1、第二章染色体的物质结构优选第二章染色体的物质结构 染色质与染色体是由染色质与染色体是由DNADNA、组蛋白、非、组蛋白、非组蛋白及组蛋白及RNARNA等组成的核蛋白复合体，是等组成的核蛋白复合体，是遗传信息的载体。是同一种物质在细胞周遗传信息的载体。是同一种物质在细胞周期的不同时期中所表现的两种不同的存在期的不同时期中所表现的两种不同的存在形式。形式。染色质是细胞间期核内伸展开的染色质是细胞间期核内伸展开的DNADNA蛋蛋白纤维。白纤维。染色体是高度螺旋化的染色体是高度螺旋化的DNADNA蛋白纤维，蛋白纤维，是在细胞分裂期看得见的可用染料染色的是在细胞分裂期看得见的可用染料染色的条状结构。条状
2、结构。一、染色质的化学组成一、染色质的化学组成核核 酸酸蛋白质蛋白质成成 分分DNARNA组蛋白组蛋白 非组蛋白非组蛋白所占比例所占比例10.05-0.110.5-1.5（一）（一）DNA单一序列（单一序列（unique seq.)unique seq.)中度重复序列（中度重复序列（middle repetitive seq.)middle repetitive seq.)高度重复序列（高度重复序列（highly repetitive seq.)highly repetitive seq.)1.1.单一序列（单一序列（unique sequence)unique sequence)在基因组中仅
3、有一个或几个拷贝，负责蛋白质氨基酸组成的信息,以三联体密码方式进行编码。大多数编码蛋白质(酶)的结构基因属这种结构形式。2.2.中度重复序列中度重复序列（middle repetitive sequence)middle repetitive sequence)重复次数在10105之间。多数是不编码的序列，构成基因的间隔序列，在基因调控中起重要作用，涉及DNA复制、RNA转录及转录后加工等方面。有一些是有编码功能的基因，如rRNA基因，tRNA基因，组蛋白的基因、核糖体蛋白的基因等。3.3.高度重复序列高度重复序列（highly repetitive sequence)highly repet
4、itive sequence)由一些短的DNA序列呈串联重复排列，一般为几个、十几个或几十个bp，但重复拷贝数超过105，在染色体的端粒、着丝粒，构成结构基因的间隔，维系染色体结构，与减数分裂中同源染色体联会配对有关。（二）组蛋白（二）组蛋白 组蛋白是真核细胞染色质的主要结构蛋白，富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸，属碱性蛋白质。其含量恒定，在真核细胞中共有5种。组蛋白的分类及特性组蛋白的分类及特性 种类赖氨酸/精氨酸残基数分子量(kD)保守性存在部位及结构作用存在部位及结构作用H1存在于核心颗粒，形成存在于核心颗粒，形成核小体核小体存在于核心颗粒，形成存在于核心颗粒，形成核小体核小体存在于核心颗粒
5、，形成核存在于核心颗粒，形成核小体小体存在于核心颗粒，形成存在于核心颗粒，形成核小体核小体29.0021523.0低高高极高极高H2AH2BH3H41.2212914.02.6612513.60.7713515.30.7910211.3存在于连接线上存在于连接线上核小体蛋白，核小体蛋白，帮助帮助DNA卷卷曲形成核小曲形成核小体体核小体核小体组蛋白的化学修饰组蛋白的化学修饰 乙酰化：可改变赖氨酸所带的电荷，乙酰化：可改变赖氨酸所带的电荷，降低组蛋白与降低组蛋白与DNADNA的结合，调节转录的结合，调节转录的进行。的进行。磷酸化：同乙酰化磷酸化：同乙酰化 甲基化：可增强组蛋白和甲基化：可增强组蛋白
6、和DNADNA的相互作的相互作用，调节转录活性用，调节转录活性（三）非组蛋白（三）非组蛋白 酸性蛋白质，带负电荷酸性蛋白质，带负电荷,富含天门富含天门冬冬AAAA，谷，谷AAAA等酸性等酸性AAAA 种类多种类多 具有种属和组织特异性具有种属和组织特异性 整个周期都能合成整个周期都能合成 特性特性 非组蛋白是染色体上与特异非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，能识别特序列结合的蛋白质，能识别特异的异的DNA序列，识别信息存在于序列，识别信息存在于DNA本身，位点在大沟部分，识别本身，位点在大沟部分，识别与结合籍氢键和离子键。与结合籍氢键和离子键。非组蛋白的功能非组蛋白的功能 参与构建
