遺傳學基礎課件

遺傳學基礎第一章遺傳的細胞學基礎

遺傳學基礎遺傳學與細胞學(Cytology)遺傳學對掌握細胞學基礎的要求側重于：染色體的數目、形態(tài)和結構；細胞有絲分裂、減數分裂、融合(受精)過程及其染色體的行為；有絲分裂、減數分裂及受精的遺傳學意義。遺傳學基礎第一章遺傳的細胞學基礎第一節(jié)染色體的數目、大小、形態(tài)特征和結構第二節(jié)體細胞分裂與細胞周期第三節(jié)細胞的減數分裂遺傳學基礎真核細胞的結構與功能

（細胞壁——支撐和保護）細胞膜——保護、保持形態(tài)、與吸收分泌等其它生理功能有關細胞質核糖體(遺傳信息表達的主要場所)

線粒體和質體(半自主性細胞器)

細胞核——控制細胞發(fā)育和性狀遺傳細胞核的數目、結構、染色質和染色體遺傳學基礎染色質(chromatin)和染色體(chromosome)采用堿性染料對間期的細胞核染色，會發(fā)現其中具有染色較深的、纖細的網狀物，稱為染色質。在細胞分裂過程，核內的染色質便卷縮而呈現為一定數目和形態(tài)的染色體。染色質和染色體是同一物質在細胞分裂過程中所表現的不同形態(tài)。遺傳學基礎染色體：是遺傳信息的主要載體；具有穩(wěn)定的、特定的形態(tài)結構和數目；具有自我復制能力；在細胞分裂過程中數目與結構呈連續(xù)而有規(guī)律性的變化。遺傳學基礎染色體的3個基本元素自主復制序列(autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS)，是DNA復制的起點；著絲粒序列(centromereDNAsequence,CEN)，由大量串聯的重復序列組成，其功能是參與形成著絲粒，使細胞分裂中染色體能夠準確地分離；端粒序列(telomereDNAsequence,TEL)，不同生物的端粒序列都很相似，由長5-10bp的重復單位串聯而成。遺傳學基礎第一節(jié)染色體的數目、大小、形態(tài)特征和結構染色體是所有真核生物細胞都具有的結構。各物種染色體都具有特定的數目與形態(tài)特征。而且同一物種內的各染色體間往往也能夠通過其形態(tài)特征加以區(qū)分、識別。染色體的形態(tài)結構與數目在細胞分裂過程中有一系列規(guī)律性變化。識別染色體數目與形態(tài)特征的最佳時期是細胞有絲分裂中期。遺傳學基礎第一節(jié)染色體的數目、大小、形態(tài)特征和結構一、染色體的數目二、染色體的大小三、染色體的形態(tài)特征四、染色體的結構五、特殊類型的染色體遺傳學基礎一、染色體的數目不同生物物種的染色體數目是生物物種的特征，相對恒定；體細胞中染色體成對存在(2n)，而配子中染色體數目是體細胞中的一半(n)。同源染色體(homologouschromosome)與非同源染色體(non-homologouschromosome)染色體組：二倍體生物配子中所含的形態(tài)、結構和功能彼此不同的一組染色體，用X表示。遺傳學基礎黑麥(2n=2X=14)不同物種染色體數可以相同方穗山羊草、黃瓜和黃麻的染色體數目都為14洋蔥、蒜和蔥的染色體數目都為16物種的染色體數目與其進化程度無關瓶爾小草屬的染色體數目比人的染色體數目多遺傳學基礎二、染色體的大小不同物種間染色體的大小差異很大，長度的變幅為0.20-50

