第一篇海洋生物多样性的遗传学基础
第一章海洋生物的染色体
自从1900年人们重新发现孟德尔(Mendel)的《植物杂交实验》论文以来,遗传学发展突飞猛进,几乎波及生物学的各个领域,从个体和细胞水平发展到群体和分子水平。遗传学的一系列重大发现和成果,都在水生生物中得到证实并得以应用,从而促进了水生生物遗传学的产生和发展。
染色体(chromosome)的发现和研究促进了遗传学的形成和发展。染色体作为生物主要遗传物质的载体,是细胞的一种重要结构,在有丝分裂中期和后期能被碱性染料(如苏木精、番红和结晶紫等)和可溶于乙酸的染料(如洋红、地衣红等)染色,形成光学显微镜下可以看到的杆状或粒状小体。染色体在细胞周期中呈周期性变化,通常要在有丝分裂中期和后期才明显可见。在细胞分裂间期,由于染色体在细胞核内极度伸长变细,失去染色体的形态,只有相对浓缩的部位才被染上颜色,因而在显微镜下只能看到细胞核内出现许多不规则的网状染色物质,称为染色质(chromatin)。进一步研究证明,染色质和染色体实际上是同一物质在细胞周期中不同时期的两种运动形态:在有丝分裂间期,染色体解螺旋,表现为分散而略呈网状的染色质;在分裂期,染色质则高度螺旋化,表现为具一定形态构造的染色体(李国珍,1985)。可见染色质是伸展型的染色体,是染色体的基本物质。染色质有两种状态:一种是常染色质(euchromatin),在细胞分裂中期和后期染色特别深,但是在细胞分裂间期染色又很浅或不着色;另一种是异染色质(heterochromatin),在细胞分裂中期和后期染色很浅或不着色,而在细胞分裂间期、分裂早期和末期染色又特别深。
第一节染色体的形态及核型分析
染色体具有一定的形态。在高倍显微镜下,典型的形态为由两条染色单体组成。这两条单体互称姐妹染色单体。染色体由主纟益痕(primary constriction)、着丝粒(centromere)、次纟益痕(secondary constriction)、随体(satellite)、长臂(longarm)和短臂(short arm)组成(图1-1-1)。
主缢痕是染色体上着色浅而缢缩的部位,内含着丝粒,由异染色质组成。
着丝粒外部疏松,内部致密,中部透明。着丝粒的DNA含量少,染色线螺旋化程度低,所以着色浅或者根本不着色。着丝粒具有两个属性:一是能自我分裂;二是能长出轴纤维,变成纺锤体上纤维的一部分,而且其收缩使中期的染色体分裂为二。着丝粒在染色体上的位置是固定的,不同的染色体,着丝粒的位置不同。
次缢痕是染色体上染色线螺旋化较低或没有螺旋化的节段,也由异染色质组成,着色不明显。细胞分裂末期,通常核仁在出现次缢痕的地方重新形成,所以有的染色体的次缢痕也称核仁组织区(nucleolar organizing region)。次缢痕处上下两端的染色体片段保持直线,一般不能弯曲,这是它与主缢痕的区别之处。
随体是有些染色体短臂上的一个球形或棒状的突出物。有的随体是核仁组织区。随体DNA(或卫星DNA)具有高度重复的核苷酸序列,重复次数在106以上,不能转录。具有随体的染色体称为随体染色体(SAT-chromosome)。
长臂和短臂位于主缢痕的两侧,是染色体的主干部分,由高度螺旋化的DNA和组蛋白组成。根据着丝粒在染色体上位置的不同,染色体可被分为单臂染色体和双臂染色体。
染色体的典型形态由上述几部分组成,但是并非所有的染色体都具有上述结构。同种细胞内染色体的形态、相对大小、着丝粒位置、有无次缢痕和随体等都是相对固定的,因此可作为识别染色体的标记。
依据着丝粒在染色体上的位置,即长臂与短臂长度之比——臂比(arm ratio),染色体被分为4种形态:
中着丝粒染色体(metacentric chromosome),简称m染色体,其臂比为1.0~1.7,为双臂染色体。
近中着丝粒染色体(submetacentricchromosome),简称sm染色体,其臂比为1.7~3.0,为双臂染色体。
近端着丝粒染色体(acrocentricchromosome),简称st染色体,其臂比为3.0~7.0,为双臂染色体,但多数学者将其计为单臂染色体(昝瑞光等,1984;余先觉等,1989)。
端着丝粒染色体(telocentricchromosome),简称t染色体,其臂比在7.0以上,为单臂染色体。
依据与性别决定关系的远近,染色体被分为性染色体和常染色体:那些与性别决定直接相关的染色体为性染色体;那些与常规性状直接相关,而与性别决定无关或间接相关的染色体为常染色体。
核型(karyotype)就是把生物某一个体或某一分类群体细胞染色体按它们相对稳定的特征,配对找出同源染色体,再按染色体的长短、形态或着丝粒的位置等特征,给染色体分组、编号并排列成一定的图型。同源染色体(homologous chromosome)指形态相同,在减数分裂过程中能配对的两条染色体,这两条染色体含有相同的基因序列,一条来自父本,一条来自母本。核型代表一个物种或个体在染色体水平上的表型。
