遗传学与表观遗传学之遗传的细胞基础与染色体病研究策略

1遗传的细胞基础与染色体病研究策略2第一节真核细胞的结构

第二节遗传物质DNA

第三节染色质和染色体

第四节细胞分裂

第五节、染色体形态和染色体畸变

第六节染色体病及研究策略

本章讲授内容3重点内容提示:DNA结构的特征及生物学意义染色质（体）构成减数分裂过程，意义，细胞学基础，同源染色体

以21-三体综合征为例，简述数目异常染色体病产生原因及产前诊断方法。4第一节、真核细胞的结构

细胞是生物（人）体进行生命活动的基本结构和功能单位细胞质高尔基体细胞膜：液态镶嵌，嵌有蛋白，脂质双层溶酶体线粒体内质网核膜细胞核

核仁

染色质（碱性染料着色）遗传信息的载体遗传的物质基础56第二节遗传物质DNA

一、DNA是遗传物质19世纪60年代：发现染色体含有DNA，并能引起遗传性状；20世纪初：倾向于染色体中的蛋白质是遗传物质；1944年，Avery等的肺炎双球菌转化实验证明了遗传物质是DNA，奠定了分子遗传学的基础。7（一）肺炎双球菌的转化实验

R型细菌（粗糙、无毒性）S型细菌（光滑、有毒性）DNA是遗传物质的证据81928年英国F.Griffith等：肺炎双球菌转化（体内）实验91944年美国科学家Avery等人：肺炎双球菌（体外）转化实验肺炎双球菌：光滑菌（S）致病粗糙菌（R）非致病

加热灭活的光滑菌活的粗糙菌活的光滑菌10肺炎双球菌（体外）转化实验11（二）噬菌体转染实验大肠杆菌T2噬菌体12染色体→基因的载体基因→功能DNA序列片段DNA→RNA→protein二、DNA的结构特征及生物学意义131.DNA是由两条多核苷酸链相互逆向缠绕而成的双螺旋长链大分子；基本结构——核苷酸（nucleotide），双螺旋结构体现了遗传物质的稳定性；14

磷酸脱氧核糖碱基脱氧核苷脱氧核苷酸基本结构——核苷酸（nucleotide）的组成15嘌呤Purines嘧啶Pyrimidines胸腺嘧啶Thymine,T胞嘧啶Cytosine,C鸟嘌呤Guanine,G腺嘌呤Adenine,A2.DNA含有4种碱基(碱基对：A=T,G≡C；%相同)；163.碱基有顺序地排列构成DNA序列，编码和储存大量遗传信息；三联体密码子(tripletcondon)→遗传密码单位，

43×109简并性(Degeneracy)：64个密码子→20种氨基酸。174.双螺旋碱基互补结构是DNA复制和修复的基础；半保留复制(Semi-conservativereplication)是遗传物质准确传递的分子基础。185.DNA双螺旋的碱基互补是现代分子生物学核

心技术——“分子杂交”的基础；Southern印迹Northern印迹PCRDNA合成生物芯片

19染色质和染色体是同一种物质，是遗传的物质基础，是基因的载体。HumanChromosome

第三节染色质和染色体20一、染色质和染色体组成和结构染色质(chromatin)：细胞间期核内伸展开的DNA-蛋白质纤维。染色体(chromosome)：有丝分裂阶段，染色质高度螺旋化，紧密盘绕折叠的产物。

DNA(deoxyribonucleicacid)

组蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4）蛋白质非组蛋白

染色质→染色体（分裂间期）（分裂期）

螺旋化

21染色质和染色体是同一遗传物质在细胞间期和分裂期的两种不同形态。22染色体的基本单位是核小体（Nucleosome）

；核心颗粒：四种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各2个分子构成八聚体，外面围绕约146bp的核心DNA；连接区：相邻两个核小体间由50-60bp的DNA相连，其上还结合1个组蛋白H1。

