遺傳學(xué)基礎(chǔ)課件

遺傳學(xué)基礎(chǔ)本章內(nèi)容醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的概念醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史基因與突變遺傳病的分類醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)展望第一節(jié)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的概念人的高、矮、胖、瘦眼、耳、口、鼻皮膚的顏色是否能卷舌等等性狀遺傳信息遺傳性多發(fā)性外生性骨疣患者膝關(guān)節(jié)JohnForbesNash——著名數(shù)學(xué)家；1994年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主；博弈論創(chuàng)始人之一凡高和他的向日葵結(jié)直腸癌腫瘤與遺傳遺傳性疾病，簡(jiǎn)稱遺傳?。↖nheritedDisease,GeneticDisorders）因遺傳因素罹患的疾病遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能改變多數(shù)為先天性，如血友病、Down綜合征表現(xiàn)為家族性，也有散發(fā)表現(xiàn)遺傳與環(huán)境對(duì)疾病的影響醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)（MedicalGenetics）研究遺傳病發(fā)生機(jī)理、傳遞方式、診斷、治療、預(yù)后、再發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)防方法的科學(xué)臨床醫(yī)學(xué)與遺傳學(xué)相互滲透的一門學(xué)科醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)主要分科：——細(xì)胞遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)、群體遺傳學(xué)——藥物遺傳學(xué)、腫瘤遺傳學(xué)、行為遺傳學(xué)——體細(xì)胞遺傳學(xué)、表觀遺傳學(xué)……

細(xì)胞遺傳學(xué)（Cytogenetics）：研究人類染色體的結(jié)構(gòu)、數(shù)量異常（或畸變）的類型、發(fā)生頻率及與疾病的關(guān)系。分子遺傳學(xué)（MolecularGenetics）：從基因的結(jié)構(gòu)、突變、表達(dá)、調(diào)控等方面研究遺傳病的分子改變，為遺傳病的基因診斷、基因治療等提供了新的策略和手段。群體遺傳學(xué)（PopulationGenetics）：研究人群中的遺傳結(jié)構(gòu)及其變化的規(guī)律，為遺傳病的群體監(jiān)控和預(yù)防制定對(duì)策和措施。藥物遺傳學(xué)（Pharmacogenetics）：研究藥物代謝的遺傳差異和不同個(gè)體對(duì)藥物反應(yīng)的遺傳差異，為指導(dǎo)醫(yī)生用藥的個(gè)體化原則提供理論依據(jù)。腫瘤遺傳學(xué)（CancerGenetics）：研究腫瘤發(fā)生的遺傳基礎(chǔ)，惡性腫瘤發(fā)生、發(fā)展中染色體改變、癌基因與抑癌基因的作用，以闡明腫瘤發(fā)生機(jī)理，為腫瘤診斷、治療和預(yù)防提供方法。體細(xì)胞遺傳學(xué)（SomaticCellGenetics）：以體外培養(yǎng)細(xì)胞系為材料，研究DNA的復(fù)制、基因突變、基因表達(dá)、基因調(diào)控和腫瘤形成機(jī)制等問(wèn)題。行為遺傳學(xué)（BehaiviorGenetics）：用各種遺傳學(xué)方法研究人類行為的控制，特別是異常行為，如精神分裂癥、躁狂癥的遺傳基礎(chǔ)。表觀遺傳學(xué)（Epigenetics）：研究在沒(méi)有細(xì)胞核DNA序列改變的情況下，基因功能的可逆的、可遺傳的改變；如DNA甲基化，基因組印記，母體效應(yīng)，基因沉默和RNA編輯等。第二節(jié)

醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史1866年，G.Mendel“豌豆實(shí)驗(yàn)”，遺傳因子學(xué)說(shuō)，分離律和自由組合律1903年，Sutton和Boveri，染色體遺傳學(xué)說(shuō)1909年，Johannsen將遺傳因子改稱為基因(Gene)1910年，Morgan，果蠅實(shí)驗(yàn)，連鎖與交換律1926年，證明基因在染色體上1953年，Watson等證明DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)1956年，蔣有興證明人的染色體為23對(duì)46條1966年，破譯遺傳密碼1970年，發(fā)現(xiàn)DNA重組技術(shù)G.Mendel(1822-1884)1990年，國(guó)際人類基因組計(jì)劃（HumanGenomeProject）啟動(dòng)2003年，人類基因組計(jì)劃提前完成2002年，國(guó)際人類基因組單體型圖計(jì)劃（HapMapProject）2003，EnCODE--

