医学遗传学1.doc

Human genetics:以人为研究对象的遗传学，与动植物及微生物的遗传学不同，主要是因为不能用人作杂交实验，故在各方面受到很大限制。研究人的形态，结构生理，生化，免疫，行为等各种遗传上的相似和差别，人类群体的遗传规律及人类遗传性疾病的发生机理、传递规律和如何预防等方面的遗传分支学科，着重于人类遗传疾病的研究。遗传病（inherited disease, genetic disorders）：因遗传因素罹患的疾病，遗传物质的结构和功能改变，多为先天性，表现为家族性，也有散发表现。医学遗传学（medical genetic）：是研究遗传病发生机理、传递方式、诊断治疗、预后、再发风险和预防方法的科学。细胞遗传学（cytogenetics）：研究人类染色体的结构、数量异常（畸变）的类型、发生频率及与疾病的关系。分子遗传学（molecular genetics）:从基因的结构、突变、表达、调控等方面研究遗传病的分子改变，为遗传学的基因诊断、基因治疗等提供了新的策略和手段。表观遗传学（epigenetics）:研究在没有细胞核DNA序列改变的情况下，基因功能的可逆的、可遗传的改变；如DNA的甲基化，基因组印记，母体效应，基因沉默和RNA编辑等。行为遗传学（behavior genetics）：用各种遗传学方法研究人类行为的控制，特别是异常行为，如精神分裂症、躁狂症的遗传基础。体细胞遗传学（somatic cell genetics）:以体外培养细胞系为材料，研究DNA的复制、基因突变、基因表达、基因调控和肿瘤形成机制等问题。肿瘤遗传学（cancer genetics）:研究肿瘤发生的遗传物质，恶性肿瘤发生、发展中染色体改变、癌基因与抑癌基因的作用以阐明肿瘤发生机理，为肿瘤诊断、治疗和预防提供方法。药物遗传学（parmacogenetics）：研究药物代谢的遗传差异和不同个体对药物反应的遗传差异，为指导医生用药的个体化原则提供理论依据。群体遗传学（population genetics）：研究人群中的遗传结构及变化的规律，为遗传病的群体监控和预防制定对策和措施。外显子（exon）:能转录、并存在于成熟RNA中的序列称为外显子。内含子（Intron）：能转录但不存在于成熟的RNA 中序列称为内含子。GT-AT法则：每个内含子的5端开始的两个核苷酸都是GT,3端末尾的两个核苷酸都是AG。侧翼序列：基因的两侧有一段不被转录的序列。包括：启动子、增强子和终止子，属顺式调控因子，称为调控序列。启动子(promoter)：通常位于基因转录起点上游的100bp范围内，是RNA聚合酶的结合部位，促进转录过程。包括：TATA框或Hogness框、CAAT框和GC框。增强子（enhancer）:启动子上游或下游的一段DNA序列，无明显方向性，但具有组织特异性，增强启动子转录效率。终止子（terminator）:一段回文序列以及特定的序列，如5-AATAAAA-3，是RNA停止工作的信号基因突变(mutation):细胞中核酸序列的改变通过基因表达有可能导致生物遗传特征的改变，这种核酸序列的改变称为基因突变。动态突变（dynamic mutation）:指DNA中的碱基重复序列拷贝数发生扩增而导致的突变，在动态突变中的重复单位片段的大小从3个碱基到33个碱基长度不等；由于三核苷酸扩增突变不同于此，所以称之为动态突变，也称为基因组的不稳定性。染色体病：人类正常体细胞具有二倍体（46条染色体），如果在生殖细胞发生和受精卵早期发育过程中发生差错，导致整条染色体数目、染色体节段数目、染色体结构等异常，就会形成染色体。多基因遗传病：多个基因的改变的累积效应而导致的疾病。线粒体遗传病：线粒体基因突变导致的疾病，呈胞质遗传。原癌基因：是一些与调节和控制细胞生长、分裂和细胞周期相关的基因，原癌基因的结构变化或者失控就会演变成癌基因。