3-1 有丝分裂和减数分裂

摘要: 如果存在的话位于细胞中哪一个部位。（1891）分别发现了有丝分裂（mitosis）和减数分裂（meiosis），为遗传的染色体学说提供了理论基础，遗传的染色体学说现在看来似乎比较简单，但在遗传学的发展上却是十分重要的一步，这种推理的准确性也堪为楷模。染色体学说是怎样形成的呢。首批证据之一是来自细胞核分裂时染色体行为......

　　孟德尔的发现已经使我们知道生物的性状是由“基因”控制的，但基因是抽象的因子，接着人们就必须了解它是否存在？如果存在的话位于细胞中哪一个部位？它的结构如何？十九世纪末，Flemming，W.（1882）和Boveri，T.（1891）分别发现了有丝分裂（mitosis）和减分裂（meiosis），遗传的染色体学说提供了理论基础，遗传的染色体学说现在看来似乎比较简单，但在遗传学的发展上却是十分重要的一步，这种推理的准确性也堪为楷模

　　染色体学说是怎样形成的呢？证据逐渐积累来源种多样。首批证据之一是来自细胞核分裂时染色体行为的发现。细胞的分裂有两种不同的类型：有丝分裂和减数分裂。在孟德尔研究和孟德尔定律的再发现之间（1886年—1900年）有很多的生物学家并不知道孟德尔的发现，但对遗传的现象很感兴趣，而且用完全不同的方法来研究这个问题。这些研究者想知道遗传物质在细胞的什么部分。很显然值得寻找的地方是配子，因为它们是亲子之间唯一的连联，卵和精子的小虽不同，但人们相信它们对于后代遗传的贡献是相同等的。卵的细胞质的量很多，而精子很小，其细胞质不象是遗传物质的所在地。然而卵和精子的核大小相同，因此被认为是遗传结构较合适的藏身之地。

　　细胞核的主要成分是什么呢？很明显是染色体，它是所有的细胞中都存在。这一特点强烈地吸引着生物学家们， 他们最为关注的是在一个生物体中不同细胞之间染色体数的恒定性。那么染色体数目的恒定性是怎样维持的呢？ 要想回答这个问题只有在有丝分裂和减数分裂时用显微镜来观察染色体的行为。从观察结果中发展成遗传的染 色体学说——染色体上带有基因。

　　一、有丝分裂

　　细胞周期（cell cycle）是从一个细胞的任何一个分期阶段到子细胞的同等阶段中的各种事件从一个新产生的细胞到它分裂产生子细胞这一过程称为细胞周期，它可以分成为四个阶段：M期、S期、G1期和G2期。M是分裂期，通常是细胞周期中最短的时期，约占整个时期的5～10%的时间。DNA的合成发生在S期（synthesis）。G1（gap1）和G2（gap2）是S期和M期之间的两个间隙期。G1、S、G2、合称为间期（interphase），即两个分裂期之间的时期。此期染色质均匀地分布于核中，所以在显微镜下看不到染色体（图2-1）。

图2-1 细胞周期

　　染色质网形成时核中的染色体已完成了复制，然后再纵裂分开，形成两条染色体，每一条进入不同的子核中，有丝分裂产生了两个完全相同的子核，分裂成两个子细胞。为了便于研究科学家们把这一连续的过程划分为四个阶段，称为期（prophase），中期（metaphase），后期（anaphase）和末期（telophase）（图2-2）。

图2-2 百合根尖细胞有丝分裂图像

　　1．前期

　　此期染色体开始逐渐变得清晰可辨，逐渐凝缩使其缩短变粗，收缩成螺旋状，这种形状易于移动。当染色体 变得明显可见时，每条染色体已含有两条染色单体（chromatids）（图2-2c），互称为姐妹染色单体（sister chromatids）。通过着丝粒（centromere）把他们相互连接在一起，到前期末，核仁（nucleoli）逐渐消失， 核膜开始破裂，核质和细胞质融为一体。

