從基因染色體到臨床特征

從基因、染色體到臨床特征萍鄉(xiāng)市婦幼保健院

——?dú)W陽寧示光學(xué)顯微鏡下所見的人細(xì)胞核照片

示電子顯微鏡下所見的人體淋巴細(xì)胞的細(xì)胞核照片——可見染色質(zhì)絲染色質(zhì)絲

示染色質(zhì)絲的電子顯微鏡照片——由從串的核小體組成

示21號(hào)中期染色體的光學(xué)和電子顯微照片

核小體

一個(gè)染色單體為一條染色質(zhì)絲示一個(gè)男性細(xì)胞的染色體組成及配對(duì)分析照片示由一個(gè)DNA雙螺旋分子經(jīng)過多極螺旋化形成光學(xué)顯微鏡下一條中期染色體的過程（總計(jì)壓縮了1/8400）示細(xì)胞核、染色質(zhì)絲、染色體之間的關(guān)系照片DNA

一條染色體是一條染色質(zhì)絲；一條染色質(zhì)絲由一個(gè)脫氧核糖核酸分子（DNA）組成示脫氧核糖核酸分子（DNA）的組成

示中期染色體由兩條姊妹染色單體即兩條染色質(zhì)絲(兩條DNA分子)組成

一條染色質(zhì)絲是一個(gè)DNA分子示染色質(zhì)絲、DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)、DNA分子的核苷酸組成染色質(zhì)絲DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)一條DNA單核苷酸鏈DNA由兩條互補(bǔ)的核苷酸鏈組成“遺傳物質(zhì)突變”所致的疾病稱為“遺傳病”，“遺傳物質(zhì)的突變”本質(zhì)上是DNA分子在劑量或序列上的改變，是一個(gè)從分子水平到細(xì)胞水平的連續(xù)過程。“人類基因組計(jì)劃”的完成，為開創(chuàng)一種通用的、能一次性完成全部“染色體病”、“基因組病”、部分“單基因病”的診斷和產(chǎn)前診斷方法，提供了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。染色體號(hào)單核苷酸數(shù)(Mb)基因數(shù)目染色體號(hào)單核苷酸數(shù)(Mb)基因數(shù)目染色體號(hào)單核苷酸數(shù)(Mb)基因數(shù)目1222.8(3.99倍)1988(0.11Mb,110kb)9117.87781777.811042237.5124610131.67301877.62673194.6103311131.112641955.8(1倍)1337(0.04Mb,40kb)4187.274312130.310092059.55925177.78341395.63182134.22436167.310501488.36462234.84717154.79161581.3589X150.47668142.66921678.9839Y24.876人類基因組計(jì)劃公布的“各號(hào)染色體大小及基因數(shù)目”

（1對(duì)核苷酸為1bp;1000bp=1kb;1000kb=1Mb;1000Mb=1Gb)總計(jì)：2.85Gb資料來源Finishingtheeuchromaticsequenceofthehumangenome

Nature,Vol431,21October2004∣/nature

(28億5千萬個(gè)單核苷酸)總計(jì)19531個(gè)基因“遺傳病”是DNA分子在劑量或序列上的改變所致的疾病，并嚴(yán)格按三大遺傳規(guī)律（分離律、自由組合律、連鎖、交換律）遺傳；百余年來基于所用研究技術(shù)和觀察方法上的局限性，而人為的將“遺傳病”分為了”基因病“、”基因組病“和”染色體病“?！盎虿　薄獜姆肿铀降膯蝹€(gè)核苷酸改變到數(shù)個(gè)、數(shù)十個(gè)、數(shù)百個(gè)、數(shù)千、數(shù)萬個(gè)核苷酸改變所致的疾?。?bp→10kb個(gè)核苷酸）,國內(nèi)外現(xiàn)行的經(jīng)典的方法是對(duì)DNA分子進(jìn)行測(cè)序；至2010年10月18日止，已確定的人類單基因病總數(shù)為10203種，已克隆致病基因有7951種?！盎蚪M病”——從一個(gè)基因改變到數(shù)個(gè)、數(shù)十個(gè)、數(shù)百個(gè)基因的改變所致的疾?。?0kb→5Mb個(gè)核苷酸)，又稱為微缺失、微重復(fù)綜合征，國內(nèi)外綜合采用染色體FISH、Q-PCR、Array-CGH技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行檢測(cè)；至今已記錄有70余種?！叭旧w病”——染色體上一個(gè)次亞帶、亞帶、帶、一個(gè)區(qū)到一條染色體、一組染色體的改變所致的疾?。?Mb→240Mb個(gè)核苷酸），國內(nèi)外普遍采用不同的方法對(duì)染色體進(jìn)行顯帶，然后利用光學(xué)顯微鏡觀察、鑒定；至今已記錄的染色體綜合征有108種。示基因病檢測(cè)技術(shù)示染色體病檢測(cè)技術(shù)Chr12.17688908bp-17940493bp28724178bp-28889151bp28724178bp–17688908bp=11Mb重復(fù)全基因組拷貝數(shù)檢測(cè)示基因組病檢測(cè)技術(shù)示一對(duì)染色體的遺傳（一對(duì)染色體可以形成兩種類型的配子，四種類型的后代，即21×21=4）