利用基因芯片进行全基因组相关联分析（GWAS）人群大样本量，多中心合作多基因疾病的GWAS研究的样本量大致要求：初筛样本：500（病例）：500（对照）验证样本：1000（病例）：1000（对照）基本策略HapMap计划 选择tagSNPs标记单体型 利用芯片对所有tagSNPs进行基因分型初筛阶段 在病例-照人群间比较tagSNPs等位基因频率 全基因组关联统计分析、得出有意义的tagSNPs重复验证阶段 另外选择独立的病例-对照人群对初筛阶段的结果进行验证RNA干扰（RNA interference）:一些小的双链RNA(dsRNA)可以高效、特异的阻断体内特定基因表达，促使mRNA降解，诱使细胞表达出特定基因缺失的表型，称为RNA干扰。基因工程：是指在微观领域（分子水平）中，根据分子生物学和遗传学的原理，设计并实施一项把一个生物体中有用的目的DNA（遗传信息）转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物，最终实现该技术的商业价值。系统生物学：研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成以及在特定条件下这些组分间的关系，并分析生物系统在一定时间内的动力学过程。单基因病：是指由于一个基因的突变而引起的遗传病，又叫孟德尔遗传病。家政基因（housekeeping gene）：人类基因组中大约有2-2.5万个基因，其中有一半左右的基因在所有的组织和细胞中都表达。它们对维持细胞的的基本结构和功能具有重要作用。家政基因所表达的mRNA占细胞mRNA的90。专业基因(specialty):人类基因组只有在某种或少数几种细胞中表达。专业基因编码的mRNA约占细胞总量的10。系谱/系谱图（pedigree）:指从先证者入手，追溯调查其所有家庭成员（直系亲属和旁系亲属）的数目、亲属关系及某些遗传病（或性状）的分布等资料，并按照一定的格式将这些资料绘制而成的图解。常染色体完全显性遗传的特征：1. 由于致病基因位于常染色体上，它的遗传与性别无关，男女均有相同的概率获得致病基因，故男女患病的机会相等。2. 致病基因在杂合状态下，即可致病。3. 患者的双亲中，有一个患者，患者的同胞中，有1/2的可能性为患者。4. 无患病的个体后代不会患此病。5. 在谱系中，疾病连续相传，无间断现象。6. 相当一部分散在病例起因于新产生的突变，疾病的适合度（fitness）越低来源于新突变的比例越高。常染色体隐形遗传特征：1. 由于基因位于常染色体上，所以它的发生与性别无关，男女发病机会相等。2. 致病基因只会在纯和状态下才会致病。3. 患者的双亲表型往往正常，但都是致病基因的携带者，出生患儿的几率是1/4，患儿的正常同胞中有2/3的可能性为携带者。4. 近亲婚配时，子代中隐形遗传病的发病率要比非近亲婚配高得多，这是由于他们来自共同的祖先往往具有某种共同的基因。5. 谱系中患者的分布是散在的，通常看不到连续遗传现象，有时谱系中甚至只有先证者一个患者。X伴性显性遗传：如果决定某种形状或疾病的基因位于X染色体上，并且此基因对其相对应的等位基因来说是显性的，这种遗传病的遗传方式称为X伴性显性遗传（X-linked dominant inheritance，XD）。X伴性显性遗传的遗传特征：1. 人群中女性患者比男性患者多一倍，前者病情常轻。2. 患者双亲中必有一名是该病患者。3. 男性患者的女儿全部为患者，儿子全部正常。4. 女性患者（杂合子）的子女中各有50%的可能性是该病的患者。5. 系谱中常可看见连续传递现象，这点与常染色体显性遗传一致。X伴性隐形遗传：如果决定某种性状或疾病的基因位于X染色体上，且为隐形遗传基因，这种基因的遗传方式称为X伴性隐形遗传病（X-linked recessive inheritance, XR）。