7、染色体参与构建染色体 启动启动DNADNA的复制的复制 调控基因的转录调控基因的转录 3)羊水细胞培养及染色体标本单一序列（unique seq.端粒酶是一种由蛋白质和RNA组成的核糖核蛋白酶。染色质的一级结构：核小体拟南芥的TTTAGGGJohns Hopkins University School of Medicine Baltimore,MD,USA大多数编码蛋白质(酶)的结构基因属这种结构形式。兼性异染色质的总量随细胞类型而变化，一般胚胎细胞含量少，高度分化的细胞含量较多，说明随着细胞分化，较多的基因渐次以聚缩状态而关闭。Elizabeth H.染色体是高度螺旋化的DNA蛋白纤维，是
8、在细胞分裂期看得见的可用染料染色的条状结构。（highly repetitive sequence)Elizabeth H.G带：Giemsa染色伸展状态，螺旋化程度低，用碱性染料染色时着色浅而均匀的染色质。优选第二章染色体的物质结构正常染色体每复制一次,端粒序列减少50-100个bp,因而端粒也被称为细胞的生命钟,当端粒缩短到一定程度，即是细胞衰老的标志。大多数编码蛋白质(酶)的结构基因属这种结构形式。人的TTAGGG袢环模型（loop model）人类体细胞的正常核型（Denver体制）二、染色质的类型二、染色质的类型 伸展状态，螺旋化程度低，用碱性染料染色时着色浅而均匀的染色质。2.单一
9、序列DNA和中度重复序列DNA，具有转录活性。3.大部分位于间期核的中央，一部分介于异染色质之间。4.在细胞分裂期，常染色质位于染色体的臂。(一一)常染色质（常染色质（euchromatin)euchromatin)（二）异染色质（二）异染色质（heterochromatin)heterochromatin)1.螺旋化程度高，处于凝集状态，碱 性染料染色时着色较深。2.一般位于核的边缘或围绕在核仁的 周围。3.转录不活跃或无转录活性。4.可分为结构异染色质和兼性异染色 质。结 构 异 染 色 质（结 构 异 染 色 质（c o n s t i t u t i v e c o n s t i t
10、 u t i v e heterochromatin)heterochromatin)在各种细胞类型的细胞周期中（除复制期在各种细胞类型的细胞周期中（除复制期外）都呈浓缩状态，由高度重复的外）都呈浓缩状态，由高度重复的DNADNA序列构成；序列构成；在中期染色体上常位于染色体的着丝粒区，端在中期染色体上常位于染色体的着丝粒区，端粒区、次缢痕等部位；具有遗传惰性，不转录粒区、次缢痕等部位；具有遗传惰性，不转录也不编码蛋白质；在复制行为上，较常染色质也不编码蛋白质；在复制行为上，较常染色质早聚缩晚复制。早聚缩晚复制。兼性异染色性兼性异染色性（facultative heterochromatin)
11、facultative heterochromatin)在某些细胞类型或在一定发育阶段，原在某些细胞类型或在一定发育阶段，原来的常染色质聚缩，丧失转录活性，变为异染来的常染色质聚缩，丧失转录活性，变为异染色质。兼性异染色质的总量随细胞类型而变化，色质。兼性异染色质的总量随细胞类型而变化，一般胚胎细胞含量少，高度分化的细胞含量较一般胚胎细胞含量少，高度分化的细胞含量较多，说明随着细胞分化，较多的基因渐次以聚多，说明随着细胞分化，较多的基因渐次以聚缩状态而关闭。因此，染色质的压缩折叠可能缩状态而关闭。因此，染色质的压缩折叠可能是关闭基因活性的一种途径。是关闭基因活性的一种途径。常染色质常染色质 异
