生物化學原理/染色體及其結構

在一系列從 1880 年代中期開始的實驗中，西奧多·博韋裡明確證明了染色體是遺傳的載體。他的兩個原則是染色體的連續性和染色體的個體性。正是這些原則中的第二個是如此新穎。威廉·魯克斯提出每個染色體都承載著不同的遺傳負荷。博韋裡能夠測試並證實了這一假設。在 20 世紀初重新發現了格雷戈爾·孟德爾早期的工作之後，博韋裡能夠指出遺傳規律與染色體行為之間的聯絡。博韋裡影響了兩代美國細胞學家：埃德蒙·比徹·威爾遜、沃爾特·薩頓和西奧菲勒斯·潘特都受到了博韋裡的影響（威爾遜和潘特實際上與他一起工作）。

在他的著名教科書《發育與遺傳中的細胞》中，威爾遜將博韋裡和薩頓（都在 1902 年左右）的獨立工作聯絡在一起，將染色體遺傳理論命名為“薩頓-博韋裡理論”（有時名稱顛倒）。恩斯特·邁爾指出，該理論遭到了某些著名遺傳學家的強烈反對：威廉·貝特森、威廉·約翰森、理查德·戈爾德施密特和 T.H. 摩根，他們都相當教條主義。最終，完整的證明來自摩根自己實驗室的染色體圖。

中期的人類染色體。

細胞週期各階段的染色質（1）脫氧核糖核酸（DNA）雙鏈。（2）染色質（脫氧核糖核酸單鏈和組蛋白）（3）間期的染色質（藍色）和著絲粒（紅色）（4）前期密集的染色質（5）中期的染色體

染色體

染色體是細胞核中發現的 DNA 和蛋白質的有序結構。它是一條由許多基因、調控元件和其他核苷酸序列組成的盤繞的 DNA 單鏈。染色體還包含與 DNA 結合的蛋白質，這些蛋白質用於包裝 DNA 並控制其功能。染色體在不同生物體之間差異很大。DNA 分子可以是環狀或線性，並且可以由長鏈中的 10,000 到 1,000,000,000 個核苷酸組成。通常，真核細胞（有核細胞）具有較大的線性染色體，而原核細胞（沒有明確核的細胞）具有較小的環狀染色體，儘管該規則存在許多例外。此外，細胞可能包含不止一種型別的染色體；例如，大多數真核生物的線粒體和植物的葉綠體都有自己的小型染色體。

在真核生物中，核染色體透過蛋白質包裝成稱為染色質的濃縮結構。這使得非常長的 DNA 分子能夠適應細胞核。染色體和染色質的結構在整個細胞週期中發生變化。染色體是細胞分裂的必要單位，必須複製、分裂併成功地傳遞給它們的子細胞，以確保其後代的遺傳多樣性和生存。染色體可以以複製或未複製的形式存在。未複製的染色體是單個線性鏈，而複製的染色體（在合成階段複製）包含兩個由著絲粒連線的副本。有絲分裂和減數分裂期間複製的染色體壓縮會導致經典的四臂結構（如圖右所示）。染色體重組在遺傳多樣性中起著至關重要的作用。如果這些結構因稱為染色體不穩定性和易位的過程而被錯誤地操縱，細胞可能會經歷有絲分裂災難而死亡，或者它可能會意外地逃避凋亡，導致癌症的進展。在實踐中，“染色體”是一個定義比較鬆散的術語。在原核生物和病毒中，當不存在染色質時，基因組更合適。然而，大量的研究工作無論染色質含量如何都使用“染色體”一詞。在原核生物中，DNA 通常排列成一個圓圈，這個圓圈緊緊地纏繞在自己身上，有時還會伴隨一個或多個稱為質粒的較小的環狀 DNA 分子。這些小的環狀基因組也存在於線粒體和葉綠體中，反映了它們的細菌起源。最簡單的基因組存在於病毒中：這些 DNA 或 RNA 分子是短的線性或環狀基因組，通常缺乏結構蛋白。“染色體”一詞源於希臘語 χρῶμα (chroma, 顏色) 和 σῶμα (soma, 身體)，因為它們具有被特定染料強烈染色。的特點。

染色質

染色質是 DNA、組蛋白和其他構成染色體的蛋白質的組合。它存在於真核細胞的核膜內。它分為異染色質（濃縮）和常染色質（延伸）兩種形式。染色質的功能是將 DNA 包裝成更小的體積，以適應細胞，增強 DNA 的強度，使有絲分裂和減數分裂能夠進行，以及控制基因表達和 DNA 複製。染色質結構的變化受組蛋白蛋白質的化學修飾影響，例如甲基化和乙醯化，以及其他 DNA 結合蛋白的影響。

染色質中 DNA 的包裝

染色質在其結構中經歷各種形式的變化。組蛋白，染色質的基礎單元，透過各種翻譯後修飾而被修飾，以改變 DNA 的包裝。乙醯化會導致染色質鬆散，並有利於複製和轉錄。當某些殘基被甲基化時，它們會牢固地將 DNA 結合在一起，並限制各種酶的訪問。最近的一項研究表明，染色質中存在一個雙價結構：組蛋白 3 上位置 4 和 27 處的甲基化賴氨酸殘基。人們認為這可能與發育有關；胚胎細胞中的賴氨酸 27 甲基化比分化細胞多，而賴氨酸 4 甲基化透過募集核小體重塑酶和組蛋白乙醯轉移酶來積極調節轉錄。

多梳蛋白在透過調節染色質結構來調節基因中發揮作用。

染色質和沃森/克里克鹼基配對

克里克和沃森著名的 DNA 結構（稱為 B-DNA）只是三種可能的結構形式之一。

鹼基與其糖之間的 C-N 鍵有兩種不同的構象。反式構象出現在所有 A-DNA 和 B-DNA 以及含有胞嘧啶的 Z-DNA 中。在鳥嘌呤的情況下，Z-DNA 採用順式構象。Z-DNA 鏈中嘌呤和嘧啶的週期性變化實現了 Z-DNA 螺旋鋸齒結構的交替順式-反式構象特徵。

核小體結構的卡通表示。來自 pdb。

組蛋白：DNA 結合蛋白

組蛋白於 1884 年由阿爾布雷希特·科塞爾發現。 “組蛋白”一詞起源於 19 世紀後期，來自德語“Histon”，其起源尚不清楚：可能是來自希臘語 histanai 或 histos。直到 20 世紀 90 年代初，組蛋白被大多數人認為是真核細胞核 DNA 的惰性包裝材料，部分原因是馬克·普塔什內等人提出的“球棍”模型，他們認為轉錄是由蛋白-DNA 和蛋白-蛋白相互作用在很大程度上裸露的 DNA 模板上啟用的，就像細菌中的情況一樣。在 20 世紀 80 年代，邁克爾·格蘭斯坦的工作表明真核組蛋白抑制基因轉錄，而轉錄啟用因子的作用是克服這種抑制。我們現在知道組蛋白在基因表達中起著積極和消極的作用，形成了組蛋白程式碼的基礎。H5 組蛋白的發現似乎可以追溯到 20 世紀 70 年代，在分類中它被歸入 H1 組。^[7]