细胞核（d=6μm）→染色体（n=46）→DNA（总长2m）23串珠状染色质24螺线管和超级螺线管25间期染色体:26四级结构:由超螺线管在缠绕折叠——中期染色体（两条染色单体）（直径1400nm,÷5）三级结构：螺线管进一步折叠螺旋化——超螺线管（直径0.4μm,÷40)二级结构：串珠进一步螺旋化，每6个核小体一个螺旋——螺线管（直径30nm,÷6)一级结构：无数个核小体通过一条DNA分子串联起来——串珠状纤维（÷7）动画27二、常染色质和异染色质

染色状态位置转录活性常染色质浅分散疏松核中央有异染色质深致密凝缩核仁核膜低或无组成型异染色质：位置固定，于端粒，着丝粒或NOR;功能型/兼性异染色质：特定阶段由常染色质转变而成，X染色质。28三、性染色质和性染色体人染色体46条（23对），1-22对为常染色体，X染色体和Y染色体决定性别，称为性染色体。X和Y染色体在间期细胞核中以染色质形式存在→性染色质（sex-chromatin）。29X染色质(X-chromatin)正常女性的间期细胞核膜内缘有一染色较深椭圆形1μm大小的小体。又称Barr小体。Barr小体=X染色体数-130Y染色质用荧光染料使正常男性间期细胞核染色后，核内显示一个0.3μm大小的强荧光小体。

Y小体=Y染色质(Y染色体长臂)31性染色体与X染色体失活染色体

大小相连锁疾病DNA标记功能基因其他X很大约250种>1000>300Y很小<20种>70045SRY基因32正常女性有两条X染色体，男性只有一条X染色体（和一条Y），X染色体有数量差异。那么，位于X染色体上的基因产物是否存在差异昵？为什么只有女性才有X染色质而男性没有？为什么某一种X连锁的突变基因纯合子女性的病情并不比半合子的男性严重？1961年，英国的遗传学家Lyon等四人，根据各自的实验提出了X染色体失活假说，后称为Lyon假说，来解释上述问题。33莱昂（Lyon）假说X失活发生在胚胎生命早期失活是随机的失活是完全的失活是永久的和克隆式繁殖的莱昂化--------嵌合体

也就是说在女性细胞中的两条X染色体只有一条有活性，另一条无转录活性，在间期细胞核异固缩而失活。这样男女X连锁基因产物量保持相同水平，这种效应称为剂量补偿。

34需要说明的问题-Lyon假说1）如果一个有缺失的X染色体，优先失活；2）常染色体和X染色体平衡易位的个体中，正常的X染色体优先失活；3）Xchr上的Gene不全部失活，约1/3的gene逃避失活，已知>16个基因逃避失活；4）体细胞X失活是永久的，但在生殖细胞发育中，失活是可逆的；5）细胞中只有一条X染色体有活性，其他均以失活状态存在；35第四节细胞分裂1个受精卵→婴儿（约1012个细胞）→成年（约16×1014

个细胞）生命活动过程中又有许多细胞死亡，由新细胞补充。

细胞分裂

有丝分裂（mitosis）减数分裂（meiosis）36一、有丝分裂（Mitosis）有丝分裂：一个细胞分裂产生两个在遗传上与亲代完全相同的细胞的过程。特点：DNA/染色体复制1次；细胞分裂1次→产生2个子细胞；染色体数目仍是2n。

意义：子代细胞保持了与亲代细胞相同的遗传物质，从而保证了机体所有细胞的染色体数目恒定。37

细胞从上一个有丝分裂结束到下一个有丝分裂结束的全过程→细胞周期（cellcycle）：G1期：RNA和蛋白质合成，是进入S期的前提；S期：DNA合成复制；G2期：加速合成RNA和蛋白质，为M期准备。分裂期前期中期后期末期间期38前期（prophase）：染色质折叠变粗，核仁、核膜消失；中期（metaphase）：典型染色体，排列于赤道板、纺锤体形成，并与染色体着丝粒相连；后期（anaphase）：着丝粒纵裂、染色单体分别移向两极；末期（telephase）：染色体移至两极并分散成染色质，核膜、核仁再现、细胞膜凹陷。39有丝分裂的荧光显微图像40细胞有丝分裂41二、减数分裂（Meiosis）减数分裂：生殖细胞的分裂方式，由此产生男性和女性的配子，即精子和卵子。

