第02章遗传的细胞学基础

第二章遗传的物质基础CytologicFoundationofHeredity。

1865年瑞士化學家米歇爾從病人的脓細胞中分離出核酸的成份。

1879年，德国生物學家弗來明在細胞核內发現了染色质。

1903年，美國細胞學家薩頓發現，細胞染色體的活動方式，與孟德爾所描述的遺傳因子極為類似。因此，是否染色體就是遺傳因子呢？一般來說，生物的染色體數目總是少於性狀表現的數目，所以科學家推測，遺傳因子應該存在於染色體上，也就是說在一條染色體上，會帶有許多不同的遺傳因子！前言：遗传物质发现历程

1909年，丹麥的植物遺傳學家約翰遜開始以「基因」取代「遺傳因子」一詞。

1910年，美國遺傳學家摩根对果蠅的研究，終於證明了基因的確是存在染色體上。

然而，其真正確立DNA是遺傳物質的，是兩組科學家的重要貢獻。一位是英國生物學家格里夫茲所進行細菌轉型實驗；另外是赫希與蔡斯兩位科學家進行的噬菌體實驗，他們相繼地證實了DNA才是真正的遺傳物質，而不是蛋白質染色体蛋白质（66%）RNA（6%）组蛋白非组蛋白DNA（27%）染色体的组成ChromosomescontainproteinandDNA—whichisit?

IstheGeneticMaterialProteinorDNA?一、遗传物质的推测及证据染色体基本结构单位是：核小体2.遗传物质的功能Whatmustgeneticmaterialdo?storageofinformationReplicationExpressionofinformationVariationbymutation－evolutionDNAissimplechemically(4nucleotidesknown);howcoulditthenholdcomplexgeneticinformation?Proteinsaremuchmorecomplicatedchemically(20aa)andmoreabundant;perhapstheyholdgeneticinformation.3.DNA作为主要遗传物质的间接证据DNA含量的稳定性。每个物种不同组织细胞的DNA含量是恒定的，配子中的DNA含量是体细胞的一半;RNA和蛋白质则不同.DNA在代谢上是比较稳定的.用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长均为260nm，这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的4.DNA作为主要遗传物质的直接证据(1)肺炎双球菌转化实验F.Griffith，1928肺炎双球菌2种类型:S和R,S致病.死亡是有S型活细胞引起转化:就是指一种生物或者细胞接受了另一种生物或者细胞的遗传物质而表现出后者的遗传性状,或发生遗传性状改变的现象.其中提供遗传物质的细胞称为供体,接受的称为受体.1944,Avery在重复上述实验的同时,而且用化学方法证明了转化因子是DNA(2)T2噬菌体

感染实验

Hershey-ChaseExperiment，1952(美国冷泉港卡内基遗传学实验室)颈部尾鞘能够感染细菌的病毒称为噬菌体噬菌体DNA+蛋白外壳DNA含P元素蛋白含S元素噬菌体去除蛋白外壳感染过程仍可进行5.RNAistheGeneticMaterialinRNA

Viruses烟草花叶病毒，TMV的重建试验.TMV=RNA+蛋白质由此可见只有RNA决定子代遗传特性和蛋白成分RNA和蛋白质感染烟草,

发现只有RNA能感染烟草RNase处理,则不能感染烟草总结：以上实验证明核酸是遗传物质二、遗传物质的组成和结构核酸：一种高分子化合物，核苷酸的多聚体。有脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类。核苷酸的构成：五碳糖、磷酸、环状含氮碱基核糖1、核酸的组成碱基的种类：双环结构的嘌呤：腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）单环结构的嘧啶：胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（T）嘌呤嘧啶ATGC