組蛋白存在於真核細胞的細胞核中，以及某些古細菌中，即廣古菌，但不存在於細菌中。古細菌組蛋白可能與真核組蛋白的進化前體非常相似。組蛋白是真核生物中最保守的蛋白質之一，突出了它們在細胞核生物學中的重要作用：939 相比之下，成熟的精子細胞主要使用精蛋白來包裝它們的基因組 DNA，這很可能是因為這使它們能夠實現更高的包裝比率。核心組蛋白是高度保守的蛋白質，也就是說，不同物種的組蛋白蛋白質的氨基酸序列之間差異很小。連線蛋白通常在一個物種內有多種形式，並且也比核心組蛋白保守程度低。一些主要類別中存在一些變異形式。它們與主要組蛋白的特定類別具有氨基酸序列同源性和核心結構相似性，但也具有與主要組蛋白不同的特徵。這些次要組蛋白通常執行染色質代謝的特定功能。例如，組蛋白 H3 樣 CenpA 是隻與染色體著絲粒區域相關的組蛋白。組蛋白 H2A 變體 H2A.Z 與活躍轉錄基因的啟動子相關，也參與阻止沉默異染色質的擴散。另一個 H2A 變體 H2A.X 結合具有雙鏈斷裂的 DNA，並標記正在進行 DNA 修復的區域。組蛋白 H3.3 與活躍轉錄基因的主體相關。^[8][9]

核小體和“串珠結構”

染色質的基本重複單元是核小體，由連線 DNA 部分連線，這是一種比溶液中純 DNA 短得多的排列。

除了核心組蛋白之外，還有連線蛋白 H1，它與核小體上 DNA 鏈的出口/入口接觸。核小體核心顆粒連同組蛋白 H1 稱為染色體。核小體，大約有 20 到 60 個鹼基對的連線 DNA，可以在非生理條件下形成大約 10 奈米的“串珠結構”纖維。

核小體非特異性地結合 DNA，因為它們的功能需要一般 DNA 包裝。然而，存在控制核小體定位的大量 DNA 序列偏好。這主要是因為不同 DNA 序列的物理特性不同：例如，腺苷 和 胸腺嘧啶 更容易被壓縮到內部小溝中。這意味著核小體可以在大約每 10 個鹼基對（DNA 的螺旋重複）的位置優先結合 - 在該位置，DNA 旋轉以最大化位於內部小溝中的 A 和 T 鹼基的數量。

什麼是核小體？核小體是真核生物 DNA 包裝的基本單位，由纏繞在組蛋白蛋白質核心周圍的 DNA 片段組成。這種結構通常被比作纏繞線上軸上的線。

核小體形成真核染色質的基本重複單位，用於將龐大的真核基因組包裝到細胞核中，同時確保對其的適當訪問（在哺乳動物細胞中，大約 2 米的線性 DNA 必須包裝到大約 10 微米直徑的細胞核中）。核小體透過一系列逐漸升高的階梯結構摺疊，最終形成染色體；這既壓縮了 DNA，又建立了額外的調節控制層，以確保正確的基因表達。核小體被認為以核心組蛋白的共價修飾形式攜帶表觀遺傳繼承的資訊。核小體假說由唐和艾達·奧林斯在 1974 年提出，並由羅傑·科恩伯格提出。核小體核心顆粒由大約 147 個鹼基對的 DNA 組成，這些 DNA 以 1.67 個左手超螺旋圈纏繞在組蛋白八聚體周圍，組蛋白八聚體由核心組蛋白 H2A、H2B、H3 和 H4 的 2 個複製組成。核心顆粒透過“連線 DNA”片段連線，這些片段的長度可以長達約 80 個鹼基對。嚴格來說，核小體定義為核心顆粒加上這些連線區域之一；然而，這個詞通常是核心顆粒的同義詞。連線組蛋白如 H1 及其同工型參與染色質壓縮，並位於核小體的底部，靠近 DNA 的入口和出口，與 DNA 的連線區域結合。在電子顯微鏡下，沒有連線組蛋白的非凝聚核小體類似於“串珠結構的 DNA”。與大多數真核細胞相比，成熟的精子細胞主要使用精蛋白來包裝它們的基因組 DNA，這很可能是為了實現更高的包裝比率。在古細菌中也發現了組蛋白等價物和簡化的染色質結構，證明真核生物不是唯一使用核小體的生物。

30 奈米染色質纖維

30 奈米染色質纖維的兩種擬議結構。
左：1 起始螺旋“螺線管”結構。
右：2 起始鬆散螺旋結構。
注意：該圖中省略了組蛋白 - 僅顯示了 DNA。

隨著 H1 的加入，“串珠結構”結構又盤繞成直徑為 30 奈米的螺旋結構，稱為 30 奈米纖維或細絲。細胞中染色質纖維的精確結構尚不清楚，對此仍有一些爭論。

這種染色質結構被認為是常染色質的形式，其中包含活躍轉錄的基因。電子顯微鏡研究表明，30 奈米纖維是高度動態的，因此當被參與轉錄的 RNA 聚合酶穿越時，它會展開成 10 奈米纖維（“串珠結構”）結構。

30 奈米染色質纖維的四種擬議結構，每個核小體的 DNA 重複長度範圍為 177 到 207 個鹼基對。
連線 DNA 以黃色表示，核小體 DNA 以粉色表示。

現有的模型通常認為核小體垂直於纖維軸，連線組蛋白排列在內部。穩定的 30 奈米纖維依賴於核小體沿 DNA 的規則定位。連線 DNA 相對不容易彎曲和旋轉。這使得連線 DNA 的長度對纖維的穩定性至關重要，需要核小體之間的距離允許旋轉和摺疊成所需的取向，而不會對 DNA 造成過大的壓力。從這個角度來看，連線 DNA 的不同長度應該產生染色質纖維的不同摺疊拓撲結構。最近基於電子顯微鏡影像^[10]的理論工作支援這種觀點。^[11]

細胞核中染色質的空間組織

核內 基因組 的佈局並非隨機——基因組的特定區域往往位於特定的空間。染色質的特定區域在 核膜 處富集，而其他區域則由蛋白質複合物結合在一起。然而，除了 哺乳動物 雌性 中的兩條 X 染色體之一壓縮成 巴氏小體 外，這種佈局的特徵並不明顯。這起到永久失活這些基因的作用，從而防止雌性相對於 雄性 獲得 雙倍劑量。失活的 X 染色體究竟壓縮到何種程度尚存爭議。

X 染色單體示意圖

人類 Y 染色單體

人類染色體

染色體可分為兩種型別——常染色體和性染色體。某些遺傳性狀與你的性別有關，並透過性染色體傳遞。常染色體包含其餘的遺傳遺傳資訊。所有染色體在細胞分裂過程中都以相同的方式起作用。人體細胞有 23 對大的線性核染色體（22 對常染色體和 1 對性染色體），每細胞總共 46 條。除了這些染色體外，人體細胞還擁有數百個線粒體基因組的複製。測序 人類基因組提供了大量關於每條染色體的的資訊。下表根據 脊椎動物基因組註釋 (VEGA) 資料庫 中的桑格研究所的人類基因組資訊彙總了染色體的統計資料。 基因數量是一個估計值，因為它部分基於 基因預測。總染色體長度也是一個估計值，基於未測序異染色質區域的估計大小。

常染色體是指 染色體 中不屬於 性染色體 的染色體；也就是說，男性和女性的染色體數量相等。 例如，在 人類 中，有 22 對常染色體。除了常染色體外，還有性染色體，具體來說是：X 染色體和 Y 染色體。所以，人類有 23 對染色體。

性染色體 X 染色體是許多動物物種（包括哺乳動物）中兩種決定性別的染色體之一（另一種是 Y 染色體）。它是 XY 性別決定系統和 X0 性別決定系統的一部分。X 染色體因其獨特的特性而被早期研究人員命名為 X，這導致了其對應染色體 Y 的命名，因為它是在 X 染色體之後被發現的，並以字母表中的下一個字母命名。

Y 染色體是大多數哺乳動物（包括人類）中兩種決定性別的染色體之一。在哺乳動物中，它包含 SRY 基因，該基因在存在時會觸發睪丸發育。人類 Y 染色體由大約 6000 萬個鹼基對組成。Y 染色體中的 DNA 從父親傳遞給兒子，因此 Y-DNA 分析可用於系譜研究。

人類染色體
女性 (XX)	男性 (XY)
女性和男性都有兩份 常染色體 (染色體 1-22) 的複製。性染色體 不同：女性有兩份 X 染色體的複製，而男性只有一份 X 染色體和一份 Y 染色體。

