性染色体 （决定生物性别的染色体）

简介

由性染色体决定生物性别的方式主要有雄杂合型（XY型）和雌杂合型（ZW型）两种类型。人类的性染色体属于XY型，男性为XY，女性为XX。在配子发生时，男性可产生分别含有X和Y染色体的两种精子，两种精子数目相等；而女性只能形成一种含有X染色体的卵子。受精时，X型精子与卵子结合形成的受精卵（XX）将发育成为女性；而Y型精子与卵子结合形成的受精卵（XY）将发育成男性。所以人类的性别是由精子决定的。在自然状态下，不同的精子与卵子的结合是随机的，因而人类的男女比例大致保持1∶1。人类Y染色体上有一个决定性别的关键基因，称为性别决定区域Y基因（sex determining region Y，SRY），它对睾丸的形成至关重要。此外，性染色体上还有与性别无关的基因。如人类Y染色体的外耳道多毛症基因；X染色体上的红绿色盲基因，甲型血友病基因（F8基因）、Duchenne肌营养不良症基因（DMD基因）、抗维生素D佝偻病基因（PHEX基因）等，每个基因都有其功能。

性染色体X或Y发生数目或结构异常引起的疾病性称性染色体病，主要有Klinefelter综合征（先天性睾丸发育不全）、XYY综合征、多X综合征以及Turner综合征（先天性卵巢发育不全综合征）。此外，决定一种疾病的基因在性染色体上的称为性染色体遗传病，包括X连锁隐性遗传病（XR）、X连锁显性遗传病（XD）和Y连锁遗传病。这些病在世代传递过程中总是和性别相关。

定义

具有性别分化的生物体的细胞中，在n对染色体（chromosome）中，其中一对染色体在形状上与其他染色体不同，它决定生物的性别，称为性染色体（sex chromosome），其余的染色体称为常染色体（autosome）。人类的一个正常体细胞中染色体数目是46条（2n=46），其中22对为常染色体；另外1对为性染色体，决定了人类的性别，包括X染色体和Y染色体。女性的性染色体组成为XX，男性的为XY。

形态结构

在细胞增殖周期中的不同时期，染色体的形态不断变化。在间期细胞核中，染色体解螺旋舒展成为染色质，染色质呈细丝状伸展，不均匀地分布于细胞核中；在从间期到分裂期的过程中，染色质通过螺旋化缩短变粗成为染色体。在细胞有丝分裂中期，因染色质高度凝集成染色体，此时染色体形态结构特征明显，可作为染色体一般形态和结构的标准。

每一中期染色体都具有两条染色单体（chromatid），互称为姊妹染色单体，它们各含有一条DNA双螺旋链。两条单体之间由着丝粒（centromere）相连接，着丝粒处凹陷缩窄为初级缢痕或主缢痕（primary constriction）。着丝粒将染色体划分为短臂（p）和长臂（q）两部分。在短臂和长臂的末端分别有一特化部位，称为端粒（telomere）。端粒起着维持染色体形态结构的稳定性和完整性的作用。在某些染色体的长、短臂上还可见凹陷缩窄的部分，称为次级缢痕（secondary constriction）。

性染色体

• 大小：根据染色体的长度和着丝粒的位置，将人类体细胞的46条染色体进行配对，顺序排列编号，其中的22对常染色体编为1~22号，并分为A，B，C，D，E，F，G7个组，A组最大，G组最小。而性染色体中，X染色体较大，长度介于C组第6号和第7号染色体之间；而Y染色体较小，大小通常与G组第21号和22号染色体相当。

• 形态：根据着丝粒在染色体上的相对位置，可以将人类染色体分为中央着丝粒染色体（metacentric chromosome）、亚中着丝粒染色体（submetacentric chromosome）和近端着丝粒染色体（acrocentric chromosome）3种类型。X染色体为亚中着丝粒染色体，着丝粒位于染色体纵轴的5/8~7/8之间，长臂和短臂的长度有明显的区别。Y染色体为近端着丝粒染色体，着丝粒位于染色体纵轴的7/8～近末端，短臂很短，且在短臂的末端有一球状结构，称为随体（satellite），随体柄部为缩窄的次级缢痕；Y染色体两长臂平行靠拢。