如果第一個(gè)小孩為AC，那么生第二個(gè)小孩可能是AC、AD、BC、BD，因此一個(gè)人與親生父母、親兄弟姐妹之間的關(guān)系是1/2的關(guān)系，即具有同一條染色體的機(jī)率為1/2，這就是進(jìn)行親子鑒定的理論基礎(chǔ)。從染色體、基因到蛋白質(zhì)（1）

父親的Y染色體只傳給兒子，X染色體只傳給女兒；兒子X染色體是來自母親，這就是外孫兒像外公或舅舅一樣患同一種遺傳病的遺傳基礎(chǔ)。示X、Y染色體的遺傳分子遺傳學(xué)證明，“基因”是組成染色體的DNA分子的一個(gè)區(qū)段，DNA鏈上的核苷酸有一定的序列，這序列就攜帶了遺傳信息。在分裂型細(xì)胞中，DNA的鏈拆開，以每條單鏈為模板，按照核苷酸互補(bǔ)原則進(jìn)行半保留復(fù)制；在代謝型細(xì)胞中，DNA的雙鏈拆開，以DNA雙鏈中的一條（基因鏈）為模板，按互補(bǔ)的原則轉(zhuǎn)錄為信使RNA（mRNA)，mRNA與DNA僅有一種核苷酸的差別(即脲嘧啶U代替了胸腺嘧啶T),成熟的mRNA由細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，在核糖體上指導(dǎo)合成相應(yīng)的多肽，即以mRNA分子的三個(gè)相鄰的核苷酸（又稱遺傳密碼子）決定一個(gè)氨基酸的方式翻譯為多肽，再加工成蛋白質(zhì)或酶。

示分裂型細(xì)胞中染色體半保留復(fù)制示代謝型細(xì)胞中從基因到蛋白質(zhì)的信息傳遞圖示各種氨基酸的mRNA的三聯(lián)體密碼子從染色體、基因到蛋白質(zhì)（2）