染色體	基因	總 鹼基	已測序鹼基
1	4,220	247,199,719	224,999,719
2	1,491	242,751,149	237,712,649
3	1,550	199,446,827	194,704,827
4	446	191,263,063	187,297,063
5	609	180,837,866	177,702,766
6	2,281	170,896,993	167,273,993
7	2,135	158,821,424	154,952,424
8	1,106	146,274,826	142,612,826
9	1,920	140,442,298	120,312,298
10	1,793	135,374,737	131,624,737
11	379	134,452,384	131,130,853
12	1,430	132,289,534	130,303,534
13	924	114,127,980	95,559,980
14	1,347	106,360,585	88,290,585
15	921	100,338,915	81,341,915
16	909	88,822,254	78,884,754
17	1,672	78,654,742	77,800,220
18	519	76,117,153	74,656,155
19	1,555	63,806,651	55,785,651
20	1,008	62,435,965	59,505,254
21	578	46,944,323	34,171,998
22	1,092	49,528,953	34,893,953
X (性染色體)	1,846	154,913,754	151,058,754
Y (性染色體)	454	57,741,652	25,121,652
總計	32,185	3,079,843,747	2,857,698,560

什麼是擬核？

顯示擬核的原核細胞。

擬核（意為“核狀”）是原核生物細胞內一個不規則形狀的區域，其中含有核物質，但沒有核膜，並且遺傳物質集中於此。原核生物的基因組通常是環狀的雙鏈 DNA 片段，在任何時候都可能存在多個複製。基因組的長度差異很大，但通常至少有幾百萬個鹼基對。擬核內的基因組儲存方式與真核生物不同，真核生物的基因組被包裝成染色質並被隔離在一個稱為核的膜包被的細胞器中。基因組是原核生物的 DNA。這通常被稱為原核染色體。基因組這個詞對於基因組來說具有誤導性，因為基因組缺乏染色質。基因組透過一種稱為超螺旋的機制被壓縮，而染色體則透過染色質被壓縮。基因組在大多數原核生物中是環狀的，而在極少數原核生物中是線性的。基因組的環狀性質允許複製發生而無需端粒。基因組通常比真核染色體小得多。真正的生物體的基因組可以小到 580,073 個鹼基對 (解脲支原體)。許多真核生物（如植物和動物）在其細胞器（如線粒體和葉綠體）中攜帶基因組。這些細胞器與真正的原核生物非常相似。

實驗證據表明，擬核主要由 DNA 組成，大約佔 60%，少量 RNA 和蛋白質。後兩種成分很可能主要是信使 RNA 和調節細菌基因組的轉錄因子蛋白。幫助維持核酸超螺旋結構的蛋白質被稱為擬核蛋白或擬核相關蛋白，與真核核的組蛋白不同。與組蛋白相比，擬核的 DNA 結合蛋白不會形成核小體，在核小體中，DNA 環繞蛋白質核心。相反，這些蛋白通常利用其他機制來促進壓縮，例如 DNA 環化。

環狀細菌染色體

大多數細菌染色體包含一個環狀 DNA 分子——DNA 沒有遊離端。否則，遊離端會對細胞的 DNA 複製和穩定性造成重大挑戰。確實包含有 DNA 末端或端粒 (大多數真核生物) 的染色體的細胞已經獲得了複雜的機制來克服這些挑戰。然而，環狀染色體可以為細胞帶來其他挑戰。複製後，兩個子代環狀染色體有時會保持互連或纏繞，必須將它們分解，以便每個細胞在細胞分裂過程中都遺傳一個完整的染色體複製。

真核染色體的結構

某些序列對於正常工作的染色體是必需的：著絲粒：在細胞分裂過程中用作紡錘體纖維的附著點。端粒：透過封端線性染色體的末端來維持染色體的完整性。該區域是微衛星，但其功能比簡單的串聯重複序列更具體。

著絲粒

著絲粒是染色體上通常位於染色體中間的 DNA 區域，在那裡兩個相同的姐妹染色單體彼此最靠近。它參與細胞分裂，作為有絲分裂紡錘體附著的點。姐妹染色單體沿其整個長度連線，但它們在著絲粒處最靠近。

著絲粒 DNA 通常處於異染色質狀態，這對於募集介導 DNA 複製後姐妹染色單體凝聚的黏連蛋白複合物以及協調後期姐妹染色單體分離至關重要。在該染色質中，正常的組蛋白 H3 被一種著絲粒特異性變體 CENP-A (在人類中) 所取代。CENP-A 的存在被認為對於著絲粒上動粒的組裝很重要。CENP-C 已被證明幾乎完全定位於這些 CENP-A 相關染色質區域。在人體細胞中，組蛋白最富含 H4K20me3 和 H3K9me3，它們是已知的異染色質修飾。在裂殖酵母 (以及可能的其他真核生物) 中，著絲粒異染色質的形成與 RNAi 有關。在秀麗隱杆線蟲等線蟲、一些植物以及鱗翅目和半翅目昆蟲中，染色體是“全著絲粒”的，表明沒有微管附著的首要部位或首要縊縮，並且一個“彌散的”動粒沿染色體的整個長度組裝。

著絲粒位置

每條染色體都有兩條臂，分別標記為 p (較短的) 和 q (較長的)。p 臂以 "petit" 命名，意思是 '小'；q 臂以 q 命名，因為它是字母表中 p 的下一個字母("q" 指的是法語單詞 "queue"，意思是 '尾'.) 它們可以以著絲粒、亞著絲粒、端著絲粒或近端著絲粒方式連線。

著絲粒

如果一條染色體的兩條臂長度大致相等，則稱為著絲粒染色體。在某些情況下，著絲粒染色體是由平衡的羅伯遜易位形成的：兩條近端著絲粒染色體融合形成一條著絲粒染色體。

亞著絲粒

如果染色體臂長度不相等，則該染色體被稱為亞著絲粒染色體。

近端著絲粒

如果p（短）臂非常短，難以觀察，但仍然存在，則該染色體為近端著絲粒染色體（“acro-”在近端著絲粒中指的是希臘語中的“峰值”）。人類基因組包含五條近端著絲粒染色體：13、14、15、21和22。

在近端著絲粒染色體中，p臂包含遺傳物質，包括重複序列，如核仁組織區，並且可以在沒有明顯危害的情況下發生易位，例如在平衡的羅伯遜易位中。家馬基因組包含一條著絲粒染色體，它與同種但未馴化的普氏野馬中的兩條近端著絲粒染色體同源。 這可能反映了家馬中平衡的羅伯遜易位的固定，或者相反，普氏野馬中一條著絲粒染色體裂解成兩條近端著絲粒染色體的固定。人類和類人猿基因組之間存在類似的情況；在這種情況下，由於更多物種現存，因此很明顯進化順序是類人猿中兩條近端著絲粒染色體減少到人類中一條著絲粒染色體。

端著絲粒

端著絲粒染色體的著絲粒位於染色體的末端。 端粒可能從染色體的兩端延伸。例如，標準的家鼠核型只有近端著絲粒染色體。 人類沒有端著絲粒染色體。一些作者將極端的近端著絲粒染色體稱為端著絲粒 - 21、22、Y。

