细胞遗传学(科学出版社十四五普通高等教育本科规划教材)

**章 绪论 一、细胞遗传学的概念 细胞遗传学是遗传学与细胞生物学相结合的一门遗传学分支学科，也可以说是在细胞水平上研究生物遗传和变异规律的遗传学分支学科，或者说是在细胞层次上进行遗传学研究的遗传学分支学科。细胞遗传学主要是从细胞学的角度，特别是从染色体的结构和行为及染色体与其他细胞器的关系来研究遗传现象，阐明遗传和变异机制的科学。 二、细胞遗传学研究的对象及任务 染色体是遗传物质的主要载体，因此，细胞遗传学主要以包括人类在内的高等动植物的染色体为研究对象，包括染色体的形态、结构特征、功能、运动行为及其与生物遗传和变异的关系，同时也涉及染色体外遗传因子在生物遗传和变异中的作用等。此外，随着细胞遗传学研究的不断深入，有些研究人员也把原核生物的DNA分子作为染色体进行研究。因此，细胞遗传学研究的主要任务是揭示染色体与生物遗传、变异和进化的关系，包括揭示染色体的数目、形态、结构、功能与运动等特征，以及这些特征的各类变异对遗传传递、基因重组、基因表达与调控的作用和影响，在细胞、染色体及分子细胞水平上阐明生物遗传变异的机理、规律及应用。 三、细胞遗传学研究的内容 随着细胞遗传学研究的不断深入，细胞遗传学与其他学科的交叉也越来越多，研究领域也在不断扩大，目前该学科主要的研究内容包括：染色体的数目、形态、结构及其变化；染色体行为学与遗传变异；基因组染色质三维结构与基因表达；细胞骨架的维持与细胞内部结构的分布；细胞的起源与进化；细胞的增殖与调控；干细胞分化与调控；细胞衰老与凋亡；细胞工程与组织工程；人工染色体与染色体工程；核转移与动物克隆；转基因与转染色体技术；染色体的基因定位；细胞融合与单性生殖等。 细胞遗传学研究的主要对象是真核生物，特别是包括人类在内的高等动植物。以后又衍生出一些分支学科，研究内容进一步扩大。它把遗传学研究和细胞学方法有机结合起来，从细胞的角度，主要是从染色体的结构和行为来研究遗传现象、揭示遗传机制和遗传规律。此外，还包括细胞质及其他细胞器遗传作用的研究。对此，我们有必要对一些概念有所了解。 真核生物是所有单细胞或多细胞的具有细胞核生物的总称，它包括所有动物、植物、真菌和其他具有由膜包裹着的复杂亚细胞结构的生物。这些生物的共同点是它们的细胞内含有细胞核及其他细胞器。此外，它们的细胞靠细胞骨架来维持其形状和大小。所有的真核生物都是从一个含核的细胞（胚胎、孢子等）发育而来的。其他细胞中没有细胞核的生物被统称为原核生物。真核生物的另一个特点是它们的细胞可以用同一段基因生产不同的蛋白质，这个功能在术语中被称为“可变剪接”。 无融合生殖是一种代替有性生殖的不发生核融合的生殖。在同一个种中，往往有性生殖和无融合生殖同时存在。同一种植物可以在某一地区进行有性生殖，而在世界其他地区进行无融合生殖。无融合生殖在植物界是普遍存在的，在藻类和蕨类植物中也有无融合生殖，但在苔藓和裸子植物中却很少有报道。 减数分裂是生物体在进行有性生殖过程中形成有性生殖细胞的方式。减数分裂的起点细胞是体细胞，亦即进行减数分裂的细胞也可进行有丝分裂，但可进行减数分裂的体细胞只有精原细胞和卵原细胞。也就是说，精原细胞和卵原细胞（原始生殖细胞）实质上是体细胞，它们自身的增殖靠有丝分裂，它们分裂形成有性生殖细胞靠减数分裂。在整个减数分裂过程中，染色体复制一次，细胞连续分裂两次，结果产生的生殖细胞中染色体数目比原始生殖细胞的减少了一半。 单性生殖从理论上可以分为孤雌生殖和孤雄生殖两种。孤雌生殖（parthenogenesis）也称单性生殖，即卵不经过受精也能发育成正常的新个体。孤雄生殖（male parthenogenesis）的定义是指在授粉过程中精核进入胚囊后，未发生核融合，卵核解体消失，由精核直接发育成种子胚，也称雄核发育。在自然界，动物的孤雄生殖几乎是不存在的。 