动物染色体

第四章染色体（返回目录）

染色体(chromosome)原来是指在真核生物细胞分裂期中能被碱性染料染色的物质。它只存在于分裂期中的细胞内，在细胞周期的间期中，松散成为无定形的染色质(chromatin)。现在染色体这一概念已被普遍用于指存在于原核生物(prokaryote)和真核生物(eukaryote)细胞内的所有核酸分子(DNA和RNA)。

染色体和染色质属于同一物质，二者并不存在组分上的差异，只是由于细胞所处的时期和生理功能的不同而表现在形态上的差异。关于染色体的内部结构和染色体与染色质之间的变化过程，以及染色体中的DNA分子与蛋白质分子之间的关系和相互作用等问题，直到20世纪70年代初期核小体的发现才得到较为完整的解答。

第一节动物染色体的数目和形态特征

在生物界中，每个物种的染色体都有其特定的数目和形态特征，了解物种染色体的数目和形态特征对于研究物种的起源、演化和分类，鉴别染色体的来源，以及开展基因定位和绘制遗传图谱都具有重要的意义。

一、染色体的数目

同一物种内不同个体间的染色体数目是相对恒定的，高等动、植物体细胞的染色体大多是成对的，在性细胞中总是成单的，故在染色体数目上，体细胞是性细胞的1倍，通常分别用2n和n表示。例如，猪2n=38，n=19；普通牛2n=60，n=30；山羊2n=60，n=30；人类2n=46，n=23；等等。

不同物种的染色体数目差别很大，例如，线虫类的一种马蛔虫(Ascaris sp.)变种只有1对染色体(n=1)；而另一种蝴蝶(Lysandra)可达191对染色体(n=191)；在某些植物中，如真蕨纲瓶尔小草属(Ophioglossum)的染色体数目甚至可多达510对(n=510)；哺乳动物的染色体数目一般在10～30对之间(n=10～30)(表２—１)。染色体数目的多少与该物种的进化程度一般并无关系，某些低等生物的染色体可比高等生物多许多，或者相反。但是染色体的数目和形态特征对于鉴别系统发育过程中物种间的亲缘关系，常具有重要意义。

表2—1 动物的染色体数目

二、染色体的形态

染色体的形态标志主要有染色体长度、着丝粒、次缢痕、随体等，其中以染色体的长度和着丝粒的位置最为重要。

1.染色体形态分析的参数

①绝对长度

绝对长度(absolutely length)是指每一条染色体的长度(以毫米为单位)与放大倍数之比。

②相对长度

相对长度(relative length)是指单条染色体的长度占包括X染色体在内的单倍染色体总长度的百分比。即

相对长度=每条染色体长度/(单倍常染色体总长度+X染色体长度)×１００％ 由于染色体标本制备过程中，普遍应用药物或低温进行预处理，处理条件不同，染色体凝缩程度不同。因此，各研究者所测得的同一物种的染色体绝对长度往往差异较大，但所计算出的相对长度则较为一致，有利于进行比较分析。相对长度反映的是每一物种的染色体长度变异范围。

③臂比指数

臂比指数(arm index)是指染色体的长臂长度与短臂长度的比率。即 臂比指数=长臂长度/短臂长度

④着丝粒指数

着丝粒指数(centromere index)是指短臂长度占整个染色体长度的百分比。即

着丝粒指数=(短臂长度/染色体全长)×100%

臂比指数和着丝粒指数反映了着丝粒的相对位置，按Levan(1964)的划分标准，根据臂比指数和着丝粒指数的不同，可将染色体分为4类，见表2—2。

表2—2 染色体划分

⑤染色体臂数

染色体臂数(NF)的多少是根据着丝粒位置来确定的，着丝粒位于染色体中部或近中部，其臂数为2个；若着丝粒位于染色体端部，则染色体臂数为1个。

2.染色体的大小

对于染色体大小的测量，由于有丝分裂中期的染色体其大小比较稳

定，可反映出染色体大小的实际差异。因此，通常以测量有丝分裂中期的染色体为主。而染色体大小主要指长度而言，在直径或宽度上同一物种的染色体大致是相同的。一般染色体长度变动在0.5～30um之间；直径变动在0.2～3um之间。