胞嘧啶2、DNA分子的结构特点及构象（1）DNA分子的结构特点●

DNA分子是由两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行于同一轴上，很像一个扭曲的梯子。●

DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接（手拉手）构成基本骨架，也就是梯子的两扶手。●两扶手的走向为反向平行。●梯子的横档为排列在内侧的碱基，碱基通过氢结合，并以互补配对原则配对，A-T，C-G，●双螺旋直径2nm，baseare0.34nmapart，10base/turn。糖-磷酸键在螺旋外侧,A=T、G≡C，碱基对平面与轴线垂直。双螺旋中存在大沟、小沟。B-DNA：为DNA在生理状态下的构型，右手双螺旋构型（沃森和克里克模型），每螺旋为10个核苷酸对。A-DNA：为DNA的脱水构型，右手螺旋，每螺旋为11个核苷酸对。Z-DNA：为左手螺旋，每个螺旋含12个核苷酸对。（2）DNA的构象变异（1）RNA的分子结构3、RNA分子的结构特点（2）RNA二级结构：单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构，螺旋部分称为“茎”或“臂”非螺旋部分称为“环”，在螺旋区，A与U配对，G与C配对。

tRNA三叶草形状的二级结构：RNA三叶草型的二级结构可分为：氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、TΨC区和可变区。除氨基酸接受区外，其余每个区都含有一个突环和一个臂。如图所示：（3）tRNA的

三级结构：倒“L”形，所有的tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，这有利于携带的氨基酸的tRNA进入核糖体的特定部位。三、DNA复制亲代双链DNA分子在DNA聚合酶的作用下，分别以每单链DNA分子为模板，聚合与自身碱基可以互补配对的游离的dNTP,合成出两条与亲代DNA分子完全相同的子代DNA分子的过程1、DNA半保留复制

拆开的两条单链，以各自为模板，从细胞核内吸取与自己碱基互补的游离核苷酸，进行氢键结合，在酶系统的作用下，连接起来，各自形成一条新的互补链。Meselson-StahlExperimentDNA半保留复制

的证据

2、DNA复制的半不连续性3、DNA复制起点和复制方向原核生物：多数只有一个复制起点。真核生物：有多个起点。子链DNA延伸方向DNApolymerasereactsonthe3’endonlyNewDNAelongationfrom5’to3’directionppp

OHC5’OHTCA+TCA

C5’

OH3’+

ppi4、DNA复制的方式（1）从头起始方式(denovoinitiation)或称复制叉式(replicationfork)Lagging落后（2）共价延伸方式

(covalenceelongation)或称滚环方式

(rollingcircle)课本P125、DNA复制的过程(1)DNA双螺旋的解链(2)DNA合成的开始(3)一条DNA链连续合成，一条链不连续单链DNA结合蛋白:如果没有SSB,分开的单链又会结合起来解旋酶/引物酶拓扑异构酶引物酶:RNA聚合酶-DNA引物酶:先合成5-60个核苷酸RNA引物,提供3’断自由-OH,然后合成DNA拓扑异构酶:DNA复制时,双螺旋解旋,随着解链的进行,DNA复制叉前面会形成一种张力,这种张力由拓扑异构酶消除,拓扑异构酶I,只对双链的一条进行切割,产生切口(nick),每次切割去除一个螺旋;拓扑异构酶II,对双链进行切割,每次切割去除2个螺旋,ATP提供能量.拓扑异构酶能够催化DNA链的断裂和结合，从而控制DNA的拓扑状态.切刻平移6、DNA复制酶(1)解旋酶(2)拓扑异构酶(3)引发酶:合成引物RNA(4)DNA聚合酶:III(主要校正功能)III(合成功能)(5)连接酶人工体外ＤＮＡ合成(化学法—课本P15)ＰＣＲ：“聚合酶链反应”（polymerasechainreaction，PCR）分子标记测序7、DNA复制理论的应用1、有丝分裂(mitosis)四、遗传物质的传递细胞周期(cellcycle)有丝分裂的过程有丝分裂的遗传学意义有丝分裂的特殊性(1)细胞周期

(cellcycle)从一次细胞分裂结束开始，经过物质积累过程，直到下一次细胞分裂结束为止，称为一个细胞周期。又称细胞生活周期(celllifecycle)或细胞繁殖周期(cellreproductivecycle).间期:合成前期G1

第一时间间隔期S期

DNA合成合成后期G2

DNA合成后至核分裂开始之间M期

细胞分裂期:前\中\后\末24小时1小时10小时8小时5小时(2)有丝分裂的过程可分为四个阶段，前期、中期、后期、末期●前期(prophase)

