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【转载】秋水仙素及其作用机制  

2014-04-23 14:17:13|  分类: 教学资料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自生物清风岭《秋水仙素及其作用机制》

    秋水仙素(colchicine)一种生物碱,最初从百合科植物秋水仙(Colchicum autumnale)种子、球茎中提取出来的,分子式C22H25O6N。秋水仙素呈白色或黄色粉末或针状结晶,有剧毒,易溶于冷水、酒精和氯仿,难溶于热水、乙醚等,有效诱导浓度为0.0006%1.6%,一般以0.2%浓度效果最好。常被用作多倍体诱导剂,经处理的萌发种子或幼苗细胞染色体数会发生加倍。其诱导加倍的机理与微管、着丝粒的结构和特性有关。

    微管是广泛存在于各种真核细胞中的一种重要细胞结构,细胞分裂中纺锤体就是由微管组成的。微管管壁由13条原丝纵向平行排列构成,主要成分为微管蛋白,而微管蛋白分α微管蛋白和β微管蛋白两种。α微管蛋白和β微管蛋白组成的异二聚体构成微管亚单位,若干个异二聚体相接连成原丝。α微管蛋白与β微管蛋白在化学结构上极为相似,两者相对分子质量均为50 000,氨基酸数目分别为450 445 个,两者42 %序列相同。其中β微管蛋白肽链中第201位为半胱氨酸,为秋水仙素结合部位。α微管蛋白和β微管蛋白彼此间具有很强的亲和力,常呈二聚体形式存在。每一微管蛋白异二聚体上尚有秋水仙素与之结合的部位,如果结合的部位被其结合,微管不仅不能继续聚合,而且会引起原有微管解聚。故秋水仙素具有干扰微管装配,破坏纺锤体形成和终止细胞分裂的作用。

     细胞分裂间期染色体经过复制形成了两条姐妹染色单体,但在进入后期之前,姐妹染色单体在着丝粒区连结在一起。着丝粒位于染色体上的主缢痕部位,为染色单体的连接结构,而动粒才是动粒纤维附着在染色体的结构。着丝粒是由一段特殊DNA序列构成,着丝粒DNA 具有高度重复序列,如小鼠染色体着丝粒约有300 个碱基对重复几千次组成,含量占染色体DNA 5 % 10 %,而在果蝇细胞中可达40 %Clarke 等学者认为,着丝粒区域DNA 可能编码一种特殊信号,使其复制在S 期受阻遏,一直到后期这一区域DNA 复制才完成。着丝粒DNA 复制完成也就启动了后期染色单体的分离,故姐妹染色单体分离动力不是来自与两极相连的动粒微管张力。人们发现,用秋水仙素处理分裂的细胞,虽然纺锤体被破坏了,但是两条姐妹染色单体照样分开。总之,秋水仙素虽然破坏了细胞中微管组装,阻止了纺锤体正常生成,使细胞分裂失去了动力来源,从而在染色体复制后期细胞不能一分为二,但是染色体数却加倍了。

     这种由秋水仙素引起的不正常分裂,称为秋水仙素有丝分裂C-mitosis)。自1937年美国学者布莱克斯利(A.F.Blakeslee)等,用秋水仙素加倍曼陀罗等植物的染色体数获得成功以后,秋水仙素就被广泛应用于细胞学、遗传学的研究和植物育种的工作中。例如,小麦与黑麦杂交,杂种是不育的,用秋水仙素处理,使染色体加倍,就能变成可育的异源八倍体小黑麦,在云贵高寒地区种植,产量和品质都比小麦和黑麦好。50年代日本用秋水仙素处理一般甜菜得到了四倍体,后者与二倍体品种相间种植,从四倍体植株上收获到三倍体种子。推广种植三倍体甜菜,获得了很大的经济效益。1951年,日本学者木原均,用同样方法培育成功三倍体无籽西瓜,秋水仙素也起了重要作用。

