有丝分裂的遗传学意义

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇有丝分裂的遗传学意义范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

有丝分裂的遗传学意义范文第1篇

基因突变是由于DNA分子中发生碱基对的增添、缺失或替换，而引起的基因结构的改变。

基因突变通常发生在DNA复制时期，即细胞分裂间期，包括有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期；同时基因突变和脱氧核糖核酸的复制、DNA损伤修复、癌变和衰老都有关系，基因突变也是生物进化的重要因素之一，所以研究基因突变除了本身的理论意义以外还有广泛的生物学意义。基因突变为遗传学研究提供突变型，为育种工作提供素材，所以它还有科学研究和生产上的实际意义。

（来源：文章屋网 ）

有丝分裂的遗传学意义范文第2篇

关键词 自然流产；外周血；染色体；异常核型

Abstract Objective:To investigate the relationship between self-generating abortion couples and abnormal chromosome which have been inspected in the 240 couples.Methods: Peripherral lymphooytes were detected by cytogeneties method，G-banding，Assayed karyotypes under microscope，take count of 20 karyotypes，analysed 3 of them.Results:31 Abnormal chromosome was found in 240 couples，accounting to 12.9%.Conclusion: The abnormality of chromosome is one of reasons of self-generating abortion， thus， usual chromosome examination is necessary for this kind of valetudinarians.

Key words Self-generating abortion; Peripheral blood; Chromosome; Abnormal karyotypes

人类可识别的自然流产的发生率约为15%［1］。自然流产的定义为在22 W以前妊娠终止(胚胎体重不超过500 g)。随着细胞遗传发展，染色体异常与流产的关系已被人们所重视。我室对2003年1月～2005年11月有流产史的夫妇进行了外周血染色体检查，分析结果如下。

1 对象与方法

1.1 对象240对自然流产夫妇来自我院2003年1月～2005年11月在妇产科、遗传门诊及生殖中心就诊的患者。

1.2 方法取外周血淋巴细胞培养，常规制备染色体，G显带，显微镜下分析核型，计数20个核型，分析3个核型，对嵌合体计数50个核型。

2 结果

240对流产夫妇进行染色体分析，检出染色体异常核型31例，检出率为(6.67%)。

表1 240对流产夫妇染色体异常核型（略）

3 讨论

染色体异常和异态核型是导致自然流产的原因之一。本文对240对流产夫妇进行染色分析，检出染色体异常核型31例，异常检出率为(12.9%)，与国内外报道相仿，结果表明，染色体异常与自然流产有密切关系。染色体易位是引起流产最常见的染色体异常类型，群体中相互易位的频率约为1∶500～1∶625；在自然流产夫妇中，易位的发生率显著增高［2］。平衡易位携带者因有一套完整的遗传物质，因而表现型应当是正常的，由于易位携带者的配子大多不平衡，与正常配子大多不平衡，可有染色体的缺失和重复，与正常配子结合后，子代可为完全或部分三体或单体，多数不能存活而致流产，本文平衡易位携带者中有3例，均表现为2次以上自然流产或早期胚胎停止发育，相互易位染色体携带者具有较高的产生不平衡配子的机率，最终导致早孕失败。因此，流产夫妇查染色体是十分重要的。

x

我室在染色体检查病例中多态性27例，其中发现大Y(Y≥18号)染色体发生率最高，其检出率(11.2%)，目前认为染色体随体区及异染色质区变异属于多态性范畴，该区基因很少，发生变异后一般不会引起临床表型异常，多无明显临床意义，但目前许多学科都倾向于多态现象与异常妊娠有关，在定的的内外环境影响下，这些变异可导致临床表现异常。D、G组随体变异，不育男性近端着丝粒染色体的随体变异高于可育男性，随体差异也可能是造成不育和流产的原因之一［3］。D、G组染色体随体的结构、功能及变异均有可能在染色体不分离及三体的形成中起重要作用。发生机制可能是影响患者生殖细胞的分裂，而且染色体部分缺失的临床症状，较染色体部分重复者更为严重。染色体次缢痕异染色质区是易发生自发和诱发断裂的部位，由于增加或减少的是异染色质，故对个体本身不影响表型，但减数分裂时可能引起其它染色体的不分离导致胎儿染色体异常而流产。Y染色体多态表现为大Y或小Y［4］，具判断标准是以分裂相中的Y染色体与18号染色体或G组染色体相比较。Y≥18，即为大Y≤22即为小Y。大Y染色体的临床效应目前学术界尚无统一的认识，有文章报道这是一种正常的变异，无临床意义。也有学者研究认为大Y来自染色体中DNA过多重复，重复的DNA可能与有丝分裂发生错误有关，从而影响到基因调散分化导致胎儿发育异常。Y染色体表现出长度变异是其长臂远端异染色质部分长度差异造成。该区主要成分是Y染色体特有的串联重复序列DNA，此DNA序列的改变就构成了Y染色体特有的遗传多态现象，但DNA过多的重复可能产生剂量效应，在某些方面与有丝分裂发生错误有关或与基因调节及细胞分化有关，从而导致不良妊娠［5］。本文23例Y染色体长度变异，大多表现为其妻习惯性流产，作者认为Y染色体长度变异与自然流产可能有一定的关系，因此，人类染色体长度变异携带者可进行分类或进一步从分子生物学水平研究和探讨。

导致流产原因很多，有遗传基因缺陷、母体因素、免疫功能异常、环境因素等，其中染色体异常是导致自然流产的重要原因。因此，对于临床上不明原因的流产患者，应常规进行外周血染色体检查，有助于优生优育，降低出生缺陷。

参考文献

［1］ 罗丽兰主编．不孕与不育．北京：人民卫生出版社，1998：287.

［2］Daniel A，Boue A，Callano P，et al.Propective risk in reciprocal translocation heterozygotes at amniocentesis as determined by potentsul chromosome imbalance sizes.Data of the European Collborative Pre-natal Diagnosis Centres ［J］.Prenal Diagn，1986，6:315.

［3］ 张 立，李建平，朱 霖，等.84例性发育异常患者的遗传学分析［J］.中国优生与遗传杂志，1997，5(3)：77～49.

