复旦大学精品课程——遗传学（1-6章）.ppt

参考书 1 遗传学刘祖洞高等教育出版社2 遗传学王亚馥等高等教育出版社3 GeneVIIBenjaminLewin4 AnintroductiontogeneticanalysisAnthonyJ F Griffiths5 PrinciplesofGeneticsD PeterSnustad 第一章绪论 Keyword遗传学Genetics遗传heredity变异variation 1 人类基因组中的冗余序列的作用是什么 2 植物中常见多倍体类型 为什么鲜见多倍体动物 3 基因组的突变热点与中性学说有无矛盾 4 克隆人的伦理学问题是什么 5 科学悖论 生物的基因组在进化过程中越来越复杂 但是人的基因组却比有些低等生物的基因组还简单 绪论 Keyword遗传学Genetics遗传heredity变异variation 遗传学的研究特点 1 在生物的个体 细胞 和基因层次上研究遗传信息的结构 传递和表达 2 遗传信息的传递包括世代的传递和个体间的传递 3 通过个体杂交和人工的方式研究基因的功能 遗传学 定义 遗传学是研究生物的遗传与变异规律的一门生物学分支科学 遗传学是研究基因结构 信息传递 表达和调控的一门生物学分支科学 遗传heredity 生物性状或信息世代传递的现象 同一物种只能繁育出同种的生物同一家族的生物在性状上有类同现象 变异variation 生物性状在世代传递过程中出现的差异现象 生物的子代与亲代存在差别 生物的子代之间存在差别 遗传与变异的关系 遗传与变异是生物生存与进化的基本因素 遗传维持了生命的延续 没有遗传就没有生命的存在 没有遗传就没有相对稳定的物种 变异使得生物物种推陈出新 层出不穷 没有变异 就没有物种的形成 没有变异 就没有物种的进化 遗传与变异相辅相成 共同作用 使得生物生生不息 造就了形形色色的生物界 二 遗传学的发展历史 1865年Mendel发现遗传学基本定律 建立了颗粒式遗传的机制 1910年Morgan建立基因在染色体上的关系 1944年Avery证明DNA是遗传物质 1951年Watson和Crick的DNA构型 1961年Crick遗传密码的发现 1975年以后的基因工程的发展 三 遗传学的研究分支 从遗传学的研究内容划分进化遗传学 人类遗传学 免疫遗传学 肿瘤遗传学 从遗传学的研究层次划分群体遗传学 细胞遗传学 分子遗传学从遗传学的研究对象划分植物遗传学 动物遗传学 微生物遗传学 三 遗传学的研究分支 1 从遗传学研究的内容划分进化遗传学研究生物进化过程中遗传学机制与作用的遗传学分支科学 三 遗传学的研究分支 1 从遗传学研究的内容划分进化遗传学生物进化的机制突变和选择有害突变淘汰和保留有利突变保留与丢失中立突变DNA多态性 三 遗传学的研究分支 1 从遗传学研究的内容划分发育遗传学研究基因的时间 空间 剂量的表达在生物发育中的作用分支遗传学 特征 基因的对细胞周期分裂和分化的作用 应用重点干细胞的基因作用 转基因动物克隆动物 三 遗传学的研究分支 1 从遗传学研究的内容划分免疫遗传学研究基因在免疫系统中的作用的遗传学分支 重点不是研究免疫应答的过程 而是研究基因在抗体和抗原形成和改变中的作用 三 遗传学的研究分支 2 从遗传学研究的层次划分群体遗传学研究基因频率的改变的遗传学分支 三 遗传学的研究分支 2 从遗传学研究的层次划分群体遗传学基因结构和基因率的改变例题群体中存在一个隐性有害基因 基因频率是万分之一 如果实行优生政策 不准该个体结婚或生育 基因率降低到十万分之一时 需要多少代 三 遗传学的研究分支 2 从遗传学研究的层次划分细胞遗传学研究生物在细胞水平的遗传结构和功能的遗传学分支学科 重点 染色体结构合数目的变化与生物表型的关系 进展 细胞表面抗原的形成和改变 细胞信号传导过程中基因的作用 目前的实验 细胞表达系统 例如 无籽西瓜的染色体组成 普通西瓜2n 22诱变成功的4倍体作母本X2倍体父本杂交 获得3倍体西瓜 在形成生殖细胞时 不能正常减数分裂 所以成为无籽西瓜 三 遗传学的研究分支 2 