一、染色体研究的历史
1879年，德国生物学家弗莱明把细胞核中的丝状和粒状的物质用染料染红，观察发现这些物质平时弥散地分布在细胞核中，当细胞分裂时，弥散的染色物便浓缩，形成一定数目和一定形状的条状物，到分裂完成时，条状物又疏松为弥散状态。
1888年，这些物质被正式命名为染色体。
1902年，美国生物学家萨顿和鲍维里在观察细胞的减数分裂时又发现染色体是成对的，并推测基因位于染色体上。
1928年，摩尔根证实了染色体是遗传基因的载体，从而获得了诺贝尔生理学或医学奖。
1953年4月，《自然》杂志刊登了美国的沃森和英国的克里克在英国剑桥大学合作研究的成果——DNA双螺旋结构的分子模型，被誉为20世纪以来生物学领域最伟大的发现。为了更好、更准确地表达人体细胞的染色体组成，1960年，在美国丹佛市召开了第一届国际细胞遗传学会议，讨论并确立了世界通用的细胞内染色体组成的描述体系——Denver体制。这个体制按照各对染色体的大小和着丝粒位置的不同，将22对染色体由大到小依次编为1~22号，并分为A、B、C、D、E、F、G共7个组，X和Y染色体分别归入C组和G组。
1956年，庄有兴等人明确了人类每个细胞有46条染色体，46条染色体按其大小、形态配成23对，第1对到第22对叫作常染色体，为男女共有，第23对是一对性染色体，女性为XX、男性为XY。
二、染色体的定义
染色体是细胞在有丝分裂或减数分裂时DNA存在的特定形式。细胞核内，DNA紧密卷绕在被称为组蛋白的蛋白质周围，并被包装成一个线状结构。
每条染色体都有一个叫作着丝粒（点）的收缩点，它将染色体分成两个部分，即“臂”。短臂标为“p臂”、长臂标为“q臂”。着丝粒（点）在每条染色体上的位置为染色体提供了特有的识别标志，可用于帮助描述特定基因的位置。
染色体有种属特异性，随生物种类不同，其数量、大小和形态存在差异。
三、染色体变异的基础
因先天性染色体数目异常或结构畸变而引起的疾病，称为染色体病（Chromosomal Disease）。人类的单倍体染色体组上约有结构基因40 000个。平均计算，每条染色体约有上千个基因。各染色体上的基因有严格的排列顺序，各基因间的毗邻关系也是较恒定的。所以染色体如果发生数目异常，甚至是微小的结构畸变，都必将导致许多基因的增加、缺失、融合和调控空间的改变。染色体病常常涉及许多器官系统的形态和功能异常。临床表现往往是多样的，故又称染色体畸变综合征（Chromosomal Aberration Syndrome）。在妊娠前三个月的自然流产胚胎中，65%有染色体异常。已发现的人类染色体数目异常或结构畸变约10 000种，几乎涉及每一号染色体。已确定或已描述过的综合征有100多种。这些畸变如涉及第1~22号常染色体，称常染色体病，如涉及X、Y性染色体，则称性染色体病。根据夏家辉等报告的资料，新生活婴中染色体异常发生率为0.73%。
在真核生物的体内，染色体是遗传物质DNA的载体。当染色体的数目发生改变（缺少、增多）或者染色体的结构发生改变时，遗传信息就随之改变，带来的就是生物体后代性状的改变，这就是染色体变异，它是可遗传变异的一种。根据产生变异的原因，它可以分为结构变异和数量变异两大类。
光学显微镜下可见染色体结构变异或者染色体数目变异。染色体结构变异的发生是内因和外因共同作用的结果，外因有各种射线、化学药剂、温度的剧变等，内因有生物体内代谢过程的失调、衰老等。在这些因素的作用下，染色体可能发生非等位的同源重组，断裂端具有愈合与重接的能力。染色体在不同区段发生断裂后，在同一条染色体内或不同的染色体之间以不同的方式重接时，就会导致各种结构变异的出现。
染色体是基因的载体，染色体病即染色体异常，故而导致基因表达异常、机体发育异常。染色体畸变的发病机制不明，可能是细胞分裂后期染色体发生不分离或染色体在体内外各种因素影响下发生断裂和重新连接所致。
