燈刷染色體在遺傳學(xué)教學(xué)中的思考范文

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《遺傳雜志》2015年第十二期

摘要:

燈刷染色體是存在于除哺乳動(dòng)物以外幾乎所有動(dòng)物雌配子減數(shù)分裂第一次分裂雙線期的一種暫時(shí)性巨大轉(zhuǎn)錄體，因狀如燈刷而得名，但在細(xì)胞遺傳學(xué)三大經(jīng)典染色體研究中關(guān)注度最低。它是研究減數(shù)分裂時(shí)期染色體的結(jié)構(gòu)、組織形式、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄過程的好材料。本文一方面對(duì)以上研究及形成機(jī)制作一簡(jiǎn)要綜述，另一方面探討燈刷染色體可能的作用，也即從已有文獻(xiàn)表明卵細(xì)胞核的燈刷染色體或多倍化為相關(guān)生物胚胎發(fā)育提供足夠的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。最后探討將其作為一個(gè)案例用于遺傳學(xué)教學(xué)的可能性，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)遺傳學(xué)的興趣。

關(guān)鍵詞:

遺傳學(xué)；細(xì)胞遺傳學(xué)；燈刷染色體；研究進(jìn)展；遺傳學(xué)教學(xué)

遺傳學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域中一門兼具理論性和實(shí)驗(yàn)性的基礎(chǔ)性學(xué)科之一，從遺傳學(xué)發(fā)展史上可以清楚地看到一系列經(jīng)典的研究案例對(duì)遺傳學(xué)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用[1]，賦予遺傳學(xué)新的內(nèi)容，使遺傳學(xué)理論不斷地完善和提高，從而在更高水平指導(dǎo)遺傳學(xué)的發(fā)展。例如果蠅和豌豆因其豐富的表型在性狀遺傳研究上成為經(jīng)典研究案例，奠定了遺傳學(xué)的初創(chuàng)和發(fā)展；唾腺染色體和燈刷染色體因其形體的巨大性和特異的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了細(xì)胞遺傳學(xué)的發(fā)展；以噬菌體為材料促進(jìn)了生化和分子遺傳學(xué)的發(fā)展；以大腸桿菌為材料的研究揭示了原核表達(dá)調(diào)控的機(jī)制；以擬南芥和水稻為材料解析了植物基因組的特點(diǎn)并促進(jìn)了植物功能基因組學(xué)的研究[2,3]。這些案例還有很多，限于篇幅不一一枚舉。不過，關(guān)于遺傳學(xué)發(fā)展史上經(jīng)典案例的研究和關(guān)注并不平衡。例如在細(xì)胞遺傳學(xué)三大經(jīng)典染色體的研究中，關(guān)于唾腺染色體和巴氏小體的研究很多，而燈刷染色體(Lampbrushchromosomes,LBCs)的關(guān)注度較低。盡管LBCs因擁有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的正在轉(zhuǎn)錄的單位而具有了結(jié)構(gòu)的巨大性，但在過去的130多年中公開發(fā)表的文獻(xiàn)僅有350多篇（www.projects.exeter.ac.uk/lampbrush）。究其原因可能有四點(diǎn)：一是分離LBCs技術(shù)難度較大；二是所使用的儀器是顯微鏡，而不是時(shí)髦的微量移液器，導(dǎo)致學(xué)生的興趣不足；三是可用分離該染色體的典型材料不易取得，多數(shù)動(dòng)物材料都是各國(guó)重點(diǎn)保護(hù)的動(dòng)物；四是可能由于偏重理論研究，無(wú)法取得足夠的經(jīng)費(fèi)支持[4]。盡管如此，LBCs的研究仍然取得了令人興奮的成績(jī)，本文擬沿著LBCs研究的蹤跡，比較系統(tǒng)地綜述相關(guān)生物卵細(xì)胞減數(shù)分裂第一次分裂雙線期染色體的結(jié)構(gòu)、組織形式以及轉(zhuǎn)錄等相關(guān)知識(shí)。最后探討將這一被忽視的“明星染色體”案例介紹給學(xué)生，以期引導(dǎo)學(xué)生對(duì)LBCs研究的重視，激發(fā)他們學(xué)習(xí)和研究遺傳學(xué)的熱情。

