染色体与染色体病

染色体与染色体病 Chromosome ChromosomalDisease 第一节正常核型 大量实验研究证明 染色体是种的标志 各种生物的染色体数目和形态是恒定的 即同种生物的染色体数目和形态都相同 不同种生物则不同 因此 对人类染色体的识别 是依据正常人类染色体的固有形态特征和数目进行对照分析 这是确定和发现染色体异常和染色体畸变综合征的基本手段和诊断基础 人类染色体 一 人体染色体的形态 染色单体 次级缢痕 短臂 p 长臂 q 随体 常染色质区 端粒 异染色质区 随体柄 次级缢痕 着丝粒 初级缢痕 中期染色体结构 初级缢痕 主缢痕 着丝粒所在部位两染色单体缩窄 次级缢痕 副缢痕 有的染色体在长 短臂上还存在缩窄区或浅染区 称为副缢痕 随体 大部分近端着丝粒染色体短臂末端有一球形小体 借柄部与染色体主体称为随体 NOR 近端着丝粒染色体随体和短臂相连的柄部含有rDNA 可转录形成rRNA 与核仁形成有关 也称核仁组织者区 端粒 telomere 染色体端部特化部位 由端粒DNA和端粒蛋白构成 功能 1 维持染色体结构稳定 2 保持各条染色体彼此不相粘接 3 有助于同源染色体配对和染色单体互换 染色体的四种类型 二 核型分析核型 karyotype 一个体细胞 somaticcell 中的全部染色体称为核型 确切的说核型是指是一个体细胞内的全部染色体按其大小和形态特征排列所构成的图像 对这种图像进行分析称为核型分析 核型描述 按国际标准 正常核型的描述包括两部分 第一部分为染色体总数 第二部分为性染色体组成 两者之间用 隔开 正常男性的核型 46 XY正常女性的核型 46 XX异常核型的描述除包括以上两部分外 还包括畸变情况 也是用 与前面部分隔开 一 非显带核型 丹佛 Denver 体制 规定每一条染色体可通过相对长度 臂率和着丝粒指数等三个参数予以识别 常染色体按长度递减的次序以1 22号编号 性染色体则称为X和Y 另外人类的46条染色体应根据长度递减顺序和着丝粒位置划分为7个易区分的组 即以字母A G表示7组染色体 并决定将副缢痕和随体作为识别染色体的辅助指标 人类染色体核型特点 Denver 二 显带核型1968年 Caspersson建立染色体显带技术 显带技术 bandingtechnique 用各种特殊的染色方法使染色体沿长轴显现出明暗或深浅交替带纹 带 band 带型 bandingpattern 将人类24种染色体所显示各自特殊全部带纹 称为带型 显带染色体界标 区 带命名示意图 人类染色体的显带核型 常见带型的类型 特点及临床应用 1 Q带 Qbanding Q显带用芥子喹吖因 QM 或盐酸喹吖因 QH 等荧光染料对染色体标本进行染色 然后在荧光显微镜下进行观察 但Q带保存时间短 而且需要在荧光显微镜下进行观察 因而 限制了Q显带技术的应用 2 G显带 Gbanding 染色体标本用热 碱 蛋白酶等预处理后 再用Giemsa染色 可以显示出与Q带相似的带纹 在光学显微镜下 可见Q带亮带相应的部位 被Giemsa染成深带 而Q带暗带相应的部位被Giemsa染成浅带 这种显带技术称为G显带 G显带克服了Q显带的缺点 G带标本可长期保存 而且可在光学显微镜下观察 因而得到了广泛的应用 是目前进行染色体分析的常规带型 正常男性染色体46 XY 正常女性染色体46 XX G显带核型分析 3 R显带 Rbanding 所显示的带纹与G带的深 浅带带纹正好相反 故称为R带 G带浅带如果发生异常 不易发现和识别 而R显带技术可以将G带浅带显示出易于识别的深带 所以R显带对分析染色体G带浅带部位的结构改变有重要作用 人类1号染色体Q G R三种显带对比图 专门显示着丝粒的显带技术 C显带也可使第1 9 16号和Y染色体长臂的异染色质区染色 因而 C带可用来分析染色体这些部位的改变 4 C显带 Cbanding C显带核型 5 T显带 Tbanding 专门显示染色体端粒的显带技术 用来分析染色体端粒 6 N显带 Nbanding 专门显示核仁组织区的显带技术 7 高分辨显带 high resolutionbanding 分裂中期一套单倍染色体一般显示320条带 70年代后期 采用细胞同步化方法和改进的显带技术 获得细胞分裂前中期 晚前期或早前期的分裂相 可以得到带纹更多的染色体 能显示550 850条带 甚至2000条带以上 