亞端著絲粒

如果染色體的著絲粒更靠近其末端而不是其中心，則可以將其描述為亞端著絲粒染色體。

全著絲粒

對於全著絲粒染色體，整個染色體長度充當著絲粒。這種型別的著絲粒的例子可以在整個植物和動物界中找到，最著名的例子是線蟲秀麗隱杆線蟲。

端粒

端粒是線性真核染色體末端的一段短而特異的重複DNA序列，它保護染色體末端免受降解。它的名字來源於希臘語中的“telos”和“meros”，分別表示“末端”和“部分”。端粒區域透過允許染色體末端縮短來阻止染色體末端附近基因的降解，而染色體末端縮短是在染色體複製過程中必然發生的。在1975-1977年，伊麗莎白·布萊克本在耶魯大學與約瑟夫·加爾一起擔任博士後研究員期間，發現了端粒的不尋常性質，它們由構成染色體末端的簡單重複DNA序列組成。他們的研究成果於1978年發表。端粒縮短機制通常將細胞的複製次數限制在一定範圍內，動物研究表明這在細胞層面上導致衰老並限制了壽命。端粒保護細胞的染色體免於相互融合或重排——這些異常會導致癌症——因此，當細胞的端粒消耗殆盡時，細胞就會被破壞。大多數癌症都是“永生”細胞的結果，這些細胞具有逃避這種程式性破壞的方法。

端粒的維持依賴於一種名為端粒酶的特殊核糖核蛋白 (RNP)。端粒和端粒酶具有不同的物理行為，但它們之間存在底物-酶關係，迫使它們建立有效的相互作用。然而，控制它們相互作用的調節機制仍然未知。

伊麗莎白·布萊克本、卡羅爾·格雷德和傑克·紹斯塔克因發現端粒如何保護染色體以及端粒酶的發現獲得了 2009 年諾貝爾生理學或醫學獎。

端粒的結構和功能

端粒是位於大多數真核生物和少數原核生物的線性染色體末端的重複DNA序列。端粒彌補了染色體末端半保留DNA複製的不完全性。對同源重組 (HR) 和非同源末端連線 (NHEJ) 的保護構成了端粒的“帽”作用，將其與DNA雙鏈斷裂 (DSBs) 區分開來。

在大多數原核生物中，染色體是環狀的，因此沒有末端會受到過早複製終止的困擾。一小部分細菌l染色體（如鏈黴菌和伯氏疏螺旋體中的染色體）是線性的，並具有端粒，它們在結構和功能上與真核染色體的端粒截然不同。已知的細菌端粒結構呈蛋白質結合到線性染色體末端的形式，或者線性染色體末端單鏈DNA的髮夾環的形式。

在大多數多細胞真核生物中，端粒酶僅在生殖細胞、幹細胞和某些白細胞中活躍。有一些理論聲稱，體細胞 (身體) 細胞每次複製時端粒的穩定縮短可能在衰老和預防癌症中發揮作用。這是因為端粒充當一種延遲“熔斷器”，最終在一定數量的細胞分裂後耗盡，並導致細胞染色體在未來分裂過程中最終丟失重要的遺傳資訊。

端粒長度在物種之間差異很大，從酵母中的大約 300 到 600 個鹼基對到人類中的數千個鹼基對，通常由富含鳥嘌呤的六到八個鹼基對長的重複序列組成。真核端粒通常以 3′ 單鏈 DNA 突出端結束，這對端粒的維持和封端至關重要。已經確定了多種結合單鏈和雙鏈端粒 DNA 的蛋白質。 它們在端粒的維持和封端中發揮作用。端粒形成稱為端粒環或 T 環的大環結構。在這裡，單鏈 DNA 以長圓圈的形式捲曲，並由端粒結合蛋白穩定。 在 T 環的最末端，單鏈端粒 DNA 被連線到一個雙鏈 DNA 區域，端粒鏈破壞雙螺旋 DNA 並與兩條鏈中的一條進行鹼基配對。這種三鏈結構被稱為置換環或 D 環。

人類端粒縮短會導致複製性衰老，從而阻止細胞分裂。這種機制似乎透過限制細胞分裂次數來防止人類衰老細胞中的基因組不穩定和癌症發生。然而，端粒縮短會損害免疫功能，這可能也會增加患癌風險。^[27] 繞過這種停滯的惡性細胞透過端粒延伸而永生化，這主要是由於端粒酶的啟用，端粒酶是一種負責端粒合成的逆轉錄酶。然而，5-10%的人類癌症激活了另一種端粒延長途徑 (ALT)，該途徑依賴於重組介導的端粒延長。

由於端粒縮短被認為是健康狀況下降和衰老的原因，這引出了一個問題，為什麼沒有選擇更長的端粒來改善這些影響。一種主要的解釋表明，遺傳更長的端粒會導致癌症發生率增加（例如，Weinstein 和 Ciszek，2002）。然而，最近的文獻回顧和分析^[27] 表明這不太可能，因為端粒縮短和端粒酶失活更常與癌症發生率增加相關，而癌症死亡率發生在生命的後期，此時自然選擇的力度非常低。另一種對長端粒因其促癌作用而被選擇的假說的解釋是“節儉端粒”假說，該假說認為長端粒的細胞增殖效應會導致能量消耗增加。^[27] 在能量有限的環境中，端粒縮短可能是一種節約能量的機制。

人類端粒和癌症

缺乏端粒酶的人類體細胞由於複製不完全而逐漸丟失端粒序列（Counter 等人，1992）。隨著人類端粒越來越短，細胞最終會達到其複製能力的極限，並進入衰老。衰老涉及 p53 和 pRb 途徑，並導致細胞增殖停滯。人們認為衰老在抑制癌症發生中起著重要作用，儘管遺傳較短的端粒可能並不能防止癌症（Eisenberg，2011）。^[28] 當端粒嚴重縮短時，可以透過失活 p53 和 pRb 途徑來實現進一步的細胞增殖。在 p53 和 pRb 途徑失活後進入增殖的細胞會經歷危機。危機以染色體大規模重排和基因組不穩定為特徵，幾乎所有細胞都會死亡。很少有細胞從危機中存活下來，這些細胞透過啟用端粒酶或 ALT 而永生化，從而延長了端粒（Colgina 和 Reddel，1999；Reddel 和 Bryan，2003）。對 ALT 細胞系的首次描述表明，端粒的長度高度異質，並預測了一種涉及重組的機制（Murnane 等人，1994）。隨後的研究證實了重組在 ALT 端粒維持中的作用（Dunham 等人，2000），然而，該途徑的確切機制還有待確定。ALT 細胞會產生大量的 t 環，可能是端粒內重組和 t 環解析度的產物（Tomaska 等人，2000；2009；Cesare 和 Griffith，2004；Wang 等人，2004）。

端粒酶是一種“核糖核蛋白複合物”，由蛋白質成分和 RNA 引物序列組成，作用於保護染色體的末端。端粒酶的作用是必要的，因為在複製過程中，DNA 聚合酶只能以 5' 到 3' 的方向合成 DNA，並且只能透過在 DNA 序列中已經放置的 RNA 引物的各個點新增多核苷酸來實現。這些 RNA 鏈必須在之後被 DNA 替換。這種 RNA 引物的替換在染色體內的複製起始點沒有問題，因為 DNA 聚合酶可以使用 RNA 模板 5' 端的先前 DNA 片段作為模板來回填 RNA 引物所在的位置的序列；然而，在染色體的末端，DNA 聚合酶無法替換 RNA 引物，因為沒有 RNA 引物 5' 端的位置可以放置另一個引物，也沒有上游 DNA 可以用作引物，使 DNA 聚合酶可以替換 RNA 引物。如果沒有 DNA 末端的端粒，染色體末端的這個基因序列將被刪除，並且染色體在隨後的複製中會越來越短。端粒透過採用不同的機制來合成此處的 DNA 來防止這個問題，從而保留染色體末端的序列。這可以防止染色體磨損，並防止染色體末端被處理成雙鏈 DNA 斷裂，這會導致染色體之間的端粒融合。端粒透過端粒酶延長，端粒酶是專門的逆轉錄酶的一個蛋白質亞組的一部分，被稱為Telomerase reverse transcriptase (TERT)（TElomerase Reverse Transcriptases），參與人類和許多其他（但並非全部）生物體中端粒的合成。然而，由於 DNA 複製機制、氧化應激，以及因為 TERT 在許多型別的人類細胞中的表達非常低，這些細胞的端粒在每次細胞分裂時都會縮短一點點，儘管在需要大量細胞分裂的其他細胞區室（如干細胞和某些白細胞）中，TERT 的表達水平較高，並且端粒縮短被部分或完全阻止。