从遗传学研究的层次划分分子遗传学研究生物基因组结构和功能的遗传学分支学科 基因工程生物制药分子生物学技术 三 遗传学的研究分支 3 从遗传学研究的对象划分微生物遗传学以微生物为研究对象的遗传学分支 重点研究病毒 细菌 真菌的基因结构 基因功能 基因工程的载体 受体等 三 遗传学的研究分支 1 从遗传学研究的内容划分人类遗传学研究人类遗传和变异规律的分支科学 人类性状的遗传分析遗传病的分布和发生机理遗传病的诊断基因治疗 三 遗传学的研究分支情况 3 从遗传学研究的对象划分人类遗传学遗传学疾病人类3千多种 涉及上万个基因 染色体疾病基因突变疾病 线粒体疾病 孟德尔遗传病 多基因遗传病 1930年色盲基因第一个定位 1974年kappa轻链缺乏症基因第一个克隆 目前已定位孟德尔遗传病基因1600多 克隆了其中的940多种 肿瘤抑制基因 antioncogene Rbdel13q1427个exon 12个intron视网膜母细胞瘤寻找Rb基因采用消减杂交方法正常个体DNA有病个体DNA寻找差别基因 克隆的概念与类型 Clone源于希腊文klon 嫩枝的意思 是指从树上取下嫩枝 栽在地上以成另一棵树 美国生命伦理顾问委员会则认为 克隆一词指细胞 植物 动物或人的精确的遗传复制 欧洲委员会认为 克隆是生产遗传上等同的生物的方法 名词 一群具有相同基因型的微生物 哺乳动物细胞克隆技术 又称哺乳动物的核移植或无性繁殖技术 它是通过特殊的人工手段 显微操作 电融合等 对哺乳动物特定发育阶段的核供体 胚胎分裂球或体细胞核 及相应的核受体 去核的受精卵或成熟的卵母细胞 不经过有性繁殖过程 进行体外重构并通过重构胚的胚胎移植 从而达到扩繁同基因型哺乳动物种群的目的 1981年Illmensee和Hoppe报道采用移植技术的到了正常的小鼠 但其结果未被其他实验室重复出来 1983年McGrath和Solter等利用显微操作技术与细胞融合技术 创造了全新的核移植方法 1986年Willadsen通过实验提出了两个创新的观念 1 作为核受体 卵母细胞较受精卵更佳 2 羊桑椹胚细胞核具有全能性 以后绵羊 1986 牛 1987 兔 1988 和猪 1989 等胚胎细胞克隆动物也相继获得了成功 1997年2月 Wilmut等利用绵羊乳腺细胞成功的克隆出体细胞核移植后代 根本动摇了原有的传统结论 并使哺乳动物克隆技术进入了一个划时代的新阶段 NetiandDitto 克隆技术存在的问题 动物克隆技术虽然取得了一定的进展 但该技术目前还很不完善 存活率低是当今核移植技术的最大缺陷 最近发现 克隆羊的端粒较同年羊短 可能会减少寿命 基因组印记现象在哺乳动物的发育中普遍存在 基因组印记与动物克隆技术的成功及不足有何关系值得深入研究 核移植过程中产生的个体突变频率高 第二章经典遗传学 Keywords显性dominant隐性recessive基因型genotype表型phenotype分离定律lawofsegragation自由组合定律lawofindependentassortment 一 分离定律 实验 P 红花X白花基因型CCcc配子CcF1代红花基因型Cc配子C cF2代红花白花基因型CC Cccc比例3 1 分离定律 杂合体的一对等位基因在形成配子时互相不影响地分到配子中去的规律 基础概念 杂合子 heterozygote 基因座上两个不同的等位基因的个体 纯合子 homozygote 基因座上两个相同的等位基因的个体 回交 backcross 杂交的后代与亲代的交配形式 测交 testcross 杂合个体与纯合隐性个体的交配形式 基础概念 性状 character 生物的形态 结构 生理功能过程的特征 显性 dominant 杂合子生物表现出来的性状隐性 recessive 杂合子生物被掩盖的性状 等位基因 allele 同源染色体上相对位置上的决定同种性状的基因 表型 phenotype 生物个体形成的性状表现 基因型 genotype 生物个体的基因组成 孟德尔假设 1 遗传性状由遗传因子决定 2 遗传因子是成对存在得 3 