臨床所見往往是智力低下、發(fā)育不良、五官不正、四肢畸形、心腎功能不全或各器官系統(tǒng)的異常所導(dǎo)致的病狀和體征，形成這些臨床特征的基礎(chǔ)，常?？勺匪返郊?xì)胞形態(tài)的異常、代謝的異常、蛋白質(zhì)的異常、酶的異常等等，但其本質(zhì)都是基因或染色體的異常，甚至包括某些傳染病在內(nèi)，如瘧疾的易感性等，均可以在基因水平上找到答案。分子遺傳學(xué)證明，基因是組成染色體的DNA分子的一個(gè)區(qū)段，DNA鏈上的核苷酸有一定的序列，這序列就攜帶了遺傳信息。在分裂型細(xì)胞中，DNA的鏈拆開，以每條單鏈為模板，按照核苷酸互補(bǔ)原則進(jìn)行半保留復(fù)制；在代謝型細(xì)胞中，DNA的雙鏈拆開，以DNA雙鏈中的一條（基因鏈）為模板，按互補(bǔ)的原則轉(zhuǎn)錄為信使RNA（mRNA)，mRNA與DNA僅有一種核苷酸的差別(即脲嘧啶U代替了胸腺嘧啶T),成熟的mRNA由細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，在核糖體上指導(dǎo)合成相應(yīng)的多肽，即以mRNA分子的三個(gè)相鄰的核苷酸（又稱遺傳密碼子）決定一個(gè)氨基酸的方式翻譯為多肽，再加工成蛋白質(zhì)或酶。各種氨基酸的遺傳密碼子見表。一、基因突變的遺傳效應(yīng)圖示各種氨基酸的mRNA的三聯(lián)體密碼子由此可知，人體內(nèi)蛋白質(zhì)或酶是在基因所攜帶的遺傳信息的控制下合成的．通俗地說，有什么樣的基因，就決定產(chǎn)生什么樣的蛋白質(zhì)或酶，就導(dǎo)致出現(xiàn)什么樣的遺傳性狀。一旦ＤＮＡ發(fā)生了改變，即遺傳學(xué)上所說的基因突變，蛋白質(zhì)或酶變隨之發(fā)生改變，遺傳性狀也就會(huì)跟著發(fā)生某種相應(yīng)的變化，許多分子病和遺傳代謝病就是如此。例如，人類有一種較嚴(yán)重的遺傳疾病叫做鐮形細(xì)胞貧血癥，正常人的紅細(xì)胞好似一個(gè)雙凹的圓碟子，而這種病人的細(xì)胞在缺氧時(shí)像一把鐮刀?；颊邍?yán)重貧血，發(fā)育不良，容易感染各種疾病，一般都在成年之前死亡。本病主要分布在非洲，也散布于地中海區(qū)，由于雜合子對(duì)瘧疾有較大的抗性，故與瘧疾的地理分布相一致。Ｃ示患者脫氧ＨbS紅細(xì)胞的掃描電鏡圖（×6000)ABCA示正常紅細(xì)胞Ｂ示HbS患者紅細(xì)胞

早在40年代末，人們就知道這種疾病是一種發(fā)生在血紅蛋白分子上的遺傳病。血紅蛋白分子(HbA)是由4條多肽鏈組成：兩條鏈，每條鏈含有141個(gè)氨基酸，決定該鏈的基因位于16號(hào)染色體；兩條鏈，每條鏈含有146個(gè)氨基酸，決定該鏈的基因位于11號(hào)染色體上。圖示血紅蛋白分子結(jié)構(gòu)圖示血紅蛋白鏈（含141個(gè)氨基酸，決定該鏈的基因位于16號(hào)染色體上）

圖示血紅蛋白鏈（含146個(gè)氨基酸，決定該鏈的基因位于11號(hào)染色體上）纈（6）

鐮形細(xì)胞的血紅蛋白（HbS）和正常人的血紅蛋白在組成上有什么不同呢？原來正常人的鏈從氨基開始的一端數(shù)起，第6位上的氨基酸是帶有負(fù)電荷和極性側(cè)鏈的親水性的谷氨酸，而鐮細(xì)胞貧血癥患者在這個(gè)位置上的氨基酸變成了不帶電荷且具有非極性側(cè)鏈的疏水性的纈氨酸，也就是說，在血紅蛋白分子的4條多肽鏈的574個(gè)氨基酸中，只有2個(gè)氨基酸的差別，即2個(gè)疏水的纈氨酸替代了2個(gè)親水的谷氨酸。

為什么會(huì)出現(xiàn)這2個(gè)氨基酸的替代呢？原來是位于11號(hào)染色體上的決定鏈mRNA形成的DNA分子（基因鏈）發(fā)生了一個(gè)由核苷酸T被A替換的突變，即CTT變成了CAT?；虻耐蛔儗?dǎo)致mRNA中這個(gè)有關(guān)的遺傳密碼子中的第2個(gè)核苷酸由A變成了U，即GAA變成了GUA，從而使血紅蛋白的鏈氨基端第6位上的谷氨酸變成纈氨酸（見下表）。

