染色体畸变

指染色体数目的增减或结构的改变。因此，染色体畸变可分为数目畸变和结构畸变两大类。 正常人的生殖细胞具有23条染色体为一个染色体组，称为单倍体(n），体细胞具有46条染色体，含两个染色体组，称为二倍体(2n）。染色体偏离正常数目称为染色体数目畸变，又分整倍体和非整体改变。染色体组成倍地增减即为整倍体。在人类三倍体(3n=69）和四倍体(4n=92）的整倍体多发现于自然流产儿中。比二倍体多或少一条或几条染色体的个体称为非整倍体。在人类可见单体型、三体型和四体型。单体型：细胞染色体数为45条，即某号染色体少一条。主要见于X染色体的单体型，核型为45，X。三体型：细胞染色体数47条，即某号染色体有3条。除21、13、18和22三体型外，其他多导致流产。性染色体三体型常见。四体型：细胞染色体数48条，即某号染色体有4条。主要有性染色体的四体型。结构畸变见“染色体结构畸变”。

染色体结构畸变最早在黑腹果蝇中发现。美国遗传学家C.B.布里奇斯在1917年发现 染色体缺失，1919年发现重复，1923年发现易位。美国遗传学家A.H.斯特蒂文特在1926年发现倒位。染色体数目畸变最早也在果蝇中发现。1916年布里奇斯在果蝇的研究中发现多一个和少一个X染色体的现象。1920年美国遗传学家A.F.布莱克斯利等在曼陀罗的研究中发现比正常植株多一个染色体的突变型。此后便陆续开展了烟草和小麦等植物的染色体畸变的研究。

早在20世纪30年代，K.萨克斯等就开始了电离辐射诱发紫鸭跖草等生物的染色体畸变的研究。这些研究表明动植物细胞的染色体对电离辐射非常敏感，而且在一定条件下射线的剂量与染色体畸变的数量之间存在着一定的关系。1962年M.A.本德提出可以根据人体细胞中出现的双着丝粒染色体和环状染色体的数量来推算人体接受的辐射剂量，被称为辐谢的生物剂量测定。　　

1928年斯特蒂文特等发现 X射线可以诱发果蝇的染色体易位。1937年布莱克斯利等通过秋水仙素处理在植物中得到了多倍体，开始把染色体畸变的研究应用于动植物育种。1959年法国临床医生J.勒热纳等报道了人的21号染色体三体综合征。以后随着细胞遗传学和染色体显带技术的发展，染色体畸变的报道日益增多。　