12、染色质异染色质螺旋化程度螺旋化程度低低高高染染 色色 较浅较浅较深较深间间 期期核中央核中央核边缘核边缘分裂期分裂期染色体臂染色体臂着丝粒区和端粒区着丝粒区和端粒区活活 性性常转录常转录很少转录很少转录复制时间复制时间S 早、中期早、中期S 晚期晚期染色质的一级结构：核小体染色质的一级结构：核小体染色质的二级结构：螺线管染色质的二级结构：螺线管染色质的三级结构：超螺线管染色质的三级结构：超螺线管染色质的四级结构：染色单体染色质的四级结构：染色单体（一）染色质的四级结构模型（一）染色质的四级结构模型三、染色质的结构与包装三、染色质的结构与包装1.一级结构 核小体是染色质的基本结构单位，为染色核小
13、体是染色质的基本结构单位，为染色质的一级结构，质的一级结构，10nm 10nm。球状组蛋白核心球状组蛋白核心H4DNA双螺旋双螺旋(140-160bp、1.75圈）圈）H3H4H3H2AH2AH2BH2BH4H3H3H4H2AH2AH2BH2B 10nm连接连接DNA（60bp）H1 H1核小体核小体核心部核心部连接部连接部DNA分子：分子：140-160bp、1.75圈圈组组 蛋蛋 白：白：2（H2A、H2B、H3、H4）八）八聚体聚体组组 蛋蛋 白：白：H1DNA分子：分子：60bp核小体核小体2.2.二级结构：二级结构：螺线管螺线管是染色质的二级结是染色质的二级结构，构，6 6个核小体缠
14、绕一圈形成的个核小体缠绕一圈形成的中空性管中空性管.外外30nm;30nm;内内10nm,10nm,组蛋白组蛋白H1H1位于螺旋管内侧。位于螺旋管内侧。螺旋化程度高，处于凝集状态，碱1)人类外周血淋巴细胞培养及染Elizabeth H.袢环模型（loop model）染色体是高度螺旋化的DNA蛋白纤维，是在细胞分裂期看得见的可用染料染色的条状结构。具有种属和组织特异性非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，能识别特异的DNA序列，识别信息存在于DNA本身，位点在大沟部分，识别与结合籍氢键和离子键。1)人类外周血淋巴细胞培养及染生殖细胞、胚胎干细胞和肿瘤细胞含有端粒酶，可以使端粒恢复原长
15、。螺旋化程度高，处于凝集状态，碱（highly repetitive sequence)超螺线管进一步折叠成为四级结构染色单体。因此，染色质的压缩折叠可能是关闭基因活性的一种途径。均有一段保守序列：在复制行为上，较常染色质早聚缩晚复制。外30nm;内10nm,组蛋白H1位于螺旋管内侧。存在于核心颗粒，形成核小体核小体是染色质的基本结构单位，为染色质的一级结构，10nm。锥虫的TAGGG外30nm;内10nm,组蛋白H1位于螺旋管内侧。采血接种培养秋水仙素处理收集细胞低渗固定制片染色观察内10nm组蛋白H1染色质的二级结构：螺线管染色质的二级结构：螺线管3.3.三级结构：三级结构：超螺线管为染色
16、质的三级结构，超螺线管为染色质的三级结构，它是由螺旋管进一步盘曲而形成。它是由螺旋管进一步盘曲而形成。4.4.四级结构：四级结构：超螺线管进一步折叠成为四级结超螺线管进一步折叠成为四级结构构染色单体。（染色单体。（DNADNA分子长度压缩分子长度压缩至至1/80001/10 0001/80001/10 000）。）。（二）染色质的袢环结构模型（二）染色质的袢环结构模型 (loop model)(loop model)一、二级结构与四级结构模型一致：核小体（10nm），螺线管（30nm）30nm螺线管形成袢环袢环模型（loop model）染色体支架（非组蛋白）袢环（30nm螺线管）123456
17、789101112131415161718（一）染色体的形态结构（一）染色体的形态结构染色单体次缢痕短臂（p）长臂（q）随体常染色质区异染色质区主缢痕（初级缢痕）四、染色体四、染色体中期染色体按着丝粒的位置分为：1/25/8中央着丝粒染色体5/87/8亚中着丝粒染色体7/8 近端着丝粒染色体中部亚中部近端部端部 末端处染色体的类型主缢痕模式图主缢痕模式图动粒结构域动粒结构域配对结构域配对结构域中心结构域中心结构域随体随体染色体的臂上凹陷缩窄染色体的臂上凹陷缩窄形成次缢痕，与核仁的形成次缢痕，与核仁的形成有关，称为核仁组形成有关，称为核仁组织区（织区（NOR)。核小体是染色质的基本结构单位，为染
