染色体

染色体（英文名：Chromosome ）是 染色质 在 细胞分裂 时凝缩成的特定结构，因能被碱性染料强烈染色而得名，主要由 核酸 和 蛋白质 构成，是遗传信息的载体。 在 真核生物 的 细胞核 中，染色体是由 脱氧核糖核酸 （DNA） 、 蛋白质 和少量核糖核酸（ 核糖核酸 ） 所组成的 核蛋白 线状物。 在 原核生物 和病毒中，染色体则只由DNA或RNA所组成。

染色体和 染色质 （chromatin）是在真核生物 细胞周期 不同阶段可相互转变的动态结构。 细胞 分裂中期，细胞由 分裂期 进入间期（interphase）时，染色体逐渐解聚成为松散的 染色质 。 当 细胞 有丝分裂时，染色质逐渐 螺旋 化，折叠成棒状的染色体。 有丝分裂中期，其形态包括 着丝粒 （centromere）、次级缢痕（secondary constriction）、随体（satellite）等部分。 染色体在 真核生物 不同生物物种体细胞里的染色体数目和形态各不相同，同一物种或同一个体不同组织细胞的染色体又相对恒定。 它的大小、形态结构与数量在一定范围内反映了生物的演化及类群和物种间的亲缘关系。 而 原核生物 的染色体不形成类似 真核生物 染色体的复合体，也不随 细胞分裂 而形成典型的中期染色体形状。

作为 真核生物 中重要的结构和遗传信息的载体，染色体（ 染色质 ）在 遗传学 、细胞 生物学 、 分子生物学 、医学、功能 基因组 学 等领域中具有重要的地位。 常用的染色体分析技术，包括染色体显带技术、 荧光 原位杂交（fluorescence in situ hybridization；FISH）、染色体微阵列分析（chromosomal microarray analysis；CMA）技术以及高通量测序（high-throughput sequencing）技术等。 有关染色体的研究已进入了 人类学 、动物、植物、微生物、农业、医学以及国防等各个领域。

发现历史

德国 生物学家华尔瑟·弗莱明（Walther Flemming）于1879年发现 细胞 内的染色物质随有丝分裂而均等分裂，并分别进入两个子细胞。他首次提出了 染色质 这一术语用以描述 细胞核 中被碱性 染料 强烈着色的细纤维状物质。 1888年，德国 解剖学 家海因里希·威廉·瓦尔代尔（Heinrich Wilhelm Waldeyer）正式提出染色体这一名称。 染色体的英语是chromosome，源于 希腊语 ：chroma=颜色、有色的，希腊语：soma=体。

20世纪初期， 美国 细胞学家 沃尔特·萨顿 （Walter Sutton）观察到 减数分裂 与 格雷戈尔·孟德尔 （Gregor Johann Mendel）的遗传因子的行为之间有平行的关系，并据此首次提出了遗传因子存在于染色体上的假说。 这一假说被美国哥伦比亚大学教授 托马斯·摩尔根 （Thomas Hunt Morgan）等人证实和发展。1920年左右，他们在 果蝇 的四条染色体上定位了2000多个遗传因子，并证明这些因子在染色体上呈线性排列，之后的实验也表明 脱氧核糖核酸 存在于 细胞核 和染色体中。

在20年后的1944年，奥斯瓦德・西奥多・埃弗里（Osward Theodore Avery）等人的细菌转化实验证实了DNA是决定 性状 的 遗传物质 ，是遗传信息携带者。 至此，染色体是遗传物质和结构基础的理论和实验依据基本建立起来了。 1953年美国科学家沃森（James Watson）和 弗朗西斯·克里克 （Francis Crick）提出的DNA分子的双螺旋结构模型，以及随后的一系列发现，如DNA分子的 碱基 互补原理、 半保留复制 及遗传三联密码子的建立等，为在分子水平上确定染色体的结构功能奠定了基础。 1956年，美籍华裔遗传学家 蒋有兴 （Joe Hin Tjio）首次发现人的体细胞的染色体数目为46条，标志着人类 细胞遗传学 的建立。

