细胞遗传学基础

第一节 细胞的结构和功能 第二节染色体 第三节细胞分裂 第四节动物配子发生与染色体周史 第五节动物性别决定,第二章 细胞遗传学基础,生物,非细胞结构：病毒（如：噬菌体）,细胞结构,原核 细胞,支原体 细菌 蓝藻 放线菌,真核 细胞,所有动物、种子植物 苔藓植物 蕨类植物 藻类植物（水绵、衣藻等） 真菌（如酵母菌、食用菌、霉菌）,原核 生物,如,葡萄球菌 破伤风杆菌 乳酸菌 大肠杆菌 肺炎双球菌 结核杆菌,第一节细胞的结构和功能,一、知识归纳,（一）细胞壁（植物特有）,纤维素核果胶,支持和保护作用,（二）细胞膜,磷脂分子和蛋白质分子,具有一定的流动性,选择透过性膜,自由扩散,主动运输,（三）细胞质,基质 细胞器,双,DNA,RNA,有氧呼吸,两,光合作用,核膜,细胞膜,与蛋白质、脂类和糖类的合成有关,RNA,细胞壁,细胞分泌物,单层,对内环境起调节作用,依据是否有膜的结构及单层膜和双层膜划分,小结细胞器,叶绿体、液泡,中心体,线粒体、叶绿体、核糖体,线粒体、叶绿体,线粒体、叶绿体,核糖体、线粒体、叶绿体,核糖体、线粒体、高尔基体、中心体,核糖体、内质网、高尔基体、线粒体,线粒体、叶绿体、核糖体,氨基酸,脱水缩合,多肽,蛋白质,缠绕折叠,成熟的蛋白质,核糖体,内质网,高尔基体,细胞膜,细胞核,（四）细胞核,1、结构： 核膜（上有核孔）、核仁、染色质 2、染色质（染色体） 成分为蛋白质和DNA,（有丝分裂间期）染色质,高度螺旋,解螺旋,染色体（有丝分裂分裂期）,3、功能：储存遗传物质DNA，在核内进行DNA复制,双层,（五）原核细胞,1、结构特点,1）没有成形的 2）无 ，只有DNA 3）细胞器只含有 4）有细胞壁，成分是,实例：蓝藻、细菌、支原体,核膜,染色体,核糖体,肽聚糖,较小,较大,无染色体 一个细胞 只有一条 DNA,一个细胞 有几条染 色体,无核膜 和核仁,有核膜 和核仁,有核糖体 无其他 细胞器,有核糖体 和其他 细胞器,成分是 肽聚糖,植物细胞 是纤维素 和果胶,有，成分 和结构与 真核细胞 相似,有,二分裂方 式、出芽 无有丝 分裂,能进行 有丝 分裂,区别原核生物和单细胞的真核生物（原生生物）,1、单细胞的原生动物如常见的草履虫、变形虫、疟原虫 2、凡是“菌”字前面有“杆”字、“球”字、“螺旋”及“弧”字的 都是细菌,病毒,1）主要由核酸和衣壳 2）有些病毒的衣壳外面，还有一层蛋白质、多糖和脂类 构成的囊膜 3）每种病毒仅含有一种核酸，DNA或RNA 4）衣壳具有保护核酸、决定病毒抗原特异性功能,第二节 染色体,一、基本概念 1、原核细胞 （ prokaryote ）其DNA存在的区域没有外膜包裹是其主要特征。也无线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体等有膜的细胞器。 病毒、细菌、蓝藻、绿藻等低等生物由原核细胞构成，统称为原核生物。,2、真核细胞（eukaryote）细胞核和细胞器 有膜包被是主要特征。有结构独立的细胞核以及 发育完全的细胞器。 绝大多数生物都是真核生物。,原核生物和真核生物染色体的区别,真核细胞的结构,真核细胞的结构,染色体（Chromosome）在细胞分裂中期可以看到的由染色质聚缩而成的棒状结构，是DNA的载体。容易被碱性染料染色。,3、真核细胞的染色体,染色体的重要性 任何细胞的分裂都要保持遗传物质的连续性，染色体不仅必须精确地复制，而且必须有精密的机制保证把每条染色体的一份复本传递给每个子细胞，否则就会出现遗传的问题（见染色体畸变）。,核小体,常染色质（euchromatin）真核生物染色体在细胞分裂时表现正常浓缩周期变化的部分。在细胞分裂中期就称为染色体。 异染色质（heterochromatin）细胞分裂中呈相对浓缩状态的染色质。,4、染色质,染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量的RNA组成， DNA和组蛋白是染色质的稳定成分。 