18、色质的一级结构，10nm。Elizabeth H.3)羊水细胞培养及染色体标本（三）、人类的正常核型在复制行为上，较常染色质早聚缩晚复制。（三）、人类的正常核型螺旋化程度高，处于凝集状态，碱Harvard Medical School;Massachusetts General Hospital Boston,MA,USA;可分为结构异染色质和兼性异染色可分为结构异染色质和兼性异染色保证染色体末端的完全复制，端粒DNA提供复制线性DNA末端的模板。一般位于核的边缘或围绕在核仁的G带：Giemsa染色正常染色体每复制一次,端粒序列减少50-100个bp,因而端粒也被称为细胞的生命钟,当端粒缩短到
19、一定程度，即是细胞衰老的标志。人类体细胞的正常核型（Denver体制）16 17 18（二）异染色质（heterochromatin)核小体是染色质的基本结构单位，为染色质的一级结构，10nm。端粒（端粒（telomere）生殖细胞、胚胎干细胞和肿瘤细胞含有端粒酶，可以使端粒恢复原长。端粒是存在于染色体末端的特化部位。通常由一简单重复的序列组成,进化上高度保守。可以保护染色体末端不被降解，并防止与其它染色体的末端融合。正常染色体每复制一次,端粒序列减少50-100个bp,因而端粒也被称为细胞的生命钟,当端粒缩短到一定程度，即是细胞衰老的标志。端粒（telomere）端粒酶是一种由蛋白质和RNA
20、组成的核糖核蛋白酶。具有延长端粒末端重复序列的功能，如果端粒酶活性丧失，端粒将逐渐缩短，从而导致细胞衰老。端粒酶端粒酶端粒酶与端粒的关系 2009年的诺贝尔生理学或医学奖颁给三名科学家，他们解决了生物学的一个重大问题：在细胞分裂时染色体如何完整地自我复制以及染色体如何受到保护以免于退化。这三位诺贝尔奖获得者向我们展示，解决办法存在于染色体末端端粒，以及形成端粒的酶端粒酶。Elizabeth H.Blackburn 伊丽莎白-布莱克本Carol W.Greider 卡罗尔-格雷德Jack W.Szostak杰克-绍斯塔克University of California San Francisco
21、,CA,USA美国加利福尼亚旧金山大学Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore,MD,USA 巴尔的摩约翰-霍普金斯医学院Harvard Medical School;Massachusetts General Hospital Boston,MA,USA;哈佛医学院（二）染色体稳定遗传的功能序列：（二）染色体稳定遗传的功能序列：.自主复制序列自主复制序列 （autonomously replicating sequence,ARS）是是DNA复制的起点；复制的起点；均有一段保守序列：均有一段保守序列：200bp-A(T)TTT
22、AT(C)A(G)TTTA(T)-200bp,2 2、着丝粒序列、着丝粒序列(centromereDNAsequence,CEN)(centromereDNAsequence,CEN)由串联重复序列组成，含有由串联重复序列组成，含有1111个高度保守的碱基序列：个高度保守的碱基序列：-TGATTTCCGAA-TGATTTCCGAA-，其功能是形成着，其功能是形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离。确地分离。3、端粒序列、端粒序列 (telomeric sequence,TEL)不同生物的端粒序列都很相不同生物的端粒序列都很相似，由长似，由长5-10bp的重复
