单基因遗传病的研究策略.ppt

单基因遗传病的研究策略,宋书娟 医学遗传学系细胞楼304 电话：82802975 ,如果一种遗传病的发病仅仅涉及到一个基因，这个基因称为主基因(major gene)，其导致的疾病称为单基因病。,单基因遗传病,单基因遗传病发病的复杂性,外显率：一定基因型个体表现出疾病表型的比例 表现度：相同基因型不同个体在疾病表现程度的差异 基因多效性：一个基因有多种生物学效应 遗传异质性：表型相似而基因型不同的现象 从性遗传和限性遗传：常染色体上的基因在不同的性别有不同的表达程度和表达方式，从而造成男女性状分布上的差异 遗传早现现象：疾病在世代中存在发病年龄逐渐提前或病情逐代加重的情况,研究策略与方法,临床诊断、家系调查与材料收集 侯选基因的确定 已知致病基因突变位点的确定 连锁分析与未知基因的基因定位 基因型与表现型相关性研究 发病机制的研究,临床诊断、家系调查与材料收集,临床诊断,查阅相关资料，认识不同遗传病患者临床表现及其辅助诊断措施 临床诊断：症状和体征 常规辅助检测指标 特殊诊断指标,家系调查与系谱分析,调查家系三代以上所有相关成员的信息 根据调查资料，用系谱中常用的符号绘制成系谱 系谱分析：区别遗传病与非遗传病 区别单基因与多基因病 判断遗传方式,大家系,散发病例,临床遗传病家系特点,散发病例：对于遗传病，包括单基因遗传病，多数病例表现为散发。 小家系病例：在有家族史的病例中，多数也是小家系。 大家系病例：极少数家系发病个体多，涉及3-4代都有患者。,收集材料,采集样品： 外周血，颊粘膜脱落细胞，毛囊, 病人组织（如可以取材）， 羊水（产前诊断） 采集家系应做到尽可能完整 患者、同一家系中有相同遗传背景的表型正常的其他个体、该家系中其他遗传背景的成员,收集临床资料,病人临床上一系列指标的检测 保存相关信息和影象资料 病人血清或组织的保存及其酶、病理或免疫学研究,侯选基因的确定,文献检索,数据库 中的OMIM（Online Mendelian Inheritance in Man ）数据库中整合了目前已定位的单基因病的信息 确定自己所研究家系的可能已知候选基因或已定位的染色体候选区域,根据疾病名称检索,根据基因检索,检索最新文献,确定已知致病基因突变,获得已知基因基因组序列 设计引物或参考文献中引物 根据文献，采用合适的技术方法进行基因突变分析（在后面课程中详细介绍）,从数据库中查阅目的基因的相关信息,PCR-测序分析MFN2基因,结果发现错义突变: c.281 GA,其所在密码子由CGG变为CAG, 导致其编码氨基酸由精氨酸变为谷氨酰胺.,结论： 经查阅文献资料， c.281 GA为已知致病突变位点，可判断其为该患者的致病突变位点。,根据变异导致的结果判断 根据突变数据库和文献资料 排除已知SNP 根据家系共分离与否判断 在正常对照人群中分析 保守性分析 基因功能分析,突变分析结果的判断,连锁分析与未知基因的基因定位,利用被定位的基因与在同一染色体上另一遗传座位相连锁的特点，将该基因定位在某一染色体或染色体某一区带上。,连锁分析,注：适于分析较大的遗传病家系，不适于散发病例和小家系病例,连锁,重组,遗传标记,进行连锁分析时需要的一些已知遗传位点，这些位点应按孟德尔方式遗传，且具有多态性以便显示连锁关系，这些标记位点称为遗传标记,RFLP，STR, SNP,连锁分析结果,连锁分析结果,基因定位：将致病基因确定到染色体的实际位置,未知致病基因定位克隆研究,基因克隆：确定致病基因,定位克隆,基本方法和步骤,收集家系，选择遗传标记进行连锁分析，对目的基因作图定位 确定候选位置，对目的基因进行精细定位 从候选基因中确定正确的基因 （二代测序技术）,例：一个X连锁肌肉病家系致病基因的定位克隆研究,家系情况及前期研究基础,先证者2临床表现近似DMD 排除了DMD/EMD/FHL1基因突变,研究策略,全基因组90万个SNP位点； 8例样本； 商业公司完成,选取数个SNP点； 增加3个成员,连锁区域内的基因：Map Viewer； 基因表达：UniGene数据库及HGNC网站； 基因功能：OMIM数据库,1例样本(I2)； 商业公司完成,SNP芯片数据分析 连锁分析 提示X染色体有三段连锁区域：,单体型分析,三段连锁区域,精细定位分析 将Xp22.32-p22.2连锁区域由6.78Mb 缩短为4.18Mb,排除Xp21.2-p21.1连锁区域,肯定Xq24-q27.2连锁区域,最终确定两段连锁区域,连锁区域内包含的基因 Xp22.32-p22.2连锁区域 共28个基因：14个已知基因,14个预测基因 14个已知基因： 6个基因在肌肉组织中表达 （3个基因表型已知，均与肌肉病无关） 7个基因不在肌肉组织表达 1个基因表达情况未知,Xq24-q27.2连锁区域 共272个基因：122个已知基因,150个未知基因 122个已知基因： 79个基因在肌肉组织中表达 （18个基因表型已知，其中包括前期已经排除的FHL1基因） 41个基因不在肌肉组织表达 2个基因表达情况不清楚,外显子组测序 平均覆盖度：23.8 ；覆盖度大于20位点占53.7% 