不同生物种类之间的染色体大小差别很大，一般来讲动物的染色体比植物的小，在动物中以两栖类染色体最大；染色体数目愈少，染色体长度就愈长。同种生物的染色体长度差别不大，但也有例外，如黑腹果蝇的4号染色体长度只有0.2um，而3号染色体为2.8um；家鸡、火鸡、鸭和鸽子等，除了较长的染色体之外，还有几乎无法决定数目的小型染色体；普通牛最长的1号染色体的长度相当于Y染色体的2～3倍；猪的1号染色体长度相当于Y染色体的4～5倍等等。

同一个体不同组织细胞的染色体长短，在有些物种中也有很大差异。例如，果蝇神经细胞染色体比性腺细胞染色体大得多；唾腺染色体往往数十倍于其它细胞的中期染色体，而且是由多条染色线所组成。不过各条染色体的相对长度仍旧是比较恒定的。

染色体的大小与这个染色体所含基因的数目并不成比例。黑腹果蝇的3条大染色体的基因数目似乎与其长度成正比，但是比X染色体长一些的Y染色体几乎全部由异染色质组成，只有少数几个基因。牛中29号染色体和Y染色体大小几乎相似，但29号染色体上的基因数要多得多。因此，染色体的大小并不是它的基因含量的指标，这种大小的差异

可能与染色体紧缩的程度有关。

已知有一些外界环境条件对染色体的大小也有一定的影响。一些化学药品，如秋水仙碱和对二氯苯等对染色体有缩短作用，在低温条件下细胞分裂形成的染色体，往往比高温条件下细胞分裂产生的染色体显得短而紧实。两次细胞分裂的间期长时，其形成的染色体比连续、快速进行细胞分裂的染色体要长一些。

3.着丝粒

着丝粒(centromere)是大多数染色体最显著的形态特征之一。它是指染色体上一个没有发生卷曲、直径较小和染色较淡的透明缢缩区域，是纺锤丝着生处。在着丝粒两侧的染色体部分称为染色体臂，臂着色深、粗厚，将着丝粒区明显地显现出来。在功能上，着丝粒是控制染色体运动的器官，因为纺锤丝只与着丝粒联结。不带着丝粒的染色体在细胞分裂中不能到达赤道板，后期就会落后于其他染色体的行动而消失在细胞质中。

一般每条染色体只有一个着丝粒，着丝粒在染色体上的位置也比较恒定。但各条染色体之间的着丝粒位置则不同。根据它在染色体上所处的位置，可将染色体分为几种类型：①中部着丝粒染色体。着丝粒位于染色体的中部，使两个染色体臂的长度大致相等，染色体呈现V形；②近中部着丝粒染色体。着丝粒位置靠近中部，但与两端距离不等，使染

色体的两臂具有明显不相等的长度，呈现L形；③近端着丝粒染色体。着丝粒位置靠近染色体的一端，使染色体的一条臂很长，而另一条臂又很短，染色体呈现棒形；④端着丝粒染色体。着丝粒位于染色体端部，形成只有一个染色体臂的染色体，呈现棒形；不过是否有真正的端着丝粒染色体在学术界还有不小的争论。

着丝粒对基因的交换有重要的影响，对易位体所作的研究表明，靠近着丝粒附近基因的交换率显著小于远离着丝粒的基因之间的交换率。 在某些生物中，染色体上着丝粒的位置并不固定在某一特定区域；有的染色体可以有两上以上的着丝粒，故被称为多着丝粒(polycentromere)染色体。如线虫类的蛔虫、异翅目和半翅目的昆虫、植物中的杨梅等，在整条染色体上都有着丝粒分布，称为分散型着丝粒(holocentromere)。具有分散型着丝粒的染色体，在细胞分裂中期，与赤道板平行排列，到了后期，染色体也平行地向两极移动。当用X-射线处理，使染色体断裂成许多片段时，则无论片段大小，分裂后期都能有规律地分向两极，并在许多细胞周期中保持其正常性。