20世纪70年代前，人们认为 染色质 是组蛋白包裹在 脱氧核糖核酸 外面形成的纤维状结构。直到1974年 罗杰·科恩伯格 （Roger D. Kornberg）等人根据染色质的酶切和电镜观察，发现核小体是染色质组装的基本 结构单位 ，提出染色质结构的“串珠”模型。 里斯 （H.Rees）等人在1977年表明原核生物染色体的化学成分只是 核糖核酸 或DNA一种。次年， 季道藩 表明 真核生物 染色体的化学成分除了DNA和RNA，还有 蛋白质 ，磷 和无机物质。

形态结构

不同物种之间染色体差别很大，甚至同一细胞内不同的染色体有些也相差悬殊。一般来说， 单子叶植物 比 双子叶植物纲 的染色体大。小型的染色体长约0.25微米，接近于 光学显微镜 的分辨极限，而 百合科 某些属的染色体较大，长者可达30微米。人类的1号染色体长度是22号染色体长度的5倍左右。 就染色体的大小而言，除了普通的染色体以外，还有一类比普通染色体要大得多的特化的染色体，称之为巨型染色体，又称 多线染色体 。在对一般的 细胞 来说，染色体的复制常常伴随着细胞的分裂。但是，对于某些细胞（如果蝇和 摇蚊 的唾腺细胞等）来说，却只有染色体的多次连续复制，而没有细胞的分裂，这样就形成了又粗、又长的多线染色体。

在 细胞周期 中的不同时期，染色体的形态不断变化。 细胞分裂 间期（interphase）由 染色质 形成很细很长的染色丝，进入前期后染色丝逐渐缩短变粗，成为染色体。有丝分裂中期，染色体的形态包括染色 单体 （chromatid）、 着丝粒 （centromere）、次级缢痕（secondary constriction）、随体（satellite）、端粒（te-lomere）几个部分。 端粒、着丝点和次级缢痕是染色体上的特化部分。 中期染色体的大小也因物种而异，长度多在1~10微米，直径为1~2微米。 原核生物 的染色体不形成类似 真核生物 染色体的复合体，也不随 细胞分裂 而形成典型的中期染色体形状。 真核生物每条染色体具有一个着丝粒和两条臂；某些染色体具有 次缢痕 和随体；有的次缢痕又是 核仁 形成区，能组织核仁物质形成核仁。染色体的长度， 着丝粒 的位置，次缢痕和随体的有无，都是识别染色体的重要标志。 在正常核型中，染色体是成对存在的，每对染色体形态结构、大小和着丝粒位置上基本相同，为 同源染色体 。不同对染色体彼此称为非同源染色体。

染色体是一个高度组织化的结构。染色体（ 染色质 ）的基本 结构单位 是核小体（nucleosome）。它是由四种组蛋白（H2A，H2B，H3，H4）各两分子形成八聚体核心，外绕长度为146 核苷酸碱基对 的 脱氧核糖核酸 链而构成。核小体之间由约60 碱基 对的连接DNA相连成直径约10纳米的串珠状细丝，这就是染色体和染色质的基本结构。核小体链以每圈6个核小体的比例 螺旋 盘绕形成直径约30纳米的染色质纤维，30纳米的染色质纤维通过多级螺旋化等方式进一步包装形成染色体。 一个稳定的、有功能的染色体起码应具备三种功能元件，即： 脱氧核糖核酸 复制原点， 着丝粒 和端粒。 每个细菌染色体包含一个单独的复制起始点。

染色单体

在 减数分裂 或有丝分裂过程中，一条染色体复制，将产生两条染色体。当着丝粒未分裂时，那一条染色体上就有两条染色单体。复制前，一条染色体含有一个 脱氧核糖核酸 分子；复制后，每条染色体都包含两个DNA分子。每个染色单体是由一条DNA双链经过紧密盘旋折叠而成的。 每条中期染色体都有两条染色单体，由一个着丝粒相连接，称为姐妹染色单体（sister chromatid）。

着丝粒

每条染色体上有一凹陷缩窄的浅染部位称为着丝粒或初级缢痕（primary constriction）。着丝粒是一种高度有序的整合结构，在结构和组成上都是非均一的，至少包括三种不同的结构域：①沿着丝粒外表面的 动粒 结构域， 纺锤体 微管 通过动粒结构域与染色体相连。②中央结构域，是着丝粒区的主体，由 串联重复 的 卫星 脱氧核糖核酸 组成。③位于着丝粒内表面的 配对 结构域，在此结构域有两种蛋白，一种是内部着丝粒蛋白INCENP（innercentromere ptotein），另一种是染色体连接蛋白CLIPs（chromatidlinking proteins），它们与染色 单体 配对有关。 着丝粒 将染色体分为短臂（p）和长臂（q）。 着丝粒确保 细胞 分裂过程中复制后的染色体被平均分配到子细胞中。

