1、第一章 遗传的细胞学基础F第一章遗传的细胞学基础细胞（cell）是生物体形态结构和生命活动的基本单位。在生物生长与发育、繁殖，遗传与变异、适应与进化等重要的生命活动均以细胞为基础。所以，研究生物遗传和变异的规律及其机理，必须首先了解细胞的结构和功能、细胞的繁殖方式及其与遗传的关系。第一节细胞的结构和功能地球上，具有独立生命活动的所有生物均由一个或多个细胞组成。每种细胞具有一定的结构，但在结构和组成上，不同生物存在差异。根据细胞结构的复杂程度，可把生物界的细胞概分为两类：一类是结构较简单的原核细胞（prokaryotic cell），只有拟核而没有细胞核和细胞器；另一类是结构复杂的真核细胞（eu
2、karyotic cell），细胞内具有细胞核和细胞器。一、原核细胞原核细胞一般都比较小，结构较简单，主要由细胞壁（cell wall）、细胞膜（plasma membrane）、细胞质（cytoplasma）和拟核（nucleoid）构成（图1-1）。图1-1原核细胞的结构（引自Russell，2000）细胞壁是原核细胞外面起保护作用部分，成分主要是肽葡聚糖（peptidoglycan），肽葡聚糖是原核生物细胞壁所特有的化学物质。细胞膜细胞壁内为细胞膜，其组成和结构与真核细胞相似。细胞质细胞膜内为DNA、RNA、蛋白质及其他小分子物质构成的细胞质。原核细胞的细胞质内不存在线粒体（mitoch
3、ondria）、叶绿体（chloroplast）等有膜的细胞器（organelle）。细胞质内没有分隔，是个有机的整体，也没有任何内部支持结构，主要靠其坚韧的细胞壁来维持其形状。拟核原核细胞内没有真正的细胞核，遗传物质DNA在细胞质中聚集形成存浓稠区域，无外膜包裹，称拟核。具有原核细胞的生物，统称为原核生物（prokaryote）。各种细菌、放线菌、蓝藻和原绿藻等低等生物属于这一类。二、真核细胞真核生物是由原核生物演化而来，其细胞结构和功能比原核细胞复杂。真核细胞一般比原核细胞大，其核物质被核膜包被在细胞核里。除此外还含有线粒体、叶绿体、内质网等各种具膜细胞器。所有的高等植物、动物，以及单细胞
4、藻类、真菌和原生动物等都具有真核细胞结构，统称为真核生物（eukaryote）。尽管真核细胞形态和功能各不相同，但有一些共同特点（图1-2，图1-3）。例如，所有的真核细胞都由细胞膜与外界隔离；细胞内有各种有膜细胞器以及起支持作用的细胞骨架（cytoskeleton）；细胞内具有细胞核。此外，植物细胞还有细胞壁。植物细胞动物细胞图1-2植物细胞和动物细胞的结构图1-3真核细胞的结构组成尽管真核生物的细胞比较复杂，其中的各种细胞器行使着各自不同的生命活动（表1-1），如线粒体主要行使氧化呼吸作用，叶绿体主要行使光合作用。但在遗传上起主要作用的物质是细胞核中的染色质（chromatin），在细胞分
5、裂期中称染色体（chromosome），染色体是细胞中遗传物质的主要载体，对细胞发育和性状遗传起着主导作用。表1-1真核细胞组成、结构特点与功能细胞组成形态特征主要功能细胞壁植物细胞所特有的结构，主要由纤维素、果胶质和半纤维素构成。动物细胞无细胞壁。支持和保护其中的原生质体细胞膜包被细胞内原生质的薄膜，主要由蛋白质和磷脂组成。选择地通透某些物质、信息传递、能量转换、代谢调控、细胞识别和癌变等，具有重要的作用。细胞质线粒体叶绿体内质网液泡高尔基体溶酶体核糖体中心体细胞骨架细胞膜内环绕着细胞核外围的原生质胶体溶液，内含许多蛋白质分子、脂肪、溶解在内的氨基酸分子和电解质等，直径为0.51.0m，长度