在一般情况下，着丝粒都是随着染色体的分裂而进行纵向分裂。但在某些情况下，着丝粒可以发生横向分裂或错分裂，形成两个新着丝粒；每个新着丝粒都是原着丝粒的一部分，各自连接两条姐妹染色单体。由错分裂产生的两个顶端着丝粒染色体是不稳定的，会很快形成两条等臂染色体，可见它们的着丝粒都是有功能的，说明着丝粒并不是一个不可

分割的整体，而是一个复合结构。1969年，Hoskins运用显微操作技术和电镜研究有丝分裂中期的染色体着丝粒后，提出了着丝粒的亚显微结构模型。根据这一模型，中期染色体的两条染色单体依靠两个半球形的基质(matrix)在中心粒区相互结合在一起，基质的基部彼此相连。每条染色体两臂的染色线都穿过基质，直径为500?，每个基质上附着有两条纺锤丝纤维束，纤维束在与基质的连接处膨大，称为纺锤小球(spindle spherule)。

4.次缢痕和随体

在生物染色体中，通常有一对至几对染色体除着丝粒以外还具有一个染色较淡、不发生卷曲的区域，这个区域称为次缢痕(secondary constriction)。细胞分裂前期，次缢痕和核仁(nucleolus)相连，进入中期后，核仁消失，次缢痕在染色体臂上呈透明状缢缩区。一般而言，生物形成核仁的数目与具有次缢痕染色体的数目相关。由于核仁能够融合，所以具有次缢痕的染色体数是形成最大限度的核仁数。

次缢痕经常出现在靠近染色体末端部分的地方，缢痕以外的染色体部分很小，称为随体(satellite)。其大小因不同物种而异，常常由异染色质所组成，具有高度重复的DNA序列。这种随体DNA可以和着丝粒区异染色质DNA进行杂交，说明它们在性质上是一致的。

5.染色粒

在有丝分裂和减数分裂的前期，尤其是粗线期，染色体表现出线状分化，染色质聚集成大大小小的颗粒，称为染色粒(chromomere)。染色粒与染色粒之间着色较浅的区域称为染色粒间期(interchromomere)。染色粒在染色体上的分布并不是随机的，每一条染色体上染色粒的位置、大小和多少在特定的细胞分裂阶段具有相对的恒定性，因而可以作为识别染色体的形态学标志。现在一般认为，染色粒是染色体上连续DNA丝的局部螺旋化而产生的结构。它是染色体上重复DNA序列密集的区域。当DNA丝螺旋化成为高度浓缩状态时，表明这段DNA丧失了转录活性，相反，当螺旋松开，DNA丝充分伸长，形成环状时，这段DNA在进行转录RNA。

6.端粒

端粒(telomere)是指染色体端部的一种增大了的特化染色粒。它不一定有明确的形态特征，只对染色体起到封口作用，使DNA序列终止。如果用X-射线照射使染色体断裂，断裂片能重新融合，但不能与染色体末端融合；而染色体末端之间也不能彼此相互融合，这就是端粒使染色体带有极性的结果。

端粒无法插入到染色体臂的中间，端粒的缺失就会损害染色体的正常功能。

第二节染色体的分子组成

染色体是由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量的RNA构成的复合体。在真核生物的染色体中，DNA约占27%，组蛋白和非组蛋白占66%，RNA 占6%。但不同生物染色体的分子组成的比率略有差异(表2—3)。DNA属生物大分子，一条染色(单)体中的DNA只是一个DNA分子。例如，牛体细胞中的60条染色体就是60个DNA大分子。

表2—3 不同动物染色体的分子组成

一、DNA

染色体中的DNA根据两条链旋转方向的不同，可分为右旋DNA和左旋DNA两种。右旋DNA又可根据螺旋类型分为A、B、C、D、E 5种类型，其中以B-DNA为主，左旋DNA又称为Z-DNA(表2—4)

