遺傳學(xué)課件：第2章 真核生物的細(xì)胞分裂及染色體結(jié)構(gòu)

第二章真核生物的

染色體結(jié)構(gòu)及細(xì)胞分裂2.1真核細(xì)胞遺傳物質(zhì)的分布2.2染色體2.3細(xì)胞分裂2.4生活周期真核細(xì)胞與原核細(xì)胞

prokaryoticandeukaryoticcell真核生物：eukaryote

由真核細(xì)胞構(gòu)成的生物體高等動植物、單細(xì)胞藻類(alga)、真菌(fungi)和原生動物(Protozoa)原核生物：prokaryote

由原核細(xì)胞構(gòu)成的生物體如細(xì)菌和藍(lán)細(xì)菌(藍(lán)綠藻)生命三界基因組測序結(jié)果支持生命三界假說真核生物可能起源于古細(xì)菌Bacterialcell引自Cellandmolecularbiology(3rd)Animalcell引自KlugandCumming，2002線粒體：光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：中心體：核糖體：核膜：核仁：溶酶體：高爾基體Plantcell引自Cellandmolecularbiology(3rd)細(xì)胞壁：液泡：質(zhì)體：表2.1原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的比較特點原核細(xì)胞真核細(xì)胞大小1－10μm10－100μm細(xì)胞核無核膜和核仁，沒有形成核結(jié)構(gòu)，稱為擬核nucleoid有核膜和核仁，形成了核結(jié)構(gòu)遺傳信息量少，DNA不與或很少與蛋白質(zhì)結(jié)合量多，形成染色質(zhì)或染色體結(jié)構(gòu)，DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合遺傳信息表達(dá)轉(zhuǎn)錄和翻譯可同時進(jìn)行核內(nèi)轉(zhuǎn)錄，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)翻譯細(xì)胞器無有線粒體、葉綠體、質(zhì)體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器內(nèi)膜系統(tǒng)無獨立的內(nèi)膜系統(tǒng)有，較復(fù)雜細(xì)胞骨架無有性系統(tǒng)基因由供體向受體單向傳遞通過兩性配子核融合細(xì)胞增殖無絲分裂有絲分裂為主真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)*

細(xì)胞膜plasmamembrane*

細(xì)胞質(zhì)cytoplasm

細(xì)胞漿cytosol

細(xì)胞器cellularorganelles

細(xì)胞骨架cytoskeleton如微管、微絲等

*

細(xì)胞核nucleus2.1真核細(xì)胞遺傳物質(zhì)的分布*

細(xì)胞質(zhì)遺傳體系*細(xì)胞核遺傳體系真核細(xì)胞的細(xì)胞器中心體(centrosome，動物特有)、溶酶體(lysosome)和液泡(vacuole)等線粒體(mitochondria)：細(xì)胞內(nèi)的動力站，提供生命活動所需能量，帶有遺傳物質(zhì)，是半自主細(xì)胞器葉綠體(chloroplast，植物特有)：植物細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換器，光合作用場所，帶有遺傳物質(zhì)，是半自主細(xì)胞器核糖體(ribosome)：按照mRNA指令合成多肽鏈，是合成蛋白質(zhì)的“機器”內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmicreticulum)

：合成蛋白質(zhì)和脂類場所，與蛋白質(zhì)合成、物質(zhì)轉(zhuǎn)運、蛋白質(zhì)的修飾加工有關(guān)高爾基體(Golgibody)：大分子運輸?shù)慕煌屑~，負(fù)責(zé)將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)分揀、加工、包裝和運輸含有自身遺傳體系的半自主細(xì)胞器葉綠體chloroplastDNA線粒體mitochondrialDNA

細(xì)胞核*細(xì)胞核是真核細(xì)胞中最明顯最重要的細(xì)胞器*絕大部分遺傳信息貯存在細(xì)胞核內(nèi)*基因的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄初產(chǎn)物的加工也在核內(nèi)進(jìn)行*是細(xì)胞遺傳和代謝活動的調(diào)控中心*組成：