　　2．中期

　　在此期纺锤体（spindle）逐渐明显，这个鸟笼状的结构在核区形成，由细胞两极间一束平行的纤丝构成。着丝粒附着在纺锤丝上，染色体向细胞的赤道板（equatorial plane）移动（图2-2d）

　　3．后期

　　在后期，着丝粒纵裂为二，姐妹染色单体彼此分离，各自移向一极（图2-2e）。染色体的两臂由着丝粒拖曳移动，这时染色体是单条的，称为子染色体。

　　4．末期

　　末期子细胞的染色体凝缩为一个新核，在核的四周核膜重新形成，染色体又变为均匀的染色质，核仁又重新出现，又形成了间期核。（图2-2f）。末期结束时，纺锤体被降解，细胞质被新的细胞膜分隔成两部分，结果产生了两个子细胞，其染色体和原来细胞中的完全一样。

　　在19世纪末和20世纪初，关于染色质在发育中的直接作用这个问题开展过激烈的争论，Wilhelm Roux的观点认为，如果染色体在发育中起作用的话，可能是由于他们有区别的分配到不同的细胞系中。当这一观点被否定时，染色质在发育中的重要性也被看轻了。在发育中染色体物质完全保持恒定的这一事实是在核移植 实验成功后才提出的。

　　有丝分裂维持了每个核中染色体数目的恒定被证实了，但这使得早期学者对于两个配子参与 受精感到大惑不解。他们认为在受精时两个核融合会使后代的染色体加倍，但在每一代中染 色体的数目却永远保持恒定，感到无法解释。有人推测存在一种染色体减半的特殊分裂，这 样可以解释上述的问题。这种特殊的分裂终于在动植物产生配子的组织中被发现了，称为减数分裂。

　　二、减数分裂

　　减数分裂仅在性母细胞进行。减数分裂中大部分DNA都是在S期合成，但有的是在减数分裂的 前期合成的。减数分裂含有两次分裂，称为第一次减数分裂和第二次减数分裂。两次减数分 裂的特点是不同的。每次减数分裂都可以分成前、中、后、末四期，其中最复杂和最长的时期是前期 = 1，又可分为细线期（leptotene）、偶线期（zygotene）、粗线期（pachytene）双线期（diplotene）和浓缩期或称终变期（diakinesis）。这些时期也是完全连续的过程。

　　1．前期 I （Prophase I)

　　（1）细线期，

　　此期染色体呈细长线状，核仁依然存在（图2-3a）。在细线期和整个的前期中染色体持续地浓缩。细线期中，沿着每条染色体浓缩的小区域称为染色粒（chromomeres），呈链珠状。

　　（2）偶线期

　　细线状的染色体开始配对，在性母细胞中，实际上有两套染色体，每条染色体都有一条与之同源（homologous）的染色体，逐步相互配对或联会（synapsed），就像“拉链”式的两个成员称为同源染色体（homologs），在有丝分裂中是没有这一过程的。在有丝分裂中无论细胞中有几组（X）染色体，在减数分裂中只分成两套（N）（即两套基因组）。带两套染色体的细胞就称为二倍体（diploid）或“2n”表示，即是染色体的套数。只带有一套染色体的细胞就称为单倍体（haploid）。在大部分高等生物中如人类和显花植物的细胞都是2倍体。性母细胞经减数分裂所形成的配子只有一套染色体，是单倍体细胞。

　　在偶线期一对同源染色体是怎样互相识别的呢？可能由于染色体末端的端粒（telomeres）是被锚定在核膜上，而同源染色体的端粒彼此相靠得很近，拉起“拉链”时可能从端粒处开始。“拉链”又是怎样拉的呢？两条同源染色体精确配对的机制是怎样的呢？虽然这个机制目前还未完全弄清，但我们已知需要一种由蛋白质和DNA所构成的精巧结构，称为联会复合体（synaptonemal complex，SC）（图2-4a、b；），联会时它总是夹在两条同源染色体之间。

