遺傳學與表觀遺傳學之遺傳的細胞基礎(chǔ)與染色體病研究策略

1遺傳的細胞基礎(chǔ)與染色體病研究策略2第一節(jié)真核細胞的結(jié)構(gòu)

第二節(jié)遺傳物質(zhì)DNA

第三節(jié)染色質(zhì)和染色體

第四節(jié)細胞分裂

第五節(jié)、染色體形態(tài)和染色體畸變

第六節(jié)染色體病及研究策略

本章講授內(nèi)容3重點內(nèi)容提示:DNA結(jié)構(gòu)的特征及生物學意義染色質(zhì)（體）構(gòu)成減數(shù)分裂過程，意義，細胞學基礎(chǔ)，同源染色體

以21-三體綜合征為例，簡述數(shù)目異常染色體病產(chǎn)生原因及產(chǎn)前診斷方法。4第一節(jié)、真核細胞的結(jié)構(gòu)

細胞是生物（人）體進行生命活動的基本結(jié)構(gòu)和功能單位細胞質(zhì)高爾基體細胞膜：液態(tài)鑲嵌，嵌有蛋白，脂質(zhì)雙層溶酶體線粒體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核膜細胞核

核仁

染色質(zhì)（堿性染料著色）遺傳信息的載體遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)56第二節(jié)遺傳物質(zhì)DNA

一、DNA是遺傳物質(zhì)19世紀60年代：發(fā)現(xiàn)染色體含有DNA，并能引起遺傳性狀；20世紀初：傾向于染色體中的蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)；1944年，Avery等的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗證明了遺傳物質(zhì)是DNA，奠定了分子遺傳學的基礎(chǔ)。7（一）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗

R型細菌（粗糙、無毒性）S型細菌（光滑、有毒性）DNA是遺傳物質(zhì)的證據(jù)81928年英國F.Griffith等：肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化（體內(nèi)）實驗91944年美國科學家Avery等人：肺炎雙球菌（體外）轉(zhuǎn)化實驗肺炎雙球菌：光滑菌（S）致病粗糙菌（R）非致病

加熱滅活的光滑菌活的粗糙菌活的光滑菌10肺炎雙球菌（體外）轉(zhuǎn)化實驗11（二）噬菌體轉(zhuǎn)染實驗大腸桿菌T2噬菌體12染色體→基因的載體基因→功能DNA序列片段DNA→RNA→protein二、DNA的結(jié)構(gòu)特征及生物學意義131.DNA是由兩條多核苷酸鏈相互逆向纏繞而成的雙螺旋長鏈大分子；基本結(jié)構(gòu)——核苷酸（nucleotide），雙螺旋結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性；14

磷酸脫氧核糖堿基脫氧核苷脫氧核苷酸基本結(jié)構(gòu)——核苷酸（nucleotide）的組成15嘌呤Purines嘧啶Pyrimidines胸腺嘧啶Thymine,T胞嘧啶Cytosine,C鳥嘌呤Guanine,G腺嘌呤Adenine,A2.DNA含有4種堿基(堿基對：A=T,G≡C；%相同)；163.堿基有順序地排列構(gòu)成DNA序列，編碼和儲存大量遺傳信息；三聯(lián)體密碼子(tripletcondon)→遺傳密碼單位，

43×109簡并性(Degeneracy)：64個密碼子→20種氨基酸。174.雙螺旋堿基互補結(jié)構(gòu)是DNA復(fù)制和修復(fù)的基礎(chǔ)；半保留復(fù)制(Semi-conservativereplication)是遺傳物質(zhì)準確傳遞的分子基礎(chǔ)。185.DNA雙螺旋的堿基互補是現(xiàn)代分子生物學核

心技術(shù)——“分子雜交”的基礎(chǔ)；Southern印跡Northern印跡PCRDNA合成生物芯片

19染色質(zhì)和染色體是同一種物質(zhì)，是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，是基因的載體。HumanChromosome