DNA元件百科全書(shū)計(jì)劃啟動(dòng)2006，國(guó)際人類癌癥基因組計(jì)劃2008，“國(guó)際千人基因組計(jì)劃”第三節(jié)

基因與突變基因（Gene）

遺傳因子，最小的遺傳單位

4種堿基按照一定順序排列的DNA片段人類一共有2-2.5萬(wàn)個(gè)基因基因組（Genome）

人類所有遺傳信息每個(gè)體細(xì)胞包含父源和母源2個(gè)基因組人類基因組2.91109bp

核基因的結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)基因、斷裂基因）能轉(zhuǎn)錄、并存在于成熟RNA中的序列稱為外顯子（exon）能轉(zhuǎn)錄、但不存在于成熟RNA中的序列稱為內(nèi)含子(intron)結(jié)構(gòu)基因都由若干個(gè)外顯子和內(nèi)含子組成GT-AG法則：每個(gè)內(nèi)含子的5’端開(kāi)始的兩個(gè)核苷酸都是GT，3’端末尾的兩個(gè)核苷酸都是AG側(cè)翼序列：基因的兩側(cè)有一段不被轉(zhuǎn)錄的序列包括：?jiǎn)?dòng)子、增強(qiáng)子和終止子屬順式調(diào)控因子，稱為調(diào)控序列啟動(dòng)子（Promoter）通常位于基因轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游的100bp范圍內(nèi)，是RNA聚合酶的結(jié)合部位，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄過(guò)程包括TATA框或Hogness框（TATAbox,Hognessbox）、CAAT框（CAATbox）和GC框（GCbox）增強(qiáng)子（Enhancer）啟動(dòng)子上游或下游的一段DNA序列無(wú)明顯的方向性，但具有組織特異性增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄的效率終止子（Terminator）一段回文序列以及特定的序列，例如：5’-AATAAA-3’是RNA停止工作的信號(hào)CAATTAAT轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄終止翻譯起始密碼ATG翻譯終止密碼TAA、TGATAGPolyA信號(hào)外顯子1外顯子2外顯子3內(nèi)含子1內(nèi)含子2啟動(dòng)子區(qū)域5’3’基因的表達(dá)一、轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄本的合成以DNA雙鏈中的一條鏈為模板，ATP、CTP、GTP、UTP作為原料，在RNA聚合酶催化下，按堿基互補(bǔ)方式以5’→3’方向合成RNA轉(zhuǎn)錄本的加工加工一般包括剪接、戴帽和加尾等過(guò)程RNA加工圖解二、翻譯mRNA、tRNA及核糖體協(xié)同作用多個(gè)核糖體在同一個(gè)mRNA分子上同時(shí)進(jìn)行翻譯沿著5’→3’方向多核糖體以同一條mRNA為模板按不同的進(jìn)度翻譯許多相同的多肽鏈遺傳密碼及其兼并性三、翻譯后加工

某些氨基酸的羥基化或磷酸化等簡(jiǎn)單的化學(xué)修飾在肽鏈上加不同的糖基團(tuán)或脂基團(tuán)許多初始反應(yīng)產(chǎn)物要經(jīng)過(guò)氨基酸序列的剪切成為有活性的產(chǎn)物折疊、螺旋化等翻譯mRNA

5’CapAAA3’mRNA

5’CapAAA3’ATGmRNA

5’CapAAA3’ATGmRNA

5’CapAAA3’ATGTAG核糖體TAGTAGATGTAG真核生物基因表達(dá)的調(diào)控可發(fā)生在不同水平上細(xì)胞中核酸序列的改變通過(guò)基因表達(dá)有可能導(dǎo)致生物遺傳特征的變化。這種核酸序列的變化稱為基因突變(mutation)?；蛲蛔兛梢允荄NA序列中單個(gè)核苷酸或堿基發(fā)生改變，也可以是一段核酸序列的改變?；蛲蛔兺蛔兊姆N類染色體結(jié)構(gòu)、數(shù)目變異染色體插入、缺失、倒位、異位異常染色體染色體微缺失/微重復(fù)，CNVs點(diǎn)突變堿基替換堿基的插入和缺失NATUREGENETICSSUPPLEMENT|VOLUME39|JULY2007

