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细胞遗传学基础及分子细胞遗传学

细胞遗传学基础

人类的配子(精子和卵子)中有23条不同染色体,称为单倍体细胞。其中22条男女相同称为常染色体,另一条不同的染色体称为性染色体,男性为Y、女性为X。受精卵有来自父方和母方各23条共46条染色体,因此发育成个体后带有父母各半的遗传信息。46条染色体的细胞统称为二倍体细胞。

人类对染色体的认识是随着观察染色体技术的进步而发展的。最初只能用光学显微镜在细胞分裂中期观察到染色体的存在,并只能得知其数目。1970年后由于显带染色技术的发展,可以将染色体按大小排列和着丝粒位置命名1~22号和X、Y染色体。观察到的显带数目也从320条增加到多达1256条,即一般的显带技术到高分辨显带技术,使人们可以从数量变化到细致描述疾病时染色体结构异常的具体位置。

染色体数量异常可以单倍体为基数(n= 23)成倍增加,如白血病中可见多倍体细胞(n = 69,92等)。但更常见的为非整倍体,即数量为n-1、n+1、n+2、n+3等。染色体数量的增减意味着基因数量大量的增减,个体很难存活,故不多见。疾病时更多见到的是结构异常,包括缺失(deletion,del)、重复(duplication,dup)、易位(translocation,t)、倒位(inversion,inv)、环状染色体(ring chromosome,r)、等臂染色体(isochromosome,i)、双着丝粒染色体(dicentric chromosome,dic)等。在血液病中,特别是白血病中多见染色体结构异常,通常以易位多见。α地中海贫血中可见3个α基因的重复,甲型血友病中可见有DNA倒位病例。后两种情况,因为缺失或倒位的DNA片段相对较小,所以要用分子遗传学方法才可以查出。

染色体水平还可以见到一些异常表现。如染色体不稳定综合征,即染色体易于形成裂隙或断裂,见于Fanconi贫血;又如在特殊培养条件下,某些部位容易发生裂隙或断裂的所谓“脆性部位”(fragile site)。这些现象已经可以从分子水平得到解释(详后)。染色体多态性(chromosome polymorphism)是指不同个体染色体在结构和着色程度上存在的微小差异。可以分为倒位结构多态性、染色多态性及随体多态性。虽然它与疾病没有直接关系,但对临床鉴别诊断有一定意义。如对骨髓移植后患者体内是否存在供体细胞及其数量作出判断,又如Y染色体多态性对父亲身份做亲子鉴定的参考等。

单亲二体(uniparental disomy,UPD)是近年发现的一种染色体异常。正常时,一对同源染色体分别来自父方和母方,称为杂合二体(heterodisomy);如果一对同源染色体只来自父方或只来自母方则称为单亲二体,又称为同二体(isodisomy),单亲二体由于源自相同条染色体上的突变,因而其效应就相当于纯合子而发病,在囊性纤维化中已有报道,在2号和16号染色体也报告有单亲二体现象。

体质性染色体镶嵌体(constitutional mosaicism):胚胎进行正常发育前,在受精卵有丝分裂后各时期,由于某个细胞发生了数量或结构的异常,使发育成的个体因而由两个以上的细胞群(系)组成,这种情况称为体质性染色体镶嵌体。通常首先见于绒毛和羊水。故在产前细胞遗传学诊断中,制订了一个判断标准,即在绒毛或羊水细胞中:①出现了两种以上的核型;②各种核型必须出现在2个以上的细胞或细胞集落中;③不同核型的细胞或细胞集落须来自两个以上的培养皿。这个标准便于将真性镶嵌体(true mosaic)与假性镶嵌体区别开来。后者常由于体外培养或染色体片制作过程造成。实际上真性镶嵌体的胎儿仅占0. 3%,其中10. 3%为结构性常染色体异常,5%属结构性性染色体异常。镶嵌体的遗传效应取决于染色体的种类、基因片段的大小、异常核型所占的百分比等因素。

分子细胞遗传学

分子细胞遗传学(molecular cytogenetics)是细胞遗传学与分子遗传学相结合的新学科领域,也是细胞遗传学发展的必然结果。这一领域的标志性技术就是原位杂交,特别新近发展迅速的荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization,FISH)。它是在原位杂交基础上发展起来的。原理是,用特殊荧光素代替放射性核素标记探针(probe,一段特异性DNA片段),可以在染色体、细胞或组织切片上进行杂交。通过荧光染料与蛋白质结合发出的荧光来辨认杂交的部位而确定某个基因、基因片段或病变的部位。由于可以应用发出不同颜色的荧光,所以可以同时观察到不同细胞和同一细胞不同的染色体变化。与最早使用的原位杂交相比,它避免了放射污染、自显影时间长、放射性核素标记探针不易保存、观察费时,只能在分裂中期观察和定位不够准确的缺点。它还有分辨率高,可以在间期细胞观察和一个细胞多种畸变观察的优点。现在FISH已经由单色、双色、发展到多色。用它观察不同部位和性质结构异常更为方便,它可以将小至3Mb(300万个碱基)的缺失检出。应用范围越来越广。其用途可以总结于表:

FISH技术的应用范围

FISH技术的应用范围

从FISH技术发展起来的还有24色染色体核型分析(24 coloured karyotyping),其中又包括光谱核型分析(spectral karyotyping,SKY)和多色荧光原位杂交(multiplex FISH)。此外还有比较基因组杂交(comparative genomic hybridization,CGH)和种间多色显带技术(cross-species color banding)等新技术,丰富了分子细胞遗传学的内容。例如光谱核型分析中,应用不同颜色荧光探针组合标记同时分析24条染色体,能同时检出多种染色体畸变。例如,使用两种不同颜色的荧光染料(A和B)标记探针,可以观察到3种颜色的染色体(A、B和A+B);如果使用3种颜色,则可观察到7种染色体(A、B、C、A+B、A+ C、B+C及A+B+C)。如果用5种染料,可以观察到31种颜色及混合色(25-1= 31)。这样24条染色体都可以有自己的特异性色泽,通过特制的滤光片和软件,可以对色泽加以区别。这样不仅可以观察24条染色体数目的变化,而且可以观察核型中复杂而隐蔽的重排。如在白血病的研究中已经广泛应用。如果标记断裂端的DNA序列,就可以将断裂和易位的准确位置找出来。Jalal和Law用此法成功地观察到各种衍生染色体、环状染色体和复杂易位核型。也有学者将SKY与染色体显带和反转录PCR作了比较,对51例B-ALLs的观察中得出下列结论:①过去用显带技术未发现或未鉴定的83种染色体异常,用SKY得以鉴定;②TEL基因的2个隐蔽重排(hidden rearrangement),t(7;12)(p12;p13)和t(9;12)(q31;p13),用SKY得以认定。但也有些隐含重排(cryptic rearrangement)如der(21)(12;21)未能发现。此技术还有进一步发展的必要。同时也应指出:现在许多人也认为,FISH与G显带技术相比,在染色体序号和区带的辨认上,后者较FISH更为准确。所以各种技术应该各取所长,相互补充,才能得出更正确的结论。

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