第三節(jié)染色質(zhì)和染色體20一、染色質(zhì)和染色體組成和結(jié)構(gòu)染色質(zhì)(chromatin)：細胞間期核內(nèi)伸展開的DNA-蛋白質(zhì)纖維。染色體(chromosome)：有絲分裂階段，染色質(zhì)高度螺旋化，緊密盤繞折疊的產(chǎn)物。

DNA(deoxyribonucleicacid)

組蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4）蛋白質(zhì)非組蛋白

染色質(zhì)→染色體（分裂間期）（分裂期）

螺旋化

21染色質(zhì)和染色體是同一遺傳物質(zhì)在細胞間期和分裂期的兩種不同形態(tài)。22染色體的基本單位是核小體（Nucleosome）

；核心顆粒：四種組蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各2個分子構(gòu)成八聚體，外面圍繞約146bp的核心DNA；連接區(qū)：相鄰兩個核小體間由50-60bp的DNA相連，其上還結(jié)合1個組蛋白H1。

細胞核（d=6μm）→染色體（n=46）→DNA（總長2m）23串珠狀染色質(zhì)24螺線管和超級螺線管25間期染色體:26四級結(jié)構(gòu):由超螺線管在纏繞折疊——中期染色體（兩條染色單體）（直徑1400nm,÷5）三級結(jié)構(gòu)：螺線管進一步折疊螺旋化——超螺線管（直徑0.4μm,÷40)二級結(jié)構(gòu)：串珠進一步螺旋化，每6個核小體一個螺旋——螺線管（直徑30nm,÷6)一級結(jié)構(gòu)：無數(shù)個核小體通過一條DNA分子串聯(lián)起來——串珠狀纖維（÷7）動畫27二、常染色質(zhì)和異染色質(zhì)

染色狀態(tài)位置轉(zhuǎn)錄活性常染色質(zhì)淺分散疏松核中央有異染色質(zhì)深致密凝縮核仁核膜低或無組成型異染色質(zhì)：位置固定，于端粒，著絲粒或NOR;功能型/兼性異染色質(zhì)：特定階段由常染色質(zhì)轉(zhuǎn)變而成，X染色質(zhì)。28三、性染色質(zhì)和性染色體人染色體46條（23對），1-22對為常染色體，X染色體和Y染色體決定性別，稱為性染色體。X和Y染色體在間期細胞核中以染色質(zhì)形式存在→性染色質(zhì)（sex-chromatin）。29X染色質(zhì)(X-chromatin)正常女性的間期細胞核膜內(nèi)緣有一染色較深橢圓形1μm大小的小體。又稱Barr小體。Barr小體=X染色體數(shù)-130Y染色質(zhì)用熒光染料使正常男性間期細胞核染色后，核內(nèi)顯示一個0.3μm大小的強熒光小體。

Y小體=Y染色質(zhì)(Y染色體長臂)31性染色體與X染色體失活染色體

大小相連鎖疾病DNA標記功能基因其他X很大約250種>1000>300Y很小<20種>70045SRY基因32正常女性有兩條X染色體，男性只有一條X染色體（和一條Y），X染色體有數(shù)量差異。那么，位于X染色體上的基因產(chǎn)物是否存在差異昵？為什么只有女性才有X染色質(zhì)而男性沒有？為什么某一種X連鎖的突變基因純合子女性的病情并不比半合子的男性嚴重？1961年，英國的遺傳學家Lyon等四人，根據(jù)各自的實驗提出了X染色體失活假說，后稱為Lyon假說，來解釋上述問題。33萊昂（Lyon）假說X失活發(fā)生在胚胎生命早期失活是隨機的失活是完全的失活是永久的和克隆式繁殖的萊昂化--------嵌合體