核膜nuclearenvelope

染色質(zhì)chromatin

核仁nucleolus

核基質(zhì)matrix核移植JohnBrownGordon2012NobelPrize

IanWilmutHwangWoo-suk2.2染色體chromosome模式圖洋蔥的根細(xì)胞周期2.2.1染色體的形態(tài)染色體：在細(xì)胞分裂期出現(xiàn)的一種能被堿性染料強烈染色，并具有一定形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征的物體每一物種的染色體都有特定的形態(tài)特征著絲粒centromere隨體satellite短臂parm長臂qarm次縊痕主縊痕著絲粒所在的區(qū)域是染色體的縊縮部分，稱為主縊痕(primaryconstriction)在某些染色體的一個或兩個臂上還常另外有縊縮部位，染色較淡，稱為次縊痕(secondaryconstriction)某些染色體次縊痕的末端所具有的圓形或略呈長形的突出體，稱為隨體(satellite)。次縊痕與核仁的形成有關(guān)，故稱為核仁組織者區(qū)（nucleolusorganizerregion,NOR）。NOR上含有rRNA基因。端粒（telomere）：染色體臂末端的特化部分，可將染色體末端封閉，使染色體之間不能彼此相連端粒酶：修復(fù)端粒，在造血細(xì)胞，干細(xì)胞，生殖細(xì)胞中。著絲粒(centromere)是染色體的縮縊部位，是細(xì)胞分裂過程中紡錘絲(spindlefiber)結(jié)合的區(qū)域，對于染色體向兩極的運動具有重要作用。

著絲粒異染色質(zhì)的主要組分是衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）。衛(wèi)星DNA是由很短的堿基序列經(jīng)多次重復(fù)形成的很長的DNA序列著絲粒上存在特異的CENH3組蛋白，非著絲粒區(qū)不含這種H3組蛋白著絲粒指導(dǎo)動粒（kinetochore）的組裝，動粒與紡錘體的微管互作保證染色體的正確分離著絲粒的建立與保持與并不取決于所在的DNA序列，而受控于表觀遺傳學(xué)機制經(jīng)CsCl密度梯度離心，小鼠DNA被分成一個主帶和衛(wèi)星帶引自《GeneIX》衛(wèi)星DNA著絲粒與染色體的類型染色體類型臂比（長臂/短臂）細(xì)胞分裂后期形態(tài)中著絲粒染色體metacentricchromosome1.00-1.67V近中著絲粒染色體submetacentricchromosome1.68-3.00L近端著絲粒染色體acrocentricchromosome3.01-7.00I端著絲粒染色體telocentricchromosome7.01-∞I每條染色體的著絲粒位置是相對穩(wěn)定的端粒酶：修復(fù)端粒，在造血細(xì)胞，干細(xì)胞，生殖細(xì)胞中。端粒和端粒酶2009年諾貝爾獎得主主要有三方面的功能：a、防止染色體末端為DNA酶酶切；b、防止染色體末端與其它DNA分子的結(jié)合；c、使染色體末端在DNA復(fù)制過程中保持完整。對不同物種染色體末端的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，所有染色體的末端都存在著串連的重復(fù)序列。端粒(telomere)：真核生物染色體末端的一種特殊結(jié)構(gòu)，由高度重復(fù)的DNA短序列串聯(lián)而成。端粒的重復(fù)序列可用下列通式表示：5’-T1-4-A0-1–G1-8–3’如人類為TTAGGG2.2.2染色體的結(jié)構(gòu)染色質(zhì)：chromatin，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)，因其易被堿性染料染色而得名。細(xì)胞有絲分裂中期每條染色體的染色單體（chromatid）就是由一條染色質(zhì)線折疊壓縮而成Chromatinfibers引自KlugWSandCummingMR，2002

結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)：常出現(xiàn)在著絲粒附近、端粒、次縊痕或染色體臂內(nèi)某些節(jié)段兼性異染色質(zhì)：在特定的發(fā)育階段由常染色質(zhì)轉(zhuǎn)變而成，如雌性哺乳動物失活的那條X染色體常染色質(zhì)和異染色質(zhì)在結(jié)構(gòu)上是連續(xù)的常染色質(zhì)（euchromatin）：在間期細(xì)胞核內(nèi)，對堿性染料著色淺、螺旋化程度低、處于較為伸展?fàn)顟B(tài)的染色質(zhì)。主要是單一序列DNA和中度重復(fù)序列DNA構(gòu)成。異染色質(zhì)（heterochromatin）：在間期細(xì)胞核內(nèi)，對堿性染料著色較深、螺旋化程度較高、處于凝集狀態(tài)的染色質(zhì)。表現(xiàn)遺傳惰性。

