1、第三章 染色体的结构和功能,染色体的结构和组装 染色体的异常 性别决定和遗传 人类基因组计划,一 染色体的形态结构,染色体(Chromosome)是细胞内具有遗传性质的遗传物质深度压缩形成的聚合体，易被碱性染料染成深色，所以叫染色体（染色质)；染色体和染色质是同一物质在细胞分裂间期和分裂期的不同形态表现。,1879年德国生物学家弗莱明把细胞核中的丝状染色体和粒状的物质，用染料染红，观察发现这些物质平时散漫地分布在细胞核中，当细胞分裂时，散漫的染色物体便浓缩，形成一定数目和一定形状的条状物，到分裂完成时，条状物又疏松为散漫状。 1883年美国学者提出了遗传基因在染色体上的学说。 1888年正式被
2、命名为染色体。,1、染色体的基本结构核小体,Kornberg根据生化资料，特别是根据电镜照相，最先在1974年提出绳珠模型（beads onastring model），用来说明DNA蛋白质纤丝的结构。纤丝的结构单位是核小体，它是染色体结构的最基本单位。,核小体的核心是由4种组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）各两个分子构成的扁球状8聚体。一条染色体有一个DNA分子。DNA双螺旋依次在每个组蛋白8聚体分子的表面盘绕约1.75圈，其长度相当于140个碱基对。组蛋白8聚体与其表面上盘绕的DNA分子共同构成核小体。在相邻的两个核小体之间，有长约5060个碱基对的DNA连接线。在相邻的连接线之间结合着
3、一个第5种组蛋白（H1）的分子。密集成串的核小体形成了核质中的100埃左右的纤维，这就是染色体的“一级结构”，就像成串的珠子一样，DNA为绳，组蛋白为珠。,绳珠模型,染色体的一级结构经螺旋化形成中空的线状体，称为螺线体或核丝或螺线筒这是染色体的“二级结构”，其外径约300埃，内径100埃，相邻螺旋间距为110埃。螺旋体的每一周螺旋包括6个核小体，因此DNA的长度在这个等级上又被再压缩了6倍。 300埃左右的螺线体（二级结构）再进一步螺旋化，形成直径为0.4微米（m）的筒状体，称为超螺旋管。这就是染色体的“三级结构”。到这里，DNA又再被压缩了40倍。 超螺旋体进一步折叠盘绕后，形成染色单体染色
4、体的“四级结构”。两条染色单体组成一条染色体。到这里，DNA的长度又再被压缩了5倍。 从染色体的一级结构到四级结构，DNA分子一共被压缩了76405=8400倍。,2、 染色体的组装,核小体（11nm）,螺线管（30nm）,超螺线管（300nm）,染色单体,压缩6倍,压缩40倍,压缩5倍,DNA,压缩7倍,组蛋白,+,一级,二级,三级,四级,染色体臂（Arms） 着丝粒（Centromere） 次缢痕（Secondary constriction） 随体（Satellite） 端粒（telomere）,3、染色体的形态,根据着丝点的位置可以分为： 中间着丝点染色体 近中着丝点染色体 近端着丝点
5、染色体 顶端着丝点染色体,4、染色体组型,染色体组型（Karyotype）：描述一个生物体内所有染色体的大小、形状和数量信息的图象。,染色体核型分析技术，传统上是观察染色体形态，近年来，采用荧光原位杂交技术，将荧光素标记的探针进行染色体核型特定位点的检测和标记，可以精确地检测染色体上DNA链中，单个碱基的突变，从而大大提高了染色体核型分析的精度。,人的染色体图,5、 染色体的数目不同物种染色体数目不同，同一物种染色体数目恒定。 在无性繁殖物种中，生物体内所有细胞的染色体数目都一样；而在有性繁殖大部分物种中，生物体的体细胞染色体成对分布，含有两个染色体组，称为二倍体。 性细胞如精子、卵子等是单倍