四、细胞遗传学的形成与发展 （一）细胞遗传学的形成 关于细胞遗传学的形成，不同的学者有不同的描述，但总的来说，细胞遗传学是伴随着细胞学和遗传学的发展而形成的。早在17世纪，荷兰人萨查里亚森（J. Sachariassen）和詹森（Z. Janssen）发明了世界上**台显微镜。17世纪60年代中期（1665年）英国人胡克（R. Hooke）用极原始的显微镜对木栓进行了观察，**次提出了“细胞”的术语。1828年苏格兰植物学家布朗（R. Brown）在植物鲜花中发现了细胞核，并于1831年指出细胞核是细胞的主要成分。1831～1839年德国学者施莱登（M. J. Schleiden）和施万（T. Schwann）正式提出“细胞学说”，明确指出细胞是一切生命有机体结构与功能的基本单位。19世纪后期，有许多学者对动植物的性别与受精作用进行研究，特别是1876～1877年赫特维希（W. A. O. Hertwig）和1884年斯特拉斯伯格（E. Strasburger）分别在动植物上发现受精卵是卵子与精子的融合。1882年弗莱明（W. Flemming）提出“有丝分裂”（mitosis）与“染色质”（chromatin）两个术语，并证明染色体在核分裂时纵向分开。1883年爱德华 凡 贝内登（E. van Beneden）证明配子染色体数是体细胞的一半，而受精又使合子染色体数恢复到体细胞染色体的数目，从而保证了物种染色体数的相对恒定。1890年博韦里（T. Boveri）和赫特维希（Q. Hertwig）一起发现了减数分裂（meiosis）。细胞学和胚胎学的发展，使人们对于细胞结构、有丝分裂、减数分裂、受精及细胞分裂过程中染色体动态都已比较了解。与此同时，1856～1864年，孟德尔利用豌豆进行杂交实验，系统地研究了生物的遗传和变异，提出了分离定律和自由组合定律，并认为生物遗传受细胞里的遗传因子所控制。1900年狄弗里斯（H. de Vris）、科伦斯（C. Correns）和冯 切尔迈克（E. von Tschermark）三位植物学家在不同国家用多种植物进行杂交试验，获得了与孟德尔相似的结果，证实了孟德尔遗传规律，这标志着遗传学的建立和开始发展。在此之后，许多科学家对遗传学产生了极大的兴趣，1902年德国实验胚胎学家博韦里（Boveri）和1903年美国细胞生物学家萨顿（Sutton）各自在动植物生殖细胞的减数分裂过程中发现了染色体行为与遗传因子行为之间的平行关系，认为孟德尔所设想的遗传因子就在染色体上，这就是所谓的萨顿-博韦里假说或称遗传的染色体理论。1906年贝特森（W. Bateson）从香豌豆中发现性状连锁。1901～1911年美国细胞学家麦克朗（McClung）、史蒂文斯（Stevens）和威尔逊（Wilson）先后发现在直翅目和半翅目昆虫中雌体比雄体多了一条染色体，即X染色体，从而揭示了性别和染色体之间的关系，为染色体与性别决定（昆虫）—遗传的染色体理论提供了实验证据。1910年，摩尔根（T. H. Morgan）通过果蝇的杂交实验，创立了连锁遗传定律并证实了基因在染色体上以直线方式排列。确立了遗传的染色体理论，标志着细胞遗传学的诞生。摩尔根是美国进化生物学家、遗传学家和胚胎学家。他发现了染色体的遗传机制，创立了染色体遗传理论，是细胞遗传学和现代实验生物学奠基人，也可以说是细胞遗传学的创始人，并于1933年获得诺贝尔生理学或医学奖。 （二）细胞遗传学的发展 细胞遗传学的发展伴随实验技术的进步而不断深入，从细胞遗传学诞生到现在大体可以分为4个发展阶段。 1.经典细胞遗传学发展阶段（1910～1952年） 指从细胞遗传学建立到细胞低渗处理技术发明之前这段时期。早期的细胞遗传学着重研究分离、重组、连锁、交换等遗传现象的染色体基础及染色体畸变和倍性变化等染色体行为的遗传学效应，并涉及各种生殖方式如无融合生殖、单性生殖及减数分裂驱动机制等方面的遗传学和细胞学基础。 