（一）物理因素
人类所处的辐射环境，包括天然辐射和人工辐射。天然辐射包括宇宙辐射、地球辐射及人体内放射物质的辐射；人工辐射包括放射辐射和职业照射等。电离辐射因导致染色体不分离而引人注目。有试验证明，将受照射处于MⅡ中期的小鼠卵细胞与未受照射的同期卵细胞比较，发现不分离在受照射组中明显增高，这一现象在年龄较大的小鼠中尤为明显。人的淋巴细胞受照射或在受照射的血清内生长，发现实验组三体性频率较对照组高，并引起双着丝粒染色体异位、缺失等染色体畸变。
（二）化学因素
人们在日常生活中接触到各种各样的化学物质，有的是天然产物，有的是人工合成，它们会通过饮食、呼吸或皮肤接触等途径进入人体，而引起染色体畸变。
（三）生物因素
当以病毒处理培养中的细胞时，往往会引起多种类型的染色体畸变，包括断裂、粉碎化和互换等。
（四）母龄效应
胎儿在6~7个月月龄时，所有卵原细胞已全部发展为初级卵母细胞，并从第一次减数分裂前期进入核网期，此时染色体再次松散舒展，宛如前胞核，一直维持到青春期排卵之前。这种状态可能与合成卵黄有关。到青春期时，由于促卵泡生成素（FSH）周期性刺激卵母细胞，次级卵母细胞自卵巢排出，进入输卵管，在管内进行第二次减数分裂达到分裂中期。此时如果受精，卵子便完成第二次减数分裂，成为成熟卵子，与**结合成为合子，从此开始新个体发育直至分娩。随着母龄的增长，在母体内外许多因素的影响下，卵子也可能发生许多衰老变化，影响成熟分裂中姐妹染色单体的相互关系和分裂后期的行动，促成了染色体间的不分离。
（五）遗传因素
染色体异常常表现为家族性倾向，这提示染色体畸变与遗传有关。
（六）自身免疫性疾病
自身免疫性疾病似乎在染色体不分离中起一定作用，如甲状腺原发性自身免疫抗体增高与家族性染色体异常之间有密切相关性。
四、染色体核型的简要说明
一个体细胞中的全部染色体所构成的图像即称核型。将待测细胞的全部染色体，按照Denver体制配对、排列后，分析确定其是否与正常核型完全一致，就叫核型分析（Karyotype Analysis）。
（一）染色体数目和形态
在核型图的组成中，常染色体依照长度递减的顺序用数字1~22表示，性染色体用X和Y表示。依照染色体大小递减的顺序和着丝粒的位置，可将其分为A—G七组。
（二）区、带、亚带的命名
该命名方式及本章节所涉及染色体的介绍、所采用的核型图，均为G显带方式制定（其方法标准及其他显带方式在本章第三节会具体描述）。
一般沿着染色体的臂从着丝粒开始向远端连续地标记区和带。p和q分别用于表示染色体的短臂和长臂，着丝粒区定义为10，向着短臂部分称为p10，面向长臂的部分称为q10。每条臂上与着丝粒相邻的部分定义为1，稍远的区定义为2，依次类推。
在定义一个特定的带时，需要下列四个条件：（1）染色体号；（2）臂的符号；（3）区号；（4）该带在所属区的带号。这些条件需要连续列出，中间不要有空格和间断。例如1p31表示1号染色体短臂3区1带。
举例说明：1p31再分为三条相等或者不相等的亚带，亚带被命名为1p31.1、1p32.2和1p31.3，1p31.1靠近着丝粒，1p31.3远离着丝粒，如果亚带再予以分割，则只附加数字，中间不插入标记，如1p31.1可进一步分割为1p31.11、1p31.12等，尽管在理论上，一条带可在任何时候分割为任意数目的新带，但通常一条带只分割为三条亚带。
（三）常见的染色体核型描述的符号和简写术语
这里仅列举常见的符号和术语。
在核型的描述中，首先要记录的内容是包括性染色体在内的染色体总数，接着是一个英文逗号（，）随后是性染色体的组成。特定常染色体编号只有在其发生异常时才被列出，所以人类正常核型的描述如下。
46, XX 正常女性
46, XY 正常男性
46, X? 不能披露性别
在描述染色体异常时，先列出性染色体的组成，再描述常染色体异常，依照染色体编号的顺序而不是异常的种类列出。不同染色体之间的异常用逗号（,）、间空（半角）分开。