有丝分裂的遗传学意义范文第3篇

关键词：减数分裂 有性生殖 教学策略

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-1578（2015）10-0024-02

减数分裂是有性生殖生物在形成功能性配子的过程中发生的一种特殊的分裂方式[1]，减数分裂过程中染色体的动态变化是遗传学三大遗传规律（分离规律p独立分配规律和自由组合规律）的细胞学基础，贯穿整个遗传学教学的始终。由于涉及的内容相对复杂和抽象，同时又包含许多重要的概念和术语，比较难于理解和掌握，因此一直是现行本科遗传学教学中的一个重点和难点。为了使这门课的内容便于学生理解和掌握，笔者结合自己在教学实践中积累的经验以及一些心得体会，就减数分裂教学过程中的难点进行了探讨，并就相关教学策略提出了一些建议，以期为减数分裂教学提供参考。

1 强化减数分裂的一些基本概念

学生在初学减数分裂这一章节时，对一些基本概念不能正确地理解和掌握。因此，教师应深入浅出地加以点拨。例如同源染色体概念中的“一条染色体来自父方，一条染色体来自母方”，可以进一步做如下解释：体细胞中的染色体是受精作用的产物，而受精作用是卵细胞和融合成受精卵的过程，所以受精卵中的染色体一半来自（即来自父方），一半来自卵细胞（即来自母方）。又如，在讲授减数分裂过程中染色体数目减半时，可以反问学生：“减数分裂过程中染色体数目为什么要减半”？结合减数分裂的生物学意义―染色体在减数分裂过程中的“分”与在受精过程中的“合”，使有性生殖的生物保持了染色体数目的恒定性，如果减数分裂过程中染色体数目不减半，将无法确保物种染色体数目保持恒定，也就无法确保物种的稳定性。此外，对于一些容易混淆的概念，例如交换，交叉，交叉结，二价体，二分体，染色单体，单价体，着丝点，着丝粒等，必须加以比较辨别和归纳整理，在此基础上进一步分析减数分裂与有丝分裂的异同点，以加深学生对减数分裂的理解和掌握。

2 注重对减数分裂中一些重要生物学事件的把握

要了解生殖细胞是通过何种机制确保减数分裂过程中同源染色体正常排列在中期I的赤道板上以及在后期I发生减数分离，就得弄清楚在减数分裂前期I生殖细胞内发生了哪些重要的生物学事件。在减数分裂过程中，DNA复制一次，细胞分裂两次，分别是减数分裂的第一次分裂（减数分裂Ⅰ）和第二次分裂（减数分裂Ⅱ）。第一次分裂涉及同源染色体的分离，子细胞中染色体数目减半，DNA数目减半，因此该过程也称之为减倍性分裂；而第二次分裂，不存在同源染色体，均为姊妹染色单体分离，所以该过程又称为均等性分裂。每次细胞分裂又包括前、中、后、末四个时期。其中前期I又细分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期。只有理清了减数分裂过程中每个阶段的生物学事件，才能对整个减数分裂过程有宏观的把握。

3 加深对减数分裂中遗传规律的理解

减数分裂过程中染色体的动态变化是遗传学三大遗传规律（分离规律p独立分配规律和自由组合规律）的细胞学基础。因此，在进行减数分裂过程的教学时，必须明确强调三大遗传规律所对应的减数分裂阶段及染色体形态，这样才能将减数分裂这一章节与三大遗传规律的章节有机联系起来，让学生在学习减数分裂的基础上掌握三大遗传规律。

减数分裂后期I，同源染色体彼此分离并向两极移动，等位基因随之而分离进入不同的配子，进而随配子遗传给后代，这就是分离规律的细胞学基础。减数分裂使成熟生殖细胞中的染色体数目相较于原始生殖细胞减少一半，受精作用又使得染色体数目恢复到体细胞的数目，染色体在减数分离过程中的“分”与在受精过程中的“合”，维持了有性生殖生物前后代体细胞中染色体数目的恒定性，这也是分离规律的生物学意义。同时在减数分裂后期I，位于非同源染色体上的非等位基因在各自独立分配的基础上，自由组合在一起进入不同配子，这就是独立分配规律也称自由组合规律。

在自由组合规律被发现之后，研究者用更多的物种进行杂交实验，结果发现有一些实验并不符合自由组合规律，事实证明还存在着另一种遗传方式，即连锁遗传。这种连锁遗传通常发生在第一次减数分裂前期I的粗线期至终变期，同源染色体的非姊妹染色单体之间发生片段交换或形成交叉，从而导致后代出现了不同于亲本的重组类型个体。非同源染色体间的自由组合与同源染色体间的交换，使配子遗传多样化，增加了群体的遗传多样性和后代适应性，为物种进化提供了无限的动力和源泉，这是独立分配规律和连锁遗传规律的生物学意义。

因此，熟练掌握减数分裂各个时期染色体的形态特征，理顺其与其它知识点间的关系，可以使教学内容系统化，避免为教某个知识点而教募的情况，同时又能增进学生对减数分裂生物学意义的进一步理解，起到化难为易p举一反三的作用。

4 结合时下研究热点、及时更新知识结构

随着生物学研究的突飞猛进，生物学的知识结构不断的被拓宽和加深。例如减数分裂前期I是当下减数分裂研究的热点，因为在此期间，生殖细胞内发生了同源染色体的配对p联会与重组等重要生物学事件。同源染色体配对是同源染色体通过同源性识别、靠近并置形成二价体的过程。同源染色体联会是同源染色体通过联会复合体稳定结合在一起的过程。同源染色体重组是同源染色体间发生遗传信息交换并形成交叉和交叉结的过程，在此过程中，涉及到交换p交叉p交叉结三个概念。其中交换是遗传学的概念，一般指遗传信息的交换；交叉是分子生物学的概念，是交换的产物；交叉结是细胞学的概念，它是交叉在成熟之后的产物。同源染色体的配对p联会与重组确保了同源染色体在赤道板上的排列、精确分离以及染色体数目的减半，是生殖细胞有别于体细胞的显著特征之一。在传统的遗传学教材中这方面的内容还有所欠缺，我们教学时应注意跟踪国际上最新的研究进展，及时更新教学内容。

