染色體

早在1883年，魯克斯（W·Roux）就觀察到細胞核內能被染色的絲狀體。1888年，德國人沃爾德耶（W·Waldeyer）稱這種絲狀體爲“染色體”（英語：chromosome；希臘語：chroma=顏色，soma=體），意即可染色的小體。並猜測染色體與遺傳有關。1902年，博韋裏（T·Boveri）和薩頓（W·S·Sutton）指出，染色體在細胞分裂中的行爲與孟德爾的遺傳因子平行：兩者在體細胞中都成對存在，而在生殖細胞中則是成單的；成對的染色體或遺傳因子在細胞減數分裂時彼此分離，進入不同的子細胞中，不同對的染色體或遺傳因子可以自由組合。因而，博韋裏和薩頓認爲，染色體很可能是遺傳因子的載體。
染色體在細胞分裂之前才形成。在細胞的代謝期或間期，染色體分散成一級結構或伸展開的DNA分子，組成細胞核內的染色質或核質。 染色體的形態以中期時最爲典型。每條染色體由兩條染色單體組成，中間狹窄處稱爲着絲粒（centromer），又稱主縊痕，它將染色體分爲短臂（p）和長臂（q）。按着絲粒位置的不同，人類染色體可分爲中着絲粒染色體、亞中着絲粒染色體和近端着絲粒染色體等3種類型。近端着絲粒染色體的短臂末端有一個叫做隨體的結構，它呈圓球形，中間以細絲與短臂相連。有的染色體長臂上還可看到另一些較小的狹窄區，稱爲次縊痕。染色體臂的末端存在着一種叫做端粒（telomer）的結構，它有保持染色體完整性的功能。 現代關於染色體超微結構的概念.染色體的超微結構顯示染色體是由直徑僅100埃（?）的DNA-組蛋白高度螺旋化的纖維所組成。每一條染色單體可看作一條雙螺旋的DNA分子。有絲分裂間期時，DNA解螺旋而形成無限伸展的細絲，此時不易爲染料所着色，光鏡下呈無定形物質，稱之爲染色質。有絲分裂時DNA高度螺旋化而呈現特定的形態，此時易爲鹼性染料着色，稱之爲染色體。1970年後陸續問世的各種顯帶技術對染色體的識別作出了很大貢獻。中期染色體經過DNA變性、胰酶消化或熒光染色等處理，可出現沿縱軸排列的明暗相間的帶紋。按照染色體上特徵性的標誌可將每一個臂從內到外分爲若干區，每個區又可分爲若干條帶，每條帶又再分爲若干個亞帶，例如“9q34.1”即表示9號染色體長臂第3區第4條帶的第1個亞帶。由於每條染色體帶紋的數目和寬度是相對恆定的，根據帶型的不同可識別每條染色體及其片段。80年代以來根據DNA雙鏈互補的原理，應用已知序列的DNA探針進行熒光原位雜交（Fluorescence in situ hybridization，FISH）可以識別整條染色體、染色體的1個臂、1條帶甚至一個基因，因而大大提高了染色體識別的準確性和敏感性。染色體是遺傳物質—基因的載體，控制人類形態、生理和生化等特徵的結構基因呈直線排列在染色體上。2000年6月26日人類基因組計劃（HGP）已宣佈完成人類基因組序列框架圖。2001年2月12日HGP和塞雷拉公司公佈了人類基因組圖譜和初步分析結果。人類基因組共有3～3.5萬個基因,而不是以往認爲的10萬個。由此可見，染色體和基因二者密切相關，染色體的任何改變必然導致基因的異常。染色體的主要化學成份是脫氧核糖核酸（DNA）和5種稱爲組蛋白的蛋白質。核小體是染色體結構的最基本單位。核小體的核心是由4種組蛋白（H2A、H2B、H3和H4）各兩個分子構成的扁球狀8聚體。現在我們知道，DNA分子具有典型的雙螺旋結構，一個DNA分子就像是一條長長的雙螺旋的飄帶。一條染色體有一個DNA分子。DNA雙螺旋依次在每個組蛋白8聚體分子的表面盤繞約1.75圈，其長度相當於140個鹼基對。組蛋白8聚體與其表面上盤繞的DNA分子共同構成核小體。在相鄰的兩個核小體之間，有長約50～60個鹼基對的DNA連接線。在相鄰的連接線之間結合着一個第5種組蛋白（H1）的分子。密集成串的核小體形成了核質中的100埃左右的纖維，這就是染色體的“一級結構”。在這裏，DNA分子大約被壓縮了7倍。 染色體的一級結構經螺旋化形成中空的線狀體，稱爲螺線體或核絲，這是染色體的“二級結構”，其外徑約300埃，內徑100埃，相鄰螺旋間距爲110埃。螺絲體的每一週螺旋包括6個核小體，因此DNA的長度在這個等級上又被再壓縮了6倍。 300埃左右的螺線體（二級結構）再進一步螺旋化，形成直徑爲0.4微米（μm）的筒狀體，稱爲超螺旋體。這就是染色體的“三級結構”。到這裏，DNA又再被壓縮了40倍。超螺旋體進一步摺疊盤繞後，形成染色單體—染色體的“四級結構”。兩條染色單體組成一條染色體。到這裏，DNA的長度又再被壓縮了5倍。從染色體的一級結構到四級結構，DNA分子一共被壓縮了7×6×40×5=8400倍。例如，人的染色體中DNA分子伸展開來的長度平均約爲幾個釐米，而染色體被壓縮到只有幾個微米長。