特点：

生殖细胞形成过程中（成熟分裂）；

染色体/DNA复制1次，细胞连续2次分裂；

形成精子或卵细胞；

染色体数目减半（2n→1n，单倍体）。

包括：减数分裂Ⅰ＋减数分裂Ⅱ42减数分裂Ⅰ前期Ⅰ：分五段(细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期)中期Ⅰ：四分体排列形成赤道板，纺锤丝与着丝粒相连并朝向两极。后期Ⅰ：同源染色体彼此分离（分离律），同源染色体随机分配到子细胞中去（自由组合律）。末期Ⅰ：染色体达两极，膜、仁重新出现，形成两个子细胞（N）。43减数分裂前期I1、

细线期（leptotenestage）特点：1）染色质—螺旋化—染色体（呈细丝状）；2）染色体已复制，但看不到双重性；3）染色体端粒开始与核膜附着斑相连；

核膜仁核442、

偶线期（zygotenestage）

NO

二价体特点：1）同源染色体发生配对→联会(synapsis)

→联会复合体→二价体。同源染色体（homologouschromosome）：是指大小、形态结构相同，一条来自父，一条来自母方的一对染色体。45联会复合体463、粗线期(pachytenestage)

特点：1）染色体变粗→二价体→四分体（tetrad）2）非姐妹染色单体之间发生交换→交叉，染色体重组/基因重组，互换的细胞学基础。NO四分体474、双线期(dipleoidstage)

NO交叉端化特点：

1）联会的同源染色体相互排斥，并分离。

2）互换后的染色体之间仍存交叉—交叉端化。485、终变期(diakinnesisstage)CM

特点：1）染色体高度螺旋化——短、粗。2）核仁、核膜消失、纺锤体形成。3）交叉移至末端——互换片段。。49中期I中心体纺锤体

特点：

1）四分体排列形成赤道板（自由组合——223）

2）纺锤体与染色体着丝粒盘连接50后期I

特点：

1）同源染色体彼此分离（分离律）

2）同源染色体随机分配到子细胞（自由组合律）

51

末期INO

特点：1）两组染色体分别到达两极，2）一个细胞变成两个细胞，染色体数目减半，3）核仁、核膜重新出现。

52减数分裂II减数分裂II减数分裂I完成后，经过暂短的间期（或不经过间期），不经染色体复制而进入减数分裂II。

与细胞的有丝分裂过程相似.53减数分裂Ⅱ前期II：核仁、核膜消失，每个C中有n个二分体。中期II：各二分体排列在赤道板上。后期II：二分体着丝粒纵裂，形成染色单体，移向两极。末期II：个单分体到达两极，形成两个（四个）子细胞。动画54减数分裂与有丝分裂的比较55减数分裂的意义1)保持物种的稳定性:2n——n——2n2)染色体分离与随机分配——不同生殖细胞形成223=8388608种组合。3)互换——基因重组，有利于DNA修复，基因组稳定性，增加了生殖细胞中染色体组成的差异，增加了遗传物质的组合——遗传物质的多样性——生物的多样性——

进化。4)X、Y染色体经减数分裂形成X、Y两类精子，决定受精卵性别，精、卵形态和功能不同，有利于受精。5)减数分裂中，体现了分离律（后期I）、自由组合律（后期I）、互换（粗线期）的细胞学基础。56第五节、染色体形态和染色体畸变