也就是說在女性細胞中的兩條X染色體只有一條有活性，另一條無轉(zhuǎn)錄活性，在間期細胞核異固縮而失活。這樣男女X連鎖基因產(chǎn)物量保持相同水平，這種效應(yīng)稱為劑量補償。

34需要說明的問題-Lyon假說1）如果一個有缺失的X染色體，優(yōu)先失活；2）常染色體和X染色體平衡易位的個體中，正常的X染色體優(yōu)先失活；3）Xchr上的Gene不全部失活，約1/3的gene逃避失活，已知>16個基因逃避失活；4）體細胞X失活是永久的，但在生殖細胞發(fā)育中，失活是可逆的；5）細胞中只有一條X染色體有活性，其他均以失活狀態(tài)存在；35第四節(jié)細胞分裂1個受精卵→嬰兒（約1012個細胞）→成年（約16×1014

個細胞）生命活動過程中又有許多細胞死亡，由新細胞補充。

細胞分裂

有絲分裂（mitosis）減數(shù)分裂（meiosis）36一、有絲分裂（Mitosis）有絲分裂：一個細胞分裂產(chǎn)生兩個在遺傳上與親代完全相同的細胞的過程。特點：DNA/染色體復(fù)制1次；細胞分裂1次→產(chǎn)生2個子細胞；染色體數(shù)目仍是2n。

意義：子代細胞保持了與親代細胞相同的遺傳物質(zhì)，從而保證了機體所有細胞的染色體數(shù)目恒定。37

細胞從上一個有絲分裂結(jié)束到下一個有絲分裂結(jié)束的全過程→細胞周期（cellcycle）：G1期：RNA和蛋白質(zhì)合成，是進入S期的前提；S期：DNA合成復(fù)制；G2期：加速合成RNA和蛋白質(zhì)，為M期準備。分裂期前期中期后期末期間期38前期（prophase）：染色質(zhì)折疊變粗，核仁、核膜消失；中期（metaphase）：典型染色體，排列于赤道板、紡錘體形成，并與染色體著絲粒相連；后期（anaphase）：著絲?？v裂、染色單體分別移向兩極；末期（telephase）：染色體移至兩極并分散成染色質(zhì)，核膜、核仁再現(xiàn)、細胞膜凹陷。39有絲分裂的熒光顯微圖像40細胞有絲分裂41二、減數(shù)分裂（Meiosis）減數(shù)分裂：生殖細胞的分裂方式，由此產(chǎn)生男性和女性的配子，即精子和卵子。

特點：

生殖細胞形成過程中（成熟分裂）；

染色體/DNA復(fù)制1次，細胞連續(xù)2次分裂；

形成精子或卵細胞；

染色體數(shù)目減半（2n→1n，單倍體）。

包括：減數(shù)分裂Ⅰ＋減數(shù)分裂Ⅱ42減數(shù)分裂Ⅰ前期Ⅰ：分五段(細線期、偶線期、粗線期、雙線期、終變期)中期Ⅰ：四分體排列形成赤道板，紡錘絲與著絲粒相連并朝向兩極。后期Ⅰ：同源染色體彼此分離（分離律），同源染色體隨機分配到子細胞中去（自由組合律）。末期Ⅰ：染色體達兩極，膜、仁重新出現(xiàn)，形成兩個子細胞（N）。43減數(shù)分裂前期I1、

細線期（leptotenestage）特點：1）染色質(zhì)—螺旋化—染色體（呈細絲狀）；2）染色體已復(fù)制，但看不到雙重性；3）染色體端粒開始與核膜附著斑相連；

核膜仁核442、

偶線期（zygotenestage）

NO

二價體特點：1）同源染色體發(fā)生配對→聯(lián)會(synapsis)

→聯(lián)會復(fù)合體→二價體。同源染色體（homologouschromosome）：是指大小、形態(tài)結(jié)構(gòu)相同，一條來自父，一條來自母方的一對染色體。45聯(lián)會復(fù)合體463、粗線期(pachytenestage)