1．母亲受孕时年龄过大 孕母年龄愈大，子代发生染色体病的可能性愈大，可能与母体 卵子老化有关。

2．放射线 人类染色体对辐射甚为敏感，孕妇接触放射线后，其子代发生染色体畸变的危险性增加。

3．病毒感染 传染性单核细胞增多症、流行性腮腺炎、风疹和肝炎等病毒都可以引起染色体断裂，造成胎儿染色体畸变。

4.化学因素 许多化学药物、抗代谢药物和毒物都能导致染色体畸变。

5.遗传因素 染色体异常的父母可能遗传给下一代。　　　　　

类型

按发生的原因可以把染色体畸变分为自发畸变和诱发畸变。 按畸变的性质可以把染色体畸变分为数目畸变和结构畸变。
　　
数目畸变 　
多数真核生物的体细胞中，都具有两个染色体组，这样的生物体和它们的体细胞都称为二倍体(2n)。二倍体的生殖母细胞经过减数分裂产生的配子中只有一个染色体组,称为单倍体(n)。某一染色体的数目的增减称为非整倍性改变；成套的染色体组数目的增减则称为整倍性改变（见染色体倍性）。非整倍性和整倍性改变统称为异倍性改变。
　　
非整倍性 　非整倍性染色体数目畸变可分为：
　　
①单体性　二倍体细胞的某同源染色体只有一个而不是两个的现象，即2n-1。大多数动植物的单体性个体不能存活，存活的单体最初是在小麦中发现的。普通小麦中有成套的21种不同的单体，普通烟草有成套的24种不同的单体，它们是细胞遗传学研究的有用工具（见基因定位）。在人类中，除特纳氏综合征（45，X）属性染色体单体外，常染色体单体性的胚胎常死于子宫内。
　　
②缺体性　二倍体生物的体细胞缺失了某一对同源染色体的现象，即2n-2。缺体最早在 燕麦中发现。缺体性个体一般也不能存活。但普通小麦等少数物种有人工保存的成套缺体性个体。在恶性肿瘤细胞里也有缺体性细胞系。
　　
③三体性　二倍体细胞的某同源染色体为三个的现象，即2n 1。三体的存在最初是在茄科植物曼陀罗中发现的。人类的唐氏综合征患者的核型式是47，XX或XY， 21，即21号染色体比正常人多一个。克氏综合征患者的核型式是47，XXY，即性染色体X比正常人多一个。三体性个体一般都能存活。
　　
④多体性　二倍体细胞的某同源染色体的数目在三个以上的现象。例如人类染色体病中见到的48，XXXX四体或49，XXXXX五体等都是。
　　
超二倍性和亚二倍性是指二倍体生物的体细胞多了若干个或少了若干个染色体的现象，也属于非整倍性畸变，常见于离体培养的肿瘤细胞。
　　
产生非整倍性个体的主要原因是在生殖母细胞经减数分裂形成配子的过程中或在受精卵的卵裂过程中染色体的复制和分配异常所致，而且主要是由减数分裂后期Ⅰ某一对同源染色体不分离或后期Ⅱ某一染色体的两个染色单体不分离引起的。如果不分离发生在配子形成过程中，那么就形成n 1和n-1两类异常的配子。当这些配子与正常配子(n)结合,就发育为单体性(2n-1)或三体性(2n 1)个体。如果不离开发生在受精卵经卵裂形成早期胚胎的过程中，那么单体性和三体性的体细胞就可以在同一个体中同时存在，从而形成嵌合体。
　　
整倍性 　见染色体倍性。
　　
结构畸变 　
染色单体畸变 　染色单体或染色单体间结构的变化有两种形式：①简单的缺失，即单体断裂下来的片断丢失；②结构重排，即发生在同一染色体臂内或臂间的单体内互换和发生在不同染色体的单体间的互换。互换可以相等或不相等。　　

单体间互换按重接方式又可分为两种类型。如果断裂端以着丝粒为中心的近心部与近心部相接，远心部与远心部相接，称为U型互换。如果断裂端的近心部与远心部相接，则称为X型互换。U型互换是不对称互换，X型互换是对称互换。
　
同一染色体发生的臂间和臂内互换可以有6种方式，而不同染色体单体间的互换则根据 互换的类型、互换是否完全以及染色体的极性又可分为12种情况。

