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生物化学原理/染色体及其结构

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在一系列从 1880 年代中期开始的实验中，西奥多·博韦里明确证明了染色体是遗传的载体。他的两个原则是染色体的连续性和染色体的个体性。正是这些原则中的第二个是如此新颖。威廉·鲁克斯提出每个染色体都承载着不同的遗传负荷。博韦里能够测试并证实了这一假设。在 20 世纪初重新发现了格雷戈尔·孟德尔早期的工作之后，博韦里能够指出遗传规律与染色体行为之间的联系。博韦里影响了两代美国细胞学家：埃德蒙·比彻·威尔逊、沃尔特·萨顿和西奥菲勒斯·潘特都受到了博韦里的影响（威尔逊和潘特实际上与他一起工作）。

在他的著名教科书《发育与遗传中的细胞》中，威尔逊将博韦里和萨顿（都在 1902 年左右）的独立工作联系在一起，将染色体遗传理论命名为“萨顿-博韦里理论”（有时名称颠倒）。恩斯特·迈尔指出，该理论遭到了某些著名遗传学家的强烈反对：威廉·贝特森、威廉·约翰森、理查德·戈尔德施密特和 T.H. 摩根，他们都相当教条主义。最终，完整的证明来自摩根自己实验室的染色体图。[1]

中期的人类染色体。
细胞周期各阶段的染色质（1）脱氧核糖核酸（DNA）双链。（2）染色质（脱氧核糖核酸单链和组蛋白）（3）间期的染色质（蓝色）和着丝粒（红色）（4）前期密集的染色质（5）中期的染色体

染色体

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染色体是细胞核中发现的 DNA 和蛋白质的有序结构。它是一条由许多基因、调控元件和其他核苷酸序列组成的盘绕的 DNA 单链。染色体还包含与 DNA 结合的蛋白质，这些蛋白质用于包装 DNA 并控制其功能。染色体在不同生物体之间差异很大。DNA 分子可以是环状或线性，并且可以由长链中的 10,000 到 1,000,000,000 个核苷酸组成。通常，真核细胞（有核细胞）具有较大的线性染色体，而原核细胞（没有明确核的细胞）具有较小的环状染色体，尽管该规则存在许多例外。此外，细胞可能包含不止一种类型的染色体；例如，大多数真核生物的线粒体和植物的叶绿体都有自己的小型染色体。[2]

在真核生物中，核染色体通过蛋白质包装成称为染色质的浓缩结构。这使得非常长的 DNA 分子能够适应细胞核。染色体和染色质的结构在整个细胞周期中发生变化。染色体是细胞分裂的必要单位，必须复制、分裂并成功地传递给它们的子细胞，以确保其后代的遗传多样性和生存。染色体可以以复制或未复制的形式存在。未复制的染色体是单个线性链，而复制的染色体（在合成阶段复制）包含两个由着丝粒连接的副本。有丝分裂和减数分裂期间复制的染色体压缩会导致经典的四臂结构（如图右所示）。染色体重组在遗传多样性中起着至关重要的作用。如果这些结构因称为染色体不稳定性和易位的过程而被错误地操纵，细胞可能会经历有丝分裂灾难而死亡，或者它可能会意外地逃避凋亡，导致癌症的进展。在实践中，“染色体”是一个定义比较松散的术语。在原核生物和病毒中，当不存在染色质时，基因组更合适。然而，大量的研究工作无论染色质含量如何都使用“染色体”一词。在原核生物中，DNA 通常排列成一个圆圈，这个圆圈紧紧地缠绕在自己身上，有时还会伴随一个或多个称为质粒的较小的环状 DNA 分子。这些小的环状基因组也存在于线粒体和叶绿体中，反映了它们的细菌起源。最简单的基因组存在于病毒中：这些 DNA 或 RNA 分子是短的线性或环状基因组，通常缺乏结构蛋白。“染色体”一词源于希腊语 χρῶμα (chroma, 颜色) 和 σῶμα (soma, 身体)，因为它们具有被特定染料强烈染色。的特点。[3]

染色质

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染色质是 DNA、组蛋白和其他构成染色体的蛋白质的组合。它存在于真核细胞的核膜内。它分为异染色质（浓缩）和常染色质（延伸）两种形式。染色质的功能是将 DNA 包装成更小的体积，以适应细胞，增强 DNA 的强度，使有丝分裂和减数分裂能够进行，以及控制基因表达和 DNA 复制。染色质结构的变化受组蛋白蛋白质的化学修饰影响，例如甲基化和乙酰化，以及其他 DNA 结合蛋白的影响。

染色质中 DNA 的包装

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染色质在其结构中经历各种形式的变化。组蛋白，染色质的基础单元，通过各种翻译后修饰而被修饰，以改变 DNA 的包装。乙酰化会导致染色质松散，并有利于复制和转录。当某些残基被甲基化时，它们会牢固地将 DNA 结合在一起，并限制各种酶的访问。最近的一项研究表明，染色质中存在一个双价结构：组蛋白 3 上位置 4 和 27 处的甲基化赖氨酸残基。人们认为这可能与发育有关；胚胎细胞中的赖氨酸 27 甲基化比分化细胞多，而赖氨酸 4 甲基化通过募集核小体重塑酶和组蛋白乙酰转移酶来积极调节转录[4]。[5]

多梳蛋白在通过调节染色质结构来调节基因中发挥作用。[6]

染色质和沃森/克里克碱基配对

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克里克和沃森著名的 DNA 结构（称为 B-DNA）只是三种可能的结构形式之一。

碱基与其糖之间的 C-N 键有两种不同的构象。反式构象出现在所有 A-DNA 和 B-DNA 以及含有胞嘧啶的 Z-DNA 中。在鸟嘌呤的情况下，Z-DNA 采用顺式构象。Z-DNA 链中嘌呤和嘧啶的周期性变化实现了 Z-DNA 螺旋锯齿结构的交替顺式-反式构象特征。

核小体结构的卡通表示。来自 pdb。

组蛋白：DNA 结合蛋白

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组蛋白于 1884 年由阿尔布雷希特·科塞尔发现。 “组蛋白”一词起源于 19 世纪后期，来自德语“Histon”，其起源尚不清楚：可能是来自希腊语 histanai 或 histos。直到 20 世纪 90 年代初，组蛋白被大多数人认为是真核细胞核 DNA 的惰性包装材料，部分原因是马克·普塔什内等人提出的“球棍”模型，他们认为转录是由蛋白-DNA 和蛋白-蛋白相互作用在很大程度上裸露的 DNA 模板上激活的，就像细菌中的情况一样。在 20 世纪 80 年代，迈克尔·格兰斯坦的工作表明真核组蛋白抑制基因转录，而转录激活因子的作用是克服这种抑制。我们现在知道组蛋白在基因表达中起着积极和消极的作用，形成了组蛋白代码的基础。H5 组蛋白的发现似乎可以追溯到 20 世纪 70 年代，在分类中它被归入 H1 组。[7]

组蛋白存在于真核细胞的细胞核中，以及某些古细菌中，即广古菌，但不存在于细菌中。古细菌组蛋白可能与真核组蛋白的进化前体非常相似。组蛋白是真核生物中最保守的蛋白质之一，突出了它们在细胞核生物学中的重要作用：939 相比之下，成熟的精子细胞主要使用精蛋白来包装它们的基因组 DNA，这很可能是因为这使它们能够实现更高的包装比率。核心组蛋白是高度保守的蛋白质，也就是说，不同物种的组蛋白蛋白质的氨基酸序列之间差异很小。连接蛋白通常在一个物种内有多种形式，并且也比核心组蛋白保守程度低。一些主要类别中存在一些变异形式。它们与主要组蛋白的特定类别具有氨基酸序列同源性和核心结构相似性，但也具有与主要组蛋白不同的特征。这些次要组蛋白通常执行染色质代谢的特定功能。例如，组蛋白 H3 样 CenpA 是只与染色体着丝粒区域相关的组蛋白。组蛋白 H2A 变体 H2A.Z 与活跃转录基因的启动子相关，也参与阻止沉默异染色质的扩散。另一个 H2A 变体 H2A.X 结合具有双链断裂的 DNA，并标记正在进行 DNA 修复的区域。组蛋白 H3.3 与活跃转录基因的主体相关。[8][9]