常染色質(zhì)異染色質(zhì)引自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)細(xì)胞分裂期的異染色質(zhì)核仁異染色質(zhì)細(xì)胞核細(xì)胞質(zhì)間期的異染色質(zhì)引自《GeneIX》異染色質(zhì)得，Rothemund—你就是條DNA分子。該干什么干什么去吧。啥叫DNA分子？DNA雙

螺

旋引自KlugWSandCummingMR，2002?

LongDNAmoleculessmallcellnucleus細(xì)胞核5－10μm2mpercell(例如人的DNA有3.2×109bp)引自KlugWSandCummingMR，2002Startherea.核小體b.螺線管c.染色質(zhì)絲d.中期染色體DNA到染色體的四級結(jié)構(gòu)模型一級結(jié)構(gòu)：核小體（nucleosome）鏈二級結(jié)構(gòu)：螺線管(solenoid)三級結(jié)構(gòu)：超級螺線管(supersolenoid)四級結(jié)構(gòu)：染色體(chromosome)DNA核小體螺線管超螺線管染色體壓縮7倍壓縮6倍壓縮40倍壓縮5倍同源染色體與非同源染色體同源染色體(homologouschromosome)

指形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能相似的一對染色體，一條來自父本，一條來自母本非同源染色體(non-homologouschromosome)

形態(tài)結(jié)構(gòu)不同的染色體對之間的互稱姊妹染色單體(sisterchromatids)

有絲分裂中期觀察到的染色體由相同的2個染色單體構(gòu)成，它們彼此以著絲粒相連，互稱為姊妹染色單體同源染色體與非同源染色體2.2.3染色體的數(shù)目和大小

各種生物的染色體數(shù)目都是恒定的，而且它們在體細(xì)胞中是成對的，在性細(xì)胞中總是成單的，故在染色體數(shù)目上，生物的體細(xì)胞是其性細(xì)胞的一倍，通常分別以2n和n表示。例如，水稻2n=24，n=12；普通小麥2n=42，

n=21；擬南芥2n=10，n=5；人類2n=46，n=23

有些生物的細(xì)胞中除了具有正常恒定數(shù)目的染色體以外，還常出現(xiàn)額外的染色體。通常把正常的染色體稱為A染色體；把這種額外染色體統(tǒng)稱為B染色體，也稱超數(shù)染色體(supernumerarychromosome)或副染色體(accessorychromosome)B染色體1、B染色體比A染色體小很多；2、一般在頂端都具有著絲粒；3、大多含有較多的異染色質(zhì)；4、在減數(shù)分裂時不能和同樣的常染色體配對，而且B染色體彼此之間配對能力也很差。Siberianroedeer染色體的大小

不同物種和同一物種的染色體大小差異都很大，而染色體大小主要指長度而言，在寬度上同一物種的染色體大致是相同的。一般染色體長度變動于0.2－50.0μm；寬度變動于0.2－2.0μm。在高等植物中單子葉植物一般比雙子葉植物的染色體大些，但也有例外。

燈刷染色體（lampbrushchromosome）

在染色體中軸的兩側(cè)有許多精細(xì)而對稱的環(huán)狀凸出，狀似燈刷，稱為燈刷染色體。環(huán)狀突出是正在活躍轉(zhuǎn)錄的DNA。這一形態(tài)的染色體出現(xiàn)在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂的雙線期，并且可維持?jǐn)?shù)月或數(shù)年之久巨型染色體（giantchromosome）多線染色體（polytenechromosome）由于核內(nèi)DNA多次復(fù)制產(chǎn)生的染色質(zhì)線并行排列，且體細(xì)胞內(nèi)同源染色體配對，緊密結(jié)合在一起，從而阻止染色質(zhì)線進(jìn)一步聚縮而形成的巨型染色體。主要存在于雙翅目昆蟲幼蟲的唾腺細(xì)胞、腸細(xì)胞、氣管細(xì)胞中。引自KlugandCumming，2002多線染色體及puff多線染色體Puff是RNA正在合成的位點燈刷染色體環(huán)狀突出是正在活躍轉(zhuǎn)錄的DNA染色體組型或核型（karyotype）每一生物的染色體數(shù)目、大小及其形態(tài)特征都是特異的，這種特定的染色體組成稱之男性染色體核型2.3細(xì)胞分裂細(xì)胞周期有絲分裂減數(shù)分裂細(xì)胞分裂是實現(xiàn)生物體的生長、繁殖和世代之間遺傳物質(zhì)連續(xù)性的必要方式。細(xì)胞分裂方式主要有：