注：显带染色体是指染色体标本经过一定程序处理，并用特定染料染色，使染色体沿其长轴显现明暗或深浅相间的横行带纹，也称为染色体带（chromosomal band）。这种使染色体显带的方法，则称为显带技术。通过显带技术，使各号染色体都显现出独特的带纹，从而构成染色体的带型（banding pattern）。每对同源染色体的带型基本相同而且稳定，非同源染色体的带型各不相同。G显带是用Giemsa染液染色的显带技术。

性染色质

性染色质（sex chromatin）是性染色体（X和Y）在间期细胞核中显示出来的一种特殊结构，包括X染色质和Y染色质。性染色质属于功能异染色质（兼性异染色质）。它是在特定细胞或在一定发育阶段由常染色质凝缩转变而形成的。当其浓缩时，基因失去了活性，无转录功能；当其处于松散状态时，又能够转变为常染色质，恢复其转录活性（负异固缩）。

X染色质

正常女性的间期细胞核中紧贴核膜内缘有一个染色较深，大小约为1μm的椭圆形小体，即为X染色质（X chromatin）。正常男性则没有X染色质。间期核内X染色质数目总是比X染色体数目少1，即XX者有1个X染色质，XXX者有2个X染色质。因此，两个X染色体中有1个X染色体是异固缩的，并且是迟复制的。在细胞代谢中，异固缩的X染色体没有活性，只有1个X染色体有活性。在异常细胞中具有的额外X染色体也无活性。对于正常男性，单个的X染色体不发生异固缩，而且任何时候都是有活性的，故无X染色质。

Y染色质

正常男性的间期细胞用荧光染料染色后，在细胞核内可出现一个强荧光小体，直径为0.3μm左右，称为Y染色质（Y chromatin）或Y小体。Y染色体长臂远端部分为异染色质，可被荧光染料染色后发出荧光。Y染色质是男性细胞中特有的，女性细胞中不存在。与X染色质不同的是，细胞中Y染色质的数目与Y染色体的数目相同。如核型为47，XYY的个体，细胞核中有两个Y染色质。

组成

染色质由无数个重复的核小体（nucleosome）亚单位构成。核小体则由4种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4各2个分子）组成的八聚体核心表面围以长约146bp的DNA双螺旋构成，此时DNA分子被压缩了6倍。组蛋白H1位于相邻的两个核小体的连接区DNA表面，核小体进一步折叠或卷曲产生1/40倍压缩的30nm纤维状结构，相当于基本染色质丝。染色质丝进一步螺旋化，形成环状结构，这些环的基部附着于非组蛋白构成的“支架”上。这种纤维的直径约为240nm，它可能是间期染色体的最终包装水平，称为染色单体丝。染色体包装的最后阶段发生在细胞进入有丝分裂或减数分裂时。染色单体丝通过围绕中心轴螺旋缠绕和向染色体中心方向的压缩作用形成染色体。至此，几厘米长的DNA成为了几微米长的染色体，其长度约为原来的万分之一。这种有效的包装方式，使细胞在分裂过程中能够把携带遗传信息的DNA从染色体形式平均分配给子细胞。

功能

性别决定

男性的性染色体组成为XY，女性的性染色体组成为XX，即男性为异型性染色体，女性为同型性染色体。因此，在配子发生时，男性可以产生两种精子，含有X染色体的X型精子和含有Y染色体的Y型精子，两种精子的数目相等；而女性则由于细胞中有两条同源的X染色体，因此，只能形成一种含有X染色体的卵子。受精时，X型精子与卵子结合，形成性染色体组成为XX的受精卵，将来发育成为女性；而Y型精子与卵子结合则形成性染色体组成为XY的受精卵，将来发育成为男性。所以人类的性别是精子和卵子在受精的瞬间决定的，确切地说是由精子决定的。在自然状态下，不同的精子与卵子的结合是随机的，因而人类的男女比例大致保持1∶1。