由于被2個(gè)纈氨酸替代了谷氨酸的這種異常血紅蛋白，在稀氧狀態(tài)下，比正常血紅蛋白的溶解度低5倍，于是在氧分壓低的毛細(xì)管區(qū)，HbS的溶解大大降低而形成管狀結(jié)構(gòu)和凝膠化，導(dǎo)致紅細(xì)胞變形成鐮刀狀，即“鐮變”。鐮變是可逆的，氧張力增加時(shí)，紅細(xì)胞能夠恢復(fù)。但如果鐮變時(shí)間延長(zhǎng)，細(xì)胞膜便遭受到不可逆的損害，這種鐮形細(xì)胞就被網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞從循環(huán)系統(tǒng)中清除掉，造成嚴(yán)重的貧血、虛弱和疲乏無力。由于異常的紅細(xì)胞變得很僵硬，不能通過微循環(huán)，又加上凝膠化的結(jié)構(gòu)使血液粘滯性增加，致使微循環(huán)阻塞，局部組織缺血、缺氧甚至壞死，從而出現(xiàn)急性骨關(guān)節(jié)痛和腹部疼痛。

根據(jù)血管閉塞的部位不同，臨床上可出現(xiàn)不同器官的病變。如果涉及腎血管，可引起腎功能衰竭；如果涉及心臟的血管，可引起心力衰竭；如果累及肝、脾、神經(jīng)，則可造成肝、脾、神經(jīng)損傷等等。這就告訴我們，雖然基因（DNA分子）并沒有攜帶紅細(xì)胞的形態(tài)及貧血癥等性狀，而只帶有合成有關(guān)蛋白質(zhì)的遺傳信息，信息變了，翻譯出來的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)也就改變了，由此引起的蛋白質(zhì)構(gòu)型和功能發(fā)生改變，從而破壞了人體代謝調(diào)節(jié)的正?；顒?dòng)，造成了一系列的臨床癥狀──腹痛、四肢疼痛、血尿、腎衰、心衰、脾大、梗塞，乃至腦血管意外等等（見下表）。

人類約3萬個(gè)基因，分別位于23對(duì)染色體上，組成24個(gè)基因連鎖群。每個(gè)連鎖群中基因的排列順序，其毗鄰關(guān)系是恒定的。染色體重排往往改變了基因之間的毗鄰關(guān)系，而導(dǎo)致具有相同基因組成（基因型genotype）的個(gè)體表現(xiàn)出不同的性狀(表現(xiàn)型phenotype)，即位置效應(yīng)(positioneffect)。

二、染色體突變所致的基因位置效應(yīng)人的各號(hào)染色體大小及估計(jì)的基因數(shù)

染色體堿基數(shù)(Mb)基因數(shù)目染色體堿基數(shù)(Mb)基因數(shù)目染色體堿基數(shù)(Mb)基因數(shù)目1222.819889117.87781777.811042237.5124610131.67301877.62673194.6103311131.112641955.813374187.274312130.310092059.55925177.78341395.63182134.22436167.310501488.36462234.84717154.79161581.3589X150.47668142.66921678.9839Y24.876（1對(duì)核苷酸為1bp;1000bp=1kb;1000kb=1Mb;1000Mb=1Gb)總計(jì)：2.85Gb資料來源Finishingtheeuchromaticsequenceofthehumangenome

Nature,Vol431,21October2004∣/nature

（一）在果蠅細(xì)胞遺傳學(xué)研究中所觀察到的基因位置效應(yīng)

1914年S.C.Tice發(fā)現(xiàn)果蠅X連鎖的顯性棒眼突變型以后，到1936年的22年期間，通過果蠅雜交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了如下的遺傳現(xiàn)象：

（棒眼）（正常眼）（超棒眼）

1936年Bridges用唾液腺染色體作為材料，在研究果蠅棒眼突變與染色體結(jié)構(gòu)畸變的關(guān)系中，發(fā)現(xiàn)果蠅的正常眼是由X染色體1641—1647這一段的6條橫紋所決定；這6條橫紋重復(fù)2次，則表現(xiàn)為棒眼突變，如重復(fù)3次則表現(xiàn)為超棒眼突變。如圖綜合上述研究的結(jié)果，如下圖：圖示純合棒眼雌果蠅的X染色體在減數(shù)分裂中由于同源染色體之間的不等交換產(chǎn)生了具有3個(gè)區(qū)段和1個(gè)區(qū)段的X染色體