5 将科研融入教学

最近十年，水稻减数分裂的相关基因得到了大量的克隆，其突变体中染色体表型也趋于多样化[2]，在教学中，如果结合这些多样化的染色体表型作为正常的染色体表型的对照，将有助于学生更好的理解减数分裂相关机制。首先，可以结合水稻中不同类型突变体中异常染色体形态的观察来帮助学生加强理解。通过这种差异化比较，一方面可以帮助学生更好的理解课本上的知识，同时又可以激发学生的科研兴趣；其次，在课堂教学中充分引入一些科研案例，不仅可以加深学生对课本知识的理解，同时又激发他们的独立思考能力，从而真正做到教学和科研的统一、以科研促进教学的目的。

总之，尽管减数分裂这个知识点只是遗传学理论课和实验课中的一个小方面，但我们通过具体理论知识和实际科研的融汇，理论课堂和实验课堂的有机结合，相关减数分裂机制的探讨和分析，不仅可以大大促进学生对知识的掌握，又可以抛砖引玉，让学生明白任何知识点都不是空洞和毫无关联的，而是切实存在于科研工作者的日常思考中。

参考文献：

有丝分裂的遗传学意义范文第4篇

关键词: 宜昌橙； 体细胞； 染色体联会； 荧光原位杂交； 异染色质

中图分类号：S666．4 文献标志码：A 文章编号：1009－9980?穴2012?雪06－985－05

宜昌橙为（Citrus ichangensis）为芸香科（Rutaceae）柑橘属（Citrus）常绿果树，具抗寒性强、耐贫瘠、矮化，且具有适应性广和抗病性强（尤其是柑橘溃疡病）特点，是非常宝贵的柑橘种质资源和砧木材料，目前对宜昌橙的研究集中在起源、地理分布、砧木利用以及生理特性方面，而对其细胞学研究则相对较少。

染色体在细胞分裂期配对（chromosome pairing），或者称联会（synapsis）往往是生物体形成配子的减数分裂特有现象，是减数分裂的重要特征。Overton[1]和Metz[2]分别于1909和1916年报道了体细胞染色体联会现象。根据体细胞有丝分裂中期和间期染色体距离的测量结果分析，有学者认为某些动物和植物体细胞中同源染色置常常是非随机的相互靠近，并称此现象为体细胞同源染色体配对（somatic pairing），也称为体细胞联合或者联会（somatic association or synapsis）[3]。该领域以往的研究多数是停留在染色体相互靠近这一表面现象的描述和统计，关于染色质或者染色体丝的真正连接和可能发生的基因重组和遗传物质的交换以及联会的机制方面的研究也只是在少数物种中有所涉及。

前期研究发现宜昌橙是体细胞染色体联会很好的材料，不仅可清晰的观察到染色体质或丝之间的连接，且经过初步统计，联会频率达27.1%～40.2%，这为进一步深入研究其联会发生的染色体区域、染色体类型和联会机制创造了重要前提条件。我们从细胞学角度，利用45S rDNA荧光原位杂交技术（（fluorescence in situ hybridization， FISH）对宜昌橙体细胞有丝分裂中期的染色体进行观察和研究，分析了45S rDNA在染色体上的分布位点数目和分布区域，初步探讨了宜昌橙体细胞染色体联会发生的机制，为后续进一步的研究提供借鉴和参考。

1 材料和方法

1.1 材料

1.2 方法

1.2.2 45S rDNA-FISH分析 45S rDNA序列质粒由南开大学惠赠，质粒DNA提取采用北京鼎国的质粒快速提取试剂盒，检测DNA质量用0.8%琼脂糖凝胶电泳；探针（Roche公司）标记使用地高辛随机引物延伸法；原位杂交及杂交信号的检测参照Chen等[5]、Jiang等[6]及Kamstra等[7]的方法，稍作改动。主要包括染色体标本前处理，探针标记，封阻DNA制备，杂交缓冲液配制及杂交，洗脱及信号检测，镜检图像采集。其中染色体制片衬染试剂为DAPI，所激发的荧光为蓝色，抗体结合时均采用Anti-digoxingenin-fluorescein，所激发的荧光为绿色，为了便于图片分析，将衬染颜色模拟转换为红色，因此合成后在信号的区域则显示为黄绿色。

2 结果与分析

3 讨 论

3.1 45SrDNA与宜昌橙体细胞染色体联会

通过分析45SrDNA在染色体分布的数目和定位的位置，可以很好地用于鉴别染色体，同时在系统发育学和物种亲缘关系研究中也是一项很重要的依据。45SrDNA是高度串接重复序列，在基因组上有一对或者几对染色体具有此位点，在染色体上的物理位置具有一定的固定性，可以为研究基因组在分子和染色体水平上的进化提供线索[10]，可以有效地反映种、属间的分化程度[11]。通过FISH技术将45SrDNA在染色体上进行定位，可以为核型分析提供有效的细胞学标记，特别对于染色体较小且形态相近的物种[12]，并且对研究基因组间的关系、进化情况以及在基因组内区分染色体类型也具有重要意义[13]。

本文结合荧光原位杂交技术研究了宜昌橙体细胞中期染色体上45SrDNA在宜昌橙体细胞染色体上的分布区域和染色体的联会进行了比较分析，发现它的分布位点主要是第2对同源染色体的短臂端部或者近端部，及第9对染色体的次缢痕区域。它的分布位点呈现一定的物理位置的固定性。梁国鲁等[9]曾对国家果树种质柑橘圃的60个具有代表性的柑橘属采用Tanaka的分类系统进行分类发现，宜昌橙的随体组来自枸橼的1对缢痕大随体和柚的1个大随体。这与梁国鲁等[9]的研究结果呈现出一致性。

