染色體


染色體(Chromosome )是細胞內具有遺傳性質的物體,易被堿性染料染成深色,所以叫染色體(染色質);其本質是脫氧核甘酸,是細胞核內由核蛋白組成、能用堿性染料染色、有結構的線狀體,是遺傳物質基因的載體。

  簡介
  染色體將正在分裂的細胞用堿性染料染色,你會發現細胞核中有許多染成深色的物質,這些物質叫做染色體(英語:Chromosome)。染色體由蛋白質、DNA和少量RNA組成。
  在生物的
細胞核中,有一種易被堿性染料染上顏色的物質,叫做染色質。染色體只是染色質的另外一種形態。它們的組成成分是一樣的,但是由于構型不一樣,所以還是有一定的差別。染色體在細胞的有絲分裂間期由染色質螺旋化形成。用于化學分析的原核細胞的染色質含裸露的DNA,也就是不與其他類分子相連。而真核細胞染色體卻復雜得多,由四類分子組成:即DNARNA組蛋白(富有賴氨酸精氨酸的低分子量堿性蛋白,至少有五種不同類型)和非組蛋白(酸性)。DNA和組蛋白的比例接近于1:1。
  
正常人的體細胞染色體數目為23對,并有一定的形態和結構。染色體在形態結構或數量上的異常被稱為染色體異常,由染色體異常引起的疾病為染色體病。現已發現的染色體病有100余種,染色體病在臨床上常可造成流產、先天愚型、先天性多發性畸形、以及癌腫等。染色體異常的發生率并不少見,在一般新人的染色體生兒群體中就可達0.5%~0.7%,如以我院平均每年3000新生兒出生數計算,其中可能有15~20例為染色體異常者。而在早期自然流產時,約有50%~60%是由染色體異常所致。染色體異常發生的常見原因有電離輻射、化學物品接觸、微生物感染和遺傳等。臨床上染色體檢查的目的就是為了發現染色體異常和診斷由染色體異常引起的疾病。
  染色體檢查是用外周血在細胞生長刺激因子——植物凝集素(PHA)作用下經37℃,72小時培養,獲得大量分裂細胞,然后加入秋水仙素使進行分裂的細胞停止于分裂中期前,以便染色體的觀察;再經低滲膨脹細胞,減少染色體間的相互纏繞和重疊,最后用甲醇和冰醋酸將細胞固定于載玻片上,在顯微鏡下觀察染色體的結構和數量。正常男性的染色體核型為44條常染色體加2條性染色體X和Y,檢查報告中常用46,XY來表示。正常女性的常染色體與男性相同,性染色體為2條XX,常用46,XX表示。46表示染色體的總數目,大于或小于46都屬于染色體的數目異常。缺失的性染色體常用O來表示。
  人體內每個細胞內有23對染色體。包括22對常染色體和一對性染色體. 性染色體包括:X染色體和Y染色體。含有一對X染色體的受精卵發育成女性,而具有一條X染色體和一條Y染色體者則發育成男性。這樣,對于女性來說,正常的性染色體組成是XX,男性是XY。這就意味著,女性細胞減數分裂產生的配子都含有染色體一個X染色體;男性產生的精子中有一半含有X染色體,而另一半含有Y染色體。精子和卵子的染色體上攜帶著遺傳基因,上面記錄著父母傳給子女的遺傳信息。同樣,當性染色體異常時,就可形成遺傳性疾病。男性不育癥中因染色體異常引起者約占2%~21%,尤其以少精子癥和無精子癥多見。
  哺乳動物雄性個體細胞正常的性染色體對為XY;雌性則為XX。
  鳥類的性染色體與哺乳動物不同:雄性個體的是ZZ,雌性個體為ZW。
  果蠅之類的如果含有一個X則為雄性,如果含有兩個X則為雌性,與是否含有Y無關,例如性染色體為XXY型的果蠅為雌性。

發現歷程

  早在1883年,魯克斯(W·Roux)就觀察到細胞核內能被染色的絲狀體。1888年,德國人沃爾德耶(W·Waldeyer)稱這種絲狀體為“染色體”(英語:chromosome;希臘語:chroma=顏色,soma=體),意即可染色的小體,并猜測染色體與遺傳有關。1902年,博韋裡(T·Boveri)和薩頓(W·S·Sutton)指出,染色體在細胞分裂中的行為與孟德爾的遺傳因子平行:兩者在體細胞中都成對存在,而在生殖細胞中則是成單的;成對的染色體或遺傳因子在細胞減數分裂時彼此分離,進入不同的子細胞中,不同對的染色體或遺傳因子可以自由組合。因而,博韋裡和薩頓認為,染色體很可能是遺傳因子的載體。

各種生物體細胞核內染色體數目

一些植物的染色體數植物物種#擬南芥(雙倍體)10黑麥(雙倍體)14玉米(雙倍體)20Einkorn wheat(野生小麥) (雙倍體)14Durum wheat(四倍體)28普通小麥(六倍體)42馬鈴薯(四倍體)48培育的煙草 (雙倍體)48Adder’s Tongue Fern(雙倍體)~1,400 一些動物的染色體數(2n)物種數目物種數目普通果蠅8幾內亞豬64鳩鴿78螺旋蝸牛54蚯蚓Octodrilus complanatus36藏狐36家貓38家豬38實驗室的家鼠40實驗室的溝鼠42兔44敘利亞倉鼠44野兔46人類46大猩猩, 黑猩猩屬48綿羊54大象56牛60驢62馬64狗78翠鳥132金魚100-104家蠶56
其他生物的染色體數目物種大染色體數目中染色體數目小染色體數目布氏錐蟲116~100雞82條性染色體60