1燈刷染色體的研究進(jìn)展

1882年，F(xiàn)lemming首先在蠑螈（Notophthalmusviridescens）的卵母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)[5]，十年之后，Rückert(1892)在狗鯊（Chiloscylliumpunctatum）卵母細(xì)胞中再次發(fā)現(xiàn)了Flemming所描述的結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠湫稳?9世紀(jì)的燈刷或20世紀(jì)的試管刷而命名為燈刷染色體[6]。典型的LBCs實(shí)質(zhì)上是存在于除哺乳動(dòng)物以外幾乎所有動(dòng)物（在兩棲類、鳥類和昆蟲類都有很好的研究）雌配子減數(shù)分裂第一次分裂雙線期的一種暫時(shí)性巨大轉(zhuǎn)錄體,大小可以達(dá)到5~6mm。細(xì)胞核中每個(gè)LBCs是二價(jià)體（一對(duì)同源染色體），核中有幾個(gè)二價(jià)體就有幾個(gè)LBCs，每個(gè)二價(jià)體包含四條染色單體，同源染色體通過交叉（Chiasmata）相連。它們具有獨(dú)特的染色?！獋?cè)環(huán)（Chromomere–lateralloop）結(jié)構(gòu)：染色粒串聯(lián)形成單體的主軸，是遺傳惰性區(qū)；顯著的側(cè)環(huán)結(jié)構(gòu)則為轉(zhuǎn)錄活性區(qū)，包括了成千上萬(wàn)的活性轉(zhuǎn)錄單元[7]。隨著轉(zhuǎn)錄的進(jìn)展，RNA鏈不斷延長(zhǎng)，外形呈“圣誕樹”樣結(jié)構(gòu)。除了在以上動(dòng)物的卵細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)LBCs外，在果蠅精子細(xì)胞Y染色體和植物中也有發(fā)現(xiàn)，比如在單細(xì)胞藻類（Acetabularia）中發(fā)現(xiàn)有典型的LBCs結(jié)構(gòu)[8]，其它所報(bào)道的植物L(fēng)BCs不具有典型結(jié)構(gòu)，只是一條較長(zhǎng)的染色體，周圍有絨毛狀的結(jié)構(gòu)。由于LBCs在普通光學(xué)顯微鏡下可以看到，因而它是研究基因組結(jié)構(gòu)和功能的極為理想的實(shí)驗(yàn)材料[9]。