3.2 宜昌橙体细胞染色体联会可能的机制

体细胞染色体联会现象发生的机制，国内外学者的研究报道中尚未形成定论。有学者认为是化学药剂对有丝分裂中期染色体的排列有影响，如秋水仙素，8-羟基喹啉、溴代萘、放线菌酮能增加某些染色体间的距离，而氯霉素则有促进体细胞染色体联会的作用。Avivi等[14]发现秋水仙碱对普通小麦具端着丝粒同源染色体联会现象具抑制作用，在预处理时间相同情况下，着丝粒间的平均距离随处理液浓度的增加而增加。他们认为秋水仙碱破坏了纺锤丝微管蛋白的形成，而抑制同源染色体联会。Singh等[15]在证明了小麦——黑麦体细胞染色体联会现象的同时，也认为化学药物对染色体的预处理并不影响同源染色体的配对。还有学者认为同源染色体的联会现象是一种环境效应，并非生物体固有特性。Ravindran[16]用不同的培养基培养虎眼万年青（Ornithogalun virens），发现根尖细胞同源染色体的联会是些土壤因子后效应，pH值则可能使白的离子发生变化，导致某些染色体紧密连接。但戴灼华等[17]持相反意见，他发现不同地区金色果蝇近缘种品系脑神经节细胞的同源染色体有规律地联会，并认为是果蝇物种的固有特性，而非人为或者化学药物的作用。

也有学者认为是异染色质区段相互吸引并黏合的结果。Ashley[18]对O. virens 花粉生殖核及根细胞染色体的研究发现，经C带技术处理后，未显带的非同源染色体端粒间仍发生联会。有研究表明，染色体联会与间期染色中心有关，而染色中心与中期染色体的结构异染色质一致[19]。所以染色体结构异染色质也可能是促使体细胞染色体联会的一种因素。Avivi等[14]在普通小麦中发现了影响体细胞同源染色体联会的基因，而在植物减数分裂中也发现了一些控制同源染色体联会的基因。这就说明不论在有丝分裂还是减数分裂过程中确实存在基因的调节作用，同时也解释了为什么体细胞染色体的联会现象只在部分物种中发现，而非广泛的现象。

从本实验的结果显示出宜昌橙体细胞染色体联会是非随机的染色体行为，是相对稳定而且是以某种特异同源染色体为主，第2对同源染色体的短臂端部或者近端部，及第9对染色体的次缢痕区域上。通过以上综合分析，提出宜昌橙体细胞染色体联会现象并非随机生物现象，而是宜昌橙固有的细胞学特征；其体细胞染色体联会以同源染色体联会为主，推测可能与异染色质集中区域或者结构形成有关。后续的进一步开展对宜昌橙体细胞染色体高级结构和特殊区域以及异染色质功能的研究具有重要的理论意义和应用价值。

参考文献 References:

[1] Overton. On the organization of the nuclei in the pollen mothercells of certain plants，with especial reference to the permanence of the chromosomes[J]. Annals of Botany，1909，23（1）:19-62.

[2] METZ C W. Chromosome studies on the Diptera: Ⅱ. The paired association of chromosomes in the Diptera and its significance[J]. J Exp Zool， 1916，21: 213-279.

[3] XIONG Zhi-ting. The karyotype of Silphium Perfoliatum Linn and its homologous chromosome random arrangement at mistosis metaphase[J]. Hereditas，1989，11（4）: 5-8.

熊治廷.松香草核型及有丝分裂中期同源染色体随机排列[J]. 遗传，1989，11（4）: 5-8.

[4] CHEN Rui-yang， SONG Wen-qin， LI Xiu-lan. A new method of making sample of plant mitotic chromosome[J]. Acta Botanica Sinica，1979，21（3）: 297-298.

陈瑞阳，宋文芹，李秀兰. 植物有丝分裂染色体制片的新方法[J]. 植物学报， 1979，21（3）: 297-298.

[5] CHEN Q F， ARMSTRONG K. Genomic in situ hybridization in Avena Saliva[J]. Genome，1994， 37: 607-612.

[6] JIANG J M， GILL B S. Sequential chromosome banding and in situ hybridization analysis[J]. Genome， 1993，36: 792-795.

[7] KAMSTRA S A， KUIPERS A G J， DE JEN M J ET Al. The extent and position of homoeologous recombination in a distant hybrid of Alstroemeria: a molecular cytogenetic assessment of first generation backcross progenies[J]. Chromosome，1999， 108: 52-63.

[8] CHEN Rui-yang， AN Zhu-ping， Kenji Taniguchi. Chromosome atlas of Chinese principal economic plants Tomus ⅠChromosome atlas of Chinese fruit trees and their close wild relatives[M]. Beijing:International Academic Publishers，1993: 440-443.

陈瑞阳，安祝平，谷口研至. 中国主要经济植物染色体图谱第一册中国果树及其野生近缘植物染色体图谱[M]. 北京: 万国学术出版社，1993: 440-443.

[9] LIANG Guo-lu，CHEN Quan-you. Studies on the system and evolution of satellite chromosoms in Citrus[J]. Journal of Southwest Agricultural University，1994，16（2）: 106-110.

梁国鲁，陈全友. 柑桔属随体染色体系统演化研究[J]. 西南农业大学学报，1994，16（2）: 106-110.

[10] TAKETA S， HARRISON G E， HESLOP-HARRISON J S. Comparative physical mapping of the 5S and 18S-25S rDNA in nine wild Hordeum Species and cytotypes[J]. Thretical and Applied Genetics， 1999，98: 1-9.

[11] THOMAS H M， HARPER J A， MORGAN W G. Gross chromosome rearrangements are occurring in an accession of the grass Lolium rigidum[J]. Chromosome Research，2001， 9: 585-590.

[12] PEDROSA A， GUERRA M， SOARES FILHO W DOS S. A hierarchy of activation of nucleolar organizer regions in Citrus sinensis （L.）[J] .Osbeck Cytobios， 1997， 92: 43-51.

[13] LIU Bo， CHEN Cheng-bin， LI Xiu-lan， QI Li-wang， HAN Su-ying. Karyotype analysis and physical mapping of 45S rDNA in eight species of Sophora， Robinia and Amorpha[J]. Acta Botanica Yunnanica， 2005 ，27（3）:261-268.