超微結構

  染色體的超微結構顯示染色體是由直徑僅100埃(Å)的DNA-組蛋白高度螺旋化的纖維所組成。每一條染色單體可看作一條雙螺旋的DNA分子。有絲分裂間期時,DNA解螺旋而形成無限伸展的細絲,此時不易為染料所著色,光鏡下呈無定形物質,稱之為染色質。有絲分裂時DNA高度螺旋化而呈現特定的形態,此時易為堿性染料著色,稱之為染色體。
  1970年后陸續問世的各種顯帶技術對染色體的識別作出了很大貢獻。中期染色體經過DNA變性、胰酶消化或熒光染色等處理,可出現沿縱軸排列的明暗相間的帶紋。按照染色體上特征性的標志可將每一個臂從內到外分為若干區,每個區又可分為若干條帶,每條帶又再分為若干個亞帶,例如“9q34.1”即表示9號染色體長臂第3區第4條帶的第1個亞帶。由于每條染色體帶紋的數目和寬度是相對恒定的,根據帶型的不同可識別每條染色體及其片段。
  80年代以來根據DNA雙鏈互補的原理,套用已知序列的DNA探針進行熒光原位雜交(Fluorescence in situ hybridization,FISH)可以識別整條染色體、染色體的1個臂、1條帶甚至一個基因,因而大大提高了染色體識別的準確性和敏感性。染色體是遺傳物質—基因的載體,控制人類形態、生理和生化等特征的結構基因呈直線排列在染色體上。2000年6月26日人類基因組計畫(HGP)已宣布完成人類基因組序列架構圖。2001年2月12日HGP和塞雷拉公司公布了人類基因組圖譜和初步分析結果。人類基因組共有3~3.5萬個基因,而不是以往認為的10萬個。由此可見,染色體和基因二者密切相關,染色體的任何改變必然造成基因的異常。
  染色體的主要化學成份是脫氧核糖核酸(DNA)和蛋白質構成,染色體上的蛋白質有兩類:一類是低分子量的堿性蛋白即組蛋白(histones),另一類是酸性蛋白質,即非組蛋白蛋白質(non-histone proteins)。非組蛋白蛋白質的種類和含量不十分恒定,而組蛋白的種類和含量都很恒定,其含量大致與DNA相等。所以人們早就猜測,組蛋白在DNA·蛋白質纖絲的形成上起著重要作用。Kornberg根據生化資料,特別是根據電鏡照相,最先在1974年提出繩珠模型(beads on-a-string model),用來說明DNA·蛋白質纖絲的結構。纖絲的結構單位是核小體,它是染色體結構的最基本單位。核小體的核心是由4種組蛋白(H2A、H2B、H3和H4)各兩個分子構成的扁球狀8聚體。現在我們知道,DNA分子具有典型的雙螺旋結構,一個DNA分子就像是一條長長的雙螺旋的纖絲。一條染色體有一個DNA分子。DNA雙螺旋依次在每個組蛋白8聚體分子的表面盤繞約1.75圈,其長度相當于140個堿基對。組蛋白8聚體與其表面上盤繞的DNA分子共同構成核小體。在相鄰的兩個核小體之間,有長約50~60個堿基對的DNA連線線。在相鄰的連線線之間結合著一個第5種組蛋白(H1)的分子。密集成串的核小體形成了核質中的100埃左右的纖維,這就是染色體的“一級結構”,就像成串的珠子一樣,DNA為繩,組蛋白為珠,被稱作染色體的“繩珠模型”如圖→染色體的“繩珠模型”。在這裡,DNA分子大約被壓縮了7倍。
  染色體的一級結構經螺旋化形成中空的線狀體,稱為螺線體或核絲或螺線筒或螺旋管,這是染色體的“二級結構”,其外徑約300埃,內徑100埃,相鄰螺旋間距為110埃。螺旋體的每一周螺旋包括6個核小體,因此DNA的長度在這個等級上又被再壓縮了6倍。
  300埃左右的螺線體(二級結構)再進一步螺旋化,形成直徑為0.4微米(μm)的筒狀體,稱為超螺旋管。這就是染色體的“三級結構”。到這裡,DNA又再被壓縮了40倍。超螺旋體進一步折疊盤繞后,形成染色單體—染色體的“四級結構”。兩條染色單體組成一條染色體。到這裡,DNA的長度又再被壓縮了5倍。從染色體的一級結構到四級結構,DNA分子一共被壓縮了7×6×40×5=8400倍。例如,人的染色體中DNA分子伸展開來的長度平均約為幾個厘米,而染色體被壓縮到只有幾微米長。

結構狀態

基因和染色體

  基因在細胞裡并非一盤“散沙”或“散兵遊勇”,它們大多有規律地集中在細胞核內的染色體地(chromosome)上,而且每一種生物細胞內染色體的形態和數目都是一定的。

細菌的染色體

  所有必需的細菌基因存在于細胞質中的單個環狀雙鏈DNA(dsDNA)染色體中。細菌染色體與質膜相附著。染色體細菌染色體(bacterial chromosome)依其種類不同可編碼1000個或5000 個蛋白質。除了細菌染色體以外,還可有一個或多個較小的染色體,稱為質粒,它一般指定 20一100個蛋白質。質粒是環狀雙鏈DNA分子,它可與或不與質膜附著。質粒編碼的大多數或全部蛋白質在正常環境條件下并不是細胞生存所絕對必需的。許多質粒編碼的蛋白質使其把一些遺傳信息向其他細胞轉移成為可能,并促進稀有化合物的代謝。或使細胞可抵抗某些化學物質或重金屬。
  由DNA、蛋白質和RNA構成的細菌染色體是高度濃縮的。它不僅通過拓撲異構酶(topoisomerase)形成超螺旋,并且,環繞在由RNA和蛋白質形成的“核”的內外。許多DNA的負電荷被多胺[如精胺(spermine)和亞精胺(spermidine)]和DNA纏繞著的堿性蛋白質所中和。通過柔和地裂解細菌細胞得到的DNA面板呈串珠狀。雖然細菌染色體也是高度濃縮的,但是,在光學顯微鏡下它們不能被看到。在透射電子顯微鏡下,細菌染色體的面板與非分裂的真核細胞核內的染色質(chiromatin)非常相像。

真核染色體

  真核生物的基因分布住許多染色體中;一般來講這些染色體在大小上有很大不同。與細菌染色體(由環狀DNA分子構成)比較,真核染色體含有線性雙鏈DNA。DNA和多種類型的相關蛋白質構成r染色體。真核染色體的結構成分中并沒有RNA。
  真核染色體可被不同程度的濃縮。最低的濃縮結構是伸展的核小體形式(extended nucleosome form)(圖3一la)。核小體是由近乎球狀的組蛋白形成的八聚體(histone)(H2a、H2b、H3和H4)和在其外圍繞兩圈的DNA所構成。DNA的約200個堿基對圍繞著由組蛋白構成的球形體。并有DNA的50個堿基對連線相鄰的核小體。雖然真核染色體伸展的核小體形式與細菌當中看到的串珠樣的結構相似,但是這些結構可能并不相同。伸展的核小體形式存在于染色體將被復制的區域,或存在于與RNA分子合成有關的區域。真核DNA更緊密的狀態是螺線管形式(solenoid form)(圖lb)。與核小體結合的組蛋白H1誘導其組裝成6個核小體的環,并且這些環組成圓筒狀螺線管結構。在分裂間期大多數真核染色體以螺線管形式存在。進行復制或被表達的(轉錄為RNA分子)這些部分去解凝成為伸展的核小體形式。DNA的復制發生在間期的S階段。基因表達發生在間期的所有階段(G0、S和G1)。那些不進行增殖的(進入細胞周期)真核細胞被認為是在G0階段,并且與間期細胞相似。在間期細胞核中看到的染色質是由絕大多數以螺線管形式存在的DNA 構成。
  DNA最緊密的狀態是環狀的螺線管形式(圖lc)。DNA結合蛋白促進螺線管在支架蛋白中心核前后形成環狀。在一些真核生物中螺線管的l8個環組成了一個盤狀結構。染色體凝聚為數百個疊在一起的盤狀結構。在有絲分裂和減數分裂的過程中,可觀察到環狀的螺線管形式。由于許多長的染色體必須在細胞內移動,并且在移動過程中可能被牽扯,所以染色 體的濃縮是必要的。