性别是由精子中带有的X染色体或Y染色体所决定的，而X染色体和Y染色体在人类性别决定中的作用并不相等。一个个体无论其有几条X染色体，只要有Y染色体就决定男性表型（睾丸女性化患者除外）。性染色体异常的个体，如核型为47，XXY或48，XXXY等，他们的表型是男性，但是一个不正常的男性。没有Y染色体的个体，其性腺发育基本上是女性特征，即使只有一条X染色体如核型为45，X的个体，其表型也是女性，但是一个表型异常的女性。

人类Y染色体短臂上有一个决定性别的关键基因，称为性别决定区域Y基因（sex determining region Y，SRY）。SRY基因的表达产物只出现在睾丸分化前的部分生殖嵴体细胞中，即含有SRY蛋白的这些细胞最终分化为支持细胞。支持细胞既是睾丸组织中最主要的细胞类型，也是生殖嵴体细胞中最早产生性别分化的细胞，可诱导性腺细胞中其他体细胞分化为睾丸相关组成细胞，从而引导性别分化朝向男性方向。一旦SRY基因突变或易位，可导致某些两性畸形（如46，XY女性或46，XX男性）的发生。

其他功能

X染色体上包含大量基因，除了与性别相关的基因，还有与性别无关的基因。在人类中，X染色体上的基因包括人类红绿色盲基因，甲型血友病基因（F8基因）、Duchenne肌营养不良症基因（DMD基因）、抗维生素D佝偻病基因（PHEX基因），等等。每个基因有其功能，如F8基因编码产物为凝血因子Ⅷ，作为辅因子参与内源性凝血机制中凝血因子X的激活。DMD基因编码产物为抗肌萎缩蛋白dystrophin，起细胞支架作用，维持肌纤维完整性和抗牵拉功能。PHEX基因编码产物属于金属内肽酶家族，参与成骨细胞介导的骨盐沉积过程。

而Y染色体携带的基因数量是所有染色体中最少的，已经定位在Y染色体上的基因有54个，除了SRY，还有外耳道多毛症基因。

相关疾病

性染色体病

性染色体病（sex chromosomal disease）指性染色体X或Y发生数目或结构异常所引起的疾病。性染色体虽然只有1对，但性染色体病约占染色体病的1/3。性染色体病的表型与性染色体有关，因X染色体失活、Y染色体外显基因少，使性染色体不平衡的临床表现减少到最低限度，故没有常染色体病严重。除Turner综合征（45，X）及个别患者外，大多在婴儿期无明显临床表现，要到青春期因第二性征发育障碍或异常才就诊。性染色体数目异常引起的疾病主要有Klinefelter综合征（先天性睾丸发育不全）、XYY综合征、多X综合征以及Turner综合征（先天性卵巢发育不全综合征）。

Klinefelter综合征

Klinefelter综合征（Klinefelter syndrome）由Harry Klinefelter等于1942年首先报道，也称先天性睾丸发育不全。1956年Bradbury等证实患者体细胞间期有一个X染色质（或Barr小体）；1959年，Patricia Jacob和John Strong发现其核型为47，XXY，故该病亦称为XXY综合征。