五、染色体的描述原则
综合许多正常人核型的特点，根据不同染色体的形态特征，以模式图（核型模式图）的方式表示。
而我们通过染色体制备及G显带技术得到的正常人类的染色体核型图。
六、常见染色体变异的类型
（一）多态性
染色体多态性是指染色体的微小变异，属于正常变异，不引起表型异常，不具有临床意义，只是比正常的染色体多了一点或少了一点。
如果染色体核型分析示46,XY,9qh+或者46,XX,13pss等，是染色体多态。临床认为染色体多态性属于正常变异，从分子水平上看，结构异染色质没有转录活性，往往并不对个体的表型产生直接影响。
染色体多态性是指正常人群中可见到的同源染色体形态或着色方面的变异。这种变异不导致生物功能异常。因此临**普遍认为，染色体多态性改变属于正常变异，对个人健康无害，一般不会影响生育后代。
（二）缺失
缺失是指染色体上某一区段及其带有的基因一起丢失，从而引起变异的现象。缺失的片段如系染色体臂的外端区段，则称顶端缺失；如系染色体臂的中间区段，则称中间缺失。缺失的纯合体及杂合体可能致死或引起表型异常。在缺失杂合体中，由于部分缺失引起的遗传效应随着缺失片段大小和细胞所处发育时期的不同而不同。在个体发育中，缺失发生得越早，影响越大，缺失的片段越大，对个体的影响也越严重，重则引起个体死亡，轻则影响个体的生活力。在人类遗传中，染色体缺失常会引起较严重的遗传性疾病，如猫叫综合征等。染色体缺失还可被用以进行基因定位。
染色体缺失一种情况来源于亲本的遗传，即携带缺失的育龄夫妻任意一方或双方染色体中存在缺失改变，在其各自产生的配子中，遗传了此改变，该类情况其胎儿或后代变异情况可以参照亲本来源方临床表型。另一种情况则是新发突变产生，此类变异根据缺失片段的大小、是否携带重要基因等情况决定临床表现，需进一步综合分析。
（三）重复
染色体上增加了相同的某个区段而引起变异的现象，叫作重复。分为顺接重复和反接重复。前者指的是某区段按照染色体上的正常顺序重复，后者指的是重复时颠倒了某区段在染色体上的正常顺序。在重复杂合体中，当同源染色体联会时，发生重复的染色体的重复区段形成一个拱形结构，或者比正常染色体多出一段。重复引起的遗传效应比缺失的小，但是如果重复的部分太大或有明确的功能异常，也会影响个体的活力，甚至引起个体死亡。重复对生物体的不利影响一般小于缺失，因此在自然群体中较易保存。重复对生物的进化有重要作用。这是因为多余的基因可能向多个方向突变，而不至于损害细胞和个体的正常机能。突变的最终结果，有可能使多余的基因成为一个能执行新功能的新基因，从而为生物适应新环境提供了机会。因此，在遗传学上往往把重复看作新基因的一个重要来源。
（四）倒位
指某染色体的内部区段发生180°的倒转，而使该区段的原来基因顺序发生颠倒的现象。倒位区段只涉及染色体的一个臂的，称为臂内倒位；涉及包括着丝粒在内的两个臂的，称为臂间倒位。倒位的遗传效应首先改变了倒位区段内外基因的连锁关系，其次还可使基因的正常表达因位置改变而有所变化。
具有臂间倒位的染色体的个体即倒位携带者，虽然一般外表正常，但其发生倒位后，其结构上发生了重排的染色体，在形成生殖细胞的减数分裂过程中，根据在配子形成中同源染色体节段相互配对的规律，它将形成特有的倒位圈，并且，经过在倒位圈内的奇数次交换，理论上可形成四种不同的配子：一种为正常染色体，一种为倒位染色体；另两种由于倒位片段和另一正常染色体的相应片段发生了交换，可形成两种均带有部分重复及部分缺失的重排染色体。这两种异常的重排染色体各有一个着丝粒，属稳定性畸变而可往后代传递。倒位携带者的遗传效应主要决定于重复和缺失片段的长短及其所含基因的致死效应。一般来说，其倒位片段越短，则其重复和缺失的部分越长，形成配子和合子正常发育的可能性越小，临**表现为婚后不育、早期流产和死产的比例越高，娩出畸形子女的可能性相对低；而倒位片段越长，则其重复和缺失部分越短，其配子和合子正常发育的可能性越大，娩出畸形胎儿的危险性相对较高。因此，必须加强携带者的检出及携带者妊娠时的产前诊断，以防止患儿的出生。图2-11为染色体倒位核型。
