jié)構(gòu))，易被堿性染料著色的一種無定形物質(zhì),是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。細(xì)胞分裂間期: 染色質(zhì)是由染色質(zhì)絲（或稱核蛋白纖維絲）組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。細(xì)胞分裂期: 核蛋白纖維絲經(jīng)螺旋化形成具有一定形態(tài)特征的染色體。間期染色質(zhì)分為兩種類型：常染色質(zhì)（euchromatin）和異染色質(zhì)（heterochromatin)。常染色質(zhì)（核內(nèi)淺染部分）

2、和異染色質(zhì)（核內(nèi)深染部分）常染色質(zhì) 是構(gòu)成染色質(zhì)的主要成分，染色較淺且著色均勻。在細(xì)胞分裂間期，常染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低,呈高度分散狀態(tài)，伸展而折疊疏松（典型包裝率1000倍）, 通常呈30nm 纖維和疏松的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，用堿性染料染色時著色淺。其DNA復(fù)制發(fā)生在細(xì)胞周期的S期的早期和中期常染色質(zhì)是進(jìn)行活躍轉(zhuǎn)錄的部位，可以用3H-uridine瞬時標(biāo)記，顯示出轉(zhuǎn)錄活化狀態(tài)。并非所有基因都具有轉(zhuǎn)錄活性, 處于常染色質(zhì)狀態(tài)只是基因轉(zhuǎn)錄的必要條件，而不是充分條件。 隨著細(xì)胞分裂的進(jìn)行，這些染色質(zhì)區(qū)段由于逐步的螺旋化，從而染色逐漸加深。異染色質(zhì)：指間期細(xì)胞核中, 折疊壓縮程度高, 處于聚縮狀態(tài)，堿性染料

3、染色時著色較深的染色質(zhì)組分。在異染色質(zhì)中的基因沒有轉(zhuǎn)錄活性，并且可以抑制插入DNA片段的表達(dá)。類型1.組成型異染色質(zhì)(constitutive heterochromatin)2.兼性異染色質(zhì)(facultative heterochromatin)組成性異染色質(zhì)：即通常所指的異染色質(zhì)，一種永久性異染色質(zhì)，在染色體上的位置較恒定，間期保持螺旋化狀態(tài)，染色很深，在光學(xué)顯微鏡下可以鑒別。在染色體上的分布因不同物種而異。大多數(shù)生物的異染色質(zhì)集中分布于染色體的著絲粒周圍。兼性異染色質(zhì)：又稱X性染色質(zhì)。它起源于常染色質(zhì)，具有常染色質(zhì)的全部特點(diǎn)和功能，其復(fù)制時間、染色特征與常染色質(zhì)相同。但在特殊情況下，在

4、個體發(fā)育的特定階段，它可以轉(zhuǎn)變成異染色質(zhì)，一旦發(fā)生這種轉(zhuǎn)變，則獲得了異染色質(zhì)的屬性，如發(fā)生異固縮、遲復(fù)制、基因失活等變化。例人類X染色體失活。2.1.2染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和數(shù)目（1）染色體的形態(tài)染色體（chromosome）是指細(xì)胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中, 由染色質(zhì)聚縮（經(jīng)過緊密纏繞、折疊、凝縮、精巧包裝)而成的具有固定形態(tài)(棒狀結(jié)構(gòu))的遺傳物質(zhì)的存在形式。染色質(zhì)與染色體是在細(xì)胞周期不同的功能階段可以相互轉(zhuǎn)變的形態(tài)結(jié)構(gòu)。每一物種的染色體都具有特定的形態(tài)特征，其中以有絲分裂中期和早后期表現(xiàn)得最為明顯和典型。染色體各部分的名稱染色體的著絲粒位置恒定，因而著絲粒的位置直接關(guān)系染色體的形態(tài)特征。（a

5、）染色體模式圖（b）著絲粒位置及染色體命名Human chromosome No.14secondary constriction(次縊痕)nucleolar organizing region, NOR（核仁組織區(qū)）Satellite(隨體)Telomere(端粒)Centromere (著絲粒，也叫主縊痕(primary constriction)端粒：是真核生物染色體臂末端的特化部分。不具端粒的染色體末端有黏性，會與其他片段相連或兩斷裂末端相連而成環(huán)狀。端粒由高度重復(fù)的DNA短序列串聯(lián)而成，在進(jìn)化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似，人的序列為TTAGGG。端粒起到細(xì)胞分裂計(jì)時器的作用