在染色体狭窄处是着丝粒(centromere,cen),cen将染色体分为短臂(p)和长臂(q)。一、染色体形态57端粒（一）染色体形态学分类随体中央着丝粒染色体,cen位于染色体的1/2处亚中着丝粒染色体,cen位于染色体的5/8处近端着丝粒染色体,cen位于染色体的7/8处58（二）染色体制备与显带

59

正常人外周血或细胞

RPMI1640培养基+15%小牛血清=5ml370C，培养68hr加秋水仙素，培养2~4hr（抑制细胞分裂）收集细胞离心，去上清液（1000rpm/10min）低渗处理，0.075MKCI，370C，25min

预固定，甲醇：冰醋酸=3：1

离心，去上清液（1000rpm/10min）重复固定三次制片，染色，观察，染色体分析1.染色体制备602.染色体显带

染色体显带：经不同的方法处理染色体，经染色后使染色体在纵轴上显示明、暗或着色深、浅相间的横纹即显带（Banding）。这种带对每一条染色体来说都是独特的，可以区分和确认每一条染色体。61显带方法：

G-显带：是最常用的方法。标本经胰蛋白酶处理后，应用Giemsa染色，镜检、分析,显示深染和浅染相间的带纹。6246,XY6346,XX64

常规G-banding使每个单倍体（24条染色体）都可以显示350~550条带，每条带大约代表5x106~10x106bp的DNA。估计平均每3000bp为一个基因，每条染色体可能代表几个或几百个基因.65G-banding：

界标区和带66除G显带外还有：R-显带：反G带Q-显带：荧光显带，同G显带带纹T-显带：末端显带C-显带：着丝粒显带

NOR：特异显示近端着丝粒染色体的核仁组织区67（三）核型（Karyotype）分析

将一个体细胞中全套染色体按一定方式排列起来，构成图像。根据人类细胞遗传学国际命名体制（ISCN），根据染色体的形态、大小和着丝粒的位置将染色体分为七组：

A组：1~3，大B组：4、5大

C组：6~12+X中D组：13~15中

E组：16~18，小，F组：19、20，小

G组：21、22+Y，最小68chr.groups:A:1~3B:4,5C:6~12,XD:13~15E:16~18F:19,20G:21,22,Y69（四）核型的描述

染色体总数，性染色体正常男性46

，XY

正常女性46，XX70二、染色体畸变染色体数目畸变（异常）染色体结构畸变（异常）71（一）染色体数目畸变及产生原因二倍体diploid（2n）：46，XX；46，XY。

整倍体euploid（n或n的倍数）：23、46、69---非整倍体aneuploid（不是n或n的倍数）：增加或减少1条或几条。

（1）三体性trisomy：某号染色体多一个拷贝。如21三体，47，XX，+21。（2）单体性monosomy：某号染色体少一个拷贝。如Turner综合征，45，X。72

三倍体形成原因：双雌受精和双雄受精

73四倍体形成原因：核内复制和核内有丝分裂74

非整倍体是不分离（non-disjunction）的结果，即在细胞分裂时染色体不能正常分开.

减数I不分离减数分裂不分离不分离减数II不分离

有丝分裂不分离（卵裂不分离）751、减数分裂不分离

减数分裂I不分离减数分裂II不分离

减I不分离

减II不分离

精子同源三体性单亲三体型

762、有丝分裂不分离（卵裂不分离）

4646

丢失

46464645

不分离

464647454646454546/47/45嵌合体46/4577二、结构异常

在某种因素的作用下，染色体发生断裂重接，染色体重排，形成特殊结构的染色体。78染色体结构异常类型：

1、缺失deletion-del2、易位translocation-t相互易位罗伯逊易位Robertsoniantranslocation-rob3、等臂染色体isochromosome-iso4、插入insersion-ins5、倒位inversion-inv6、重复duplication-dup7、双着丝粒染色体dicentricchromosome-dic8、环状染色体ringchromosome–r