刘博，陈成彬，李秀兰，齐力旺，韩素英. 豆科三属八种植物的核型及rDNA定位研究[J]. 云南植物研究，2005，27（3）: 261-268.

[14] AVIVI L， FELDMAN M， BUSHUK W. The mechanism of somatic association in common wheat， Triticum aestivum L.Ⅰ. Suppression of somatic association by colchicine[J]. Genetics，1969，62: 745-752.

[15] SINGH R J，ROBBELEN G，OKAMOTO M． Somatic association at interphase studied by Giemsa banging technique[J]. Chromosome （Brel），1976，56: 265-273．

[16] RAVINDRON P N. Homologous association in somatic cells of Ornithogalum virens[J]. Cytologia，1977，42: 1-4.

[17] DAI Zhuo-hua，DIAO Fu-shan. The studies of chromosomes in Drosophila auraria comples species found in China and Japan Ⅱthe synapsis of homologous chromosomes in mitosis of Drosophila auraria complex species found in China and Japan[J]. Acta Genetica Sinica，1987，14（6）: 447-454.

戴灼华，刁福山. 中国金色果蝇复合种的染色体研究Ⅱ中国及日本金色果蝇复合种的体细胞同源染色体联会[J].遗传学报，1987，14（6）: 447-454.

有丝分裂的遗传学意义范文第5篇

摘要:

灯刷染色体是存在于除哺乳动物以外几乎所有动物雌配子减数分裂第一次分裂双线期的一种暂时性巨大转录体，因状如灯刷而得名，但在细胞遗传学三大经典染色体研究中关注度最低。它是研究减数分裂时期染色体的结构、组织形式、转录和转录过程的好材料。本文一方面对以上研究及形成机制作一简要综述，另一方面探讨灯刷染色体可能的作用，也即从已有文献表明卵细胞核的灯刷染色体或多倍化为相关生物胚胎发育提供足够的转录产物。最后探讨将其作为一个案例用于遗传学教学的可能性，以激发学生学习遗传学的兴趣。

关键词:

遗传学；细胞遗传学；灯刷染色体；研究进展；遗传学教学

遗传学是生命科学领域中一门兼具理论性和实验性的基础性学科之一，从遗传学发展史上可以清楚地看到一系列经典的研究案例对遗传学的发展起到巨大的推动作用[1]，赋予遗传学新的内容，使遗传学理论不断地完善和提高，从而在更高水平指导遗传学的发展。例如果蝇和豌豆因其丰富的表型在性状遗传研究上成为经典研究案例，奠定了遗传学的初创和发展；唾腺染色体和灯刷染色体因其形体的巨大性和特异的细胞结构，促进了细胞遗传学的发展；以噬菌体为材料促进了生化和分子遗传学的发展；以大肠杆菌为材料的研究揭示了原核表达调控的机制；以拟南芥和水稻为材料解析了植物基因组的特点并促进了植物功能基因组学的研究[2,3]。这些案例还有很多，限于篇幅不一一枚举。不过，关于遗传学发展史上经典案例的研究和关注并不平衡。例如在细胞遗传学三大经典染色体的研究中，关于唾腺染色体和巴氏小体的研究很多，而灯刷染色体(Lampbrushchromosomes,LBCs)的关注度较低。尽管LBCs因拥有数以万计的正在转录的单位而具有了结构的巨大性，但在过去的130多年中公开发表的文献仅有350多篇（projects.exeter.ac.uk/lampbrush）。究其原因可能有四点：一是分离LBCs技术难度较大；二是所使用的仪器是显微镜，而不是时髦的微量移液器，导致学生的兴趣不足；三是可用分离该染色体的典型材料不易取得，多数动物材料都是各国重点保护的动物；四是可能由于偏重理论研究，无法取得足够的经费支持[4]。尽管如此，LBCs的研究仍然取得了令人兴奋的成绩，本文拟沿着LBCs研究的踪迹，比较系统地综述相关生物卵细胞减数分裂第一次分裂双线期染色体的结构、组织形式以及转录等相关知识。最后探讨将这一被忽视的“明星染色体”案例介绍给学生，以期引导学生对LBCs研究的重视，激发他们学习和研究遗传学的热情。

1灯刷染色体的研究进展

1882年，Flemming首先在蝾螈（Notophthalmusviridescens）的卵母细胞中发现了这种结构[5]，十年之后，Rückert(1892)在狗鲨（Chiloscylliumpunctatum）卵母细胞中再次发现了Flemming所描述的结构，因为其形如19世纪的灯刷或20世纪的试管刷而命名为灯刷染色体[6]。典型的LBCs实质上是存在于除哺乳动物以外几乎所有动物（在两栖类、鸟类和昆虫类都有很好的研究）雌配子减数分裂第一次分裂双线期的一种暂时性巨大转录体,大小可以达到5~6mm。细胞核中每个LBCs是二价体（一对同源染色体），核中有几个二价体就有几个LBCs，每个二价体包含四条染色单体，同源染色体通过交叉（Chiasmata）相连。它们具有独特的染色粒—侧环（Chromomere–lateralloop）结构：染色粒串联形成单体的主轴，是遗传惰性区；显著的侧环结构则为转录活性区，包括了成千上万的活性转录单元[7]。随着转录的进展，RNA链不断延长，外形呈“圣诞树”样结构。除了在以上动物的卵细胞中发现LBCs外，在果蝇细胞Y染色体和植物中也有发现，比如在单细胞藻类（Acetabularia）中发现有典型的LBCs结构[8]，其它所报道的植物LBCs不具有典型结构，只是一条较长的染色体，周围有绒毛状的结构。由于LBCs在普通光学显微镜下可以看到，因而它是研究基因组结构和功能的极为理想的实验材料[9]。