次级缢痕

在染色体上，除初级缢痕外的其他浅染缩窄部位称为次级缢痕，它是某些染色体所特有的形态特征，可以作为鉴定某些染色体的标志，如 人类染色体 中第1对、第9对、第16对及 Y染色体 的长臂上有时有 次缢痕 。人类某些染体上的次级缢痕与 核仁 的形成有关，是核仁组织者区，如人类染色体中第13、14、15、21、22对短臂上的次级缢痕。

随体

随体是在染色体的一端由微细的纤维结构连接起来的球形或椭圆形的染色颗粒。 它通过次级缢痕与染色体的臂相连，它也是识别染色体的重要形态特征之一。人类染色体中，随体位于第13、14、15、21、22号近端 着丝粒 染色体短臂上。

端粒

在染色体的两个端部分别有一特化部位称为端粒。它是 真核生物 生物染色体末端不能缺少的结构，由端粒 脱氧核糖核酸 和端粒蛋白构成。 人类染色体 端粒DNA是由5TTAGGG3'片段重复构成，不具有编码 蛋白质 的功能。端粒蛋白可使端粒免受酶或 化学试剂 降解，对染色体结构的稳定性起着重要的作用，例如，用X射线打断染色体末端，断端不具端粒，则具有黏性，会发生染色体片断缺失或断片互相连接等一系列行为，形成各种畸变染色体，导致疾病或肿瘤的发生，某些肿瘤中就有端粒融合现象。

类型

根据 着丝粒 的位置不同，染色体可被分为：①中央着丝粒染色体（metaentrics）：着丝粒位于染色体中央、两臂等长。②亚中央着丝粒染色体（submetacentrics）：着丝粒偏离中央，两臂长端差异明显。③ 近端着丝粒染色体 （acrocentrics）：着丝粒远离中央，两臂长度的差异极为显著。④端着丝粒染色体（telocentrics）：着丝粒位于一端，只有一长臂。对于人类来说，染色体的类型只包括前三种。

数量

不同物种的染色体数目有很大差异，但同一物种的染色体数目基本恒定。 一般而言，性细胞的染色体为单倍体 （haploid；n），体细胞为二倍体（diploid； 2n ）， 体细胞为性细胞的两倍。 有些生物的染色体数目会呈倍性增加，称为多倍体（polyploid，4n，6n，8n......）。 例如，人的染色体数为2n=46，就是指代表正常人体的两个染色体组共有46条染色体， 小鼠 为2n=40， 果蝇 为2n=8，水稻为2n=24，而 普通小麦 为六倍体，染色体数目为6n=42。 多倍体按其染色体组来源又分为 同源 多倍体（autopolyploid）和异源多倍体（allopolyploid）。同源多倍体是指由同一物种的染色体组加倍所形成的多倍体，又可细分为同源三倍体、同源四倍体、同源五倍体等；异源多倍体是指由不同多倍体物种杂交形成的多倍体或 远缘杂交 子代染色体加倍形成的多倍体，其中同时具有同源和异源多个染色体组的 细胞 或个体又称为同源异源多倍体（autoallopolyploid）。

染色体数目很多或者很少都有各自的优势和缺点，数目少意味着在 细胞分裂 （有丝分裂或 减数分裂 ）过程中有更少的染色体需要复制；而染色体数目多则会导致减数分裂过程中发生更多的 联会 ，意味着后代会有更多的变异可能。 原核生物 每个 细胞 只含有一个染色体。

核型

核型（karyotype）是一个生物体的细胞内所有染色体的大小、形状和数量特征的总和。又称染色体组型。通常用有丝分裂中期的 细胞 进行核型分析和确定相应生物的核型标准。核型分析在临床上有助于发现染色体异常的患者。染色体的长度、 着丝粒 的位置以及常 染色质 、 异染色质 的分带是核型的几个特征。不同种属生物体具有各自特定的核型，特定种属的生物体的所有体细胞具有相同的核型，其中每条染色体都含有姐妹染色 单体 ，即已经复制、尚在着丝粒相连的两个 脱氧核糖核酸 分子。