6、体，染色体数目只是体细胞的一半。,2n=46,2n=58,2n=24,（1）缺失（deletion）染色体断裂后断片丢失引起1 2 3 4 5 1 2 4 5+ + 正常 （2）重复（duplication）染色体断片接到同源染色体上引起区段重复1 2 3 4 5 3 4 5+,1 染色体结构异常染色体断裂后导致的各种结构变异,二 染色体的异常,（3）倒位（inversion）染色体断片调换位置后重接到原来位置上1 2 4 3 5+ （4）易位（translocation）染色体断片接到另一条非同源染色体上1 2 3 4 5 1 2 3 8 9+ + 6 7 8 9 6 7 4 5+ +,2
7、染色体数目的变异 （1）整倍体变异体细胞染色体数目以二倍体配子的染色体数（染色体组）为单位的增减 多倍体体细胞含有二个以上染色体组，如三倍体、四倍体 单倍体体细胞只有一个染色体组,无籽西瓜是三倍体，由于三倍体细胞在进行减数分裂时出现染色体紊乱的情况，所以三倍体西瓜不能形成种子。其亲本是二倍体西瓜和四倍体。,（2）非整倍体变异体细胞染色体数目增减个别染色体的变异 正常二倍体 = = = = 单体（2n-1） = = = 缺体（2n-2） = = = 三体（2n+1） = = = 四体（2n+2） = = = =,唐氏综合征即21-三体综合征，又称先天愚型或Down综合征，是由染色体异常（多了一条
8、21号染色体）而导致的疾病。60%患儿在胎内早期即流产，存活者有明显的智能落后、特殊面容、生长发育障碍和多发畸形。,三 性染色体与性连锁遗传,1 性染色体与性别决定,性染色体为决定个体雌雄性别的染色体，哺乳动物的性染色体是以X和Y标示，X染色体较大，携带的遗传信息多于Y染色体。部分动物(蜥蜴、鸟等）性染色体是以Z和W标示，Z染色体较大，携带的遗传信息多于W染色体。,1）精子携带的性染色体决定子代性别XY型：XX为雌性；XY为雄性。（人类，全部哺乳动物，部分两栖动物及部分鱼类）；XO型：XX为雌性；X为雄性。（蝗虫等昆虫类）； 2）卵携带的性染色体决定子代性别（蝴蝶、鸟类）ZW型：ZW型为雌性；
9、ZZ为雄性； 3）XO型：XX；XO直翅目昆虫：蟋蟀、蟑螂、蝗虫 （2n=22+XX，2n=22+X）、 虱子（2n=10+XX，2n=10+X）,性别决定是指细胞内遗传物质对性别的作用而言。,蜜蜂性决定,4）染色体数决定性别（蚂蚁、蜜蜂）二倍体：受精卵发育为雌性；单倍体：未受精卵发育成雄性,5）基因决定性别少数几对等位基因控制的个体性别。 例如：正常情况下玉米为雌雄同株异花。Ba基因突变会导致雌花序不能正常发育；Ts基因突变会导致雄花序不能正常发育(发育成顶端雌花序)。,6）环境决定性别-后螠的性决定性别的表型完全由环境决定，与受精时的遗传成分无关。落在海底雌虫; 落在雌虫口吻上雄虫；从雌虫
10、上取下中间性,2 性连锁遗传的特殊遗传方式 伴性遗传,1) 定位在性染色体上的基因为性连锁基因。2) 性连锁基因决定除性别外的众多遗传特征。3) 绝大多数位于X染色体或Z染色体上，极少数基因位于Y染色体或W染色体上。4) 性染色体上基因所控制的某些性状总是伴随性别而遗传的现象，也称之为伴性遗传。5) 1909年摩尔根的果蝇白眼伴性遗传分析首次将一个特定的白眼基因(w)和一条特定的染色体(X染色体)联系起来。,摩尔根发现白眼雄蝇与野生红眼雌蝇交配，F1全是红眼果蝇。让F1的雌雄个体相互交配，则F2果蝇中有3/4为红眼，l/4为白眼，但所有白眼果蝇都是雄性的。,摩尔根对这种遗传方式的解释是：果蝇是
11、XY型性别决定动物，控制白眼的隐性基因（w）位在X性染色体上，而Y染色体上却没有它的等位基因。,3 人类的伴性遗传,1）伴X显性遗传A. 抗维生素 D佝偻病 B. 女性多于男性，且女性患者多为杂合子发病 XRXr, XRY或XRXR(少) 2）伴X隐性遗传 A. 红绿色盲、血友病、葡萄糖6-磷酸脱氢酶（G-6-PD）缺乏症 B. 男性多于女性 C. XcY或XcXc 色盲,例：红绿色盲,色盲基因Xb, 正常基因XBXBXB XBXb XbXb XBY XbY正常 携带者 患者 正常 患者,P 携带者 XBXb XBY 正常男性, XBXB,男患者,正常女性,F2 XBXb XBY,3）Y连锁遗