1.1灯刷染色体的基本结构和细胞图在普通光学显微镜下，在外观上看每一个典型的LBCs两个同源染色体依靠几个交叉相连，它们分别由无数致密的染色质颗粒或染色粒串成线状，这些颗粒之间有染色质丝相连，在每一颗粒或染色粒处产生1到数个成对的侧环，这就构成了所谓LBCs上的“刷毛”[10]。这些环之所以成对出现是由于姐妹染色单体之间没有任何联系造成的。利用扫描电镜或电镜技术结合免疫技术对来自不同物种的LBCs进行观察，发现侧环是以纤细的染色质为轴，上面覆盖了无数的核糖白（Ribonucleoprotein，RNP）颗粒。由于RNP颗粒相互聚集和沿侧环轴向的卷曲会将正常状态的侧环一步一步装配形成小颗粒、颗粒球和紧密块状物等更高级的侧环结构[11]，因而形成了光学显微镜下可见的巨大染色体。染色粒和连接它们的染色质丝构成了LBCs的轴，轴上最显著的特点就是染色粒–侧环结构，某些有明显特征的侧环往往成为鉴定染色体特异性的界标（Landmark），比如在两栖类中，几乎大部分灯刷染色体都有巨大的侧环，只是位置不同，所以可以区分不同的染色体；另一类是有特异结构的侧环，分为高密度侧环和块状侧环，也存在于很多染色体不同位置中。轴上除了染色粒和侧环外，还有着丝粒、端粒、球体等结构。这些结构常常出现在特定染色体的固定部位，成为鉴别各条染色体的界标[11]。染色粒(Chromomere)是LBCs轴的主要成分。在配对的同源染色体中，染色体轴上染色粒的数目和分布大体相同，但形状不很规则。在最初形成的LBCs上，单体灯刷染色体染色粒的数目可以达到5000个以上，在光镜下染色粒大小从不可见到可见的1µm。据估算，一个有尾目的两栖动物LBCs的染色粒所包含的碱基数目约5~10Mb，而侧环中仅有50~150kb的DNA[10]。染色粒的数目和大小与物种和减数分裂的推进有关，也随侧环转录活性而变化。随着减数分裂的推进，染色粒逐渐变大，数目减少。在早期的LBCs中侧环转录活性高，这时染色粒小，数目多；随着双线期的推进，侧环因转录活性下降而回缩，染色粒彼此融合最终成一条正常的分裂期染色体[12]。侧环(Lateralloop)是DNA活跃转录的区域，仅占整个LBCsDNA总量的0.2%~0.4%，其与染色粒的边界序列有无特异性现在尚不清楚[10]。在两栖类中，它们的长度与C值呈正相关，平均长度为10~15µm，长的可达200~300µm，这些长的侧环具有染色体的特异性。多数侧环上只有一个转录单位，转录方向可以相同或相反，利用转录抑制子的研究发现，这些转录多数由RNApolII启动。侧环的产生并不同步，某些侧环能贯穿LBCs整个发育期；有些仅在个别时期产生，失去转录活性后回缩到染色粒中。激素处理也能影响侧环的伸展和回缩，这点与果蝇的唾腺染色体的蓬突结构类似，其发生机制和意义有待进一步的研究。由于转录产物的种类、数量和堆积状态不同，在某些染色体轴的特定部位可以形成不同类型的侧环，这成为区分不同LBCs的重要界标[13]。LBCs的着丝粒（Centromere）有二种形态：一种是在某些两栖类中称为着丝粒颗粒，在鸟类中则为蛋白体（Proteinbody）,其大小形态与前后染色粒不易区分，另一种主要在两栖类发现，着丝粒和其两侧相邻的染色粒彼此融合而成染色粒棒（Chromomerebar）。先前的报道表明着丝粒颗粒和染色粒棒上均无侧环，最近的报道称某些鸟类的蛋白体有短的侧环产生[14]。关于端粒（Telomere）的观察主要来自鸟类，在姐妹染色单体的末端分别形成端粒环（由染色单体的末端插入邻近的染色粒所致），通常情况下，端粒环是开放的，也存在一个插入一个开放的形式，其大小和长度具种的特性。两侧无侧环，鸡的端粒环含有2个转录单元[15]，关于LBCs着丝粒和端粒可以转录在欧洲水蛙中也得到证实，一些串联重复序列可以在该类结构中大量转录[7]。球体（Sphereorganelles）是LBCs上另一个重要标志，有染色体的特异性，相当于一般染色体的次级缢痕。其直径一般2~10µm，一般包含2~4个[10]。以上这些结构由于在序列组成、位置、结合蛋白以及形成的高级结构上具有染色体或种的差异，结合LBCs的长度差异，现在已经绘出了多种两栖类和鸟类的LBCs细胞图[7]；利用细菌人工染色体–荧光原位杂交（BAC–FISH）技术绘制了鸡LBCs着丝粒区的精细物理图谱[16]，以上这些工作为利用LBCs进行基因组/杂种鉴定、精细遗传/物理图谱绘制、基因定位、转录和转录机制等研究工作奠定了基础。

1.2灯刷染色体的转录与转录进程研究表明转录主要发生在LBCs的侧环上，大量的新生转录产物和相关蛋白结合，形成了光镜下可见的RNP基质。每个侧环由1~数个转录单位组成，所以LBCs上单个转录单位是可视的，这使得他们成为在结构和分子水平上研究转录及其调控机制的优异材料[17]。侧环的类型因RNP基质的大小和类型可以大致分为正常的大环型、颗粒型、球型和块状（Lumpy），它们都是以30nmRNP颗粒为基础逐渐装配而成，为了探明不同结构的侧环与转录活性的关联，对典型的侧环如球型侧环利用放射自显影、转录抑制子结合大分子扩散分析技术进行RNA合成的分析[17]，结果表明在这类侧环中，存在RNA的合成；侧环的延伸与转录活性相关，活性高的时候，侧环增大，活性降低时，侧环回缩到染色粒中；有的侧环中存在数个不同外形的转录单元，这几个转录单位的转录存在速度的差异。用RNA前体标记物作为探针进行原位杂交试验，与大环和颗粒状的侧环相比，球型侧环标记的速度和强度均较弱，推测不同侧环可能具有相异的转录模式，这个问题有待进一步阐明[18]。已有的报道表明不同侧环的演化存在关联性，这同样也可以看作是转录后的调控。电镜实验证明了这些类型的侧环都是由30nmRNP颗粒组成的；热休克（Thermicshock）实验结果显示在低温处理下，趋于向高级侧环结构发展，而在高温处理下，则趋于向去凝缩方向发展；免疫实验也证明侧环形态的多样性与特异蛋白存在关联。例如在蝾螈的卵细胞中发现一个82kD白，利用单抗进行原位杂交试验表明可以和所有类型的侧环结合，但是并不同步。比如，当球状侧环被强烈标记时，大环和颗粒环不被标记，当标记出现在核质中时，所有类型的环不被标记，该结果初步证明了特异的蛋白与侧环的结构演变存在关联[18]。