• 发生率：该病发生率在男性新生儿中占1/1000~2/1000，在身高180cm以上的男性中占1/260，在不育的男性中占1/10。

• 临床表现：以身材高、睾丸小、第二性征发育不良、不育为特征。阴毛稀少、成年后体表脂肪堆积似女性；音调较高，喉结不明显；约25%外阴多数正常无畸形，6%病例伴尿道下裂或隐睾。新生儿期睾丸大小正常，但至青春期时睾丸小而硬，体积为正常人的1/3；睾丸精曲小管基膜增厚，呈玻璃样变性，无精子。典型病例的血浆睾酮仅为正常人的一半；个别患者睾酮正常，血中雌激素增多。少数患者可伴骨髓异常、先天性心脏病，智能正常或有轻度低下。一些患者有精神异常或精神分裂症倾向。就不同核型患者临床表现分析，个别嵌合型患者可有生育；X染色体数目越多，性征和智力发育障碍愈严重，伴有的体格异常更多。此外，患者易患糖尿病、甲状腺疾病、哮喘和乳腺癌。

• 核型与遗传学：80%~90%的病例为47，XXY；约10%~15%为嵌合型，常见的有46，XY/47，XXY，46，XY/48，XXXY等；此外还有48，XXXY，49，XXXXY，48，XXYY等。嵌合型患者中若46，XY的正常细胞比例大时临床表现轻，可有生育力。该病额外的染色体由细胞分裂时染色体的不分离产生，约1/2病例来自父方第一次减数分裂不分离，1/3来自母方的第一次减数分裂，余为母方的第二次减数分裂或合子的有丝分裂不分离，母亲年龄在母方第一次减数分裂时发生染色体不分离的病例中是增加的，但其余可能与母亲年龄无关。

XYY综合征

XYY综合征由桑德堡（Sandburg）等于1961年首次报道。该病的发病率在男性中约为1/1500~1/750。XYY综合征的主要临床症状为：表型为正常男性，大多数男性可以生育，个别患者生育XYY的子代，然大多生育正常子代。少数患者外生殖器发育不良。智力正常，但性格暴躁粗鲁，行为过火，常发生攻击性行为；身材高大，有随身高增长而发生率增高的趋势。患者的核型主要为47，XYY；也有少数为48，XYYY；49，XYYYY等核型的患者，额外的Y染色体肯定来自父方精子形成过程中第二次减数分裂时发生Y染色体的不分离。

多X综合征

XXX综合征或称X三体综合征（trisomy X syndrome）由雅可布（Jacobs）等于1959年首次描述。在女性新生儿中，XXX综合征发病率为1/1000，在女性精神病患者中，发生率为4/1000。X三体女性可无明显异常，约70%病例的青春期第二性征发育正常，并可生育；另外30%患者的卵巢功能低下，原发或继发闭经，过早绝经，乳房发育不良；1/3患者可伴先天畸形，如先天性心脏病、髋脱位；部分可有精神缺陷。约2/3患者智力稍低。X染色体越多，智力发育越迟缓，畸形亦越多见。核型多数为47，XXX，少数为46，XX/47，XXX，极少数为48，XXXX，49，XXXXX。体细胞间期核内X小体数目增多，额外的X染色体，几乎都来自母方减数分裂的不分离，且主要在第一次，母亲年龄增高的影响见于来自母方第一次减数分裂不分离的病例。

Turner综合征

Turner综合征（Turner syndrome）由Henry Turner于1938年首先报道，也称为女性先天性性腺发育不全或先天性卵巢发育不全综合征，又称45，X综合征。1954年，Polani证实患者细胞核X染色质阴性；1959年，Charles Ford发现其核型为45，X。

• 发生率：在新生女婴中约为1/5000，但在自发流产胎儿中可高达18%~20%，该病在怀孕胎儿中占1.4%，其中99%流产，即在宫内不易存活。

• 临床表现：典型患者以性发育幼稚、身材矮小（120~140cm左右）、肘外翻为特征。患者出生体重轻，新生儿期脚背有淋巴样肿，十分特殊；面容：内眦赘皮，上睑下垂，小颌；后发际低，约50%有蹼颈，乳间距宽，第四、五掌骨短，皮肤色素痣增多，性腺为纤维条索状，无滤泡、子宫，外生殖器及乳房幼稚型。此外，约1/2患者有主动脉狭窄和马蹄肾等畸形。患者常因身材矮小或原发闭经就诊。智力可正常，但低于同胞，或轻度障碍。