人類端粒 DNA 可形成的平行四鏈體的結構。影像由 NDB UD0017 建立。

除了其 TERT 蛋白成分外，端粒酶還包含一段模板 RNA，稱為 TERC（TElomerase RNA Component）或 TR（Telomerase RNA）。在人類中，這個 TERC 端粒序列是一個重複的 TTAGGG 字串，長度在 3 到 20 千鹼基對之間。在端粒和染色體的其餘部分之間還有額外的 100-300 千鹼基對的端粒相關重複序列。端粒序列在不同物種之間有所不同，但一般來說，一條鏈富含 G，而 C 較少。這些富含 G 的序列可以形成四鏈結構（G 四鏈體），四鹼基組在平面上保持，然後彼此堆疊，在平面四鏈體之間有鈉或鉀離子。

如果端粒變得太短，它們有可能從假定的閉合結構中解開。人們認為細胞會將這種去帽檢測為 DNA 損傷，然後根據細胞的遺傳背景（p53 狀態）進入細胞衰老、生長停滯或凋亡。去帽端粒也會導致染色體融合。由於這種損傷在正常的體細胞中無法修復，細胞甚至可能進入凋亡。許多與衰老相關的疾病都與端粒縮短有關。隨著越來越多的細胞死亡或進入細胞衰老，器官會逐漸退化。

在端粒的最遠端是一個 300 bp 的單鏈部分，形成 T 環。這個環類似於一個結，它穩定端粒，防止端粒末端被 DNA 修復機制識別為斷裂點。如果端粒末端發生非同源末端連線，則會導致染色體融合。T 環由七種已知的蛋白質維持，其中最重要的是 TRF1、TRF2、POT1、TIN1 和 TIN2，它們共同被稱為庇護蛋白複合體。

2005 年 5 月 3 日發表在美國心臟協會雜誌 Circulation 上的一項研究發現，體重增加和胰島素抵抗增加與隨著時間的推移端粒縮短程度更大相關。

一些已知的端粒序列

組	生物體	端粒重複序列（5' 到 3' 朝向末端）
脊椎動物	人類，小鼠，非洲爪蟾	TTAGGG
絲狀真菌	粗糙脈孢黴	TTAGGG
粘菌	團毛黴屬，粘菌屬	TTAGGG
	盤基網柄菌屬	AG(1-8)
動基體原生動物	錐蟲屬，錐形蟲屬	TTAGGG
纖毛蟲	四膜蟲屬，綠眼蟲屬	TTGGGG
	草履蟲屬	TTGGG(T/G)
	毛口蟲屬，柄毛蟲屬，斜管蟲屬	TTTTGGGG
頂復體原生動物	瘧原蟲屬	TTAGGG(T/C)
高等植物	擬南芥	TTTAGGG
綠藻	衣藻屬	TTTTAGGG
昆蟲	家蠶	TTAGG
圓蟲	蛔蟲	TTAGGC
裂殖酵母	粟酒裂殖酵母	TTAC(A)(C)G(1-8)
出芽酵母	釀酒酵母	TGTGGGTGTGGTG (來自RNA模板) 或 G(2-3)(TG)(1-6)T (共識序列)
	卡氏酵母	TCTGGGTG
	光滑念珠菌	GGGGTCTGGGTGCTG
	白色念珠菌	GGTGTACGGATGTCTAACTTCTT
	熱帶念珠菌	GGTGTA[C/A]GGATGTCACGATCATT
	麥芽念珠菌	GGTGTACGGATGCAGACTCGCTT
	圭拉德念珠菌	GGTGTAC
	假熱帶念珠菌	GGTGTACGGATTTGATTAGTTATGT
	乳酸克魯維酵母	GGTGTACGGATTTGATTAGGTATGT

微衛星和小衛星

衛星DNA由大量串聯重複的非編碼DNA組成。衛星DNA是功能性著絲粒的主要組成部分，也是異染色質的主要結構成分。 “衛星DNA”這個名稱是指短DNA序列的重複如何傾向於產生腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤和胸腺嘧啶的不同頻率，因此與整體DNA具有不同的密度——因此，當基因組DNA在密度梯度上分離時，它們會形成第二或“衛星”帶。

衛星DNA的型別

衛星DNA與微衛星和小衛星DNA一起構成串聯重複序列。

人類中的一些衛星DNA型別是

型別	重複單元的大小（bp）	位置
α（α型DNA）	171	所有染色體
β	68	染色體1、9、13、14、15、21、22和Y的著絲粒
衛星1	25-48	大多數染色體的著絲粒和其他異染色質區域
衛星2	5	大多數染色體
衛星3	5	大多數染色體

微衛星

微衛星是DNA的一部分，包含10-60 bp的短鹼基序列。它們存在於人類基因組的1000多個位置。一些微衛星包含中心（或“核心”）字母序列“GGGCAGGANG”（其中N可以是任何鹼基），或者更一般地，一條鏈上的嘌呤（腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G））和另一條鏈上的嘧啶（胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T））的鏈偏好。有人提出，這種序列本身會促使染色體交換DNA。在另一種模型中，是相鄰的順式作用減數分裂雙鏈斷裂熱點是微衛星重複複製數變異的主要原因。體細胞變化被認為是由複製困難造成的（這可能包括複製滑移等現象）。當發生此類事件時，會出錯，從而導致一個人基因組中 1000 多個位置的微衛星具有略微不同的重複次數，從而使每個人都獨一無二。到目前為止，描述的最具可變性的微衛星基因座是 Vergnaud 描述的 CEB1 (D2S90)。 微衛星與染色體脆性位點有關，並且靠近許多反覆易位斷裂點。一些人類微衛星（約 1%）已被證明是超突變的，其種系中的平均突變率高於 0.5%，最高可達 20% 以上，使其成為迄今為止已知的人類基因組中最不穩定的區域。雖然其他基因組（小鼠、大鼠和豬）包含類似微衛星的序列，但沒有發現任何一個具有超突變性。由於所有超突變的微衛星都包含內部變異，因此它們提供了極其資訊豐富的系統來分析此類串聯重複序列中發生的複雜週轉過程。透過 PCR 進行的微衛星變異重複圖譜 (MVR-PCR) 已被廣泛用於繪製變異重複序列沿陣列的散佈模式，這提供了關於等位基因在突變之前和之後的結構的詳細資訊。研究表明，體細胞和種系細胞中存在不同的突變過程。在血液 DNA 中檢測到的體細胞不穩定性顯示出簡單且罕見的等位基因內事件，其發生率比精子中低兩個到三個數量級。相反，在種系中發生複雜的等位基因間轉換樣事件。[6] 對人類微衛星側翼 DNA 序列的額外分析也揭示了一個強烈且高度區域性的減數分裂交叉熱點，該熱點集中在不穩定側的微衛星陣列上游。因此，重複週轉似乎受到側翼重複陣列的 DNA 中重組活動的控制，並導致突變的極性。這些發現表明，微衛星最可能是在人類基因組中區域性減數分裂重組熱點的旁觀者中進化而來的。

應用 自 1980 年 A.R. Wyman 和 R. White 偶然發現第一個人類微衛星，尤其是發現微衛星的極端多型性使其非常適合DNA指紋識別後Alec Jeffreys，此類重複序列一直是研究的重點，這些研究旨在解決導致其不穩定性的週轉機制。由於其高度多型性，微衛星已被廣泛用於DNA指紋識別，以及連鎖分析和群體研究中的遺傳標記。

