第二章 遗传的染色体基础

遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）是以与蛋白质相结合成染色质的形式存在于间期细胞核中，它具有贮存遗传信息、准确地自我复制、转录和调控各种复杂的生命活动等功能。通过精卵生殖细胞的形成和受精，遗传物质又以染色体的形式由亲代传给子代。因此，生殖细胞是联系亲代与子代的桥梁，染色体是遗传物质的载体，是复杂的遗传与变异现象的细胞基础。

第一节 染色质和染色体

1882年Flemming将细胞核内易被碱性染料着色的物质称为染色质(chromatin)。电镜下，间期核内的染色质呈细微纤丝状，当细胞进入分裂时期，细微纤丝状的染色质经过盘绕折叠成高度凝集的染色体（chromosome）。因此，染色质和染色体是同一物质在细胞周期的不同时期不同形态结构表现。

一、染色质与染色体的化学组成和结构单位

(一)染色质的化学组成

通过对多种细胞的染色质进行分析，证明染色质的主要组成成分是DNA、组蛋白、非组蛋白和少量的RNA。DNA和组蛋白的含量比较稳定，非组蛋白和RNA的含量常随细胞生理状态的不同而改变。 1．DNA 生物体的遗传信息就蕴含于DNA分子的核苷酸序列之中。因此，DNA就是遗传信息的载体。DNA的结构性质稳定，不会因细胞的分化而丢失，在同种生物的各类细胞中其含量恒定，生殖细胞中DNA的含量是体细胞的一半。人类一个体细胞内的DNA重约7.0×10-8g，总长度约2m。一个基因组的DNA分子大约3×109个碱基对。

真核细胞的DNA总是和大量的蛋白质结合在一起以染色质或染色体的形式存在，每条染色单体只含一个DNA分子。这类DNA分子中含有单一序列（unique sequence）和重复序列（repetitive sequence），重复序列又按其重复程度分为中等重复序列和高度重复序列。

2．组蛋白（histone） 组蛋白是染色质中富含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸的蛋白质，带正电荷。根据其所含精氨酸和赖氨酸的比例不同而分为5种类型：即H1、H2A、H2B、H3、H4。除组蛋白H1外,其它四种组蛋白在进化过程中都是相当保守（H2A、H2B）和高度保守（H3、H4）。它们的含量和结构都很稳定，没有明显的种属和组织的特异性。

组蛋白为真核细胞所特有，其含量与DNA量相近，它们以静电

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引力与DNA紧密结合，维持染色质结构。组蛋白与DNA结合可抑制DNA的复制与转录，这是因为组蛋白阻止了DNA聚合酶进入染色质的复制起始部位。DNA与组蛋白结合的构型也不适合RNA聚合酶的转录。当组蛋白被磷酸化、乙酰化或甲基化等化学修饰改变了其电荷性质时，便降低了其与DNA的结合力，使DNA裸露、解旋，从而有利于进行复制或转录。

3．非组蛋白（non histone） 非组蛋白是染色质中除组蛋白以外所有蛋白质的统称。非组蛋白为富含天门冬氨酸、谷氨酸等酸性氨基酸的酸性蛋白质，带负电荷。这类蛋白质在细胞中的含量远比组蛋白少，但其种类繁多，功能各异，具有种属、器官、组织甚至细胞的特异性。

目前已分离得到的非组蛋白有500多种，但每一种的含量却很少。主要是与DNA复制和RNA转录时染色质化学修饰有关的酶系、参与染色体构建的结构蛋白及少量特异性的调节蛋白。