除了简单的单体内互换和单体间互换外，有些畸变是由于在染色体和染色单体水平上发生多次互换而产生的，例如三相互换。这种畸变的产生是由于在一个等位点染色单体畸变和一个简单的染色单体断裂之间发生了一次互换，或者在两个以上染色单体之间发生数次复杂的单体间互换造成的。
　　
染色体结构畸变 　染色体的结构变化主要有以下几种：
　　
①缺失　染色体臂发生断裂并丢失一部分遗传物质的结果。一个染色体臂发生了断裂，而这种断裂端未能与别的断裂端重接，那么就形成一个带有着丝粒的片段和一个没有着丝粒的片段。后者在细胞分裂过程中不能定向而被丢失。带有着丝粒的片段便成为一个发生了末端缺失的染色体。如果一个染色体发生两次断裂而丢失了中间不带有着丝粒的片段，留下的两个片段重接以后便成为发生了中间缺失的染色体。如果同一染色体的两臂同时发生了断裂，而余下的两臂的断面间又发生重接，便形成环形染色体。根据所丢失的染色体片段的大小，缺失所带来的危害性也各不相同。较大的缺失往往带来致死效应，而微小的缺失则并不致死。如果缺失部分包括某些显性等位基因，那么同源染色体上与这一缺失相对应位置上的隐性等位基因就得以表现，这一现象称为假显性。在玉米中，如果染色体上带有颜色决定基因的区段缺失则常能产生特定的表型效应，例如白苗与褐色中脉等。在人类中，染色体的部分缺失常导致染色体病，如猫叫综合征就是由于5号染色体的短臂部分缺失所致。
　　
②重复　一个染色体上某一部分出现两份或两份以上的现象。首尾相接的重复称为衔接重复或串接重复;首尾反方向连接的重复称为颠倒衔接重复或倒重复。重复部分可以出现在同一染色体上的邻近位置，也可以出现在同一染色体的其他位置或者出现在其他染色体上。重复杂合体具有特征性的减数分裂图象，它的染色体在进行联会时重复片段在同源染色体上找不到相应的结构，因而形成称为重复环的环状突起。类似的图象可以在果蝇的重复杂合体的唾腺染色体中看到。在缺失杂合体细胞中也同样可以看到图象相似的缺失环。重复的遗传效应比缺失来得缓和，但重复太大也会影响个体的生活力，甚至引起个体的死亡。染色体上某些区域的重复可以产生特定的表型效应，例如果蝇的显性基因棒眼(Bar eye,B)就是重复的结果。主要的表型效应是复眼中的单眼数减少，使复眼呈棒状而不是通常的卵圆形。在这种果蝇的唾腺染色体上可以看到X染色体上明显的横纹重复（见位置效应）。可是对于一般的染色体来说,不通过显带法是很难检出重复的。
　　
③倒位 一个染色体上同时出现两处断裂，中间的片断扭转180°，重新连接起来而使 这一片段的基因的排列顺序颠倒的现象。颠倒片段包括着丝粒的倒位称为臂间倒位；不包括着丝粒的倒位称为臂内倒位。两个断裂点与着丝粒之间的距离不等的臂间倒位是容易识别的，等距离的倒位则除非应用显带技术一般不易察觉。倒位杂合体也具有特征性的减数分裂图象，它的倒位染色体和正常同源染色体联会时出现倒位环。。臂内倒位杂合体如果在倒位环内发生一次交换便形成一个有两个着丝粒的染色单体和一个没有着丝粒的片断，这样在减数分裂后期就会出现染色体桥和没有着丝粒的片段，后者往往无法进入子细胞核中；而有两个着丝粒的桥被拉断后，虽然两个染色体可分别进入子细胞，但由于断裂位置不一，往往带来缺失而导致配子的死亡。
　　
④易位　一个染色体臂的一段移接到另一非同源染色体的臂上的结构畸变。两个非同源染色体间相互交换染色体片段称为相互易位。相互易位的染色体片段可以是等长的，也可以是不等长的。一般基因改变它在染色体上的位置时并不改变它的功能，可是在果蝇等生物中发现如果位置在常染色体的基因通过易位而处于异染色质近旁时，它的功能便会受到影响而呈现花斑位置效应现象。倒位也可能带来同一效应。易位纯合体没有明显的细胞学特征，它在减数分裂时的配对也不会出现异常，因而易位染色体可以从一个细胞世代传到另一个细胞世代。可是易位杂合体则不同，由于正常染色体和易位染色体的同源部分的配对，在减数分裂中期可以看到特有的十字形图象。