微衛星也被認為是基因表達的調節因子（例如，在轉錄、可變剪接或印記控制水平）或作為真正開放閱讀框的一部分。

小衛星

小衛星，也稱為簡單序列重複序列 (SSR)，有時稱為短串聯重複序列 (STR)，是 1-6 個鹼基對的 DNA 重複序列。小衛星通常是中性的且共顯性的。它們被用作遺傳學中的分子標記，用於親緣關係、種群和其他研究。它們也可以用於研究基因的複製或缺失。

小衛星的一個常見例子是 (CA)n 重複，其中 n 在等位基因之間是可變的。這些標記通常呈現出高水平的種間和種內多型性，尤其是在串聯重複序列的次數為 10 或更多時。重複序列通常很簡單，由兩個、三個或四個核苷酸組成（分別為二核苷酸、三核苷酸和四核苷酸重複序列），並且可以重複 10 到 100 次。CA 核苷酸重複序列在人類和其他基因組中非常頻繁，並且每隔幾千個鹼基對出現一次。由於在一個小衛星基因座上通常存在許多等位基因，因此譜系內的基因型通常是完全有資訊的，因為通常可以識別特定等位基因的祖先。這樣，小衛星非常適合確定親子關係、群體遺傳學研究和重組圖譜。它也是唯一能夠提供有關哪些等位基因更密切相關的線索的分子標記。小衛星的變異性歸因於與 DNA 其他中性區域相比，突變率較高。這些高突變率可以用 DNA 複製過程中單鏈 DNA 上的滑鏈錯配（滑移）來解釋。突變也可能發生在減數分裂過程中的重組期間。[4] 複製過程中的某些滑移錯誤可以透過細胞核內的校對機制來糾正，但一些突變可能會逃脫修復。重複單元的大小、重複的次數和變異重複序列的存在都是因素，以及 DNA 重複區域的轉錄頻率。小衛星的干擾，可能是由於突變造成的，可能會導致多型性降低。然而，同樣的機制偶爾會導致小衛星的錯誤擴增；如果在 PCR 過程的早期發生滑移，則可以擴增錯誤長度的小衛星。

侷限性

小衛星已被證明是通用的分子標記，尤其適用於種群分析，但它們也並非沒有侷限性。為特定物種開發的小衛星通常可以應用於密切相關的物種，但成功擴增的基因座百分比可能會隨著遺傳距離的增加而降低。此類物種中引物退火位點的點突變可能會導致出現“零等位基因”，在這種情況下，小衛星無法在 PCR 測定中擴增。 零等位基因可以歸因於幾種現象。側翼區域的序列差異會導致引物退火不良，尤其是在 3’ 端，延伸從此處開始；由於 PCR 的競爭性，特定大小等位基因的優先擴增會導致雜合個體被評分為純合（部分零）。當特定基因座無法擴增時，PCR 可能會失敗，而其他基因座則擴增效率更高，並且可能在凝膠測定中顯示為純合，而實際上它們在基因組中是雜合的。零等位基因使小衛星等位基因頻率的解釋變得複雜，因此會使親緣關係估計出現錯誤。此外，隨機的交配抽樣效應可能會以與零等位基因效應非常相似的方式改變等位基因頻率；過高的純合子頻率導致偏離 Hardy-Weinberg 平衡預期。由於零等位基因是技術問題，而交配過程中發生的抽樣效應是種群的真實生物學特性，因此在觀察到過量的純合子時，區分它們通常非常重要。

當使用小衛星比較物種時，同源基因座很容易在相關物種中擴增，但隨著所討論物種之間遺傳距離的增加，在 PCR 過程中成功擴增的基因座數量可能會減少。小衛星等位基因的突變是有偏見的，因為較大的等位基因包含更多鹼基，因此在 DNA 複製中更容易發生誤譯。較小的等位基因也傾向於增大，而較大的等位基因則傾向於減小，因為它們可能受到上限限制；這種限制已被確定，但可能的數值尚未確定。如果各個等位基因之間存在很大的尺寸差異，那麼在減數分裂過程中的重組期間可能會出現更大的不穩定性。在腫瘤細胞中，複製控制機制可能受損，小衛星可能在每次有絲分裂迴圈中以特別高的頻率獲得或丟失。因此，腫瘤細胞系可能會顯示出與宿主組織不同的遺傳指紋。

變化機制

短序列重複序列長度變化的最常見原因是複製滑移，這是由於在減數分裂過程中複製時 DNA 鏈之間發生錯配造成的。通常，每個小衛星的滑移大約每 1000 代發生一次（Weber 1993）。重複 DNA 的滑移變化比基因組其他部分的點突變要常見得多。大多數滑移會導致僅改變一個重複單元，並且不同重複單元大小的滑移率以及不同物種內的滑移率有所不同。

短序列重複序列分佈在整個基因組中。可以推測，它們最可能的表達方式將因其位置而異。

在蛋白質中

在哺乳動物中，20% 到 40% 的蛋白質包含由短序列重複引起的氨基酸重複序列。基因組中蛋白質編碼部分的大多數短序列重複具有三個核苷酸的重複單元，因為該長度不會導致移碼突變（Sutherland 1995）。每個三核苷酸重複序列被轉錄成相同氨基酸的重複序列。在酵母中，最常見的重複氨基酸是谷氨醯胺、穀氨酸、天冬醯胺、天冬氨酸和絲氨酸。這些重複片段會影響蛋白質的物理和化學性質，有可能在蛋白質的作用中產生逐漸且可預測的變化。

例如，Runx2 基因中串聯重複區域的長度變化會導致家犬（Canis familiaris）面部長度的差異，並且更長的序列長度與更長的面部之間存在關聯。這種關聯也適用於更廣泛的食肉目物種。HoxA13 基因中多丙氨酸片段的長度變化與手足生殖器綜合徵有關，這是一種人類的先天性疾病。其他三聯體重複的長度變化與人類的 40 多種神經系統疾病有關。

複製滑移產生的進化變化也發生在更簡單的生物體中。例如，微衛星長度變化在酵母的表面膜蛋白中很常見，這為細胞特性提供了快速進化。具體來說，FLO1 基因的長度變化控制著對基質的粘附水平。短序列重複還為致病性細菌的表面蛋白提供了快速的進化變化，也許是為了使其能夠跟上宿主的免疫變化。這被稱為紅皇后假說。真菌（Neurospora crassa）中短序列重複的長度變化控制著其生物鐘迴圈的持續時間。

人類細胞在前期中期的 23 個染色體區域。

基因調控

啟動子和其它順式調控區域內微衛星的長度變化也可以在世代之間快速改變基因表達。人類基因組在調控區域包含許多（>16,000）短序列重複，它們為許多基因的表達提供了“微調旋鈕”（Rockman 2002）。細菌 SSR 的長度變化可以透過改變啟動子間距來影響流感嗜血桿菌的菌毛形成（Moxon 1994）。微衛星也與人類基因組中順式調控控制區域的大量變異有關。田鼠中加壓素 1a 受體基因控制區域的微衛星會影響它們的社會行為和一夫一妻制水平。

在內含子中

內含子中的微衛星也會透過目前尚不清楚的方式影響表型。例如，X25 基因第一個內含子中的 GAA 三聯體擴張似乎會干擾轉錄，並導致弗裡德賴希共濟失調（Bidichandani 1998）。天冬醯胺合成酶基因第一個內含子中的串聯重複與急性淋巴細胞性白血病有關。NOS3 基因第四個內含子中的重複多型性與突尼西亞人群的高血壓有關（Jemaa 2008）。EGFR 基因中重複長度的減少與骨肉瘤有關。

在轉座子中

微衛星分佈在整個基因組中。幾乎 50% 的人類基因組包含在各種型別的轉座因子（也稱為轉座子或“跳躍基因”）中，其中許多包含重複 DNA。這些位置的短序列重複可能也參與基因表達的調控。