SmallestscalesLargestscales？一種堿基被另一種替換

點(diǎn)突變——替換同義突變錯(cuò)義突變

點(diǎn)突變——替換

點(diǎn)突變——插入或缺失會(huì)造成翻譯過(guò)程中其下游的三聯(lián)密碼子都被錯(cuò)讀，產(chǎn)生完全錯(cuò)誤的肽鏈或肽鏈合成提前終止。動(dòng)態(tài)突變剪接位點(diǎn)突變內(nèi)含子序列突變啟動(dòng)子序列突變表觀遺傳學(xué)突變動(dòng)態(tài)突變（DynamicMutation）：指DNA中的堿基重復(fù)序列拷貝數(shù)發(fā)生擴(kuò)增而導(dǎo)致的突變，重復(fù)單位片段的大小3-33個(gè)堿基長(zhǎng)不等，也稱為基因組不穩(wěn)定性(genomicinstability)。剪接位點(diǎn)突變：導(dǎo)致剪接位點(diǎn)改變和潛在剪接位點(diǎn)激活的突變。內(nèi)含子序列突變：以往認(rèn)為內(nèi)含子中的隨機(jī)突變對(duì)生物不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。但近些年來(lái),隨著人們對(duì)內(nèi)含子和基因序列功能研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)在mRNA剪切過(guò)程中,如內(nèi)含子中分支點(diǎn)或內(nèi)含子與外顯子拼接處發(fā)生堿基的改變,往往會(huì)造成剪切點(diǎn)改變,從而導(dǎo)致編碼的改變。啟動(dòng)子序列突變：?jiǎn)?dòng)子序列發(fā)生變異后導(dǎo)致啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的改變，分2類：上升突變(upmutation)：基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子；下降突變(downmutation)，調(diào)控蛋白不能與其結(jié)合，使發(fā)生順式調(diào)控突變的基因不表達(dá)。人類的三聯(lián)體重復(fù)病。引起脆性X綜合征、脆性XE綜合征和SCA12的三聯(lián)體重復(fù)位于5’UTR；肌強(qiáng)直性營(yíng)養(yǎng)不良I型和SCA8的三聯(lián)體重復(fù)位于3’UTR；Friederich共濟(jì)失調(diào)的三聯(lián)體重復(fù)位于內(nèi)含子內(nèi)；Huntington病、SBMA、DRPLA、SCA1、SCA2、SCA3、SCA6和SCA7的三聯(lián)體重復(fù)位于外顯子的編碼區(qū)；SCA10的五核苷酸重復(fù)位于內(nèi)含子內(nèi)。動(dòng)態(tài)突變——表觀遺傳學(xué)突變：

表觀遺傳現(xiàn)象是指基因表達(dá)發(fā)生改變但不涉及DNA序列的變化,能夠在代與代之間傳遞。表觀遺傳突變即非基因組核酸序列發(fā)生改變引起的突變。表觀遺傳變異包括基因沉默、DNA甲基化、組蛋白密碼、核仁顯性、休眠轉(zhuǎn)座子激活和基因組印記等方面，甲基化和組蛋白密碼是表觀遺傳突變的兩種最主要的形式。第四節(jié)遺傳病的分類（一）染色體病人類正常體細(xì)胞具有二倍體（46條染色體），如果在生殖細(xì)胞發(fā)生和受精卵早期發(fā)育過(guò)程中發(fā)生差錯(cuò)，導(dǎo)致整條染色體數(shù)目、染色體節(jié)段數(shù)目、染色體結(jié)構(gòu)等異常，就會(huì)形成染色體病。舉例：Down’s綜合征（21三體綜合征患者）（二）單基因遺傳病單個(gè)基因（同源染色體的一條或二條）發(fā)生突變而導(dǎo)致的疾病。遺傳性多發(fā)性外生性骨疣患者膝關(guān)節(jié)舉例：外生性骨疣（三）多基因遺傳病多個(gè)基因改變的效應(yīng)累積而導(dǎo)致的疾病。舉例：精神分裂癥、孤獨(dú)癥（四）線粒體遺傳病線粒體基因突變導(dǎo)致的遺傳病，呈現(xiàn)胞質(zhì)遺傳