6、为13m。由内外两层膜组成，外膜光滑，内膜向内回旋折叠，形成许多横隔。绿色植物细胞中所特有的一种细胞器。形状有盘状、球状、棒状和泡状等。一般直径为510m。有双层膜，由内膜的折叠形成叶绿素基粒。单层膜相结构，好像布满在细胞质里的管道，把质膜和核膜连成一个完整的体系，为细胞空间提供了支架作用。在形态上呈管状、囊腔状或小泡状。由膜包被的细胞器。分散于整个细胞中，由一系列扁平的囊和小泡组成。是将各种水解酶如蛋白酶、脂酶、核酸酶等用膜包裹起来的囊泡。大约由40的蛋白质和60的RNA组成的微小细胞器，游离在细胞质中或核里或附着在内质网上。是动物和某些藻类及裸子植物特有的细胞器。其中含有一对由微管蛋白组成
7、的中心粒（centriole）。包括由微管蛋白组成的微管，由肌动蛋白和肌球蛋白组成的微丝和中间纤维。各种细胞器及蛋白纤丝组成的细胞骨架分布的场所。细胞多种代谢活动在此进行。含有多种氧化酶，进行氧化磷酸化，传递和储存所产生的能量；含DNA，是遗传物质载体之一。含有叶绿素和类胡萝卜素等色素，主要功能是光合作用。含有DNA、RNA及核糖体等，能够合成蛋白质。是遗传物质的载体之一。有两种类型，外面附有核糖体的，称为粗糙型内质网（rER），是蛋白质合成的主要场所。不附着核糖体的，称平滑内质网（sER），可能与某些激素合成有关。储存水和新陈代谢产物。是细胞分泌物的最后加工和包装的场所。帮助消化细胞内的细菌
8、和其他外来颗粒以及细胞中受到损伤或失去功能的细胞结构碎片。是合成蛋白质的主要场所。与细胞分裂过程中纺锤丝的形成有关，在细胞分裂时形成纺锤体的两极。可以使细胞形状稳定，使细胞质组织化，并且能进行细胞运动和物质运输。细胞核一般为圆球形，小的不到1m，大的可达600m；一般为525m。由核膜、核仁、核基质和染色质4部分组成。是遗传物质集聚的主要场所，通过其遗传物质（DNA）对细胞发育和性状遗传起着主导作用。第二节染色体一、染色质与染色体染色质是指间期细胞核内能被碱性染料所染色的物质，它是年由费莱明（Flemming W，1882）提出，并由瓦德叶（Waldeyer W 1888）正式定名的名词。是核
9、内遗传物质的存在形式，是由DNA、组蛋白、非组蛋白以及少量的RNA所组成的一种复合体。在间期，染色质呈纤细状，故又称染色质线（chromatin fiber），其宽度约为10nm，包含一条DNA分子。在细胞分裂期，染色质卷缩成具有一定形态、结构和被碱性染料染色很深的物质，称为染色体。它是遗传信息的主要载体。因此，染色质和染色体是同一种物质在细胞周期中不同时期的两种表现形态。染色质根据对碱性染料反应的差异，可分为常染色质（euchromatin）和异染色质（heterochromatin）。常染色质是指间期细胞核内染色质线中染色很浅，而在细胞分裂的中期和后期这部分染色又很深的区段，是染色质中转录
10、活跃部位。异染色质是指间期细胞核内染色质线中染色很深，而在细胞分裂的中期和后期又染色很浅或不染色的区段。异染色质在间期核中处于凝缩状态，无转录活性，也叫非活动染色质（inactive chromatin），在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩。常染色质和异染色质在化学性质上并没有什么差异，二者在结构上是连续的，只是核酸的紧缩程度及含量上的不同。在同一染色体上由于螺旋化程度的不同而表现不同染色反应称为异固缩（heteropycnosis）现象。染色质的这种结构与功能密切相关，常染色质可经转录表现出活跃的遗传功能，而异染色质一般不编码蛋白质，只对维持染色体结构的完整性起作用。异染色质又可分为组成性异染
11、色质（constitutive heterochromatin）和兼性或功能性异染色质（facultative heterochromatin）。组成性异染色质主要是由4-6个核苷酸对的卫星DNA，构成染色质的特殊区域，如着丝粒部位等，一般无表达功能，只与染色体的结构有关；兼性异染色质可以存在于染色体的任何部位，它可以在某类细胞或个体内表达，而在另一类细胞或个体内不表达。如雌性脯乳动物的X染色体就为兼性异染色质。对某个雌性动物来说，其中一条X染色体表现为异染色质而完全不表达其功能，而当其位于雄性动物中，表现为功能活跃的常染色质。染色体（或染色质）在细胞中具有特定的形态和数目，有自我复制的能力，
