课件：人类基因与突变.ppt

在整个生物界中，绝大部分生物（包括人类）基因的化学本质是DNA；在某些仅含有RNA和蛋白质的病毒中，基因的化学本质是RNA。,第二章 人类基因,基因的概念,基因（gene） 存在于DNA分子上、能进行转录的功能区段,其功能产物是蛋白质和RNA。,国际人类基因组最新分析结果：低等动物秀丽隐杆线虫只有 mm长，生命周期仅数天，含有1.95万个基因，低等植物拟南芥有2.7万个基因，人类基因组仅有2.0万2.2万个基因！。,基因的数量,“许多人对人类基因数只比果蝇基因数高出1万个的事实感到不舒服，因为这似乎有损人类尊严” 。果蝇只有959个细胞，其中有302个是脑细胞；而人类身体有无数细胞，单是脑细胞已有1000亿个。,“基因的数量多少并不是关键问题，最重要的因素是不同物种如何利用了这些基因” 。人类的基因并不占优势，但人类的基因图谱却要复杂得多。,1994年，大多数研究人员认为人类有大约10万个基因。但是2001年，研究人员估计的基因数目为3万到3. 5万个。 2004年10月21日 ，估计数目由3.5万个缩减到了2.0万至2.2万个。,想一想,基因=DNA吗？ 基因和DNA究竟是什么关系呢？,1、大肠杆菌细胞的拟核有1个DNA分子，长度约为4700000个碱基对，在DNA分子上分布着4400个基因，每个基因的平均长度约为1000个碱基对。,分析资料：,2、人类基因组计划测定的是24条染色体（22条常染色体+X+Y）上的DNA的碱基序列。其中，每条染色体上有一个DNA分子。这24个DNA分子大约有31.6亿个碱基对，其中，构成基因的碱基数占碱基总数的比例不超过2%。,基因是DNA的片段,第二章 人类基因,人类基因结构 基因是决定一定功能产物的DNA序列,人类基因组 基因组是一个生命体遗传信息的总和。包括核基因组和线粒体基因组,人类基因组包括24条染色体，3109 bp，2-2.2万基因,基因的分类,人类的基因或人类基因组中的功能序列可分为4大类，即单一基因、基因家族、拟基因和串联重复基因。,基因的结构,真核生物基因的编码序列往往被非编码序列所分割，呈现断裂状的结构，故而也称断裂基因（split gene）。 编码序列称为外显子（exon），间隔的非编码序列称为内含子（intron）。内含子在转录后的加工中会被切除。,断裂基因的结构,内含子和外显子的关系不是固定不变的，有时同一条DNA分子上的某一段DNA顺序，在作为编码一条多肽链的基因时是外显子，但作为另一条多肽链的编码基因时却是内含子，这是由于mRNA剪接加工的方式不同所致。其结果使同一个基因（确切地说是同一段DNA顺序）产生两条或者两条以上的mRNA链。,除外显子、内含子外，基因还包括与除外显子、内含子相邻的DNA序列组件，它们对基因转录的起始和终止起调控作用。,外显子-内含子的接头区是一高度保守的一致顺序，称为外显子-内含子接头。每一个内含子的5端起始的两个碱基是GT，3端最后的两个碱基是AG，通常把这种接头形式叫做GT-AG法则（GT-AG rule）。这两个序列是高度保守的，在各种真核基因的内含子中均相同。,基因组的组成,单拷贝序列：在基因组中仅有单一拷贝或少数几个拷贝，长度在8001000bp之间，其中有些是编码细胞中各种蛋白质和酶的结构基因，占到人类基因组的大多数。 重复多拷贝序列：分为串联重复DNA和散在重复DNA。,串联重复：以小于200bp的小片段为单位串联重复很多次，约占整个基因组的1015，大多数长度可达105bp，多位于染色体的异染色质区。 某些存在于基因组的间隔序列和内含子等非编码区内的简单序列DNA被称为微卫星DNA（microsatellite DNA），它们在人类基因组中出现的数目和频率不同，表现为多态性，为人类遗传分析提供了大量的多态遗传标志，可用于基因定位、群体进化以及基因诊断等研究。,Huntingdon舞蹈症，脊髓小脑共济失调，脆性x染色体综合征,基因的生物学特性,DNA分子中碱基对的排列顺序蕴藏着遗传信息，决定了基因的基本功能和特性。