　　1973年Counce和Mayer建立了界面铺展技术使SC的研究得到了发展。人们建立大量的（Karyotype）（图2-5），并试图揭示SC的形成、同源染色体配对及重组的分子机制，并且对SC蛋白及其编码基因进行了筛选、鉴定和特征分析。SC组型分析可用于系统分类、染色体畸变及致癌、致突变和致畸物的筛选等，有着广阔的应用前途。

　　（3）粗线期

　　在这一阶段，染色体完全联会，缩短变粗，但核仁仍然存在。在核中同源染色体的对数等于n。一对配对的同源染色体称二价体（bivalent）或四联体（tetrad），在特殊情况，存在不能配对的染色体则称单价体（univalent）或二联体（dyad）。染色粒的直线排列在每一对的同源染色体上，像一串精致的珠链。

　　（4）双线期

　　在细线期时每条同源染色体看起来都是单条的线状，其实此时DNA已在S期复制过了，只不过难以分辨出而已。显然到了双线期每条染色体就出现两条（图2-3d），与有丝分裂中期相似，其中每一条就称为染色单体（chromatids）。由于配对的同源染色体每条都产生两条姊妹染色单体，所以联会复合体的结构是含有一束四条染色单体，在双线期，同源配对时不太紧，其实是互相排斥呈现轻微的分离。非姊妹染色单体间的交错结构称为交叉（chiasmata或singular,chiasma），每一对同源染色体都有一个或多的交叉存在。发生在减数分裂早期的交叉称为交换（crossovers），可以在偶线期或粗线期。交换主要存在于减数分裂，在有丝分裂中十分罕见。一个交换是两个非姊妹染色单体之间的一次精确的断裂、互换（ swapping）和重接。人们研究了生物的异常品系，其交换很少或完全不发生，表明在减数分裂中染色体有序地分配入子细胞的过程被打乱了。这样交换很显然帮助决定配对染色体的行为，每对同源染色体至少发生一次交换，这对于正常的分离是必要的。交换另外的作用是产生新的基因组合，这是群体遗传变异的一个重要来源。交叉的端化，非姊妹染色单体之间要彼此滑动，这样延缓了染色单体的分离。

　　（5）终变期或称浓缩期

　　此期明显不同于双线期期，染色体进一步地收缩，常可见到“O”形或“＋”形的一对同源染色体，这是端化的结果，染色体的收缩便于分裂时移动。

　　2．中期 = 1

　　核膜、核仁消失，每对同源染色体位于赤道板上，着丝粒分居于赤道板的两侧，附着在纺锤丝上（图2-3f）。而有丝分裂的中期着丝粒位于赤道板上（图2-2f），中期 = 1着丝粒并不分裂。这点和有丝分裂明显不同。

　　3．后期 = 1

　　在有丝分裂中，当染色体向极移动时后期便开始了。在减数分裂的后期 = 1 \* ROMAN I是一对同源染色体彼此分离，向相对的两极移动（图2-3h）。

　　4．末期 = 1

　　此末期和随后的“间期”也称“分裂间期（interkinesis）”（图2-3i），并不是普遍存在的，在很多生物中没有这一阶段，也没有核膜重新形成的过程，细胞直接进入第二次减数分裂。在另一些生物中，末期 = 1 \* ROMAN I和分裂间期是短暂的，但核膜重新形成。在很多情况下，此期不合成DNA，染色体的形状也不发生改变。

　　按照惯例，染色体到达两极，解旋后成为染色质，重新形成两个子核，每一个核是一个单倍体，这是因为它只含一套染色体，但每条染色体都含有两条染色单体附着在着丝粒上。也就是说我们可以以着丝点来计算染色体的条数，而不管是否有姊妹染色单体的存在。在每个子细胞中染色体减半这是个关键，因此减数分裂 = 1 \* ROMAN I被称为“减数分裂”（reduction division），而第二次减数分裂和有丝分裂相同，染色体的数目保持不变，这种类型的分裂称为“等数分裂”（equational division）。