染色體復制時的形態

  染色體在復制以后,含有縱向并列的兩個染色單體(chroma-tids),只有在著絲粒(centromere)區域仍聯在一起。著絲粒在染色體上的位置是固定的。由于著絲粒位置的不同,把染色體分成大致相等或長短不等的兩臂(arms)。著絲粒的位置在染色體中間或中間附近時,染色體兩臂的長度差不多,這著絲粒叫做中間著絲粒或亞中間著絲粒。著絲粒的位置靠近染色體的一端時,根據著絲粒離開端部的遠近,這著絲粒叫做近端部著絲粒或端部著絲粒。著絲粒所在的地方往往表現為一個縊痕,所以著絲粒又稱初級縊痕(primary constriction)。
  有些染色體上除了初級縊痕以外,還有一個次級縊痕(secon-dary constriction),連上一個叫做隨體(satellite)的遠端染色體小段。次級縊痕的位置也是固定的。在細胞分裂將結束時,核內出現一個到幾個核仁,核仁總是出現在次級縊痕的地方,所以次級縊痕也叫做核仁形成區(nucleolar organizer)如圖:染色體模式圖著絲粒是有絲分裂或減數分裂中的染色體高度壓縮的一個區域,在此紡錘體纖維與其結合。復雜的DNA序列構成了著絲粉。發育的面包酵母(啤酒酵母)的著絲粒長度約為220個堿基對,并且通過多種與剩余DNA結合組蛋白有明顯區別的蛋白質共同保護其免受核酸內切酶的消化。雖然著絲粒區域通過特殊的蛋自質保護其免受限制性內切核酸酶的攻擊,但該區域投有核小體而且被去凝聚,這似乎說明了在有絲分裂和減數分裂過程中著絲粒區域被高度縮窄原因。著絲粒的220對堿基序列兩側是限制性內切核酸酶敏感位點,該位點的功能也許是促進DNA的斷裂,有助于染色單體在后期的相互分離。限制性內切核酸酶是一種在核酸內特殊位點進行切割的酶類。

形狀組型

  染色體組型(Karyotype):描述一個生物體內所有染色體的大小、形狀和數量信息的圖象。這種組型技術人類的23對染色體可用來尋找染色體歧變同特定疾病的關系,比如:染色體數目的異常增加、形狀發生異常變化等。以染色體的數目和形態來表示染色體組的特徵,稱為染色體組型。雖然染色體組型一般是以處于體細胞有絲分裂中期的染色體的數目和形態來表示,但是,也可以其他時期,特別是以前期或分裂間期的染色體形態來表示。關于整個染色體的情況可作下列記載而加以表示:各自的長度、粗細;著絲粒的位置;隨體及次縊痕的有無、數目、位置;凝縮部不同的部分以及異染色質部分、常染色質部分;染色粒、端粒的形態、大小及分布情況;小縊痕的數目、位置;由于溫度和藥品處理所產生的染色體分帶(band)的形態、數目、位置等等。對于染色體組的表示,現已提出幾種方法。例如,染色體的數目是以n、2n分別表示配子和合子的染色體數目,以x表示基數,以b表示原始基數,以2x、3x、4x、……表示多倍性,以2x 1、2x-1、……等等表示非整惰性,以1、2、3、……等編號表示各個染色體。另外,為了表示各個染色體的形態特征,還可采用“V”形、“J”形等名稱,或者采用由A.Levan等(1964)所提出的根據著絲粒的位置進行分類的方法等。關于人類的染色體組型的表示法,在國際上是統一的(在丹佛1960、倫敦1963、芝加哥1966、巴黎1971等地召開的人類染色體會議上所制訂的),已規定了為了表示染色體形態特征的染色體臂比、著絲點指數等指標。

染色體數目在各種生物體

真核生物

  一個特定真核物種的成員都有相同數目的細胞核內染色體。真核生物位于細胞核外的其他染色體,例如線粒體內的小染色體或是類質粒小染色體,數量就不固定,而且可能會數以千計。
  無性生殖物種的所有細胞中只有一套染色體,這一套染色體在所有體細胞中都是相同的。
  有性生殖物種具有體細胞,體細胞有兩套染色體,一套來自父方;一套來自母方。生殖細胞只有一套染色體,這一套染色體來自于具兩套染色體精原細胞或卵母細胞的減數分裂。減數分裂進行時,同大染色體(一對匹配的染色體)可能會染色體互換,由此產生與父母方都不完全一樣,不是完全繼承父母方的新染色體。生殖細胞(精子與卵)受精后,一個新生命(具有兩套染色體)誕生。
  某些生物是多倍體,體細胞有三套甚至更多套染色體