舉例：Leber’s遺傳性視神經(jīng)?。ㄎ澹w細(xì)胞遺傳病體細(xì)胞遺傳物質(zhì)突變?yōu)橹苯釉?/p>

舉例：腫瘤原癌基因是一些與調(diào)節(jié)和控制細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂和細(xì)胞周期相關(guān)的基因。原癌基因的結(jié)構(gòu)變化或者失控就會(huì)演變成癌基因。

癌基因起源于原癌基因第五節(jié)

醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的展望

遺傳學(xué)的發(fā)展舉世矚目，打開(kāi)了人類了解生命并控制生命的窗口。諾貝爾獎(jiǎng)極其關(guān)注這一領(lǐng)域的探索，100年中對(duì)遺傳學(xué)共頒獎(jiǎng)18次，其中1958年以后共頒獎(jiǎng)15次，占了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的一半。1959年，S.奧喬亞、A.科恩伯格，合成RNA和DNA1962年，J.D.沃森、F.H.C.克里克、M.H.F.威爾金斯，發(fā)現(xiàn)核酸的分子結(jié)構(gòu)1968年，R.W.霍利、H.G.霍拉納、M.W.尼倫伯格，遺傳信息的破譯1969年，M.德?tīng)柌紖慰?、A.D.赫爾、S.E.盧里亞，發(fā)現(xiàn)病毒的復(fù)制機(jī)制和遺傳結(jié)構(gòu)1978年，W.阿爾伯、H.O.史密斯、D.內(nèi)森斯，限制性內(nèi)切酶及其應(yīng)用1983年，B.麥克林托克，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子1989年，J.M.畢曉普、H.E.瓦慕斯，發(fā)現(xiàn)了原癌基因1993年，P.A.夏普、R.J.羅伯茨，斷裂基因1995年，E.B.劉易斯、E.F.維紹斯、C.N.福爾哈德，控制早期胚胎發(fā)育的重要遺傳機(jī)理2002年，悉尼·布雷內(nèi)、約翰·蘇爾斯頓和羅伯特·霍維茨，器官發(fā)育和程序性細(xì)胞死亡過(guò)程中的基因調(diào)節(jié)2006年，安德魯·法爾和克雷格·梅洛，在SiRNA干擾、雙鏈RNA引發(fā)的基因沉默2007年，馬里奧·卡佩基、奧利弗·史密斯和馬丁·埃文斯，胚胎干細(xì)胞和哺乳動(dòng)物DNA重組方面的系列突破性發(fā)現(xiàn)

人類基因組學(xué)--認(rèn)識(shí)基因功能基因組學(xué)--闡明基因的功能蛋白質(zhì)組學(xué)--基因編碼產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與功能基因診斷--預(yù)防疾病的傳遞基因藥物--發(fā)現(xiàn)新的治療藥物基因治療--治療遺傳性疾病角膜環(huán)狀皮樣瘤是一種先天性角膜良性腫瘤，呈常染色體顯性遺傳。共有4代，57人，患者21人中國(guó)湖南角膜環(huán)狀皮樣瘤家系圖123PITX2——是一個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，與發(fā)育相關(guān)，有重要的功能XiaK,etal.JMedGenet(2004,41(12):e129)生物芯片的應(yīng)用DNA芯片：基因分型GWAS，連鎖分析全基因組甲基化基因表達(dá)腫瘤與正常組織或細(xì)胞的基因表達(dá)差異；外源性表達(dá)某基因后，細(xì)胞內(nèi)表達(dá)譜的改變……….利用生物芯片進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）

——用于復(fù)雜疾病研究人群大樣本量，多中心合作多基因疾病的GWAS研究的樣本量大致要求:初篩樣本：≥500（病例）:500（對(duì)照）;驗(yàn)證樣本：≥

1000（病例）:1000（對(duì)照）；選擇tagSNPs標(biāo)記單體型在病例-對(duì)照人群間比較SNPs等位基因頻率全基因組關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)分析，得出有意義的SNPs另外選擇獨(dú)立的病例-對(duì)照人群對(duì)初篩階段的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證全基因組關(guān)聯(lián)分析HapMap計(jì)劃初篩階段重復(fù)驗(yàn)證階段利用芯片對(duì)所有tagSNPs進(jìn)行基因分型二代測(cè)序454、Solexa、SOLID1人.周三代測(cè)序…….超低成本分子診斷與產(chǎn)前診斷