核型分析一般有两种方法:一是按臂比将染色体依次分为m、sm、st、t四种染色体,在每组中再按长度递减,将染色体按顺序排列起来(短臂向上,也可向下);带随体的染色体可排在*前或*后以示区别,也可单独排列;如有性染色体或B染色体也应单独列出。B染色体系指一些超数染色体(supernumerary chromosome),在许多方面不同于正常染色体(A染色体)。二是按染色体长度或短臂长度递减排列染色体。
无论何种方法,都应说明染色体的相对长度、着丝粒位置、染色体基数或臂数(fundamental number or fundamental arm number,NF)。染色体的长度不仅依生物的不同而不同,而且与其所出现的细胞状态有关。胚胎早期染色体较长,有丝分裂前期末和早中期染色体也较长。在核型分析中,用于比较染色体长短的方法只能取其相对长度,即每一个染色体长度占单倍体整套染色体总长度的千分值。
第二节染色体的化学组成和结构
一、染色饨的化学组成
染色体主要由DNA、组蛋白(histone)、非组蛋白(nonhistone protein)和RNA等化学成分构成。DNA占染色体重量的0.3~0.4;组蛋白与DNA的含量比较恒定,比率大致相当(组蛋白:DNA~1.1~1.3);RNA含量很少,约占DNA含量的0.05;非组蛋白的含量因不同组织、不同细胞变动较大,占组蛋白含量的0.2~1.5。
原核生物没有“典型”的染色体,其遗传物质不与蛋白质构成核蛋白体,所谓的染色体只是简单的DNA或RNA分子,每个细胞仅有一条DNA分子,所以原核生物是单倍体(haploid),没有二倍体(diploid)。
DNA真核生物的每一条染色体都含有一条线状DNA分子。随DNA的半保留复制,染色体也进行半保留复制,复制后至分裂前的染色体有两条染色单体,每一条染色单体均含有1条DNA分子。真核生物的DNA序列可分为三类。①高度重复的DNA,也称卫星DNA(satellite DNA):这部分DNA具有高度重复的核苷酸序列,重复次数在105以上,重复序列短。这部分DNA只占DNA总量的10%左右,不能转录。在细胞分裂间期,它们集中在异染色质和核仁附近。在分裂中期主要位于着丝粒、端粒及异染色区。②重复DNA(repetitive DNA):这部分DNA所含的重复序列比卫星DNA长得多,但重复次数较少,复本一般为102~105,约占细胞DNA总量的15%。它们散布在结构基因之间,构成结构基因的间隔区,能被转录。有些在细胞分化中能扩增,有些还参与基因表达的调节(黄华樑,1982)。③单一DNA(unique DNA):这部分DNA是基因组中具有基因功能的特异性核苷酸序列,一般只出现一次至几次,能转录为mRNA,是蛋白质生物合成的密码,约占细胞DNA总量的70%。原核生物的DNA都是单一DNA,没有重复序列。据谢仰杰等(2006)报道,业已报道的144种软骨鱼类的核DNA含量为3.0~34.1pg/N,不同物种变化很大,全头类的核DNA含量*少,角鲨目和扁鲨目的核DNA含量*多。核DNA含量与染色体数目无明显的相关性。例如,日本单鳍电鳐(Narke japonica)2n=54,DNA含量为21~241pg/N,而石纹电鳐(Torpedo marmorata)2n=86,DNA含量为14.0pg/N。
组蛋白这是一类碱性蛋白质,带正电荷,主要含有赖氨酸、精氨酸等碱性氨基酸,没有色氨酸。碱性蛋白质在体内代谢稳定性接近于DNA。现已查知,组蛋白有5种:组蛋白技、HA、H2B、H3和氏。其中,组蛋白氏含有大量的赖氨酸,分子量为21000;组蛋白H2A和H2B含有较多的赖氨酸,分子量分别为14500和13700;组蛋白压和氏含有较多的精氨酸,分子量分别为15300和11300。组蛋白HA、H2B、H3和氏具有极高的进化稳定性,在不同的生物和组织器官中分别具有非常近似的氨基酸序列,极少发生变异,尤其是压和H4。从组蛋白的结构序列分析可知,鲨鱼、鲤鱼和鸡的组蛋白压的一级结构都是一样的,它们与小牛的组蛋白玛仅有一个氨基酸残基的差别(小牛的丝氨酸-96代替了半胱氨酸)。海胆和小牛的组蛋白H<也仅有一个氨基酸残基的差别,小牛的半胱氨酸-73代替了苏氨酸。小牛胸腺和豌豆幼苗的组蛋白H<,其一级结构的102个氨基酸残基中仅有两处有差别,即豌豆的组蛋白H<中,缬氨酸-60代替了异亮氨酸,而赖氨酸-77代替了精氨酸。组蛋白技则是进化中*不稳定的组蛋白,如哺乳类和昆虫类的组蛋白氏,一级结构和分子量都有显著差别。但是,组蛋白氏在同种生物的不同组织中只有很少的特异性。在成年脊椎动物的不同组织和细胞中,组蛋白有相对恒定的含量。在生长与发育的个体中,组蛋白含量有所改变。组蛋白在染色体中的作用尚不十分清楚,可能与决定染色质结构的性质,特别是使DNA双螺旋稳定性增加有关,还可能具有抑制染色体上基因转录的能力,因为人们已经证明,组蛋白与DNA的比率会影响染色体的
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