原核生物

  一般而言,原核生物物種的染色體可以進行復制,但大多數細胞容易存活多份。在真核生物中,質粒和質粒象小染色體一樣,很變數拷貝數。

各種生物的染色體數

  
  每一種生物的染色體數是恒定的。多數高等動植物是二倍體(diploid),也就是說,每一身體細胞中有玉米的染色體人類的染色體兩組同樣的染色體(有時與性別直接有關的染色體,即性染色體,可以不成對)。親本的每一配子帶有一組染色體,叫做單倍體(haploid),用n來表示。兩個配子結合后,具有兩組染色體,叫做二倍體,用2n表示。例如玉米的二倍體染色體數是20(2n=20),即有10對染色體,如圖→。人的染色體數是46(2n=46),即有23對染色體,如圖←。但多數微生物的營養體是單倍體,例如鏈孢霉的單倍體染色體數是7 。
  通名 學名 二倍體數
  動物
  人類 Homo sapiens 46
  金絲猴 Rhinopithecus rhinopithecus
  roxellanae 44
  彌猴 Macacamalatta 42
  黃牛 Bostaurus 60
  豬 Susscrofa 40
  狗 Cantis familiaris 78
  貓 Felis domesticus 38
  馬 Equus Calibus 64
  驢 Equus asinus 62
  山羊 Capara hircus 60
  綿羊 Ovis aries 54
  小家鼠 Mus musculus 40
  大家鼠 Rattus norvegicus 42
  水貂 Mustela vison 30
  豚鼠 Cavia cobaya 64
  兔 Oryctolagus cuniculus 44
  家鴿 Columba livia domesticus 約80
  雞 Gallus domesticus 約78
  火雞 Meleagris gallopavo 約80
  鴨 Anas platyrhyncho 約80
  家蠶 Bombyx mori 56
  家蠅 Musca domestica 12
  果蠅 Drosophila melanogaster 8
  蜜蜂 Apis mellifera ♀32♂16
  蚊 Culex pipiens 6
  佛蝗 Phlaeobainfumata ♀24♂23
  淡水水螅 Hydra vulgaris attenuata 32
  植物
  洋蔥 Alliumcepa 16
  大麥 Hordeum uulgare 14
  水稻 Oryza sativa 24
  小麥 Triticum vulgare 42
  玉米 Zea mays 20
  金魚草 Antirrhinum majus 16
  陸地棉 Gossypium hirsutum 52
  中棉 Gossypium arboreum 26
  豌豆 Pisum sativum 14
  香豌豆 Lathyrus odoratus 14
  蠶豆 Vicia faba 12
  菜豆 phaseolus vulgaris 22
  向日葵 Helianthusannuus 34
  煙草 Nicotiana taldcum 48
  番茄 Solanum lycopersicum 24
  松 Pinus species 24
  青菜 Brassica chinensis 20
  甘藍 Brassica oleracea 18
  月見草 Oenothera biennis 14
  微生物
  鏈孢霉 Neurospora crassa 7
  青霉菌 Penicillium species 4
  曲霉 Aspergillus nidulans 8
  衣藻 Chlamydomonas reinhardi 16
  面包酵母 Saccharomyces cerevisiae 17

歷史

  1879年,由德國生物學家弗萊明(Alther Flemming,1843~1905年)經過實驗發現。
  1883年美國學者提出了遺傳基因在染色體上的學說。
  染色體1888年正式被命名為染色體。
  1902年,美國生物學家薩頓和鮑維裡通過觀察細胞的減數分裂時又發現染色體是成對的,并推測基因位于染色體上。
  1928年摩爾根證實了染色體是遺傳基因的載體,從而獲得了生理醫學諾貝爾獎。
  1956年蔣有興(Joe Hin Tjio)等人明確了人類每個細胞有46條染色體,46條染色體按其大小、形態配成23對,第一對到第二十二對叫做常染色體,為男女共有,第二十三對是一對性染色體。

三個關鍵元素

前言

  染色體(variation)要確保在細胞世代中保持穩定,必須具有自主復制、保證復制的完整性、遺傳物質能夠平均分配的能力,與這些能力相關的結構序列是:

1.自主復制DNA序列

  20世紀70年代末首次在酵母中發現。自主復制DNA序列具有一個復制起始點,能確保染色體在細胞周期中能夠自我復制,從而保證染色體在世代傳遞中具有穩定性和連續性。

2.著絲粒DNA序列

  著絲粒DNA序列與染色體的分離有關。著絲粒DNA序列能確保染色體在細胞分裂時能被平均分配到2個子細胞中去。
  著絲粒DNA序列特點:(1)一方面在所有的真核生物中它們的功能是高度保守的,另一方面即使在親緣關系非常相近的物種之間它們的序列也是多樣的。(2)絕大多數生物的著絲粒都是由高度重復的串聯序列構成的,然而,在著絲粒的核心區域,重復序列的移除,擴增以及突變發生的非常頻繁,目前的種種研究表明,重復序列并不是著絲粒活性所必須的。(3)有些科學家提出了可能是DNA的二級結構甚至是高級結構是決定著絲粒位置和功能的因素。即功能的序列無關性。

3.端粒DNA序列

  為一段短的正向重復序列,在人類為TTAGGG的高度重復序列。端粒DNA功能是保證染色體的獨立性和遺傳穩定性。
  染色體的分裂分叁種;一是母鐘分裂,這個一般發生在受精卵的早期,人類具體就是從一條受精卵分裂為個體的23對染色體的過程,意思是按照母體藍圖進行子代分裂,被分裂的23對染色體分別可以造出各種組織器官,如果第一條是造肝的,那么它上面的所有造肝的基因片段都被開啟,相反其它器官的制造信息都被關閉,這個過程母體藍圖染色體要分裂4次(按幾何級數分裂);二是子鐘分裂,按照母體藍圖分裂的23對人類染色體已經在“母鐘分裂”過程中分別被開啟,它們各自按照各自的“子代藍圖”進行下面造器官的分裂,一個個有機的器官從此被造出,并且開始發揮各自的功能,這個過程子體藍圖染色體要分裂24次(個物種染色體的不同,其分裂的次數也不同,不過一個總的原則是按染色體數分裂),在24次分裂后,一個完整的人體就被造出來;三是孫鐘分裂,一個獨立的人體,在生長發育的過程中,還有一些器質性和功能性的東西沒有出現,所以必須再開啟,進行再分裂。比如七歲兒童脫牙,十多歲少年具有生育能力,有些遺傳病到一定時候的發作,等等。
  分裂期的染色體對應三種分裂,必須有三種控制分裂發生的手段。母鐘分裂是“端點(又叫端粒)控制體系”,這種分裂的原始觸發點在外界,比如飄蕩在空氣中的細菌,它只要沒有接觸食物或易感物,就永遠是不產生分裂的原命(見百度詞條“雙命”),一旦接觸,在端點的作用下就開始母鐘分裂。子鐘分裂是受制于子鐘染色體的端點,與外界刺激無關。孫鐘染色體分裂受制于染色體外相對應的一些蛋白質,它們的功能僅僅是到一定時間將這個包含某信息的片段開啟。
  依此看來,染色體就是人體的生物鐘。所以我們將第一條受精卵叫“母鐘”,將母鐘分裂出來的23對染色體叫子鐘,將23對染色體造出的各種組織器官所包含的染色體叫“孫鐘”,改變子鐘孫鐘的染色體都不可以改變遺傳,只有改變母鐘的基因才可以造成“變異”。
  染色體可以攜帶“遺傳基因”但是不能傳遞“開啟信息”,開啟某個基因段的所有信息都是通過染色體端點或染色體外的蛋白質發揮作用才完成分裂或復制的。分裂是染色體整體的,復制是染色體某個基因片段的。