（五）易位
由相互易位（两条染色体发生断裂后相互交换无着丝粒片段形成两条新的衍生染色体）和复杂易位（3条或3条以上的染色体分别发生断裂，相互交换片段后重接，形成具有结构重排的衍生染色体）形成的原发性易位，由于基本上无遗传物质的丢失，对个体的发育一般无严重的影响，故称之为平衡易位。平衡易位是一种常见的染色体结构异常，由两条不同染色体发生断裂重接形成，可能是家族遗传，也可能新发，在正常人群中有0.16%~0.20%的发生率。
在减数分裂时，如果两个易位的染色体在一起，两个正常的染色体在一起进入生殖细胞，将产生平衡配子，因为这样的分离能保证每一个细胞有一套完整的基因。如果一个易位的染色体和一个正常的染色体在一起分离而进入生殖细胞中，将产生不平衡的配子。
染色体平衡易位是两条染色体发生断裂后相互交换，仅有位置的改变，没有可见的染色体片段的增减。这种易位造成了染色体遗传物质的“内部搬家”。但就一个细胞而言，染色体的总数未变，所含基因也未增减，所以，平衡易位携带者通常不会患有异常表型，外貌、智力和发育等通常都是正常的。然而，平衡易位的携带者与正常人婚后生育的子女，却有可能得到一条衍生异常染色体，导致某一易位节段的增多（部分三体性）或减少（部分单体性），并产生相应的效应。这样就破坏了遗传物质的平衡，导致胎儿畸形或自然流产。
罗伯逊易位（Robertsonian Translocation）为相互易位的一种特殊形式。两条近端着丝粒染色体（D/D，D/G，G/G）在着丝粒处或其附近断裂后形成两条衍生染色体。一条由两者的长臂构成，几乎具有全部遗传物质；另一条由两者的短臂构成，由于缺乏着丝粒或因其几乎全由异染色质组成，故常丢失，它的存在与否不引起表型异常。
罗伯逊易位通常又被称为着丝粒融合（Centric Fusion）。在减数分裂时，由于由两条短臂构成的小染色体丢失，故在联会时只有三条染色体参与，形成三价体。三价体的分离方式有三种，即交替式（同源着丝粒各走向一极，结果产生一种正常的和一种平衡易位的配子）、邻式-1和邻式-2。同源着丝粒均走向一极，亦即易位染色体与某一条正常染色体同走向一极，结果均形成重复或缺失的配子。这种配子在受精后形成三体性或单体性的合子。由于缺失的配子通常是致死的，因而实际上可能参与受精的配子只有三种：正常的、带有平衡易位的和导致三体性的配子。罗伯逊易位的携带者尽管只有45条染色体，但除偶有男性不育外，没有表型异常。这是因为易位染色体几乎包括了两条长臂的全部，没有基因的大量丢失，而丢失了两条短臂几乎全是结构异染色质。
虽然平衡易位携带者自身表型正常，但其在配子发生过程中由于同源染色体间的同源节段要进行配对，故发生相互易位的两对同源染色体共同形成四射体。该四射体在后期I时，发生多种情况的分离，如对位分离、邻位-1式分离、邻位-2式分离以及3∶1分离，可形成18种配子，其中仅有一种是正常的，一种是平衡易位染色体，其余16种配子均为不平衡即异常的。与正常配子受精后所形成的合子，只有一种可发育成完全正常的个体，一种为平衡易位携带者，其余16种大部分都将形成单体或部分单体、三体或部分三体患胎而导致流产、死胎或畸形儿。
人类的细胞中有23对（46条）染色体，染色体的数量、结构是相对恒定的，不能随便多一点或少一点，否则就会出问题，例如唐氏综合征就是21号染色体比正常人多了一条。唐氏综合征除本人有智力发育障碍和罹患白血病的风险外，多可能降低后代生育率。染色体平衡易位患者怀孕的流产率很高，或者说怀孕率很低，解决这个问题的办法就是做第三代试管婴儿，即PGT-A技术，可以对胚胎进行筛选，挑选健康的胚胎移植。