有絲分裂（mitosis）—保持細(xì)胞間遺傳物質(zhì)連續(xù)性減數(shù)分裂（meiosis）—保持親子間遺傳物質(zhì)連續(xù)性細(xì)胞周期

cellcycle：細(xì)胞上一次分裂完成到下一次分裂結(jié)束的一段歷程。包含一個分裂間期（interphase）和一個分裂期引自Klugetal.，2008CDK引擎Cyclin油門CKI剎車2001年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎根據(jù)間期DNA合成的時期，間期可分為三個時期：

DNA合成前期G1(GapI)

DNA合成期S

DNA合成后期G2(GapII)間期（interphase）間期核處于高度活躍的生理、生化代謝狀態(tài)。在間期不僅進(jìn)行遺傳物質(zhì)的復(fù)制，而且與DNA相結(jié)合的組蛋白在間期也是加倍合成。細(xì)胞的生長和分化也在此期。有絲分裂mitosis有絲分裂細(xì)胞核分裂（karyokinesis）分4個時期：前期（prophase）中期（metaphase）后期（anaphase）末期（telophase）細(xì)胞質(zhì)分裂（cytokinesis）前期(prophase)：細(xì)胞核內(nèi)出現(xiàn)細(xì)長而卷曲的染色體，以后逐漸縮短變粗。每個染色體有兩個染色單體(chromatids)，表明此時染色體已經(jīng)自我復(fù)制，但染色體的著絲點還沒有分裂。這時核仁和核膜逐漸模糊不明顯；動物細(xì)胞中中心體(centrosome)的2對中心粒（centriole）分別向兩極分開；每個中心體周圍出現(xiàn)星射線，在前期最后階段將逐漸形成紡錘絲(spindlefibers)。但是高等植物細(xì)胞沒有中心體，只從兩極出現(xiàn)紡綞絲。前期(prophase)模式圖中期(metaphase)：

核仁和核膜均消失了，核與細(xì)胞質(zhì)已無可見的界限，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)清晰可見由來自兩極的紡錘絲所構(gòu)成的紡錘體(spindle)。各個染色體的著絲點均排列在紡錘體中央的赤道面（theequatorialplane）上，而其兩臂則自由地分散在赤道面的兩側(cè)。中期前中期后期(anaphase)：

每個染色體的著絲點分裂為二，這時各條染色單體已各成為一個染色體。隨著紡錘絲的牽引每個染色體分別向兩極移動，因而兩極各具有與原來細(xì)胞同樣數(shù)目的染色體。后期(anaphase)末期(telophase)：

在兩極圍繞著染色體出現(xiàn)新的核膜，染色體又變得松散細(xì)長，核仁重新出現(xiàn)。于是在一個母細(xì)胞內(nèi)形成兩個子核。接著細(xì)胞質(zhì)分裂(cytokinesis)并在中部縊縮（constriction），形成2個子細(xì)胞，又恢復(fù)為分裂前的間期狀態(tài)。植物細(xì)胞此時則在赤道板的位置形成細(xì)胞板（cellplate），然后分裂為兩個細(xì)胞。末期(telophase)有絲分裂(mitosis)