染色体开始逐渐缩短变粗，形成螺旋状。当染色体变得明显可见时，每条染色体已含有两条染色单体(chromatids)，互称为姐妹染色单体(sisterchromatids)，通过着丝粒把它们连接在一起。至前期末，核仁(nucleoli)逐渐消失，核膜开始破裂，核质和细胞质融为一体。染色体核仁中心体早前期(earlyprophase)(图例为洋葱根尖切片)每条染色体已含有两条染色单体染色体缩短变粗，每条染色体已含有两条染色单体晚前期(lateprophase)纺锤体核仁逐渐消失，核膜开始破裂，核质和细胞质融为一体。纺缍丝●中期(metophase)在此期纺缍体(spindle)逐渐明显，这个鸟笼状的结构在核区形成，由细胞两极间一束平行的纤丝构成。着丝粒附着在染色体上，染色体向细胞的赤道板(equatorialplane)移动着丝粒●后期(anaphase)着丝粒纵裂为二，姐妹染色单体彼此分离，各自移向一极。染色体的两臂由着丝粒拖着移动，这时染色体是单条的，称为子染色体●末期(telophase)

末期子细胞的染色体凝缩为一个新核，在核的四周核膜重新形成，染色体又变为均匀的染色质，核仁又重新出现，又形成了间期核。末期结束时，纺缍体被降解，细胞质被新的细胞膜分隔为两部分，结果产生了两个子细胞，其染色和原来细胞中的完全一样。早前期晚前期早后期晚后期末期中期间期间期早前期晚前期中期后期末期形成两个子细胞(3)有丝分裂的遗传学意义●

核内每个染色体准确地复制分裂为二，形成的两个子细胞在遗传组成上与母细胞完全一样.●

通过有丝分裂能够维持生物个体的正常生长和发育(组织及细胞间遗传组成的一致性)；并且保证了物种的连续性和稳定性(单细胞生物及无性繁殖生物个体间及世代间的遗传组成的一致性)●

线粒体和叶绿体中DNA也具有遗传物质的功能，并且能够复制、分配到子细胞中，但它们在细胞质中的分布不均匀，在细胞分裂时分配也不是均等的，因而与染色体决定的遗传表现具有不同的遗传规律(4)有丝分裂的特殊性

●多核细胞：细胞核进行多次重复分裂，细胞质不分裂，形成一个细胞中（质）具有多个核。

●核内染色体分裂：核内染色体分裂（染色线连续复制），而细胞核不分裂，形成多线染色体或巨型染色体。如果蝇的唾腺染色体。2、减数分裂(meiosis)有关概念减数分裂的过程减数分裂过程中染色体的变迁减数分裂的主要特点减数分裂的遗传学意义减数分裂与有丝分裂的区别●减数分裂:

是在性母细胞成熟时，配子形成过程中所发生的一种特殊的有丝分裂，又称成熟分裂(maturationdivision)。其结果是产生染色体数目减半的性细胞，所以称为减数分裂(1)有关概念（concernedconcept）●同源染色体(homologouschromosome)：

在二倍体生物中，每对染色体的两个成员中一个来自父方，一个来自母方，其形态大小相同的染色体称为同源染色体。不属于同一对的染色体称为非同源染色体(nonhomologouschromosome)。注意与“姐妹染色单体”的区别。●联会(synapsis)：

同源染色体的两个成员侧向连接，像拉链一样地并排配对称为联会。联会始于偶线期，中止在双线期●

联会复合体(synaptonemalcomplex,SC)：

同源染色体联会过程中形成的一种独特的亚显微的非永久性的复合结构。通常出现在偶线期，成熟于粗线期，消失于双线期把同源染色体的两个成员稳定在大约100nm的恒定距离中，是同源染色体配对的必要条件在适当条件下激活染色体的交换●交换(crossingover)：

非姊妹染色单体间发生遗传物质的局部交换●交叉(chiasma)：

非姊妹染色单体间若干处相互交叉缠结，交叉是染色单体发生交换的结果(2)减数分裂过程间期

(interphase)第一次减数分裂

(meiosisⅠ)减数分裂间期

(interkinesis)第二次减数分裂

(meiosisⅡ)前期Ⅰ(prophaseⅠ,PⅠ)中期Ⅰ(metaphaseⅠ,MⅠ)后期Ⅰ(anaphaseⅠ,AⅠ)末期Ⅰ(telophaseⅠ,TⅠ)前期Ⅱ(prophaseⅡ,PⅡ)中期Ⅱ(metaphaseⅡ,MⅡ)后期Ⅱ(anaphaseⅡ,AⅡ)末期Ⅱ(telophaseⅡ,TⅡ)间期