1.1燈刷染色體的基本結(jié)構(gòu)和細(xì)胞圖在普通光學(xué)顯微鏡下，在外觀上看每一個(gè)典型的LBCs兩個(gè)同源染色體依靠幾個(gè)交叉相連，它們分別由無(wú)數(shù)致密的染色質(zhì)顆?；蛉旧４删€狀，這些顆粒之間有染色質(zhì)絲相連，在每一顆?；蛉旧Ｌ幃a(chǎn)生1到數(shù)個(gè)成對(duì)的側(cè)環(huán)，這就構(gòu)成了所謂LBCs上的“刷毛”[10]。這些環(huán)之所以成對(duì)出現(xiàn)是由于姐妹染色單體之間沒有任何聯(lián)系造成的。利用掃描電鏡或電鏡技術(shù)結(jié)合免疫技術(shù)對(duì)來(lái)自不同物種的LBCs進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)側(cè)環(huán)是以纖細(xì)的染色質(zhì)為軸，上面覆蓋了無(wú)數(shù)的核糖核蛋白（Ribonucleoprotein，RNP）顆粒。由于RNP顆粒相互聚集和沿側(cè)環(huán)軸向的卷曲會(huì)將正常狀態(tài)的側(cè)環(huán)一步一步裝配形成小顆粒、顆粒球和緊密塊狀物等更高級(jí)的側(cè)環(huán)結(jié)構(gòu)[11]，因而形成了光學(xué)顯微鏡下可見的巨大染色體。染色粒和連接它們的染色質(zhì)絲構(gòu)成了LBCs的軸，軸上最顯著的特點(diǎn)就是染色粒–側(cè)環(huán)結(jié)構(gòu)，某些有明顯特征的側(cè)環(huán)往往成為鑒定染色體特異性的界標(biāo)（Landmark），比如在兩棲類中，幾乎大部分燈刷染色體都有巨大的側(cè)環(huán)，只是位置不同，所以可以區(qū)分不同的染色體；另一類是有特異結(jié)構(gòu)的側(cè)環(huán)，分為高密度側(cè)環(huán)和塊狀側(cè)環(huán)，也存在于很多染色體不同位置中。軸上除了染色粒和側(cè)環(huán)外，還有著絲粒、端粒、球體等結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)常常出現(xiàn)在特定染色體的固定部位，成為鑒別各條染色體的界標(biāo)[11]。染色粒(Chromomere)是LBCs軸的主要成分。在配對(duì)的同源染色體中，染色體軸上染色粒的數(shù)目和分布大體相同，但形狀不很規(guī)則。在最初形成的LBCs上，單體燈刷染色體染色粒的數(shù)目可以達(dá)到5000個(gè)以上，在光鏡下染色粒大小從不可見到可見的1µm。據(jù)估算，一個(gè)有尾目的兩棲動(dòng)物L(fēng)BCs的染色粒所包含的堿基數(shù)目約5~10Mb，而側(cè)環(huán)中僅有50~150kb的DNA[10]。染色粒的數(shù)目和大小與物種和減數(shù)分裂的推進(jìn)有關(guān)，也隨側(cè)環(huán)轉(zhuǎn)錄活性而變化。隨著減數(shù)分裂的推進(jìn)，染色粒逐漸變大，數(shù)目減少。在早期的LBCs中側(cè)環(huán)轉(zhuǎn)錄活性高，這時(shí)染色粒小，數(shù)目多；隨著雙線期的推進(jìn)，側(cè)環(huán)因轉(zhuǎn)錄活性下降而回縮，染色粒彼此融合最終成一條正常的分裂期染色體[12]。側(cè)環(huán)(Lateralloop)是DNA活躍轉(zhuǎn)錄的區(qū)域，僅占整個(gè)LBCsDNA總量的0.2%~0.4%，其與染色粒的邊界序列有無(wú)特異性現(xiàn)在尚不清楚[10]。在兩棲類中，它們的長(zhǎng)度與C值呈正相關(guān)，平均長(zhǎng)度為10~15µm，長(zhǎng)的可達(dá)200~300µm，這些長(zhǎng)的側(cè)環(huán)具有染色體的特異性。多數(shù)側(cè)環(huán)上只有一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄方向可以相同或相反，利用轉(zhuǎn)錄抑制子的研究發(fā)現(xiàn)，這些轉(zhuǎn)錄多數(shù)由RNApolII啟動(dòng)。側(cè)環(huán)的產(chǎn)生并不同步，某些側(cè)環(huán)能貫穿LBCs整個(gè)發(fā)育期；有些僅在個(gè)別時(shí)期產(chǎn)生，失去轉(zhuǎn)錄活性后回縮到染色粒中。激素處理也能影響側(cè)環(huán)的伸展和回縮，這點(diǎn)與果蠅的唾腺染色體的蓬突結(jié)構(gòu)類似，其發(fā)生機(jī)制和意義有待進(jìn)一步的研究。由于轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的種類、數(shù)量和堆積狀態(tài)不同，在某些染色體軸的特定部位可以形成不同類型的側(cè)環(huán)，這成為區(qū)分不同LBCs的重要界標(biāo)[13]。LBCs的著絲粒（Centromere）有二種形態(tài)：一種是在某些兩棲類中稱為著絲粒顆粒，在鳥類中則為蛋白體（Proteinbody）,其大小形態(tài)與前后染色粒不易區(qū)分，另一種主要在兩棲類發(fā)現(xiàn)，著絲粒和其兩側(cè)相鄰的染色粒彼此融合而成染色粒棒（Chromomerebar）。先前的報(bào)道表明著絲粒顆粒和染色粒棒上均無(wú)側(cè)環(huán)，最近的報(bào)道稱某些鳥類的蛋白體有短的側(cè)環(huán)產(chǎn)生[14]。關(guān)于端粒（Telomere）的觀察主要來(lái)自鳥類，在姐妹染色單體的末端分別形成端粒環(huán)（由染色單體的末端插入鄰近的染色粒所致），通常情況下，端粒環(huán)是開放的，也存在一個(gè)插入一個(gè)開放的形式，其大小和長(zhǎng)度具種的特性。兩側(cè)無(wú)側(cè)環(huán)，雞的端粒環(huán)含有2個(gè)轉(zhuǎn)錄單元[15]，關(guān)于LBCs著絲粒和端粒可以轉(zhuǎn)錄在歐洲水蛙中也得到證實(shí)，一些串聯(lián)重復(fù)序列可以在該類結(jié)構(gòu)中大量轉(zhuǎn)錄[7]。球體（Sphereorganelles）是LBCs上另一個(gè)重要標(biāo)志，有染色體的特異性，相當(dāng)于一般染色體的次級(jí)縊痕。其直徑一般2~10µm，一般包含2~4個(gè)[10]。以上這些結(jié)構(gòu)由于在序列組成、位置、結(jié)合蛋白以及形成的高級(jí)結(jié)構(gòu)上具有染色體或種的差異，結(jié)合LBCs的長(zhǎng)度差異，現(xiàn)在已經(jīng)繪出了多種兩棲類和鳥類的LBCs細(xì)胞圖[7]；利用細(xì)菌人工染色體–熒光原位雜交（BAC–FISH）技術(shù)繪制了雞LBCs著絲粒區(qū)的精細(xì)物理圖譜[16]，以上這些工作為利用LBCs進(jìn)行基因組/雜種鑒定、精細(xì)遺傳/物理圖譜繪制、基因定位、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄機(jī)制等研究工作奠定了基礎(chǔ)。

