第二章 遗传的细胞学基础.

第二章遗传的细胞学基础本章重点1．细胞的结构与功能。*2．染色体的形态特征和数目。*3．细胞的有丝分裂、减数分裂。4．配子的形成和受精。5．动物、植物生活周期。除病毒以外的有机体均由细胞构成。19世纪末期，由于细胞学的迅速发展，生物学家们认识到，细胞核中的染色体可能是遗传的物质基础。1901—1902年，Boveri等人揭示了与动植物生殖细胞形成有关的减数分裂过程，使人们进一步看到了染色体与基因之间的平行现象，并于1903年提出了遗传的染色体学说（chromosometheoryofinheritance）。这一学说得到了摩尔根（T.H.Morgan）的证实和发展。自此以后，遗传学的发展始终与细胞学密切相关。因此，学习遗传学必须具备一些与遗传学相关的细胞学基础知识。引言第一节细胞的结构和功能一、原核细胞1．细胞组成：细胞壁：蛋白聚糖等；细胞膜：磷脂、蛋白质等；细胞质：核糖体等；核区：DNA、RNA等。2．原核生物：各种细菌、蓝藻等低等生物由原核细胞构成，统称为原核生物（prokaryote）。二、真核细胞三、不同类型细胞间的比较第二节染色体的结构和功能一、染色质染色质（chromatin）是在间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的(线性复合结构)，易被碱性染料着色的一种无定形物质，是间期细胞遗传物质存在的形式。细胞分裂间期:染色质是由染色质丝（或称核蛋白纤维丝）组成的网状结构。细胞分裂期:核蛋白纤维丝经螺旋化形成具有一定形态特征的染色体。间期染色质分为两种类型：常染色质（euchromatin）和异染色质（heterochromatin)。常染色质（核内浅染部分）和异染色质（核内深染部分）常染色质是构成染色质的主要成分，染色较浅且着色均匀。在细胞分裂间期，常染色质纤维折叠压缩程度低，呈高度分散状态，伸展而折叠疏松（典型包装率1000倍），通常呈30nm纤维和疏松的环状结构，用碱性染料染色时着色浅。其DNA复制发生在细胞周期的S期的早期和中期。常染色质是进行活跃转录的部位，可以用3H-uridine瞬时标记，显示出转录活化状态。并非所有基因都具有转录活性,处于常染色质状态只是基因转录的必要条件，而不是充分条件。随着细胞分裂的进行，这些染色质区段由于逐步的螺旋化，从而染色逐渐加深。异染色质：指间期细胞核中,折叠压缩程度高,处于聚缩状态，碱性染料染色时着色较深的染色质组分。在异染色质中的基因没有转录活性，并且可以抑制插入DNA片段的表达。类型1.组成型异染色质(constitutiveheterochromatin)2.兼性异染色质(facultativeheterochromatin)组成性异染色质：即通常所指的异染色质，一种永久性异染色质，在染色体上的位置较恒定，间期保持螺旋化状态，染色很深，在光学显微镜下可以鉴别。在染色体上的分布因不同物种而异。大多数生物的异染色质集中分布于染色体的着丝粒周围。兼性异染色质：又称X性染色质。它起源于常染色质，具有常染色质的全部特点和功能，其复制时间、染色特征与常染色质相同。但在特殊情况下，在个体发育的特定阶段，它可以转变成异染色质，一旦发生这种转变，则获得了异染色质的属性，如发生异固缩、迟复制、基因失活等变化。例人类X染色体失活。二、染色体的形态特征染色体（chromosome）是指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质聚缩（经过紧密缠绕、折叠、凝缩、精巧包装)而成的具有固定形态(棒状结构)的遗传物质的存在形式。染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的形态结构。每一物种的染色体都具有特定的形态特征，其中以有丝分裂中期和早后期表现得最为明显和典型。中期染色体分散排列在赤道板上，故通常以这个时期进行染色体形态的识别和研究。在外形上每条染色体都有一个着丝粒（centromere）和被着丝粒分开的两条臂：短臂（p）和长臂（q）。