在上述两个连锁区域测序深度均很低 对测序深度20的变异位点进行验证，结果均无变异,存在的问题及解决办法 本家系患者未进行肌肉活检 将进行多个样本的外显子组测序,Genotype和Phenotype相关性研究,例：非综合征型先天缺牙的分子遗传学研究 J Dent Res, 2009; 88:126-131 Eur J Med Genet, 2008; 51: 536-546 Eur J Med Genet, 2011; 54: 377-382,单基因遗传病发病机制的研究, 隐性突变往往导致失去功能（loss of function） 显性突变可导致获得功能（gain of function）和失去功能 失去功能：单倍剂量不足（halpoinsufficency） 获得功能：显性负效应（dominant negtive）,隐性突变和显性突变的致病机制,Gain of function ： Loricrin基因突变获得核转位的新功能 Br J Dermatol, 2008; 159:714-719,Loricrin 角皮病,连锁分析与1q21区域连锁,发现Loricrin基因新突变,特殊的临床表现,突变蛋白序列新功能的预测,GFP表达载体的构建,细胞亚定位分析,动物模型,过表达和基因敲除小鼠模型均表现正常表型 转基因小鼠表现出与人类疾病相似的疾病表型，提示突变基因获得功能为其发病机制。,基因敲除小鼠表型基本正常,转基因小鼠表型与人类疾病相似,结 论,Loricrin基因突变可引起新的疾病表型 Loricrin突变蛋白获得新功能，通过其核定位信号介导了突变蛋白的核转位,Haploinsufficiency ： PAX6基因单倍剂量不足影响胰岛素成熟过程导致糖耐受异常 Diabetologia. 2009; 52:504-13,先天性无虹膜家系,在该家系发现 PAX6 突变(c.1080CT)导致单倍剂量不足,SSCP analysis,DNA sequencing,Ton et al. Cell 67, 1991,PAX6 基因及其 cDNA,Essential for the development of the eye & brain homozygous mutants no eyes, no brain, die heterozygous mutants small eyes in mice aniridia in humans Essential for the development of pancreas homozygous mutants abnormal pancreatic structure,PAX6的功能,Hill et al. Nature 354, 1991; St-Onge et al. Nature 387, 1997; Sander et al. Genes Dev 11,1997,PAX6 在胰腺发育中的功能,Mansouri et al. TEM 10, 1999,Dohrmann et al. Mech Dev 92, 2000,PAX6 在成体胰腺中的功能,Homozygous mice with conditional k/o PAX6 in the pancreas caused diabetes Four aniridia patients with PAX6 mutations were reported to suffer from glucose intolerance Ashery-Padan et al. Dev Biol 269, 2004 Yasuda et al. Diabetes 51, 2002,假 说,OGTT Analysis in the Aniridia Pedigree,血糖和胰岛素水平,总结 1,Aniridia caused by PAX6 gene mutation PAX6 mutation caused impaired glucose tolerance (IGT) PAX6-related IGT was associated with age,问 题,Does IGT come from deficiency of insulin? Do these patients have insulin resistance? Do patients have a defect in insulin processing?,PAX6 Had No Effect on the Transcriptional Activity of the Insulin Promoter,胰岛素耐受没有异常,胰岛素原显著高,总结 2,PAX6 had no effect on the insulin transcription IGT was not result from insulin resistance IGT may come from a defect in insulin processing,PC1 的功能,Proinsulin,insulin,in Pancreas,in Hy