791、缺失deletion-del

简式46,XX/XY,del(1)(q21)详式46，XX/XY，del（1）（pter→q21）80缺失812、易位translocation-t2q215q31简式46，XY，t（2；5）（q21；q31）详式46，XY，t（2；5）（2pter→2q21：：5q31→5qter；5pter→5q31：：2q21→2qter）82易位8384

D/DD/GG/G1314罗伯逊易位Robertsoniantranslocation-rob8586等臂染色体isochromosome-iso87插入insertion-ins88重复duplication-dup

89ABBA倒位inversion-inv90倒位91双着丝粒染色体

dicentricchromosome-dic92p21q31环状染色体(ringchromosome，r)2q312p2193第六节、染色体病及研究策略（一）自发流产在流产儿中进行染色体研究表明，大约50%或更多的自发流产儿有严重的染色体异常。几乎涉及到所有的染色体，但较为集中在某些染色体的改变。如X染色体、13、18、14、和21。包括三体性、三倍体、四倍体、及单倍体等。一、染色体病危害94（二）出生缺陷

染色体异常的第二大临床后果是出生缺陷，染色体的改变不同，临床表现也不尽相同----综合征。

出生缺陷普遍的特点：生长发育迟缓（growthretardation）

智力低下（mentalretardation）特征性异常体征（specificsomaticabnormalities）95二、常染色体病-Down综合征1866年，英国医生LangdonDown首先描述该病的体征，以其名命名，故称Downsyndrome。法国的细胞遗传学家Lejeune证实，核型中多了一条G组染色体，后来证明是21号，故称为21-三体syndrome。96

1）发病率：1/800，1.25‰，以10亿人口计，1.25‰x10亿=125万。

2）体征：智力发育不全，发育迟缓，面容呆滞，眼距宽，眼裂小，外眼角上斜，鼻根扁平，张口伸舌，流涎水缺乏抽象的思维能力，只会发单音节。常伴有四肢、五官、内脏、皮肤等方面的异常。

50%患者伴有先天性心脏病，是死亡的主要原因。白血病的发病率高于常人20倍。皮肤纹理变异：手掌正常人∠atd400，患者∠atd60～700

脚趾胫侧弓型纹实验室检查：SOD-1酶活性增加50%

9798993）核型100（1）

47，XX（XY），+21（典型的21-三体，占90%，几乎都是新发生的突变）。（2）46，XX（XY）/47，XX（XY），+21嵌合型（轻）（3）

46，XX（XY），-14，+t（14q；21q）14/21易位型1014）原因（遗传学）1）减数分裂不分离：母95%（辐射，甲状腺疾病，传染性肝炎）2）卵裂过程中不分离（mitosis）——嵌合体3）双亲之一是平衡易位携带者，核型为：45，XX（XY），-14，-21，+t（14q；21q）。4）高龄孕妇危险率增高，20岁，1/2000，30岁，1/300，40岁，1/100，45岁，1/50。102103正常14/21平衡易位携带者易位型先天愚形21单体型(流产)14单体型(流产)14三体型(可能致死)1041055）诊断：产前诊断出生后诊断方法：细胞遗传学－染色体分析分子细胞遗传学－FISH

分子生物学－PCR，

SouthernBlot等。106细胞遗传学分子遗传学羊膜腔穿刺、取绒毛107染色体分析10821三体FISH诊断109Down综合征的分子学诊断方法110三、性染色体（病）异常综合征

（一）KlinefelterSyndrome：先天性睾丸发育不全症1942年，Klinefelter首先报道。发病率：1.2/1000体症：小睾丸，曲细精管玻璃样变，不能产生精子，无生育能力，男性副性征发育差，25%的患者有男性乳房发育，身高，修长。（180~190cm，1/50，190~200cm，1/10）。111112核型:（1）47，XXY，（2）48，XXXY，（3）嵌合型46,XY/47,XXY（一恻睾丸正常，可育）。原因（1）卵子发生中XX染色体不分离，XX+Y→XXY，（2）精子发生中XY不分离，X+XY→XXY。113（二）TurnerSyndrome：