m，寬度的變幅為0.20-2.00

m。

絕對長度：染色體的真實長度，以長度單位為單位。

相對長度：某一染色體絕對長度占該染色體組絕對長度的百分數。同一物種不同染色體寬度大致相同，其染色體大小主要對長度而言。

遺傳學基礎三、染色體的形態(tài)特征分析染色體形態(tài)特征的主要目的是區(qū)分識別染色體。未經過顯帶處理，在普通光學顯微鏡下能夠觀察分析并用于染色體識別的特征主要有：著絲粒的位置(染色體臂的相對長度)；次縊痕和隨體的有無及位置。顯帶處理后可把帶紋特征作為染色體識別的特征遺傳學基礎著絲粒的位置染色體臂長度和著絲粒的位置是染色體識別與編號的一個重要特征。對每條染色體而言，著絲粒在染色體上的相對位置是固定的，根據其位置和兩臂的相對長度可以將染色體的形態(tài)分為：1.中央著絲粒染色體2.近中著絲粒染色體3.近端著絲粒染色體4.端著絲粒染色體遺傳學基礎染色單體(chromatid)在有絲分裂中期所觀察到的染色體是經過間期復制的染色體，均包含有兩條成分、結構和形態(tài)一致的染色單體。一條染色體的兩個染色單體互稱為姊妹染色單體(sisterchromatid)。遺傳學基礎次縊痕(secondaryconstriction)和隨體(satellite)某些染色體的一個或兩個臂上往往還具有另一個染色較淡的縊縮部位，稱為次縊痕，通常在染色體短臂上。隨體的位置、大小也相對恒定，可以作為染色體識別的標志。次縊痕在細胞分裂時，與核仁的形成有關，因此也稱為核仁組織中心(nucleolusorganizer)。遺傳學基礎染色體帶型發(fā)現：1968年，瑞典細胞化學家Caspersson種類Q帶：氮芥喹吖因(QM)G帶R帶C帶：著絲粒次縊痕T帶：染色體末端N帶：NOR高分辨顯帶(highresolutionbanding)遺傳學基礎常規(guī)染色技術與顯帶技術的對比遺傳學基礎四、染色體的結構(一)、染色質的種類(二)、染色質的基本結構(三)、染色體的結構模型遺傳學基礎常染色質和異染色質通常根據間期染色反應，可以將染色質分為常染色質和異染色質。常染色質(euchromatin)：染色質線中染色淺的區(qū)段。異染色質(heterochromatin)：在細胞間期染色質線中，染色深的區(qū)段。遺傳學基礎常染色質和異染色質結構差異:兩者結構上連續(xù)，化學性質上沒有差異，只是核酸螺旋化程度(密度)不同。異染色質在間期的復制晚于常染色質，間期仍然高度螺旋化狀態(tài)；而常染色質區(qū)處于松散狀態(tài)。功能差異:遺傳信息的表達(轉錄)主要在間期進行，并需要染色質(局部)處于解螺旋狀態(tài)。異染色質在遺傳功能上是惰性的，一般不編碼蛋白質，主要起維持染色體結構完整性的作用。常染色質間期活躍表達，帶有重要的遺傳信息。遺傳學基礎組成性異染色質與兼性異染色質組成性(constitutive).在所有組織、細胞中均以異染色質狀態(tài)存在；只與染色體結構有關，一般無功能表達；構成染色體的特殊區(qū)域，如：著絲粒部位等。兼性(facultative).在一些組織中象常染色質一樣正常表達，而在其它組織中以異染色質狀態(tài)存在，完全不表達；攜帶組織特異性表達的遺傳信息；可存在于染色體的任何部位。