第八章人类染色体.ppt

医学遗传学 Medical Genetics 第八章 人类染色体,授课人:程龙球暨南大学生命科学技术学院,【目标要求】1掌握人类染色体的结构形态、类型和数目；2掌握人类非显带核型和G显带核型分析及描述方法；3掌握染色体多态性概念及其在医学研究中的应用；4熟悉细胞分裂过程中染色体的传递；5熟悉性染色质和莱昂假说；6了解人类细胞遗传学研究方法和进展。【教学内容】1.人类染色体的基本特征2染色体分组、核型与显带技术【重点难点】人类染色体的数目、结构和形态，性别决定及性染色体,显带染色体核型的表达。,人类染色体(human chromosome),前言人类染色体的基本特征染色体分组、核型与显带技术,前言,染色体（chromosome）是遗传物质(基因)的载体。它由DNA和蛋白质等构成，具有储存和传递遗传信息的作用。,在有丝分裂中期的染色体的形态是最典型的，可以在光学显微镜下观察，常用于染色体研究和临床上染色体病的诊断。,真核细胞的基因大部分存在于细胞核内的染色体上，通过细胞分裂，基因随着染色体的传递而传递，从母细胞传给子细胞、从亲代传给子代。各种不同生物的染色体数目、形态、大小各具特征；而在同种生物中，染色体的形态、数目是恒定的。,对人类染色体的研究已有较长的历史,1888年德国解剖学家Waldeyer根据细胞有丝分裂和生殖细胞减数分裂观察到的现象，提出了染色体这一名词。但由于人类染色体数目较多，且由于技术和方法的限制，使染色体的研究受到一定的限制。1956年Tjio和Leven的实验才确证了人类体细胞的染色体数目为46条。此后染色体技术很快被应用于临床。1959年Lejeune对三例先天愚型或称Down综合征 患儿进行了染色体检查，发现患者比正常人多了一条第21号染色体，从而确诊了第一例染色体病。,1960年发现了慢性粒细胞性白血病患者的Ph小体。1968年Q显带技术问世，并相继出现了各种染色体显带技术，提高了染色体分析的精确性，发现了一些过去所不能发现的染色体结构异常。1976年高分辨显带技术的出现，加速了染色体研究的步伐。80年代末分子生物学研究迅速发展，并与细胞遗传学结合，出现了分子细胞遗传学这一新的研究领域,细胞遗传学的高分辨显带技术可以鉴别亚带、次亚带甚至更小的带纹缺失。分子细胞遗传学的原位杂交技术是综合利用细胞遗传学和分子遗传学技术或结合其他某种技术以解决单独应用细胞遗传学技术无法解决的染色体异常或变异。目前可以从检测单个碱基突变至10kb DNA的缺失，扩大到检测更大的DNA缺失，从基因水平上揭示各种遗传病的本质。,第一节 人类染色体的基本特征,染色质和染色体实质上是同一物质在不同细胞周期、执行不同生理功能时不同的存在形式。在细胞从间期到分裂期过程中，染色质通过螺旋化凝缩（condensation）成为染色体，而在细胞从分裂期到间期过程中，染色体又解螺旋舒展成为染色质。,一、染色质和染色体,（一）染色质（chromatin）,定义：间期细胞核中伸展开的DNA蛋白质纤维。分类：常染色质（euchromatin）异染色质（heterochromatin）,1常染色质和异染色质,常染色质在细胞间期螺旋化程度低，呈松散状，染色较浅而均匀，含有单一或重复序列的DNA，具有转录活性，常位于间期细胞核的中央部位。异染色质在细胞间期螺旋化程度较高，呈凝集状态，而且染色较深，多分布在核膜内表面，其DNA复制较晚，含有重复DNA序列，很少进行转录或无转录活性，为间期核中不活跃的染色质。,1.常染色质与异染色质的特性比较,异染色质又分为两种：一种称为专性异染色质或称结构异染色质（constitutive heterochromatin），结构异染色质是异染色质的主要类型，这类异染色质在各种细胞中总是处于凝缩状态,一般为高度重复的DNA序列，没有转录活性，常见于染色体的着丝粒区、端粒区、次溢痕，以及Y染色体长臂远端2/3区段等。,另一种叫兼性异染色质（facultative heterochromatin），也叫功能异染色质，这类染色质是在特定细胞或在一定发育阶段由常染色质凝缩转变而形成的。在浓缩时，基因失去了活性，无转录功能；当其处于松散状态时，又能够转变为常染色质，恢复其转录活性。如X染色质就是一种兼性异染色质。,2.性染色质（sex chromatin）,X染色质（X chromatin）Y染色质（Y chromatin）,（1）X染色质：1949年Barr等人在雌猫神经元细胞核中发现一种浓缩小体，在雄猫中则见不到这一结构。