6、，端粒核苷酸每復(fù)制一次減少5 100 bp，其復(fù)制過程要靠具有反轉(zhuǎn)錄酶性質(zhì)的端粒酶（telomerase）來完成。端粒對于真核生物線性染色體的正確復(fù)制是必需的（詳見第3章）。端粒丟失或端粒酶失活可能在細(xì)胞衰老中起作用。端粒的功能：維持染色體的穩(wěn)定性 完成染色體完整的復(fù)制， 防止染色體末端被核酸酶降解， 防止染色體末端融合。燈刷染色體這是一類形態(tài)特殊的巨大染色體1882年，由Flemming在觀察美西螈卵巢組織切片時首次發(fā)現(xiàn)。燈刷染色體是未成熟的卵母細(xì)胞進(jìn)行第一次減數(shù)分裂停留在雙線期（可持續(xù)數(shù)月）的染色體。可在光學(xué)顯微鏡下看到酷似20世紀(jì)早中期用于清潔煤油燈燈罩的燈刷而得名。（polytene）

7、用于遺傳學(xué)分析的特殊染色體動物卵母細(xì)胞中的燈刷染色體（lampbrush chromosome）雙翅目昆蟲的幼蟲中所見的多線染色體 染色粒中的DNA是不活動的，但側(cè)環(huán)的DNA區(qū)域是活躍地合成RNA的地方，其中，兩側(cè)環(huán)的陰影所顯示的即是。因而，燈刷染色體是在光學(xué)顯微鏡下直接觀察并識別特殊位置上的單個基因轉(zhuǎn)錄活性極為理想的材料。多線染色體1881年由意大利細(xì)胞學(xué)家Balbiani發(fā)現(xiàn)，存在于雙翅目昆蟲的幼蟲唾腺、氣管、消化管和馬爾比基氏管。例如果蠅幼蟲唾腺細(xì)胞中的唾腺染色體（salivary gland chromosome ）。由于染色體反反復(fù)復(fù)進(jìn)行核內(nèi)復(fù)制，而核或細(xì)胞不分裂，由很多縱向密集在一

8、起的染色絲束集在一起，若染色體進(jìn)行10次復(fù)制，則可形成210 1024條染色單體。而且，在唾腺細(xì)胞中進(jìn)行了同源染色體配對，同源染色體兩成員之間如有不同，就很容易識別。唾腺染色體總處在前期狀態(tài)，螺旋化程度低，比相應(yīng)正常的體細(xì)胞染色體要長幾百倍；另一重要特點(diǎn)是具有明暗相間的帶紋（bands），在果蠅唾腺染色體組中，約有5000條帶和5000條間帶。在唾腺染色體上帶紋有粗有細(xì)，帶紋數(shù)目和形態(tài)、分布特征各不相同。帶紋的排列和次序一般在同一個種內(nèi)一致，在不同種內(nèi)則表現(xiàn)不同。當(dāng)染色體發(fā)生結(jié)構(gòu)變異時，帶紋也就隨著出現(xiàn)不同的排列。所以檢查帶紋是研究果蠅染色體結(jié)構(gòu)變異的一個重要方法。（2）染色體的結(jié)構(gòu)每個核小體

9、包括一個組蛋白八聚體(H2A、H2B、H3和H4各兩個分子)及纏繞在該核心表面的200個堿基對左右的DNA。DNA雙螺旋在組蛋白八聚體分子的表面盤繞1.75圈，其長度約為146bp，負(fù)超螺旋，這種組蛋白的核心顆粒大小約為5.5 nm11 nm的扁球形。相鄰的兩個核小體之間一般由約55 bp的DNA連接，稱為連接區(qū)DNA，在連接區(qū)部位結(jié)合有一個組蛋白分子H1。核小體是構(gòu)成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位核小體的形成是染色體中DNA壓縮的第一步。在組蛋白H1存在下，由直徑11 nm串聯(lián)排列的核小體進(jìn)一步螺旋化，每一圈由6個核小體構(gòu)成外徑30nm，內(nèi)徑10 nm，螺距11 nm的中空螺線管（solenoid），