(interphase)性母细胞进入减数分裂前的间期称为前减数分裂间期，也称为前间期(preinterphase)这一时期是为性细胞进入减数分裂作准备染色体复制有丝分裂向减数分裂转化特征：持续时间比有丝分裂间期长，特别是S期较长S期合成约99.7%的DNA，其余的0.3%在偶线期合成前期I(prophaseⅠ,PⅠ)这一时期细胞内变化复杂，所经历的时间较长，细胞核比有丝分裂前期核要大根据核内变化特征，可进一步分为五个时期：细线期

(leptotene，PⅠ1)偶线期

(zygotene，PⅠ2)粗线期

(pachytene，PⅠ3)双线期

(diplotene，PⅠ4)终变期

(diakinesis，PⅠ5)第一次减数分裂(meiosisⅠ)细线期

(leptotene，PⅠ1)染色质浓缩为细长线状，核仁依然存在。在细线期和整个的前期中染色体持续地浓缩每个染色体含有两染色单体，由着丝点连接，但在光学显微镜下还不能分辨染色单体偶线期

(zygotene，PⅠ2)各同源染色体相互靠近，沿其长轴相互紧密结合在一起，出现联会现象配对的两条同源染色体紧密结合在一起所形成的复合结构，称为二价体(bivalent)。细胞内二价体的数目(n)就是同源染色体的对数粗线期

(pachytene，PⅠ3)染色体进一步缩短变粗，同源染色体配对完毕，联会复合体的结构完全形成二价体中的每一个染色体含有两条染色单体(chromatids)即姊妹染色单体(sisterchromatids)，因此，每一二价体具有四条染色单体，又称为四联体(tetrad)非姊妹染色单体间可能会形成交叉(chiasmata)或交换(crossingover)现象，同源染色体发生片段交换，同源染色体间发生遗传物质重组一个来自蝗虫的四联体结构，示5个交叉双线期

(diplotene，PⅠ4)染色体继续缩短变粗。重组阶段结束，二价体中的两条同源染色体相互分离。同源染色体的四联体结构清晰可见在非姐妹染色单体间可见交叉结，交叉结的出现是发生过交换的有形结果。交叉数目逐渐减少，在着丝粒两侧的交叉向两端移动，这种现象称为交叉端化双线期二价染色体终变期

(diakinesis，PⅠ5)染色体变得更为浓缩和粗短。由于端化的结果，常可见“O”形或“+”形的一对同源染色体二价体在核内分散分布，是鉴定染色体数目的最好时期１．细线期３．粗线期４．双线期２．偶线期５．终变期前期I细线期偶线期粗线期双线期终变期中期Ⅰ(metaphaseⅠ,MⅠ)核仁和核膜消失，纺锤体形成，纺锤丝附着在着丝点上并将二价体拉向赤道板位置每个二价体的两个同源染色体分布在赤道板的两侧，同源染色体的着丝点分别朝向两极在二价体趋向赤道板的过程中，两条同源染色体的排列方向(着丝粒取向)是随机的从纺锤体的极面观察，各二价体分散排在赤道板的附近，因而这也是可用于鉴定染色体数目的重要时期之一后期Ⅰ(anaphaseⅠ,AⅠ)纺锤丝牵引染色体向两极运动，使得同源染色体末端脱开，一对同源染色体分别移向两极每极具有一对同源染色体中的一条(共有n条染色体)，使得子细胞中染色体数目从2n减半到n此过程并不进行着丝粒分裂，没有发生染色单体分离末期Ⅰ(telophaseⅠ,TⅠ)染色体到达两极之后，松散变细，逐渐形成两个子核细胞质也随之分裂，形成两个子细胞，称为二分体(dyad)ProphaseIMetaphaseIAnaphaseITelophaseI减数分裂间期