核小体和“串珠结构”

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染色质的基本重复单元是核小体，由连接 DNA 部分连接，这是一种比溶液中纯 DNA 短得多的排列。

除了核心组蛋白之外，还有连接蛋白 H1，它与核小体上 DNA 链的出口/入口接触。核小体核心颗粒连同组蛋白 H1 称为染色体。核小体，大约有 20 到 60 个碱基对的连接 DNA，可以在非生理条件下形成大约 10 纳米的“串珠结构”纤维。

核小体非特异性地结合 DNA，因为它们的功能需要一般 DNA 包装。然而，存在控制核小体定位的大量 DNA 序列偏好。这主要是因为不同 DNA 序列的物理特性不同：例如，腺苷 和 胸腺嘧啶 更容易被压缩到内部小沟中。这意味着核小体可以在大约每 10 个碱基对（DNA 的螺旋重复）的位置优先结合 - 在该位置，DNA 旋转以最大化位于内部小沟中的 A 和 T 碱基的数量。

什么是核小体？核小体是真核生物 DNA 包装的基本单位，由缠绕在组蛋白蛋白质核心周围的 DNA 片段组成。这种结构通常被比作缠绕在线轴上的线。

核小体形成真核染色质的基本重复单位，用于将庞大的真核基因组包装到细胞核中，同时确保对其的适当访问（在哺乳动物细胞中，大约 2 米的线性 DNA 必须包装到大约 10 微米直径的细胞核中）。核小体通过一系列逐渐升高的阶梯结构折叠，最终形成染色体；这既压缩了 DNA，又创建了额外的调节控制层，以确保正确的基因表达。核小体被认为以核心组蛋白的共价修饰形式携带表观遗传继承的信息。核小体假说由唐和艾达·奥林斯在 1974 年提出，并由罗杰·科恩伯格提出。核小体核心颗粒由大约 147 个碱基对的 DNA 组成，这些 DNA 以 1.67 个左手超螺旋圈缠绕在组蛋白八聚体周围，组蛋白八聚体由核心组蛋白 H2A、H2B、H3 和 H4 的 2 个拷贝组成。核心颗粒通过“连接 DNA”片段连接，这些片段的长度可以长达约 80 个碱基对。严格来说，核小体定义为核心颗粒加上这些连接区域之一；然而，这个词通常是核心颗粒的同义词。连接组蛋白如 H1 及其同工型参与染色质压缩，并位于核小体的底部，靠近 DNA 的入口和出口，与 DNA 的连接区域结合。在电子显微镜下，没有连接组蛋白的非凝聚核小体类似于“串珠结构的 DNA”。与大多数真核细胞相比，成熟的精子细胞主要使用精蛋白来包装它们的基因组 DNA，这很可能是为了实现更高的包装比率。在古细菌中也发现了组蛋白等价物和简化的染色质结构，证明真核生物不是唯一使用核小体的生物。

30 纳米染色质纤维

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30 纳米染色质纤维的两种拟议结构。
左：1 起始螺旋“螺线管”结构。
右：2 起始松散螺旋结构。
注意：该图中省略了组蛋白 - 仅显示了 DNA。

随着 H1 的加入，“串珠结构”结构又盘绕成直径为 30 纳米的螺旋结构，称为 30 纳米纤维或细丝。细胞中染色质纤维的精确结构尚不清楚，对此仍有一些争论。

这种染色质结构被认为是常染色质的形式，其中包含活跃转录的基因。电子显微镜研究表明，30 纳米纤维是高度动态的，因此当被参与转录的 RNA 聚合酶穿越时，它会展开成 10 纳米纤维（“串珠结构”）结构。

30 纳米染色质纤维的四种拟议结构，每个核小体的 DNA 重复长度范围为 177 到 207 个碱基对。
连接 DNA 以黄色表示，核小体 DNA 以粉色表示。

现有的模型通常认为核小体垂直于纤维轴，连接组蛋白排列在内部。稳定的 30 纳米纤维依赖于核小体沿 DNA 的规则定位。连接 DNA 相对不容易弯曲和旋转。这使得连接 DNA 的长度对纤维的稳定性至关重要，需要核小体之间的距离允许旋转和折叠成所需的取向，而不会对 DNA 造成过大的压力。从这个角度来看，连接 DNA 的不同长度应该产生染色质纤维的不同折叠拓扑结构。最近基于电子显微镜图像[10]的理论工作支持这种观点。[11]

细胞核中染色质的空间组织

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核内 基因组 的布局并非随机——基因组的特定区域往往位于特定的空间。染色质的特定区域在 核膜 处富集，而其他区域则由蛋白质复合物结合在一起。然而，除了 哺乳动物 雌性 中的两条 X 染色体之一压缩成 巴氏小体 外，这种布局的特征并不明显。这起到永久失活这些基因的作用，从而防止雌性相对于 雄性 获得 双倍剂量。失活的 X 染色体究竟压缩到何种程度尚存争议。

X 染色单体示意图
人类 Y 染色单体

人类染色体

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染色体可分为两种类型——常染色体和性染色体。某些遗传性状与你的性别有关，并通过性染色体传递。常染色体包含其余的遗传遗传信息。所有染色体在细胞分裂过程中都以相同的方式起作用。人体细胞有 23 对大的线性核染色体（22 对常染色体和 1 对性染色体），每细胞总共 46 条。除了这些染色体外，人体细胞还拥有数百个线粒体基因组的拷贝。测序 人类基因组提供了大量关于每条染色体的的信息。下表根据 脊椎动物基因组注释 (VEGA) 数据库 中的桑格研究所的人类基因组信息汇总了染色体的统计数据。[12] 基因数量是一个估计值，因为它部分基于 基因预测。总染色体长度也是一个估计值，基于未测序异染色质区域的估计大小。

常染色体是指 染色体 中不属于 性染色体 的染色体；也就是说，男性和女性的染色体数量相等。[13] 例如，在 人类 中，有 22 对常染色体。除了常染色体外，还有性染色体，具体来说是：X 染色体和 Y 染色体。所以，人类有 23 对染色体。

性染色体 X 染色体是许多动物物种（包括哺乳动物）中两种决定性别的染色体之一（另一种是 Y 染色体）。它是 XY 性别决定系统和 X0 性别决定系统的一部分。X 染色体因其独特的特性而被早期研究人员命名为 X，这导致了其对应染色体 Y 的命名，因为它是在 X 染色体之后被发现的，并以字母表中的下一个字母命名。

Y 染色体是大多数哺乳动物（包括人类）中两种决定性别的染色体之一。在哺乳动物中，它包含 SRY 基因，该基因在存在时会触发睾丸发育。人类 Y 染色体由大约 6000 万个碱基对组成。Y 染色体中的 DNA 从父亲传递给儿子，因此 Y-DNA 分析可用于系谱研究。