特點：1）染色體變粗→二價體→四分體（tetrad）2）非姐妹染色單體之間發(fā)生交換→交叉，染色體重組/基因重組，互換的細胞學基礎(chǔ)。NO四分體474、雙線期(dipleoidstage)

NO交叉端化特點：

1）聯(lián)會的同源染色體相互排斥，并分離。

2）互換后的染色體之間仍存交叉—交叉端化。485、終變期(diakinnesisstage)CM

特點：1）染色體高度螺旋化——短、粗。2）核仁、核膜消失、紡錘體形成。3）交叉移至末端——互換片段。。49中期I中心體紡錘體

特點：

1）四分體排列形成赤道板（自由組合——223）

2）紡錘體與染色體著絲粒盤連接50后期I

特點：

1）同源染色體彼此分離（分離律）

2）同源染色體隨機分配到子細胞（自由組合律）

51

末期INO

特點：1）兩組染色體分別到達兩極，2）一個細胞變成兩個細胞，染色體數(shù)目減半，3）核仁、核膜重新出現(xiàn)。

52減數(shù)分裂II減數(shù)分裂II減數(shù)分裂I完成后，經(jīng)過暫短的間期（或不經(jīng)過間期），不經(jīng)染色體復(fù)制而進入減數(shù)分裂II。

與細胞的有絲分裂過程相似.53減數(shù)分裂Ⅱ前期II：核仁、核膜消失，每個C中有n個二分體。中期II：各二分體排列在赤道板上。后期II：二分體著絲?？v裂，形成染色單體，移向兩極。末期II：個單分體到達兩極，形成兩個（四個）子細胞。動畫54減數(shù)分裂與有絲分裂的比較55減數(shù)分裂的意義1)保持物種的穩(wěn)定性:2n——n——2n2)染色體分離與隨機分配——不同生殖細胞形成223=8388608種組合。3)互換——基因重組，有利于DNA修復(fù)，基因組穩(wěn)定性，增加了生殖細胞中染色體組成的差異，增加了遺傳物質(zhì)的組合——遺傳物質(zhì)的多樣性——生物的多樣性——

進化。4)X、Y染色體經(jīng)減數(shù)分裂形成X、Y兩類精子，決定受精卵性別，精、卵形態(tài)和功能不同，有利于受精。5)減數(shù)分裂中，體現(xiàn)了分離律（后期I）、自由組合律（后期I）、互換（粗線期）的細胞學基礎(chǔ)。56第五節(jié)、染色體形態(tài)和染色體畸變

在染色體狹窄處是著絲粒(centromere,cen),cen將染色體分為短臂(p)和長臂(q)。一、染色體形態(tài)57端粒（一）染色體形態(tài)學分類隨體中央著絲粒染色體,cen位于染色體的1/2處亞中著絲粒染色體,cen位于染色體的5/8處近端著絲粒染色體,cen位于染色體的7/8處58（二）染色體制備與顯帶

59

正常人外周血或細胞

RPMI1640培養(yǎng)基+15%小牛血清=5ml370C，培養(yǎng)68hr加秋水仙素，培養(yǎng)2~4hr（抑制細胞分裂）收集細胞離心，去上清液（1000rpm/10min）低滲處理，0.075MKCI，370C，25min

預(yù)固定，甲醇：冰醋酸=3：1

離心，去上清液（1000rpm/10min）重復(fù)固定三次制片，染色，觀察，染色體分析1.染色體制備602.染色體顯帶

染色體顯帶：經(jīng)不同的方法處理染色體，經(jīng)染色后使染色體在縱軸上顯示明、暗或著色深、淺相間的橫紋即顯帶（Banding）。這種帶對每一條染色體來說都是獨特的，可以區(qū)分和確認每一條染色體。61顯帶方法：

G-顯帶：是最常用的方法。標本經(jīng)胰蛋白酶處理后，應(yīng)用Giemsa染色，鏡檢、分析,顯示深染和淺染相間的帶紋。6246,XY6346,XX64