1.2燈刷染色體的轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄進(jìn)程研究表明轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在LBCs的側(cè)環(huán)上，大量的新生轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物和相關(guān)蛋白結(jié)合，形成了光鏡下可見的RNP基質(zhì)。每個(gè)側(cè)環(huán)由1~數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)錄單位組成，所以LBCs上單個(gè)轉(zhuǎn)錄單位是可視的，這使得他們成為在結(jié)構(gòu)和分子水平上研究轉(zhuǎn)錄及其調(diào)控機(jī)制的優(yōu)異材料[17]。側(cè)環(huán)的類型因RNP基質(zhì)的大小和類型可以大致分為正常的大環(huán)型、顆粒型、球型和塊狀（Lumpy），它們都是以30nmRNP顆粒為基礎(chǔ)逐漸裝配而成，為了探明不同結(jié)構(gòu)的側(cè)環(huán)與轉(zhuǎn)錄活性的關(guān)聯(lián)，對(duì)典型的側(cè)環(huán)如球型側(cè)環(huán)利用放射自顯影、轉(zhuǎn)錄抑制子結(jié)合大分子擴(kuò)散分析技術(shù)進(jìn)行RNA合成的分析[17]，結(jié)果表明在這類側(cè)環(huán)中，存在RNA的合成；側(cè)環(huán)的延伸與轉(zhuǎn)錄活性相關(guān)，活性高的時(shí)候，側(cè)環(huán)增大，活性降低時(shí)，側(cè)環(huán)回縮到染色粒中；有的側(cè)環(huán)中存在數(shù)個(gè)不同外形的轉(zhuǎn)錄單元，這幾個(gè)轉(zhuǎn)錄單位的轉(zhuǎn)錄存在速度的差異。用RNA前體標(biāo)記物作為探針進(jìn)行原位雜交試驗(yàn)，與大環(huán)和顆粒狀的側(cè)環(huán)相比，球型側(cè)環(huán)標(biāo)記的速度和強(qiáng)度均較弱，推測(cè)不同側(cè)環(huán)可能具有相異的轉(zhuǎn)錄模式，這個(gè)問題有待進(jìn)一步闡明[18]。已有的報(bào)道表明不同側(cè)環(huán)的演化存在關(guān)聯(lián)性，這同樣也可以看作是轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控。電鏡實(shí)驗(yàn)證明了這些類型的側(cè)環(huán)都是由30nmRNP顆粒組成的；熱休克（Thermicshock）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在低溫處理下，趨于向高級(jí)側(cè)環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)展，而在高溫處理下，則趨于向去凝縮方向發(fā)展；免疫實(shí)驗(yàn)也證明側(cè)環(huán)形態(tài)的多樣性與特異蛋白存在關(guān)聯(lián)。例如在蠑螈的卵細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)一個(gè)82kD核蛋白，利用單抗進(jìn)行原位雜交試驗(yàn)表明可以和所有類型的側(cè)環(huán)結(jié)合，但是并不同步。比如，當(dāng)球狀側(cè)環(huán)被強(qiáng)烈標(biāo)記時(shí)，大環(huán)和顆粒環(huán)不被標(biāo)記，當(dāng)標(biāo)記出現(xiàn)在核質(zhì)中時(shí)，所有類型的環(huán)不被標(biāo)記，該結(jié)果初步證明了特異的蛋白與側(cè)環(huán)的結(jié)構(gòu)演變存在關(guān)聯(lián)[18]。

