染色体

定义

染色体指真核细胞在分裂过程中由染色质聚缩而成的棒状小体，其化学成分主要是脱氧核糖核酸与组蛋白，并含有少量RNA及非组蛋白^[1][2]。它在细胞核内承担遗传信息载体的角色，控制生物性状的结构基因以直线方式排列于其上^[1]。

因易被碱性染料染上深色，这类结构获得了“染色体”的名称^[1]。染色质与染色体在化学组成上没有实质差别，区别在于包装程度与所处的细胞周期阶段：间期核内呈细丝状、分散分布的是染色质，进入分裂期后高度螺旋化、凝缩成形的才是染色体^[1][3]。

每一物种的染色体数目与形态具有特异性，且在同一物种内保持恒定^[1][2]。就人类而言，体细胞中有23对共46条染色体，其中22对为常染色体，第23对为决定性别的性染色体^[4]。

除细胞核之外，线粒体与叶绿体也带有各自的遗传物质，因此染色体是遗传信息的主要载体，但不是唯一载体^[1]。

原理

染色体能够把长达数厘米的DNA分子装入直径数微米的细胞核，靠的是逐级压缩的包装方式。最基本的结构单位是核小体：4种核心组蛋白H2A、H2B、H3与H4各取两个分子，组成扁球状的八聚体，DNA双螺旋在它表面盘绕约1.75圈，长度相当于约140个碱基对^[5][1]。相邻核小体之间由数十个碱基对的连接DNA串起，第5种组蛋白H1结合在连接段上，起稳定作用^[5][3]。

串珠状的核小体链进一步螺旋盘绕，形成外径约30纳米的螺线管，每圈约6个核小体；螺线管再螺旋折叠为更粗的筒状结构，最终折叠成染色单体，两条染色单体在着丝粒处相连构成一条中期染色体^[5][3]。经过这几级包装，DNA长度累计被压缩到原来的数千分之一，人体一个细胞中总长约2米的DNA才能容纳进微米级的核内^[3][2]。

压缩并非一压到底。间期的染色质需要保持可被读取的状态，转录活跃的区域较为舒展，称为常染色质；高度凝缩、转录不活跃的区域称为异染色质，后者多分布在核膜内侧^[5][6]。这种结构上的开关，使同一套DNA在不同细胞中能够表达出不同的基因组合。

在有丝分裂和减数分裂中，染色体先完成复制，再被纺锤体牵引分向两极，从而把遗传信息分配给子细胞^[1]。减数分裂过程中染色体数目减半，配子只含单套染色体；精卵结合后，染色体数又恢复为双倍，因此子代的染色体一半来自父方、一半来自母方^[2][7]。

发展历程

1883年，鲁克斯观察到细胞核内可被染色的丝状体^[5]。1888年，沃尔德耶将这类丝状体命名为“染色体”，并推测其与遗传有关^[5]。1902年，博韦里与萨顿注意到染色体在细胞分裂中的行为与孟德尔的遗传因子相平行：在体细胞中成对存在，在生殖细胞中成单存在，由此提出染色体很可能是遗传因子的载体^[5]。

人类染色体数目的确定经历了一段反复。1912年有研究者报告精原细胞中为47条、卵原细胞中为48条；1922年佩因特一度倾向46条，后又改为48条^[8]。直到20世纪50年代，借助细胞培养、秋水仙素阻断于中期、低渗处理使染色体分散等技术，人类二倍体数目为46条才得到普遍确认^[8]。

1974年前后，科恩伯格等人依据酶切与电镜观察提出染色质组装的串珠模型，确认核小体是基本结构单位，改变了此前认为组蛋白包裹在DNA外侧形成纤维的看法^[3]。这一模型为此后染色体超微结构的研究奠定了基础^[3]。

应用

染色体分析是细胞遗传学的经典手段。临床上的染色体核型分析通常采集外周血、培养淋巴细胞，用秋水仙素把分裂细胞阻断在中期，再经制片、显带与显微观察，比较各染色体的数目、大小、着丝粒位置与带纹^[2][9]。正常男性核型记为46，XY，正常女性记为46，XX^[2]。

产前诊断是该技术的重要用途。对羊水细胞做核型分析可以检出胎儿的染色体数目与结构异常，常见类型包括21三体、18三体、13三体以及性染色体数目异常等^[10][11]。核型分析也用于反复流产夫妇、发育迟缓或智力低下患儿、性发育异常者的病因排查^[9]。

在基础研究与育种中，染色体数目、核型与带型是鉴定物种、判断亲缘关系和分析多倍体的常用指标^[1]。由于染色体异常在新生儿群体中并不少见，染色体检查也成为出生缺陷防控体系中的常规环节之一^[2]。

局限

常规G显带核型分析的分辨率有限，一般只能识别10兆碱基对以上的较大片段改变，对亚显微水平的微缺失、微重复往往无能为力^[12]。小片段异常、单基因变异与低比例嵌合体，通常需要借助染色体微阵列分析、荧光原位杂交或测序等方法补充^[9]。

不同检测方法各有盲区。微阵列分析能覆盖全基因组的拷贝数变化，却难以识别倒位、平衡易位这类不改变DNA总量的结构重排；对单体与三体并存的嵌合状态，其定量也不够精确^[12][13]。因此，临床结论常需多种技术联合验证，单一手段不足以概括染色体的全部状况^[13]。

此外，核型分析依赖细胞培养与分裂期细胞，培养失败会使样本无法判读；短时间培养也可能引入体外产生的假性嵌合，需要复核确认^[11][13]。这些技术条件限制，决定了染色体检查结果需要结合临床与其他检测综合解释。

参见

• 染色质 —— 染色体在细胞分裂间期的松散形态，两者化学组成相同而构型不同。

• 核小体 —— 染色质与染色体的基本结构单位，由DNA盘绕组蛋白八聚体构成。

• 基因 —— 染色体上具有遗传效应的DNA片段，是遗传信息的功能单位。

• 细胞核 —— 真核细胞内染色体所在的膜包被结构，也是遗传与代谢的调控中心。

• 核型分析 —— 通过显微观察染色体数目与形态进行细胞遗传学诊断的方法。

• 减数分裂 —— 染色体数目减半的细胞分裂方式，与有性生殖中的遗传重组相关。