第二节  染色体
    一、染色体的形态特征和类型 
    染色体是细胞核中最重要的组成部分，在细胞分裂的间期，由于染色体分散于细胞核中，故一般只看到染色较深的染色质，而看不到一定形态特征的染色体。各物种的染色体都有特定的形态特征。在细胞分裂过程中，染色体的形态和结构表现为一系列规律性的变化，其中以有丝分裂中期染色体的表现最为明显和典型。因为这个阶段染色体收缩到最粗最短的程度，并且从细胞的极面上观察，可以看到它们分散地排列在赤道面上，故通常都以这个时期进行染色体形态的认识和研究。
    1．染色体的大小
    不同物种和同一物种的染色体之间大小差异都很大。而染色体大小主要指长度而言，在宽度上同物种的染色体大致是相同的。一般染色体长度为0.2～2.0μm。在高等植物中，单子叶植物一般比双子叶植物的染色体大些，但双子叶植物中牡丹属（Paeonia）和鬼臼属（Podophyllum）例外，有较大的染色体。玉米、小麦、大麦和黑麦的染色体比水稻的大；而棉花、苜蓿、三叶草等植物的染色体较小。
    2．染色体的形态
    根据细胞学观察，染色体外形多数都包含下列4部分：
    （1）着丝粒（centromere）：每个染色体必定有一个着丝粒，在细胞分裂时，纺锤丝（spindle fiber）就附着在着丝粒区域，这就是通常所称的着丝点（spindle fiber attachment）的部分。每条染色体着丝粒的位置是恒定的，因为着丝粒的位置直接关系到染色体的形态特征。着丝粒所在的区域是染色体的缢缩部分，称为主缢痕（primary constriction）。
    
    在细胞分裂时，着丝粒对染色体向两极牵引具有决定性的作用。如果某一染色体发生断 裂而形成染色体的断片，这种无着丝粒的断片不能正常地随细胞分裂而分向两极，常丢失。
    （2）染色体臂（arm）：由着丝粒将每条染色体分成两个臂，通常称为长臂（q）和短臂（p）。二者之比称臂比（q/p）或臂率（arm rate）。根据染色体臂的大小形态可识别各种染色体。各物种的染色体臂比均不相同，即使在在同种生物中，每条染色体的臂比也不相同。
    （3）次缢痕（secondary constriction）：在某些染色体的一个或两个臂上还常有另外的缢缩部位，染色较淡。次缢痕的位置和范围，也与着丝粒一样，都是恒定的，通常在短臂的一端。此外，染色体的次缢痕一般具有组成核仁的特殊功能，在细胞分裂时，它紧密联系着核仁，因而称为核仁组织中心（nucleolar organizer）。如玉米第6对染色体的次缢痕就明显地联系着一个核仁；也有生物在一个细胞核中有两个或多个核仁。如人的第13、14、15、21和22号染色体的短臂上都各联系着一个核仁（图2-3）。
    （4）随体（satellite）：某些染色体次缢痕的末端具有圆形或略呈长形的突出体，即随体。它也是识别某一特定染色体的重要标志。
    3．染色体的分类
    根据染色体的形态特征和臂比基本上可将染色体分成4类
    （1）中部着丝粒染色体（metacentrics，M）：着丝粒基本上在染色体的中部，两条臂接近等长，臂比为1.0~1.7。在细胞分裂时，由于纺锤丝的牵引常呈“V”，故又称“V”形染色体。
    （2）近中着丝粒染色体（submetacentrics，SM）：着丝粒略偏中央，两臂长度不等，臂比为1.71~3.0，在细胞分裂时常呈“L”形。
    （3）近端着丝粒染色体（subtelocentric chromosome，ST）：着丝粒远离中央，两臂长度不等，则有一个长臂和一个极短的短臂，因而近似于棒状。臂比为3.01~7.0。
    （4）端部着丝粒染色体（telocentrics，T）：着丝粒在一端，臂比在7.0以上。由于只有一条染色体臂，故亦称棒状染色体。
    另外还有一些颗粒状染色体，非常粗短。
    4．染色体的成对性
    各种生物的染色体形态结构不仅是相对稳定的，而且其体细胞内染色体数目一般是成对存在的。这样一对形态、结构和功能基本相似或相同的染色体，它们一条来自父本，一条来自母本，这对染色体称为同源染色体（homologous chromosome）。同源染色体不仅形态相似，而且它们所带的基因也大多相同，因而位于同源染色体相同位置上的基因常称为等位基因（allele）。在许多动物的物种中，存在一对形态差异较大的同源染色体，即性染色体（sex chromosome），它是指与性别发育有关的一对或一条染色体。在这类细胞中，除性染色体外的所有染色体通称为常染色体（autosome）。至于细胞中形态结构不同的各对染色体之间，则互称为非同源染色体（non-homologous chromosome）。
    5．染色体带纹和染色体组型分析
    近年来由于染色技术的发展，在染色体长度、着丝粒位置、臂比、随体有无等特点的基础上，可以根据染色体的显带表现，区分出各对染色体，并予以分类和编号。如人类的染色体有23对（2n=46），其中22对为常染色体，另一对为性染色体（X和Y染色体的形态大小和染色表现均不同）。目前国际上已根据人类各对染色体的形态特征及其染色的显带表现，把人类染色体统一地划分为7组（A、B、……G），分别予以编号（表2-1）。
    这种对生物细胞核内全部染色体的形态特征所进行的分析，称为染色体组型分析（genome analysis），或称核型分析（analysis of karyotype）。人类的染色体组型分析，对于鉴定和确诊染色体疾病具有重要的作用。
    表2-1   人类染色体的组型分析
    

