第六章染色體型態
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第六章染色體型態. 大綱 真核細胞染色體結構 DNA 如何捆成染色體 染色體的的外表型態 異染色質與真染色質 條紋技術 . 真核細胞染色體結構 (Eukaryotic chromosome structure) 真核遺傳物質的組成 細胞核內的染色體的組成包含 DNA :雙股線狀 蛋白質:蛋白質包括組織蛋白 (histone) 與非組織蛋白 (non-histone) ,其中 DNA 與蛋白質重量約相等 RNA 細胞質內的遺傳物質有粒線體 DNA 與葉綠體 DNA 均為雙股環狀 每一條染色體含一個 DNA 分子 .

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第六章染色體型態

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Presentation Transcript


Dna

第六章染色體型態

  • 大綱

    • 真核細胞染色體結構

    • DNA如何捆成染色體

    • 染色體的的外表型態

    • 異染色質與真染色質

    • 條紋技術


Dna

  • 真核細胞染色體結構(Eukaryotic chromosome structure)

    • 真核遺傳物質的組成

      • 細胞核內的染色體的組成包含

        • DNA:雙股線狀

        • 蛋白質:蛋白質包括組織蛋白(histone)與非組織蛋白(non-histone) ,其中DNA與蛋白質重量約相等

        • RNA

      • 細胞質內的遺傳物質有粒線體DNA與葉綠體DNA均為雙股環狀

      • 每一條染色體含一個DNA分子


Dna

  • 組織蛋白(histone protein)

    • 組成富含兩種帶正電的胺基酸

      • 精胺酸(arginine)

      • 離胺酸 (lysine)

      • 20 ~ 30% 帶- NH3 +group ,故帶正電

    • histone的種類可分為HI、H2a、H2b、H3、H4五種。

  • histone的功能

    • 穩定DNA結構: histone屬酸性,帶正電,當它們與DNA (含磷酸根,帶負電)結合,可以形成穩定結構

    • 促使DNA的纏繞(Coiling) : DNA捆綁histone經纏繞使染色絲的半徑由2 nm增加到30 nm

    • 為一種保守性的蛋白質,不同生物間,組織蛋白相似性很高,如牛與碗豆的H4蛋白序列很類似,二者僅相差一個胺基酸


Dna

  • 非組織蛋自(nonhistone protein) 具有幾個特性

    • 構造差異大(structural diversity) nonhistone proteins由20種以上的蛋白質組成,稱為異質蛋白質(heterogeneous proteins)

    • 組織專一性(tissue specificity) 在同一生物體內,隨細胞的種類不同,非組織蛋白的組成也不 同

    • Nonhistone protein參與的反應

      • DNA複製、修補、基因表現有關的蛋白質

      • 例如 DNA聚合酶、RNA聚合酶

      • 包含染色體收縮有關的蛋白質,例如收縮蛋白( condensins )、拓樸異構酶( topoisomerase)

      • 染色體除去組織蛋白質, DNA會鬆散開,留下一堆非組織蛋白的結構稱為鷹架( Scaffold)


Dna

  • 中心節(centromere)

    • 真核染色體緊密收縮處,在有絲分裂或減數分裂時,參與染色體的 移動

    • 中心節是紡鍾絲與染色體的接觸點,紡鍾絲收縮,使染色體向兩極移動

    • 人類的中心節區包含一段約170鹼基對重複序列,稱為α衛星 (alfa satellite)。隨染色體不同,重複次數約5000-15000次

    • 酵母菌的中心節

      • 中心節DNA長約220 bp直接與紡鍾絲相連,對DNase具抗性,不會被DNase分解

      • 中心節內包含四區CDE1, CDE2, CDE3, CDE4。不同的中心 節, CDE4變化較大, CDE2富含AT

      • 真核的中心節(fig:6-2)

        • 一般真核的染色體是酵母菌的100倍

        • 真核中心節含大量的異染色質(heterochromatin) ,內含重複的衛星DNA satellit DNA的功能未知,不會轉錄

        • 人類的衛星DNA有一種稱alphoid family是一段171 bp前後重複的圖案( motif) ,全長有三 萬bp

        • 別的靈長類也有類似的motif,只是每一種的序列與重複次數不同


Dna

酵母菌的中心節結構


Dna

  • 端粒(telomere)

    • 端粒的特性

      • 具一小段端粒DNA約5-8 bases 前後重複多次

      • 端粒DNA 序列及重複次數隨生物種類不同而不同

      • 哺乳類及人類為 5‘TTAGGG3’ ,重複250-1000次

      • Tetrahymena為5'TTGGGG3‘

      • 果蠅,內含轉移子( transposable element)