人类染色体
女性 (XX) 男性 (XY)
女性和男性都有两份 常染色体 (染色体 1-22) 的拷贝。性染色体 不同：女性有两份 X 染色体的拷贝，而男性只有一份 X 染色体和一份 Y 染色体。
染色体 基因 总 碱基 已测序碱基
1 4,220 247,199,719 224,999,719
2 1,491 242,751,149 237,712,649
3 1,550 199,446,827 194,704,827
4 446 191,263,063 187,297,063
5 609 180,837,866 177,702,766
6 2,281 170,896,993 167,273,993
7 2,135 158,821,424 154,952,424
8 1,106 146,274,826 142,612,826
9 1,920 140,442,298 120,312,298
10 1,793 135,374,737 131,624,737
11 379 134,452,384 131,130,853
12 1,430 132,289,534 130,303,534
13 924 114,127,980 95,559,980
14 1,347 106,360,585 88,290,585
15 921 100,338,915 81,341,915
16 909 88,822,254 78,884,754
17 1,672 78,654,742 77,800,220
18 519 76,117,153 74,656,155
19 1,555 63,806,651 55,785,651
20 1,008 62,435,965 59,505,254
21 578 46,944,323 34,171,998
22 1,092 49,528,953 34,893,953
X (性染色体) 1,846 154,913,754 151,058,754
Y (性染色体) 454 57,741,652 25,121,652
总计 32,185 3,079,843,747 2,857,698,560

什么是拟核？

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显示拟核的原核细胞。

拟核（意为“核状”）是原核生物细胞内一个不规则形状的区域，其中含有核物质，但没有核膜，并且遗传物质集中于此。原核生物的基因组通常是环状的双链 DNA 片段，在任何时候都可能存在多个拷贝。基因组的长度差异很大，但通常至少有几百万个碱基对。拟核内的基因组储存方式与真核生物不同，真核生物的基因组被包装成染色质并被隔离在一个称为核的膜包被的细胞器中。基因组是原核生物的 DNA。这通常被称为原核染色体。基因组这个词对于基因组来说具有误导性，因为基因组缺乏染色质。基因组通过一种称为超螺旋的机制被压缩，而染色体则通过染色质被压缩。基因组在大多数原核生物中是环状的，而在极少数原核生物中是线性的。基因组的环状性质允许复制发生而无需端粒。基因组通常比真核染色体小得多。真正的生物体的基因组可以小到 580,073 个碱基对 (解脲支原体)。许多真核生物（如植物和动物）在其细胞器（如线粒体和叶绿体）中携带基因组。这些细胞器与真正的原核生物非常相似。[14]

实验证据表明，拟核主要由 DNA 组成，大约占 60%，少量 RNA 和蛋白质。后两种成分很可能主要是信使 RNA 和调节细菌基因组的转录因子蛋白。帮助维持核酸超螺旋结构的蛋白质被称为拟核蛋白或拟核相关蛋白，与真核核的组蛋白不同。与组蛋白相比，拟核的 DNA 结合蛋白不会形成核小体，在核小体中，DNA 环绕蛋白质核心。相反，这些蛋白通常利用其他机制来促进压缩，例如 DNA 环化。[15]

环状细菌染色体

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大多数细菌染色体包含一个环状 DNA 分子——DNA 没有游离端。否则，游离端会对细胞的 DNA 复制和稳定性造成重大挑战。确实包含有 DNA 末端或端粒 (大多数真核生物) 的染色体的细胞已经获得了复杂的机制来克服这些挑战。然而，环状染色体可以为细胞带来其他挑战。复制后，两个子代环状染色体有时会保持互连或缠绕，必须将它们分解，以便每个细胞在细胞分裂过程中都遗传一个完整的染色体拷贝。[16]

真核染色体的结构

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某些序列对于正常工作的染色体是必需的：着丝粒：在细胞分裂过程中用作纺锤体纤维的附着点。端粒：通过封端线性染色体的末端来维持染色体的完整性。该区域是微卫星，但其功能比简单的串联重复序列更具体。

着丝粒

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着丝粒是染色体上通常位于染色体中间的 DNA 区域，在那里两个相同的姐妹染色单体彼此最靠近。它参与细胞分裂，作为有丝分裂纺锤体附着的点。姐妹染色单体沿其整个长度连接，但它们在着丝粒处最靠近。

着丝粒 DNA 通常处于异染色质状态，这对于募集介导 DNA 复制后姐妹染色单体凝聚的黏连蛋白复合物以及协调后期姐妹染色单体分离至关重要。在该染色质中，正常的组蛋白 H3 被一种着丝粒特异性变体 CENP-A (在人类中) 所取代。CENP-A 的存在被认为对于着丝粒上动粒的组装很重要。CENP-C 已被证明几乎完全定位于这些 CENP-A 相关染色质区域。在人体细胞中，组蛋白最富含 H4K20me3 和 H3K9me3，它们是已知的异染色质修饰。在裂殖酵母 (以及可能的其他真核生物) 中，着丝粒异染色质的形成与 RNAi 有关。在秀丽隐杆线虫等线虫、一些植物以及鳞翅目和半翅目昆虫中，染色体是“全着丝粒”的，表明没有微管附着的首要部位或首要缢缩，并且一个“弥散的”动粒沿染色体的整个长度组装。

着丝粒位置

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每条染色体都有两条臂，分别标记为 p (较短的) 和 q (较长的)。p 臂以 "petit" 命名，意思是 '小'；q 臂以 q 命名，因为它是字母表中 p 的下一个字母("q" 指的是法语单词 "queue"，意思是 '尾'.) 它们可以以着丝粒、亚着丝粒、端着丝粒或近端着丝粒方式连接。

着丝粒

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如果一条染色体的两条臂长度大致相等，则称为着丝粒染色体。在某些情况下，着丝粒染色体是由平衡的罗伯逊易位形成的：两条近端着丝粒染色体融合形成一条着丝粒染色体。

亚着丝粒

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如果染色体臂长度不相等，则该染色体被称为亚着丝粒染色体。

近端着丝粒

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如果p（短）臂非常短，难以观察，但仍然存在，则该染色体为近端着丝粒染色体（“acro-”在近端着丝粒中指的是希腊语中的“峰值”）。人类基因组包含五条近端着丝粒染色体：13、14、15、21和22。

在近端着丝粒染色体中，p臂包含遗传物质，包括重复序列，如核仁组织区，并且可以在没有明显危害的情况下发生易位，例如在平衡的罗伯逊易位中。家马基因组包含一条着丝粒染色体，它与同种但未驯化的普氏野马中的两条近端着丝粒染色体同源。[17] 这可能反映了家马中平衡的罗伯逊易位的固定，或者相反，普氏野马中一条着丝粒染色体裂解成两条近端着丝粒染色体的固定。人类和类人猿基因组之间存在类似的情况；在这种情况下，由于更多物种现存，因此很明显进化顺序是类人猿中两条近端着丝粒染色体减少到人类中一条着丝粒染色体。

端着丝粒

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端着丝粒染色体的着丝粒位于染色体的末端。 端粒可能从染色体的两端延伸。例如，标准的家鼠核型只有近端着丝粒染色体。[18] 人类没有端着丝粒染色体。一些作者将极端的近端着丝粒染色体称为端着丝粒 - 21、22、Y。

亚端着丝粒

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如果染色体的着丝粒更靠近其末端而不是其中心，则可以将其描述为亚端着丝粒染色体。

全着丝粒

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对于全着丝粒染色体，整个染色体长度充当着丝粒。这种类型的着丝粒的例子可以在整个植物和动物界中找到[19]，最著名的例子是线虫秀丽隐杆线虫。