常規(guī)G-banding使每個單倍體（24條染色體）都可以顯示350~550條帶，每條帶大約代表5x106~10x106bp的DNA。估計平均每3000bp為一個基因，每條染色體可能代表幾個或幾百個基因.65G-banding：

界標區(qū)和帶66除G顯帶外還有：R-顯帶：反G帶Q-顯帶：熒光顯帶，同G顯帶帶紋T-顯帶：末端顯帶C-顯帶：著絲粒顯帶

NOR：特異顯示近端著絲粒染色體的核仁組織區(qū)67（三）核型（Karyotype）分析

將一個體細胞中全套染色體按一定方式排列起來，構(gòu)成圖像。根據(jù)人類細胞遺傳學國際命名體制（ISCN），根據(jù)染色體的形態(tài)、大小和著絲粒的位置將染色體分為七組：

A組：1~3，大B組：4、5大

C組：6~12+X中D組：13~15中

E組：16~18，小，F(xiàn)組：19、20，小

G組：21、22+Y，最小68chr.groups:A:1~3B:4,5C:6~12,XD:13~15E:16~18F:19,20G:21,22,Y69（四）核型的描述

染色體總數(shù)，性染色體正常男性46

，XY

正常女性46，XX70二、染色體畸變?nèi)旧w數(shù)目畸變（異常）染色體結(jié)構(gòu)畸變（異常）71（一）染色體數(shù)目畸變及產(chǎn)生原因二倍體diploid（2n）：46，XX；46，XY。

整倍體euploid（n或n的倍數(shù)）：23、46、69---非整倍體aneuploid（不是n或n的倍數(shù)）：增加或減少1條或幾條。

（1）三體性trisomy：某號染色體多一個拷貝。如21三體，47，XX，+21。（2）單體性monosomy：某號染色體少一個拷貝。如Turner綜合征，45，X。72

三倍體形成原因：雙雌受精和雙雄受精

73四倍體形成原因：核內(nèi)復(fù)制和核內(nèi)有絲分裂74

非整倍體是不分離（non-disjunction）的結(jié)果，即在細胞分裂時染色體不能正常分開.

減數(shù)I不分離減數(shù)分裂不分離不分離減數(shù)II不分離

有絲分裂不分離（卵裂不分離）751、減數(shù)分裂不分離

減數(shù)分裂I不分離減數(shù)分裂II不分離

減I不分離

減II不分離

精子同源三體性單親三體型

762、有絲分裂不分離（卵裂不分離）

4646

丟失

46464645

不分離

464647454646454546/47/45嵌合體46/4577二、結(jié)構(gòu)異常

在某種因素的作用下，染色體發(fā)生斷裂重接，染色體重排，形成特殊結(jié)構(gòu)的染色體。78染色體結(jié)構(gòu)異常類型：

1、缺失deletion-del2、易位translocation-t相互易位羅伯遜易位Robertsoniantranslocation-rob3、等臂染色體isochromosome-iso4、插入insersion-ins5、倒位inversion-inv6、重復(fù)duplication-dup7、雙著絲粒染色體dicentricchromosome-dic8、環(huán)狀染色體ringchromosome–r

791、缺失deletion-del

簡式46,XX/XY,del(1)(q21)詳式46，XX/XY，del（1）（pter→q21）80缺失812、易位translocation-t2q215q31簡式46，XY，t（2；5）（q21；q31）詳式46，XY，t（2；5）（2pter→2q21：：5q31→5qter；5pter→5q31：：2q21→2qter）82易位8384

D/DD/GG/G1314羅伯遜易位Robertsoniantranslocation-rob8586等臂染色體isochromosome-iso87插入insertion-ins88重復(fù)duplication-dup