     秋水仙素是诱变多倍体效果最好的药剂之一。其作用机理是:当细胞进行分裂时,一方面能使染色体的着丝点延迟分裂,于是已复制的染色体两条单体分离,而着丝点仍连在一起,形成“X”形染色体图象(称为C-有丝分裂,即秋水仙效应有丝分裂);另一方面是引起分裂中期的纺锤丝断裂,或抑制纺锤体的形成,结果到分裂后期染色体不能移向两极,而重组成一个双倍性的细胞核。这时候,细胞加大而不分裂,或者分裂成一个无细胞核的子细胞和一个有双倍性细胞核的子细胞。经过一个时期以后,这种染色体数目加倍了的细胞再分裂增长时,就构成了双倍性的细胞和组织。

     秋水仙素不论是破坏还是抑制纺锤体的形成,作用都是一时的。秋水仙素可以抑制纺锤体的形成,导致细胞不分裂,然后过一段时间秋水仙素代谢掉,不再起作用,细胞继续分裂,然后才是“染色体数目加倍”(着丝点的分裂)。着丝点的分离与纺锤体无关,因为在用秋水仙素处理,破坏微管的情况下,两条单体也可以分开。这是由于Ca离子的诱导,使着丝点分开后,再由纺锤体牵引移向两极,也就是说纺锤体只起牵引染色体的作用。

    秋水仙素之所以造成两个方面的应用,是在于他们在利用时,秋水仙浓度的不同。用于中期核型分析的浓度较高而用于产生双倍体或多倍体时浓度较低,并且当秋水仙素浓度很低时,还有加快染色体运动,使染色体更快的到达两极!

两个染色单体是如何分开的?秋水仙素及其作用机制 - 生物清风岭 - 生物清风岭

姐妹染色单体的分离和纺锤体的牵引作用无关。

该图为染色体结构图。此时它包含两条姐妹染色单体。这两条姐妹染色单体连接在同一个连离粒上。教材上称之为着丝点,这种说法不妥当。因为染色体上的主缢痕(染色体上染色浅内缢)部位是连离粒,在它的两侧为着丝点,着丝点上可附着纺锤丝如图所示。由于连离粒和着丝点所在的区域很小,在光学显微镜下,很难把它们区分开,因此过去把这两个词都称为着丝粒或着丝点。但是现在在电子显微镜下已把连离粒和着丝点这两个区域分开了。也即着丝点是附着纺锤丝的区域,而连离粒是姐妹染色单体中期时连接、后期时分离区域的一段直线的非编码DNA,在它的两侧为着丝点。因此复制以后的染色体上的两条染色单体是由一个连离粒连接,而不是一个着丝点。实际上是两个着丝点。

    现在我们看一下“姐妹分家”的过程:连离粒DNA复制控制模型认为,在细胞分裂间期的S期要进行DNA复制,但是连离粒DNA的复制却被某种因素所抑制,使姐妹染色单体连接在连离粒区,在有丝分裂中期或减数第二次分裂中期,又恢复了连离粒DNA的复制,产生了两个连离粒,从而将姐妹染色单体分开。因此姐妹染色单体分开是连离粒DNA复制的结果,而不是由纺锤丝牵拉的结果。纺锤体的作用只是把已分开的染色体拉向两极。

通过以上分析可知,在细胞分裂过程中,“姐妹分家”也即一条染色体变成两条染色体,不是因为一个着丝点一分为二,而是一个连离粒复制成两个。在诱导多倍体形成过程中,秋水仙素只能抑制纺锤体的形成,而不会阻碍连离粒的复制。因此染色体数目会加倍。但是因为没有纺锤体的牵引,加倍的染色体不会移向两极,形不成两个子细胞。因此加倍的染色体就留在一个细胞中,由这样的细胞就发育成多倍体

主要内容来自《秋水仙素的诱导机理》江苏常州东南大学常州附属中学(213002)  吴举宏

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