端粒

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端粒是线性真核染色体末端的一段短而特异的重复DNA序列，它保护染色体末端免受降解。它的名字来源于希腊语中的“telos”和“meros”，分别表示“末端”和“部分”。端粒区域通过允许染色体末端缩短来阻止染色体末端附近基因的降解，而染色体末端缩短是在染色体复制过程中必然发生的。在1975-1977年，伊丽莎白·布莱克本在耶鲁大学与约瑟夫·加尔一起担任博士后研究员期间，发现了端粒的不寻常性质，它们由构成染色体末端的简单重复DNA序列组成。他们的研究成果于1978年发表。端粒缩短机制通常将细胞的复制次数限制在一定范围内，动物研究表明这在细胞层面上导致衰老并限制了寿命。端粒保护细胞的染色体免于相互融合或重排——这些异常会导致癌症——因此，当细胞的端粒消耗殆尽时，细胞就会被破坏。大多数癌症都是“永生”细胞的结果，这些细胞具有逃避这种程序性破坏的方法。

端粒的维持依赖于一种名为端粒酶的特殊核糖核蛋白 (RNP)。端粒和端粒酶具有不同的物理行为，但它们之间存在底物-酶关系，迫使它们建立有效的相互作用。然而，控制它们相互作用的调节机制仍然未知。[20]

伊丽莎白·布莱克本、卡罗尔·格雷德和杰克·绍斯塔克因发现端粒如何保护染色体以及端粒酶的发现获得了 2009 年诺贝尔生理学或医学奖。

端粒的结构和功能

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端粒是位于大多数真核生物和少数原核生物的线性染色体末端的重复DNA序列。端粒弥补了染色体末端半保留DNA复制的不完全性。对同源重组 (HR) 和非同源末端连接 (NHEJ) 的保护构成了端粒的“帽”作用，将其与DNA双链断裂 (DSBs) 区分开来。[21]

在大多数原核生物中，染色体是环状的，因此没有末端会受到过早复制终止的困扰。一小部分细菌l染色体（如链霉菌和伯氏疏螺旋体中的染色体）是线性的，并具有端粒，它们在结构和功能上与真核染色体的端粒截然不同。已知的细菌端粒结构呈蛋白质结合到线性染色体末端的形式，或者线性染色体末端单链DNA的髮夹环的形式。[22]

在大多数多细胞真核生物中，端粒酶仅在生殖细胞、干细胞和某些白细胞中活跃。有一些理论声称，体细胞 (身体) 细胞每次复制时端粒的稳定缩短可能在衰老和预防癌症中发挥作用。这是因为端粒充当一种延迟“熔断器”，最终在一定数量的细胞分裂后耗尽，并导致细胞染色体在未来分裂过程中最终丢失重要的遗传信息。

端粒长度在物种之间差异很大，从酵母中的大约 300 到 600 个碱基对[23]到人类中的数千个碱基对，通常由富含鸟嘌呤的六到八个碱基对长的重复序列组成。真核端粒通常以 3′ 单链 DNA 突出端结束，这对端粒的维持和封端至关重要。已经确定了多种结合单链和双链端粒 DNA 的蛋白质。[24] 它们在端粒的维持和封端中发挥作用。端粒形成称为端粒环或 T 环的大环结构。在这里，单链 DNA 以长圆圈的形式卷曲，并由端粒结合蛋白稳定。[25] 在 T 环的最末端，单链端粒 DNA 被连接到一个双链 DNA 区域，端粒链破坏双螺旋 DNA 并与两条链中的一条进行碱基配对。这种三链结构被称为置换环或 D 环。[26]

人类端粒缩短会导致复制性衰老，从而阻止细胞分裂。这种机制似乎通过限制细胞分裂次数来防止人类衰老细胞中的基因组不稳定和癌症发生。然而，端粒缩短会损害免疫功能，这可能也会增加患癌风险。[27] 绕过这种停滞的恶性细胞通过端粒延伸而永生化，这主要是由于端粒酶的激活，端粒酶是一种负责端粒合成的逆转录酶。然而，5-10%的人类癌症激活了另一种端粒延长途径 (ALT)，该途径依赖于重组介导的端粒延长。

由于端粒缩短被认为是健康状况下降和衰老的原因，这引出了一个问题，为什么没有选择更长的端粒来改善这些影响。一种主要的解释表明，遗传更长的端粒会导致癌症发生率增加（例如，Weinstein 和 Ciszek，2002）。然而，最近的文献回顾和分析[27] 表明这不太可能，因为端粒缩短和端粒酶失活更常与癌症发生率增加相关，而癌症死亡率发生在生命的后期，此时自然选择的力度非常低。另一种对长端粒因其促癌作用而被选择的假说的解释是“节俭端粒”假说，该假说认为长端粒的细胞增殖效应会导致能量消耗增加。[27] 在能量有限的环境中，端粒缩短可能是一种节约能量的机制。

人类端粒和癌症

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缺乏端粒酶的人类体细胞由于复制不完全而逐渐丢失端粒序列（Counter 等人，1992）。随着人类端粒越来越短，细胞最终会达到其复制能力的极限，并进入衰老。衰老涉及 p53 和 pRb 途径，并导致细胞增殖停滞。人们认为衰老在抑制癌症发生中起着重要作用，尽管遗传较短的端粒可能并不能防止癌症（Eisenberg，2011）。[28] 当端粒严重缩短时，可以通过失活 p53 和 pRb 途径来实现进一步的细胞增殖。在 p53 和 pRb 途径失活后进入增殖的细胞会经历危机。危机以染色体大规模重排和基因组不稳定为特征，几乎所有细胞都会死亡。很少有细胞从危机中存活下来，这些细胞通过激活端粒酶或 ALT 而永生化，从而延长了端粒（Colgina 和 Reddel，1999；Reddel 和 Bryan，2003）。对 ALT 细胞系的首次描述表明，端粒的长度高度异质，并预测了一种涉及重组的机制（Murnane 等人，1994）。随后的研究证实了重组在 ALT 端粒维持中的作用（Dunham 等人，2000），然而，该途径的确切机制还有待确定。ALT 细胞会产生大量的 t 环，可能是端粒内重组和 t 环分辨率的产物（Tomaska 等人，2000；2009；Cesare 和 Griffith，2004；Wang 等人，2004）。

端粒酶是一种“核糖核蛋白复合物”，由蛋白质成分和 RNA 引物序列组成，作用于保护染色体的末端。端粒酶的作用是必要的，因为在复制过程中，DNA 聚合酶只能以 5' 到 3' 的方向合成 DNA，并且只能通过在 DNA 序列中已经放置的 RNA 引物的各个点添加多核苷酸来实现。这些 RNA 链必须在之后被 DNA 替换。这种 RNA 引物的替换在染色体内的复制起始点没有问题，因为 DNA 聚合酶可以使用 RNA 模板 5' 端的先前 DNA 片段作为模板来回填 RNA 引物所在的位置的序列；然而，在染色体的末端，DNA 聚合酶无法替换 RNA 引物，因为没有 RNA 引物 5' 端的位置可以放置另一个引物，也没有上游 DNA 可以用作引物，使 DNA 聚合酶可以替换 RNA 引物。如果没有 DNA 末端的端粒，染色体末端的这个基因序列将被删除，并且染色体在随后的复制中会越来越短。端粒通过采用不同的机制来合成此处的 DNA 来防止这个问题，从而保留染色体末端的序列。这可以防止染色体磨损，并防止染色体末端被处理成双链 DNA 断裂，这会导致染色体之间的端粒融合。端粒通过端粒酶延长，端粒酶是专门的逆转录酶的一个蛋白质亚组的一部分，被称为Telomerase reverse transcriptase (TERT)（TElomerase Reverse Transcriptases），参与人类和许多其他（但并非全部）生物体中端粒的合成。然而，由于 DNA 复制机制、氧化应激，以及因为 TERT 在许多类型的人类细胞中的表达非常低，这些细胞的端粒在每次细胞分裂时都会缩短一点点，尽管在需要大量细胞分裂的其他细胞区室（如干细胞和某些白细胞）中，TERT 的表达水平较高，并且端粒缩短被部分或完全阻止。