      • 端粒可保護染色體端點,防止染色體被外切酶(exonuclease) 切斷,並輔助染色體端點DNA的複製。


Dna

  • 端粒的形成

    • 染色體複製時,藉端粒酶( telomerase )可將特殊的端粒序列加到染色體上

    • 若缺乏端粒酶複製後染色體會變短

    • 單細胞的真核生物具端粒酶:例如酵母菌就可以一直分裂

    • 人類的生殖細胞具端粒酶可一直分 裂

    • 分化後的體細胞缺乏端粒酶,隨細胞分裂端粒會愈來愈短,細胞漸老化,到一個程度細胞不再分裂

    • 端粒有如一種內在時鐘計算細胞的年齡

    • 癌細胞具telomerase細胞可以一直分裂,端粒不會變短。


Dna

  • DNA如何捆成染色體

    • 染色體收縮

      • 每一條染色體含DNA分子,組成人類的46條染色體的DNA全部總長約有兩公尺

      • 平時DNA捆綁組織蛋白形成染色絲( chromatin fiber)

      • 染色絲存在約5-10 µm的細胞核內,細胞分裂 時,為了讓染色體方便移動,染色絲收縮成更短,人類最長的一條 染色體只有2 µm,DNA全長85000 µm

    • 核仁小體(Nucleosome)

      • 染色絲(chromatin)在電子顯微鏡下,呈『線串珠』 (beads-on a-string)的構造。珠(beads)為染色絲次單位,或稱為核仁小體。


Dna

  • 核仁小體

    • 約含200鹼基對(bp)包含H2a、H2b、H3,H4各兩個組成的八位體(octamer)

    • 核心粒子(core particle)

      • 146 bp的核心DNA纏繞八位體組織蛋白,共繞l又3/4圈

      • 連接核仁小體間的DNA稱為連結DNA (linker DNA)

      • 完整的核仁小體還包含一個H1, H1是位在linker DNA上

      • H1的作用: 可能是穩定環繞在八位體外的DNA超螺旋結構

      • 可能參與染色絲的纏繞

      • 可能參與調節基因的表現。


Dna

  • 染色絲次單位(chromatin subunit)

    • 次單位是由核仁小體核心(core) ,連接核仁小體間的連結DNA (linker DNA) , H1與非組織蛋白組成

    • Linker DNA的長短,隨細胞種類而異,約有8 - 114 bp。而core DNA的長短都固定是I46 bp

  • 30 nm染色絲纖維(chromatin fiber)

    • 電子顯微鏡下所觀察的中期染色體,是由纖維狀構造經摺疊纏繞成(圖6-4)

    • 平均直徑30 nm,核仁小體的直徑 11 nm,故染色絲是由核仁小體再摺疊,纏繞成的

  • 由DNA捆綁到染色體形成是經由三個階段的收縮

    • DNA (寬2 nm)捆綁組織蛋白形成核仁小體,產生直徑約11 nm的核仁纖維,組織蛋白H2a、H2b、H3、 H4各兩個參與核仁小體的形成。


Dna

  • 11 nm核仁纖維再經摺疊(folding)、螺旋(coiling)形成30 nm 的染色絲纖維 , H1參與此超螺旋形成過 程,染色絲纖維,稱為螺線管(solenoid)

  • 非組織蛋白產生一個架構,參與30 nm染色絲纖維再緊密摺疊捆成中期染色體

  • 核酸酶超敏感區(nuclease hypersensitive site)

    • 真核DNA有些無nucleosome處,對不同的核酸梅特別敏感

    • 該處DNA參與複製、轉錄及其它作 用

    • 人類許多DNA的起動子(promoter)是位在核酸酶超敏感區內。 超敏感區可能存在基因前,基因內或基因後。


  • Dna

    • 黏著蛋白( cohesins )與收縮蛋白( condensins )

      • 黏著蛋白( cohesins)

        • 具有多個次單位,可將兩條染色分體黏在一起,直到細胞分裂後期 才分開

      • 收縮複合體( condensins) :

        • 協助染色絲收縮的蛋白質。M-CDK會使condensins發生磷酸化而變成具有活性,藉由ATP水解產生的能量使DNA超螺旋化( supercoiling) 並收縮造成染色體收縮

        • Condensins是一個大分子蛋白質複合體,中央為關節區可伸縮,端點為球狀區可與DNA結


    Dna

    • 染色絲整修( Chromatin remodeling)

