人染色体的那些秘密

人染色体的那些秘密

绪论

为什么子女像父母？父母将自己的体貌特征等遗传信息，通过染色体传递给了子女。那什么是染色体呢？染色体（chromosome）是细胞内含有遗传信息（DNA）的物质。对染色体的认识，可追溯到100多年以前的1882年。当时德国细胞学家弗来明（W．Flemming）在研究细胞分裂时，发现细胞核中有易被碱性染料染上颜色的物质，便将它称为染色质（见图1）。

由一个受精卵一分为二，再二分为四，细胞如此分裂形成胎儿的组织器官、系统，最终发育成胎儿。染色质在细胞分裂的过程中，逐渐浓缩变粗变短，呈棒状结构，1888年，德国解剖学家沃德耶（W．Waldeyer）将细胞分裂期呈棒状的染色质称之为染色体（见图2）。从此以后，人们对染色体的认识逐渐增多。在细胞分裂期，染色质高度螺旋化，此时期DNA已复制，故一条棒状的棒状的染色体(染色质浓缩)由2条染色单体（1条染色单体由一根DNA纤丝构成，通过DNA复制，合成了与其DNA信息相同的另一条染色单体）通过一个凹陷的结构（着丝粒）连在一起，这2条染色单体称为姊妹染色单体。

在细胞分裂的间期（经过分裂，2条姊妹染色单体随着着丝粒的纵裂分别进到2个子细胞，1条染色单体就成为1条染色体了），染色体去螺旋化，呈细丝状又成染色质了。

1920年以前，细胞学家观察染色体，主要是将石蜡包埋的组织块切片,然后在显微镜下观察切片上细胞的染色体。一条长而弯曲的染色体可能被切成数段而被误观察成几条染色体，所以染色体数目不易确定。1921年出现了“压片法”，即将组织块放在玻片上，用盖玻片轻压铺平，以便于观察染色体的数目。但染色体数目超过30条后，在狭小的细胞内仍然挤成一团，数目还是不易数清。

不同物种的染色体数目是不同的，人的染色体数目是多少呢？100年多前，遗传学家一直未能确定，直到1921年，美国德克萨斯州的医生，西奥菲勒斯·佩因特 (Theophilus Painter），把因为精神异常而自行阉割的两个黑人和一个白人的睾丸拿来做成了极薄的切片，通过观察这些切片，发现某些已分裂的精细胞（或称雄性配子，为单倍体，n）中似乎有24条染色体（n=24），1923年，他在发表的论文中提出人类染色体的“正确”数目是48条（人是2倍体生物，所以染色体数目 2n=48）。

这一结论，统治了整个人类细胞遗传学长达30多年！人类的近亲：黑猩猩、大猩猩和猩猩都是48条染色体，人的染色体数目也是48条，这个结果似乎毋庸置疑！

1952年的一天，美国德克萨斯大学的美籍华人徐道觉（Hus TC, 1917-2003）博士在对常规组织培养下的人细胞进行观察时，无意中发现显微镜下出现铺展得很好的染色体，令人惊异的是：染色体数目为46条，而不是48条！后来，徐道觉博士花了三个月的时间搞清了“奇迹”出现的原因：一位实验员把实验中的一种溶液的浓度配稀了10倍，误配成低渗溶液（现今使用的低渗溶液是0.075M的氯化钾），细胞膜在低渗溶液中容易涨破，所以染色体容易逸出核膜，铺展良好，清晰可辨。虽然徐道觉博士发现了人类染色体的数目是46条！但由于受到权威人士Painter“人类染色体是48条”这一结论的影响，如此重大发现尽然没有发表，悲！悲！悲!