遺傳學基礎(二)、染色質的基本結構染色質是染色體在細胞分裂間期所表現的形態(tài)，呈纖細的絲狀結構，也稱為染色質線(chromatinfiber)。1.化學組成(1).DNA：每條染色體一個雙鏈DNA分子是遺傳信息的載體，也就是所謂的遺傳物質。(2).蛋白質組蛋白(histone)：呈堿性，結構穩(wěn)定；與DNA以一定的比例結合。非組蛋白：呈酸性，種類和含量不穩(wěn)定；可以幫助DNA分子折疊形成不同的結構域，從而有利于DNA的復制和基因的轉錄，以及控制基因轉錄，調節(jié)基因表達。(3).另外，可能存在少量的RNA遺傳學基礎(二)、染色質的基本結構2.基本結構單位染色質的基本結構單位是核小體。每個基本單位約180-200bp。核小體(nucleosome)核心顆粒：直徑約11nm組蛋白：H2A、H2B、H3、H4四種組蛋白各兩分子的八聚體，直徑約10nm)；DNA鏈：DNA雙螺旋鏈盤繞于組蛋白八聚體表面1.75圈，約合146bp。遺傳學基礎(二)、染色質的基本結構連接絲(linker)：核小體間的連接部分，兩個核小體之間的DNA雙鏈；含50-60bp，變化范圍8-114bp。組蛋白H1：結合于連接絲與核小體的接合部位。遺傳學基礎組蛋白組蛋白是染色體的結構蛋白，其與DNA組成核小體。根據其凝膠電泳性質可將其分為H1、H2A、H2B、H3及H4。組蛋白含有大量的賴氨酸和精氨酸，其中H3、H4富含精氨酸，H1富含賴氨酸。H2A、H2B介于兩者之間。遺傳學基礎組蛋白的特性進化上極端保守性。其中H3、H4最保守，H1較不保守。無組織特異性。到目前為止，僅發(fā)現鳥類、魚類及兩棲類的紅細胞染色體不含H1而帶有H5，精細胞染色體的組蛋白是魚精蛋白。肽鏈上氨基酸分布的不對稱性。堿性氨基酸集中分布在N端的半條鏈上。遺傳學基礎組蛋白的特性組蛋白的修飾作用。包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。所有這些修飾作用都有一個共同的特點，即降低組蛋白所攜帶的正電荷。修飾作用只發(fā)生在細胞周期的特定時間和組蛋白的特定位點上。組培細胞H1的磷酸化都發(fā)生在S期，其他細胞則發(fā)生在G2期；H2B的乙基化都發(fā)生在賴氨酸殘基上。遺傳學基礎(三)、染色體的結構模型染色體的單線性未經復制的染色體含有一個染色單體。染色單體含有一條雙鏈DNA分子與蛋白質結合后形成的一條線性、無分支染色質線。間期DNA分子通過半保留方式復制后就產生兩條完全相同的DNA分子，所以含有兩條姊妹染色單體。遺傳學基礎(三)、染色體的結構模型遺傳學基礎(三)、染色體的結構模型染色質的不同狀態(tài)：在DNA進行復制或轉錄時(主要在間期)，必須(局部)以DNA單鏈狀態(tài)存在，所以核小體的結構也必須解開(染色質呈松弛狀態(tài))；而在細胞分裂中期，染色質呈高度螺旋化狀態(tài)，并且每條染色體都呈現其固有的形態(tài)特征。很顯然這兩種狀態(tài)間的轉換不是隨機、無序的卷縮，而應該是按照一定的規(guī)律轉換的。遺傳學基礎(三)、染色體的結構模型貝克等(Bak,A.L.,1977)：染色體四級結構模型理論能夠在一定程度上解釋染色質狀態(tài)轉化的過程1.DNA+組蛋白