• 核型和遗传学：约55%病例为45，X，还有各种嵌合型和结构异常的核型，最常见的嵌合型为45，X/46，XX，结构异常为46，X，i（Xq）。嵌合型的临床表现较轻，轻者有可能有生育力，而有Y染色体的嵌合型可表现出男性化的特征；身材矮小和其他Turner体征主要是由X短臂单体性决定的；但卵巢发育不全和不育则更多与长臂单体性有关。该病的单个X染色体大多来母亲，也即约75%的染色体丢失发生在父方，约10%的丢失发生在合子后卵裂早期。

• 预后及治疗：除少数患者由于严重畸形在新生儿期死亡外，一般均能存活。青春期用女性激素治疗可以促进第二性征和生殖器官的发育，月经来潮，改善患者的心理状态，但不能促进长高和解决生育问题。

X染色体的结构异常

常见的X染色体结构异常有各种缺失、易位和等臂染色体，临床表现多样，主要取决于涉及染色体上的哪些区段异常。

• X短臂缺失（XXp-）：Xp远端缺失患者有诸如身材矮小等Turner综合征的特征，但性腺功能正常。Xp缺失如包括整个短臂，则患者既有Turner综合征的体征，又有性腺发育不全。有研究显示Xp11片段对卵巢的发育具有重要作用，此片段缺失会引起不孕。X染色体长臂等臂染色体[X，i（Xq）]的临床表现与此类似，因为也缺失了整个短臂。

• X长臂缺失（XXq-）：缺失在q22远端以远者，一般仅有性腺发育不全，原发闭经，不孕而无其他诸如身材矮小等Turner综合征体征。缺失范围较大，包括长臂近端者，除性腺发育不全外，一些患者还有其他体征。X染色体短臂等臂染色体[X，i（Xp）]与此类似。Xq中间缺失累及q13-q26者性腺功能正常，但有其他体征，可见中段缺失与Turner体征出现有关。通常部分缺失、形成环状或等臂染色体的X染色体均选择性地失活，从而保证有一条正常的X染色体。

性染色体遗传病

由一对等位基因单独决定性状或疾病的遗传方式称为单基因遗传，而受一对等位基因控制而发生的疾病，称为单基因遗传病（single-genedisease，monogenic disease）。它的遗传遵循孟德尔定律，所以也称为孟德尔式遗传病。在单基因遗传病中，决定该疾病的基因在性染色体上的称为性染色体遗传病，包括X连锁隐性遗传病，X连锁显性遗传病和Y连锁遗传病。

人类男女性别的差异在细胞水平上表现为性染色体的不同（女性为XX，男性为XY），因此性染色体上的基因所控制的性状或疾病，在世代传递过程中总是和性别相关。男性只有一条X染色体，Y染色体上一般缺乏相应的等位基因，因此男性X染色体上的基因不是成对存在的，只有成对的等位基因中的一个，称为半合子（hemizygote）。男性的X染色体由母亲传递，Y染色体由父亲传递，因此男性的X连锁基因只能从母亲传来，将来只能传给他的女儿，不存在由男性向男性的传递，称为交叉遗传（cross inheritance）。

X连锁隐性遗传病

致病基因位于X染色体上，且致病基因的性质是隐性的，杂合时并不发病，只有致病基因的纯合子女性和半合子男性才表现为疾病，这类疾病就称为X连锁隐性（X-linked recessive，XR）遗传病。如甲型血友病、Duchenne肌营养不良等。

XR遗传病的系谱特征如下：①人群中男性患者远多于女性患者，在一些致病基因频率低的XR遗传病中，很少看到女性患者，往往只有男性患者；②男性患者的致病基因由携带者母亲传来（新生突变除外），其母亲再生育，儿子1/2概率患病，女儿表型正常，但1/2的概率是携带者；③由于交叉遗传，患者之间往往是兄弟，姨表兄弟、舅父与外甥、外祖父与外孙等关系。