X伴性隐形遗传的遗传特征：1. 人群中男性患者远比女性患者多，系谱中往往只有男性患者；2. 双亲无病时，儿子可能发病，女儿则不会发病，儿子如果发病，母亲一定是个携带者，女儿也有1/2的可能性为携带者。3. 男性患者的兄弟、外祖父、舅父、姨表兄弟、外甥、外孙等也可能是患者；4. 如果女性是一患者，其父亲一定也是患者，母亲一定是携带者。Y伴性遗传：如果决定某种性状或疾病的基因位于Y染色体上，那么这种性状（基因）的遗传方式称为Y伴性遗传（Y-linked inheritance）。父-子遗传。表现度（expressivity）:是基因决定的某一性状或疾病在个体中的表现程度。外显率（penetrance）:某一显性基因在杂合状态下或某一隐性基因在纯和状态下，所产生一定的频率，以百分比表示。拟表型（phenocopy）:由于环境因素的作用使个体的表型恰好与某一特定基因所产生的表型相同或相似，这种由环境引起的表型称为拟表型。基因的多效性（pleiotropy）:同一个基因的突变引起不同的疾病。基因的异质性（genetic heterogeneity）:一种性状可以由多个不同的基因控制。从性遗传（sex-influenced inheritance）:位于常染色体上的基因，由于性别的差异而显示出男女性分布比例上的差异或基因表达程度上的差异。限性遗传（sex-limited inheritance）:常染色体上的基因，由于基因表达的性别限制，只在一种性别表现，而在另一性别则完全不能表现。延迟显性（delayed dominance）:杂合子在生命的早期，因致病基因并不表达或虽表达但尚不足以引起明显的临床表现，只有达到一定的年龄后才表现出疾病，这一显性形式称为延迟显性。不完全显性遗传（incomplete dominance）：也称半显性遗传（semidomance）,是指杂合子Dd的表现介于显性纯合子和隐形纯合子dd的表现型之间，即在杂合子Dd中显性基因D和隐性基因d的作用均得到一定程度的表现。不规则显性遗传（irregular dominance）:指杂合子的显性基因由于某种原因而不表现相应的性状，因此在系谱中可以出现隔代遗传的现象。共显性遗传（codominance）:一对等位基因之间，没有显性和隐性的区别，在杂合体时两种基因的作用都完全表现出来。复等位基因：在群体中，同一染色体上同一位点的两个以上的基因。基因组印记（genomic imprinting）:不同亲本来源的某些染色体特异位置上的同源基因在子代中差异表达的现象称为基因组印记。单亲二体型（uniparental disomy）:一个个体的两条染色体来源于同一亲本，而缺乏另一亲本来源的同源染色体，这个个体被称为单亲二体型。嵌合体（mosaicism）:来源同一合子但具有两种或以上的在遗传构成上有差异的细胞系的个体，称为嵌合体。三联体重复病（triplet repeat diseases）:到目前为止共发现14种神经退行性变疾病和相关基因内的三联体重复的扩增相关，故这类疾病又称为三联体重复病。动态突变：指DNA中的碱基重复序列拷贝数发生改变导致的突变。重复序列拷贝数通常有一定的范围，超过这个范围，基因将变得不稳定，就可表现出病症或在染色体上出现脆性位点。单基因病的发病机理：1. 失去功能 基因功能的丢失主要有下列两种方式 1基因缺失 2基因突变2. 获得功能 获得功能的突变主要有两种形式 1基因拷贝数增加 2 突变蛋白质某种活性增强3. 显性负性效应（dominant negative effect）:在某些情况下突变的蛋白质不仅自身不能发挥其正常的生理功能，还影响其正常蛋白质而使正常蛋白质也不能正常地发挥功能，这种蛋白质相互作用中的干扰现象称为显性负性效应。