綜上述，正常雌果蠅的二個(gè)節(jié)段分別位于兩條X染色體上，棒眼雄果蠅的二個(gè)節(jié)段位于同一條X染色體上，它們均帶有兩個(gè)節(jié)段，但由于位置不同，一個(gè)表現(xiàn)正常眼，一個(gè)表現(xiàn)為棒眼；純合棒眼雌果蠅每條X染色體上含兩個(gè)節(jié)段，共含四個(gè)節(jié)段；超棒眼雌果蠅一條X染色體上含三個(gè)節(jié)段，另一條X染色體含一個(gè)節(jié)段，也共含四個(gè)節(jié)段，但前者表現(xiàn)為棒眼，后者表現(xiàn)為超棒眼。該研究說明基因?qū)Ρ硇偷挠绊懖粌H決定于基因的數(shù)量，而且與基因在染色體上的位置直接相關(guān)，這就是“基因位置效應(yīng)”。

（二）在人類細(xì)胞遺傳學(xué)研究中所觀察到的基因位置效應(yīng)

70年代以來，隨著人類染色體顯帶技術(shù)的發(fā)現(xiàn)及其應(yīng)用表明，在人類中同樣存在基因的“位置效應(yīng)”。1、位置效應(yīng)引起著絲粒失活：

例1．45,X,psudic(13;Y)(p11;q11.2)

例2．45,X/46,X,terrea(X;X)(pter→cen→q28::q28→pter)

。

例1Y染色體上的著絲粒和例2當(dāng)中的一條X染色體上的著絲粒的DNA組成并未發(fā)生改變，但由于位置的變化使它失去了著絲粒的復(fù)制特點(diǎn)和功能。2、位置效應(yīng)引起基因失活導(dǎo)致的疾病例1視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤（RB）是一種常見于嬰幼兒眼部的惡性腫瘤，可分為遺傳型和非遺傳型兩類。通常認(rèn)為雙眼發(fā)病的為遺傳型，單眼發(fā)病的多為非遺傳型。大約有5%的RB患者體細(xì)胞可出現(xiàn)13q缺失，雖缺失片段的長(zhǎng)度因人而異，但均包括13q14帶。通過對(duì)不同缺失型RB患者的研究，已將RB基因定位于13q14帶，并證明RB基因與酯酶D（ESD）基因位點(diǎn)緊密連鎖。q14

曾報(bào)道一例具有X/13易位的RB女性患者，易位斷裂點(diǎn)發(fā)生在13q13帶遠(yuǎn)側(cè)端，13q14→qter易位到了X染色體上，13q14帶完整無缺。遲復(fù)制X染色體技術(shù)檢查，其易位X染色體失活。體細(xì)胞雜交和ESD定量測(cè)定表明，易位的失活X染色體將其失活效應(yīng)擴(kuò)展到了與之相連接的13q14帶上，而引起了ESD基因位點(diǎn)和RB基因位點(diǎn)的失活（位置效應(yīng)），即ESD基因和RB基因功能性喪失（基因失活），導(dǎo)致了與13q14帶缺失的同樣的遺傳效應(yīng)，即ESD基因活性的降低和視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤的形成。RbRbTr.XESDESD

例2Duchenne型肌營(yíng)養(yǎng)不良癥（DMD）是一種X連鎖隱性遺傳疾病，其基因位于X染色體的p21帶處。患者通常5歲左右發(fā)病，逐漸表現(xiàn)出鴨步。查體可見軀干及四肢近端肌肉萎縮，并有翼狀肩，腓腸肌、棘上肌、三角肌和三頭肌等肌肉有假性肥大現(xiàn)象，最后由于肌肉萎縮導(dǎo)致死亡。通常是帶有該隱性基因的男性患病，女性雜合子為隱性基因的攜帶者，表型正常。近年來，對(duì)少數(shù)帶有Xp21/常染色體易位的女性雜合子患者的研究查明，發(fā)現(xiàn)有90-100%的細(xì)胞具有一條遲復(fù)制的正常的X染色體；而在一些同時(shí)具有智力低下的DMD患者中，其易位到X染色體上的常染色體片段常常是失活的，也就是說，這些常染色體上的基因，由于位置的改變（位置效應(yīng)）而導(dǎo)致了其功能喪失（基因失活），從而使患者表現(xiàn)了部分單體患者常見的特征即智力低下。