基因复制与表达构成了基因的主要功能。,遗传密码：在DNA的脱氧核苷酸长链上，每三个相邻的碱基序列构成一个三联体，每个三联体密码能编码某种氨基酸，所以三联体（triplet）是遗传信息的具体表现形式。因而三联体又称三联体密码（triplet code）、遗传密码（genetic code）或密码子（codon）。,遗传密码的特性 通用性 在绝大多数情况下，遗传密码在整个生物界中都是通用的。但也有一些例外存在，如线粒体DNA中有3个遗传密码与通用密码不同。 简并性 除少数氨基酸仅有一种密码子外，其余氨基酸都各被26个密码子编码，这种现象称为遗传密码的简并性（degeneracy）。 起始密码和终止密码 密码子AUG若位于mRNA的5端起始处，则是蛋白质合成的起始信号，叫起始密码子（initiation codon），同时编码甲酰甲硫氨酸和甲硫氨酸；若不是位于mRNA的起始端，则只具有编码甲硫氨酸的作用。 密码子UAA、UAG和UGA不编码任何氨基酸，而是作为肽链合成的终止信号，称为终止密码子。,基因具有自我复制（self-replication）的重要特性。复制发生在细胞分裂周期的S期，,DNA双螺旋结构解旋为两条单股的多核苷酸链，以DNA分子自身的每一股单链为模板进行自我复制合成新的DNA分子。复制的起点由特定的碱基序列组成。真核生物的复制从多个位点同时开始进行。,新链的复制过程具有一定的特点 互补性：新链与模板链的碱基序列呈互补关系，这样就构成了一个完整的双链DNA分子，与复制前的双链DNA分子保持完全一样的结构。 半保留性：两条模板链分别成为子代DNA分子双链中的一条链，即在每个子代DNA分子的双链中，总是保留着一条亲链。 反向平行性：DNA分子的两条双链之间是反向平行的，一条是53，另一条必然是35。新复制出来的DNA分子的子链与亲链也是反向平行的。 不对称性：DNA的复制是不对称的，即以35亲链作模板时，其子链合成是连续的；而以53亲链作模板时，子链的合成则是不连续的。 不连续性：真核细胞的 DNA包含多个复制起点，其DNA的复制是以复制单位（replicative unit）进行的。,基因表达（gene expression）：是把基因所储存的遗传信息转变为由特定的氨基酸种类和序列构成的多肽链，再由多肽链构成蛋白质或酶分子，从而决定生物各种性状（表型）的过程。 基因表达包括两个步骤：以DNA为模板转录合成mRNA；将遗传信息翻译成多肽链中相应的氨基酸种类和序列,转录（transcription）：是在RNA聚合酶的催化下，以DNA的35单链（反编码链）为模板，按照碱基互补配对原则（但RNA以U和DNA的A配对，其余配对形式与复制时一致），以三磷酸核苷酸（NTP）为原料合成RNA的过程。转录的最终产物是mRNA、tRNA和rRNA等。,转录产物的加工和修饰：由RNA聚合酶催化所形成的初始转录产物，仅仅是mRNA的前体，必须经过加工和修饰，才能形成有功能的mRNA。主要包括“加帽”（capping）5端加“7-甲基鸟嘌吟核苷酸”； “加尾”（tailing）3端加“多聚腺苷酸” （poly A）和剪接 按GT-AG法则将内含子切除，再将外显子由连接酶逐段连接起来，形成成熟的mRNA分子。,转录及其加工过程,翻译（translation）：是以mRNA为模板指导蛋白质合成的过程。蛋白质合成是在细胞质内的核糖体上进行的。 蛋白质翻译时mRNA携带遗传信息，作为合成蛋白质的模板；tRNA转运活化的氨基酸和识别mRNA分子上的遗传密码；核糖体是蛋白质合成的场所，把各种特定的氨基酸分子连接成多肽链。蛋白质分子最终的空间结构是由翻译后修饰所决定的。,一种组织细胞中通常只有一种或几种蛋白质发挥优势作用，如上皮细胞为角蛋白、结缔组织为胶原蛋白和弹性蛋白、红细胞为血红蛋白、胰岛细胞为胰岛素等，这些特异表达的基因称为奢侈基因（luxury gene）。