表2—4 不同类型DNA的特性

二、组蛋白

组蛋白(histone)仅存在于真核细胞中，原核细胞中没有组蛋白。它是所有真核生物的体细胞中与DNA联结的碱性蛋白质。

1.组蛋白的种类和特点

组蛋白是带正电荷，富含赖氨酸和精氨酸的碱性蛋白质，分子量为10 000～20 000。根据组蛋白中含有赖氨酸与精氨酸的不同比率，组蛋白可分为H１、H2a、H2b、H３和H4 5类(表2—5)。

表2—5 组蛋白的种类和特点

以上5种组蛋白的共同特点是：碱性氨基酸的含量在20%以上，不含有色氨酸。碱性氨基酸主要分布于组蛋白的N端区域，使该区域的净电荷多。而酸性氨基酸和疏水氨基酸多数分布于组蛋白C端区域。核酸可视为带有大量负电荷的大分子，因此，依靠范德华引力，组蛋白的N 端区域与DNA链的负电荷结合，而C端区域与其他组蛋白、非组蛋白或DNA的疏水区相结合。

2.组蛋白的作用

在成年动物的不同组织和细胞中，组蛋白的含量是相对恒定的。同时组蛋白的合成时期和DNA复制都是在细胞周期中的DNA合成期同时合成的。这些预示了组蛋白在细胞中具有重要的作用。

组蛋白与DNA的比率影响着染色体的活动和功能。当组蛋白在细胞质中合成后，转移到细胞核里立即与DNA结合时，会影响RNA的转录。因此，认为组蛋白具有在转录水平上调节基因活动的能力。

Kayne(1988)、Fisher-Adams(1995)等发现，H４ N-末端的缺失可以解除酵母沉默交配位点(silent mating loci)HMLα和HMRa的抑制作用，使邻近酵母β2启动子位置的核小体解体。H４末端的Lys16、Arg17、His18、Arg19等4个带正电荷氨基酸残基中的一个被甘氨酸代替，可

使交配频率降低5 000倍。H３和Ｈ４的氨基末端对酵母端粒区沉默也有重要作用，它们N-末端的缺失或一些氨基酸的替代可以解除端粒沉默(telomeric silencing)。H３和H４的N-末端对GAL1启动子也有重要的调节功能；H４组蛋白N-末端第4～23位氨基酸的缺失或该区段乙酰化位点的半胱氨酸残基(即第5、8、12和16位)被其他氨基酸替代，将降低GAL1启动子的活性；与此相反，H３组蛋白N-末端4～15位氨基酸区段的缺失和位于该区或邻近区域的半胱氨酸残基(即第9、14、18和23位)的替代，可以使GAL1启动子活性增加。

组蛋白N-末端乙酰化对染色质结构和基因表达调控有重要影响。Allfery等(1964)认为组蛋白N-末端半胱氨酸残基的乙酰化，可以作为染色质有转录活性的标志。组蛋白乙酰化减弱了染色质对DNA的限制，使核小体的构象发生变化，转录因子接近核小体的机会增加，因而对基因的转录是有利的。当组蛋白的乙酰化去除后，伴随着转录的关闭，同时，组蛋白的乙酰化程度又决定于乙酰化酶和去乙酰化酶的平衡。因此，Wolffe(1996)认为对某一特定基因而言，其转录与否决定于乙酰化酶和去乙酰化酶的比例。

三、非组蛋白

非组蛋白(non-histone)是细胞核中另一类重要的蛋白质，它带有负电荷，含有天门冬氨酸、谷氨酸等酸性氨基酸，故为酸性蛋白质。非

组蛋白是一类极其复杂的蛋白质，种类繁多，可达500余种，分子量约为15 000～100 000。非组蛋白的作用主要有：

1.维持染色体的形状

1977年Laemmli用肝素和硫酸葡萄糖处理Hela细胞中期染色体，把组蛋白去除后，在电镜下仍能看到一个维持中期染色体基本形状的支架，支架上可见许多环长为30～90Kb的DNA，环上无超螺旋结构。支架大多是由分子量超过50000的非组蛋白构成的，这说明这些非组蛋白对中期染色体的结构起稳定作用。