核小體+連接絲2.核小體

螺線體(solenoid)3.螺線體

超螺線體(super-solenoid)4.超螺線體

染色體DNA+組蛋白

核小體+連接絲核小體+連接絲

螺線體(solenoid)螺線體

超螺線體

(super-solenoid)超螺線體

染色體遺傳學基礎*染色體形成過程中長度的變化

長度壓縮第一級DNA+組蛋白

核小體

7倍第二級

核小體

螺線體

6倍第三級

螺線體

超螺線體

40倍第四級

超螺線體

染色體

5倍

8400倍（8000-10000）

遺傳學基礎五、特殊類型的染色體(一)、多線染色體(二)、燈刷染色體(三)、B染色體遺傳學基礎*(一)、多線染色體單線性與多線性：染色體在通常情況下具有單線性，但是雙翅目昆蟲(搖蚊、果蠅)的幼蟲唾液腺、腸、馬氏管等的細胞中存在巨大染色體，往往具有多達2048條染色質線(多線性)。多線染色體產生原因——核內復制：染色單體在間期正常進行復制，但未發(fā)生著絲粒分裂和染色單體分離，導致一條染色體的染色單體數目成倍增長。例：在果蠅中唾腺染色體經10-11次核內有絲分裂可形成1024、2048條染色質線的多線染色體。遺傳學基礎*細胞分裂間期多線染色體的形態(tài)由于成百上千的染色質線并排，就使染色體由于不同區(qū)段的螺旋化程度差異而在間期呈現清晰的帶紋。染色體的螺旋化程度體現了染色質遺傳活性，因而橫紋的深淺和變化也可以作為研究基因活性差異的依據。遺傳學基礎*(二)、燈刷染色體燈刷染色體：是在一些動物的初級卵母細胞雙線期、果蠅屬的精細胞的Y染色體、植物花粉細胞的終變期，觀察到的另一種巨大染色體。形態(tài)：燈刷染色體的主體呈柱狀體，其表面伸出許多毛狀突起，形似燈刷。形成：它是一對同源染色體，這對同源染色體之間由一個或多個交叉的聯系起來；螺旋化的染色質構成燈刷染色體的柱狀主體；毛狀突起是由于部分染色質沒有螺旋化，或者螺旋化的程度較低。遺傳學基礎*燈刷染色體的形態(tài)遺傳學基礎*(三)、B染色體前面一再強調，生物物種的染色體形態(tài)、結構特征和數目的穩(wěn)定性。事實上，這類染色體的數目增加或減少，對大多數生物，特別是二倍體生物常常是有害的。許多生物在染色體數目上也有特殊性表現，也就是說除了具有一定數目的形態(tài)、結構穩(wěn)定的染色體外，還有一些額外染色體。這些額外染色體又稱為B染色體、副染色體、超數染色體或附加染色體。額外染色體的數目在生物世代間及個體間都存在很大差異，并且很不穩(wěn)定，在生物世代間傳遞規(guī)律也與常染色體不同。遺傳學基礎*黑麥(S.cereale,2n=14)的B染色體

遺傳學基礎第二節(jié)體細胞分裂與細胞周期對多細胞生物而言，其生長發(fā)育通過體細胞的分裂實現。體細胞分裂的方式主要為有絲分裂。遺傳學基礎一、有絲分裂(一)、有絲分裂的過程有絲分裂包括兩個緊密相連的過程：核分裂、細胞質分裂。通常有絲分裂主要是指核分裂。有絲分裂過程可分為五個時期，即：

間期、前期、中期、后期、末期應當注意的是：

有絲分裂過程本身是一個連續(xù)的自然過程。細胞分裂時期是人為劃分的，是根據所觀察到整個有絲分裂過程中的各種形態(tài)、結構和狀態(tài)的差異而進行的劃分；其目的是便于對整個過程進行研究的描述。遺傳學基礎有絲分裂的主要事件間期的S期：DNA的準確復制后期：姊妹染色單體的準確分離末期：形成兩個細胞核末期：細胞質分裂遺傳學基礎(二)、有絲分裂的遺傳學意義通過有絲分裂能夠維持生物個體的正常生長和發(fā)育(組織及細胞間遺傳組成的一致性)；并且保證物種的連續(xù)性和穩(wěn)定性(單細胞生物及無性繁殖生物個體間及世代間的遺傳組成的一致性)。線粒體和葉綠體中DNA是否同樣均等分配?遺傳學基礎二、細胞周期(cellcycle)概念：一次細胞分裂結束后到下一次細胞分裂結束所經歷的過程稱為細胞周期(cellcycle)。通常，有絲分裂期在整個細胞周期中所占的時間很短的。由于細胞分裂是多細胞生物生長發(fā)育的基礎，要從一個細胞——受精卵生長、發(fā)育形成一個生物個體，必須不斷地進行細胞分裂。也就是說在分生組織中細胞分裂的間期和分裂期是周期性交替進行的。遺傳學基礎細胞有絲分裂周期示意圖