性染色體的發現

  遺傳的染色體學說的證據來自于這樣的實驗,一些特殊基因的遺傳行為和性染色體(sex chromosome)傳遞的關系。性染色體在高等真核生物的兩種性別中是不同的。性染色體的發現為Sutton-Boveri的學說提供了一個實驗證據。
  在孟德爾以前(1891年)德國的細胞學家亨金(Henking,H)曾經用半翅目的昆蟲蝽做實驗,發現減數分裂中雄體細胞中含11對染色體和一條不配對的單條染色體,在第一次減數分裂時,它移向一極,亨金無以為名,就稱其為“X”染色體。后來在其它物種的雄體中也發現了“X”染色體。
  1900年麥克朗(McClung, C.E)等就發現了決定性別的染色體。他們采用的材料多為蚱蜢和其它直翅目昆蟲。1902年麥克朗發現了一種特殊的染色體,稱為副染色體(accessory chromosome)。在受精時,它決定昆蟲的性別。1906年威爾遜(Wilson, E.B)觀察到另一種半翅目昆蟲(Proteror)的雌體有6對染色體,而雄性只有5對,另外加一條不配對的染色體,威爾遜稱其為X染色體,其實雌性是有一對性染色體,雄性為XO型。
  在1905年斯蒂文斯(Stevens, N)發現擬步行蟲屬(Tenebrio molitor)中的一種甲蟲雌雄個體的染色體數目是相同的,但在雄性中有一對是異源的,大小不同,其中有一條雌性中也有,但是是成對的;另一染色體條雌性中怎么也找不到,斯蒂文斯就稱之為Y染色體。在黑腹果蠅中也發現了相同的情況,果蠅共有4對染色體,在雄性中有一對是異形的染色體。在1914年塞勒(Seiler,J)證明了在雄蛾中染色體都是同形的,而在雌蛾中有一對異形染色體。他們根據異形染色體的存在和性別的相關性,發現了性染色體,現在已完全證實了他們的推論是完全正確的。嚴格地說異形染色體的存在僅是一條線索,而不是證據,不能因為存在異形染色體,就表明其為性染色體。一定要通過實驗證明這條染色體上存在決定性別的主要基因,方能定論。

揭開X-染色體的神秘面紗

  2005年3月17日,在Nature雜志上發表的一篇文章宣告基本完成對人類X染色體的全面分析。對X染色體的詳細測序是英國Wellcome Trust Sanger研究中心領導下世界各地多所著名學院超過250位基因組研究人員共同完成的,是人類基因組計畫的一部分。
  從屬于NIH的美國國家人類基因組研究院的負責人弗朗西絲。柯林斯博士(Francis S. Collins, Ph.D)表示“對X染色體的詳細研究成果代表了生物學和醫藥學領域進展的一個新的裡程碑。新的研究確認了X染色體上有1098個蛋白質編碼基因–有趣的是,這1098個基因中只有54個在對應的Y染色體上有相應功能。….[詳細]
  染色體上的基因染色體研究是臨床遺傳學研究的基礎。測序結果表明X染色體包涵多達1100種基因。但另人吃驚的是,與之相關的疾病也有百余種,如X染色體易碎癥、血友病、孤獨癥、肥胖肌肉萎縮病和白血病等。看來這條染色體決不容小視!
  X染色體對應的另一半就是Y染色體。人類Y染色體的測序工作也已經完成,并且發現它并沒有人們之前想象的那樣脆弱。Y染色體上有一個“睪丸”決定基因則對性別決定至關重要。目前已經知道的與Y染色體有關的疾病有十幾種。

染色體及染色體相關疾病

  如果將人類基因組比作一本厚重的書,這本書則由23章組成,而每章都有它自己的故事。到目前為止,已經完成基因測序的常染色體還包括5、6、7、9、10、13、14、16、19、20、21、22染色體。染色體疾病的特點是大段的基因缺損或重復而使患者的智力和面板發育甚至身體多個器官發生明顯異常,如唐氏綜合征和微缺損癥。

基因組測序研究的新進展

  基因組研究以國際人類基因組計畫為代表,是當今生物技術研究的“熱中之熱”。人類基因組草圖的完成宣告了一個新時代——后基因組時代的到來。目前已經完成基因組測序的動物還有秀麗線蟲(1998年)、果蠅(2000年)、狗(2004年)和小雞(2004年)等。我國研究人員獨立完成了水稻、家蠶、雞、吸血蟲、羊等物種的全基因組測序工作。

什么是染色體檢查 ?

  染色體檢查是用外周血在細胞生長刺激因子——植物凝集素(PHA)作用下經37℃,72小時培養,獲得大量分裂細胞,然后加入秋水仙素使進行分裂的細胞停止于分裂中期,以便染色體的觀察;再經低滲膨脹細胞,減少染色體間的相互纏繞和重疊,最后用甲醇和冰醋酸將細胞固定于載玻片上,在顯微鏡下觀察染色體的結構和數量。正常男性的染色體核型為44條常染色體加2條性染色體X和Y,檢查報告中常用46,XY來表示。正常女性的常染色體與男性相同,性染色體為2條XX,常用46,XX表示。46表示染色體的總數目,大于或小于46都屬于染色體的數目異常。缺失的性染色體常用O來表示。

染色體檢查的臨床適應癥

一、生殖功能障礙者

  在不孕癥、多發性流產和畸胎等有生殖功能障礙的婦夫中至少有7%~10%是染色體異常的攜帶者。常見的有染色體結構異常如平衡易位和倒位以及數量異常如由于女性少一條X染色體造成的45,XO,或多一條Y染色體造成的47XXY。平衡易位和倒位由于無基因的丟失,攜帶者本身常并不發病,卻可因其生殖細胞染色體異常而造成不孕癥、流產和畸胎等生殖功能障礙。性染色體數目異常除可造成不孕外,還常出現第二性征異常。

二、第二性征異常者

  常見于女性,如有原發性閉經、性發育不良,伴身材矮小、肘外翻、盾狀胸和智力稍有低下,陰毛、腋毛少或缺如,后發際低,不育等,應考慮是否有X染色體異常。常見的X染色體異常有特納氏綜合征和環形X染色體。特納氏綜合征患者比正常女性少一條X染色體,其染色體核型為:45,XO。環形X染色體患者由于某種原因使X染色體兩端同時出現斷裂,并在斷裂部位重接形成,環形染色體越小臨床癥狀越重。早期發現這些異常并給予適當的治療可使第二性征得到一定程度地改善,也可能獲得染色體結構圖生育能力。