2.细胞遗传学快速发展阶段（1953～1968年） 指细胞低渗处理技术的出现到染色体显带技术出现之前的时期。1953年，美籍华裔学者徐道觉（T. C. Hsu）发明了细胞低渗处理技术，克服了染色体叠加、团聚的现象，成功使细胞核内染色体相互分离。低渗处理技术的出现，标志着细胞遗传学研究进入一个快速发展阶段，这个技术能使染色体分散性好，容易计数，使人们能够准确鉴定细胞内的染色体数目、观察染色体的形态，大大促进了动植物个体和群体以染色体为主要特征的核型分析及染色体变异分析。1956年，美籍华裔遗传学家蒋有兴和Levan首次发现并确认正常人的细胞染色体数目是46条，从而更改了30年来认为正常人有48条染色体的错误概念，这是一个关键性的进展。据此，很快就发现唐氏综合征（Down syndrome）、特纳综合征（Turner syndrome）和精曲小管发育不全（seminiferous tubule dysgenesis），这些都是染色体数目异常所致。1959年确认唐氏综合征是由人体第21号染色体的三体变异造成。20世纪50年代末，发现了人类一系列遗传综合征与染色体畸变有关，为染色体疾病诊断提供了理论基础。同时，也相继在其他动物中发现许多不同的染色体畸变类型与遗传效应。在这一时期，也建立了多种植物的单倍体和多倍体育种技术。 3.染色体显带技术发展阶段（1968～1986年） 指染色体显带技术出现至荧光原位杂交技术出现之前的时期。1968年，瑞典荧光化学家卡斯伯森（T. Caspersson）在植物和人类细胞研究中首次成功发明了染色体Q带显带技术，使每条染色体上可以显示出丰富的带纹，由于这些带纹在每条染色体上都是特定的并稳定遗传，故能够更精细地识别每条染色体。接着，相继出现了G分带、C分带、R分带、T分带、Ag-NOR、SCE等不同的染色体显带技术，其研究和应用领域更加广泛，使人们可以在更精细的染色体水平上研究生物的遗传变异。1976年，尤尼斯（J. J. Yunis）通过研究高分辨染色体制作技术，将人类染色体显带数目水平可提高至800条或更高，微小染色体结构变异得以辨认。随着显带技术的推广，人们可以精确地识别每一条染色体，甚至每条染色体上的每一条带、每一条亚带，因而发现了大量染色体数目和结构的异常（3000～5000种）。1978年发表了“人类细胞遗传学命名法”的国际体制（简称ISCN），从而也大大推动了人类和动植物染色体显带的深入研究。 4.分子细胞遗传学发展阶段（1986年迄今） 指荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization，FISH）技术出现以后到现在。1986年荧光原位杂交技术应用于人体染色体分析。它把染色体和特别的DNA序列直接联系起来，可检测在显微镜观察中不能或难以发现的、微小的染色体结构异常，即微畸变—微畸缺或微畸增。荧光原位杂交技术的出现标志着该学科已进入分子细胞遗传学发展的新阶段。在后来的几十年中，分子生物学技术的迅猛发展，使染色体的研究更加精细、更加深入，研究领域也不断扩大。 1992年，人们把比较基因组杂交（comparative genomic hybridization，CGH）技术应用在染色体分析上。这是一种分子细胞遗传学技术，通过用不同荧光素（Cy3或Cy5）标记待测DNA和正常人的DNA参照，与芯片上染色体进行杂交，可检查出某一组织的整个基因组的染色体拷贝数量变异，*初主要应用于肿瘤细胞检测，其分辨率达3～5 Mb。 1997年，出现了染色体微阵列分析技术（chromosomal microarray analysis，CMA），也称aCGH（array-based comparative genomic hybridization）。这种技术可在全基因组范围内检测基因组片段的缺失与扩增，即拷贝数变异（copy n