进一步研究发现，除猫以外，其它雌性哺乳类动物（包括人类）也同样有这种显示性别差异的结构。而且不仅是神经元细胞，在其它细胞的间期核中也可以见到这一结构。称之为Barr小体，也称X染色质。,X染色质A、B、C、D、E：分别为含0、1、2、3、4个X染色质,（2）Y染色质：正常男性的间期细胞用荧光染料染色后，在细胞核内可出现一强荧光小体，直径为0.3m左右，称之为Y小体，也称Y染色质。Y染色体长臂远端部分为异染色质，可被荧光染料染色后发出荧光。这是男性细胞中特有的，女性细胞中不存在。细胞中Y染色质的数目与Y染色体的数目相同。如核型为47，XYY的个体，细胞核中有两个Y染色质。,Y染色质,X染色质的形成可解释如下现象：,为什么正常男女性之间的性染色质存在差异？女性两个X染色体上的每个基因的两个等位基因所形成的产物，为什么不比只有一个X染色体半合子的男性的相应基因产物多？为什么女性杂合子也会得XR疾病？为什么某一X连锁的突变基因纯合女性的病情并不比半合子的男性严重？,Lyon假说（X染色体失活的假说）,失活发生在胚胎发育早期（人类晚期囊胚期）；X染色体的失活是随机的；失活是完全的；失活是永久的和克隆式繁殖的。,人类X染色体上约有1/3的基因可能逃避完全失活,（二）染色体（chromosome）,染色质是由无数个重复的核小体亚单位（nucleosome）构成的 核小体是4种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4各2个分子）组成的八聚体核心表面围以长约146bp的DNA双螺旋所构成的 组蛋白H1位于相邻的两个核小体的连接区DNA表面,从DNA到染色体水平的压缩过程,从DNA到染色体水平的压缩过程,染色质包装的多级螺旋模型 一级结构：核小体二级结构：螺线管(solenoid)三级结构：超螺线管(supersolenoid)四级结构：染色单体（chromatid）,从DNA到染色体水平的压缩过程,长度压缩（8400倍）,压缩7倍 压缩6倍 DNA核小体螺线管 压缩40倍 压缩5倍 超螺线管染色单体,宽度增加,染色体的骨架-放射环结构模型非组蛋白构成的染色体骨架(chromsomal scaffold)和由骨架伸出的无数的DNA侧环。30nm的染色线折叠成环,沿染色体纵轴,由中央向四周伸出,构成放射环。由螺线管形成DNA复制环,每18个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带(miniband)。微带是染色体高级结构的单位,大约106个微带沿纵轴构建成子染色体。,二、人类染色体的数目、结构和形态（一）人类染色体的数目：2n=46条,染色体组（chromosome set)一个正常生殖细胞（配子）中所含的全套染色体称为一个染色体组。基因组（genome）一个染色体组所含的全部基因（遗传信息）。,（二）人类染色体的结构、形态,根据人类染色体着丝粒的位置可将染色体分为3种类型,中着丝粒染色体（metacentric chromosome）亚中着丝粒染色体（submetacentric chromosome）近端着丝粒染色体（acrocentric chromosome）,三、性别决定及性染色体,1.人类的性别决定是XY型；2.Y染色体上有性别决定区（sex-determining region of the Y chromosome，SRY）；3.性别决定区是睾丸决定因子（testis-determining factor，TDF）的最佳候选基因。,性别决定,第二节 染色体分组、核型 与显带技术,一、染色体的研究方法对人类染色体的研究已有很长的历史，1888年德国解剖学者Waldeyer根据细胞有丝分裂和生殖细胞减数分裂观察到的现象，提出了染色体这一名称。但是由于人类染色体数目较多，并且由于当时的技术和方法的限制，对染色体的研究受到一定的影响。尤其是染色体数目的研究结果很不一致。,1923年Painter提出了染色体数目为2n=48的观点，这个结论一直被多数学者所承认。直到1956年，Albert Levan和华裔学者蒋有兴（Joe Hin Tjio）应用秋水仙素（纺锤丝抑制剂）和低渗技术，在流产的胎儿肺组织培养中才确定这些细胞的染色体是46，而不是48条。从此肯定了人类染色体数目为2n=46，这标志着现代细胞遗传学的开始。