10、這時DNA又壓縮了6倍，形成染色體包裝的二級結(jié)構(gòu)。30 nm的纖絲和非組蛋白骨架結(jié)合形成很多側(cè)環(huán)，每個側(cè)環(huán)長1090kb，約0.5m，人類染色體約2 000個環(huán)區(qū)。帶有側(cè)環(huán)的非組蛋白骨架進(jìn)一步形成直徑為700nm的螺旋，構(gòu)成染色單體。再由兩條姊妹染色單體形成中期染色體，其直徑為1 400 nm。從DNA到染色體（3）染色體的數(shù)目各種生物的染色體數(shù)目是恒定的，其在體細(xì)胞中成對，在性細(xì)胞中成單。常以2n表示體細(xì)胞的染色體數(shù)目，用n表示性細(xì)胞的染色體數(shù)目。2.2 染色體在細(xì)胞分裂中的行為2.2.1 細(xì)胞周期由細(xì)胞分裂結(jié)束到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束所經(jīng)歷的過程，所需的時間稱細(xì)胞周期時間。分為4個階段：G1期

11、（gap1），指從有絲分裂完成到DNA復(fù)制之前的間隙時間；S期（synthesis phase），DNA復(fù)制時期；G2期（gap2），指DNA復(fù)制完成到有絲分裂開始之前的一段時間；M期又稱D期（mitosis，division），細(xì)胞分裂開始到結(jié)束。2.2.2有絲分裂中的染色體行為有絲分裂（mitosis）過程是一個沒有明顯界限的細(xì)胞分裂的連續(xù)過程，但可以根據(jù)一定的標(biāo)志將它們劃分為4個時期：前期（prophase）中期（metaphase）后期（anaphase）末期（telophase）細(xì)胞在分裂前處于間期（interphase）有絲分裂的遺傳學(xué)意義在于：一個細(xì)胞產(chǎn)生兩個子細(xì)胞，各具有與親代

12、細(xì)胞在數(shù)目和形態(tài)上完全相同的染色體。這是由于在間期每個染色體準(zhǔn)確地復(fù)制成兩條染色單體，在形態(tài)體積上一模一樣，而在分裂中有規(guī)律地分配到了兩個子細(xì)胞核中。因此，有絲分裂使染色體精確地分配到子細(xì)胞，使子細(xì)胞含有與母細(xì)胞相等的遺傳信息。綜上所述，有絲分裂的主要特點(diǎn)是，細(xì)胞分裂一次，染色體復(fù)制一次，遺傳物質(zhì)均分到兩個子細(xì)胞中。染色體在有絲分裂過程中的變遷是：從間期的S期前期中期，每條染色體具有兩個（根）染色單體（由兩條完整的雙鏈DNA分子所組成）。從后期末期下一個細(xì)胞周期的間期的G1期，在這些階段中，所謂的染色體實(shí)質(zhì)上只有一個染色單體（一條DNA雙鏈）。2.2.3減數(shù)分裂中的染色體行為減數(shù)分裂（meio

13、sis）是在配子形成過程中的成熟期進(jìn)行的，包括兩次連續(xù)的核分裂而染色體只復(fù)制一次，每個子細(xì)胞核中只有單倍數(shù)的染色體的細(xì)胞分裂形式。兩次連續(xù)的核分裂分別稱為第一次減數(shù)分裂（或減數(shù)分裂，meiosis）和第二次減數(shù)分裂（或減數(shù)分裂，meiosis）。在兩次減數(shù)分裂中都能區(qū)分出前期、中期、后期和末期。減數(shù)分裂導(dǎo)致染色體的數(shù)目從二倍體到單倍體的減少，減數(shù)分裂導(dǎo)致姊妹染色單體的分離。結(jié)果經(jīng)兩次減數(shù)分裂而產(chǎn)生的4個細(xì)胞核中都只有一套完整的單倍體基因組。在大多數(shù)情況下，減數(shù)分裂伴隨著胞質(zhì)分裂，所以一個二倍體細(xì)胞經(jīng)過減數(shù)分裂產(chǎn)生4個單倍體細(xì)胞。減數(shù)分裂的遺傳學(xué)意義在于：只有一個細(xì)胞周期，卻有兩次連續(xù)的核分裂。

