第一节
人类染色体

人类对染色体的认识经历了漫长的历史过程，直到1956年，才明确了人类染色体数目为46条，这是由著名细胞遗传学家蒋有兴和莱文首先在胎儿的肺组织培养细胞中发现并确认的。

一、染色体基本特征

（一）染色质与染色体

染色质与染色体是同一物质在细胞周期的不同阶段，执行不同生理功能时呈现的两种不同的存在形式。间期核内细丝状的染色质在进入分裂期后螺旋凝缩，成为粗短的染色体；待分裂结束，又伸展为细长的染色质纤维。

1.染色质的组成与结构 染色质是由DNA和蛋白质共同组成的，其基本结构单位是核小体（nucleosome）。核小体由DNA分子和与之结合的组蛋白共同构成；多个核小体相连形成细长的串珠状纤维，构成染色质的一级结构；串珠状纤维进一步缠绕折叠形成了螺线管、超螺线管、染色单体，即染色质的二、三、四级结构，在此过程中其长度依次压缩了7、6、40和5倍；DNA被压缩为长2~10μm的染色单体。这种包装形式使DNA分子在分裂期能够相对独立准确地分离并进入到子细胞当中。

2.染色质的类型 根据其螺旋化程度和功能的不同，染色质可以分为常染色质和异染色质。

（1）常染色质（euchromatin） 是指在间期核内螺旋盘曲程度较低、着色较浅且具有转录活性的染色质。其含量较高，一般位于间期细胞核的中央区域。在细胞周期中，常染色质于S期早期复制。构成常染色质的DNA主要是单一顺序DNA和中度重复顺序DNA。

（2）异染色质（heterochromatin） 是指在间期核内螺旋盘曲程度较高、着色较深且无转录活性的染色质。其含量较低，一般位于间期细胞核的边缘区域及核仁周围。在细胞周期中，异染色质于S期晚期复制。根据其性质和功能状态的不同，异染色质又包括以下两种：①组成型异染色质或结构异染色质（constitutive heterochromatin）：即在细胞周期的任何时段均处于凝缩状态的异染色质，一般由高度重复序列DNA组成，无转录活性，不编码蛋白质，在中期染色体上一般位于着丝粒、端粒、副缢痕等区域。②兼性异染色质（facultative heterochromatin）：即仅在特定类型的细胞中或在一定发育阶段内存在的异染色质，它是由常染色质凝缩而来的，此状态下不具有转录活性；一般在高度分化细胞内含量较多。兼性异染色质在松散状态时，就可转变为常染色质，并恢复其转录活性。

3.性染色质 在间期核中，性染色体的异染色质部分所显现出来的特殊结构称为性染色质，根据其所在的性染色体的名称，分别命名为X染色质和Y染色质。

（1）X染色质 1949年，Barr等人在雌猫神经元细胞核中发现一种浓缩小体，而在雄猫中见不到这一结构。进一步研究发现，在其他雌性哺乳类动物（包括人类）不同类型细胞的间期细胞核中均可观察到上述小体的存在，称之为Barr小体或X染色质（X-chromatin）（图4-1）。

X染色质位于正常女性间期细胞核的核膜内缘，是一个深染的、直径约1μm的椭圆形小体；在正常男性体细胞中无X染色质。基于这些观察结果，人们开始提出下述疑问：为什么正常男性、女性之间的X染色质有所不同？女性具有两条X染色体，而其中每个基因座位上的一对等位基因所形成的产物为什么并不比只有1条X染色体、属于半合子的男性多？某一X连锁的突变基因纯合子女性的病情为什么并不比半合子的男性严重？1961年，Mary Lyon提出了X染色体失活假说，即Lyon假说，对这些问题进行了解释，其要点如下：①在女性的间期细胞核中，虽然有两条X染色体，但只有1条具有转录活性，而另1条则高度螺旋化，形成异固缩状态的X染色质，失去转录活性；在男性体细胞中，因只有1条具转录活性的X染色体，故没有Barr小体存在。所以男性、女性X染色体的基因产物是基本相等的，这种效应也称为X染色体的剂量补偿（dosage compensation）。X染色质的数目等于X染色体的数目减1，即细胞内只保留1条X染色体具有转录活性。在男性体细胞中因仅含1条X染色体，故X染色质的数目为0。②X染色体的失活发生在胚胎发育早期（人类大约在妊娠第16天）。③X染色体的失活是随机的，异固缩的X染色体可以来自父亲或母亲。④失活是永久、恒定和可遗传的。如果某一特定细胞内失活的X染色体是父源的，那么由此细胞分裂产生的子代细胞中失活的X染色体都将是父源的。