遺傳學基礎第三節(jié)細胞的減數分裂(meiosis)減數分裂是性母細胞成熟時，配子形成過程中所發(fā)生的一種特殊的有絲分裂，又稱成熟分裂，其結果是產生染色體數目減半的性細胞。減數分裂的特殊性表現在：具有一定的時間性和空間性；連續(xù)進行兩次分裂；同源染色體在第一次分裂前期(前期I，PI)相互配對(paring)，也稱為聯會(synapsis)；并且在同源染色體間發(fā)生片段的交換。遺傳學基礎一、減數分裂的過程(一)、間期(前間期,

preinterphase)(二)、減數第一次分裂

(meiosisI)(三)、中間期

(interkinesis)(四)、減數第二次分裂

(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)遺傳學基礎(一)、間期(interphase)性母細胞進入減數分裂前的間期稱為前減數分裂間期，也稱為前間期。這一時期是為性細胞進入減數分裂作準備。其準備的內容包括：染色體復制；有絲分裂向減數分裂轉化特征：持續(xù)時間比有絲分裂間期長，特別是合成期較長；合成期間往往僅有約99.7%的DNA完成合成，而其余的0.3%在偶線期合成。遺傳學基礎1.前期I(prophaseI,PI)這一時期細胞內變化復雜，所經歷的時間較長，細胞核比有絲分裂前期核要大些。根據核內變化特征，可進一步分為五個時期：(1).細線期(leptotene，PI1).(2).偶線期(zygotene，PI2).(3).粗線期(pachytene，PI3).(4).雙線期(diplotene，PI4).(5).終變期(diakinesis，PI5).遺傳學基礎(1).細線期(leptonene，PI1)染色體開始螺旋收縮，在光學顯微鏡下呈細長線狀；這時每個染色體含有兩染色單體，由著絲粒連接，但在光學顯微鏡下還不能分辨染色單體。遺傳學基礎(2).偶線期(zygotene，PI2)染色體變短變粗，同源染色體的對應部位相互開始緊密并列，逐漸沿縱向配對在一起，稱為聯會(synapsis)。細胞內2n條染色體可配對形成n對染色體。配對的兩條同源染色體稱為二價體(bivalent)。細胞內二價體(n)的數目就是同源染色體的對數。同源染色體中不同著絲粒所連的染色單體之間互稱非姊妹染色單體。鏡檢仍呈絲狀結構，看不出染色體的個體形態(tài)。遺傳學基礎聯會復合體的結構兩條同源染色體在聯會時形成一種特殊的結構——聯會復合體，其構成如圖所示：兩條同源染色體的主要部分(染色質DNA)分布在聯會復合體的外側；中間部分(中央成分，centralelement)以蛋白質為主，也包含部分DNA(稱為橫絲)。遺傳學基礎(3).粗線期(pachytene，PI3)配對的染色體進一步變短變粗，二價體具有四條染色單體；聯會復合體的結構完全形成；非姊妹染色單體之間相應的部位發(fā)生斷裂，錯接，這個過程叫交換(exchange)或互換，導致非姊妹染色單體間會形成交叉(chiasmata)

現象，最終導致同源染色體間發(fā)生遺傳物質重組(recombination)。遺傳學基礎(4).雙線期(diplotene，PI4)染色體繼續(xù)縮短變粗；同源染色體非姊妹染色單體之間由于螺旋卷縮而相互排斥，局部開始分開；但因有的非姊妹染色單體間的交換部位仍由橫絲連接，出現交叉纏繞，向兩極移動，稱為交叉端化。在光學顯微鏡下可看到四個染色單體。遺傳學基礎(5).終變期(diakinesis，PI5)染色體繼續(xù)縮短變粗；均勻分布在核內，多呈O型或棒型；紡錘絲開始形成；核仁、核膜開始消失。遺傳學基礎2.中期I(metaphaseI,MI)核仁和核膜消失，紡錘體形成；每個二價體的兩條同源染色體分布在赤道板的兩側；在二價體趨向赤道板的過程中，兩條同源染色體的排列方向(著絲粒取向)是隨機的。

從紡錘體的極面觀察，n個二價體分散排在赤道板的附近，因而這也是可用于鑒定染色體數目的重要時期之一。遺傳學基礎3.后期I(anaphaseI,AI)紡錘絲牽引染色體向兩極運動，同源染色體分開，以著絲點為先導，分別移向兩極；每極具有一對同源染色體中的一條(共有n條染色體)，使得子細胞中染色體數目從2n減半到n；此過程并不進行著絲粒分裂，沒有發(fā)生染色單體分離；每條染色體都仍然具有兩個染色單體，并且