人类端粒 DNA 可形成的平行四链体的结构。图像由 NDB UD0017 创建。

除了其 TERT 蛋白成分外，端粒酶还包含一段模板 RNA，称为 TERC（TElomerase RNA Component）或 TR（Telomerase RNA）。在人类中，这个 TERC 端粒序列是一个重复的 TTAGGG 字符串，长度在 3 到 20 千碱基对之间。在端粒和染色体的其余部分之间还有额外的 100-300 千碱基对的端粒相关重复序列。端粒序列在不同物种之间有所不同，但一般来说，一条链富含 G，而 C 较少。这些富含 G 的序列可以形成四链结构（G 四链体），四碱基组在平面上保持，然后彼此堆叠，在平面四链体之间有钠或钾离子。

如果端粒变得太短，它们有可能从假定的闭合结构中解开。人们认为细胞会将这种去帽检测为 DNA 损伤，然后根据细胞的遗传背景（p53 状态）进入细胞衰老、生长停滞或凋亡。去帽端粒也会导致染色体融合。由于这种损伤在正常的体细胞中无法修复，细胞甚至可能进入凋亡。许多与衰老相关的疾病都与端粒缩短有关。随着越来越多的细胞死亡或进入细胞衰老，器官会逐渐退化。

在端粒的最远端是一个 300 bp 的单链部分，形成 T 环。这个环类似于一个结，它稳定端粒，防止端粒末端被 DNA 修复机制识别为断裂点。如果端粒末端发生非同源末端连接，则会导致染色体融合。T 环由七种已知的蛋白质维持，其中最重要的是 TRF1、TRF2、POT1、TIN1 和 TIN2，它们共同被称为庇护蛋白复合体。

2005 年 5 月 3 日发表在美国心脏协会杂志 Circulation 上的一项研究发现，体重增加和胰岛素抵抗增加与随着时间的推移端粒缩短程度更大相关。

一些已知的端粒序列
组 生物体 端粒重复序列（5' 到 3' 朝向末端）
脊椎动物 人类，小鼠，非洲爪蟾 TTAGGG
丝状真菌 粗糙脉孢霉 TTAGGG
粘菌 团毛霉属，粘菌属 TTAGGG
盘基网柄菌属 AG(1-8)
动基体原生动物 锥虫属，锥形虫属 TTAGGG
纤毛虫 四膜虫属，绿眼虫属 TTGGGG
草履虫属 TTGGG(T/G)
毛口虫属，柄毛虫属，斜管虫属 TTTTGGGG
顶复体原生动物 疟原虫属 TTAGGG(T/C)
高等植物 拟南芥 TTTAGGG
绿藻 衣藻属 TTTTAGGG
昆虫 家蚕 TTAGG
圆虫 蛔虫 TTAGGC
裂殖酵母 粟酒裂殖酵母 TTAC(A)(C)G(1-8)
出芽酵母 酿酒酵母 TGTGGGTGTGGTG (来自RNA模板)
或 G(2-3)(TG)(1-6)T (共识序列)
卡氏酵母 TCTGGGTG
光滑念珠菌 GGGGTCTGGGTGCTG
白色念珠菌 GGTGTACGGATGTCTAACTTCTT
热带念珠菌 GGTGTA[C/A]GGATGTCACGATCATT
麦芽念珠菌 GGTGTACGGATGCAGACTCGCTT
圭拉德念珠菌 GGTGTAC
假热带念珠菌 GGTGTACGGATTTGATTAGTTATGT
乳酸克鲁维酵母 GGTGTACGGATTTGATTAGGTATGT

微卫星和小卫星

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卫星DNA由大量串联重复的非编码DNA组成。卫星DNA是功能性着丝粒的主要组成部分，也是异染色质的主要结构成分。 “卫星DNA”这个名称是指短DNA序列的重复如何倾向于产生腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶的不同频率，因此与整体DNA具有不同的密度——因此，当基因组DNA在密度梯度上分离时，它们会形成第二或“卫星”带。

卫星DNA的类型

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卫星DNA与微卫星和小卫星DNA一起构成串联重复序列。

人类中的一些卫星DNA类型是

类型 重复单元的大小（bp） 位置
α（α型DNA） 171 所有染色体
β 68 染色体1、9、13、14、15、21、22和Y的着丝粒
卫星1 25-48 大多数染色体的着丝粒和其他异染色质区域
卫星2 5 大多数染色体
卫星3 5 大多数染色体

微卫星

微卫星是DNA的一部分，包含10-60 bp的短碱基序列。它们存在于人类基因组的1000多个位置。一些微卫星包含中心（或“核心”）字母序列“GGGCAGGANG”（其中N可以是任何碱基），或者更一般地，一条链上的嘌呤（腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G））和另一条链上的嘧啶（胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T））的链偏好。有人提出，这种序列本身会促使染色体交换DNA。在另一种模型中，是相邻的顺式作用减数分裂双链断裂热点是微卫星重复拷贝数变异的主要原因。体细胞变化被认为是由复制困难造成的（这可能包括复制滑移等现象）。当发生此类事件时，会出错，从而导致一个人基因组中 1000 多个位置的微卫星具有略微不同的重复次数，从而使每个人都独一无二。到目前为止，描述的最具可变性的微卫星基因座是 Vergnaud 描述的 CEB1 (D2S90)。[29] 微卫星与染色体脆性位点有关，并且靠近许多反复易位断裂点。一些人类微卫星（约 1%）已被证明是超突变的，其种系中的平均突变率高于 0.5%，最高可达 20% 以上，使其成为迄今为止已知的人类基因组中最不稳定的区域。虽然其他基因组（小鼠、大鼠和猪）包含类似微卫星的序列，但没有发现任何一个具有超突变性。由于所有超突变的微卫星都包含内部变异，因此它们提供了极其信息丰富的系统来分析此类串联重复序列中发生的复杂周转过程。通过 PCR 进行的微卫星变异重复图谱 (MVR-PCR) 已被广泛用于绘制变异重复序列沿阵列的散布模式，这提供了关于等位基因在突变之前和之后的结构的详细信息。研究表明，体细胞和种系细胞中存在不同的突变过程。在血液 DNA 中检测到的体细胞不稳定性显示出简单且罕见的等位基因内事件，其发生率比精子中低两个到三个数量级。相反，在种系中发生复杂的等位基因间转换样事件。[6] 对人类微卫星侧翼 DNA 序列的额外分析也揭示了一个强烈且高度局部的减数分裂交叉热点，该热点集中在不稳定侧的微卫星阵列上游。因此，重复周转似乎受到侧翼重复阵列的 DNA 中重组活动的控制，并导致突变的极性。这些发现表明，微卫星最可能是在人类基因组中局部减数分裂重组热点的旁观者中进化而来的。

应用 自 1980 年 A.R. Wyman 和 R. White 偶然发现第一个人类微卫星[30]，尤其是发现微卫星的极端多态性使其非常适合DNA指纹识别后Alec Jeffreys[31]，此类重复序列一直是研究的重点，这些研究旨在解决导致其不稳定性的周转机制。由于其高度多态性，微卫星已被广泛用于DNA指纹识别，以及连锁分析和群体研究中的遗传标记。

微卫星也被认为是基因表达的调节因子（例如，在转录、可变剪接或印记控制水平）或作为真正开放阅读框的一部分。

小卫星

小卫星，也称为简单序列重复序列 (SSR)，有时称为短串联重复序列 (STR)，是 1-6 个碱基对的 DNA 重复序列。小卫星通常是中性的且共显性的。它们被用作遗传学中的分子标记，用于亲缘关系、种群和其他研究。它们也可以用于研究基因的复制或缺失。