4. 获得新特性5. 异时或异地基因表达数量性状（quantitative character）:若性状表现为连续变异，表型可用一个指标连续度量时叫做数量性状，它是对多对作用微小的、累加的等位基因与环境共同作用所形成的性状。质量性状（qualitative character）:单基因遗传的性状称为质量性状，性状变异在一个群体的分布是不连续的，在群体中往往可以分出具有或不具有该形状的2-3个小群体（全或无）。多基因遗传（polygenic inheritance）:表型性状不是有一对等位基因决定，而是由多对等位基因共同作用决定，这种性状的遗传方式称为多基因遗传。多基因遗传性状除受基因作用外，还受环境因素影响，是遗传与环境两种因素结合形成的，因此又称为多因子遗传（multi-factorial inheritance）。微效基因（minor gene）：多基因遗传方式中，每对等位基因彼此间没有显隐性的区别，而是共显性的，这些等位基因对该遗传性状形成的作用微小，所以称为微效基因。累积效应（additive effect）:多基因遗传的多对等位基因的微效作用累加起来，从而形成一个明显的表型效应，这种现象称为累积效应。多基因病（polygenic disorders）:遗传疾病的发生不是又一对等位基因决定，而是由两对或以上的等位基因所决定，因此这类疾病称为对基因病，同时疾病的形成还受环境因子的影响，也称为多因子疾病（multi-factorial disorders）。精神分裂症：是以基本个性改变，思维、情感、行为的分裂，精神活动与环境的不协调为主要特征的一类最常见的精神病。患者一般无意识和智能方面的障碍。多基因病的遗传学基础：1) 涉及多对不同位点的易感基因;2) 易感基因无显、隐性之分；3) 每对易感基因的作用是微效的，各对基因作用是累加的；4) 易感基因和环境共同作用（包括体内环境和体外环境），从而产生明显的疾病表型。易感性（susuceptibility）:由个体的遗传基础决定的一个个体患病的风险，称为易感性。易患性（liability）:由遗传因素和环境因素共同作用并决定一个个体是否易患某种遗传病的可能性则称为易患性。阈值（threshold）:由易患性决定的多基因病的最低限度称为阈值。（在一定条件下，阈值代表造成发病所必需的，最少的有关基因数量）遗传度（heritability）:是指多基因累加效应对疾病易患性变异的贡献大小。遗传度愈大，表明遗传因素对病因的贡献愈大，遗传度一般用百分率（）来表示。再发风险：是指除先证者外，家系其他成员的发病率。Edward公式：遗传率较高（70%-80%），群体发病率在0.1%-1%的多基因病中，患者一级亲属的发病率近似群体发病率的平方根，Edward公式：f=根号P(f:患者一级亲属发病率 P：群体发病率)多基因遗传病的特点：1. 为常见病和常见畸形；2. 遗传基础是寡基因或多个微效基因变异；3. 有家族聚集倾向；4. 不同种族间同一多基因病发病率不同5. 随着亲属级别降低，患者亲属发病风险迅速下降；近亲婚配，子女发病风险增高6. 常受众多流行病危险因素影响候选基因克隆基本步骤：1. 确定与疾病和形状有关的候选基因2. 利用家系或亲属对成员，对候选基因临近的遗传标记与疾病或性状做连锁分析3. 基因多态与疾病间的关联分析4. 如有连锁或关联存在，TDT5. 功能研究定位克隆：通过遗传连锁或细胞遗传学技术将基因定位于染色体某一区域，再在该区域内寻找候选基因或直接对该区域进行大规模测序，从而确定致病基因或疾病易感基因。功能基因组学：用动态的来研究积阴德转录，翻译以及蛋白之间的相互作用。