12、并积极参与细胞代谢活动，表现出连续而有规律的变化，在控制生物性状的遗传和变异上有着极其重要的作用。遗传学中通常把控制生物性状的遗传单位叫做基因（gene），遗传学已证明基因按一定顺序排列在染色体上。因此染色体是生物遗传物质的主要载体。二、染色体的形态在细胞分裂的间期，染色体呈松散状态分散于细胞核中，一般只看到染色较深的染色质。只有在细胞分裂过程中，染色体的各种形态特征才能表现出来，其中以细胞分裂中期染色体由于收缩到最粗最短，表现最为明显和典型。从细胞的极面上观察，可以看到染色体分散地排列在赤道板上，因此一般所说的染色体的形态都是指这一时期所观察到的形态。在光学显微镜下，细胞分裂中期（图1-4）
13、的每个染色体都有一个着丝粒（centromere）和被着丝粒隔离开的两个臂（arm）。在细胞分裂时，纺锤丝（spindle fiber）就附着在着丝粒区域，这就是通常所称的着丝点（spillde fiber attachment）。染色体被染色时，两个臂被染色而着丝点不着色，犹如发生凹陷一样，于是着丝点所在的区域又称主缢痕（primary constriction）。除了主缢痕外，在某些染色体的上还有一个或数个较细的缢缩区域，称为次缢痕（secondary constriction）。染色体的次溢痕具有组成核仁的功能，故称为核仁组织中心（nucleolar organizer）。某些染色体的次
14、缢痕末端形成一个圆形或略呈长形的突出体，称为随体（satellite），由染色较深的异染色质构成，一般不具有活性。由于每个染色体长短、大小以及主缢痕、次缢痕、随体等都不同，因而可以在显微镜下把它们区分出来。根据着丝点的位置可以将染色体按其形态分为不同的类型，如果着丝点位于染色体的中间，两臂大致等长，称为中间着丝点染色体（metacentric chromosome），在细胞分裂后期当染色体向两极牵引时表现为V形。如果着丝点离染色体的一端较近，形成为一个长臂和一个短臂，称为近中着丝点染色体（sub-metacentric chromosome），分裂后期表现为L形。若着丝点靠近染色体末端，称为近
15、端着丝点染色体（acrocentric chromosome），有一个长臂和一个极短的臂，近似于棒状。若着丝点位于染色体末端，称为顶端着丝点染色体（telocentric chromosome），由于只有一个臂，故亦呈棒状。此外，某些染色体的两臂都极其粗短，则呈颗粒状（图1-5）。图1-4中期染色体形态1.长臂2.主缢痕3.着丝点4.短臂5.次缢痕6.随体图1-5后期染色体形态1.V形染色体2.L形染色体3.棒状染色体4.粒状染色体在生物的体细胞内，具有同一种形态特征的染色体通常成对存在。这种形态和结构相同的一对染色体，称为同源染色体（homologous chromosome）。同源染色体不
16、仅形态和结构相同，而且它们所含的基因位点也往往相同。一对同源染色体与另一对形态结构不同的染色体之间，则互称为非同源染色体（non-homologous chromosome）。如玉米共有10对染色体，形态相同的每一对染色体相互之间称为同源染色体，而这10对同源染色体彼此之间又互称为非同源染色体。又如果蝇有4对染色体，这4对染色体之间就彼此互称为非同源染色体。表1-2水稻和玉米在减数分裂的粗线期染色体的长度染色体编号水稻*玉米*全长（m）长臂/短臂全长（m）长臂/短臂12345678910111279.047.547.038.530.527.526.523.021.021.020.518.01.