分子診斷例：鐮狀紅細(xì)胞貧血癥的檢測(cè)一種常染色體退化遺傳病引起原因：基因的點(diǎn)突變，丟失了可被MstII或Cvnl切開(kāi)的一個(gè)限制性內(nèi)切酶位點(diǎn)。正常：二條帶患病：一條帶子女1：正常子女2：患病子女3：攜帶者產(chǎn)前診斷羊水和胎盤絨毛膜檢測(cè)各種蛋白質(zhì)功能的正常是各細(xì)胞器行使功能的基礎(chǔ)疾病的發(fā)生本質(zhì)上是蛋白質(zhì)功能的改變基因功能的研究策略免疫染色（熒光、組化）LRRK2在小鼠腦中的神經(jīng)解剖學(xué)分布

利用GFP或RFP融合蛋白來(lái)進(jìn)行定位研究激光顯微鏡下野生型GJB3形成的細(xì)胞間隙連接通道內(nèi)毛細(xì)胞外毛細(xì)胞頂部免疫組化表明野生型GJB3精確表達(dá)于耳蝸內(nèi)毛細(xì)胞、外毛細(xì)胞頂部和蝸神經(jīng)節(jié)蝸神經(jīng)節(jié)耳蝸蓋膜研究實(shí)例：神經(jīng)性耳聾致病基因GJB3的功能研究

GJB3耳聾錯(cuò)義和無(wú)義突變體分別定位于細(xì)胞高爾基體(Golgi)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)上，不能被正常組裝、也不能被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞膜上形成間隙連接通道***WTE183KR180X染料(姜黃素Luciferyellow)轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)證明GJB3耳聾突變體不能形成功能性間隙連接通道WTE183KR180XGolgiER間隙連接形形色色的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物；熒光鼠，熒光觀賞魚(yú)，熒光豬InhibitionofAPPProcessingandAmyloidPlaqueFormationandRescuingLearningandMemoryDeficit

InTheMutantAPP-PS1DoubleTransgenicMice研究實(shí)例RNA干擾（RNAinterference）一些小的雙鏈RNA（dsRNA）可以高效、特異的阻斷體內(nèi)特定基因表達(dá)，促使mRNA降解，誘使細(xì)胞表現(xiàn)出特定基因缺失的表型，稱為RNA干擾。RNAi建立動(dòng)物模型

AndrewZ.Fire,PhD2001年，RNAi技術(shù)被Science評(píng)為2001年十大科技進(jìn)展之首。2006年，RNAi現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者AndrewFire與CraigMello榮獲當(dāng)年Nobel生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。研究實(shí)例：建立了1個(gè)帕金森病果蠅模型，開(kāi)展了治療藥物的篩選研究dPINK1RNAi8-c2/gmrhPINK1F-c2,dPINK1RNAi8-c2/gmrdPINK1RNAi8-c2,dPINK1RNAi15-c1/gmrhPINK1F-c2,dPINK1RNAi8-c2,dPINK1RNAi15-c1/gmrc100u1000uc20μg200μgSOD1VitE基因工程是指在微觀領(lǐng)域（分子水平）中，根據(jù)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)原理，設(shè)計(jì)并實(shí)施一項(xiàng)把一個(gè)生物體中有用的目的DNA(遺傳信息)轉(zhuǎn)入另一個(gè)生物體中，使后者獲得新的需要的遺傳性狀或表達(dá)所需要的產(chǎn)物，最終實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)價(jià)值。基因工程基因工程與建筑工程

稀少珍貴的蛋白質(zhì)藥物1982年，美國(guó)食品與藥物管理局批準(zhǔn)了首例基因工程產(chǎn)品—人胰島素投放市場(chǎng)——它標(biāo)志了基因工程產(chǎn)品正式進(jìn)入到商業(yè)化階段。人生長(zhǎng)激素、表皮生長(zhǎng)因子、腫瘤壞死因子、a-干擾素、纖維素酶、抗血友病因子、紅細(xì)胞生成素、尿激酶原、白細(xì)胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等等

畜牧業(yè)中的應(yīng)用動(dòng)物疫苗、生長(zhǎng)激素等例：從轉(zhuǎn)基因羊的羊奶中提取出治療心臟病的藥物tPA

種植業(yè)中的應(yīng)用抗化學(xué)除草劑基因轉(zhuǎn)基因西紅柿固氮酶基因人類DNA……

環(huán)境保護(hù)等等克隆技術(shù)1