高分辨显带技术 对染色体的分析达到了亚带 subband 的水平 使我们能够确认那些更为微小的染色体结构改变了 染色体分辨显带细分的表示法 人类染色体国际命名符号及术语 续表 第二节分子细胞遗传学 分子细胞遗传学 molecularcytogenetics 是利用分子生物学的方法与手段在微细胞遗传学 microcytogenetics 基础上探讨人类基因的座位与活动规律 染色体的亚微结构与微小畸变 遗传效应与疾病发生等问题的学科 它代表细胞遗传学的最新发展方向 这方面研究成果将有可能在基因与染色体之间架起一座桥梁 一 荧光原位杂交 fluorescenceinsituhybridization FISH 1986年Pankel在原位杂交基础上 将放射性同位素标记改用非放射性同位素即荧光素标记探针而建立了技术 利用该技术 可以精确地把一DNA片段定位到某条染色体的特定区带上 利用FISH技术诊断Down综合征 图示 利用21号染色体特异性探针对一位高龄妊娠妇女进行产前诊断 未培养的羊水细胞进行荧光原位杂交 显示所检测的细胞均有3个杂交信号 经选择性人工流产后确诊为Down综合征患儿 二 引物原位标记 primerinsitulabeling PRISH 是将特异性寡核苷酸引物与已变性的DNA模板退火 然后在dNTP 其中一种脱氧核苷酸已标记 及TaqDNA聚合酶存在的条件下使引物延伸并被标记 由于这一反应体系中引物延伸将严格遵循碱基配对法则 从而保证了标记的特异性 有可能引物原位标记技术在检测染色体非整倍体的产前诊断中成为FISH的替代方法 利用引物原位标记技术诊断18三体综合征 a 18号染色体引物特异性地标记未培养的正常羊水细胞间期核可见2个荧光信号 b 18三体综合征间期核可见3个荧光信号 a b 三 DNA纤维荧光原位杂交 DNAfiber FISH 该技术是新建立的可目视的高分辨基因组制图技术 DNAfiber FISH的杂交及检测步骤基本与中期染色体或早中期染色体的FISH相同 但与FISH技术相比 其分辨率更高 因此 DNAfiber FISH技术主要应用在人类基因组物理制图 染色质结构分析 以及染色体病 肿瘤和某些遗传性疾病的分析研究上 四 比较基因组杂交 comparativegenomichybridization CGH 该技术是在基因组水平上对染色体变异部位的检测与定位相结合 进行准确的定量定位分析 并且不需要细胞培养 特别适用于恶性肿瘤获得性染色体结构异常的研究 比较基因组杂交应用范畴 可在基因组水平上对染色体变异部位进行准确的定量定位分析 不需要细胞培养可对肿瘤基因组DNA的拷贝数进行定性分析与定量分析 对细胞遗传学难以判断的肿瘤染色体的某些成分 如双微体 标记染色体 的来源进行鉴定 快速检出染色体三体性 单体性和部分染色体大片段重复的拷贝数变化 有利于对先天畸形 自然流产等疾病进行快速诊断 五 染色体涂染 chromosomepainting 是将FISH技术和染色体原位抑制杂交技术结合 以染色体特异性DNA库为探针 以不同荧光染料涂染整条染色体或染色体特异区段的一种技术 染色体涂染技术检测结果 9号染色体短臂完全重复 第三节人体染色体畸变 染色体畸变 chromosomeaberration 是指体细胞或生殖细胞内染色体数目或结构发生改变 染色体畸变发生的原因 自发畸变 spontaneousaberration 诱发畸变 inducedaberration 化学因素 药物 农药 工业毒物 食品添加剂物理因素 射线生物因素 生物类毒素 病毒等母亲年龄 母亲年龄 20岁 29岁出生Down综合征概率0 1 母亲年龄 30岁 34岁出生Down综合征概率0 2 母亲年龄 35岁 39岁出生Down综合征概率1 母亲年龄 40岁 45岁出生Down综合征概率3 母亲年龄 45岁出生Down综合征概率10 Down综合征与母亲年龄 危害概率是正常育龄女性的100倍 一 表型正常个体的染色体变异多态性 染色体的多态 chromosomepolymorphism 在正常健康人群中存在着各种染色体的恒定微小变异 主要表现在一对同源染色体之间出现形态结构 带纹宽窄度 着色强度等的明显差异 同时这些微小恒定的变异又按孟德尔方式遗传 通常没有明显表型效应和病理学意义 这种变异称染色体的多态性 染色体多态主要发生的部位 染色体长度 