來(lái)自鳥類的實(shí)驗(yàn)表明，側(cè)環(huán)中一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位約長(zhǎng)1~40µm，這些被轉(zhuǎn)錄的基因包括了編碼基因和非編碼基因。一個(gè)令人吃驚的事實(shí)是一些持家基因在LBCs的轉(zhuǎn)錄是被抑制的，比如在鳥類中編碼18S、5.8S和28S的基因簇是沒有活性的，但散布的該類基因仍然可以被RNApolII轉(zhuǎn)錄而不是polI[19]。迄今為止，在兩棲類和鳥類LBCs的研究中，發(fā)現(xiàn)僅有少數(shù)單拷貝基因在此時(shí)轉(zhuǎn)錄。比如在兩棲類LBCs中，已經(jīng)證實(shí)細(xì)胞角蛋白（Cytokeratin）、核仁蛋白NO38/B23、c–myc和Eg1是轉(zhuǎn)錄的，并發(fā)現(xiàn)了它們的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物向核質(zhì)轉(zhuǎn)移[20]?；贒NA/RNA雜交技術(shù)的染色體涂抹技術(shù)（Chromosomepaintingtechnique）使大規(guī)模研究LBCs的轉(zhuǎn)錄成為可能，利用改良的該技術(shù)BAC–FISH發(fā)現(xiàn)許多鳥類LBCs單拷貝的基因可能是轉(zhuǎn)錄的。但問題是BAC克隆是大片段插入，包含了單拷貝和多拷貝的信息，所以，要驗(yàn)證更多的單拷貝的表達(dá)需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。早期的生化實(shí)驗(yàn)證明LBCs轉(zhuǎn)錄的主要是非編碼的串聯(lián)重復(fù)序列[21]，進(jìn)一步的調(diào)查是利用原位雜交實(shí)驗(yàn)證明兩棲類LBCs轉(zhuǎn)錄的主要是一些微衛(wèi)星序列。值得注意的是來(lái)自鳥類的研究結(jié)果，如果出現(xiàn)在側(cè)環(huán)中的一個(gè)微衛(wèi)星序列是轉(zhuǎn)錄的，那么側(cè)環(huán)臨近的染色粒里面的同類微衛(wèi)星串聯(lián)簇是不表達(dá)的，這個(gè)結(jié)果表明存在一種未知的調(diào)控機(jī)制啟動(dòng)LBCs側(cè)環(huán)中微衛(wèi)星DNA的轉(zhuǎn)錄[19]。來(lái)自熱帶爪蟾的研究發(fā)現(xiàn)卵母細(xì)胞中還儲(chǔ)存大量來(lái)自LBCs轉(zhuǎn)錄子的穩(wěn)定內(nèi)含子（StableintronicsequenceRNA），這些內(nèi)含子一直到囊胚期都可以檢測(cè)到，說明在胚胎發(fā)育的早期可能發(fā)揮重要作用[22]。關(guān)于側(cè)環(huán)上轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制的研究，早期提出了“通讀假說”（Read–throughhy-pothesis）[23]，該假說認(rèn)為側(cè)環(huán)上轉(zhuǎn)錄起始于結(jié)構(gòu)基因的啟動(dòng)子序列，到了該基因的終止序列后并不停留，而是繼續(xù)轉(zhuǎn)錄下面的非編碼序列，現(xiàn)代遺傳學(xué)的研究結(jié)果否認(rèn)了該假說。結(jié)合基因組和細(xì)胞學(xué)的證據(jù)表明位于雞LBCs側(cè)環(huán)微衛(wèi)星序列中的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子長(zhǎng)末端重復(fù)序列（LTR）啟動(dòng)了微衛(wèi)星序列的轉(zhuǎn)錄，這得到了很多來(lái)自兩棲類實(shí)驗(yàn)的證明。如果這個(gè)機(jī)制是正確的，側(cè)環(huán)的平均長(zhǎng)度應(yīng)該與活躍的LTR啟動(dòng)子的數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，這是今后需要闡明的問題之一。初生的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物被與RNA成熟相關(guān)的蛋白包被，成為附著于側(cè)環(huán)上的RNP基質(zhì)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)為在活體條件下研究側(cè)環(huán)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的處理和機(jī)制提供了平臺(tái)。來(lái)自生化的證據(jù)表明，鳥類LBCs側(cè)環(huán)中多數(shù)RNP基質(zhì)含有與RNA成熟相關(guān)的組件，如snRNPs、SC35、hnRNP和3’末端處理相關(guān)因子。有些RNP基質(zhì)中沒有發(fā)現(xiàn)snRNPs組件，這可能是由于在相應(yīng)的微衛(wèi)星轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中缺少典型的剪切位點(diǎn)所致[19]。