功能

染色体的数目或结构发生改变，都会影响生物体的遗传 性状 ，并能通过 细胞分裂 将异常的遗传信息传给子代。例如，当染色体发生数目或结构畸变时，会引起相应遗传病的发生，例如 唐氏综合征 （21三体）、特纳综合征（45，X单体）等。因此，研究染色体数目、结构的改变及其规律是研究生物体遗传、变异、发育和进化的基础。

遗传信息

染色体是遗传信息的载体，也是遗传的物质基础。 当 遗传物质 染色体DNA出现损伤时， 细胞 将停止生长直到损伤得以修复。而当细胞周期调控网络发生紊乱时，细胞的生长分裂也会出现问题从而导致疾病的发生。 性染色体 携带专一基因，能决定个体性别的染色体。在多数动物和人体中.通常有X和Y两种，其中包含同质和异质两个区域，前者可互相 配对 交换，后者则不能。性染色体以外的染色体称为 常染色体 。

端粒和端粒酶

实现合理调控染色体的端粒的长度和端粒酶活性将有助于攻克医学中 干细胞 维持、癌症、特定遗传病和衰老的四个领域的许多问题，并有望研究开发出新的抗癌药物。端粒和端粒酶的发现有益于阐明衰老、衰老相关疾病包括肿瘤的分子机理，发现新的疾病防治策略。

表观遗传学

染色体中的组蛋白及非组蛋白 不仅是维持染色体动态结构的构成组分，同时也在基因表达的调控中发挥作用。例如，构成核小体的四种核心组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）的N端尾部的某些 氨基酸残基 可以在一系列酶类的作用下被修饰，包括 乙酰化 、 甲基化 、 磷酸化 、泛素化等。而这些修饰在很大程度上决定了所在部位基因 转录 的“开”“关”与“强”“弱”。同时，在特定的非组蛋白的参与下发生的核小体构型的转换，即 染色质 重塑（chromatinremodeling）在基因转录的活化中起着关键的作用。另外， 脱氧核糖核酸 本身的甲基化修饰也在基因的沉默中发挥重要作用。所有这些修饰形成了一系列独立于DNA序列之外的、可遗传的基因表达调控机制，并进而影响和决定 细胞 的功能和个体的 性状 。由此形成了 表观遗传学 （epigenetics）。

分子细胞遗传学

染色体研究扩展为结合 分子生物学 方法进行分析的分子细胞遗传学。常用的方法是 荧光 原位杂交（FISH）、染色体涂染、多发荧光原位杂交（M-FISH）、 比较基因组杂交 （CGH）、比较表达序列杂交（CESH）、光谱核型分析（SKY）、 引物 介导的原位标记（PRINS）等。2000年， 李璞 、 傅松滨 等与美国NIH和 香港大学 关新元合作，用CGH法检出 胃癌 细胞 有 19号染色体 短臂缺失（19p-），又用显微切割法将含19p13.1的BAC作FISH，证实胃癌患者细胞中确实有19p13.1的缺失。这表明该染色体区中可能存在胃癌的抑癌基因。2005年，陈雯等用SKY法检测未 受精卵 中的染色体，发现36%的 卵细胞 为非整倍体，其中22%为增多或缺失一条染色体，14%为增多或缺失一条染色 单体 。

人类染色体

人类染色体是 遗传物质 ——基因的载体，是细胞中遗传物质存在的形式。人类染色体在正常情况下数目是相对恒定的。根据人类染色体国际命名体制《人类细胞遗传学命名法国际体制》，正常男性核型是46，XY，正常女性核型是46，XX，正常男性和正常女性的染色体中22对（44条）为 常染色体 ，1对（2条）为 性染色体 ，男性的性染色体为XY，女性的性染色体为XX，人类的性别由性染色体XY（XX）决定。 对于女性来说， 细胞 中的每一对染色体都是一个来自母方；一个来自父方，有同样的大小、形状、 基因座 ，在 细胞分裂 过程中可以重组 互换 ，因此女性细胞内的23对染色体均为 同源染色体 。男性细胞中的22对常染色体也是同源染色体。但是，男性的性染色体则是由一个X染色体和一个 Y染色体 组成，这两者的形态、大小、结构有差别。 相比X染色体和另外22种 常染色体 ，Y染色体体型很小，携带27个基因也，而X染色体上有大约1000个基因。Y染色体携带决定男性特征和用于生产精子的基因，它充满了反向、重复的 脱氧核糖核酸 片段。