随体和副缢痕 D组和G组近端着丝粒染色体的短臂 随体及随体柄部副缢痕区 NOR 形态的变异 常见 1 9和16号染色体长臂近着丝粒区副缢痕处形成的狭窄 浅染的区域的变异 Y染色体长度变异是最典型 最常见的多态形态 具有随体的Y染色体 具有中央着丝粒的Y染色体 Y长度的变异 主要发生的部位是Yq远侧2 3处 大Y Y长度大于F组或18号长度 或称长Y或巨Y 小Y Y长度小于G组染色体长度体 二 染色体畸变类型及其产生机制 染色体畸变类型 染色体数目异常 染色体结构畸变 一 染色体数目异常类型及其产生机制 染色体数目畸变 整倍体改变 euploid 非整倍体改变 aneupliod 整倍体的改变类型及机制整倍体的改变类型三倍体 triploid 患者的体细胞具有3个染色体组 每对染色体都增加了一条 染色体总数为69 3n 四倍体 tetraploid 患者的体细胞具有4个染色体组 每对染色体都增加了一条 染色体总数为92 4n 三倍体患儿核型 整倍体产生的机制双雄受精 diandry 双雌受精 diandry 核内复制 DNA复制完毕但染色体不分离 结果细胞核中含有四倍的染色体 人类则为92根染色单体 非整倍体的改变类型及机制 非整倍体的改变类型亚二倍体 hypodiploid 体细胞中染色体数目少了一条或数条染色体 单体型 monosomy 某对染色体少了一条 2n 1 即细胞内染色体数目为45 单体型 45 X 超二倍体 hyperdiploid 体细胞中染色体数目多了一条或数条 三体型 trisomy 某对染色体多了一条 2n 1 即细胞内染色体数目为47 三体型 47 XY 21 非整倍体改变的机制 染色体不分离 non disjunction 减数分裂时发生染色体不分离受精卵早期卵裂的有丝分裂不分离染色体丢失 chromosomelose 减数分裂I同源染色体不分离 减数分裂 姐妹染色单体不分离 46 嵌合体 mosaic 一个个体存在两种或两种以上染色体数目不同的细胞群 46 染色体结构畸变产生的基础染色体结构畸变的基础首先是断裂 breakage 及断裂后的重接 reunion 发生结构重排 rearrangement 的染色体称为衍生染色体 der 二 染色体结构畸变类型及其产生机制 染色体型畸变 chromosome typeaberration 断裂发生在染色体复制之前 G1或S期 染色单体型畸变 chromatid typeaberration 断裂发生在染色体复制之后 晚S期或G2期 畸变时间 人类染色体畸变核型的描述 染色体结构畸变的表示方法有两种简式 在核型描述中对结构畸变只用断裂点来表示 简式 46 XX del 1 q21 畸变符号 染色体总数 性染色体组成 变化染色体号 断裂点 祥式 在核型中对染色体的结构畸变用改变了的染色体的带纹组成来描述 详式 46 XX del 1 pter q21 畸变符号 染色体总数 性染色体组成 畸变染色体号 改变了的染色体带纹组成 发育不同阶段染色体畸变 在配子形成期或受精24小时内的畸变将导致畸变纯合体 在发育2 4天 卵裂及桑椹胚期 将导致不同比例的嵌合体 在3胚层分化 3周左右 阶段 某一层染色体畸变将导致由该胚层发育而来的组织器官系统异常 在各组织器官染色体异常嵌合体中 仅依外周血检查不一定能够发现嵌合核型 染色体结构畸变的类型 缺失 interstitialdeletion del 重复 duplication dup 倒位 inversion inv 易位 translocation t 插入 insertion ins 等臂染色体 isochromosome i 双着丝粒染色体 dicentricchromosome dic 环状染色体 ringchromosome r 缺失 del 中间缺失 重复 dup 臂内倒位 paracentricinversion 倒位 inv 臂间倒位 pericentricinversion 倒位环 倒位环 4 易位 t 相互易位 reciprocaltranslocation rcp 两条非同源染色体同时断裂后 互相交换断片重接 产生两条衍生的染色体 相互易位 四射体照片 相互易位染色体在减数分裂时将形成四射体 四射体形成的18种类型配子 受精后只有一种为正常人 AB CD 一种为易位携带者 AD BC 其他均含有不平衡染色体 