着丝粒也称主缢痕（primaryconstriction）。在某些染色体的一个或两个臂上还另外有缢缩部位，染色较淡，称为次缢痕（secondconstriction）1．染色体形态:某些染色体次缢痕的末端所具有的圆形或略呈长形的突出体，称为随体（satellite），它是识别某一特定染色体的重要标志之一。2．类型:染色体的着丝粒位置恒定，因而着丝粒的位置直接关系染色体的形态特征。3.大小大麦2n=14(1).各物种差异很大，染色体大小主要指长度，同一物种染色体宽度大致相同。植物:长约0.2~50ｍ、宽约0.2~2.0ｍ。(2).高等植物中单子叶植物的染色体一般比双子叶植物要大些。动物的染色体一般比较大，如果蝇和人类等。单子叶植物间差异：玉米、小麦、大麦和黑麦水稻。但双子叶植物中牡丹属和鬼臼属也具有较大的染色体。4.类别各生物的染色体不仅形态结构相对稳定，而且其数目成对。同源染色体：形态和结构相同的一对染色体。异源染色体：这一对染色体与另一对形态结构不同的染色体，互称为异源染色体。5.用于遗传学分析的特殊染色体动物卵母细胞中的灯刷染色体（lampbrushchromosome）双翅目昆虫的幼虫中所见的多线染色体（polytene）①灯刷染色体：这是一类形态特殊的巨大染色体。1882年，由Flemming在观察美西螈卵巢组织切片时首次发现。灯刷染色体是未成熟的卵母细胞进行第一次减数分裂停留在双线期（可持续数月）的染色体。可在光学显微镜下看到酷似20世纪早中期用于清洁煤油灯灯罩的灯刷而得名。染色粒中的DNA是不活动的，但侧环的DNA区域是活跃地合成RNA的地方，其中，两侧环的阴影所显示的即是。因而，灯刷染色体是在光学显微镜下直接观察并识别特殊位置上的单个基因转录活性极为理想的材料。②多线染色体：1881年由意大利细胞学家Balbiani发现，存在于双翅目昆虫的幼虫唾腺、气管、消化管和马尔比基氏管。例如果蝇幼虫唾腺细胞中的唾腺染色体（salivaryglandchromosome）。由于染色体反反复复进行核内复制，而核或细胞不分裂，由很多纵向密集在一起的染色丝束集在一起，若染色体进行10次复制，则可形成210＝1024条染色单体。而且，在唾腺细胞中进行了同源染色体配对，同源染色体两成员之间如有不同，就很容易识别。唾腺染色体总处在前期状态，螺旋化程度低，比相应正常的体细胞染色体要长几百倍；另一重要特点是具有明暗相间的带纹（bands），在果蝇唾腺染色体组中，约有5000条带和5000条间带。在唾腺染色体上带纹有粗有细，带纹数目和形态、分布特征各不相同。带纹的排列和次序一般在同一个种内一致，在不同种内则表现不同。当染色体发生结构变异时，带纹也就随着出现不同的排列。所以检查带纹是研究果蝇染色体结构变异的一个重要方法。三、染色体的结构每个核小体包括一个组蛋白八聚体(H2A、H2B、H3和H4各两个分子)及缠绕在该核心表面的200个碱基对左右的DNA。DNA双螺旋在组蛋白八聚体分子的表面盘绕1.75圈，其长度约为146bp，负超螺旋，这种组蛋白的核心颗粒大小约为5.5nm×11nm的扁球形。相邻的两个核小体之间一般由约55bp的DNA连接，称为连接区DNA，在连接区部位结合有一个组蛋白分子H1。核小体的形成是染色体中DNA压缩的第一步。在组蛋白H1存在下，由直径11nm串联排列的核小体进一步螺旋化，每一圈由6个核小体构成外径30nm，内径10nm，螺距11nm的中空螺线管（solenoid），这时DNA又压缩了6倍，形成染色体包装的二级结构。30nm的纤丝和非组蛋白骨架结合形成很多侧环，每个侧环长10～90kb，约0.5μm，人类染色体约2000个环区。带有侧环的非组蛋白骨架进一步形成直径为700nm的螺旋，构成染色单体。再由两条姊妹染色单体形成中期染色体，其直径为1400nm。四、染色体的数目二倍体与单倍体二倍体（2n）：每一个体细胞核中有两组同样的染色体。单倍体（n）：亲本的每一个配子中有一组染色体。