17、722.161.232.082.054.001.031.703.206.001.563.0082.4066.5062.0058.7859.8248.7346.7847.4843.2436.931.301.252.001.601.107.102.803.201.802.80*引用Shastry SVS et al 1960，*引用Longle AE 1939在细胞遗传学上可根据各对染色体的长度、着丝点的位置、长短臂之比、次缢痕的位置、随体的有无等形态特征予以分类和编号，以便识别和研究。这种对生物细胞核内全部染色体的形态特征所进行的分析，称为核型分析（analysis of karyotype）。
18、例如，水稻的12对染色体和玉米的10对染色体的核型分析（表1-2）。再如，人类有23对染色体，根据各对染色体的形态特征及其染色的显带表现，把它们统一地划分为7组（A、BG），分别予以编号（图1-6，图1-7，表1-3）。染色体的核型分析现已在医学上和动植物育种中得到了广泛的应用。在医学上，已作为一种常规的化验项目，用来诊断染色体异常而引起的遗传性疾病。在动植物育种中鉴定物种中特定的染色体，以及杂交后代究竞是真杂种还是假杂种等方面，具有重要的理论和实用意义。图1-6女性染色体C带核型（引自）图1-7男性染色体核型（引自）表1-3人类染色体的核型分析类别染色体编号染色体长度着丝点位置随体ABCDE
19、FG1345612，X1315161819202122，Y最长长较长中较短短最短中间，近中近中近中近端中间，近中中间近端无无无有无无有三、染色体的组成及分子结构前已介绍，生物的遗传物质为DNA（或RNA），它们是由核苷酸组成的长链分子。大量的观察和证据表明，DNA（或RNA）分子以单独或与蛋白质等物质有机结合，形成一定的空间结构，成为在生物细胞分裂期显微镜下可见的染色体。（一）原核生物染色体原核生物染色体的分子结构较为简单，通常只有一个核酸（DNA或RNA）分子，单链或双链，线状或环状。如噬菌体X174的染色体是单链DNA，表现为环状；噬菌体的DNA在侵染前是双链线状，一旦侵染寄主则变为闭合环
20、状；细菌如大肠杆菌为环形双链（图1-8）。近年研究发现，原核生物的染色体并不是像以前人们认为的那样是“裸露”的DNA分子，例如大肠杆菌的DNA分子同样与蛋白质和RNA等其他分子结合。这种蛋白称为DNA结合蛋白（DNA-banding protein）。它们的分子量较小，但数量多，其特性与真核生物的组蛋白（histone）类似。原核生物的染色体很小，其DNA 分子伸展长度比其本身大很多。例如噬菌体DNA长度有17m，而其染色体存在的蛋白质头部直径只有0.1m。因此要把超长的DNA分子包装在狭小的空间里，必须经过压缩或折叠。大肠杆菌的DNA分子伸展时有1200m，而细菌直径只有12m。大肠杆菌的D
21、NA分子首先折叠形成平均为大约50个环（范围为1280）的结构，RNA分子位于环的基部，再进一步构成超螺旋（图1-9），每个超螺旋包含大约400个核苷酸对，不仅使其DNA分子缩短了上千倍，而且还能正常的复制和进行基因转录。但值得指出的是，对于像病毒这样依赖于寄主繁殖的低等生物，其DNA分子一旦压缩后，将会表现功能上的惰性，与大肠杆菌的DNA折叠后还能复制与转录明显不同。 图1-8大肠杆菌的染色体 图1-9原核生物染色体结构模型（引自Gene 8e）（引自Klug and Cummings, 2002）（二）真核生物染色体与原核生物相比，真核生物的染色体要复杂得多。它是由脱氧核糖核酸（DNA）和