染色质的基本结构单位是核小体，核小体的核心是由 2（H2AH2BH3H4）组蛋白八聚体组成，长度大约为200bp的DNA双螺旋盘绕于组蛋白八聚体外面，H1组蛋白的作用是将外测DNA进出端封住，稳定核小体结构。,染色质的化学组成和结构,异染色质和常染色质的比较,二、从染色质到染色体,从染色质到染色体,DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体,核小体模式图,染色体的四级结构,串珠模型 一级结构,螺线管 二级结构,超螺线管 三级结构,染色体 四级结构,从染色质到染色体,小结：染色质染色体和基因的关系,染色质是真核生物的遗传物质在细胞分裂间期存在的形式。 染色体是细胞分裂中期遗传物质存在的形式。 二者只是在不同细胞周期的表现形式不同，而不是化学组成的不同。 基因是有功能的DNA片段,它们缠绕和连接着众多的核小体。 因此我们通常说染色体是基因的载体。,三、 染色体的形态结构和数目,（一）染色体的结构,着丝粒和染色体臂 次缢痕和随体 端粒,着 丝 粒,着丝粒（又叫主缢痕）是染色体最显著的特征，碱性染料着色浅，且表现缢缩，它将染色体分成两个臂（长臂q和短臂p）。功能： 把两个姐妹染色单体结合在一起。 是纺锤丝附着于染色体的位点 根据长臂和短臂的比值将染色体分成4类型：,染色体的形态类型,染色体的形态类型,1.001.67 1.683.00 3.017.00 7.01,次缢痕和随体和NOR,除主缢痕外，在染色体上还有其他的浅染缢缩部位称为次缢痕。它的外侧称为随体（见下图）。 核仁组织区（nucleolar organizing region，NOR）位于染色体的次缢痕部位，与核仁形成有关。 用硝酸银染色可以使其特异性着色（Ag NOR ）。,次缢痕和随体,次缢痕,随体,核仁组织区位于此处,端 粒,端粒（Telomere）染色体末端的特化部分，正常染色体不可缺少，将染色体末端封闭起来。由富含G的短的串联重复序列DNA和端粒蛋白构成。端粒的功能主要是保持染色体的完整性和稳定性，与同原染色体的配对有关。现发现与细胞的寿命有关。,（二）染色体核型,核型（karyotype）指染色体在有丝分裂中期的表型，包括染色体的数目、大小、形态特征等。 核型分析对生物染色体进行配对、分组、编号（如下图是家猪的染色体核型） 用途：可以诊断由于染色体异常引起的遗传病、研究亲缘关系、探讨物种进化等。,家猪的染色体核型,男人的染色体分裂相,正常男人的染色体核型,有关概念,1、性染色体（Sex chromosome）有性生殖的同类个体，雌雄性别不同是由于一对染色体的形态不同，这对与性别决定有关的染色体称为性染色体(X、Y；Z、W)。 2、常染色体(Autosomes)不直接参与性别决定的染色体。,家猪的性染色体和常染色体,母猪性染色体,公猪性染色体,（三）研究染色体的材料,处于分裂旺盛期的组织： （1）动物的骨髓、外周血淋巴细胞、睾丸等。 （2）果蝇三龄幼虫的唾腺 （3）植物的根尖（如洋葱）,（四）研究染色体的方法,1、非切片法 滴片法细胞培养材料、骨髓 压片法果蝇唾腺，植物的根尖 2、材料获取 直接获取细胞（骨髓、唾腺） 细胞培养（猪淋巴细胞培养法）,（四）研究染色体的方法（续）,3、碱性染料染色后生物显微镜观察记数 4、拍照、剪贴配对制成核型。 5、染色体分带技术：G 、C、 Ag-NOR等,鸡骨髓细胞染色体核型,用物理、化学因素处理染色体标本,再用染料对染色体进行分化染色, 使染色体上呈现出特定的深浅不同宽窄不一的稳定带纹。,染色体分带技术（1970年发现）,G带,G带热处理染色体制片后，在胰酶液中消化，然后用低浓度的Giemsa染色，可以看到深浅相间的稳定带纹（见图）。施立明（1978）用G带比较研究，发现赤麂和小麂这两种动物有密切的亲缘关系。