相对地，几乎在一切体细胞中均能被表达的基因称为持家基因（housekeeping gene），例如与DNA复制、RNA转录和蛋白质合成酶有关的基因及控制糖酵解和三羧酸循环的基因。,基因表达的控制,基因表达控制的特点是能在特定时间和特定细胞中激活特定的基因，从而实现“预订”的有序的分化发育过程。真核生物基因表达调控是通过多阶段水平实现的，即转录前、转录水平、转录后、翻译和翻译后等五个水平。,人类基因组,人类基因组（genome）通常是指核基因组，是人的所有遗传信息的总和。,人类基因组计划,“人类基因组计划（human genome project，HGP）”是20世纪90年代初开始的全球范围的全面研究人类基因组的重大科学项目。HGP是美国科学家在1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组DNA 3.2109核苷酸的序列，发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面地认识自我。,主要组成部分 构建基因组的遗传图谱； 构建基因组的物理图谱； 绘制基因组的转录本图谱 测定基因组DNA的序列图。,人类基因组计划,20世纪90年代初开始的全球范围的全面研究人类基因组的重大科学项目,主要研究基因组的功能，即功能基因组学,人类基因组计划后基因组计划（post-genome era）,在人类基因组测序完成后，下一步工作将干什么？科学家认为，应弄清基因的全部产物的结构和功能，这个新时代称 “后基因时代”。科技日报报道，我国第一个为结构基因研究提供平台的同步辐射实验站，2002年上半年在中科院高能所落成。在后基因时代，最重要的工作就是弄清基因的全部蛋白质产物的结构和功能。,世界首例人造生命 2010年05月20日 美国科学家制造出完全由人造基因控制的单细胞细菌。,科学家们首先选取一种名为丝状支原体的细菌，对其基因组进行解码并复制，产生人工合成基因组。然后，将其移植入另一种山羊支原体的细菌，通过分裂和增生，细菌内部的细胞逐渐为人造基因所控制，最终成为一种全新的生命。在培养皿中，合成细菌的分裂等行为就像天然细菌一样。,人类是否可以扮演上帝的角色？ 英国牛津大学的伦理学教授认为：“该工作推开了人类历史上最重要、最基础的那扇大门-窥视生命的本质。他直接扮演了上帝的角色-创造出自然界原本不存在的新生命。” 一个 “人类基因学警告”的团体负责人戴维金说：“该研究无异于打开了潘多拉的魔盒。”反对者认为，人造的有机体如果扩散到自然界，引发生物基因变化，有可能造成环境灾难，它们还有可能被用来制造生物武器。,一切生物细胞内的基因都能保持其相对稳定性，但在一定内外因素的影响下，遗传物质就可能发生变化，这种遗传物质的变化及其所引起的表型改变称为突变（mutation）。,第三章 基因突变,伊朗巨鼠疑遭基因变异 -老鼠中的“战斗鼠”,基因突变,突变（mutation) 遗传物质发生的可遗传的变异。 基因突变的概念（gene mutation) 基因的核苷酸顺序和数目的改变。 突变热点（ hot spots of mutation) DNA分子上的某些部位的突变频率大大高于平均数，这些部位就称为突变热点。,在自然条件下，未经人工处理而发生的突变为自发突变（spontaneous mutation）。 经人工处理而发生的突变是诱发突变（induced mutaion）。 能诱发基因突变的各种内外环境因素统称为诱变剂（mutagen）。,诱发基因突变的因素,紫外线 电离电磁辐射 其它物理因素 高温 严寒,物理因素,羟胺（hydroxylamine，HA） 亚硝酸或含亚硝基化合物 烷化剂 碱基类似物 芳香族化合物,化学因素,病毒 风疹、麻疹、流感、疱疹等 真菌和细菌 毒素,生物因素,例如： 风疹病毒 前4周受感染，致畸危险为61；58周时为26；910周时为6。 