三、外生殖器兩性畸形者

  對于外生殖器分化模糊,如陰莖伴尿道下裂,陰蒂肥大呈陰莖樣,根據生殖器面板常難以正確決定性別的患者,通過性染色體的檢查有助于做出明確診斷。根據染色體檢查結果和臨床其它檢查,兩性畸形可分為真兩性畸形、假兩性畸形、性逆轉綜合征等幾種不同情況。
  1.真兩性畸形:內生殖器同時存在著兩性的特征,即體內同時存在睪丸、輸精管和卵巢、輸卵管。染色體檢查表現為兩種類型:1、46,XX/46,XY,即一個機體記憶體在著兩個細胞系,每種細胞的比例決定性別取向,產生的原因:X精子和Y精子同時與兩個卵子受精后融合,或X精子和Y精子同時與卵細胞和剛形成、尚未排出卵外的極體分別受精所致。2、核型是46,XX,但是Y染色體的某些基因或片段易位于X染色體上,或常染色體基因突變而具有Y染色體的功能。
  2.假兩性畸形:有進一步分為女假兩性畸形和男假兩性畸形。女假兩性畸形內生殖器表現為女性,有子宮、卵巢、輸卵管,染色體檢查為46,XX。男性假兩性畸形內生殖器表現為男性即性腺是睪丸,染色體核型是46,XY。
  3.性逆轉綜合征:即染色體核型與表型相反,例如核型是女性核型46,XX,但表型卻似男性;或核型是男性核型46,XY,但表型卻似女性。46,XX男性的主要臨床表現有睪丸發育不良,隱睪,陰莖有尿道下裂,精子少或無精子,可有喉節、胡須。腋毛稀疏,群體發病率:1/2萬。46,XY女性的主要臨床表現有身材較高,卵巢為條索狀,無子宮,盲端陰道,原發性閉經,乳房不發育。

四、先天畸形和智力低下的患兒及其父母

  染色體病的特點就是多發性畸形和智力低下,常見臨床特征有,頭小、毛發稀而細、眼距寬、耳位低、短頸、鼻塌而短、外生殖器發育不良、腭裂、肌張低下或亢進、顛癇、通貫掌、肛門閉鎖、身材矮小、發育遲緩、眼裂小、發際低、持續性新生兒黃疸及明顯的青斑、眼瞼下垂、心臟畸形、腎臟畸形、虹膜或視網膜缺損等。染色體檢查可發現有21-三體綜合征等異常。

五、性情異常者

  身材高大、性情兇猛和有攻擊性行為的男性,有些可能為性染色體異常者。如XYY綜合征,染色體檢查表現為比正常男性多一條Y染色體,染色體核型表現為47,XYY。患者多數表型正常,即健康情況良好,常有生育能力,但子代男性中同樣為47,XYY的機會大于正常人群。該病的發病率占一般男性人群的1/750。男性如出現身材修長、四肢細長、陰莖小、睪丸發不發育和精液中無精子者,有時還可以伴有智力異常,應通過染色體檢查確定是否患有可氏綜合癥,該病患者比正常男性多一條X染色體,染色體核型表現為原`原47,XXY。其發病率在一般男性中為1/800,在男性精神發育不全者中為1%,而在男性不孕者中可高達1/10。

六、接觸過有害物質者

  輻射、化學藥物、病毒等可以引起染色體的斷裂,如果染色體裂后原來的片段未在原來的位置上重接,將形成各種結構異常的染色體,如缺失、易位、倒位、重復、環形染色體等,這些畸變如發生在體細胞可以引起一些相應的疾病,例如腫瘤。如畸變發生在生殖細胞就發生遺傳效應,殃及子代,可以引起流產、死胎、畸形兒。

七、婚前檢查

  婚前檢查可以發現表型正常的異常染色體攜帶者,如染色體平衡易位、倒位,染色體的平衡易位和倒位由于基因不丟失而表型正常,但極易引起流產、畸胎、死胎,盲目保胎會引起畸形兒的出生率增加。婚前檢查還可以發現表形基本正常,但性染色體異常者,這些患者可表現為性功能障礙、無生育能力等。因此,婚前檢查對優生優育有著重要的意義。

八、白血病及其它腫瘤患者

  白血病及其它腫瘤時出現的染色體異常可使血細胞的癌基因表達,使血細胞無控制的惡性生長。不同的白血病常有各自的特征性染色體異常,因此染色體檢查有助于白血病的診斷和預后判定。
  1.慢性粒細胞白血病:Ph染色體是其標記染色體,由9號和22號染色體部份片段相互易位形成的。Ph染色體的出現為慢性粒細胞白血病的確診指標,治療過程中Ph染色體的出現或消失,還可作為療效和愈后的參考指標。
  2.急性非淋巴細胞白血病:染色體改變主要為8號和21號染色體相互易位,以及15號和17號染色體相互易位,形成4條異常染色體,并且增加一條12號染色體。
  3.急淋巴細胞白血病:染色體檢查可發現8號和14號染色體相互易位,4號和11號染色體相互易位,9號和22號染色體相互易位形成的6條異常染色體并增加一條21號染色體。

染色體與遺傳學

  由于Y染色體的特殊性,在分子人類學等諸多新進人類學分支上也作為了一種尋找世系的手段,例如Y-SNP,Y-STR檢測等,目前在這方面國內比較權威的有上海復旦大學李輝博士,文波、金力先生等人。

染色體現代遺傳理論的奠基人——摩爾根

簡介

  1866年9月25日出生在Kentucky州的Lexington。在Kentucky放立
  學院接受教育。他在Johns Hopkins學院研究胚胎學,并獲得博士。摩爾根自幼熱愛大自然。童年時代即漫遊了肯塔基州和馬裡蘭州的大部分山村和田野,還曾經和美國地質勘探隊進山區實地考察,采集化石。14歲(1880年)時,考進肯塔基州立學院 (現為州立大學)預科,兩年后升入大學部。1886年春以優異成績獲得動物學學士學位,同年秋天,進入霍普金斯大學學習研究生課程。報到前,摩爾根曾在馬薩諸塞州安尼斯奎姆的一家暑期學校中接受短期訓練,學到了不少海洋無脊椎動物知識和基本實驗技術。讀研究生期間,系統地學習了普通生物學、解剖學、生理學、 形態學和胚胎學課程,并在布魯克斯(W·K·Brooks,1848-1908)指導下從事海蜘蛛的研究。1888年,摩爾根的母校肯塔基州立學院對摩爾 根進行考核后,授予他碩士學位和自然史教授資格,但摩爾根沒有應聘,繼續攻讀博士學位。1890年春,摩爾根完成“論海蜘蛛”的博士論文,獲霍普金斯大學博士學位。1891年秋,摩爾根受聘于布林馬爾學院,任生物學副教授,1895年升為正教授,從事實驗胚胎學和再生問題的研究。1903年摩爾根應威爾遜之邀赴哥倫比亞大學任實驗動物學教授。從1904年到1928年,摩爾根建立了以果蠅為實驗材料的研究室,從事進化和遺傳方面的工作。1928年,62歲 的摩爾根不甘心頤養天年的清閑生活,應聘為帕薩迪納加州理工學院的生物學部主任。他將原在哥倫比亞大學工作時的骨干布裡奇斯、斯圖蒂文特和杜布贊斯基(T·H·Dobzhansky,1900-1975)再次組織在一起,重建了一個遺傳學研究中心,繼續從事遺傳學及發育、分化問題的研究。1945年 12月4日,因動脈破裂,摩爾根在帕薩迪納逝世,享年78歲。