      • 組織蛋白修飾→組織蛋白的N端為長條尾端由核仁小體的核心伸出

      • 協助30 nm 染色絲織維的形成

      • 與不同的化學基產生共價鍵 結,造成染色絲整修

        • 染色絲鬆散或收縮→造成DNA複製、基因表現

        • 有的發生核仁小體的位置改變

      • 染色絲整修是種超越基因的機制( epigenetic mechanism) ,

        • 即是利用修飾方式來控制基因的活性

        • 不同的組織蛋白有不同的修飾方式

          • 乙醯基化( acetylation):組織蛋白藉由乙醯基轉化酶( histone acetyltransferase )的作用在離胺酸( lysine)上加上乙醯基

          • 使染色絲纖維打開,釋出histone, DNA鬆 散開來可複製或表現

          • 哺乳動物的巴氏體是X染色體緊密收縮成的,主要是因其組織蛋白H4未乙醯基化


    Dna

    • 甲基化( methylation) :組織蛋白的精胺酸( arginine)與離胺酸( lysine)上加上甲基( CH3) ,會使染色絲纖維更緊密,造成基因關閉

    • 磷酸化( phosphorylation)::組織蛋白的絲胺酸( serine)或組胺酸( histidine )的-OH基上發生磷酸化,使histone帶負電 (特別是H3 ),造成染色絲纖維打開,基因活化

  • 染色體的外表型態(Gross morphology of chromosome)

    • 染色體外表型態隨細胞週期而改變,本節主要討論中期染色體(metaphase chromosome)

    • 鑑定染色體主要依據:染色體的長度與中心節的位置。一般染色體的大小: 0.5-30 µm


  • Dna

    • 幾個與染色體有關重要的名詞

      • 染色體臂分為

        • p arm:短臂(short arm)

        • q arm:長臂(long arm)

      • 染色體依中心節所在位置分為

        • 中央中節(metacentric chromosome):中心節在正中央

        • 近中央中節(submetacentric chromosome):中心節偏中央

        • 近端中節(acrocentric chromosome) :中心節接近一端

        • 端點中節(telocentric chromosome) :中心節在端點

      • 染色體依中心節數目分為

        • 無中心節染色體(accentric chromosome) 不帶中心節的染色體

        • 雙中心節染色體(dicentric chromosome) 具有兩個中心節的染色體。


    Dna

    • 初級收縮區(primary constriction)

      • 中心節存在的位置

    • 次級收縮區(secondary constriction )

      • 有的染色體,除了有初級收縮區之外,尚有另一段收縮區,其 後又附有一段染色體稱為衛星區(satellite) (圖)。 Secondary constriction (1934 McClintock發現)

        • 又稱核仁組成中心( NOR, nucloeolar organizer regio

        • 參與核仁(nucleolus)的形成

        • 它也是一段染色質(chromatin)繞成的,所帶的基因是參與核糖體RNA (ribosomal RNA)的合成。


    Dna

    • 衛星染色體(satellite chromosome)

      • 具有衛星區(satellite)的染色體稱之

      • 幾乎所有生物細胞內,至少有一對衛星染色體,如人類就有5對

      • 衛星區(satellite)通常是附在染色體的短臂 ,它的大小 不等

    • 染色粒(chromomere) 真核染色體在有絲分裂或減數分裂時,染色絲收縮出現的暗區

    • 核仁(Nucleolus)

      • 組成由核內的RNA &蛋自質組成,外面無膜

      • 功能是rRNA的合成, rRNA與蛋白質結合產生核糖體


    Dna

    • rRNA基因的位置

      • 真核5.8S, 18S、28S rRNA的基因稱為Rdna

      • 位在染色體的次級收縮區(secondary constriction, nucleolar organizer)

      • 人類細胞10條衛星染色體的次級收縮區內各有一段製造rRNA的DNA,此段DNA形成環狀構造(loop)伸入核仁中,故這些rRNA是在核仁中形成(圖)

  • 染色體鑑別方法

    • 染色體大小

    • 中心節所在位置

    • 染色時所出現的條紋型(banding pattern)。


  • Dna

    • 染色體圖(Karyotype)

      • 將細胞內所有的中期染色體照相拍下,剪下染色體,依染色體的大小,中心節的位置,由大而 小排列出來的圖

      • 染色體圖技術(Karyotyping): 將一個中期細胞染色體以照相拍下,然後把所有的染色體剪下,成對排列,長的排在前面,短的排在後面,最 長的一對,稱為第一對染色體,依次排列,如果染色體大小很接近,不易區分,再依照條紋技術(banding technique)區分

      • 染色體圖的價值

        • 鑑定染色體是否正常做為鑑定人類遺傳疾病的工具

        • 染色體圖可做分類的依據,品種、品系鑑定

        • 鑑定多倍體,單倍體,異倍體等


    Dna

    • 人類染色體圖(Human karyotype)分成7組(groups)