3、位置效應(yīng)引起的淋巴瘤高度惡性的Burkitt淋巴瘤具有t(8;14)(q24.13;q32.3)易位染色體；惡性程度低的濾泡性小裂開細(xì)胞淋巴瘤具有t(18;14)(q21.3;q32.3)的染色體異常。它們的供體染色體8q24.13和18q21.3帶分別為原癌基因c-myc和c-bcl2的位點(diǎn)，其共同的受體染色體14q32.3帶是免疫球蛋白的重鏈編碼基因的位點(diǎn)；當(dāng)攜帶有癌基因的8號(hào)或18號(hào)染色體易位到帶有免疫球蛋白基因的14號(hào)染色體上，癌基因與免疫球蛋白基因鄰接，由于“位置效應(yīng)”，癌基因被免疫球蛋白基因激活，引起了淋巴瘤。

1960年Nowell和Hungerford在美國費(fèi)城發(fā)現(xiàn)慢性粒細(xì)胞白血?。–ML）病人具有一條比G組染色體小的染色體，并命名為費(fèi)城染色體（Ph1）。70年代用顯帶染色體證明費(fèi)城染色體是由t(9;22)(q34;q11)染色體易位形成的，4、染色體易位形成的融合基因?qū)е掳籽?/p>

ablbcrder(22)(p145)NH2-bcr-abl-COOH(p210)

1982年以后通過對(duì)Ph1陽性和陰性CML病人的相應(yīng)DNA片段的分析證明，兩者都存在著c-abl和bcr兩個(gè)基因的并置，它們?cè)诋惓５?2號(hào)染色體上的結(jié)構(gòu)是著絲粒-5’bcr-abl-3’末端。用分子雜交、核苷酸序列分析和蛋白質(zhì)分析技術(shù)，對(duì)正常人和Ph1陽性CML病人的研究證明，正常細(xì)胞含約6kb的正常的c-abl基因轉(zhuǎn)錄本，并產(chǎn)生具145KD的c-abl蛋白質(zhì)（P145）；而Ph1陽性的CML病人的白血病細(xì)胞則含一個(gè)異常的約8kb的融合基因bcr/abl的轉(zhuǎn)錄本，并產(chǎn)生一種具210KD的異常的雜合的蛋白質(zhì)（NH2-bcr-abl-COOH）(P210)。由于P210具有酪氨酸激酶的活性，而P145則幾乎測(cè)不到此酶的活性。從而提示，一個(gè)染色體的易位，導(dǎo)致了一個(gè)新的融合基因的出現(xiàn)和一種新的能激活細(xì)胞的蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，從而始動(dòng)了細(xì)胞的惡性變。

5、在基因治療中外源基因插入的

“位置效應(yīng)”導(dǎo)致白血病“基因治療”被認(rèn)為是當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。自1990年第一個(gè)基因治療方案在美國被批準(zhǔn)進(jìn)入臨床試驗(yàn)，至今治療病人數(shù)超過5000人，然而基因治療的發(fā)展并非一帆風(fēng)順。1999年法國AlainFischer領(lǐng)導(dǎo)的小組用基因治療方法成功地治愈了二例X連鎖致死性聯(lián)合免疫缺陷癥病兒，并在Science上發(fā)表了文章。當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是“基因治療”的一個(gè)劃時(shí)代的成就。隨后英國、美國、德國等國家采用同樣的方法開展了同類患兒的治療。一個(gè)劃時(shí)代的成果Cavazzana-Calvo,M,etal.Science,2000,April,Vol288:669-672.

然而不幸的是在上述法國巴黎Necker兒童醫(yī)院完成的11例基