值得注意的是，失活的X染色体上并非所有基因都失去了活性，即不是完全的失活，有一部分基因仍保持着一定的活性，因此X染色体数目异常的个体在表型上是有别于正常个体的。例如：47，XXY 的个体不同于46，XY的个体；47，XXX的个体不同于46，XX的个体；而且含X染色体数目越多时，表型的异常越严重。

（2）Y染色质 正常男性的间期细胞用荧光染料染色后，在细胞核内可出现一直径约0.3μm的强荧光小体，称为Y染色质（Y-chromatin）（图4-2）。Y染色质就是Y染色体长臂远端的异染色质部分，它在被荧光染料染色后发出荧光。因此，Y染色质仅出现于含有Y染色体的男性细胞中，而且其数目与Y染色体的数目相同。女性细胞中则无Y染色质。

细胞核中染色质的性别差异称为核性别（nuclear sex）。核性别的检测可应用于胎儿产前性别诊断；也可通过对疑为性染色体异常的患者的核性别检测来推断患者的病因。

4.人类性别决定的染色体机制 人类的性别是由细胞中性染色体的组成决定的。在人类体细胞所含有的23对染色体中，有22对为常染色体（autosome），每对常染色体在形态、结构和大小上都基本相同；另外1对为性染色体（sex chromosome），即与性别决定有直接关系的X染色体和Y染色体；X染色体的大小位于C组的7、8号染色体之间，而属于G组的Y染色体与21、22号染色体的大小近似，因此这对性染色体在形态、结构和大小上均有明显的差异。男性的性染色体组成为XY，女性的性染色体组成为XX，即男性为异型性染色体，女性为同型性染色体，这种性别决定方式称为XY型性别决定。在生殖细胞的发育过程中，男性可以产生分别含有X染色体和Y染色体的两种类型的精子，其数目相等；女性则只能产生含有X染色体的卵细胞。自然状态下，两种类型的精子与卵细胞结合的机会是均等的，所以男性和女性的比例接近1∶1。

在上述性别决定的机制中，可以看出起关键作用的是精子中含有的性染色体是X还是Y，有Y染色体的存在就可有睾丸的形成，无Y染色体存在就将形成卵巢。其本质是Y染色体短臂上有一个与睾丸分化有关的基因，即男性化的关键基因，称为睾丸决定因子（testis-determining factor，TDF）基因。1990年，Sinclair等发现了位于Y染色体短臂末端的一个特殊区域——性别决定区域Y（sex-determing region Y，SRY），并认为它是TDF的最佳候选基因，该结论已为较多的实验证据所证实。Y染色体由两个具不同功能的区域组成：拟常染色质区（pseudo-autosomal region，PAR）和包含SRY在内的Y特异区。在拟常染色质区，X染色体和Y染色体之间可以发生配对和交换，此区域内的交换并不表现典型的性连锁关系。Y特异区在正常情况下不与X染色体发生交换；一旦发生交换就将会产生XX型男性或XY型女性个体。目前也有证据表明，人类性别决定的机制相当复杂，除SRY基因外，在性别决定中可能还有其他基因的参与和协同作用。

（二）人类中期染色体的形态结构

在有丝分裂中期的细胞中，染色体的形态是最典型的，此时期可以清楚地观察到人类体细胞共含有46条染色体，为二倍体细胞，即2n=46。每条中期染色体均含有两条染色单体（chromatid），互称为姐妹染色单体。两条单体之间在着丝粒处相连，着丝粒区富含重复序列DNA构成的异染色质，并明显凹陷狭窄，称为主缢痕或初级缢痕（primary constriction）；从着丝粒向两端延伸出去的部分称为染色体的臂，较长的称为长臂（q），较短的称为短臂（p）。

根据着丝粒在染色体上相对位置的不同，通常将染色体分为4类：①中央着丝粒染色体（metacentric chromosome），着丝粒位于染色体纵轴的1/2~5/8处。②亚中着丝粒染色体（submetacentric chromosome），着丝粒位于染色体纵轴的5/8~7/8处。③近端着丝粒染色体（acrocentric chromosome），着丝粒位于染色体纵轴的7/8至末端。④端着丝粒染色体（telocentric chromosome），着丝粒位于染色体的端部，形成只有1个染色体臂的染色体（图4-3）。人类染色体只有上述前3种类型。