小卫星的一个常见例子是 (CA)n 重复，其中 n 在等位基因之间是可变的。这些标记通常呈现出高水平的种间和种内多态性，尤其是在串联重复序列的次数为 10 或更多时。重复序列通常很简单，由两个、三个或四个核苷酸组成（分别为二核苷酸、三核苷酸和四核苷酸重复序列），并且可以重复 10 到 100 次。CA 核苷酸重复序列在人类和其他基因组中非常频繁，并且每隔几千个碱基对出现一次。由于在一个小卫星基因座上通常存在许多等位基因，因此谱系内的基因型通常是完全有信息的，因为通常可以识别特定等位基因的祖先。这样，小卫星非常适合确定亲子关系、群体遗传学研究和重组图谱。它也是唯一能够提供有关哪些等位基因更密切相关的线索的分子标记。小卫星的变异性归因于与 DNA 其他中性区域相比，突变率较高。这些高突变率可以用 DNA 复制过程中单链 DNA 上的滑链错配（滑移）来解释。突变也可能发生在减数分裂过程中的重组期间。[4] 复制过程中的某些滑移错误可以通过细胞核内的校对机制来纠正，但一些突变可能会逃脱修复。重复单元的大小、重复的次数和变异重复序列的存在都是因素，以及 DNA 重复区域的转录频率。小卫星的干扰，可能是由于突变造成的，可能会导致多态性降低。然而，同样的机制偶尔会导致小卫星的错误扩增；如果在 PCR 过程的早期发生滑移，则可以扩增错误长度的小卫星。

局限性

小卫星已被证明是通用的分子标记，尤其适用于种群分析，但它们也并非没有局限性。为特定物种开发的小卫星通常可以应用于密切相关的物种，但成功扩增的基因座百分比可能会随着遗传距离的增加而降低。此类物种中引物退火位点的点突变可能会导致出现“零等位基因”，在这种情况下，小卫星无法在 PCR 测定中扩增。[32] 零等位基因可以归因于几种现象。侧翼区域的序列差异会导致引物退火不良，尤其是在 3’ 端，延伸从此处开始；由于 PCR 的竞争性，特定大小等位基因的优先扩增会导致杂合个体被评分为纯合（部分零）。当特定基因座无法扩增时，PCR 可能会失败，而其他基因座则扩增效率更高，并且可能在凝胶测定中显示为纯合，而实际上它们在基因组中是杂合的。零等位基因使小卫星等位基因频率的解释变得复杂，因此会使亲缘关系估计出现错误。此外，随机的交配抽样效应可能会以与零等位基因效应非常相似的方式改变等位基因频率；过高的纯合子频率导致偏离 Hardy-Weinberg 平衡预期。由于零等位基因是技术问题，而交配过程中发生的抽样效应是种群的真实生物学特性，因此在观察到过量的纯合子时，区分它们通常非常重要。

当使用小卫星比较物种时，同源基因座很容易在相关物种中扩增，但随着所讨论物种之间遗传距离的增加，在 PCR 过程中成功扩增的基因座数量可能会减少。小卫星等位基因的突变是有偏见的，因为较大的等位基因包含更多碱基，因此在 DNA 复制中更容易发生误译。较小的等位基因也倾向于增大，而较大的等位基因则倾向于减小，因为它们可能受到上限限制；这种限制已被确定，但可能的数值尚未确定。如果各个等位基因之间存在很大的尺寸差异，那么在减数分裂过程中的重组期间可能会出现更大的不稳定性。在肿瘤细胞中，复制控制机制可能受损，小卫星可能在每次有丝分裂循环中以特别高的频率获得或丢失。因此，肿瘤细胞系可能会显示出与宿主组织不同的遗传指纹。

变化机制

短序列重复序列长度变化的最常见原因是复制滑移，这是由于在减数分裂过程中复制时 DNA 链之间发生错配造成的。通常，每个小卫星的滑移大约每 1000 代发生一次（Weber 1993）。重复 DNA 的滑移变化比基因组其他部分的点突变要常见得多。大多数滑移会导致仅改变一个重复单元，并且不同重复单元大小的滑移率以及不同物种内的滑移率有所不同。

短序列重复序列分布在整个基因组中。可以推测，它们最可能的表达方式将因其位置而异。

在蛋白质中

在哺乳动物中，20% 到 40% 的蛋白质包含由短序列重复引起的氨基酸重复序列。基因组中蛋白质编码部分的大多数短序列重复具有三个核苷酸的重复单元，因为该长度不会导致移码突变（Sutherland 1995）。每个三核苷酸重复序列被转录成相同氨基酸的重复序列。在酵母中，最常见的重复氨基酸是谷氨酰胺、谷氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸和丝氨酸。这些重复片段会影响蛋白质的物理和化学性质，有可能在蛋白质的作用中产生逐渐且可预测的变化。

例如，Runx2 基因中串联重复区域的长度变化会导致家犬（Canis familiaris）面部长度的差异，并且更长的序列长度与更长的面部之间存在关联。这种关联也适用于更广泛的食肉目物种。HoxA13 基因中多丙氨酸片段的长度变化与手足生殖器综合征有关，这是一种人类的先天性疾病。其他三联体重复的长度变化与人类的 40 多种神经系统疾病有关[33]。

复制滑移产生的进化变化也发生在更简单的生物体中。例如，微卫星长度变化在酵母的表面膜蛋白中很常见，这为细胞特性提供了快速进化。具体来说，FLO1 基因的长度变化控制着对基质的粘附水平。短序列重复还为致病性细菌的表面蛋白提供了快速的进化变化，也许是为了使其能够跟上宿主的免疫变化。这被称为红皇后假说。真菌（Neurospora crassa）中短序列重复的长度变化控制着其生物钟循环的持续时间[34]。

人类细胞在前期中期的 23 个染色体区域。[35]

基因调控

启动子和其它顺式调控区域内微卫星的长度变化也可以在世代之间快速改变基因表达。人类基因组在调控区域包含许多（>16,000）短序列重复，它们为许多基因的表达提供了“微调旋钮”（Rockman 2002）。细菌 SSR 的长度变化可以通过改变启动子间距来影响流感嗜血杆菌的菌毛形成（Moxon 1994）。微卫星也与人类基因组中顺式调控控制区域的大量变异有关。田鼠中加压素 1a 受体基因控制区域的微卫星会影响它们的社会行为和一夫一妻制水平。

在内含子中

内含子中的微卫星也会通过目前尚不清楚的方式影响表型。例如，X25 基因第一个内含子中的 GAA 三联体扩张似乎会干扰转录，并导致弗里德赖希共济失调（Bidichandani 1998）。天冬酰胺合成酶基因第一个内含子中的串联重复与急性淋巴细胞性白血病有关。NOS3 基因第四个内含子中的重复多态性与突尼斯人群的高血压有关（Jemaa 2008）。EGFR 基因中重复长度的减少与骨肉瘤有关。

在转座子中

微卫星分布在整个基因组中。几乎 50% 的人类基因组包含在各种类型的转座因子（也称为转座子或“跳跃基因”）中，其中许多包含重复 DNA。这些位置的短序列重复可能也参与基因表达的调控[36]。

各种生物体中的染色体数量

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真核生物

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这些表格给出了细胞核中染色体总数（包括性染色体）。例如，人类细胞是二倍体，并且有 22 种不同类型的常染色体，每种都以两个拷贝存在，以及两个性染色体。这总共得到 46 条染色体。其他生物体拥有超过两个拷贝的染色体，例如普通小麦，它是六倍体，拥有七种不同染色体的六个拷贝——总共 42 条染色体。