6．染色体的化学组成
    染色体主要是由DNA、组蛋白、非组蛋白、少量的RNA以及脂类和无机盐构成的，研究染色体精细结构的中心问题主要是DNA和蛋白质的结构关系及其动态变化。而其中的组蛋白对DNA的表达起着抑制作用。
    二、染色体的精细结构
    在真核细胞的间期核中，染色质以细丝状态构成网状，到细胞分裂时多次螺旋成染色体；当分裂完成再转入间期时又解旋松散成染色质。
    至于染色质到染色体的动态变化的研究，从50年代末到70年代初期，许多学者提出过多种假说，但都缺乏充分的证据。自1973年Olins夫妇发现纽体（γ-body）开始，这方面的研究取得了新的突破。科学家们认为染色体动态变化是从DNA到染色质的四级螺旋。
    1．染色质的一级结构——从DNA到核小体
    核小体（nucleosome或称核粒）的核心是由4种组蛋白（H₂A、H₂B、H₃、H₄）各2个分子构成的扁球状体，DNA分子在八聚体组蛋白球体表面盘绕约1.75圈，其长度约140碱基对（base pair，bp），位于组蛋白八聚体核心颗粒表面的DNA称为核心DNA（core DNA）。在相邻的两个核心颗粒之间由长约50~60bp的DNA连接，称为连接DNA（linker DNA），在连接线部位结合一个组蛋白分子H₁。而多个球体连接起来就形成了一个完整的结构，即绳珠状结构。在这一结构中，DNA的长度被压缩了大约7倍。
    一个八聚体上DNA量的多少也因生物和细胞种类的不同而异（表2-2）。
    表2-2     部分物种的八聚体上DNA含量
    

2．染色质的二级结构——从核小体到螺线管（solenoid）
    Finch等（1976）从鼠肝细胞核中制备出平均40个核小体构成的染色质，在EDTA存在时，电镜下可看到直径约10nm的纤维呈松弛的螺旋状；当有定量的Mg² 存在时，出现间隔12~15nm紧密缠绕的螺旋状结构，但是在除H₁的染色质中则看不到Mg² 效应，此结构则为螺线管。
    螺线管是由核小体连接起来的线（核丝nucleo filament）经螺旋化形成的中空线状管结构，它的外径约30nm，内径10nm。相邻螺旋间距为11nm。螺线管的每一周螺旋包括6个八聚体核心球，因此DNA的长度在这级螺旋中被压缩了6倍。
    3．染色质的三级结构——从螺线管到超螺线管（super solenoid）
    据Bak等（1977）的研究，从人胎儿的离体培养的分裂细胞中分离出来的染色体，经温和破坏后，在光学显微镜下可见直径0.4μm、长11~60μm的染色线，称为单位线（unit fiber）。在电镜下观察单位线的不同切面时，了解到它是由直径30nm细线（ 螺线管）螺旋化形成的直径为0.4μm的筒状体，这种圆筒形的单位线则为超螺线管。至此，DNA的长度又被压缩了40倍左右。
    4．染色质的四级结构——从超螺线管到染色体
    经过染色质的三级螺旋形成的超螺线管进一步折叠盘绕，再附加一些RNA或其他蛋白质，形成长约2~10μm的染色体，这为四级结构。此级螺旋过程中，DNA长度被压缩了5倍左右（图2-4，5）。如人的一条染色体中DNA的平均长度约为几cm，而一条染色体只有几μm，所以，从DNA到染色体的4级螺旋过程中，长度缩短了大约8000~10000倍。