      • A組(染色體第1一3對)

      • B組(染色體第4-5對)

      • C組(染色體第6-12對及X)每一對很相像,很難直接鑑定

      • D組(染色體第13-15對) ,三對均具有衛星體(satellite)

      • E組(染色體第16-18對)

      • F組(染色體第19-20對)

      • G組(染色體第21-22對) ,兩對均具有衛星體

      • 第一對染色體最長,第22對最短。


    Dna

    • 異染色質又分為

      • 基本異染色質(constitutive heterochromatin)

        • 人類染色體,基本異染色質位在中心節附近,其它哺乳動物細 胞的基本異染色質有的位在染色體臂上

        • 它們一直緊密收縮, 該處的基因不會表現,富含衛星DNA

      • 偶發異染色質(facultative heterochromatin)

        • 生物發育某時期會變成真染色質,該處的基因會表現

    • 染色體的伸縮與基因表現,有何關係?

      • 染色體收縮緊密時,基因不表現,染色體放鬆時, 基因才會表現

      • 通常是細胞不分裂時,染色體鬆散,基因才會表現。真染色質是隨細胞週期的變化而收縮或放鬆。


    Dna

    • 條紋技術(Banding technique)

      • 要鑑定染色體,如果只依染色體的長度及中心節的位置,很難區分

      • 某些染色體的長度,外型很像,很難分出是第幾對

      • 1970年代發展出條紋的方法,對細胞遺傳的研究有很大的貢獻

      • 條紋技術是將已附著在切片上的染色體,經過酸、鹼、熱、鹽類、 酵素、染料等處理,然後染色,放在顯微鏡下觀察,呈現深淺不同的條紋(band)

      • 每一對染色體由於DNA和蛋白質的結合不同,出現的條紋型的(banding pattern)也不同

      • 此法有助於鑑定每一條染色體,並可與正常的染色體比較,鑑定出染色體內是否有不正常的變化


    Dna

    • 條紋技術的種類

      • C band、G band、Q band、R band

      • C band

        • C代表基本異染色質(constitutive heterochromatin) ,染色較深的條紋是基本異染色質部份,

        • 出現在中 心節附近及染色體的尖端

        • 可用來鑑定哺乳動物的Y染色體,因為Y染色體整條都是異染色質,經C banding技術處理,很快可以鑑別出Y染色體

      • G band

        • G代表用金沙染料染色(Giemsa staining)

        • 先經鹼性鹽溶液及酵素處理,再用Giemsa染色,條紋型代表染色粒的排列

        • 醫院常用G-band來檢查人類遺傳疾病

        • 共識:將每 一條染色體分為短臂、長臂,每一臂依 條紋出現位置,再分隔為不同區

        • 有的內部再細分隔為更小 區,每一條染色體上每一個條紋都可有一定的命名,以方便 辨識


    Dna

    • Q band

      • Q代表螢光染料Quinacrine mustard

      • 染色體先用quinacrine染色後,於螢光顯微鏡下(UV),出現螢光條紋,背景是暗的

    • R band

      • R代表與G band相反(reverse to G bands)

      • G band 染色深的部位,在R band是淺的。通常是用高溫,低pH處理

      • 為真染色質區,R band沒有G band清晰,較少 用來鑑定染色體

      • 助於研究染色體的結構,尤其是染色 體的尖端部位染得很清楚,可用來鑑定染色體是否發生端點缺失(terminal deletion)。


    Dna

    • 條紋技銜的價值

      • 助於做染色體圖(karyotyping):每一對染色體有獨特的條紋型式,經條紋技術處理後較易區分

      • 助於研究染色體內部的變化:染色體若發生倒轉(inversion) ,易位(translocation) ,缺失 (deletion)等,由條紋型的變化,很容易判斷出來

      • 助於演化上的研究:比較不同生物染色體的條紋型式,可以研究演化上的關係

      • 助於決定基因圖(gene mapping)的研究

        • 人類的染色體約可做出900 bands,若某人缺乏某種酶,做條紋技術分析,若發現染色體缺乏某一條紋,便可推出製造該酶的基因是位在該條紋上

          • 纖維囊腫病變( cystic fibrosis)基因位在染色體7的長臂 : q21 & q31之間。全長25萬bases大部份為非密碼區,真正密碼區只佔2%

          • 肌肉萎縮症Dmd基因位在X染色體短臂『Xp21』 全長200萬bp,其中大部份為intron,密碼區只佔1% ' 大部份病人是dmd基因內幾個bases改變,少數是因dmd 基因完全缺失或部份缺失。


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