89ABBA倒位inversion-inv90倒位91雙著絲粒染色體

dicentricchromosome-dic92p21q31環(huán)狀染色體(ringchromosome，r)2q312p2193第六節(jié)、染色體病及研究策略（一）自發(fā)流產(chǎn)在流產(chǎn)兒中進行染色體研究表明，大約50%或更多的自發(fā)流產(chǎn)兒有嚴重的染色體異常。幾乎涉及到所有的染色體，但較為集中在某些染色體的改變。如X染色體、13、18、14、和21。包括三體性、三倍體、四倍體、及單倍體等。一、染色體病危害94（二）出生缺陷

染色體異常的第二大臨床后果是出生缺陷，染色體的改變不同，臨床表現(xiàn)也不盡相同----綜合征。

出生缺陷普遍的特點：生長發(fā)育遲緩（growthretardation）

智力低下（mentalretardation）特征性異常體征（specificsomaticabnormalities）95二、常染色體病-Down綜合征1866年，英國醫(yī)生LangdonDown首先描述該病的體征，以其名命名，故稱Downsyndrome。法國的細胞遺傳學家Lejeune證實，核型中多了一條G組染色體，后來證明是21號，故稱為21-三體syndrome。96

1）發(fā)病率：1/800，1.25‰，以10億人口計，1.25‰x10億=125萬。

2）體征：智力發(fā)育不全，發(fā)育遲緩，面容呆滯，眼距寬，眼裂小，外眼角上斜，鼻根扁平，張口伸舌，流涎水缺乏抽象的思維能力，只會發(fā)單音節(jié)。常伴有四肢、五官、內(nèi)臟、皮膚等方面的異常。

50%患者伴有先天性心臟病，是死亡的主要原因。白血病的發(fā)病率高于常人20倍。皮膚紋理變異：手掌正常人∠atd400，患者∠atd60～700

腳趾脛側(cè)弓型紋實驗室檢查：SOD-1酶活性增加50%

9798993）核型100（1）

47，XX（XY），+21（典型的21-三體，占90%，幾乎都是新發(fā)生的突變）。（2）46，XX（XY）/47，XX（XY），+21嵌合型（輕）（3）

46，XX（XY），-14，+t（14q；21q）14/21易位型1014）原因（遺傳學）1）減數(shù)分裂不分離：母95%（輻射，甲狀腺疾病，傳染性肝炎）2）卵裂過程中不分離（mitosis）——嵌合體3）雙親之一是平衡易位攜帶者，核型為：45，XX（XY），-14，-21，+t（14q；21q）。4）高齡孕婦危險率增高，20歲，1/2000，30歲，1/300，40歲，1/100，45歲，1/50。102103正常14/21平衡易位攜帶者易位型先天愚形21單體型(流產(chǎn))14單體型(流產(chǎn))14三體型(可能致死)1041055）診斷：產(chǎn)前診斷出生后診斷方法：細胞遺傳學－染色體分析分子細胞遺傳學－FISH

分子生物學－PCR，

SouthernBlot等。106細胞遺傳學分子遺傳學羊膜腔穿刺、取絨毛107染色體分析10821三體FISH診斷109Down綜合征的分子學診斷方法110三、性染色體（?。┊惓＞C合征

（一）KlinefelterSyndrome：先天性睪丸發(fā)育不全癥1942年，Klinefelter首先報道。發(fā)病率：1.2/1000體癥：小睪丸，曲細精管玻璃樣變，不能產(chǎn)生精子，無生育能力，男性副性征發(fā)育差，25%的患者有男性乳房發(fā)育，身高，修長。（180~190cm，1/50，190~200cm，1/10）。111112核型:（1）47，XXY，（2）48，XXXY，（3）嵌合型46,XY/47,XXY（一惻睪丸正常，可育）。原因（1）卵子發(fā)生中XX染色體不分離，XX+Y→XXY，（2）精子發(fā)生中XY不分離，X+XY→XXY。113（二）TurnerSyndrome：