各种生物的染色体数目是恒定的，其在体细胞中成对，在性细胞中成单。常以2n表示体细胞的染色体数目，用n表示性细胞的染色体数目。有些生物的细胞中除具有正常恒定数目的染色体以外，还出现额外的染色体。通常将正常的染色体称为A染色体，额外染色体统称为B染色体，也称为超数染色体或副染色体。B染色体比A染色体小，它能自我复制，并通过细胞分裂传递给子代，当它在细胞中增加到一定数目时，会影响生物的生存。遗传学研究者已在1000多种植物和300多种动物甚至人类中报道了B染色体的存在。有研究表明，大多数动物的B染色体是由结构异染色所组成。关于B染色体的来源和功能，目前尚不甚了解。五.染色体核型和核型分析染色体组型或核型（karyotype）：指一个个体或物种的特有的染色体构成，包括染色体数目以及每一条染色体所特有的形态特征（染色体的长度、着丝粒的位置、臂比值、随体的有无、次级缢痕的数目及位置、异染色质的分布等）。核型是物种最稳定的性状和标志，通常在体细胞有丝分裂中期时进行核型的分析鉴定。染色体组型分析或核型分析（karyotypeanalysis）：按照染色体的数目、大小和着丝粒位置、臂比、次缢痕和随体等形态特征，对生物核内的染色体进行配对、分组、归类、编号和分析的过程称为染色体组型分析或核型分析核型模式图（idiogram）：在进行核型分析的过程中，可将各染色体根据其特征绘制成图，称为核型模式图。染色体的带型分析染色体带：当染色体被酶或其它化学药品处理后，经过染色显示出的深浅不同的带纹。带型(bandingpattern)：不同的染色体具有的不同形态带的组成。染色体带型不仅是鉴定和识别染色体的重要依据，而且为深入研究染色体的异常及基因定位创造了条件。在植物如小麦中，带型分析广泛应用于识别和追踪外源染色体。染色体显带：一般认为染色体所显示的带为异染色质在染色体上分布的区域。由于实验中处理方法的不同，可以获得不同的带型模式，如Q带(氮芥喹吖因或二盐酸喹吖因染色)、G带(Giemsa染色)、N带(Giemsa染色)、R带(Hoechst-33258和Giemsa染色)和C带(Giemsa染色)等。人类染色体的核型分析染色体核型分析的用途染色体核型分析技术可用来诊断由于染色体异常而引起的遗传性疾病。该技术在动植物育种、研究物种间的亲缘关系、探讨物种进化机制、鉴定远缘杂种、追踪鉴别外源染色体或染色体片段等方面都具有十分重要的利用价值。六、原核生物的染色体形态、结构和数目大多数病毒和原核生物的基因组只含有一个DNA或RNA分子。原核生物的染色体通常为一个环状的双螺旋DNA分子，长度约4-5Mb，通过超螺旋化紧密包装成类核体（nucleoidbody）的形式。原核生物染色体同样与蛋白质和RNA等其它分子结合，而不是裸露的。E.coli染色体从环状染色体DNA形成拓扑异构环，最终形成超螺旋DNA，染色体大约压缩了1000倍。第三节细胞的有丝分裂一、细胞周期G1期：第一个间隙，主要进行细胞体积的增长，并为DNA合成作准备。不分裂细胞则停留在G1期,也称为G0期。S期：DNA合成时期。G2期：DNA合成后至细胞分裂开始之前的第二个间隙，为细胞分裂作准备。M期：细胞分裂期。由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，所需的时间称细胞周期时间。分为4个阶段：一般S期时间较长，且较稳定；G1和G2变化也较大。因物种、细胞种类和生理状态的不同而异。哺乳动物离体培养细胞的有丝分裂周期，G1为10小时，S为9小时，G2为4小时，间期共长23小时。而细胞分裂期M全长只有1小时。二、细胞分裂过程1.无丝分裂（amitosis）亦称直接分裂。细胞核拉长，缢裂成两部分，接着细胞质也分裂，从而成为两个细胞，整个分裂过程看不到纺锤丝的出现，染色体分裂无规律。无丝分裂不仅发现于原核生物，同时也发现于高等动植物，如植物的胚乳细胞、动物的胎膜，间充组织及肌肉细胞等等。2.有丝分裂（mitosis）：包含两个紧密相连的过程：核分裂和质分裂。即细胞分裂为二，各含有一个核。分裂过程包