12、传（限雄遗传） A. 长毛耳男人、蹼趾男人 B. 男性后代均有，女性后代均无,人类基因组计划 1990年正式启动。 美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。 计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组作图、精确测序，基因鉴定和功能分析，破译人类全部遗传信息 曼哈顿计划 阿波罗计划,20世纪科学史上3个里程碑,4 人类基因组计划（HGP）,HGP的意义,了解生命的起源与进化 认识种属之间和个体之间存在差异的起因 五种“模式生物” 基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠 解码生命，认识自身 了解生命体生长发育的规律 认识疾病产生的机制，掌握生
13、老病死规律 疾病的诊断和治疗,含 32亿碱基对(bp)的DNA序列 编码序列约占3%，非编码序列约占97%。 包括约34万个基因，分布于22条常染色体和 X、Y性染色体。,人类单倍体基因组,遗传图谱（连锁图谱，linkage map) 通过家谱分析和测量不同性状一起遗传（即连锁）的频率，将基因或其它DNA顺序标定在染色体上构建连锁图 单位：厘摩（cM，即每次减数分裂的重组频率为1%）；Mb水平的标记 作用 确定基因或DNA片断在染色体的定位 各基因或DNA片断的相对距离,1、遗传图谱,人类基因组研究方案及技术,2、物理图谱 - 路标与路轨,是通过对DNA的化学测度而绘制的，反映的是DNA序列上
14、两点之间的实际距离。 目的：把有关基因的遗传信息及其在每条染色体上的相对位置线性而系统地排列出来。 以碱基对的数目为衡量单位，精度在100kb水平,3 、序列图谱 - 重中之重,DNA序列分析技术是一个包括制备DNA片段化及碱基分析、DNA信息翻译的多阶段的过程 通过测序得到基因组的序列图谱。,4 、基因图谱 基因图谱是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。,人类基因组测序完成,2003年4月14日，美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯柯林斯博士在华盛顿宣布基因组测序图已由美、英、日、德、法、中六国经13年努力完成,我国对人类基因
15、组计划的贡献,1994年，我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动； 最初由国家自然科学基金会和863高科技计划的支持下，先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究”； 1998年在上海成立了南方基因中心； 1999年在北京成立了北方人类基因组中心； 1999年7月在国际人类基因组注册，得到完成人类3号染色体短臂上一个约30Mb区域的测序任务，该区域约占人类整个基因组的1。 1999年11月12日：科技部、中科院、“863”计划生物领域专家委员会讨论决定“863”计划出资3000万元，中科院出资1000万元。,后基因组时代,结构基因组学向功能基因组学转变 研究基因表达、调控，以及在生长发育、疾病发生、药物反应等方面的作用 研究上： 系统研究：不是针对单个基因或蛋白，而是对一个细胞或个体内整个基因或蛋白质的研究； 组学研究：功能基因组、结构基因组、蛋白质组学 技术上：高通量基因、蛋白筛选与鉴定，基因敲除动物等 在基因的功能与利用上有望突破,
