遺傳學基礎課件

遺傳學基礎本章內容醫(yī)學遺傳學的概念醫(yī)學遺傳學的發(fā)展簡史基因與突變遺傳病的分類醫(yī)學遺傳學展望第一節(jié)醫(yī)學遺傳學的概念人的高、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節(jié)JohnForbesNash——著名數(shù)學家；1994年諾貝爾經(jīng)濟學獎得主；博弈論創(chuàng)始人之一凡高和他的向日葵結直腸癌腫瘤與遺傳遺傳性疾病，簡稱遺傳?。↖nheritedDisease,GeneticDisorders）因遺傳因素罹患的疾病遺傳物質的結構和功能改變多數(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)境對疾病的影響醫(yī)學遺傳學（MedicalGenetics）研究遺傳病發(fā)生機理、傳遞方式、診斷、治療、預后、再發(fā)風險和預防方法的科學臨床醫(yī)學與遺傳學相互滲透的一門學科醫(yī)學遺傳學主要分科：——細胞遺傳學、分子遺傳學、群體遺傳學——藥物遺傳學、腫瘤遺傳學、行為遺傳學——體細胞遺傳學、表觀遺傳學……

細胞遺傳學（Cytogenetics）：研究人類染色體的結構、數(shù)量異常（或畸變）的類型、發(fā)生頻率及與疾病的關系。分子遺傳學（MolecularGenetics）：從基因的結構、突變、表達、調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（PopulationGenetics）：研究人群中的遺傳結構及其變化的規(guī)律，為遺傳病的群體監(jiān)控和預防制定對策和措施。藥物遺傳學（Pharmacogenetics）：研究藥物代謝的遺傳差異和不同個體對藥物反應的遺傳差異，為指導醫(yī)生用藥的個體化原則提供理論依據(jù)。腫瘤遺傳學（CancerGenetics）：研究腫瘤發(fā)生的遺傳基礎，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)生機理，為腫瘤診斷、治療和預防提供方法。體細胞遺傳學（SomaticCellGenetics）：以體外培養(yǎng)細胞系為材料，研究DNA的復制、基因突變、基因表達、基因調控和腫瘤形成機制等問題。行為遺傳學（BehaiviorGenetics）：用各種遺傳學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。表觀遺傳學（Epigenetics）：研究在沒有細胞核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，基因沉默和RNA編輯等。第二節(jié)

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

DNA元件百科全書計劃啟動2006，國際人類癌癥基因組計劃2008，“國際千人基因組計劃”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2-2.5萬個基因基因組（Genome）

人類所有遺傳信息每個體細胞包含父源和母源2個基因組人類基因組2.91109bp

核基因的結構（結構基因、斷裂基因）能轉錄、并存在于成熟RNA中的序列稱為外顯子（exon）能轉錄、但不存在于成熟RNA中的序列稱為內含子(intron)結構基因都由若干個外顯子和內含子組成GT-AG法則：每個內含子的5’端開始的兩個核苷酸都是GT，3’端末尾的兩個核苷酸都是AG側翼序列：基因的兩側有一段不被轉錄的序列包括：啟動子、增強子和終止子屬順式調控因子，稱為調控序列啟動子（Promoter）通常位于基因轉錄起點上游的100bp范圍內，是RNA聚合酶的結合部位，促進轉錄過程包括TATA框或Hogness框（TATAbox,Hognessbox）、CAAT框（CAATbox）和GC框（GCbox）增強子（Enhancer）啟動子上游或下游的一段DNA序列無明顯的方向性，但具有組織特異性增強啟動子轉錄的效率終止子（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CAATTAAT轉錄起始轉錄終止翻譯起始密碼ATG翻譯終止密碼TAA、TGATAGPolyA信號外顯子1外顯子2外顯子3內含子1內含子2啟動子區(qū)域5’3’基因的表達一、轉錄轉錄本的合成以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，按堿基互補方式以5’→3’方向合成RNA轉錄本的加工加工一般包括剪接、戴帽和加尾等過程RNA加工圖解二、翻譯mRNA、tRNA及核糖體協(xié)同作用多個核糖體在同一個mRNA分子上同時進行翻譯沿著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單的化學修飾在肽鏈上加不同的糖基團或脂基團許多初始反應產(chǎn)物要經(jīng)過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真核生物基因表達的調控可發(fā)生在不同水平上細胞中核酸序列的改變通過基因表達有可能導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類染色體結構、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，CNVs點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

點突變——替換同義突變錯義突變

點突變——替換

點突變——插入或缺失會造成翻譯過程中其下游的三聯(lián)密碼子都被錯讀，產(chǎn)生完全錯誤的肽鏈或肽鏈合成提前終止。動態(tài)突變剪接位點突變內含子序列突變啟動子序列突變表觀遺傳學突變動態(tài)突變（DynamicMutation）：指DNA中的堿基重復序列拷貝數(shù)發(fā)生擴增而導致的突變，重復單位片段的大小3-33個堿基長不等，也稱為基因組不穩(wěn)定性(genomicinstability)。剪接位點突變：導致剪接位點改變和潛在剪接位點激活的突變。內含子序列突變：以往認為內含子中的隨機突變對生物不會產(chǎn)生嚴重的影響。但近些年來,隨著人們對內含子和基因序列功能研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)在mRNA剪切過程中,如內含子中分支點或內含子與外顯子拼接處發(fā)生堿基的改變,往往會造成剪切點改變,從而導致編碼的改變。啟動子序列突變：啟動子序列發(fā)生變異后導致啟動子轉錄活性的改變，分2類：上升突變(upmutation)：基因由弱啟動子突變成強啟動子；下降突變(downmutation)，調控蛋白不能與其結合，使發(fā)生順式調控突變的基因不表達。人類的三聯(lián)體重復病。引起脆性X綜合征、脆性XE綜合征和SCA12的三聯(lián)體重復位于5’UTR；肌強直性營養(yǎng)不良I型和SCA8的三聯(lián)體重復位于3’UTR；Friederich共濟失調的三聯(lián)體重復位于內含子內；Huntington病、SBMA、DRPLA、SCA1、SCA2、SCA3、SCA6和SCA7的三聯(lián)體重復位于外顯子的編碼區(qū)；SCA10的五核苷酸重復位于內含子內。動態(tài)突變——表觀遺傳學突變：