2.参与基因的表达调控

不解离的染色质经不同浓度三氯醋酸处理后，可得到HMG(high mobility group)和LMG(low mobility group)二类非组蛋白。其中HMG 蛋白含有25%的酸性氨基酸和25%的碱性氨基酸，并富含赖氨酸。Mathew 等(1979)从兔胸腺核小体上分离出HMG1，2，14，17等4种，证实了核小体含有非组蛋白。它们的含量仅为组蛋白的3%，其中HMG14，17结合于核小体的核心颗粒，而HMG1，2类似于组蛋白H１，参与维持染色体的高级结构。另一类非组蛋白是磷蛋白，位于核小体的连接丝DNA区域，它通过识别特定的DNA序列与DNA结合，有强烈的种属专一性，它能促进RNA转录，但它与DNA和H１的结合方式目前尚不清楚。

Douvas等(1975)从肝脏染色质中分离出肌动蛋白和肌球蛋白，分子量分别为45 000和200 000。二者可形成复合体，表现出与肌动蛋

白相同的ATP酶活性。肌动蛋白与从肌肉中分离出的肌球蛋白也能形成与上述相同的复合体和ATP酶活性。此外，染色体中还含有微管蛋白和原肌球蛋白。染色体中的微管蛋白用于与纺锤丝结合；依靠肌肉蛋白的相互作用使染色质凝聚，形成中期染色体并向两极移动。非组蛋白不仅具有种属专一性，而且还具有组织特异性，这说明它与基因的选择性表达有关。Chytil和Spelsberg(1971)在pH为6时，以5M尿素和2M NaCl 处理鸡输卵管染色质，除去全部组蛋白，用剩下的DNA-非组蛋白复合物制成抗血清。这种抗血清可与输卵管的DNA-非组蛋白复合物百分之百结合，但与肝、脾染色质的复合物只能产生20%的反应。SDS聚丙稀酰胺电泳结果也证明，与DNA结合紧密的非组蛋白在鼠的肝、肾、肺、胸腺、甲状腺、脑等各种组织中存在明显的差异，而与DNA结合松弛的非组蛋白则基本相似。

四、染色体RNA

所有分离的染色质都含有RNA，这是无疑的，RNA数量占DNA的1%～3%。但是否是染色质的固有成分，还是转录或分离过程中RNA的污染，直到现在，还是一个争论的问题。

Huang和Bonner(1965)首次在豌豆芽染色质中发现了一种独特的，与染色质组蛋白相复合的RNA，称为染色体RNA(chromosome RNA)。其后在鼠肝、鸡胚等各种动植物组织中分离出类似的RNA。这种RNA与

rRNA、tRNA不同，其主链长40～60个核苷酸，沉降系数为3.2S，二氢嘧啶含量高达11.3%，而rRNA和tRNA仅为1%和3.1%。该种RNA与同源的DNA能高度杂交，呈现明显的组织特异性。Bonner(1968)推测这种染色体RNA可能是等价地结合到组蛋白上，起着调节基因表达的作用。Huang等(1972)的染色质重建实验也证明了染色体RNA对基因调控有作用。

第三节染色体的结构

由于基因排列在染色体上，染色体是遗传物质的载体，因此有关染色体的结构以及染色体结构与基因排列和基因表达调控的关系，长期以来是遗传学家、细胞学家、生物化学家和分子生物学家所关注的问题。尽管人们对染色体结构的研究已有上百年的历史，但一直没有得到很好的解决。20世纪70年代初期核小体的发现使染色体结构的研究有了坚实的基础，同时也促进了染色体功能的研究。现已查明，核小体是染色质的基本结构单位，从DNA到染色体是通过几个等级的螺旋压缩实现的。