在染色体长、短臂的末端分别有一特化部位，称为端粒（telomere）。其生物学作用在于维持染色体形态结构的稳定性和完整性，并防止染色体末端的彼此粘着。研究表明，端粒序列的缩短是细胞走向衰老的重要标志，而肿瘤细胞因端粒酶被过度激活，可进行端粒的合成，使细胞得以无限制地增生，从而导致了肿瘤细胞的过度繁殖。每条染色体需有一个着丝粒和两个端粒才能保证其稳定性和突整性。

在某些染色体上，除具有主缢痕外，还有染色较浅的凹陷部位，称为副缢痕或次级缢痕（secondary constriction）。次级缢痕常见于1、9、16号染色体的长臂和近端着丝粒染色体的短臂上，可作为染色体的鉴别标志；位于近端着丝粒染色体短臂上的次级缢痕区域与分裂末期核仁的形成有关，故称为核仁组织区（nucleolar organizing region，NOR）。人类近端着丝粒染色体的短臂末端通过次级缢痕与一球状或棒状小体相连，该小体称为随体（satellite）（图4-4）。随体主要由异染色质组成，其数目和大小是可遗传的，人类具有随体的染色体共有5对，分别为13、14、15、21、22号染色体。

二、染色体分组核型和显带技术

（一）染色体分组核型

一个体细胞中全部染色体所构成的图像称为核型（karyotype）（图4-5）。在染色体病病种日益增多的情况下，为了避免病例描述上的混乱和有利于国际交流，1960年在美国丹佛（Denver）召开的第一届国际细胞遗传学会议上制定了人类染色体的特征描述方法及其分组原则，由此确定的人类染色体命名系统称为Denver体制（表4-1）。根据Denver体制，一个体细胞的23对染色体按照染色体由大到小的顺序及着丝粒的位置，分为7个组，常染色体依次用1~22数字编号，性染色体用X、Y表示。

人类体细胞中正常男性核型为46，XY；正常女性核型为46，XX。

在核型分析的过程中，国际上常用臂比、着丝粒指数和相对长度三个参数进行鉴别。

臂比：染色体短臂与长臂的长度之比，即p/q。

着丝粒指数：短臂占整条染色体长度的百分比，即［p/（p+q）］×100%。

相对长度：某条染色体的长度占一套染色体（22条常染色体+X染色体）总长度的百分比。

（二）染色体显带技术

用Giemsa常规染色的染色体标本，由于着色均匀，各条染色体本身的细微特征无法完全准确地显现出来，因此在进行染色体的鉴别和分析时常常会难于判断。特别是在分析研究染色体的结构畸变，以及要解决一些临床应用问题时，这样的染色方法显然无法满足要求。因此在1959年，Lejeune发现第一例人类染色体病后的10年时间里，人们只发现了10多种染色体综合征，而且主要是染色体数目异常的病例。直至1968年，出现了显带染色技术，大大提高了染色体分析的特异性和准确性；这一技术是将未染色的中期染色体经过一定的预处理，再用不同方法染色，使染色体上出现明显而稳定的染色条带。人类24条染色体（包括1~22号常染色体和X、Y染色体）均有各自特异的带纹，称为带型（banding pattern）。根据其处理方法及显示部位、显色结果的差异，显带技术主要包括以下几种。

1. Q显带 应用荧光染料氮芥喹吖因（quinacrine mustard，QM）处理中期染色体后，在荧光显微镜下可见各染色体沿其长轴显示出一系列宽窄和亮度不同的横纹带，称为Q带（Q banding）。Q带清晰准确，带型鲜明，受制片过程影响较小；但因荧光的持续时间较短（一般为30分钟~1小时），标本无法长期保留，故标本制备后需立即观察并进行显微摄影。

2. G显带 为最常用的显带技术。将染色体标本先经过盐溶液、碱、胰蛋白酶或加热等处理后，再用Giemsa溶液染色，染色体上可沿其长轴显示出与Q带对应的深浅相间的带纹，称为G带（Giemsa banding，G banding）。G带中的深带相当中Q带中的亮带。G带带纹清晰，操作方法也比较简便，且易于观察，又可长期保存，故在染色体分析中应用较为广泛。