七、染色体数目异常
（一）整倍体
整倍体是细胞内整个染色体组数目的增加或减少。整个染色体组数目的减少可形成单倍体（Haploid），单倍体个体在人类中尚未见到。整个染色体组数目的增加可形成多倍体（Polyploid），包括三倍体、四倍体等，在流产胎儿中能见到。
1.三倍体（Triploid）指体细胞中有三个染色体组，即每一对染色体都多了一条，使染色体总数为69条（3n）。因为三倍体是致死性的，所以，能活到出生的三倍体患儿极为罕见，存活者都是二倍体（三倍体）的嵌合体。但是，在流产胎儿中三倍体是较常见的类型。已报道的三倍体病例的核型有69,XXX、69,XXY、69,XYY及三倍体（二倍体）嵌合体。其主要症状为智力与身体发育障碍、畸形。在男性合并有尿道下裂、分叉阴囊等性别模糊的外**。
三倍体形成的原因，一般认为有两点。
（1）双雄受精，即同时有两个**入卵受精；
（2）双雌受精，即在减数分裂时，卵细胞因某种原因未能形成极体，或第二极体与卵核重新结合，因而卵子中保留有两组染色体，受精后则形成三倍体合子。
2.四倍体（Tetraploid）指患者的体细胞具有四个染色体组，染色体总数达到92条（4n）。迄今只报道一例伴有多发畸形的四倍体活婴和一例四倍体（二倍体）的嵌合体男性病例（46,XY/92,XXYY）。其主要症状为小头、小腿畸形、前额窄、囟门早闭、眼距宽、鼻根低平、耳低位畸形、指趾畸形、马蹄内翻足、生长发育迟缓、智力低下等。
四倍体的形成原因如下。
（1）核内复制，指在一次细胞分裂时，染色体不是复制一次，而是复制二次。因此每个染色体形成四条染色体，称双倍染色体。这时，染色体两两平行排列在一起。其后，经过正常的分裂，形成的两个子细胞均为四倍体细胞。核内复制与四倍体形成是癌瘤细胞较常见的染色体异常特征之一；
（2）核内有丝分裂，指在进行细胞分裂时，染色体正常地复制一次，但至分裂中期时，核膜仍未破裂、消失，也无纺锤丝形成和无胞质分裂，结果细胞内的染色体不是二倍体，而成为四倍体。
（二）非整倍体
指细胞内染色体的数目增加或减少一条或几条。这是人类最常见的一类染色体畸变。细胞内染色体数目少了一条或多条，称为亚二倍体；多一条或数条，则称为超二倍体。有时染色体数目虽是二倍体，但有些染色体对的数目或结构偏离正常，有的增多，有的减少，当增减的数目相等时染色体总数不变，称为假二倍体。当核型中两对或两对以上染色体的数目有异常时叫复合非整倍体变异。
1.单体性
即某号染色体减少了一条（2n-1），细胞内染色体总数为45条。常见的有45,X；另外还有45,X？,-21、45,X？,-22。
2.三体性
即某号染色体增加了一条（2n+1），细胞内染色体总数为47条。临**，不论常染色体病还是性染色体病，均以三体性最为常见。例如，在常染色体病中，除第17号尚未见三体性病例核型报道外，其余的常染色体均存在三体性，以13、18和21三体性常见。性染色体三体性主要有XXX、XXY和XYY三种。
3.多体性
染色体增加了两条或两条以上。主要见于性染色体异常，如四体性48,XXXX、48,XXXY、48,XXYY和五体性49,XXXXX、49,XXXYY等。
非整倍体的产生是由于生殖细胞在减数分裂过程中染色体发生了不分离。所谓不分离是指减数分裂时某号染色体不分离，可以发生在第一次减数分裂，也可以发生在第二次减数分裂。在第一次减数分裂时，为同源染色体不分离，同源染色体不能平均分配到两个子细胞中去，结果一个细胞得到双份染色体，另一个细胞未得到该染色体，由此而形成的配子有一半是多一条染色体（n+1），一半则是少一条染色体（n-1），这种异常的配子受精后将会形成三体性和单体性的合子。如果第一次减数分裂正常，而第二次减数分裂时发生姐妹染色单体的不分离，也会产生（n+1）和（n-1）的异常配子。