2 5染色体互易位携带者与正常人婚配其后代可能出现的染色体核型类型 罗伯逊易位 Robertsoniantranslocation rob 两条近端着丝粒染色体在着丝粒部位或近着丝粒处断裂后 二者的长臂在着丝粒重接形成一条衍生染色体 5 插入 ins 6 等臂染色体 i 着丝点横裂 7 双着丝粒染色体 dic 8 环状染色体 r 环状染色体 第四节染色体病及其分类 染色体病 chromosomedisease 染色体数目或结构畸变引起的疾病染色体病 也称染色体综合征 已发现的染色体病达100多种 染色体异常核型达一万多种 是由于1 22号常染色体数目或结构异常引起的疾病 男女均发病 共同的发病机制是基因组失衡 常染色体病的共同特征 智力低下发育迟缓多发畸形 一 常染色体病 一 Down综合征 先天愚型 临床表现 共同具有特殊呆滞面容 核型 游离型 47 XX XY 21 易位型 46 XX XY 14 t 14 21 p11 q11 易位携带者 translocationcarrier 核型 45 XX XY 14 一21 t 14 21 p11 qll 嵌合型 46 XX XY 47 XX XY 21 47 XY 21 46 XY 14 t 14q21q 主要临床特征 严重智力低下 生长迟缓枕骨扁平 发际低眼距宽 外眼角上斜 内眦赘皮鼻根低平 舌大 腭弓高尖通贯手 小指内弯 有一指褶纹男性不育 女性偶有生育能力 Down综合征表型在21号染色体的区域定位 实验室检查 过氧化物岐化酶 SOD 1 活性可增高50 该酶基因定位21q22 即具有基因剂量效应 21 三体的分类 游离型 大部分的21 三体为游离型 发病原因95 为母亲发生了染色体不分离 且发生在第一次减数分裂 极少一部分为遗传的 既母亲为21 三体 嵌合型 在胚胎发育中某一时刻发生了染色体不分离 形成嵌合体 嵌合体的临床表现较纯合体轻 发病程度与异常核型细胞比例有关 易位型 易位型可以是D G易位 也可以是G G易位 D G易位型21 三体有45 是由平衡易位携带者遗传而得 55 为新发生的 G G易位型21 三体96 是新发生的 三价体的分离方式有三种交替式 同源着丝粒各走向一极 结果产生一种正常的和一种平衡易位的配子 邻式 1和邻式 2同源着丝粒均走向一级 亦即易位染色体与某一条正常染色体同走向一极 结果均形成二体 重复 或缺体的配子 易位型减数分裂方式由于由两条短臂构成的小染色体丢失 故在联会时只有三条染色体参与 形成三价体 D G平衡易位携带者遗传图解 21 三体的产前检查 胎儿染色体检查孕妇血清标记物检查由于大多数21 三体的母亲小于35岁 又不可能对所有孕妇做羊水染色体检查 所以检查孕妇血清标记物不失为一种实用的方法 血清标记物为 AFP 甲胎蛋白 UE3 雌三醇 HCG 绒毛膜促性腺激素 检出率为48 83 假阳性率为5 荧光原位杂交 FRIS 引物原位扩增 PRINS 二 Edward综合征 18三体综合征 发病率为1 25000 女性多余男性 病率与母亲年龄有关 45 患儿在一个月内死亡 90 患儿在六个月内死 临床表现 严重畸形 出生不久死亡 宫内发育迟缓 羊水过多 平均出生体重仅2243克 头长 枕凸 眼距宽 眼球小 嘴小 颈短 皮肤松弛 手呈特殊握拳状 摇椅足 智力严重低下 核型 47 XX XY 1880 为纯合型 10 为嵌合型 其他为各种易位 特殊握拳式 三 Patau综合征 13 三体综合征 发病率为1 25000 女性多余男性 发病率与母亲年龄有关 45 患儿在一个月内死亡 90 患儿在六个月内死 临床表现 发育畸形 较21 三体和18 三体更严重 小头 兔唇 腭裂 小眼 多指 趾 宫内发育迟缓 出生体重轻 低耳位 摇椅足 智力严重低下等 核型 47 XX XY 1380 的病例为纯合型 其次为易位型 少数为嵌合型 四 猫 叫综合征 5p 综合征 发病率为1 50000 在常染色体结构畸变中占首位 大部分患者能活到儿童期 少数可到成年 临床表现 患儿在婴幼儿时期的哭声似小猫叫 喉部畸形 松弛 小头 鼻塌 低耳位 牙错位咬合 手足小 肾畸形 脑积水 肌张力亢进 智力严重低下 核型 46 XX XY del 5 5p15 80 为纯合体 10 为不平衡易位 少数为环型染色体和嵌合体 二 性染色体病 由性染色体数目或结构畸变引起的疾病称为性染色体病 