染色体分析技术

核型分析

染色体的核型分析是 细胞 遗传学、物种亲缘关系、进化和遗传疾病等研究中的一个手段， 是细胞遗传学、 染色体工程 、基因定位和细胞 分类学 等学科的基本研究方法，常根据以下形态指标来描述染色体的具体特征：染色体的数目、染色体长度、染色体臂比（长臂/短臂）、着丝点位置、副缢痕是否存在与位置、随体的有无。 主要依赖染色体显带技术，包括标准染色体显带（Q显带、G显带、R显带、C显带）和高分辨显带技术。 荧光 原位杂交（FISH）和 比较基因组杂交 （CGH）技术是对染色体显带技术的补充，有利于发现因染色体微小缺失或重复导致的结构异常或综合征。一般按照国际人类 细胞遗传学 命名委员会（ISCN）的命名原则。

染色体显带技术

人类染色体 经过 变性 或/和酶消化等不同处理后，用 染料 染色可呈现一系列深浅交替的带型，可以区分不同的染色体；染色体特定的带型发生变化，则表明该染色体的结构发生了改变。一般染色体显带技术有G显带、Q显带和R显带等。G显带染色体核型分析技术具有 细胞培养 耗时长、 分辨率 低和耗费人力的局限性，但其仍然是细胞遗传学诊断的标准。

荧光原位杂交技术

荧光原位杂交技术是将 细胞遗传学 和 分子遗传学 技术结合起来的一种诊断手段。用 荧光染料 标记的已知 脱氧核糖核酸 （DNA）序列作为 探针 与染色体DNA进行分子杂交，即可发现探针的 同源 序列在染色体上的位置。该技术用于染色体的定位，具有快速、特异性高的特点，但还不能做到对染色体组的全局分析。

染色体微阵列分析技术

染色体微阵列分析技术又称分子核型分析。能够在全 基因组 水平进行扫描，可检测染色体不平衡的拷贝数变异（copy number variation；CNV）。比传统的染色体核型分析有更高的 分辨率 ，能够检测出常规染色体检查所不能检出的染色体微缺失和微重复综合征。根据芯片设计与检测原理的不同，CMA技术可分为两大类：基于微阵列的 比较基因组杂交 （array-CGH）技术和 单核 酸 多态性微阵列（SNP-array）技术。

高通量测序技术

高通量测序技术又称下一代测序技术（next-generation sequencing technology）。可以一次并行对几十万到几百万条 脱氧核糖核酸 分子进行序列测定。基于NGS技术的染色体 异常检测 ，全面覆盖23对染色体非整倍性异常以及0.1兆 碱基对 （Mb）以上的染色体缺失或重复突变，同时可以检测低至5%的 嵌合体 。NGS相对于核型分析、染色体微阵列分析具有更高的 分辨率 、检测率，适用于流产组织、外周血、 羊水 、脐带血等多种样本。

染色体畸变

染色体畸变一般是指在病理条件或环境因素的作用下， 细胞 中的染色体产生的在 光学显微镜 下可以观察到的染色体的形态结构和数目的改变，其实质是染色体上的成群基因的增减或位置的移动，从而影响正常的生命活动，造成多个器官的病变，在临床上表现出各种综合征。染色体畸变分为染色体数目畸变和染色体结构畸变两大类。 染色体上载有基因，染色体结构和数量上的变异必然产生遗传效应。例如结构变异中的缺失的 假显性 ，重复的 剂量效应 ，倒位的部分不育，易位的半不育等。数量变异中单倍体、三倍体的高度不育， 同源 四倍体的部分不育，非整倍体的某些异常表现等。 染色体或染色体组的异常数量可能是致命的，也可能引起遗传性疾病。 染色体异常遗传病有时要经过很长时间才能表现出症状。