14、染色體及其DNA只復(fù)制一次（間期S期），細(xì)胞分裂卻有兩次（減數(shù)分裂、）?！皽p數(shù)”并不是隨機(jī)的。所謂“減數(shù)”，實(shí)質(zhì)上是配對的同源染色體的分開。這是使有性生殖的生物保持種族遺傳物質(zhì)（染色體數(shù)目）恒定性的機(jī)制；同源染色體的分離決定了等位基因的準(zhǔn)確分離，為非同源染色體隨機(jī)重組提供了條件。2.2.4遺傳的染色體學(xué)說Sutton以及Boveri于19021903年間首先提出了遺傳的染色體學(xué)說（chromosome theory of inheritance）推測：“父本和母本染色體的聯(lián)會配對以及隨后通過減數(shù)分裂的分離構(gòu)成了孟德爾遺傳定律的物質(zhì)基礎(chǔ)?！?903年， Sutton提出孟德爾的遺傳因子是由染色體

15、攜帶的，因?yàn)椋好恳粋€細(xì)胞包含每一染色體的兩份拷貝以及每一基因的兩份拷貝。全套染色體，如同孟德爾的全套基因一樣，在從親代傳遞給后代時并沒有改變。減數(shù)分裂時，同源染色體配對，然后分配到不同的配子中，就如同一對等位基因分離到不同的配子中。每一對同源染色體的兩個成員獨(dú)立地分配到相反的兩極，而不受其他同源染色體獨(dú)立分配的干擾。各對不同的等位基因也是獨(dú)立分配的。受精時，來自卵細(xì)胞的一套染色體隨機(jī)與所遇到的一套來自精子的染色體結(jié)合，從一個親本獲得的所有基因也會隨機(jī)地和從其另一親本獲得的所有基因結(jié)合。從受精卵分裂得到的所有細(xì)胞，其染色體的一半和基因的一半起源于母本，另一半起源于父本。按照上述學(xué)說，對孟德爾的分

16、離定律和獨(dú)立分配定律可以這樣理解：在第一次減數(shù)分裂時，由于同源染色體的分離，使位于同源染色體上的等位基因分離，從而導(dǎo)致性狀的分離。孟德爾分離定律的染色體基礎(chǔ)（以一對同源染色體為例的模式圖）由于決定不同性狀的兩對非等位基因分別位于兩對非同源染色體上，形成配子時同源染色體上的等位基因分離，非同源染色體上的非等位基因以同等的機(jī)會在配子內(nèi)自由組合，從而實(shí)現(xiàn)性狀的自由組合。孟德爾獨(dú)立分配定律的染色體基礎(chǔ)（以兩對非同源染色體為例的模式圖）2.32.3.1生物體的有性生殖與無性生殖有性生殖有性生殖（sexual reproduction)是通過兩性細(xì)胞(配子)結(jié)合成合子(受精卵)，合子進(jìn)而發(fā)育成新個體的生殖

17、方式。有性生殖是生物界最普遍的重要的生殖方式。高等動物的生殖細(xì)胞在胚胎發(fā)生時即已形成，但直到個體發(fā)育成熟時，這些生殖細(xì)胞才繼續(xù)發(fā)育，經(jīng)減數(shù)分裂生成精子（n）和卵細(xì)胞（n）。高等植物的有性生殖過程是在花器中進(jìn)行的。（1）Spermatogenesis and Oogenesis in an animal cell卵細(xì)胞助細(xì)胞胚囊（2）植物大小孢子的發(fā)生和雌雄配子的形成胚珠珠孔反足細(xì)胞胚乳母細(xì)胞中央細(xì)胞大孢子母細(xì)胞（3）受精雌雄配子體結(jié)合為一個合子的過程即為受精（fertilization）植物的授粉方式：有自花授粉和異花授粉兩類。同一朵花內(nèi)或同一植株花朵間的授粉，稱為自花授粉。不同株的花朵間授粉