22、蛋白质及少量的核糖核酸（RNA）组成的复合物。染色体中DNA含量约占其重量的33%。蛋白质包含组蛋白和非组蛋白二类。组蛋白有H1、H2A、H2B、H3和H4等五种，它们都为碱性蛋白，富含精氨酸或赖氨酸。除H1蛋白的氨基酸变化较大外，其余4种组蛋白都非常保守，如海胆组织H3的氨基酸序列与小牛胸腺的H3氨基酸序列间只有一个氨基酸的差异；小牛胸腺的H3氨基酸序列与豌豆的H3氨基酸序列也只有4个氨基酸的不同。组蛋白对染色质（体）结构的稳定有非常重要的作用。非组蛋白是另一类主要含有带负电荷的酸性氨基酸如天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）组成的蛋白质，是一类不均一的蛋白质，种类繁多。它与组蛋白不同，具有
23、组织的种属的特异性，在不同细胞间变化较大，可能与基因的表达和调控有关。1. 染色质的基本结构1974年，柯恩柏格（Kornberg）通过大量的研究工作提出了染色质结构的念珠模型（beads on a string），并得到奥林思（Olins DE）等人用电镜观察鸡红细胞核染色质结果的支持（图1-10）。该模型认为，染色质的基本结构，也称为一级结构，是由一系列核小体（nucleosome）通过连接丝（linker）相互连接而成的念珠状。核小体的直径约为10nm，是由200个左右的DNA双螺旋碱基对与一个近似于扁球状的组蛋白八聚体和一个分子的组蛋白H1所组成。八聚体各含两个分子的H2A、H2B、H
24、3和H4 4种组蛋白，图1-10鸡红细胞核染色质的电镜图 （引自Klug and& Cummings, 2002）DNA在八聚体上缠绕1.75圈，约146bp，形成核心DNA（core DNA），组蛋白H1结合于DNA双螺旋的出口和入口，起结构的稳定作用，刚好使DNA双螺旋缠绕两圈，约为165bp（图1-11a），其余碱基对则为连接丝，长度变化较大，从8bp到114bp，平均为35bp，因此一个核小体和连接丝大约包含200bp。由于每两个碱基对在双螺旋中的距离为0.34nm，因此DNA双螺旋的长度缩短约7倍。2. 染色体的高级结构在真核生物的有丝分裂中期可以观察到一条染色体是由两条染色单体（c
25、hromatid）组成。每条染色单体包括一条染色线（chromonema）以及位于线上的许多染色很深的颗粒状染色粒（chromomere）。染色粒的大小不同，在染色线上存在一定的排列顺序，一般认为它们是染色线反复盘绕卷缩而成的。现已证实染色体中每个染色单体是单线的，也既是说每条染色单体是一个DNA双螺旋分子与蛋白质结合形成的染色线。该染色线伸展时可达几毫米至几厘米，而事实上细胞有丝分裂中期的染色体长度一般介于零点几微米到几十个微米之间。因此染色体一定具有比染色线更高级的结构。1976年菲西（Finch JT）提出了螺旋管，即二级结构模型（solenoid model），并得到了电镜实验观察的证
26、明。该模型认为核小体长链在组蛋白H1的作用下螺旋化形成直径为30nm，呈中空的管状结构。每一周螺旋包括6个核小体，因此其长度缩短了6倍（图1-11b）。在螺旋管基础上，进一步卷缩形成DNA平均大小为80150kb的环，每一个环含有约40个螺旋管，称为超螺旋管（supersolenoid）或染色体的图1-11核小体形成染色体示意图（引自Klug and Cummings, 2002）三级结构，附着于由非组蛋白形成的支架（scaffold）（图1-11c）上面并进一步折叠约5次成为具一定形态的染色体（图1-11d）。因此由一个DNA双螺旋分子到染色体，总体长度缩短了800010000倍。3. 染色