1.3燈刷染色體的作用自從發(fā)現(xiàn)LBCs后科學(xué)家一直試圖理解發(fā)生在側(cè)環(huán)上大量且有點(diǎn)隨意轉(zhuǎn)錄的意義，很多人認(rèn)為這種轉(zhuǎn)錄或多或少是沒有意義的[20]。Davidson于1986年提出了另一個(gè)假說[24]，他認(rèn)為發(fā)生在LBCs上的轉(zhuǎn)錄為將來(lái)卵母細(xì)胞的成熟和胚胎發(fā)育提供必要的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，這一假說越來(lái)越為科學(xué)家重視?？赡艽嬖谶@種情況，LBCs上的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在核膜破裂前是隔離的，當(dāng)核膜解體后進(jìn)入了轉(zhuǎn)錄后的切割程序，形成兩類成熟的編碼和非編碼RNA分子，這種現(xiàn)象在Masi和Johnson研究LBCs組蛋白的轉(zhuǎn)錄過程上所證實(shí)[25]。據(jù)此推測(cè)，成熟編碼蛋白質(zhì)RNA分子可以用于在胚胎基因組啟動(dòng)表達(dá)之前，早期胚胎發(fā)育所必需蛋白質(zhì)的合成。至于大量的非編碼微衛(wèi)星序列的命運(yùn)可以用現(xiàn)代分子生物學(xué)的信息來(lái)解釋。在后生動(dòng)物中，編碼微衛(wèi)星序列的DNA可以轉(zhuǎn)錄形成dsRNA前體，成熟后產(chǎn)生siRNA，這些siRNA是形成組成型異染色質(zhì)所必需的。那么，可以推測(cè)，在擁有LBCs的動(dòng)物中，非編碼微衛(wèi)星序列的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物同樣可以dsRNA前體形式儲(chǔ)存在卵細(xì)胞中，為早期胚胎發(fā)育提供siRNA以便維持異染色質(zhì)的穩(wěn)定，這種假設(shè)的前提是要探明微衛(wèi)星RNA產(chǎn)物能否出現(xiàn)在受精之后胚胎發(fā)育的過程中[19]。值得注意的是擁有典型LBCs的生物胚胎發(fā)育過程大部分時(shí)間是離體發(fā)育，這與胎生的哺乳動(dòng)物在發(fā)育環(huán)境上存在巨大差異，因此，在這類生物中LBCs轉(zhuǎn)錄與離體后胚胎發(fā)育過程是否存在更密切的關(guān)聯(lián)性是值得深入探討的。1.4燈刷染色體的表觀遺傳修飾與染色質(zhì)重塑通過對(duì)兩棲類和鳥類燈刷染色體的深入研究，我們基本了解了其整體表觀遺傳的狀態(tài)。來(lái)自兩棲類的研究發(fā)現(xiàn)這類染色體中包括染色粒和側(cè)環(huán)不但缺少組蛋白H1，而且組蛋白H4都呈高度乙酰化狀態(tài)，這是典型基因組DNA轉(zhuǎn)錄活化的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證明，乙?；图谆揎椊M蛋白的尾部都會(huì)導(dǎo)致側(cè)環(huán)相應(yīng)狀態(tài)的改變[19]。關(guān)于對(duì)LBCs表觀遺傳修飾的理解一個(gè)典型的例子是來(lái)自于對(duì)6種鳥類卵母細(xì)胞LBCsZW的研究[26]。鳥類卵母細(xì)胞中性染色體ZW是一個(gè)僅通過著絲粒處相連的不對(duì)稱二價(jià)體，Z染色體具有正常的LBCs形態(tài)，而富含重復(fù)序列的W則僅形成幾個(gè)較大的染色粒，含有少量的側(cè)環(huán)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)W染色體具備了惰性染色體的特點(diǎn)，比如缺少乙酰化組蛋白H4，富含組蛋白H3K9和H3K27的二甲基化，幾個(gè)大的染色粒都含有大量的異染色質(zhì)蛋白1。這些因素共同導(dǎo)致了W染色體在鳥類卵母細(xì)胞的發(fā)育中高度凝縮的狀態(tài)[19]。

盡管現(xiàn)在從整體上對(duì)LBCs的表觀修飾有了一定的理解，但對(duì)該類染色體的“建立–維持–再凝縮”的機(jī)制了解很少。一個(gè)重要的事實(shí)是在兩棲類和鳥類的LBCs上，不但缺少組蛋白H1，而且也未見參與減數(shù)分裂染色質(zhì)凝縮的拓樸異構(gòu)酶II。另外一個(gè)在維持LBCs形態(tài)方面發(fā)揮重要作用的蛋白是染色體結(jié)構(gòu)維持（Structuralmaintenanceofchromosomes，SMC）蛋白家族，它們參與了黏連（Cohesin）復(fù)合體和凝縮（Condensin）復(fù)合體的形成。電鏡結(jié)合免疫試驗(yàn)證明黏連復(fù)合體主要出現(xiàn)在姐妹染色單體兩條染色質(zhì)絲形成的軸上，后者主要在染色粒上發(fā)現(xiàn)。這說明，這兩種復(fù)合體可能對(duì)維持LBCs的染色粒–側(cè)環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)揮重要作用[27]。最新的關(guān)于LBCs重建的實(shí)驗(yàn)來(lái)自將人類的精子注射進(jìn)兩棲類動(dòng)物非洲爪蟾的卵母細(xì)胞中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)精子染色體形成了典型的LBCs結(jié)構(gòu)，這一方面說明了兩棲類動(dòng)物卵母細(xì)胞中含有重塑哺乳動(dòng)物非活性染色體的所有因素，另一方面也說明哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞染色體的失活并不是永久的遺傳或表觀遺傳機(jī)制造成的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)為進(jìn)一步鑒定染色質(zhì)重塑相關(guān)的順式和反式作用因子以及解析其機(jī)制提供了研究材料[9]。