3. R显带 将染色体标本置于一定的盐溶液中温育后再进行Giemsa染色，可显示出与G带对应但深浅相反的带纹，称为R带或反带（reverse banding，R banding）。在对某些染色体畸变如缺失或重排等进行检测时，R带与G带相互补充，可使检测结果更为真实可靠。

4. C显带 先用NaOH或Ba（OH） ₂ 等碱液预处理染色体标本使DNA变性后，再将其放入由柠檬酸钠和氯化钠配置的溶液中处理使DNA复性，然后进行Giemsa染色，可特异性显示染色体的着丝粒区域及1、9、16号染色体副缢痕部位的结构异染色质区，并可使Y染色体长臂远侧区段着色，所显示带纹称为C带（centromere banding，C banding）。C带技术可特异性应用于对染色体着丝粒部位的分析研究，并可用于鉴别1、9、16号和Y染色体。

5. T显带 加热处理染色体标本后再用Giemsa染色，所显示的带纹称为T带（terminal banding，T banding）。T显带可特异性显示染色体的末端区域。

6. N显带 用硝酸银染色后，染色体的核仁组织区（NOR）将被特异性深染，称为N带（N banding）。人类的5对近端着丝粒染色体的副缢痕即核仁组织区在N显带中呈现阳性反应。

7. SCE显示技术 作为DNA组分中TdR的类似物，5-溴脱氧尿嘧啶核苷（BrdU）可取代TdR掺入新合成的DNA链中。因此，在人体外周血淋巴细胞培养液中加入BrdU并经过两个增殖周期后，由于DNA是以半保留方式复制的，中期染色体的两个姐妹单体在化学组成上将会有所不同，即一个单体的DNA双链都掺入了BrdU，而另一个单体的DNA双链中仅一条掺入了BrdU；双链均掺入了BrdU的DNA分子螺旋化程度较低，所以在Giemsa染色中着色较浅；而仅一条链掺入了BrdU的DNA分子因螺旋化程度较高而着色较深。如果染色体在特定区域发生了姐妹染色单体交换（sister chromatid exchange，SCE），则该区域的深染和浅染结果将互换。因SCE频率可作为检测DNA损伤的灵敏指标，所以这种显带方法可以帮助我们判断环境中致畸、致突物质的存在与否，并认识其生物学效应。

显带技术的应用，进一步要求对显带染色体有一个国际统一的识别和描述标准，以利于相互之间的交流。为此，1971年在巴黎召开的第四届国际人类细胞遗传学会议及1972年爱丁堡会议上，提出了区分每条显带染色体区带的标准体系，其中包括多种统一的符号和术语，称为《人类细胞遗传学命名的国际体系》（An International System for Human Cytogenetic Nomenclature，ISCN）（表4-2）。

根据ISCN的规定，将每一染色体上具有重要意义的、稳定的、有显著形态学特征的区域定义为界标（landmark）。两相邻界标间的区域称为区（region）；每一区内又以着色强度的亮、暗或深、浅为界分为若干条带（band）。每条染色体均由一系列连贯的区带组成，没有非带区。在进行染色体的区带命名时，无论长臂或短臂，均以近着丝粒一端作为区带命名的起始区域，即“1”区，向着长、短臂末端的方向依次为“2”区、“3”区等；同一区内带的命名也遵循相同的规则，依次为“1”带、“2”带、“3”带等。界标所在的带属于此界标以远的区，并作为该区的第一带。被着丝粒一分为二的带算作分属长、短臂的两个带，分别标记为长臂的1区1带和短臂的1区1带（图4-6）。具体地说，在定义染色体上一条特殊的带时，需依次说明以下四方面的内容：①染色体序号。②臂的符号。③区的序号。④带的序号。例如1p22表示1号染色体短臂2区2带。

对单倍体（22条常染色体和X、Y染色体）中期染色体进行常规G带染色显示的标准带型约为320条带。20世纪70年代后期，由于细胞同步化技术的应用和染色体显带方法的改进，出现了高分辨显带技术（high resolution banding technique）。单倍体染色体组的G带条纹可达到550条带、850条带和1000条带3个级别（图4-7），这是通过将原来的某些带又逐级细分为亚带和次亚带而实现的。描述时，10q11.23即表示10号染色体长臂1区1带第2亚带第3次亚带。高分辨显带技术有助于发现和准确地描述更多的微小的染色体结构畸变，在遗传学研究的理论和临床上均具有广泛的应用价值。