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第32章 什么是染色体?

1883年,谁观察到了能被染色的丝状体?

在孟德尔的成果获得承认后,整个生物界都知道,是孟德尔所说的遗传因子,即基因,决定了生物的遗传。但是,基因究竟在细胞内的什么地方?这是遗传学必须回答的问题。摩尔根以果蝇为试验对象,把基因与染色体确定无疑地联系在一起。

早在1883年,鲁克斯就观察到细胞核内能被染色的丝状体。1888年,沃尔德耶称这种丝状体为“染色体”,并猜测染色体与遗传有关。1902年,博韦里和萨顿指出,染色体在细胞分裂中的行为与孟德尔的遗传因子平行:两者在体细胞中都成对存在,而在生殖细胞中则是成单的;

成对的染色体或遗传因子在细胞减数分裂时彼此分离,进入不同的子细胞中,不同对的染色体或遗传因子可以自由组合。因而,博韦里和萨顿认为,染色体很可能是遗传因子的载体。这是一个有科学依据的假说,但假说仍然需要科学实验的证实,这一科学历史使命落到了摩尔根的肩上。

染色体的主要化学成分是脱氧核糖核酸(DNA)和5种称为组蛋白的蛋白质。核小体是染色体结构的最基本单位。核小体的核心是由4种组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)各两个分子构成的扁球状8聚体。现在我们知道,DNA分子具有典型的双螺旋结构,一个DNA分子就像是一条长长的双螺旋的飘带。一条染色体有一个DNA分子。DNA双螺旋依次在每个组蛋白8聚体分子的表面盘绕约1.75圈,其长度相当于140个碱基对。组蛋白8聚体与其表面上盘绕的DNA分子共同构成核小体。在相邻的两个核小体之间,有长约50~60个碱基对的DNA连接线。在相邻的连接线之间结合着一个第5种组蛋白(H1)的分子。密集成串的核小体形成了核质中的100埃左右的纤维,这就是染色体的“一级结构”。在这里,DNA分子大约被压缩了7倍。染色体的一级结构经螺旋化形成中空的线状体,称为螺线体或核丝,这是染色体的“二级结构”,其外径约300埃,内径100埃,相邻螺旋间距为110埃。螺丝体的每一周螺旋包括6个核小体,因此DNA的长度在这个等级上又被再压缩了6倍。300埃左右的螺线体(二级结构)再进一步螺旋化,形成直径为0.4μ的筒状体,称为超螺旋体。这就是染色体的“三级结构”。到这里,DNA又再被压缩了40倍。超螺旋体进一步折叠盘绕后,形成染色单体——染色体的“四级结构”。两条染色单体组成一条染色体。到这里,DNA的长度又再被压缩了5倍。从染色体的一级结构到四级结构,DNA分子一共被压缩了7×240×5=8400倍。例如,人的染色体中DNA分子伸展开来的长度平均约为几个厘米,而染色体被压缩到只有几个微米长。染色体在细胞分裂之前才形成。在细胞的代谢期或间期,染色体分散成一级结构或伸展开的DNA分子,组成细胞核内的染色质或核质。