猫叫综合征

猫叫综合征 是人类常见的染色体缺失综合征之一，患儿时常发出猫叫样啼哭，因此而得名，此症状原因为患儿的喉部肌肉发育不良。在人群中，该病的发病率约为1/50000，女性发病率略高于男性。典型猫叫综合征患者的症状包括一系列特殊面容，如满月脸、小下颌、高额弓等，严重者可能伴有 先天性心脏病 和颅内病变等多种复杂的症状。

唐氏综合征

19世纪60年代，学者首次对 唐氏综合征 （Down syndrome ，DS）患儿的特殊面部特征进行完整描述，将该病命名为唐氏综合征。 该病患者具有十分特殊的染色体核型，即第 21号染色体 比正常人多一条，故该病又称“21三体综合征”。人类的第21号染色体中的几个基因可抑制 线粒体 的生物发生。DS是常见的人类遗传性疾病之一。DS许多表型与退行性疾病有关，包括先天性心脏缺陷、 白血病 、 阿尔茨海默病 、 巨结肠 等。

研究领域

染色体的研究已进入了 人类学 、动物、植物、微生物、农业、医学以及国防等各个领域。

染色体与人类学

以破译生命密码为目的的 人类基因组计划 （human genome project；HGP） 及 基因组学 （genomics）的实施，赋予染色体以新的含义。HGP的任务是绘制 人类基因组 的遗传图谱、物理图谱、基因图谱和序列图谱。在此基础上兴起的功能 基因组 学（ functional genomics）则是利用基因组学所提供的信息，在基因组和生物体的水平上全面分析研究基因的功能。与基因组学静态的 碱基 序列分析不同，功能基因组学专注于基因的 转录 、翻译的动态调控及其过程中的 蛋白质 相互作用，试图最终阐明基因组在 脱氧核糖核酸 、基因、转录本、蛋白质等不同层次上的 生物学 功能。所有的这些研究都是以染色体为基础的。

用于追溯人类历史的 Y染色体 多态主要包括 单核苷酸 多态（SNP）和短 串联重复 序列（STR）两种。Y染色体上的 单核苷酸多态性 标记组成的 单倍型 可以认为是一种“单位点多 等位基因 ” 遗传标记 ，大部分突变是按照一定的时间顺序“一次性发生”，因此具有很强的群体特异性，能清晰记录群体历史，是研究群体父系祖先迁徙史的工具，且各单倍型在不同人群中的分布存在明显差异。 短 重复序列 （STR）是 基因组 中广泛存在的一种重复结构，核心序列重复次数的不同构成了长度多态。Y-STR因具有较快的突变速度，能分析人群系统内部较短的演变历史和较近人群之间的遗传关系，已成为人类 遗传学 研究的有效遗传标记。

染色体与农业

山西农业大学农学院 小麦染色体工程与 分子育种 团队从创制小麦与近缘属的新物种入手，研究外源 染色质 的渗入方式和小片段异源易位系的形成机制，克服亲缘障碍，将 中间偃麦草 和彭梯卡偃麦草的抗性 基因导入 小麦，创制出20个八倍体小麦新物种和1200余份具有抗旱、抗病、耐盐碱等优良特性的染色体异源渗入系。同时以隐形易位系为材料，对外源抗病基因进行分子定位，发掘出源于 偃麦草 的6个抗病新基因Pm40、Pm43、Pm51、PmCH1357、Yr50和Yr69，为进一步 克隆 具有自主 知识产权 的小麦外源基因提供了理论基础和实验材料。 2019年， 中国热带农业科学院 结合PacBio三代测序、10XGe‐nomics、基于直接标记和染色（DLS）的BioNano单分子光学图谱和Hi-C染色体交互捕获4种测序技术，实现了胡椒染色体级别的组装。

染色体与医学

由于染色体复制、分配时产生错误等原因， 脱氧核糖核酸 从染色体中脱落下来，形成环状DNA，散落在 细胞 中，称为染色体外环状DNA（eccDNA）。eccDNA参与先天免疫反应、肿瘤生长等诸多生理和病理过程，成为了疾病诊断、癌症治疗等领域的研究重点。 此外，航天放射医学研究已经有几十年的历史。自1961年Y.A. 尤里·加加林 （Yuri Alekseyevich Gagarin） 太空飞行 以来，人们对空间辐射环境的测量、个人辐照剂量的监测、器官剂量研究、飞行前后外周血染色体变化等进行了长期的研究和分析。