各種生物體中的染色體數量

真核生物

這些表格給出了細胞核中染色體總數（包括性染色體）。例如，人類細胞是二倍體，並且有 22 種不同型別的常染色體，每種都以兩個複製存在，以及兩個性染色體。這總共得到 46 條染色體。其他生物體擁有超過兩個複製的染色體，例如普通小麥，它是六倍體，擁有七種不同染色體的六個複製——總共 42 條染色體。

一些植物中的染色體數量 植物物種 # 擬南芥（二倍體） 10 黑麥（二倍體） 14 玉米（二倍體或古四倍體） 20 一粒小麥（二倍體） 14 硬粒小麥（四倍體） 28 麵包小麥（六倍體） 42 栽培菸草（四倍體） 48 蛇舌蕨（二倍體） }

一些動物中的染色體數量 (2n) 物種 # 物種 # 普通果蠅 8 豚鼠 64 孔雀魚（poecilia reticulata） 46 花園蝸牛 54 蚯蚓（Octodrilus complanatus） 36 藏狐 36 家貓 38 家豬 38 實驗小鼠 40 實驗大鼠 42 兔子（Oryctolagus cuniculus） 44 敘利亞倉鼠 44 野兔 48 人類 46 大猩猩、黑猩猩 48 家羊 54 大象 56 奶牛 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 大型 染色體 中間型 染色體 微染色體 布魯氏錐蟲 11 6 ~100 家鴿 (Columba livia domestics) 18 - 59-63 雞 8 2條性染色體 60

特定真核生物物種的正常成員都具有相同數量的核染色體（見表格）。其他真核染色體，即線粒體和質粒樣小染色體，其數量差異更大，每個細胞可能含有數千個複製。

無性生殖物種有一組染色體，這些染色體在所有體細胞中都是相同的。然而，無性物種可以是單倍體或二倍體。

有性生殖|有性生殖物種具有體細胞（體細胞），這些細胞是二倍體 [2n]，具有兩組染色體，一組來自母親，另一組來自父親。配子，生殖細胞，是單倍體 [n]：它們具有一組染色體。配子由二倍體生殖細胞系細胞減數分裂產生。在減數分裂過程中，父親和母親的匹配染色體可以交換自身的小部分（交叉），從而產生新的染色體，這些染色體並非完全遺傳自父母雙方。當雄性和雌性配子融合（受精）時，就會形成一個新的二倍體生物體。

一些動植物物種是多倍體 [Xn]：它們具有超過兩組同源染色體。在農業中重要的植物，如菸草或小麥，通常是多倍體，與它們的祖先物種相比。小麥的單倍體數目為七條染色體，在一些栽培品種以及野生祖先中仍然可以見到。更常見的麵食和小麥麵包是多倍體，與野生小麥的14條（二倍體）染色體相比，分別具有28條（四倍體）和42條（六倍體）染色體。

原核生物

原核生物物種通常具有每個主要染色體的單個複製，但大多數細胞可以輕鬆地在具有多個複製的情況下存活。 例如，布氏桿菌，蚜蟲的共生體，其染色體具有多個複製，每個細胞的複製數從10到400不等。 然而，在一些大型細菌中，例如費氏巨形細菌，染色體的複製數可能高達100,000個。 質粒和質粒樣小染色體與真核生物一樣，複製數變化很大。細胞中質粒的數量幾乎完全由質粒的複製速率決定——快速複製導致高複製數，反之亦然。

染色體異常、異常或畸變

當染色體的結構發生改變時。這可以採取多種形式

缺失：染色體的一部分缺失或被刪除。人類已知的疾病包括狼-希爾施霍恩綜合徵，該綜合徵是由4號染色體短臂部分缺失引起的；以及雅各布森綜合徵，也稱為11q端粒缺失綜合徵。

重複：染色體的一部分被複制，導致額外的遺傳物質。人類已知的疾病包括夏科-馬裡-圖斯病1A型，這可能是由於編碼周圍髓鞘蛋白22 (PMP22) 的基因在17號染色體上的重複引起的。

易位：當一條染色體的一部分轉移到另一條染色體上時。易位主要有兩種型別。在相互易位中，來自兩條不同染色體的片段被交換。在羅伯遜易位中，整條染色體附著在另一條染色體的著絲粒上——在人類中，這隻會發生在13、14、15、21和22號染色體上。

倒位：染色體的一部分斷裂，倒置並重新連線，因此遺傳物質被倒置。

環狀：染色體的一部分斷裂並形成圓圈或環狀。這可能發生在有或沒有遺傳物質丟失的情況下。

等臂染色體：由包括著絲粒在內的染色體片段的映象複製形成。

染色體不穩定綜合徵是一組以染色體不穩定和斷裂為特徵的疾病。它們通常會導致對某些型別的惡性腫瘤的易感性增加。

染色體畸變是細胞正常染色體含量中的中斷，是人類遺傳疾病的主要原因，如唐氏綜合徵。一些染色體異常不會導致攜帶者患病，例如易位或染色體倒位，儘管它們可能導致生出患有染色體疾病孩子的可能性更高。染色體或染色體組的數量異常，即非整倍體，可能是致命的，也可能導致遺傳疾病。對於可能攜帶染色體重排的家庭，可以提供遺傳諮詢。

染色體中 DNA 的獲得或丟失會導致各種遺傳疾病。人類的例子包括

貓叫綜合徵，是由 5 號染色體短臂部分缺失引起的。 “貓叫”在法語中是 “貓叫” 的意思，這種疾病因此得名，因為受影響的嬰兒會發出像貓一樣的尖銳哭聲。受影響的個體眼睛間距大，頭部和下巴小，智力障礙中度到重度，身材矮小。

唐氏綜合徵，通常是由 21 號染色體多出一條複製（21 三體）引起的。特徵包括肌肉張力減退、體格更壯實、頭骨不對稱、眼睛傾斜和輕度到中度智力發育障礙。[49]

愛德華茲綜合徵，是第二常見的染色體三體；唐氏綜合徵是最常見的。它是 18 號染色體三體。症狀包括運動遲緩、智力發育障礙和許多先天性畸形，導致嚴重的健康問題。90% 的患兒在嬰兒期死亡；然而，那些活過一週歲的患兒，此後通常會非常健康。他們有一個特點，即拳頭緊握，手指重疊。

Idic15，是 Isodicentric 15 on chromosome 15 的縮寫；也稱為以下名稱，因為各種研究，但它們都意味著相同；IDIC(15)，倒置重複 15，額外的標記，Inv dup 15，部分四體 15

雅各布森綜合徵，也稱為 11q 端粒缺失綜合徵。這是一種非常罕見的疾病。受影響的人智力正常或有輕微的智力發育障礙，但語言表達能力差。大多數患有巴黎-特魯索綜合徵，這是一種出血性疾病。

克萊恩費爾特綜合徵（XXY）。患有克萊恩費爾特綜合徵的男性通常不育，並且手臂和腿比同齡人長，身材也比同齡人高。患有這種綜合徵的男孩通常害羞和安靜，說話延遲和閱讀障礙的發生率較高。青春期，如果不進行睪酮治療，他們中的一些人可能會出現乳房發育。

帕陶綜合徵，也稱為 D 綜合徵或 13 三體。症狀與 18 三體有些相似，但沒有特徵性的手型。

小型超數標記染色體。這意味著存在一條額外的異常染色體。特徵取決於額外遺傳物質的來源。貓眼綜合徵和 15 號染色體等臂染色體綜合徵（或 Idic15）都是由超數標記染色體引起的，帕利斯特-基利安綜合徵也是如此。

三 X 綜合徵 (XXX)。XXX 女孩子往往身材高挑，骨骼纖細。她們閱讀障礙的發生率較高。

特納綜合徵（X 而不是 XX 或 XY）。在特納綜合徵中，女性性徵存在，但發育不良。特納綜合徵患者通常身材矮小，髮際線低，眼睛和骨骼發育異常，胸部呈“凹陷”狀。

XYY 綜合徵。XYY 男孩通常比他們的兄弟姐妹高。像 XXY 男孩和 XXX 女孩一樣，他們也更可能出現學習障礙。狼-希爾施霍恩綜合徵，是由 4 號染色體短臂部分缺失引起的。它的特徵是嚴重生長遲緩和嚴重到極度嚴重的精神健康問題。