miRNA和siRNA的差异：l miRNA来自长链的单链RNA，而siRNA来自长的双链RNA；l miRNA与靶mRNA不完全互补，但是siRNA完全互补；l miRNA与靶mRNA结合，抑制其翻译；siRNA与靶mRNA结合造成其降解；l miRNA往往可以抑制许多序列相似的mRNA的翻译，但是siRNA只造成特定基因的降解SUMO化（Small Ubiquitin-related modification）:影响蛋白质的稳定性、位置（细胞核/细胞质 转移）或者功能。泛素化（Ubiquitination）:最主要的功能就是介导蛋白质的降解。同时也可以影响蛋白质的稳定性、位置（细胞核/细胞质转移）或功能。蛋白质相互作用：研究一个蛋白质与一些蛋白质之间的相互作用，可以推断该蛋白质的生理功能，研究蛋白质相互作用的主要方法有：亲和层析（affinity chromatography）、免疫共沉淀（co-immunoprecipitation）、酵母双杂交系统（yeast two-hybrid system）蛋白质亲和层析原理：根据某些蛋白质与另一种称为配体（ligand）的分子能特异而非共价地结合。方法：将目标蛋白固定在亲和层析介质上（如sepharose 4B），让细胞蛋白通过层析柱，与目标蛋白结合的蛋白质被留在层析柱上，然后洗脱下来，用质谱分析等方法进行鉴定。免疫共沉淀原理：利用抗原和抗体间的免疫反应，用特异抗体将目标蛋白和与其作用的蛋白质沉淀下来。这一方法需要对目标蛋白高度特异的抗体。如果不能获得特异抗体，可利用DNA重组技术产生融合蛋白，如GST融合蛋白。基因定位或基因制图（gene mapping）:人类的基因定位或基因制图是近年来发展最快的领域之一，它的目的在于决定不同的基因在染色体上的位置。一条染色体时一条独立的DNA链，同一条染色体上的基因在该染色体上呈线性排列。物理图谱(physical map)：即确定基因之间的绝对物理学距离，通常用Mb（百万碱基对）或Kb（千碱基对）来表示。遗传图谱（genetic map）:即确定基因之间的遗传学距离，用cM(centimogen分摩)表示。基因定位方法：染色体多态法、染色体畸变法、体细胞杂种法、染色体分类法、原位杂交法、计量分析法、测序法、家系分析法。基因型：除性染色体外，每个人体内的染色体都有两份，一个人所拥有的一对等位基因位点的类型被称为基因型。基因分型：通过实验确定某个个体在某个多态性微点的基因型，被称为基因分型。传递不平衡检测（TDT）应用家系内对照比较传递与未传递给受累子代的等位基因频率有无差异。选择性剪接的主要形式：l 外显子跳跃，是指在不同的剪接方式中，某一外显子（或几个外显子）可以在成熟的mRNA中保留，也可以通过剪接过程被去除。所以至少有两种剪接方式，一种是外显子全部保留，而是删除一个（或几个）外显子。l 内部剪接位点，是通过对外显子或内含子内部5或者3剪接位点的选择，保留全部外显子或剪接掉某一外显子的部分序列；或去掉全部内含子或者保留某一内含子的一部分序列l 外显子的互斥，一对外显子中，在一种剪接方式中可在成熟的mRNA保留一个外显子，而在另一种剪接方式中在成熟的mRNA中只能保留另一个外显子，两个外显子不能同时出现在通过一个成熟的mRNA中。l 内含子不剪切，是指在不同的剪接方式中，内含子可以被完全去除，也可以被保留在成熟的mRNA中。因此有两种剪接方式：一是内含子全部删除，二是保留某一个内含子。分支点定位的原理mRNA前提在进行内含子去除，将外显子连接起来的剪接过程中，会暂时形成一个套索状的结构，这个套索结构由内含子5端剪接位点（一般GU）通过25磷酸二酯键连接到分支点A分子克隆（molecular cloning）是在体外对DNA分子按照既定的目的和方案进行人工重组，将重组分子导入到合适受体细胞中，使其在细胞中扩增和繁殖，以获得DNA分子大量复制，并使受体细胞获得新的遗传特征的过程。