23、单位串联的重复单位串联而成。而成。草履虫的草履虫的TTGGGG 锥虫的锥虫的TAGGG 拟南芥的拟南芥的TTTAGGG 人的人的TTAGGG 端粒的功能：端粒的功能：保证染色体末端的完全复制，保证染色体末端的完全复制，端粒端粒DNADNA提供复制线性提供复制线性DNADNA末端的模末端的模板。板。在两端形成保护性的帽结构，在两端形成保护性的帽结构，使使DNADNA免受核酸酶和其他不稳定因免受核酸酶和其他不稳定因素的破坏和影响。素的破坏和影响。在细胞的寿命、衰老和死亡中在细胞的寿命、衰老和死亡中起作用。起作用。（三）、人类的正常核型（三）、人类的正常核型 1.1.核型（核型（KaryotypeK
24、aryotype）：一个体细胞（一个体细胞（somatic cellsomatic cell）中）中的全部染色体，按其大小和形态特的全部染色体，按其大小和形态特征排列所构成的图像。征排列所构成的图像。正常男性：正常男性：46，XY正常女性：正常女性：46，XX人类体细胞的正常核型（人类体细胞的正常核型（Denver体制）体制）组组 染色体号染色体号 主要特征主要特征A组组B组组 C组组D组组E组组F组组G组组 123亚中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体中央着丝粒染色体中央着丝粒染色体4 5亚中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体6 12、X亚中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体大大小小13 15近端着丝粒染色体
25、、有随体近端着丝粒染色体、有随体161718亚中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体中央着丝粒染色体中央着丝粒染色体19 20中央着丝粒染色体中央着丝粒染色体2122、Y近端着丝粒染色体、有随体近端着丝粒染色体、有随体Y染色体略大、长臂平行伸展、无随体染色体略大、长臂平行伸展、无随体1 2 31 2 34 54 56 7 8 9 10 11 12 X6 7 8 9 10 11 12 X13 14 1513 14 1516 17 1816 17 1819 2019 2021 22 Y21 22 YA AB BC CE EF FG GD D2.2.染色体的显带技术染色体的显带技术 用特殊的染色方法使染色体
26、用特殊的染色方法使染色体在其长轴上显出明暗交替或染色在其长轴上显出明暗交替或染色深浅不同的横纹深浅不同的横纹带。带。染色体标本的制备染色体标本的制备1)1)人类外周血淋巴细胞培养及染人类外周血淋巴细胞培养及染 色体标本制备色体标本制备采血采血接种接种培养培养秋水仙素处理秋水仙素处理收集细胞收集细胞低渗低渗固定固定制片制片染色染色观察观察3)3)羊水细胞培养及染色体标本羊水细胞培养及染色体标本 制备制备 抽羊水最佳时间妊娠抽羊水最佳时间妊娠16201620周周2)2)骨髓细胞染色体标本制备骨髓细胞染色体标本制备显显带带技技术术整条显带整条显带局部显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料带：喹吖因或荧光
27、染料显显带带技技术术整条显带整条显带局部显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料带：喹吖因或荧光染料G带：带：Giemsa染色染色显显带带技技术术整条显带整条显带局部显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料带：喹吖因或荧光染料G带：带：Giemsa染色染色R带：带：Q、G反带反带高分辨带高分辨带示示550-850550-850条带阶段中期染色体照片（条带阶段中期染色体照片（46,XX)46,XX)显显带带技技术术整条显带整条显带局部显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料带：喹吖因或荧光染料G带：带：Giemsa染色染色R带：带：Q、G反带反带高分辨带高分辨带C带：着丝粒等区的异带：着丝粒等区的异 染色质染色质