18、，稱為異花授粉。授粉后，花粉粒在柱頭上萌發(fā)。隨著花粉管的伸長，營養(yǎng)核與精核進(jìn)入胚囊內(nèi)。隨后1個精核與卵細(xì)胞受精結(jié)合成合子，將發(fā)育為胚（embryo）（2n）。另1個精核與2個極核受精結(jié)合為胚乳核（3n），將發(fā)育成胚乳（endosperm）（3n），故這一過程被稱為雙受精（double fertilization）。擬南芥的受精過程2.3.2無性生殖無性生（繁）殖（asexual reproduction）是指不經(jīng)過生殖細(xì)胞的結(jié)合，由親體直接產(chǎn)生新個體的生殖方式。無性生殖方式有：分裂生殖 (裂殖， fission)孢子生殖 (spore reproduction)出芽生殖 (budding)營養(yǎng)

19、生殖等親代細(xì)胞 兩個子細(xì)胞裂殖(fission) 最原始的生殖方式細(xì)胞分裂與母體大小、形態(tài)、結(jié)構(gòu)相似單細(xì)胞生物 如： 細(xì)菌、原生動物變形蟲等。細(xì)菌孢子生殖(spore reproduction)是無性生殖中的高級方式，由親體的特定部位產(chǎn)生許多稱為“孢子”的生殖細(xì)胞，孢子不經(jīng)結(jié)合，直接發(fā)育形成新個體。孢子的類型很多，分別可籍水或氣流傳播。藻類、苔蘚、蕨類植物以及真菌主要行孢子生殖。日常生活中食物、衣物長霉通常是霉菌孢子繁殖的結(jié)果。出芽生殖(budding)即在親體的一定部位長出小芽體，芽體逐漸長大，最后脫離母體而成為獨(dú)立個體。如真菌中的酵母菌腔腸動物中的水螅等也有芽體長大后不脫離母體，因而形成群

20、體的，如大多數(shù)珊瑚營養(yǎng)生殖是生物營養(yǎng)體的一部分由母體分離出來后又長成一個新個體的繁殖方式。斷裂生殖：絲狀藻類和真菌的營養(yǎng)體常常發(fā)生斷裂，每一斷裂的部分再通過細(xì)胞分裂長成新個體。再生：扦插、壓條、嫁接、細(xì)胞或組織培養(yǎng)和渦蟲再生。2.4生活周期有機(jī)體的生活周期是從合子形成到個體死亡的過程中所發(fā)生的一系列事件的總和。真核生物中，減數(shù)分裂產(chǎn)生單倍體細(xì)胞，在此過程中，親代的遺傳物質(zhì)通過染色體分離和交換產(chǎn)生新的組合。單倍體細(xì)胞的融合產(chǎn)生幾乎無窮的新的遺傳重組，因此，有機(jī)體的生活周期為遺傳物質(zhì)的重組創(chuàng)造了機(jī)會。2.4.1低等植物的生活周期例粗糙脈孢菌（Neurospora crassa）以及其他真菌類繁殖的

21、主要方式是無性生殖。脈孢菌也有有性生殖模式。2.4.2高等植物的生活周期例：擬南芥（Arabidopsis thaliana）為雙子葉十字花科植物，作為模式植物，因其植株矮小，世代間隔短，自花授粉，以及易于在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)，使它成為植物遺傳與發(fā)育遺傳研究的理想材料。此外，其小的基因組以及極少量的重復(fù)DNA序列使它又成為分子遺傳學(xué)研究以及基因組學(xué)研究的理想材料。與之相對照，玉米和小麥的基因組大小分別是擬南芥基因組的21和133倍。擬南芥基因組測序結(jié)果已于2000年12月公布，使它成為被子植物中第一個完成基因組測序的植物?，F(xiàn)在的研究工作主要集中在對擬南芥大約26 000個基因功能的研究。擬南芥是一種十字花科植物，廣泛用于植物遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和分子生物學(xué)的研究，已成為一種典型的模式植物，其主要特點(diǎn)：（1）形態(tài)個體小，高度僅30cm左右；（2）生長周期快，從播種到收獲種子一般只需6周左右；（3）種子多，每株可產(chǎn)數(shù)千粒種子；（4）形態(tài)特征簡單；（5）基因組小，只有5對染色體。雖然這種植物在許多方面“簡單”，但它的大多數(shù)基因與其他“復(fù)雜”的植物基因具有很高的同源性，另外