4．RNA 染色质中RNA的含量很少，不到DNA量的10％，主要是新合成的mRNA、tRNA和rRNA的前体。 （二）染色质的结构单位

真核细胞中的DNA是很长的线性大分子。如人类一个体细胞中 DNA总长度可达2m左右，却可容纳在直径不到10μm 的细胞核中，行使正常的复制、转录等功能，并能在细胞分裂过程中平均分配到两个子细胞中去。这些便可说明DNA、组蛋白和非组蛋白等分子组装成的染色质是一个非常精细的结构。1973年Olins和Woodcock等人在高分辨电镜下观察到了数种真核细胞间期染色质的串珠样结构。1974年Kornberg 关于染色质的生化分析也证实了染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome）。核小体由5种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4和H1）和200个碱基对的DNA组成。其中组蛋白H2A、H2B、H3、H4各两个分子组成八聚体，形似扁鼓，直径约11nm，高约60nm。DNA在八聚体外绕1.75圈，约146个碱基对，剩余不到60个碱基对的DNA构成核小体间的连接部分。组蛋白H1有一个球状的中心及伸展的氨基端臂和羧基端臂，H1以其球状中心与核小体上特定位点结合，其两臂则与缠绕在八聚体进出口端的DNA结合，以锁定核小体（图2-1）。

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图2-1 核小体结构模型

二、染色体的超微结构

DNA与组蛋白结合形成核小体。无数核小体串连形成直径为11nm串珠状纤维，即染色质的基本结构。11nm纤维通过螺旋形成30nm的染色质纤维，再经折叠形成间期核内染色质的基本存在形式，即袢环结构。在此基础上构建形成染色单体。

（一）30nm染色质纤维

1976年Finch等用微球菌核酸酶轻度消化大鼠的肝细胞核，在电镜下观察，当有乙二胺四乙酸（EDTA）存在时，可见到直径11nm纤维形成松散的螺旋状态，若加入Mg2+则形成直径30nm紧密缠绕的螺旋状态。如果除去组蛋白H1，即使有Mg2+存在，也不能螺旋化。据此，Finch等提出螺线管（solenoid）模型，认为每6个核小体螺旋1圈，螺旋缠绕形成外径约30nm，内径约10nm，螺距11nm的螺线管。组蛋白H1位于螺线管的内部，对螺线管形成和稳定起着极重要的作用。螺线管即为30nm的染色质纤维。

（二）染色体的构建

1979年Laemmli等提出了袢环模型（loop model）。认为30nm染色质纤维经折叠形成袢环，袢环沿染色体纵轴由中央向四周呈放射状排列，构建成染色体。

中期染色体经硫酸葡聚糖处理，除去组蛋白，电镜下观察到, 染色体的核心部位是由非组蛋白的密集纤维网组成的染色体支架，两条染色单体的支架在着丝粒区相连接，呈现出中期染色体的框架形态。除去组蛋白散开的DNA分子围绕在支架周围形成众多密集的连续环，环的基部均结合在支架的两个相邻点上（图2-2）。而且每一环又可有不同的盘绕形式。不同袢环的大小差异很大，平均每个袢环的DNA

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长度约为63kb，相当于500nm长度的30nm纤维。1984年Painta 等对袢环模型进行了详细的研究,提出每18 个袢环以染色体支架为轴心呈放射状排列形成微带(miniband)。微带为染色质的高级结构单位，大约106 个微带沿支架纵向排列，便构建成染色单体。

图2-2 染色体支架与袢环结构

三、常染色质与异染色质

细胞核内染色质的功能与其折叠盘曲的程度密切相关。据此可分为两种类型。

1．常染色质（euchromatin） 是指间期核内纤维折叠盘曲程度小，分散度大，能活跃地进行DNA复制与转录的染色质。这类染色质不易着色，故折光性强，在光镜下难以辨认，只有在电镜下才能看到，多位于核的中央。

2．异染色质（heterchromatin） 是指间期核中折叠盘曲紧密，呈凝集状态，一般无转录活性的染色质。此类染色质染色较深，常位于核的边缘和核仁周围，构成核仁相随染色质的一部分。异染色质可分为结构性异染色质和兼性异染色质。结构性异染色质是指各类细胞

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