燈刷染色體

多線染色體

燈刷染色體（首次由弗萊明於 1882 年發現）是一種特殊的染色體形式，存在於大多數動物（除哺乳動物外）的生長中的卵母細胞（未成熟卵子）中。有尾和無尾兩棲動物、鳥類和昆蟲的燈刷染色體描述得最為詳細。染色體在減數分裂前期 I 的雙線期轉變為燈刷形式，這是由於許多基因的活躍轉錄。它們是高度延伸的減數分裂半二價體，每個二價體包含 2 條姐妹染色單體。燈刷染色體即使在光學顯微鏡下也很容易觀察到，可以看到它們被組織成一系列染色粒，並且有大的染色質環從側面延伸出來。可以從卵母細胞核（生殖囊）中透過鑷子或針頭顯微手術分離兩棲動物和鳥類的燈刷染色體。給定的環始終包含相同的 DNA 序列，並且隨著卵母細胞的生長，它保持以相同的方式延伸。這些染色體正在為卵母細胞產生大量的 RNA，並且 DNA 環中存在的大多數基因正在被積極表達。每個側環包含一個或多個轉錄單位，其中極化的 RNP 矩陣包裹著環的 DNA 軸。然而，大多數 DNA 並不在環中，而是高度濃縮在軸上的染色粒中，在那裡基因通常不表達。人們認為所有真核生物的間期染色體以類似的方式排列成環。儘管這些環通常太小且易碎，難以在光學顯微鏡下觀察，但可以使用其他方法來推斷它們的存在。例如，現在已經有可能評估間期染色體上兩個基因座相互配對的頻率，從而揭示構成緊密相鄰的環結構基礎的染色質位點的候選者。這些實驗和其他實驗表明，人類染色體中的 DNA 被組織成不同長度的環。一個典型的環可能包含 50,000 到 200,000 個鹼基對的 DNA，儘管也有人提出過百萬個鹼基對的環。

燈刷形式的巨型染色體是研究減數分裂前期染色體組織、基因組功能和基因表達的有用模型，因為它們可以使單個轉錄單位視覺化。此外，燈刷染色體被廣泛用於高解析度的 DNA 序列作圖和構建單個染色體的詳細細胞學圖譜。 為了增加細胞體積，一些特化的細胞在沒有細胞分裂的情況下進行多次 DNA 複製（核內有絲分裂），形成巨型多線染色體。當多次複製產生許多姐妹染色單體並保持聯會在一起時，就會形成多線染色體。除了增加細胞核的體積並導致細胞擴張之外，多線細胞也可能具有代謝優勢，因為基因的多個複製允許高水平的基因表達。例如，在黑腹果蠅中，幼蟲唾液腺的染色體經歷了許多輪次內複製，以在化蛹之前產生大量的粘合劑。

多線染色體

多線染色體具有特徵性的明暗帶狀圖案，可以用來識別染色體重排和缺失。暗帶通常對應於不活躍的染色質，而明帶通常在轉錄活性較高的區域發現。黑腹果蠅多線染色體的帶狀圖案在 1935 年由卡爾文·B·布里奇斯繪製，其細節程度之高，以至於他的圖譜至今仍被廣泛使用。染色體的帶狀圖案在研究中尤其有用，因為它們提供了對轉錄活躍的染色質和一般染色質結構的極好視覺化。染色體膨大是多線染色體的彌散解旋區域，是 RNA 轉錄的位點。巴爾比安尼環是一個大型染色體膨大。多線染色體最初是由巴爾比安尼在 1881 年在搖蚊幼蟲的唾液腺中觀察到的，但直到 20 世紀 30 年代初，埃米爾·海茨和漢斯·鮑爾在黑腹果蠅中研究了這些結構，才證實了它們的遺傳特性。已知它們存在於其他雙翅目昆蟲的分泌組織中，如搖蚊的馬氏管，以及原生動物、植物、哺乳動物或其他昆蟲的細胞中。到目前為止，所描述的一些最大的多線染色體存在於搖蚊屬 Axarus 幼蟲的唾液腺細胞中。另一種提供增加轉錄的染色體增大形式是燈刷染色體。多線染色體也被用來識別搖蚊幼蟲的種類，這些幼蟲 notoriously 難以識別。每個形態上不同的幼蟲群體包含許多形態上相同的（同胞）物種，這些物種只能透過飼養成年雄性或透過幼蟲多線染色體的細胞遺傳學分析來識別。核型被用來確認特定物種的存在，以及研究具有廣泛範圍的物種的遺傳多樣性。

B 染色體

除了正常的核型外，許多動物、植物和真菌物種的野生群體包含 B 染色體（也稱為超數染色體或副染色體）。根據定義，這些染色體對於物種的生存不是必需的，在一些（通常是大多數）個體中缺失。因此，一個群體將由具有 0、1、2、3（等等）個超數染色體的個體組成。大多數 B 染色體主要是或完全是異染色質（因此在很大程度上是非編碼的），但有些，例如玉米的 B 染色體，包含相當大的常染色質片段。一般來說，似乎超數染色體不會在一個物種中持續存在，除非存在某種積極的適應性優勢，在少數情況下已經確定了這種優勢。例如，英國的蚱蜢 Myrmeleotettix maculatus 有兩種結構型別的 B 染色體：中著絲粒染色體和亞中著絲粒染色體。這些超數染色體具有衛星 DNA，出現在溫暖乾燥的環境中，而在潮溼涼爽的地方很少見或不存在。在植物中，B 染色體往往存在於生殖系中，但會從其他組織（如根尖和葉片）中丟失。有證據表明超數染色體對花粉育性的有害影響，並且在許多物種中也已知有利的影響或與特定棲息地的關聯。超數染色體的進化起源尚不清楚，但推測它們必須在遙遠的過去從正常染色體的異染色質片段中衍生而來。一般來說，“我們可以將超數染色體視為一種非常特殊的遺傳多型性類別，由於多種積累機制，它不服從普通的孟德爾遺傳定律。”在某些情況下，B 染色體可能對正常的 A 染色體發揮積極作用。B 染色體抑制同源配對，從而減少了異源多倍體中同源染色體之間的多次配對。二價體配對由 B 基因組 Phlocus 染色體 5 上的一個基因保證。B 染色體對 A 染色體還有以下影響：增加不對稱的交叉互換分佈，增加交叉互換和重組頻率：增加變異，導致增加的非配對染色體：不育 B 染色體有在減數分裂細胞產物中積累的趨勢，導致 B 數目在幾代之間增加。然而，這種影響被針對不育的選擇所抵消。B 染色體不應該與標記染色體或正常的染色體的額外複製混淆，因為它們存在於三體中。

真菌中的超數染色體

染色體多型性在真菌中非常普遍。同一物種的不同分離株通常具有不同的染色體數目，其中一些額外的染色體對於培養中的正常生長是不必要的。額外的染色體被稱為條件性可分配的或超數的，因為它們在某些情況下是可以分配的，但在不同的環境下可能會帶來選擇優勢。超數染色體不攜帶真菌基本生長所必需的基因，但可能具有一些功能意義。例如，人們發現豌豆病原體 Haematonectria haematococca 的超數染色體攜帶一些對真菌致病能力很重要的基因。發現這種超數 DNA 編碼了一組代謝毒素（稱為植物抗毒素）的酶，這些毒素是由植物的免疫系統分泌的。這些超數元件可能起源於水平基因轉移事件，因為序列分析通常表明它們與必需的染色體 DNA 具有不同的進化歷史。