,人的染色体G带,正常男人的染色体G带模式图,近年来的研究表明，用 Trypsin 处理染色体标本可以从染色体上抽取蛋白质的特定组成部分。 Giemsa 是噻嗪曙红染料，染色首先取决于二个分子同 DNA 结合，在此基础上它们结合一个曙红分子，其次取决于有助于染料沉淀物累积的疏水环境，通过 Trypsin 预处理可以使阴性 G 带区的疏水蛋白被除去或使它们的构型变为更疏水状态。由此可见在 G 带中抽取蛋白往往是疏水的，而且主要来自阴性 G 带区,G带技术的原理,G带技术的用途,1、增加了核型配对的准确性。 2、研究动物亲缘关系和进化（1978年，施立明） 。 3、准确判断染色体的变异部位 4、基因的物理定位（例如用原位杂交法将胰岛素基因定位于11p15） 。,21三体G带核型,原位杂交的步骤,制备中期染色体 DNA原位变性 变性 放射性或非放射性标记探针 杂交（在载玻片上） 洗膜 放射性标记：放射自显影 检测 非放射性标记荧光染料与抗体或蛋白结合 记录杂交信号 结合染色体形态进行基因定位,单色FISH,多色FISH,C 带（用HCL处理染色体）显示的是异染色质区。如着丝粒区域或异染色质部位、次缢痕及 Y（或w） 染色体、染色体其它部位浅染。C带可以用于判断异染色质的部位，禽类的雌雄鉴别。,C带,C带,银染法检测核仁组织者区与随体联会分析。计数银染色阳性的核仁组织者区，观察随体联会情况，可了解有活性的核糖体RNA基因的动态变化及其转录活性。已广泛应于染色体病及某些单基因病和多基因病的鉴别诊断。,银染法（ AgNOR ）,第三节细胞分裂,基本概念 有丝分裂（mitosis） 高等生物细胞的主要分裂方式。细胞周期主要包括有丝分裂过程和两次分裂的间期。 无丝分裂（amitosis）细菌等的主要分裂方式。在高等动物的胎膜、肌肉、肿瘤或愈伤细胞等也进行无丝分裂。,一、基本概念,细胞周期（cell cycle）从一次细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束为止的一段历程。 一个周期包括细胞分裂期（M期）和间期，一般间期大约占细胞周期的9095；分裂期大约占细胞周期的510。细胞的种类不同，细胞周期的长短也不相同。（见下表）,几种真核细胞的周期,间 期,间期为细胞分裂作准备， 间期又分为： G1 RNA和蛋白质的合成，为进入S期作物 质准备。 S DNA合成期，DNA含量加倍。 G2 从DNA合成后到细胞开始分裂前的间 隙期，有少量DNA和蛋白质合成。,细胞周期的遗传调控,细胞周期中一个重要的控制点就是决定细胞是否进入S期。如果在G1后期发生DNA损伤，就会影响G1期细胞周期蛋白及其CDK的作用，从而阻止细胞进入S期，该位点的调控是十分精确的，该控制点的失控往往会导致肿瘤的发生（Russel，2000）。 （CDK依赖于周期蛋白的激酶）。,遗传调控发生在G1期的后期,二、有丝分裂过程,动物细胞有丝分裂,1、前 期,染色质螺旋化、折叠、缩短变粗，向染色体过渡，核仁逐渐消失，核膜裂解。在中心体周围形成放射状星体并向两极移动，开始形成纺锤丝。,2、中 期,中期的开始以核膜破裂消失为标志，染色体达到最大程度的盘绕，形态特征最为典型。染色体向赤道方向移动，排列在赤道板上，纺锤体呈现典型的纺锤样，中期是研究染色体形态和计数的最佳时期。,3、后 期,每条染色体的着丝点分裂为二，这时各条染色单体已经各成为一个染色体。受纺锤丝的牵引，每条染色体分别向两极移动，因而两极各具有与原来细胞同样数目的染色体。,4、末 期,在两极围绕着染色体出现新的核膜，染色体又变得松散细长，核仁重新出现。于是在一个母细胞内形成两个子核。接着细胞质分裂，成为两个细胞，又恢复为分裂前的间期状态。,三、有丝分裂的遗传学意义,1、是多细胞生物生长的基础，所以又称为体细胞分裂。 2、核内染色体准确的复制并分裂为二，保证了子细胞在遗传组成上与母细胞完全一样。保证了物种的连续性和稳定性。