2燈刷染色體應(yīng)用于遺傳學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀與思考

對(duì)于遺傳學(xué)內(nèi)容的傳授離不開優(yōu)秀的案例，生命科學(xué)的飛速發(fā)展也使得這些案例的內(nèi)涵得到了豐富和擴(kuò)展。以優(yōu)秀案例開展遺傳學(xué)教學(xué)工作可以將復(fù)雜的遺傳學(xué)知識(shí)形象化和簡(jiǎn)單化，便于教師的講授和學(xué)生的理解與記憶[3]，同樣也可以使枯燥的遺傳學(xué)學(xué)習(xí)變得妙趣橫生。LBCs就是遺傳學(xué)的一個(gè)優(yōu)秀經(jīng)典的案例，但在遺傳學(xué)教學(xué)中出鏡偏低。在作者教學(xué)所使用戴灼華等編寫的《遺傳學(xué)》課本中，以LBCs為案例介紹的內(nèi)容很少[28]，僅在第二版第二章《遺傳的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)》中，作為一種特殊染色體形態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，一句“LBCs是在光學(xué)顯微鏡下直接觀察并識(shí)別特殊位置上的單個(gè)基因轉(zhuǎn)錄活性極為理想的材料”讓學(xué)生對(duì)該案例充滿了遐想和期待，但本書后面的遺傳學(xué)內(nèi)容均沒有發(fā)現(xiàn)該案例的身影，因此發(fā)掘和使用LBCs案例應(yīng)用于遺傳教學(xué)有十分重要的意義。

2.1燈刷染色體在遺傳學(xué)教學(xué)中的拓展以LBCs為案例進(jìn)行相關(guān)遺傳學(xué)內(nèi)容教學(xué)，我們應(yīng)首先根據(jù)高校遺傳學(xué)的培養(yǎng)目的和教學(xué)目標(biāo)，在學(xué)生掌握了一定的細(xì)胞、生化和遺傳知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合遺傳學(xué)的進(jìn)度逐步有序地加以介紹。在我所教授的遺傳學(xué)課本中LBCs是作為一類特殊的染色體介紹給學(xué)生的，除了介紹了一點(diǎn)關(guān)于LBCs的發(fā)現(xiàn)和特點(diǎn)外，缺少更加詳細(xì)的資料。正是由于其可視性的特點(diǎn)，學(xué)生除了可以容易的掌握其特殊染色體的特點(diǎn)外，也可以掌握一般染色體具有的特點(diǎn)。其實(shí)，隨著研究的深入，其涵蓋的遺傳學(xué)知識(shí)也越來(lái)越多，形成和維持該特殊染色體的原因也越來(lái)越清楚。我們?cè)诮虒W(xué)過程中是這樣介紹的：關(guān)于LBCs結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而不斷深入的。19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)LBCs并不偶然，那時(shí)的科學(xué)家用光學(xué)顯微鏡尋找適合的染色體材料去研究減數(shù)分裂和有絲分裂；隨著時(shí)代的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)LBCs豐富而富有特色的結(jié)構(gòu)適合細(xì)胞圖的繪制；電鏡和掃描電鏡的發(fā)明更推動(dòng)了LBCs結(jié)構(gòu)和染色體組織的認(rèn)識(shí)，知道了更細(xì)微結(jié)構(gòu)的形態(tài)，比如對(duì)側(cè)環(huán)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了側(cè)環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；免疫學(xué)和電鏡技術(shù)的結(jié)合，使科學(xué)家認(rèn)識(shí)到側(cè)環(huán)是由最基本的單位RNP顆粒組成的，經(jīng)過一步步的裝配和折疊形成了不同外形特點(diǎn)的側(cè)環(huán)；分子技術(shù)、免疫技術(shù)和電鏡技術(shù)的綜合運(yùn)用，使人們認(rèn)識(shí)到側(cè)環(huán)核蛋白體中RNA主要是微衛(wèi)星序列的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，但也有少量單拷貝的編碼序列RNA。由此引導(dǎo)同學(xué)們思考：既然LBCs的RNP基質(zhì)中主要是編碼非編碼序列微衛(wèi)星的RNA，它的作用究竟是什么呢？如果同學(xué)們已經(jīng)知道了微衛(wèi)星序列最終編碼的siRNA參與了異染色質(zhì)的形成和維持的話，自然會(huì)想到在LBCs“再凝縮”階段可能會(huì)發(fā)揮作用。關(guān)于適合進(jìn)行細(xì)胞圖的繪制也可以根據(jù)技術(shù)的發(fā)展逐漸深入：在僅有光學(xué)顯微鏡的早期，只能根據(jù)大的界標(biāo)如側(cè)環(huán)、染色粒、著絲粒、端粒等進(jìn)行簡(jiǎn)單的作圖，用于區(qū)分不同的染色體、基因組甚至雜種；隨著電鏡技術(shù)的發(fā)展，對(duì)LBCs結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)更加細(xì)致，可以繪制更加精細(xì)的細(xì)胞圖；隨著染色體涂抹技術(shù)的發(fā)展，可以將DN段定位到LBCs不同結(jié)構(gòu)中，繪制更加實(shí)用的物理圖，這將為進(jìn)行全基因組測(cè)序更加全面的認(rèn)識(shí)基因組特點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。關(guān)于LBCs形成和維持原因的介紹可以使學(xué)生理解和掌握染色質(zhì)重塑方面的知識(shí)。早期在只有光學(xué)顯微鏡的條件下對(duì)它的認(rèn)識(shí)一籌莫展，只能提出假說；但隨著免疫技術(shù)和分子生物學(xué)技術(shù)的運(yùn)用，才認(rèn)識(shí)到存在一些事實(shí)：LBCs中組蛋白H1缺失，H4高度乙酰化，染色粒處富含組蛋白H3K9和H3K27的二甲基化，鳥類W染色體幾個(gè)大的染色粒都含有大量的異染色質(zhì)蛋白1等等。其實(shí)這離完全了解其產(chǎn)生機(jī)制還有很遠(yuǎn)的距離。為了讓學(xué)生直觀地掌握轉(zhuǎn)錄相關(guān)知識(shí)，也可以引入LBCs的相關(guān)內(nèi)容。由于單個(gè)轉(zhuǎn)錄單位可視性的特點(diǎn)，所以可以直觀容易地了解單個(gè)轉(zhuǎn)錄單位的結(jié)構(gòu)、組成、長(zhǎng)度、速率和分子互作等方面的知識(shí)。為了學(xué)生更容易地理解LBCs相關(guān)的遺傳學(xué)知識(shí)，開設(shè)LBCs分離和鑒定實(shí)驗(yàn)是值得考慮的教學(xué)內(nèi)容?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)常用的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教材沒有這個(gè)實(shí)驗(yàn)，國(guó)外也少有開展。我校生命學(xué)院關(guān)于該實(shí)驗(yàn)正在籌劃中，所以待有了一定的進(jìn)展后再向同仁匯報(bào)。更加詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)程序可以參照相關(guān)網(wǎng)站的內(nèi)容。