妊娠第6周感染病毒，产生白内障； 第9周感染产生耳聋； 第510周感染引起心脏畸形； 第69周感染引起牙釉缺损； 第46个月感染引起中枢神经系统的异常。,弓形虫感染 主要表现为眼的疾患，90有脉络膜炎，5060有癫痫、小头和脑积水。,致突变试验的应用,中国预防医学博士张学明:煎炸鱼中合有强致癌物杂环胺。 杂环胺的形成量主要受煎炸、烤的温度影响，其次是煎烤时间。煎炸温度小于，杂环胺的形成量就很少；如果煎炸温度超过，煎炸时间少于分钟，杂环胺的形成量也很少；在煎炸的鱼外面挂上一层淀粉糊再炸，也能预防杂环胺形成。 美国加州科研人员发现，高温烹调或油炸的肉食中合有突变源，对经过高温烹调的牛肉、鸡、鱼等进行检验，结果测出种致癌化合物，这次研究证实，突变源不是由于炭火等热源将肉烧糊所致，而是肉食本身成分在加温以上时的产物。,多向性：同一基因座上的基因可独立发生多次不同的突 变而形成复等位基因。 可逆性：突变的方向可逆,可以正突变，也可以回复突变。 有害性：突变会导致人类许多疾病的发生。 稀有性：在自然状态下发生突变的频率很低。 随机性 可重复性,基因突变的一般特性,基因突变类型 一、点突变：DNA上单一碱基的变异，分为转换和颠换两种,同义突变(same sense mutation),错义突变(missense mutation),基因突变类型 一、点突变：DNA上单一碱基的变异，分为转换和颠换两种,同义突变(same sense mutation),错义突变(missense mutation),无义突变(nonsense mutation),终止密码突变(termination codon mutation),调控序列突变：使蛋白质合成的速度或效率发生改变，进而影响着这些蛋白质的功能，并引起疾病。,内含子与外显子剪辑位点突变：GT-AG中的任一碱基发生置换而导致剪辑和加工异常，不能形成正确的mRNA分子。,基因突变类型 二、碱基插入或缺失,移码突变（frameshift mutation）,酪 精 丝 酪 精 亮 甘,酪 缬 亮 谷酰 天酰 甘,基因突变类型 二、碱基插入或缺失,移码突变（frameshift mutation）,密码子缺失与插入（insertion or deletion of codons）,基因突变类型 三、倒位或转位（transposition)： DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置或发生位置迁移,基因突变类型 四、动态突变（dynamic mutation）： 串联重复的3核苷酸序列的重复次数在一代一代传递过程中发生明显增加，从而导致某些遗传病的发生，这类突变称为动态突变。,动态突变,Fra X syndrome FMR-1基因(CGG)n,n = 6 50； normal,n = 51 200； pre - mutation,n 200 ； patient,Huntington舞蹈症系谱(MIM 143100),基因突变的案例白化病,突变-黑色素生成缺陷-眼、毛发色素缺乏 发病率，2/1000 常染色体隐性遗传,全色盲，双色盲，色弱（红绿蓝三原色） 发病率，男性7%，女性0.49% X染色体隐性遗传（交叉遗传） 尚无有效的治疗方法（色盲矫正隐形眼镜，改善色觉,提高色调分辨能力）,基因突变的案例色盲症,基因突变的案例多毛症,23岁的墨西哥男子丹尼出生后就患有一种罕见的多毛症，全身都被浓厚的黑色毛发覆盖，看起来就像传说中的恐怖“狼人”。 据悉，丹尼一家五代人都患有这种“狼人综合征”，他和26岁的哥哥拉里从小便被当成“怪物”，被关进笼子中四处展出。 祖母携带这种变异基因，将它传给了后代。哥哥拉里、堂姐妹莉莉和卡拉、亲妹妹贾米、6岁侄女丹尼拉等,狼人综合征和月亮以及狼没有任何联系，而是与基因有关 多毛症基因曾是人类身上的一种“失传基因”。当远古时代的人类还是长满毛发的灵长类动物时，身上就存在着这种基因，但当人类