(interkinesis)两次减数分裂之间的一个短暂停顿时期。并不普遍存在，在很多生物中没有这一阶段与有丝分裂的间期相比的特点：时间很短暂。在许多动物之中，甚至没有明显的停顿和间歇存在不进行DNA复制。减数分裂间期前后细胞中DNA的含量没有变化染色体的螺旋化程度较高第二次减数分裂

(meiosisⅡ)第二次减数分裂是第一次分裂所产生的两个子细胞继续进行同步分裂，与有丝分裂没有实质区别,仍可分为前、中、后、末四个时期以着丝点来计算染色体的条数，减数分裂Ⅰ可称为“减数分裂”(reductiondivision)，而减数分裂Ⅱ则称为“等数分裂”(equationaldivision)GrowthMitosisI,CytoplasmicdivisionMeiosisII,Cytoplasmicdivisionspermatids(haploid)secondaryspermatocytes(haploid)primaryspermatocyte(diploid)spermato-gonium(diploidmalereproductivecell)精子发生Spermatogenesis卵子发生OogenesisGrowthMeiosisI,CytoplasmicdivisionMeiosisII,Cytoplasmicdivision卵子(n)ovum(haploid)初级卵母细胞(2n)primaryoocyte(diploid)卵原细胞(2n)oogonium(diploidreproductivecell)次级卵母细胞(n)secondaryoocyte(haploid)第一极体(n)firstpolarbody(haploid)三个极体(n)3polarbodies(haploid)卵母细胞(oocyte)：在卵子发生过程中进行减数分裂的卵原细胞。分为初级卵母细胞、次级卵母细胞和成熟的卵母细胞，它们分别是经过一次、两次和三次减数分裂的产物。一个卵原细胞经过有丝分裂形成一个初级卵母细胞，初级卵母细胞减数第一次分裂形成一个次级卵母细胞和一个极体，次级卵母细胞减数第二次分裂形成一个卵细胞和一个极体，同时上一个极体也减数第二次分裂成为两个极体，最后三个极体都消失，只留下卵细胞。从卵巢的切面上可以看到卵巢的外层(皮质)中有许多大大小小、代表不同发育阶段的卵泡(ovarianfollicles)。最年幼的卵泡中央是一个较大的细胞，即初级卵母细胞(primaryo极体(polarbody):雌性生殖细胞形成过程中经过两次成熟分裂，形成一个大型的单倍体卵细胞和2～3个小型的细胞，这些小型的细胞称为极体次级卵母细胞(secondaryoocyte):是初级卵母细胞经过减数分裂得到的,所以次级卵母细胞内的染色体数为初级卵母细胞的一半,染色体组的数目也只有初级卵母细胞的一半,核DNA数也只有初级卵母细胞的一半人类生命周期Lifecycleofhumans(3)减数分裂过程中染色体的变迁前期Ⅰ中期Ⅰ

染色体数为2n

其中每个染色体具有两条染色单体后期Ⅰ中期Ⅱ

染色体数目由2nn

每个染色体仍保持有两条染色单体后期Ⅱ末期Ⅱ

染色体数目为n

在后期Ⅱ，每个着丝粒都一分为二，随后每个染色体的单体分开。进入每个子细胞中去的只是一条染色单体(n)中期I后期I末期I中期II后期II2nnnnn（4）减数分裂的主要特点：具有一定的时间性和空间性：是在生物个体性成熟后，动物性腺和植物造孢组织细胞中进行连续进行两次分裂：遗传物质经一次复制，连续两次分裂，导致染色体数目减半,两次连续的核分裂分别称为第一次分裂和第二次分裂。每次分裂都可以分成前、中、后、末四期。其中最复杂和最长的时期是前期I，又可分为细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期。此期同源染色体经历了配对、联会、交换，从而使遗传物质进行了重组每个子细胞遗传信息的组合是不同的。（5）减数分裂的遗传学意义保证了亲代与子代之间染色体数目的恒定性双亲性母细胞(2n)经过减数分裂产生性细胞(n)，实现了染色体数目的减半雌雄性细胞受精结合为合子，又恢复为全数的染色体(2n)，为后代的正常发育和性状遗传提供了