来自鸟类的实验表明，侧环中一个转录单位约长1~40µm，这些被转录的基因包括了编码基因和非编码基因。一个令人吃惊的事实是一些持家基因在LBCs的转录是被抑制的，比如在鸟类中编码18S、5.8S和28S的基因簇是没有活性的，但散布的该类基因仍然可以被RNApolII转录而不是polI[19]。迄今为止，在两栖类和鸟类LBCs的研究中，发现仅有少数单拷贝基因在此时转录。比如在两栖类LBCs中，已经证实细胞角蛋白（Cytokeratin）、核仁蛋白NO38/B23、c–myc和Eg1是转录的，并发现了它们的转录产物向核质转移[20]。基于DNA/RNA杂交技术的染色体涂抹技术（Chromosomepaintingtechnique）使大规模研究LBCs的转录成为可能，利用改良的该技术BAC–FISH发现许多鸟类LBCs单拷贝的基因可能是转录的。但问题是BAC克隆是大片段插入，包含了单拷贝和多拷贝的信息，所以，要验证更多的单拷贝的表达需要进一步的实验。早期的生化实验证明LBCs转录的主要是非编码的串联重复序列[21]，进一步的调查是利用原位杂交实验证明两栖类LBCs转录的主要是一些微卫星序列。值得注意的是来自鸟类的研究结果，如果出现在侧环中的一个微卫星序列是转录的，那么侧环临近的染色粒里面的同类微卫星串联簇是不表达的，这个结果表明存在一种未知的调控机制启动LBCs侧环中微卫星DNA的转录[19]。来自热带爪蟾的研究发现卵母细胞中还储存大量来自LBCs转录子的稳定内含子（StableintronicsequenceRNA），这些内含子一直到囊胚期都可以检测到，说明在胚胎发育的早期可能发挥重要作用[22]。关于侧环上转录调控机制的研究，早期提出了“通读假说”（Read–throughhy-pothesis）[23]，该假说认为侧环上转录起始于结构基因的启动子序列，到了该基因的终止序列后并不停留，而是继续转录下面的非编码序列，现代遗传学的研究结果否认了该假说。结合基因组和细胞学的证据表明位于鸡LBCs侧环微卫星序列中的反转录转座子长末端重复序列（LTR）启动了微卫星序列的转录，这得到了很多来自两栖类实验的证明。如果这个机制是正确的，侧环的平均长度应该与活跃的LTR启动子的数量呈负相关，这是今后需要阐明的问题之一。初生的转录产物被与RNA成熟相关的蛋白包被，成为附着于侧环上的RNP基质，这种独特的结构为在活体条件下研究侧环转录产物的处理和机制提供了平台。来自生化的证据表明，鸟类LBCs侧环中多数RNP基质含有与RNA成熟相关的组件，如snRNPs、SC35、hnRNP和3’末端处理相关因子。有些RNP基质中没有发现snRNPs组件，这可能是由于在相应的微卫星转录产物中缺少典型的剪切位点所致[19]。

1.3灯刷染色体的作用自从发现LBCs后科学家一直试图理解发生在侧环上大量且有点随意转录的意义，很多人认为这种转录或多或少是没有意义的[20]。Davidson于1986年提出了另一个假说[24]，他认为发生在LBCs上的转录为将来卵母细胞的成熟和胚胎发育提供必要的转录产物，这一假说越来越为科学家重视。可能存在这种情况，LBCs上的转录产物在核膜破裂前是隔离的，当核膜解体后进入了转录后的切割程序，形成两类成熟的编码和非编码RNA分子，这种现象在Masi和Johnson研究LBCs组蛋白的转录过程上所证实[25]。据此推测，成熟编码蛋白质RNA分子可以用于在胚胎基因组启动表达之前，早期胚胎发育所必需蛋白质的合成。至于大量的非编码微卫星序列的命运可以用现代分子生物学的信息来解释。在后生动物中，编码微卫星序列的DNA可以转录形成dsRNA前体，成熟后产生siRNA，这些siRNA是形成组成型异染色质所必需的。那么，可以推测，在拥有LBCs的动物中，非编码微卫星序列的转录产物同样可以dsRNA前体形式储存在卵细胞中，为早期胚胎发育提供siRNA以便维持异染色质的稳定，这种假设的前提是要探明微卫星RNA产物能否出现在受精之后胚胎发育的过程中[19]。值得注意的是拥有典型LBCs的生物胚胎发育过程大部分时间是离体发育，这与胎生的哺乳动物在发育环境上存在巨大差异，因此，在这类生物中LBCs转录与离体后胚胎发育过程是否存在更密切的关联性是值得深入探讨的。1.4灯刷染色体的表观遗传修饰与染色质重塑通过对两栖类和鸟类灯刷染色体的深入研究，我们基本了解了其整体表观遗传的状态。来自两栖类的研究发现这类染色体中包括染色粒和侧环不但缺少组蛋白H1，而且组蛋白H4都呈高度乙酰化状态，这是典型基因组DNA转录活化的特点，实验证明，乙酰化和甲基化修饰组蛋白的尾部都会导致侧环相应状态的改变[19]。关于对LBCs表观遗传修饰的理解一个典型的例子是来自于对6种鸟类卵母细胞LBCsZW的研究[26]。鸟类卵母细胞中性染色体ZW是一个仅通过着丝粒处相连的不对称二价体，Z染色体具有正常的LBCs形态，而富含重复序列的W则仅形成几个较大的染色粒，含有少量的侧环。进一步的研究发现W染色体具备了惰性染色体的特点，比如缺少乙酰化组蛋白H4，富含组蛋白H3K9和H3K27的二甲基化，几个大的染色粒都含有大量的异染色质蛋白1。这些因素共同导致了W染色体在鸟类卵母细胞的发育中高度凝缩的状态[19]。