性染色体病占所有染色体病的1 3 总发病率为1 500 大多数到青春期因第二性征发育时才显现出症状 性染色体病的共同特征 性征发育不全或畸形 智力较低 一 先天性睾丸发育不全综合征 Klinefelter综合征 发生率约占男性的1 800 1 700在精神病患者中和收容所中达1 100 不育男性中1 10 临床症状 阴茎和睾丸小 身材高 第二性征差 四肢修长 有部分女性特征 胡须少 无 小喉结 部分伴有尿道下裂和隐睾 1 4患者有乳房发育 纯合体中97 不育 因曲精小管玻璃样变性 无精子 少数有先天性心脏病 大部分患者智力正常或轻度低下 易患糖尿病 甲状腺疾病 哮喘和乳腺癌 嵌合型中正常细胞比例大时 临床表现轻 可有生育力 核型 47 XXY本病纯合体的产生原因1 2是因为父亲形成精子时第一次减数分裂染色体不分离所致 二 XYY综合征 1961年Sandburg首次报道 发病率为1 900 核型为47 XYY 发病原因为父亲减数分裂产生了Y染色体不分离 临床表现 表型一般正常 身材高大 偶见尿道下裂 睾丸发育不良 生育力下降 但大多数可以生育 具有攻击倾向和反社会行为 在监狱中调查发现本病患者较多 47 XYY 三 先天性卵巢发育不全综合征 Turner综合征 核型 为45 X 发病率占女婴中为1 5000在自发流产中占18 20 45 X纯合型发生原因主要是父亲在减数分裂 时XY不分离 形成O型精子受精所致 临床表现 性发育幼稚 身材矮小 120m 140m 肘外翻 上眼睑下垂 后发际低 50 有蹼颈 乳间距宽 皮肤色素增多 性腺为纤维条索状 无滤泡 子宫 外生殖器和乳房幼稚型 智力正常或轻度障碍 55 的病例为纯合型 其他为各种嵌合型和结构异常 如46 X i Xq 嵌合型表现轻者可生育 淋巴样橡皮肿 Turner综合征的核型与症状关系图 研究表明 身材矮小和其他体征是由于Xp单体决定 卵巢发育不全和不育则与Xq单体有关 染色质检查 X染色质和Y染色质均阴性 45 X 四 多X综合征 1959年Jacob首先发现一例47 XXX女性 称为 超雌 发病率占女婴中为1 1000 X染色质有两个 临床表现 大多数正常 可生育 少数卵巢功能低下 原发或继发闭经 乳房发育不良 1 3患者患有先天性心脏病 部分有精神障碍 2 3患者智力稍低 X染色体越多智力越低 畸形也越重 多数为纯合体 少数为嵌合体 均为母方减数分裂染色体不分离 五 脆性X染色体综合征 fragileXsyndrome 把Xq27处有脆性位点的X染色体称为脆性X染色体 fragileX fraX 尤其所致的疾病称为脆性X染色体综合征 1969年 Lubs在X连锁的智力低下家庭中发现 男性发病率1 1000 1 1500 智力低下10 20 大睾丸 长脸 大头 大耳 前额突出 下颌大而前突 嘴大唇厚发音障碍 核型 46 fraX q27 Y ExpansionoftheCGGtripletintheFMR 1geneseeninthefragileXsyndrome Normalpersonshavefrom6to54copiesoftheCGGrepeat whereasmembersofsusceptiblefamiliesdisplayanincrease premutation inthenumberofrepeats normallytransmittingmales NTMs andtheirdaughtersarephenotypicallynormalbutdisplayfrom50to200copiesoftheCGGtriplet thenumberofrepeatsexpandstosome200to1300inthoseshowingfullsymptomsofthedisease Xq27 3处存在致病基因FMR 1 脆性X智力低下基因 1 该基因在5 端非翻译区有一不稳定的 CGG n三核苷酸重复序列 正常人30左右拷贝 智力正常男性传递者和女性携带者50 200拷贝 与其相邻CpG岛未发生甲基化无症状或症状较轻 前突变premutation 原因 患者拷贝序列高达230拷贝 而且相邻CpG岛发生甲基化 全突变fullmutation 全突变可能抑制FMR 1的正常转录 表达 从而出现临床症状 由前突变向全突变转化只发生在母亲CGG序列向后代传递过程中 这种DN