一、染色质的一级结构——核小体

Olins等(1973，1974)把鼠肝、鼠胸腺和鸡血球的间期核在水中分

散，用甲醛固定破裂的核，在电镜下观察染色质；发现细纤维连着球状小体，即将此小体称为钮体，并提出了串珠模型。钮体在干燥状态下为60～80?，在水合状态下约90 ?；钮体间连接的细纤维直径为15?，大体上相当于干燥状态的DNA。随后Olins分离出单个的钮体，分析后发现钮体的分子量约30万，其中DNA的分子量为14万，蛋白质和DNA 的数量比约为1.22。后来Chambon等(1975)在染色质中也发现了同样的单位构造。他们将多种组织细胞核中的染色质用0.7NaCl处理，得到去掉H１的染色质，用电镜观察，看到直径为125 ?的粒子由直径为15～20 ?的纤维连接着，于是将它命名为核小体(nucleosome)。

现在认为染色质是由许多核小体(nucleosome)串联而成，每个核小体可以区分为核心颗粒和连接丝两部分。核心颗粒含有一个由H２a、H2b、H３和H４各两个分子组蛋白所组成的八聚体，外面绕以140bp的DNA。而连接丝则主要包括20～100bp长短不等的DNA、组蛋白H１和一些非组蛋白(简称NHC蛋白)。如此多个核小体串联成染色质纤维(图2—1)，从DNA 到核小体，DNA长度在核小体这个等级上压缩了7倍。

对核小体核心颗粒的结构是从不同的角度进行研究的，目前对其形态和5种组蛋白的氨基酸组成已经比较清楚。但对它的内部结构还有许多不明确的地方，为了研究4种组蛋白在核心颗粒中的排列方式，用某些交联剂处理染色质或提纯核心体，然后用电泳法分离出组蛋白的寡聚体，结果发现有H2b与H４、H2a与H２b、H３和H４等三种排列方式。

因此，在核小体中组蛋白的连接顺序应为H２a—H2b—H４—H３，基于这些观察，学者们提出了多种结构模型。

1.Kornberg模型

该模型是由Kornberg于1974年提出，1997年又做了补充(图2—2)。其要点如下：

①染色质纤维是由许多核小体(nucleosome)重复串联而成，每个核小体由核心颗粒(core particle)与连结区两部份组成。

②每个核心颗粒由H2a、H2b、Ｈ３、H４各两个分子的八聚体组蛋白核心和140bp的DNA组成。

③连结区的DNA长度为15～100bp，并与组蛋白H１相结合。

④DNA按某种至今尚未肯定的方式缠绕于八聚体周围，形成了一个直径约为100?的近似球型的颗粒。这些颗粒沿染色质纤维长轴紧密地排列。

上述Kornberg模型有三个特点：①Kornberg认为按照用X光衍射晶体法测定的所有分子量为10 000～20 000的组蛋白的结构来推论，组蛋白应该是球形的；②核小体在结构上是致密的，即核心颗粒和连结区DNA都是卷曲折叠的；③连结区不是伸展的，对核酸酶很敏感。

2.Weintraub模型

Weintraub等于1976年提出了核小体的动态结构模型(图2—3)。按

此模型，每个组蛋白八聚体核心是由两个环状异型四聚体H２a—H３—H４—H2b 构成。每个四聚体含H２a、H2b、H３、H４各一个分子，这样的四聚体与所联结的DNA在一起构成对称的核小体单体，称之为半核小体(half nucleosome)。因此，每个核小体由两个半核小体组成，形成二元轴结构。

在一定条件下，核小体中的两个半核小体可以呈松缓状态，甚至伸展状态，也可以互相紧密结合在一起。他们认为，这种动态变化对于染色体复制、基因表达等染色质功能的实现是非常重要的。

3.Finch模型

Finch等(1977)用电镜和X-射线衍射技术研究了核小体核心的结晶，进一步发展了Kornberg模型，认为：

①核小体核心并不呈圆球形，而是比较近似一个短的圆柱体，即110?×110?×57?的扁圆形球体。DNA长度为146bp，左向盘绕组蛋白八聚体大约1.75圈，间距28 ?，旋转直径110 ? (图2—4)。

②核小体的核粒之间的连接丝变动于20～100bp之间，因此每个亚单位的DNA总长度为166～246bp。

③与Weintraub模型一样，核小体沿其短轴分为对称的两半，即由两个半核小体组成。