引自KlugWSandCummingMR，2002間期前期前中期中期后期早末期晚末期有絲分裂的意義：

維持個體正常生長發(fā)育保證物種的遺傳穩(wěn)定性

核內(nèi)每個染色體準(zhǔn)確地復(fù)制分裂為二，為形成兩個子細(xì)胞在遺傳組成上與母細(xì)胞完全一樣提供了基礎(chǔ)。復(fù)制的各對染色體有規(guī)則而均勻地分配到兩個子細(xì)胞中去，從而使兩個細(xì)胞與母細(xì)胞具有同樣質(zhì)量和數(shù)量的染色體。減數(shù)分裂減數(shù)分裂(meiosis)又稱為成熟分裂(maturationdivision)，是在性母細(xì)胞成熟時，配子形成過程中所發(fā)生的一種特殊的有絲分裂。因為它使體細(xì)胞染色體數(shù)目減半，故稱為減數(shù)分裂。減數(shù)分裂的主要特點：首先是各對同源染色體在細(xì)胞分裂的前期配對(pairing)，或稱聯(lián)會(synapsis)。其次是細(xì)胞在分裂過程中包括兩次分裂：第一次是減數(shù)的，第二次是等數(shù)的減數(shù)分裂前期I

細(xì)線期(leptonema)

偶線期(zygonema)

粗線期(pachynema)

雙線期(diplonema)

終變期(diakinesis)中期I后期I末期I前期II中期II后期II末期II減數(shù)分裂I

減數(shù)分裂II偶線期各同源染色體分別配對，出現(xiàn)聯(lián)會（synapsis）現(xiàn)象，配對的染色體之間形成聯(lián)會復(fù)合體(synaptonemalcomplex)，它是同源染色體聯(lián)結(jié)在一起的一種特殊的非永久性復(fù)合結(jié)構(gòu)，由側(cè)成分(lateralelement)和中央成分(centralelement)組成。其主要成分是自我集合的堿性蛋白及酸性蛋白，由中央成分的兩側(cè)伸出橫絲(transversefilaments)

，因而使同源染色體得以固定在一起。細(xì)線期：核內(nèi)出現(xiàn)細(xì)長如線的染色體，由于染色體在間期已經(jīng)復(fù)制，這時每個染色體都是由共同的一個著絲點聯(lián)系的兩條染色單體所組成減數(shù)分裂I前期I(prophaseI)聯(lián)會復(fù)合體雙線期：四合體繼續(xù)縮短變粗，各個聯(lián)會了的雙價體雖因非姊妹染色單體相互排斥而松懈，但仍被一、二個至幾個交叉(chiasmata)聯(lián)結(jié)在一起粗線期：雙價體(bivalent)逐漸縮短加粗，因為雙價體實際上已經(jīng)包含了四條染色體單體，故又稱為四合體或四聯(lián)體(tetrad)終變期(diakinesis)

染色體變得更為濃縮和粗短，這是前期I終止的標(biāo)志。這時可以見到交叉向二價體的兩端移動，并且逐漸接近于末端,這一過程叫做交叉的端化(chiasmaterminalization)。

核仁和核膜消失，細(xì)胞質(zhì)里出現(xiàn)紡錘體。紡錘絲與各染色體的著絲點連接。從紡錘體的側(cè)面觀察，各二價體不是象有絲分裂中期各同源染色體的著絲點整齊地排列在赤道板上；而是分散在赤道板的兩側(cè)，即二價體中兩個同源染色體的著絲點是面向相反的兩極的，并且每個同源染色體的著絲點朝向哪一極是隨機的。中期I(metaphaseI)后期I(anaphaseI)

由于附著各個同源染色體的著絲點的紡錘絲的牽引，各個二價體各自分開，這樣把二階體的兩個同源染色體分別向兩極拉開，每一極只分到每對同源染色體中的一個，實現(xiàn)了2n數(shù)目的減半(n)。這時每個染色體還是包含兩條染色單體，因為它們的著絲點并沒有分裂。

染色體移到兩極后，松散變細(xì)，逐漸形成兩個子核；同時細(xì)胞質(zhì)分為兩部分，于是形成兩個子細(xì)胞，稱為二分體(dyad)。

在末期I后大都有一個短暫停頓時期，稱為中間期(interkinesis)，相當(dāng)于有絲分裂的間期；但有兩點顯著的不同：一是時間很短，二是DNA不復(fù)制，所以中間期的前后DNA含量沒有變化。這一時期在很多動物中幾乎是沒有的，它們在末期I后緊接著就進(jìn)入下一次分裂。末期I(telophaseI)前期