蠅室裡的發現

  在攻讀博士研究生期間和獲得博士學位后的10多年裡,摩爾根主要從事實驗胚胎學的研究。1900年,孟德爾逝世16年后,他的遺傳學說才又被人們重新發現。摩爾根也逐漸將研究方向轉到了遺傳學領域。摩爾根起初很相信這些定律,因為它們是建立在堅實的實驗基礎上的。但后來,許多問題使摩爾根越來越懷疑孟德爾的理論,他曾用白腹黃側的家鼠與野生型雜交,得到的結果五花八門。但與此同時,德弗裡斯的突變論卻越來越使他感到滿意,他開始用果蠅進行誘發突變的實驗。他的實驗室被同事戲稱為“蠅室”,裡面除了幾張舊桌子外,就是培養了千千萬萬只果蠅的幾千個牛奶罐。1910年5月,這裡產生了一只奇特的雄蠅,它的眼睛不像同胞姊妹那樣是紅色,而是白的。這顯然是個突變體,注定會成為科學史上最著名的昆蟲。這時摩爾根家裡正好添了第三個孩子,當他去醫院見他妻子時,他妻子的第一句話就是“那只白眼果蠅怎么樣了?”他的第三個孩子長得很好,而那只白眼雄果蠅卻長得很虛弱。摩爾根極為珍惜這只果蠅,將它裝在瓶子裡,睡覺時放在身旁,白天又帶回實驗室。它這樣養精蓄銳,終于同一只正常的紅眼雌蠅交配以后才死去,留下了突變基因,以后繁衍成一個大家系。
  這個家系的子一代全是紅眼的,顯然紅對白來說,表現為顯性,正合孟德爾的實驗結果,摩爾根不覺暗暗地吃了一驚。他又使子一代交配,結果發現了子二代中的紅、白果蠅的比例正好是3:1,這也是孟德爾的研究結果,于是摩爾根對孟德爾更加佩服了。
  摩爾根決心沿著這條線索追下去,看看動物到底是怎樣遺傳的。他進一步觀察,發現子二代的白眼果蠅全是雄性,這說明性狀(白)的性別(雄)的因子是連鎖在一起的,而細胞分裂時,染色體先由一變二,可見能夠遺傳性狀,性別的基因就在染色體上,它通過細胞分裂一代代地傳下去。
  染色體就是基因的載體!摩爾根和他的學生還推算出了各種基因的染色體上的位置,并畫出了果蠅的4對染色體上的基因所排列的位置圖。基因學說從此誕生了,男女性別之謎也終于被揭開了。從此遺傳學結束了空想時代,重大發現接踵而至,并成為20世紀最為活躍的研究領域。為此,摩爾根榮獲了1933年諾貝爾生理學及醫學獎。他是霍普金斯大學、也是美國的第一位諾貝爾生理學及醫學獎得主;也是第二位因遺傳學研究成果而榮獲諾貝爾獎的科學家。

研究經歷

  在1910年5月,在摩爾根的實驗室中誕生了一只白眼雄果蠅。摩爾根把它帶回家中,把它放在床邊的一只瓶子中,白天把它帶回實驗室,不久他把這只果蠅與另一只紅眼雌果蠅進行交配,在下一代果蠅中產生了全是紅眼的果蠅,一共是1240只。后來摩爾根讓一只白眼雌果蠅與一只正常的雄果蠅交配。卻在其后代中得到一半是紅眼、一半是白眼的雄果蠅,而雌果蠅中卻沒有白眼,全部雌性都長有正常的紅眼睛。摩爾根對此現象如何解釋呢?他說:“眼睛的顏色基因(R)與性別決定的基因是結在一起的,即在X染色體上。”或者像我們現在所說那樣是鏈鎖的,那樣得到一條既帶有白眼基因的X染色體,又有一條Y染色體的話,即發育為白眼雄果蠅。
  摩爾根及其同事、學生用果蠅做實驗材料。到1925年已經在這個小生物身上發現它有四對染色體,并鑒定了約100個不同的基因。并且由交配試驗而確定鏈鎖的程度,可以用來測量染色體上基因間的距離。1911年他提出了“染色體遺傳理論”。果蠅給摩爾根的研究帶來如此巨大的成功,以致后來有人說這種果蠅是上帝專門為摩爾根創造的。摩爾根發現,代表生物遺傳秘密的基因的確存在于生殖細胞的染色體上。而且,他還發現,基因在每條染色體內是直線排列的。
  染色體可以自由組合,而排在一條染色體上的基因是不能自由組合的。摩爾根把這種特點稱為基因的“連鎖”。摩爾根在長期的試驗中發現,由于同源染色體的斷離與結合,而產生了基因的互相交換。不過交換的情況很少,只占1%。連鎖和交換定律,是摩爾根發現的遺傳第三定律。他于20世紀20年代創立了著名的基因學說,揭示了基因是組成染色體的遺傳單位,它能控制遺傳性狀的發育,也是突變、重組、交換的基本單位。但基因到底是由什么物質組成的?這在當時還是個謎。1933年,摩爾根獲得諾貝爾生理醫學獎。

