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2020-01-0150年之後─染色體又知多少？
601 期
Author 作者
羅時成／長庚大學生醫系客座教授，研究領域為分子病毒學、細胞學與發育生物學。
生物學家在50 年前就清楚知道染色體的基本建材主要是DNA 和組蛋白，也含有非常少量的RNA、酸性蛋白及鈣、鎂、鐵等元素，但對 DNA 與組蛋白複合體細節結構仍不清楚。1970 年初，孔柏（Arthur Kornberg）， 也是2006年諾貝爾化學獎得主，提出染色質應有規律重覆單位的假說；1974年任教於美國田納西大學（University of Tennessee） 的歐林斯夫婦（Don and Ada Olins） 在電子顯微鏡下首次觀查到染色質呈串珠構造，當初他們命名串珠為v體 （v body），後來重新命名為核小體（nucleosome），一直延用至今， 「串珠在線（beads on a string）」 模式是漸漸在1975年後被生物學家接受的染色質基本結構假說。
染色質到染色體的超微結構
串珠在線的結構，還可以再纏繞成更複雜結構的染色體，右圖說明了從DNA到染色體不同層次的結構，第一層是赤裸裸的DNA，直徑 2 奈米的雙股螺旋；在細胞內，DNA纏繞在八個組蛋白形成核小體（串珠在線的珠子），直徑約11奈米；4種組蛋白（H2A、H2B、H3 和 H4）以對稱方式形成八聚體（octamer），長約140 奈米；鹼基對的DNA又以左旋方式在八聚體外繞了1又 3∕4圈，兩個核體間約有50 鹽基對的DNA，稱作連接 DNA（linker DNA，串珠在線的線）；若連接DNA與組蛋白H1結合，核小體會以螺旋方式堆疊成30奈米的筒狀結構（solenoid），此時 DNA上的基因不被開啟（不活躍基因），此狀態的染色質稱作異染色質（heterochromatin）；而相對11奈米結構的染色質上的基因是可以開啟（活躍的基因），稱作真染色質（euchromatin），在細胞間期，30奈米的絲狀結構還有可能與染色體支架蛋白形成套環，呈300 奈米的粗絲。等細胞進行分裂期，染色質會與支架蛋白結合更緻密達700 奈米，最後變成在顯微鏡下觀查得到的染色體，約1400奈米。
雖然歐林斯夫婦於1974年發表電子顯微鏡下核小體的形狀，但對組蛋白詳細安排仍不清楚。此時，英國劍橋的克魯格（Aaron Klug）和他的團隊已發展出顯微影像重組技術， 將電子顯微鏡底片的影像融合X光繞射技術得到清晰三維分子影像。他們利用此技術完成菸草鑲嵌病毒在分子層次的三維結構，並很快速地利用此技術解開八個組蛋白形成八聚體及其外纏繞DNA三維分子的結構。克魯格也因發明結晶電子顯微技術和定出DNA組蛋白複合體的分子結構，而獲得1982年諾貝爾化學獎。
披上色彩的染色體
各類生物染色體數，可在細胞分裂時利用光學顯微鏡觀察得到，形狀與數目也能被紀錄下來，如人類的體細胞有46 條染色體，包含22 對體染色體和1 對性染色體（女性性染色體為XX、男性為XY）。為了預防染色體異常引起的先天性遺傳疾病，臨床醫院替胎兒做染色體檢測的方法如下：先取得胎兒活細胞，在培養液培養使細胞增生，然後加入微管（microtubule）聚合的抑制劑，如秋水仙素（colchicine），粗短的染色體因失去微管無法進行運動停留在中期，此時將細胞打破染色，在顯微鏡下清晰可見各染色體，然後將染色體長短按序排列，從第一號到第二十二號加上性染色體，此染色體人為排列成的圖就稱作核型（karyotype，圖二），透過核型分析就能知道染色體數是否有增減或轉位。
圖二：人類的染色體核型，包含22對體染色體與一對性染色體。（Shutterstock）
一般來說，在癌細胞的核型分析會發現染色體數異常或轉位，因此透過此分析有助於觀察癌細胞並控制。另外，一般高齡產婦都建議做胎兒核型分析，以避免產下具有第二十一號染色體三倍體的唐氏症（Down syndrome）寶寶。……【更多內容請閱讀科學月刊第601期】