利用低渗溶液处理染色体标本是人类细胞遗传学和脊椎动物细胞遗传学得以发展的一个重要转折。在此基础上，1955年底，美籍华裔蒋有兴（Joe Hin Tjio，1919-2001）通过实验确认了人的染色体是46条,他的论文“人类的染色体数目”迅速地被发表在1956年1月26日出版的《遗传》杂志上，从而开创了人类细胞遗传学的历史。至此，人类染色体数目，铁板钉钉为46条！

为了更好、更准确地表达人体细胞的染色体组成，1960年，在美国丹佛(Denver)市召开了第一届国际人类细胞遗传学会议，讨论并确立了世界通用的细胞内染色体组成的描述体系--Denver体制。随后，每隔几年举行一次会议，统一完善Denver体制的内容。这个体制（International system for human cytogenetics nomenclature ISCN ⼈类细胞遗传学国际命名体系）规定：按照人染色体的大小和着丝粒的位置，将人的染色体分为A、B、C、D、E、F、G共7个组，编成1—22对常染色体和一对性染色体（X和Y），22 对常染色体男女没有区别，携带的信息相同，而剩下的一对性染色体，男女有别，男性为一条X染色体和一条Y染色体；而女性为一对X染色体。个体的一个体细胞核中的全部染色体所构成的图像称核型（见图3）。男性核型描述为:46,XY。46代表核型中染色体的数目，其后XY是代表性别的染色体组成（女性核型为:46,XX）。

人的一个体细胞核含有23对（46条）染色体，其中23条来源于父亲，另23条来源于母亲。母亲卵子的23条染色体含22条常染色体和一条X性染色体，而父亲精子的23条染色体：或是含22条常染色体和一条X性染色体，或是含22条常染色体和一条Y性染色体。卵子与含X染色体的精子受精，发育成女胎；而与含Y染色体的精子受精，则发育成男胎。所以：生男还是生女，由男性含Y的精子还是含X的精子决定！

人的22 条常染色体加2条性染色体X和Y，再加细胞核外线粒体DNA，就包含了人类的全部遗传信息，有人将X染色体称第23 号染色体，Y染色体称第24号染色体，还将细胞质中的线粒体DNA（MT）称第25号染色体。

核中的各号染色体除大小、着丝粒位置不同外还有自己的带纹特征。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，发现各染色体沿其纵轴可显示出一条条宽窄和亮度不同的横纹带(band)。应用这一显带技术，可将人类的24条染色体(1～22号常染色体加X和Y染色体)显示出各自特异的带纹(如带纹数多、少、亮、暗、宽、窄等)，称其为带型(banding pattern)。用氮芥喹吖因处理的带，称Q带。Q带清晰准确，但标本需用荧光显微镜观察，因荧光持续时间短(0.5～1小时)，故常规使用Q带不便于随时观察、分析。其后研究者发现染色体标本如先经过盐溶液、碱、热、蛋白酶（常用胰蛋白酶）、尿素及去垢剂等不同处理后，再用Giemsa染液染色，也能使染色体沿其纵轴显示深浅相间带纹。用胰蛋白酶处理Giemsa染液染色的G带，带纹清晰，普通光学显微镜就可观察，故多为人类染色体核型分析实验室采用。染色体上为什么会出现深浅不同的带纹呢？那是因为DNA上A-T,或C-G碱基对分布不均匀，A-T富集区域Giemsa染色深，而C-G富集区域Giemsa染色浅（见图4）。

根据人类染色体命名体制，染色体从上往下，上部称为短臂（用p表示，源于法语：petit-小的第一个字母），下部称为长臂（用q表示)。以着丝粒为中心，逐渐远离到上（短臂, p）、下（长臂, q）两臂的末端，无论在长臂还是在短臂，均分为区、带、亚带、亚亚带；远离着丝粒编号的区、带、亚带，其数目逐渐增大（见图5）。p、q、区、带、亚带、以及亚亚带，被称为界标。如图箭头显示之处为X染色体长臂1区3带。

染色体上的区、带、亚带、亚亚带等，犹如地图上的省、市、区、街道等具体位置，一个市区中分布了许多建筑，这些建筑犹如我们的基因，它们各自的位置是相对不动的。染色体上的基因并非均匀分布，就如省会城市的建筑多而密，而偏远山区的建筑稀而少，比如图6B中，小小的19号染色体，携带的基因却很多。多数染色体基因密度(该染色体含基因数/该染色体长度Mb）在5左右，密度大的如19号染色体可达25，密度小的如Y染色体仅1.1。

待续