,（一）染色体标本的制作实验材料可以是体外培养细胞、外周血淋巴细胞、骨髓细胞、胸水细胞、腹水细胞、性腺活检标本、胎儿绒毛标本、实体瘤标本、胎儿羊水细胞以及皮肤、肝、肾等标本。这些细胞标本大都要经过体外培养后制作染色体标本，有的可以直接制作染色体标本，如骨髓细胞、胎儿绒毛、胸水、腹水和性腺活检标本等。,（二）染色体显带与显带技术,显带染色体是染色体标本经过一定程序处理，并用特定染料染色，使染色体沿其长轴显现明暗或深浅相间的横行带纹，称为染色体带，这种使染色体显带的方法，称为显带技术。通过显带技术，使各号染色体都显现出独特的带纹，这构成染色体的带型。每对同源染色体的带型基本相同而且稳定，不同对染色体的带型不同。,人的G带核型,G显带图,人类染色体显带技术,1.Q显带（Quinacrine banding）2.G显带（Giemsa banding）3.R显带（Reverse banding）4.T显带（Terminal banding）5.C显带（Centromeric banding）6.N显带（Ag-NOR，银染核仁形成区)7.高分辩显带染色体技术（HRBC）,Q显带图,G显带图,R显带核型图,人的G带核型,T显带核型图,N显带核型图,高分辩染色体显带技术(850条带）,二、染色体核型,一个体细胞中的全部染色体，按其大小、形态特征顺序排列所构成的图像就称为核型（karyotype）。将待测细胞的核型进行染色体数目、形态特征的分析，确定其是否与正常核型完全一致，称为核型分析（karyotype analysis）。,人类染色体非显带核型图,（一）人类染色体非显带核型非显带染色体核型是按常规染色方法所得到的染色体标本，一般用Giemsa染色，使染色体（除着丝粒和次缢痕外）都均匀着色，因此，非显带染色体核型很难准确鉴别出每一号染色体。,1960年在美国丹佛、1963年在英国伦敦、1966年在美国芝加哥共召开过三次国际会议，确定和制定了人类有丝分裂染色体的识别、编号、分组以及核型描述（包括染色体数目和结构异常的核型描述）等统一的标准命名系统。,染色体分组、核型描述染色体分组 A、B、C、D、E、F、G七组核型描述 包括两部分内容，第一部分是染色体总数，第二部分是性染色体的组成，两者之间用“，”分隔开。正常女性核型描述为：46，XX，正常男性核型描述为：46，XY。,（二）人类染色体显带核型,1968年瑞典细胞化学家Caspersson等应用荧光染料氮芥喹吖因（quinacrine mustard，QM）处理染色体后，在荧光显微镜下可观察到染色体沿其长轴显示出一条条宽窄和亮度不同的横纹，即染色体的带（band）。这一显带技术称Q显带（Q banding），所显示的带纹称为Q带（Q band）。显带技术可将人类的24种染色体显示出各自特异的带纹，称为带型（banding pattern）。,Q显带图,Q显带核型图,G显带核型图,（三）G显带染色体的识别（参考实验指导附录2）G显带核型分析已成为临床常规的染色体病诊断的手段之一。在进行G带带型描述时，“深带”表示被Giemsa着色的带纹，“浅带”表示不着色或基本不着色的带纹。“浓”、“淡”表示深带着色的强度。近侧段、中段、远侧段表示距离着丝粒的远近。,人的G带核型,（四）人类染色体的多态性在正常健康人群中，存在着各种染色体的恒定的微小变异，包括结构、带纹宽窄和着色强度等。这类恒定而微小的变异是按照孟德尔方式遗传的，通常没有明显的表型效应或病理学意义，称为染色体多态性（chromosomal polymorphism）。,人类染色体的多态性常见部位Y染色体的长度变异；D组、G组近端着丝粒染色体的短臂、随体及随体柄部次缢痕区（NOR）的变异；第1、9和16号染色体次缢痕的变异。,Y染色体的长度变异,随体的大小和随体柄的长度,副(次)缢痕：有无长度着色性变异断裂情况(脆性位点)等。,三、人类染色体命名国际体制,1971年在巴黎召开的第四届国际人类细胞遗传学会议以及1972年爱丁堡会议，提出了区分每个显带染色体的标准系统，称为人类细胞遗传学命名的国际体制（An International System for Human Cytogenetics Nomenclature，ISCN），这样对显带染色体有了一个统一的识别和描述的标准，有利于国际间的相互交流。下表为ISCN常用的符号和术语,核型分析中常用的符号和术语,