,3、由于细胞器在胞质中分布是不均匀的，在分裂时难以保证均等分裂，因此，由线粒体决定的表现是不可能与染色体决定的有一样的遗传规律。,四、 减 数 分 裂,发生在配子形成期的一种分裂方式， 其中染色体复制一次，细胞分裂两次，结果 子细胞的染色体数目减半。,减数分裂过程,前期，中期，后期，末期 前期，中期，后期，末期,减数分裂,减数分裂前期,减数分裂前期变化最为复杂，又被分为5个连续的时期：细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期。,1、细线期,细胞内出现细长染色体，好象一团细线缠绕在一起，此时已经复制为双重结构，但在光学显微镜下难以识别。,2、偶线期,主要特点是同源染色体联会，形成联会复合体。这样联会的一对同源染色体称为二价体(四分体)。, 3、粗线期,二价体进一步凝缩变粗，每个二价体的4条染色单体互相缠绕在一起，在某些部位可能发生非姐妹染色单体之间某些节段的交换（crossing-over）和重组，产生新的等位基因组合。,染色体的形态结构,B,v,v,V,V,B,b,b,减数分裂时, 非姐妹 单体交换时上面的基 因也发生交换。,连锁的基因 在少部分的性母细胞中发生了交换,B,v,b,b,V,V,连锁的基因 在大部分性母细胞中是不交换的,B,v,在大部分性母细胞中 姐妹染色单体是不交换的， 雄果蝇所有的精母细胞都是这样的：,同源染色体及等位基因,姐妹染色单体和非姐妹染色单体,1 2 3 4,4、双线期,染色体继续缩短变粗，联会复合体解体。出现交叉，交叉是交换的结果。这个时期较长，如人的卵母细胞双线期从胚胎期的第五个月开始，到性成熟结束，长的要四十多年，到生育期结束。,5、终 变 期,染色体收缩达到最大程度，是减数分裂时期进行染色体计数的最佳时期。这时可以见到交叉向二价体的两端移动，渐渐接近末端。,减数分裂中期,减数分裂后期,减数分裂末期,注意：在减数分裂末期后有一个短暂的停顿期，称为中间期 （interkinesis），不进行DNA的复制，许多动物没有中间期，直接进入减数。,第四节、动物配子发生 和染色体周史,（一）高等动物配子的形成,雄性的精原细胞和雌性的卵原细胞通过多次有丝分裂产生许多精原细胞和卵原细胞繁殖期。 精原细胞初级精母细胞 卵原细胞初级卵母细胞,生长期,生长期细胞质增多，体积增大，然后进入成熟期（减数分裂期） 1.精子形成：初级精母细胞经过第一次减数分裂产生两个次级精母细胞，再经过弟二次减数分裂产生4个精子细胞。,2.卵子形成：初级卵母细胞经过第一次减数分裂产生两个大小悬殊的细胞，大的叫次级卵母细胞，小的叫极体再经过第二次减数分裂又产生大小不同的两个细胞，大的就是卵细胞，小的叫第二极体。,精 子 的 形 成,精子的形成,卵 子 的 形 成,（二）受精作用,精子 卵子,受精卵,染色体倍数在高等动物生活史中的周期变化,精子（ n ） 卵子（ n ）,受精卵（ 2n ）,成年个体 （ 2n ）,精子（ n ）,卵子（ n ）,小结:减数分裂的特点,1.减数分裂只发生在配子形成期。而有丝分裂几乎在一生中,各种组织中都进行。 2.减数分裂的前期I有同源染色体的联会，非姐妹染色单体可能发生交换，从而使基因重组。 3.减数分裂时染色体复制一次，细胞分裂两次，子细胞中染色体数目减半。,有丝分裂与减数分裂的比较,六、减数分裂的意义,1.减数分裂使染色体数目减半，精卵结合后又恢复成二倍体，从而保证了物种世代间染色体数目的稳定。 2.同源染色体（非姐妹染色单体）的交换和非同源染色体间的随机重组，导致配子的多样性。 3.减数分裂时非姐妹染色单体片段的交换是研究连锁交换的细胞学依据。,第五节动物的性别决定,性染色体与性别决定 1、性染色体 性染色体：在生物许多成对的染色体 中，直接与性别决定有 关的一个或一对染色体 常染色体：其余各对染色 体,以A表示， 同型染色体,2、性别决定方式 雄杂合型: XY型-AA+XX,