尽管现在从整体上对LBCs的表观修饰有了一定的理解，但对该类染色体的“建立–维持–再凝缩”的机制了解很少。一个重要的事实是在两栖类和鸟类的LBCs上，不但缺少组蛋白H1，而且也未见参与减数分裂染色质凝缩的拓朴异构酶II。另外一个在维持LBCs形态方面发挥重要作用的蛋白是染色体结构维持（Structuralmaintenanceofchromosomes，SMC）蛋白家族，它们参与了黏连（Cohesin）复合体和凝缩（Condensin）复合体的形成。电镜结合免疫试验证明黏连复合体主要出现在姐妹染色单体两条染色质丝形成的轴上，后者主要在染色粒上发现。这说明，这两种复合体可能对维持LBCs的染色粒–侧环结构发挥重要作用[27]。最新的关于LBCs重建的实验来自将人类的注射进两栖类动物非洲爪蟾的卵母细胞中，结果发现染色体形成了典型的LBCs结构，这一方面说明了两栖类动物卵母细胞中含有重塑哺乳动物非活性染色体的所有因素，另一方面也说明哺乳动物卵母细胞染色体的失活并不是永久的遗传或表观遗传机制造成的。这个实验为进一步鉴定染色质重塑相关的顺式和反式作用因子以及解析其机制提供了研究材料[9]。

2灯刷染色体应用于遗传学教学的现状与思考

对于遗传学内容的传授离不开优秀的案例，生命科学的飞速发展也使得这些案例的内涵得到了丰富和扩展。以优秀案例开展遗传学教学工作可以将复杂的遗传学知识形象化和简单化，便于教师的讲授和学生的理解与记忆[3]，同样也可以使枯燥的遗传学学习变得妙趣横生。LBCs就是遗传学的一个优秀经典的案例，但在遗传学教学中出镜偏低。在作者教学所使用戴灼华等编写的《遗传学》课本中，以LBCs为案例介绍的内容很少[28]，仅在第二版第二章《遗传的细胞学基础》中，作为一种特殊染色体形态进行了简单介绍，一句“LBCs是在光学显微镜下直接观察并识别特殊位置上的单个基因转录活性极为理想的材料”让学生对该案例充满了遐想和期待，但本书后面的遗传学内容均没有发现该案例的身影，因此发掘和使用LBCs案例应用于遗传教学有十分重要的意义。

2.1灯刷染色体在遗传学教学中的拓展以LBCs为案例进行相关遗传学内容教学，我们应首先根据高校遗传学的培养目的和教学目标，在学生掌握了一定的细胞、生化和遗传知识的基础上，结合遗传学的进度逐步有序地加以介绍。在我所教授的遗传学课本中LBCs是作为一类特殊的染色体介绍给学生的，除了介绍了一点关于LBCs的发现和特点外，缺少更加详细的资料。正是由于其可视性的特点，学生除了可以容易的掌握其特殊染色体的特点外，也可以掌握一般染色体具有的特点。其实，随着研究的深入，其涵盖的遗传学知识也越来越多，形成和维持该特殊染色体的原因也越来越清楚。我们在教学过程中是这样介绍的：关于LBCs结构的认识是随着相关技术的发展而不断深入的。19世纪末发现LBCs并不偶然，那时的科学家用光学显微镜寻找适合的染色体材料去研究减数分裂和有丝分裂；随着时代的发展，科学家发现LBCs丰富而富有特色的结构适合细胞图的绘制；电镜和扫描电镜的发明更推动了LBCs结构和染色体组织的认识，知道了更细微结构的形态，比如对侧环结构的认识，发现了侧环结构的复杂性；免疫学和电镜技术的结合，使科学家认识到侧环是由最基本的单位RNP颗粒组成的，经过一步步的装配和折叠形成了不同外形特点的侧环；分子技术、免疫技术和电镜技术的综合运用，使人们认识到侧环白体中RNA主要是微卫星序列的转录产物，但也有少量单拷贝的编码序列RNA。由此引导同学们思考：既然LBCs的RNP基质中主要是编码非编码序列微卫星的RNA，它的作用究竟是什么呢？如果同学们已经知道了微卫星序列最终编码的siRNA参与了异染色质的形成和维持的话，自然会想到在LBCs“再凝缩”阶段可能会发挥作用。关于适合进行细胞图的绘制也可以根据技术的发展逐渐深入：在仅有光学显微镜的早期，只能根据大的界标如侧环、染色粒、着丝粒、端粒等进行简单的作图，用于区分不同的染色体、基因组甚至杂种；随着电镜技术的发展，对LBCs结构认识更加细致，可以绘制更加精细的细胞图；随着染色体涂抹技术的发展，可以将DN段定位到LBCs不同结构中，绘制更加实用的物理图，这将为进行全基因组测序更加全面的认识基因组特点奠定基础。关于LBCs形成和维持原因的介绍可以使学生理解和掌握染色质重塑方面的知识。早期在只有光学显微镜的条件下对它的认识一筹莫展，只能提出假说；但随着免疫技术和分子生物学技术的运用，才认识到存在一些事实：LBCs中组蛋白H1缺失，H4高度乙酰化，染色粒处富含组蛋白H3K9和H3K27的二甲基化，鸟类W染色体几个大的染色粒都含有大量的异染色质蛋白1等等。其实这离完全了解其产生机制还有很远的距离。为了让学生直观地掌握转录相关知识，也可以引入LBCs的相关内容。由于单个转录单位可视性的特点，所以可以直观容易地了解单个转录单位的结构、组成、长度、速率和分子互作等方面的知识。为了学生更容易地理解LBCs相关的遗传学知识，开设LBCs分离和鉴定实验是值得考虑的教学内容。现在国内常用的遗传学实验教材没有这个实验，国外也少有开展。我校生命学院关于该实验正在筹划中，所以待有了一定的进展后再向同仁汇报。更加详细的实验程序可以参照相关网站的内容。