表觀遺傳現(xiàn)象是指基因表達發(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胞具有二倍體（46條染色體），如果在生殖細胞發(fā)生和受精卵早期發(fā)育過程中發(fā)生差錯，導致整條染色體數(shù)目、染色體節(jié)段數(shù)目、染色體結構等異常，就會形成染色體病。舉例：Down’s綜合征（21三體綜合征患者）（二）單基因遺傳病單個基因（同源染色體的一條或二條）發(fā)生突變而導致的疾病。遺傳性多發(fā)性外生性骨疣患者膝關節(jié)舉例：外生性骨疣（三）多基因遺傳病多個基因改變的效應累積而導致的疾病。舉例：精神分裂癥、孤獨癥（四）線粒體遺傳病線粒體基因突變導致的遺傳病，呈現(xiàn)胞質遺傳

舉例：Leber’s遺傳性視神經(jīng)病（五）體細胞遺傳病體細胞遺傳物質突變?yōu)橹苯釉?/p>

舉例：腫瘤原癌基因是一些與調節(jié)和控制細胞生長、分裂和細胞周期相關的基因。原癌基因的結構變化或者失控就會演變成癌基因。

癌基因起源于原癌基因第五節(jié)

醫(yī)學遺傳學的展望

遺傳學的發(fā)展舉世矚目，打開了人類了解生命并控制生命的窗口。諾貝爾獎極其關注這一領域的探索，100年中對遺傳學共頒獎18次，其中1958年以后共頒獎15次，占了諾貝爾醫(yī)學獎的一半。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)核酸的分子結構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.德爾布呂克、A.D.赫爾、S.E.盧里亞，發(fā)現(xiàn)病毒的復制機制和遺傳結構1978年，W.阿爾伯、H.O.史密斯、D.內森斯，限制性內切酶及其應用1983年，B.麥克林托克，發(fā)現(xiàn)轉座子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)育的重要遺傳機理2002年，悉尼·布雷內、約翰·蘇爾斯頓和羅伯特·霍維茨，器官發(fā)育和程序性細胞死亡過程中的基因調節(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，胚胎干細胞和哺乳動物DNA重組方面的系列突破性發(fā)現(xiàn)

人類基因組學--認識基因功能基因組學--闡明基因的功能蛋白質組學--基因編碼產(chǎn)物的結構與功能基因診斷--預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人中國湖南角膜環(huán)狀皮樣瘤家系圖123PITX2——是一個轉錄調控因子，與發(fā)育相關，有重要的功能XiaK,etal.JMedGenet(2004,41(12):e129)生物芯片的應用DNA芯片：基因分型GWAS，連鎖分析全基因組甲基化基因表達腫瘤與正常組織或細胞的基因表達差異；外源性表達某基因后，細胞內表達譜的改變……….利用生物芯片進行全基因組關聯(lián)分析（GWAS）

——用于復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（對照）;驗證樣本：≥

1000（病例）:1000（對照）；選擇tagSNPs標記單體型在病例-對照人群間比較SNPs等位基因頻率全基因組關聯(lián)統(tǒng)計分析，得出有意義的SNPs另外選擇獨立的病例-對照人群對初篩階段的結果進行驗證全基因組關聯(lián)分析HapMap計劃初篩階段重復驗證階段利用芯片對所有tagSNPs進行基因分型二代測序454、Solexa、SOLID1人.周三代測序…….超低成本分子診斷與產(chǎn)前診斷

分子診斷例：鐮狀紅細胞貧血癥的檢測一種常染色體退化遺傳病引起原因：基因的點突變，丟失了可被MstII或Cvnl切開的一個限制性內切酶位點。正常：二條帶患?。阂粭l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各種蛋白質功能的正常是各細胞器行使功能的基礎疾病的發(fā)生本質上是蛋白質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)解剖學分布

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

GJB3耳聾錯義和無義突變體分別定位于細胞高爾基體(Golgi)和內質網(wǎng)(ER)上，不能被正常組裝、也不能被轉運到細胞膜上形成間隙連接通道***WTE183KR180X染料(姜黃素Luciferyellow)轉移實驗證明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基因動物；熒光鼠，熒光觀賞魚，熒光豬InhibitionofAPPProcessingandAmyloidPlaqueFormationandRescuingLearningandMemoryDeficit

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

AndrewZ.Fire,PhD2001年，RNAi技術被Science評為2001年十大科技進展之首。2006年，RNAi現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者AndrewFire與CraigMello榮獲當年Nobel生理與醫(yī)學獎。研究實例：建立了1個帕金森病果蠅模型，開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域（分子水平）中，根據(jù)分子生物學和遺傳學原理，設計并實施一項把一個生物體中有用的目的DNA(遺傳信息)轉入另一個生物體中，使后者獲得新的需要的遺傳性狀或表達所需要的產(chǎn)物，最終實現(xiàn)該技術的商業(yè)價值?；蚬こ袒蚬こ膛c建筑工程

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

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

種植業(yè)中的應用抗化學除草劑基因轉基因西紅柿固氮酶基因人類DNA……

環(huán)境保護等等克隆技術1