　　5．前期 = 2

　　此期和前期 = 1 的情况相似，每条染色体都已经复制过，所不同的是此期的染色体数是n（图2-3k）。

　　6．中期 = 2

　　染色体排列在赤道板上（图2-3l），纺锤丝附着在单个的着丝粒上。染色单体从彼此紧密相联逐渐部分地分离。

　　7．后期 = 2

　　着丝粒纵裂，姊妹染色单体由纺锤丝拉着向两极移动（图2-3m）

　　8．末期 = 2

　　在子细胞两极染色体周围核膜重新形成（图2-3n）

　　减数分裂产生四个子细胞（图2-3o）。每个子细胞发育成花粉粒。在另一些生物中，四个子细胞分化为另一种结构，如动物的精细胞。

　　三、减数分裂的特点：

　　（1）具有一定的时空性，也就是说它仅在一定的发育阶段，在生殖细胞中进行。而有丝分裂几乎在生物的一生中，在各种不同的组织中都进行，除少数的情况是例外的。如哺乳动物的脑细胞和肝细胞都不进行有丝分裂，肝细胞在损伤后可以进行分裂。

　　（2）减数分裂经第一次分裂后染色体就进行减半，所以减数分裂的产物是单倍体。

　　（3）前期长而复杂，同源染色体经历了配对、联会、交换，从而使遗传物质进行了重组。

　　（4）每个子细胞遗传信息的组合是不同的。

　　四．染色体的类型

　　染色体的一般结构在细胞生物学中都有描述，在此不再叙述，而着重介绍染色体的各种类型。

表2-1 核型分析中采用的染色体类型，染色体不同臂比的各种类型

　　按照染色体的形态，正常的染色体常根据长臂和短臂之比以及有无随体分为5种类型（表2-1）。这在进行动植物核型（karyotype）分析时用来描述不同染色体的形态。核型是指某一物种染色体的组成，通常用中期染色体的照片，按长臂的大小或总的长度依次排列，用来表明物种的特点以及和亲缘种之间的进化关系，在系统分类中有着重要的参考价值。如在探讨熊猫的起源时，根据解剖结构形态特征，有人认为来源于浣熊，也有人认为来源于棕熊，各执一词，相持不下，结果经核型分析表明熊猫和棕熊的亲缘关系更近于浣熊，澄清了这一争论（参见第十一章）。

　　按照染色体的大小，染色体可以分为大型染色体（macrochromosome）如人类的染色体和蚕豆等显花植物染色体（图2-8a），长度可达几个μm，另一种称小型染色体（microchromosome），如鸟类和某些植物（如石槲属）的染色体（图2-8b），常呈点状，长度只有零点几个微米，难以度量。某物种的染色体数目分为正常染色体（A－chromosome, A－染色体）和超数染色体（supernumerary chromosome 或B－染色体）。在正常核型范围内的都称为A－染色体。在细胞里出现多于正常核型以外的几条染色体，称B－染色体，一般比A－染色体小，虽有着丝点，但数目不稳定，在有丝分裂中常常不是均等分配到子细胞中，其表型的效应也不明显。在很多种植物（如玉米、贝母等）中以及少数种类的动物（如啮齿动物）中都观察到有B染色体的存在（图2-8c）。B-染色体也称超数染色体（supernumerary chromosome）。

　　根据染色体的功能可以分成常染色体（autosome）和性染色体（sex chromosome）。常染色体上一般不具有决定性别的主要基因，一对同源的染色体形态总是相同的；性染色体上具有决定性别的相关基因。在高等脊椎动物和某些植物中，一对性染色体是不完全同源的，形态大小也不同。

　　染色质也可分为常染色质（euchromatin）和异染色质（heterochromatin）。区别如表（2-2）。异染色质又分为组成型和功能型两类：组成型异染色质（constitutive hetero chromatin）无论在什么情况下都不能转录、表达，如着丝粒；而功能型异染色质（facultative heterochromatin）不同，在一定的时期是有功能的，如X染色体，在雌性哺乳动物发育早期（卵裂5000～6000细胞以前），两条X染色体都有功能，以后有一条X染色体失活，呈异染色体状态，也就是巴尔小体（Barr body）。

表2-2 两种染色质的区别

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