27、体上三个重要部位的分子结构大量研究表明，真核生物中，染色体要实现正常的生物学功能，必须具备三个重要的结构部位，分别是着丝粒（centromere）、端粒（telomere）和复制起始点（replication origin），酵母人工染色体的成功构建充分证明了这一点。着丝粒是细胞分裂中纺锤丝（spindle fiber）与染色体结合的区域，牵引染色体在分裂后期正确地移向两极。因此着丝粒在细胞分裂中对染色体向子细胞的正确分配起着关键作用。缺少着丝粒的染色体断片，由于不能被纺锤丝牵引，极易在细胞分裂中丢失。近来对啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）着丝粒区域研究表明，该区域
28、在不同染色体间可以相互替换，对染色体的结构与功能没有明显影响。进一步分析发现，该区域大约由110bp的DNA序列组成，分为三个部分，两端为高度保守的侧翼序列，可能是与纺锤丝结合的识别位点，中间为8090bp的富含AT（A+T）90%的序列。端粒是染色体末端的特化结构，包括DNA和蛋白质。主要有三个方面的功能：维持染色体结构的完整性；保证染色体末端的完整复制；防止染色体末端与其他DNA分子的结合。对不同物种染色体的端粒结构分析发现，所有染色体的末端都存在着串联重复序列，尽管不同生物其串联重复序列存在差异，但都可以用一个通式表示：5-T1-4-A0-1G1-8-3。如人类为TTAGGG，原生动物嗜
29、热四膜虫为TTGGG，拟南芥为TTTAGGG。但这种保守序列的重复次数在不同生物、同一生物不同染色体、同一染色体在不同的发育时期也可能不同。复制起始点是控制生物在细胞分裂中染色体复制的位点。通过对细菌、酵母等的遗传分析发现，复制起点由245bp的DNA序列组成，富含AT碱基，这可能与复制起始时在起点处DNA双螺旋解螺旋有关。有两段保守的重复序列，第一个是复制开始时双螺旋两链分开，形成复制泡（replication bubble）的地方；第二个是与起始点结合的蛋白质复合物结合位点。在哺乳动物等高级生物中，没有鉴别出唯一的复制起点，推测它们的复制可能是由多位点起始。四、染色体的数目一个生物中染色体
30、数量的多少具有种属的特征。同种生物的染色体数目都是恒定的，而且在体细胞中是成对存在的，通常用2n表示体细胞中的染色体数目；而在性细胞中，染色体数目是其体细胞的一半，通常用n表示。例如，水稻体细胞中的染色体数目2n=24，性细胞中n=12；玉米体细胞中2n=20，性细胞中n=10；人类体细胞中2n=46，性细胞中n=23。根据同源染色体的概念，体细胞中成双的各对同源染色体实际上可以分成两套染色体。而在减数分裂以后，其雌雄性细胞将只存留一套染色体。这种具有两套染色体数目的细胞称为二倍体（diploid），而只具有其中一套染色体数目的细胞称为单倍体（haploid）。不同物种间的染色体数目往往差异很
31、大。例如，一种马蛔虫变种只有1对染色体（n1），某些扁虫只有2对染色体（n2），有种菊科植物（Haplopappus gracillis）也只有2对染色体，而多者可达数十对或百对以上染色体，如一种蝴蝶（Lysandra）为191对染色体（n191）；在瓶尔小草属（Ophioglossum）的一些植物物种含有400600对以上的染色体。虽然不同物种间的染色体数目差异很大，但是染色体数目的多少与该物种的进化程度一般并无关系，某些低等生物可能比高等生物具有更多的染色体。一些常见生物的染色体数目列于表1-6。五、染色体的特殊类型1. 多线染色体在双翅目摇蚊（Chironomus）和果蝇等幼虫的唾腺细胞中发现的巨型染色体（giant chromosome），也称唾腺染色体（salivary chromosome）就是典型的多线染色体（po