X连锁显性遗传病

致病基因位于X染色体上，致病基因的杂合子女性即可表现为疾病，这类疾病就称为X连锁显性（X-linked dominant，XD）遗传病。如抗维生素D佝偻病（底磷酸血症性佝偻病）等。

XD遗传病的系谱特征如下：①群体中女性患者多于男性患者，通常约为男性患者的2倍，且女性患者一般病情较轻。②患者的双亲中，必有一方是该病患者。③由于交叉遗传，男性患者的女儿全部患病，儿子则全部正常；女性患者（杂合子）的子女各有1/2的概率患病。④家系中可见到连续遗传现象。

Y连锁遗传病

如果决定某种性状或疾病的基因位于Y染色体上，它必将随Y染色体而在上下代之间传递，那么这种性状或疾病的传递方式称为Y连锁遗传（Y-linked inheritance）。由于Y染色体只存在于男性个体，故Y连锁遗传的传递规律只能由父亲传递给儿子，再由儿子传递给孙子，因此这种遗传方式又称为全男性遗传（holandric inheritance）。如外耳多毛症的患者全部为男性。

历史

1891年德国科学家亨金（H.Henking）发现雄蝽（Pentatomidae）（2x=10+1）有条不配对的染色体无法命名，于是将其称为“X”染色体。其后，麦克朗（C.E.McClung，1902）、斯蒂文斯（N.Stevens，1905） 、威尔逊（E.B.Wilson ， 1906）和塞勒（J.Seiler，1914）等人先后在昆虫中发现了性染色体组成与性别的关系。之后的研究发现，Y染色体上存在决定性别的关键基因——睾丸决定因子（testis determining factor，TDF），1990年辛克莱尔（A.H.Sinclair）克隆了人的SRY基因，该基因位于Y染色体短臂。转基因研究证明，SRY基因就是TDF基因，于是TDF基因在哺乳动物性别决定中的作用被证实。

其他生物

由性染色体决定雌雄性别的方式主要有雄杂合型和雌杂合型两种类型。

• 雄杂合型即XY型，在生物界较为普遍，大多数雌雄异体的植物、人和全部哺乳动物、多数昆虫（如果蝇）、一些鱼类和两栖类都属于这一类型。与XY型相似的还有XO型。它的雌性的性染色体为XX；雄性的性染色体只有一个X，而没有Y，不成对。其雄性个体产生含有X和不含有X的两种雄配子，故称为XO型，如蝗虫、蟋蟀等。

• 雌杂合型即ZW型，鸟类和鳞翅目昆虫（家蚕、蛾类、蝶类等）都属于这一类型。该类型与XY型恰恰相反，雌性个体是异配子性别，即ZW；而雄性个体是同配子性别，即ZZ。这类生物在配子形成时，雌性个体产生分别含有Z和W染色体的两种雌配子，而雄性个体只产生含有Z染色体的一种雄配子，故当雌雄配子结合受精时，所形成的雌雄性比同样是1∶1。

• 高等动物的性别决定除上述两种类型以外，还有第三种情况，即取决于染色体的倍数性。换言之，与是否受精有关。例如，蜜蜂、蚂蚁等由正常受精卵发育的二倍体（2n）为雌性，而由孤雌生殖而发育的单倍体（n）为雄性。

注释

染色体：是遗传物质(基因)的载体，由DNA和蛋白质等构成，具有储存和传递遗传信息的作用。

根据间期核中染色质螺旋化程度以及功能状态的不同，可分为常染色质( euchromatin)和异染色质( heterochromatin ) 。常染色质是处于功能活跃呈伸展状态的染色质纤维；异染色质是处于功能惰性呈凝缩状态的染色质纤维。