随着分裂过程的进行，十字形逐渐开放，邻接的两个着丝粒趋向同一极或趋向两极,形成环形或8字形图象。前一种染色体离开方式称为邻近离开，后一种方式称为交互离开。相互易位杂合体的花粉母细胞中大约有50％的图象呈环形，属邻近离开，50％呈8字形，属交互离开。这说明四个着丝粒趋向两极的取向是随机的，行动是独立的。邻近离开的结果使配子内含有重复或缺失的染色体，形成致死的不平衡配子。交互离开导致非致死的平衡配子，其中半数配子的染色体是正常的，半数配子具有平衡的易位染色体，这就是说虽然发 生了易位，可是易位并不带来基因的增加或缺少。交互离开使两个易位染色体进入一个配子细胞，两个非易位染色体进入另一配子细胞中。所以这种分离方式使非同源染色体上的基因间的自由组合受到限制，使原来在不同染色体上的基因出现连锁现象，这种现象称为假连锁（见基因定位）。
　　
两个或两个以上染色体之间发生相互易位时，如果这些染色体的近心端相接，就形成双着丝粒体或多着丝粒体。双着丝粒体同时具有两个有功能的着丝粒，它们在细胞分裂后期各自趋向两极，从而出现后期桥。如果这种桥被拉断，往往导致细胞死亡。然而根据玉米胚乳细胞的研究，认为染色体桥虽可被拉断，但两端的两个着丝粒仍可顺利地进入细胞的两极并参与子细胞的形成，而且它们的断裂端仍然开放着并可重接。当再次相接后就会在下一次分裂的后期形成另一个桥，这种“断裂-融合-桥”周期可以持续许多个细胞世代。
　　
整臂易位是整个臂（或几乎是整个臂）之间的易位，这种易位的结果可以产生结构不同的两个新的染色体。在整臂易位中又有一种特殊的情况，即两个同源的（或非同源的）近端着丝粒染色体的着丝粒相互融合，成为一个中央（或亚中央）着丝粒染色体，结果导致染色体数目减少，但臂数不变。这种整臂易位称为罗伯逊氏易位,为W.R.B.罗伯逊于1916年所发现。例如小鼠属中,最普遍的核型是40个近端着丝粒染色体，可是在某些野鼠的细胞中则出现若干双臂染色体。这些双臂染色体就是通过着丝粒融合形成的。一般认为在哺乳动物的核型进化中，着丝粒融合是最普通的一种形式。
　　
除了上述几种结构的畸变以外，在光学显微镜下还可以看到染色体的另外一些形态上的变化。例如染色体粘连，粘连在一起的染色体数目可以是两个或两个以上。在细胞有丝分裂和减数分裂过程中许多理化因素可诱发染色体粘连，而某些突变基因也能促使染色体发生粘连。此外，环境因子的剧烈作用还可以有种种效应：染色体粉碎化（高频度的断裂）、单体化（中期染色体以单体形式存在）、不同步化（同一细胞内染色体的形成速度不一致）、解旋化（中期染色体被解螺旋而松开）等。

个别染色体的数目和形态变化，与某些先天性疾病有着因果关系。

先天愚型(21三体综合征)    患儿具有特殊的颅面部畸形，头颅小而圆，枕骨扁平，眼小而眼距过宽，两眼外侧高而内侧低，脸圆，鼻扁平，口半张，舌常伸出口外，舌有龟裂，低耳位，常为通贯手，发育迟缓，智力低下，平均寿命很短，大约到10岁时已有1/3患者死亡。病因是因为多了一条小的第21号染色体。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
Patau综合征(13三体综合征)   具有额外的13号染色体，记作47，XX或XY， 13，发病率约为1/5000。患者中女性明显多于男性，患儿的畸形和其他临床特征比21三体要严重，小头、兔唇和（或）腭裂、先天性心脏病、严重智力迟钝。90﹪在出生后6个月内死亡。

Edwards综合征    由于有额外的18染色体（E组）所致核型为47，XX或XY， 18。另有8﹪—10﹪的病例为48，XXX或XXY， 18，双重非整倍性。这类患儿不仅有额外的18号染色体，还有一条额外的X染色体。它会导致严重的畸形，在出生后不久死亡，平均年龄仅为71天。因为其畸形几乎遍及所有的器官系统，此外95﹪的患儿有先天性心脏病，是婴儿致死的重要原因。