一些植物中的染色体数量
植物物种 #
拟南芥（二倍体）[37] 10
黑麦（二倍体）[38] 14
玉米（二倍体或古四倍体）[39] 20
一粒小麦（二倍体）[40] 14
硬粒小麦（四倍体）[40] 28
面包小麦（六倍体）[40] 42
栽培烟草（四倍体）[41] 48
蛇舌蕨（二倍体）[42] }
一些动物中的染色体数量 (2n)
物种 # 物种 #
普通果蝇 8 豚鼠[43] 64
孔雀鱼（poecilia reticulata）[44] 46 花园蜗牛[45] 54
蚯蚓（Octodrilus complanatus）[46] 36 藏狐 36
家猫[47] 38 家猪 38
实验小鼠[48][49] 40 实验大鼠[49] 42
兔子（Oryctolagus cuniculus）[50] 44 叙利亚仓鼠[48] 44
野兔[51][52] 48 人类[53] 46
大猩猩、黑猩猩[53] 48 家羊 54
大象[54] 56 奶牛 60
驴 62 马 64
狗[55] 78 翠鸟[56] 132
金鱼[57] 100-104 家蚕[58] 56
其他生物的染色体数目
物种 大型
染色体		 中间型
染色体		 微染色体
布鲁氏锥虫 11 6 ~100
家鸽 (Columba livia domestics)[59] 18 - 59-63
鸡[60] 8 2条性染色体 60

特定真核生物物种的正常成员都具有相同数量的核染色体（见表格）。其他真核染色体，即线粒体和质粒样小染色体，其数量差异更大，每个细胞可能含有数千个拷贝。


无性生殖物种有一组染色体，这些染色体在所有体细胞中都是相同的。然而，无性物种可以是单倍体或二倍体。

有性生殖|有性生殖物种具有体细胞（体细胞），这些细胞是二倍体 [2n]，具有两组染色体，一组来自母亲，另一组来自父亲。配子，生殖细胞，是单倍体 [n]：它们具有一组染色体。配子由二倍体生殖细胞系细胞减数分裂产生。在减数分裂过程中，父亲和母亲的匹配染色体可以交换自身的小部分（交叉），从而产生新的染色体，这些染色体并非完全遗传自父母双方。当雄性和雌性配子融合（受精）时，就会形成一个新的二倍体生物体。

一些动植物物种是多倍体 [Xn]：它们具有超过两组同源染色体。在农业中重要的植物，如烟草或小麦，通常是多倍体，与它们的祖先物种相比。小麦的单倍体数目为七条染色体，在一些栽培品种以及野生祖先中仍然可以见到。更常见的面食和小麦面包是多倍体，与野生小麦的14条（二倍体）染色体相比，分别具有28条（四倍体）和42条（六倍体）染色体。[61]

原核生物

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原核生物物种通常具有每个主要染色体的单个拷贝，但大多数细胞可以轻松地在具有多个拷贝的情况下存活。[62] 例如，布氏杆菌，蚜虫的共生体，其染色体具有多个拷贝，每个细胞的拷贝数从10到400不等。[63] 然而，在一些大型细菌中，例如费氏巨形细菌，染色体的拷贝数可能高达100,000个。[64] 质粒和质粒样小染色体与真核生物一样，拷贝数变化很大。细胞中质粒的数量几乎完全由质粒的复制速率决定——快速复制导致高拷贝数，反之亦然。

染色体异常、异常或畸变

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当染色体的结构发生改变时。这可以采取多种形式

缺失：染色体的一部分缺失或被删除。人类已知的疾病包括狼-希尔施霍恩综合征，该综合征是由4号染色体短臂部分缺失引起的；以及雅各布森综合征，也称为11q端粒缺失综合征。

重复：染色体的一部分被复制，导致额外的遗传物质。人类已知的疾病包括夏科-马里-图斯病1A型，这可能是由于编码周围髓鞘蛋白22 (PMP22) 的基因在17号染色体上的重复引起的。

易位：当一条染色体的一部分转移到另一条染色体上时。易位主要有两种类型。在相互易位中，来自两条不同染色体的片段被交换。在罗伯逊易位中，整条染色体附着在另一条染色体的着丝粒上——在人类中，这只会发生在13、14、15、21和22号染色体上。

倒位：染色体的一部分断裂，倒置并重新连接，因此遗传物质被倒置。

环状：染色体的一部分断裂并形成圆圈或环状。这可能发生在有或没有遗传物质丢失的情况下。

等臂染色体：由包括着丝粒在内的染色体片段的镜像复制形成。

染色体不稳定综合征是一组以染色体不稳定和断裂为特征的疾病。它们通常会导致对某些类型的恶性肿瘤的易感性增加。

染色体畸变是细胞正常染色体含量中的中断，是人类遗传疾病的主要原因，如唐氏综合征。一些染色体异常不会导致携带者患病，例如易位或染色体倒位，尽管它们可能导致生出患有染色体疾病孩子的可能性更高。染色体或染色体组的数量异常，即非整倍体，可能是致命的，也可能导致遗传疾病。对于可能携带染色体重排的家庭，可以提供遗传咨询。

染色体中 DNA 的获得或丢失会导致各种遗传疾病。人类的例子包括

猫叫综合征，是由 5 号染色体短臂部分缺失引起的。 “猫叫”在法语中是 “猫叫” 的意思，这种疾病因此得名，因为受影响的婴儿会发出像猫一样的尖锐哭声。受影响的个体眼睛间距大，头部和下巴小，智力障碍中度到重度，身材矮小。

唐氏综合征，通常是由 21 号染色体多出一条拷贝（21 三体）引起的。特征包括肌肉张力减退、体格更壮实、头骨不对称、眼睛倾斜和轻度到中度智力发育障碍。[49]

爱德华兹综合征，是第二常见的染色体三体；唐氏综合征是最常见的。它是 18 号染色体三体。症状包括运动迟缓、智力发育障碍和许多先天性畸形，导致严重的健康问题。90% 的患儿在婴儿期死亡；然而，那些活过一周岁的患儿，此后通常会非常健康。他们有一个特点，即拳头紧握，手指重叠。

Idic15，是 Isodicentric 15 on chromosome 15 的缩写；也称为以下名称，因为各种研究，但它们都意味着相同；IDIC(15)，倒置重复 15，额外的标记，Inv dup 15，部分四体 15

雅各布森综合征，也称为 11q 端粒缺失综合征。这是一种非常罕见的疾病。受影响的人智力正常或有轻微的智力发育障碍，但语言表达能力差。大多数患有巴黎-特鲁索综合征，这是一种出血性疾病。

克莱恩费尔特综合征（XXY）。患有克莱恩费尔特综合征的男性通常不育，并且手臂和腿比同龄人长，身材也比同龄人高。患有这种综合征的男孩通常害羞和安静，说话延迟和阅读障碍的发生率较高。青春期，如果不进行睾酮治疗，他们中的一些人可能会出现乳房发育。

帕陶综合征，也称为 D 综合征或 13 三体。症状与 18 三体有些相似，但没有特征性的手型。

小型超数标记染色体。这意味着存在一条额外的异常染色体。特征取决于额外遗传物质的来源。猫眼综合征和 15 号染色体等臂染色体综合征（或 Idic15）都是由超数标记染色体引起的，帕利斯特-基利安综合征也是如此。

三 X 综合征 (XXX)。XXX 女孩子往往身材高挑，骨骼纤细。她们阅读障碍的发生率较高。

特纳综合征（X 而不是 XX 或 XY）。在特纳综合征中，女性性征存在，但发育不良。特纳综合征患者通常身材矮小，发际线低，眼睛和骨骼发育异常，胸部呈“凹陷”状。

XYY 综合征。XYY 男孩通常比他们的兄弟姐妹高。像 XXY 男孩和 XXX 女孩一样，他们也更可能出现学习障碍。狼-希尔施霍恩综合征，是由 4 号染色体短臂部分缺失引起的。它的特征是严重生长迟缓和严重到极度严重的精神健康问题。