發現過程

  在霍普金斯大學讀書和留校任教的歲月裡,摩爾根始終保持著對生物學界進展的高度關心。當1900年孟德爾的遺傳學研究被重新發現后,不斷有遺傳學的新訊息傳到摩爾根的耳朵裡。摩爾根一開始對孟德爾的學說和染色體理論表示懷疑。他提出一個非常尖銳的問題:生物的性別鐵定是由基因控制的。那么,決定性別的基因是顯性的,還是隱性的?不論怎樣回答,都會面對一個難以收拾的局面,在自然界中大多數生物的兩性個體比例是1:1,而不論性別基因是顯性還是隱性,都不會得出這樣的比例。為了檢驗孟德爾定律,摩爾根曾親自做了實驗,他用家鼠與野生老鼠雜交,得到的結果五花八門,根本無法用定律解釋;而且,關于染色體上有基因的說法,當時還只是猜測,用猜測的理論來解釋孟德爾的遺傳學說,堅持“一切通過實驗”原則的摩爾根認為那是不可信的。懷疑歸懷疑,摩爾根依然在自己的實驗室裡忙碌著。1908年,他開始用果蠅作為實驗材料,研究生物遺傳性狀中的突變現象。果蠅屬于蒼蠅一類,但是比我們日常看到的蒼蠅要小,體長不過半厘米,一個牛奶瓶中就可以裝成百上千只。果蠅喜歡吃腐爛的水果,所以人們在夏日的水果攤前可以看到它們的身影,它們的名字也由此而來。作為實驗材料,果蠅飼養容易,一點點香蕉漿就可以讓它們飽食終日;果蠅繁殖力強,1天時間卵即可孵化為蛆,2到3天變成蛹,再過5天羽化為成蟲,一年可以繁殖30代;果蠅細胞內的染色體很簡單,只有4對8條,清晰可辨。果蠅的快速繁殖讓實驗室附近的居民遇到了一個怪現象,他們放在家門口的牛奶瓶經常會丟失。那么多的牛奶瓶跑到哪裡去了?原來,為了裝下大量的果蠅摩爾根和他的研究生有時也做“梁上君子”,去偷附近居民的牛奶瓶。
  第一批果蠅被摩爾根“關了禁閉”,他讓手下的一名研究生在黑暗的環境裡飼養果蠅,希望出現由于果蠅長期不用眼睛,使它們的視力逐漸消失,甚至眼睛萎縮或移位的品種。雖然連續繁殖了69代,始終不見天日的果蠅還是瞪著眼睛。第69代果蠅剛羽化出來時,一時睜不開眼睛,那個研究生興奮地叫摩爾根過來看。還沒等兩人為實驗成功擊掌歡呼,那些果蠅便還原了常態,大搖大擺地向視窗飛去,留下目瞪口呆的師徒二人。像這樣一敗涂地的實驗,摩爾根做過許多次。他經常幾十個實驗同時進行,不出他所料,許多實驗都走入了死胡同。有時摩爾根自嘲說,他搞的實驗可以分成三類:第一類是愚蠢的實驗,第二類是蠢得要命的實驗,還有一類比第二類更蠢的實驗。雖然頻頻失敗,但是摩爾根屢敗屢戰,因為他知道,在科學研究中,只要出現一個有意義的實驗,所有付出的勞動就都得到了報償。
  果然,關于果蠅的另一項實驗最終轟動了全世界。這批果蠅遭到了摩爾根的“嚴刑拷打”,使用X光照射、雷射照射,用不同的溫度,加糖、加鹽、加酸、加堿,甚至不讓果蠅睡覺。各種手段都使用了,目的是誘發果蠅發生突變。一晃兩年過去了,1910年摩爾根的一位朋友來拜訪他,摩爾根面對實驗室中一排排的果蠅實驗瓶,略帶傷感地慨嘆:“兩年的辛苦白費了。過去兩年我一直在喂果蠅,但是一無所獲。”有時希望總在絕望的時候誕生,1910年5月,摩爾根在紅眼的果蠅群中發現了一只異常的白眼雄性果蠅。他以前從來沒有見過這樣的類型,因此這只果蠅是罕見的突變品種。 摩爾根激動萬分,將這只寶貝果蠅放在單獨的瓶子中飼養。每天晚上,摩爾根帶著這只果蠅回家,睡覺時將實驗瓶放在身邊,白天又帶著它去上班,生怕果蠅出現意外。在他的精心照料下,原本虛弱的白眼果蠅終于在與一只紅眼雌性果蠅交配后才壽終正寢,將突變的基因留給了下一代果蠅,留給了苦心栽培它的摩爾根。十天后,第一代雜交果蠅長大了,全部是紅眼果蠅。不要為白眼基因的缺席擔心,按照孟德爾的學說,紅眼基因相對白眼基因是顯性,因此珍貴的突變基因只是躲到了后臺。摩爾根當然不會放過檢驗前人理論的機會,他用第一代雜交果蠅互相交配,產生第二代雜交果蠅。焦急地等待了十天,摩爾根得到了第二代雜交果蠅,其中有3470個紅眼的,782個白眼的,基本符合3:1的比例。這下,摩爾根對孟德爾真正服氣了,實驗結果完全符合孟德爾從豌豆中總結出的規律。當摩爾根坐在顯微鏡旁邊,再次定睛觀察這些瞪著白眼的果蠅時,他發現了一個不同于孟德爾規律的現象。按照孟德爾的自由組合規律,那些長著白眼的果蠅,它們的性別應當是有雄性的,也有雌性的。然而這些白眼果蠅居然全部是雄性,沒有一只是雌性的。也就是說,突變出來的白眼基因伴隨著雄性個體遺傳。摩爾根終于從果蠅身上看到了孟德爾在豌豆上觀察不到的現象。對特殊現象的解釋,就是建立新的定律。摩爾根知道,果蠅的4對染色體中,有一對是決定性別的。其中雌性果蠅中的兩條性染色體完全一樣,記為XX染色體;雄性果蠅中的性染色體一大一小,記為XY染色體。摩爾根判斷,白眼基因位于X染色體上。
  因此,當他的那只寶貝白眼果蠅與正常的紅眼果蠅交配后,由于紅眼是顯性基因,因此后代不論雌雄,都是紅眼果蠅;當第二次進行雜交時,體內含有白眼基因的雌性紅眼果蠅與正常的雄性紅眼果蠅交配,就會出現含白眼基因的一條X染色體與一條Y染色體結合,生成第二代雜交果蠅中的白眼類型,而且都是雄性的。摩爾根把這種白眼基因跟隨X染色體遺傳的現象,叫做“連鎖”,兩類基因——白眼基因和決定性別的基因——好像鎖鏈一樣鉸合在一起,在細胞中的染色體對分裂時一同行動,組合時也一同與另外的染色體結合。 發現突變的白眼果蠅,花費了摩爾根和他的學生整整兩年的時光。而第一個突變果蠅發現后,另外的突變類型便接踵而至。在幾個月內,他們又發現了四種眼色突變,例如果蠅中出現了粉紅眼,這個形狀的分離和組合與性別無關,也與白眼基因無關,顯然粉紅眼基因位于另外的染色體上,而且不在性染色體上;朱砂眼果蠅的遺傳特點與白眼果蠅完全一致,也是伴性遺傳的,說明兩個基因都位于X染色體上。 摩爾根的學生發現了一種突變性狀——果蠅的小翅基因,給摩爾根新創立的理論帶來了挑戰。這種突變基因是伴性遺傳的,與白眼基因一樣位于X染色體。但是當染色體配對時,這兩個基因有時卻并不像是連鎖在一起的。例如,攜帶白眼基因與小翅基因的果蠅,根據連鎖原理,產生的下一代應該只有兩種類型,要么是白眼小翅的,要么是紅眼正常翅的。但是摩爾根卻發現,還出現了一些白眼正常翅和紅眼小翅的類型。又需要解釋現象了。摩爾 根提出,染色體上的基因連鎖群并不像鐵鏈一樣牢靠,有時染色體也會發生斷裂,甚至與另一條染色體互換部分基因。兩個基因在染色體上的位置距離越遠,它們之間出現變故的可能性就越大,染色體交換基因的頻率就越大。白眼基因與小翅基因雖然同在一條染色體上,但是相距較遠,因此當染色體彼此互換部分基因時,果蠅產生的后代中就會出現新的類型。這就是“互換”定律。