关于染色体结构畸变的机理主要有两种假说：一是断裂-重接假说， 由L.J.斯塔德勒于1931年提出。另一种是互换假说，由S.H.雷维尔于1959年提出。

断裂-重接假说认为导致染色体结构改变的原发损伤是断裂。这种断裂可以自发地产生，也可以是诱变因子作用的结果。断裂的后果不外是以下三种：①绝大多数断裂(90～99％)通过修复过程在原处重新连接（愈合）以致在细胞学上无法予以辨认。②不同断裂处的重新连接称为重接，重接使染色体发生结构变化，所以大多能被发现。③断裂端依然游离着，成为染色体结构的一种稳定状态，例如末端部分缺失。

互换假说认为导致染色体结构畸变的根本原因是染色体上具有不稳定部位，所有结构畸变都是两个靠得很近的不稳定部位之间互换的结果。互换的发生可以分为两个阶段：第一阶段是不稳定部位断裂后继发的较稳定状态，称为互换起始。第二阶段是机械的互换和连接过程。如果两个原发的损伤不能相互作用，这些损伤就可以被修复。

应用

染色体结构或数目的改变，可自发产生或诱发产生。染色体畸变一般指染色体的 较大范围的结构改变，在光学显微镜下可以识别。原核生物中的染色体结构改变虽然在光学显微镜下不能分辨，可是在电子显微镜下却能看到和真核生物相似的畸变杂合体图像。
　　
染色体畸变的研究可以用来揭示染色体结构改变的规律和机制；可以用来绘制细胞学图；可以用来探讨物种形成机制；在行为遗传学研究中可以用来获得嵌合体；可以用作检测环境中的诱变和致癌物质的指标；可以用作人类染色体病诊断和预防的依据；并可以用来培育优良的动植物品种。
　　
许多化学物能诱发染色体畸变，但这些化学物所造成的DNA损伤只在通过DNA复制阶段后，才转变为染色体畸变而显示出来。如果在细胞周期的其他阶段接触化学物，则所引起的损伤由于在进入细胞分裂之前已得到修复，也就无法再检出染色体畸变。与染色体畸变分析方法相比较，姊妹染色单体互换（简称SCE）频率的测定更为精确，已被广泛地应用于监测环境中的诱变剂和致癌剂（见毒理遗传学）。
　　
染色体畸变的研究也被应用于人类染色体病的诊断(包括产前诊断)和染色体病发生原因的探讨。例如随着母亲年龄的增长，21三体综合征的患儿出生率升高。可见在年龄较大的女性的生殖细胞形成过程中染色体不离开的发生率明显增高，这和卵巢功能的衰退有关。
　　
染色体畸变也被广泛应用于动植物新品种的培育中。在同源多倍体的利用方面可 以用无籽西瓜作为例子（见染色体倍性）。在异源多倍体方面，中国遗传学家鲍文奎等培育出了小黑麦。运用单倍体育种方法也能培育优良的作物品种。例如中国用花药培养结合染色体加倍技术培育了烟草和小麦品种。此外，利用染色体结构变异也能培育出新的品种。例如雄蚕的性染色体是ZZ，雌蚕的性染色体是ZW。通过诱发染色体易位可以将常染色体上带有有关卵色基因的片段易位到W染色体上。这样的ZW卵可以和不带这一卵色基因的ZZ卵相区别，就能简便地区分卵的雌雄性别，及早地淘汰雌卵，从而提高蚕丝的产量和质量。
　　
染色体畸变的研究也被应用于基因定位工作。例如从小麦的21种不同的单体可以得到21种不同的缺体。如果在小麦中发现了一个新的隐性突变基因，就可以把这种突变体和21种缺体杂交，根据杂交子代的性状比率判断这一基因所属的染色体。利用各种染色体臂缺失的品系还能进行基因位置的测定（见基因定位）。
　　
染色体畸变的机理迄今仍然不很清楚。数目的改变尽管可归结于染色体的不分离，但哪些因素导致不分离，为什么发生不分离还不很了解。解释染色体结构改变的两种假说也不能说明一些事实。例如按照互换假说，就是简单的末端缺失也应是互换的产物,可是新近运用SCE技术揭示在未见到 SCE的情况下也照样会出现末端缺失。又如为什么染色体的断裂、缺失总是容易发生在某几个染色体的特定部位等，也都有待于进一步研究。