灯刷染色体

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多线染色体

灯刷染色体（首次由弗莱明于 1882 年发现）是一种特殊的染色体形式，存在于大多数动物（除哺乳动物外）的生长中的卵母细胞（未成熟卵子）中。有尾和无尾两栖动物、鸟类和昆虫的灯刷染色体描述得最为详细。染色体在减数分裂前期 I 的双线期转变为灯刷形式，这是由于许多基因的活跃转录。它们是高度延伸的减数分裂半二价体，每个二价体包含 2 条姐妹染色单体。灯刷染色体即使在光学显微镜下也很容易观察到，可以看到它们被组织成一系列染色粒，并且有大的染色质环从侧面延伸出来。可以从卵母细胞核（生殖囊）中通过镊子或针头显微手术分离两栖动物和鸟类的灯刷染色体。给定的环始终包含相同的 DNA 序列，并且随着卵母细胞的生长，它保持以相同的方式延伸。这些染色体正在为卵母细胞产生大量的 RNA，并且 DNA 环中存在的大多数基因正在被积极表达。每个侧环包含一个或多个转录单位，其中极化的 RNP 矩阵包裹着环的 DNA 轴。然而，大多数 DNA 并不在环中，而是高度浓缩在轴上的染色粒中，在那里基因通常不表达。人们认为所有真核生物的间期染色体以类似的方式排列成环。尽管这些环通常太小且易碎，难以在光学显微镜下观察，但可以使用其他方法来推断它们的存在。例如，现在已经有可能评估间期染色体上两个基因座相互配对的频率，从而揭示构成紧密相邻的环结构基础的染色质位点的候选者。这些实验和其他实验表明，人类染色体中的 DNA 被组织成不同长度的环。一个典型的环可能包含 50,000 到 200,000 个碱基对的 DNA，尽管也有人提出过百万个碱基对的环。 [65]

灯刷形式的巨型染色体是研究减数分裂前期染色体组织、基因组功能和基因表达的有用模型，因为它们可以使单个转录单位可视化。此外，灯刷染色体被广泛用于高分辨率的 DNA 序列作图和构建单个染色体的详细细胞学图谱。[66] 为了增加细胞体积，一些特化的细胞在没有细胞分裂的情况下进行多次 DNA 复制（核内有丝分裂），形成巨型多线染色体。当多次复制产生许多姐妹染色单体并保持联会在一起时，就会形成多线染色体。除了增加细胞核的体积并导致细胞扩张之外，多线细胞也可能具有代谢优势，因为基因的多个拷贝允许高水平的基因表达。例如，在黑腹果蝇中，幼虫唾液腺的染色体经历了许多轮次内复制，以在化蛹之前产生大量的粘合剂。[67]

多线染色体

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多线染色体具有特征性的明暗带状图案，可以用来识别染色体重排和缺失。暗带通常对应于不活跃的染色质，而明带通常在转录活性较高的区域发现。黑腹果蝇多线染色体的带状图案在 1935 年由卡尔文·B·布里奇斯绘制，其细节程度之高，以至于他的图谱至今仍被广泛使用。染色体的带状图案在研究中尤其有用，因为它们提供了对转录活跃的染色质和一般染色质结构的极好可视化。染色体膨大是多线染色体的弥散解旋区域，是 RNA 转录的位点。巴尔比安尼环是一个大型染色体膨大。多线染色体最初是由巴尔比安尼在 1881 年在摇蚊幼虫的唾液腺中观察到的，但直到 20 世纪 30 年代初，埃米尔·海茨和汉斯·鲍尔在黑腹果蝇中研究了这些结构，才证实了它们的遗传特性。已知它们存在于其他双翅目昆虫的分泌组织中，如摇蚊的马氏管，以及原生动物、植物、哺乳动物或其他昆虫的细胞中。到目前为止，所描述的一些最大的多线染色体存在于摇蚊属 Axarus 幼虫的唾液腺细胞中。另一种提供增加转录的染色体增大形式是灯刷染色体。多线染色体也被用来识别摇蚊幼虫的种类，这些幼虫 notoriously 难以识别。每个形态上不同的幼虫群体包含许多形态上相同的（同胞）物种，这些物种只能通过饲养成年雄性或通过幼虫多线染色体的细胞遗传学分析来识别。核型被用来确认特定物种的存在，以及研究具有广泛范围的物种的遗传多样性。[68]

B 染色体

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除了正常的核型外，许多动物、植物和真菌物种的野生群体包含 B 染色体（也称为超数染色体或副染色体）。根据定义，这些染色体对于物种的生存不是必需的，在一些（通常是大多数）个体中缺失。因此，一个群体将由具有 0、1、2、3（等等）个超数染色体的个体组成。大多数 B 染色体主要是或完全是异染色质（因此在很大程度上是非编码的），但有些，例如玉米的 B 染色体，包含相当大的常染色质片段。一般来说，似乎超数染色体不会在一个物种中持续存在，除非存在某种积极的适应性优势，在少数情况下已经确定了这种优势。例如，英国的蚱蜢 Myrmeleotettix maculatus 有两种结构类型的 B 染色体：中着丝粒染色体和亚中着丝粒染色体。这些超数染色体具有卫星 DNA，出现在温暖干燥的环境中，而在潮湿凉爽的地方很少见或不存在。在植物中，B 染色体往往存在于生殖系中，但会从其他组织（如根尖和叶片）中丢失。有证据表明超数染色体对花粉育性的有害影响，并且在许多物种中也已知有利的影响或与特定栖息地的关联。超数染色体的进化起源尚不清楚，但推测它们必须在遥远的过去从正常染色体的异染色质片段中衍生而来。一般来说，“我们可以将超数染色体视为一种非常特殊的遗传多态性类别，由于多种积累机制，它不服从普通的孟德尔遗传定律。”在某些情况下，B 染色体可能对正常的 A 染色体发挥积极作用。B 染色体抑制同源配对，从而减少了异源多倍体中同源染色体之间的多次配对。二价体配对由 B 基因组 Phlocus 染色体 5 上的一个基因保证。B 染色体对 A 染色体还有以下影响：增加不对称的交叉互换分布，增加交叉互换和重组频率：增加变异，导致增加的非配对染色体：不育 B 染色体有在减数分裂细胞产物中积累的趋势，导致 B 数目在几代之间增加。然而，这种影响被针对不育的选择所抵消。B 染色体不应该与标记染色体或正常的染色体的额外拷贝混淆，因为它们存在于三体中。[69][70]

真菌中的超数染色体

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染色体多态性在真菌中非常普遍。同一物种的不同分离株通常具有不同的染色体数目，其中一些额外的染色体对于培养中的正常生长是不必要的。额外的染色体被称为条件性可分配的或超数的，因为它们在某些情况下是可以分配的，但在不同的环境下可能会带来选择优势。超数染色体不携带真菌基本生长所必需的基因，但可能具有一些功能意义。例如，人们发现豌豆病原体 Haematonectria haematococca 的超数染色体携带一些对真菌致病能力很重要的基因。发现这种超数 DNA 编码了一组代谢毒素（称为植物抗毒素）的酶，这些毒素是由植物的免疫系统分泌的。这些超数元件可能起源于水平基因转移事件，因为序列分析通常表明它们与必需的染色体 DNA 具有不同的进化历史。[71]

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取自 "https://wikibooks.cn/w/index.php?title=Principles_of_Biochemistry/Chromosome_and_its_structure&oldid=4421278"
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