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主要内容

染色体

DNA、染色体和基因组。同源染色体,姊妹染色单体以及单倍体/二倍体。

介绍

当细胞分裂时,其主要工作之一是确保两个新细胞中的每一个都能够获得完整且完美的基因材料副本。在复制过程中出现的错误,或细胞之间遗传材料的不平等分配,都可能产生不健康或功能失调的细胞(可能进一步导致癌症等疾病)。
但这种遗传物质究竟是什么,以及它在细胞分裂过程中是如何运作的?

DNA 和基因数

DNA (脱氧核糖核酸) 是生物的遗传材料。在人类中,几乎在所有细胞中都能发现DNA。它为细胞提供了所需的指令,来指挥细胞生长、运作并对环境作出反应。
当身体中的细胞分裂时,它会将其DNA副本传给其每一个子细胞。在生物体的层面上,DNA也在进行着遗传过程:精子细胞和卵细胞中的DNA合并,形成一个具有父母双方遗传材料的新生物体。
从物质角度而言,DNA是一长串配对的化学单位(核苷酸),有四种不同类型,分别缩写 A、T、C、G。它们携带着的遗传信息组成的片段,被称为 基因。基因通常控制蛋白质的合成,使细胞和生物体具有功能特性。
此图为真核细胞的图片,包含有细胞核DNA(在细胞核内)、线粒体DNA(在线粒体基质中)和叶绿体DNA(在叶绿体的基质中)。
在真核生物中,比如动物和植物,绝大多数DNA存在于细胞核中,被称为 细胞核 DNA。线粒体(作用是为细胞提供生长能量)中含有它们自己的 线粒体 DNA。叶绿体(作用是在植物细胞中进行光合作用)中也有 叶绿体 DNA。在线粒体和叶绿体中的DNA数量比细胞核中的DNA数量少很多。在细菌中,大部分 DNA 存在于细胞的中间区域,称为 拟核,其功能与细胞核类似,但周围没有膜包裹。
一个细胞的整套DNA被称为 基因组。由于生物体的所有细胞(除少数例外)都含有相同的DNA,你也可以说,一个生物有自己的基因组。而且由于同属一个物种的生物通常具有类似的基因组,你也可以描述一个物种的基因组。一般来说,当人们提到人类基因组或任何其他真核生物基因组时,人们指的是细胞核中的DNA组。线粒体和叶绿体被认为是拥有它们自己独立的基因组。

染色质

在一个细胞中,DNA通常并不单独存在,而是与特殊的蛋白质结合在一起才能组织起来,形成结构。在真核生物中,这些蛋白质包括 组蛋白,一组碱性(带正电荷的)蛋白质。它们形成“线轴”,让带负电荷的酸性DNA链可以缠绕在它周围。除了组织DNA并使其更加紧凑,组蛋白还在决定基因活性方面发挥重要作用。DNA、组织蛋白以及其它结构蛋白共同构成了 染色质
该图为一条长长的、双螺旋DNA聚合物,它缠绕着一群群组蛋白,进一步形成更高级的结构,最后形成染色体的形状。
在细胞大部分的生命中,染色质都是 松散的,这意味着在显微镜下看,它看上去就是又细又长的波浪线。在这种情况下,细胞机制(如读取和复制DNA的蛋白质)可以比较容易地获取DNA,这对于细胞生长和发挥作用十分重要。
松散的 来描述这个状态可能有点奇怪——为什么不管它叫做“链式”? 不过当你知道染色质也可以是 紧密的 时候就能理解了。染色质的凝集发生在细胞要开始分裂的时候。当染色质变紧密时,你可以看到真核细胞的DNA不仅是一条长链。相反,它被分离成了的单独的线性片段,称为 染色体 。细菌也带有染色体,但它们的染色体通常是环状的。

染色体

每个物种都有其特有的染色体数量。比如,人类的典型细胞中的染色体有46条, 而狗的染色体是 781条。与很多种类的动植物相似,人类是 二倍体 (2n),说明大部分染色体都是配对出现的同源染色体对。 人体细胞的46条染色体分成了23 对,每一对的两条染色体相互是 同源的 (除了一个小小的例外, X 和 Y 染色体;见下文)。
人类的精子和卵子都只含有每对同源染色体中的一个,被称为是 单倍体 (1n)。当精子和卵子结合时,他们的遗传材料结合起来,形成一个完整的、双倍染色体。所以,在你的基因组中的每一对同源染色体中,一条来自于你的母亲,另一条来自你的父亲。
一组人类男性的染色体组型,来自母亲和父亲的染色体用紫色和绿色标示。
图像基于 "染色体组型," 源自全国健康研究所 (公共部分).
每一个同源染色体对中的两条染色体非常相似,有着相同大小和形状。最重要的是,它们携带同样类型的基因信息:也就是说,它们在同一位置拥有相同的基因。但是,它们不一定拥有相同的基因版本。这是因为你可能继承了两种不同的基因版本,分别来自于你的父亲和母亲。
举个真实的例子,让我们来考虑一个位于第9组染色体上的基因,它确定了我们血型(A、B、AB、O)2。一个人可能拥有两个完全一样的基因副本,各位于一条同源染色体上——例如,你可能会有双份的血型A基因。另一方面,你的两条同源染色体可能拥有两种不同的血型基因,比如A型和B型(你的血型就是AB型)。
性染色体,X和Y,决定了一个人的生物性别:XX 表明女性,XY表明男性。这些染色体不真正同源,是“同一位置的基因相同”这个规则的例外。除了在减数分裂或者制造性细胞中所需的一小部分基因相似之外,X和Y染色体是不同的,携带着不同的基因。其余44条非性染色体被称为 常染色体

染色体和细胞分裂

正在进行DNA复制的细胞(细胞核中的所有染色体都复制)和染色体凝集图像(所有的染色体都成为紧凑的)。在第一个图像中,细胞核中有四条松散的、线状染色体。DNA复制后,每个染色体现在由两个的相连的染色单体组成。染色体凝集后,形成染色体凝集结构(仍然由两个染色单体组成)。
在一个细胞准备分裂时,它必须先为每一个染色体制造一个副本。这个染色体的两个副本被称为 姐妹染色单体,姐妹染色单体完全相同,之间由一种称为 粘连蛋白的蛋白质连接。姐妹染色体相连最紧的位置被称为 着丝粒。着丝粒是DNA的一个区域,这对于细胞分裂的后半阶段中分离染色体十分重要。
只要姐妹染色体还连接在着丝粒,它们仍然被认为是一个染色体,但是,一旦它在细胞分裂过程中被分开,每个单体就被视为一个单独的染色体。
当细胞准备分裂时,染色体会出现什么变化。
  1. 染色体由一个单一的染色单体组成,并且是松散的(长且呈线状)。
  2. DNA 被复制。染色体现在由两个姐妹的染色单体组成,这两条染色单体由粘连蛋白连接在一起。
  3. 染色体凝集。它仍由两条姐妹染色单体组成,但现在却很短,并且很紧密,不再是长长的线状物。它们由着丝粒区域连接着,即染色体向内收的“腰”部。
  4. 染色单体被拉离。每个单体都被视为独立的染色体。
为什么细胞要使染色体经过这种复制、凝集和分离过程?最简短的答案是:确保在细胞分裂过程中,每个新细胞都能够正好得到每个染色体的一个副本。
要得到更加满意的答案,请查看细胞周期的文章和视频,以及 有丝分裂。在这里,您可以看到染色体行为是如何帮助细胞在分裂过程中将完整的DNA组遗传给每一个子细胞的。

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