cDNA文库：是指利用基因克隆的方法保存在宿主细胞中的DNA重组体的群体，每一重组子只含有一种mRNA信息。cDNA文库的构建：第一， 细胞总RNA的提取和mRNA分离；第二， 第一链cDNA合成；第三， 第二链cDNA合成；第四， 双链cDNA克隆进质粒或噬菌体载体并导入宿主中繁殖。基因文库：将重组DNA技术将某种生物细胞的总RNA或染色体DNA的所有片段随机地连接到基因载体上，然后转移到适当的宿主细胞中，通过细胞增殖而构成各个片段的无性繁殖系（克隆 ）,在制备的克隆数目多到可以把某种生物的全部基因都包含在内的情况下，这一组克隆的总体就被称为某种生物的基因文库。基因克隆的策略：功能克隆根据特异蛋白质分离目的基因的策略表性克隆根据特异mRNA分离目的基因基因的策略比较基因组杂交（comparative genome hybridization,CGH）法是一种将消减杂交、荧光原位杂交相结合，用于检测待测组织DNA序列拷贝数的变化（缺失、扩增、复制），并将这些异常在染色体上定位的方法。基因芯片主要特点：l 操作简单，自动化程度高l 序列数量大，检测效率高l 应用范围广，成本相对低l 检测敏感性高，后续工作有一定难度基因芯片检测原理及简要操作基本过程l 用生物素标记并扩增（也可以使用其他放大技术）的靶序列或样本然后再与芯片上的大量探针进行杂交l 用链霉亲和素偶联的荧光素还有lassamine和phycoerythrin )进行显色l 图像的采集用落摄荧光显微镜、激光共聚焦显微镜或其他荧光显微装置对片基扫描l 由计算机收集荧光信号，并对每个点的荧光强度数字化后进行分析基因治疗(gene therapy):是指通过操作遗传物质来干预疾病的发生、发展和进程，包括替代或纠正人自身基因结构或功能上的错乱，杀灭病变的细胞或增强机体清理病变细胞的能力等，从而达到治病的目的。基因治疗目前主要是治疗那些对人类健康威胁严重的疾病，包括：遗传病、恶性肿瘤、心血管疾病、感染性疾病。基因治疗是随着DNA重组技术的成熟而发展起来的，它被认为是医学和药学领域的一次革命，是当今生物医学发展最重要的里程碑之一，同时也必将对传统制药业产生深远的影响和冲击。基因治疗的基本原理：来源于人类对自身机制的了解。1) DNA是遗传的物质基础；2) 基因是能表达产生特异蛋白质的DNA片段；3) 遗传病的根源在于基因异常，对异常基因的纠正可以使疾病得到根治。遗传病的基因异常包括：1. 基因表达序列的改变：单个或多个核苷酸的突变、缺失、重复2. 基因调控区域的改变：基因启动子的突变、缺失等基因治疗的策略：基因修复：是指将致病基因的突变碱基序列纠正，而正常部分予以保留。这种基因治疗方式最后也能使致病基因得到完全恢复，操作上要求高，实践中有一定的难度。基因替代：指除去整个变异基因，用有功能的正常基因取代之，使疾病基因的到永久的更正。基因抑制或基因失活：利用反义技术能特异地封闭基因表达的特性，抑制一些有害基因的表达，以达到治疗疾病的目的。如利用反义RNA、核酶或肽核酸等抑制一些癌基因的表达，核酶或肽核酸等抑制一些癌基因的表达，抑制肿瘤细胞的增殖，诱导肿瘤细胞的分化。用此技术还可封闭肿瘤细胞的耐药基因的表达，增加化疗效果。基因开放：目的在于促使有类似功能的基因表达，以超过或代替异常基因的表达。基因增强：是指将目的基因导入病变细胞或其它细胞，目的基因的表达产物可以补偿缺陷细胞的功能或使原有的功能得到加强。基因转移的方法：基因转移是基因治疗的关键和基础，实施基因转移的途径主要有两类：直接体内法（in vivo）:即活体直接转移法，指将外源基因直接注入人体内有关组织器官，使其进入相应的细胞。间接体内法（ex vivo），即在体转移，指在体外将外源基因导入细胞，再将这种细胞回输到病人体内。基因转移的物理方法：裸DNA直接注射、微粒轰击、电穿孔、显微注射等基因转移的化学方法：磷酸钙共沉淀法、