2.2以燈刷染色體為案例開展遺傳學(xué)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)作為除了哺乳動(dòng)物以外廣泛存在于昆蟲、兩棲類、魚類和鳥類卵母細(xì)胞發(fā)育中一個(gè)經(jīng)典的染色體結(jié)構(gòu)，盡管其關(guān)注度相比于唾腺染色體和巴氏小體為低，但其研究歷程和由此材料所取得的研究成就加深了人們對(duì)染色體結(jié)構(gòu)、染色體組織、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄過程的直觀認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了遺傳學(xué)的發(fā)展。其作為遺傳學(xué)教學(xué)案例有著不可替代的優(yōu)勢(shì)：（1）應(yīng)用于遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)材料便于取得，分離得到巨大、普通光學(xué)顯微鏡下可視的轉(zhuǎn)錄體擁有豐富的染色體結(jié)構(gòu)信息，通過對(duì)經(jīng)典染色體的分離和鑒定讓學(xué)生在強(qiáng)烈好奇心的狀態(tài)下掌握染色體的基本結(jié)構(gòu)和特殊生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期染色體的特點(diǎn)，LBCs的分離和觀察實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，一方面可以更新陳舊的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，另一方面經(jīng)典、容易觀察的染色體誘發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心，從而可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并轉(zhuǎn)化成學(xué)生學(xué)習(xí)遺傳學(xué)知識(shí)的動(dòng)力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)成績(jī)[29]。（2）LBCs的研究與遺傳學(xué)發(fā)展同步，涉及到遺傳學(xué)研究的多個(gè)方面。例如：首先科學(xué)家利用LBCs擁有巨大和豐富的染色體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了染色體的基本結(jié)構(gòu)、染色體的組織、并繪制了細(xì)胞圖，為不同物種基因組/雜種鑒定、精細(xì)物理圖譜繪制、基因定位和克隆奠定基礎(chǔ)；利用單個(gè)轉(zhuǎn)錄子光鏡下可視的特點(diǎn)，探索了單拷貝編碼基因和多拷貝非編碼基因的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄過程；利用其在減數(shù)分裂過程中逆向染色質(zhì)重塑的特點(diǎn)，進(jìn)行了大量包括表觀遺傳學(xué)染色質(zhì)重塑機(jī)制的研究等等。作為一個(gè)經(jīng)典案例將這些內(nèi)容應(yīng)用到遺傳學(xué)教學(xué)中去，并指出關(guān)于LBCs的研究中大量沒有解決的問題，比如LBCs染色質(zhì)重塑機(jī)制和功能遠(yuǎn)未明了，我們引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索LBCs形成的原因和功能，讓學(xué)生通過查資料和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)去形成解決問題的思路。這種經(jīng)典案例和研究型教學(xué)方法的綜合運(yùn)用，可以激發(fā)學(xué)生探索未知的興趣，從而加深學(xué)生對(duì)遺傳知識(shí)的掌握和理解[30]。

作者：陳凡國(guó) 李晴晴 單位：山東大學(xué)生命科學(xué)院遺傳學(xué)教研組  山東大學(xué)植物細(xì)胞工程與種植創(chuàng)新教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室