生殖细胞中具有成对因子中的一个 4 每对因子分别来自雌雄亲代的生殖细胞 5 形成生殖细胞时 成对因子相互分离 6 生殖细胞的结合是随机的 7 遗传因子有显隐性之分 孟德尔分离比实现的条件 1 杂合体的两种配子在形成配子时数目是相等的 2 两种配子结合是随机的 3 子二代基因型个体存活率是相等的 4 显性是完全的 二 孟德尔自由组合定律 实验 黄 满X绿 皱基因型YYRRyyrr配子YRyrF1代黄满基因型YyRr配子YRYryRyrF2代黄满黄皱绿满绿皱基因型Y R Y rryyR yyrr表型比 9 3 3 1 孟德尔自由组合定律 两对非同源色体上的非等位基因在形成配子时 各自独立地分开和组合 形成四种基因型的配子 在杂交时四种配子随机结合 形成四种表型 9种基因型的群体 多对非等位基因分析 杂合体AaBbCcDd自交 子代中1 杂合体概率是多少2 纯合体概率是多少 基因对数表型基因型分离比123 1 3 1249 1 3 23827 1 3 341681 1 3 4 n2n3n 1 3 n 多对基因的遗传估计 AABBCCXaabbcc子一代自交 子二代中 1 表型为A B C 的比例是多少 2 子一代自交 子二代中 基因型为AaBbCc的比例是多少 3 子一代自交 子二代中杂合体的比例是多少 一个基因决定了一个性状 一个性状并不一定由一个基因所决定 事实上 很多性状由一系列基因所决定 当考察性状的遗传方式时 是以在其它基因相同的条件下 仅仅列出了差别的基因 思考题 日本有一种萝卜有两个纯系品种 一种是红色的 另一种是露出地面的部分呈红色 埋在地下的部分呈白色 有雪学者希望利用这个材料 研究花色素形成的机制 研究内容 光对花色素基因表达的影响 寻找决定花色素形成的基因 提出研究方案 苯丙氨酸代谢途径 苯丙氨酸 酪氨酸 3 4二羟苯丙氨酸 cc 苯丙酮酸对羟苯丙酮酸 黑色素尿黑酸 aa CO2 水 例题 一对表型正常的夫妇生有一个有病的孩子和一个表型正常的孩子 1 再生一个是有病孩子的机会是多少 2 如果表型正常儿子与一个另一个同样类型的表型正常女子结婚 生有病子女的机会是多少 如果一个表型正常 等位基因是杂合的男子与一个纯合隐性基因的病女子结婚 生有5个孩子 其中无病子女的机会是多少 3病2正常的机会是多少 孟德尔分离定律的普遍性 适用于单基因遗传性状的分析例如 人类的白化病 RFLP DNA限制性内切酶片段长度多态性 EcoRV酶切人体基因组DNA 与苯丙氨酸羟化酶基因探针杂交 获得3Okb和25kb的两种类型 父母是正常表型 两个孩子一个是表型正常30kb 25kb杂合体一个是有病个体 25kb 25kb纯合体 推测 25kb可能与有病基因连锁 孟德尔定律数据的统计处理 适合度测验 goodnessoffit 实验实际比数与理论比数适合的程度 卡平方测验适合度 孟德尔定律的适用范围 并显性 当一对等位基因杂合时 两个基因所控制的性状同时表达的现象 外显率 带有显性基因个体表现出所控制的性状的实际数与理论数之比 连锁遗传分析 F1杂合子形成配子时 两对基因有保持亲代原来组合的倾向 并且这种倾向与显隐性无关 摩尔根根据大量实验结果 提出连锁交换定律 即遗传的第三定律 处在同一染色体上的两个或两个以上基因遗传时 联合在一起的频率大于重新组合的频率 连锁 linkage 同一亲本的基因趋向于联合交换 crossingover 同一亲本的基因相互分开 重新组合重组 recombination 由于同源染色体上的不同等位基因间的重新组合 产生不同于亲本的类型 重组频率recombinationfrequency RF重组频率的计算 重组频率 RF 重组型数目 亲本型数目 重组型数目 1 重组值为一个单位 称一个厘摩 记作1个CM 基因在染色体上的距离以重组值为根据 画出的基因距离图称遗传学图 geneticmap 三点测交 threepointtesscross ABC ABCXabc abcABC abcXabc abcABCAbCabcaBcABcaBCabCAbc 连锁与交换 类型观察数Sn3 mw mSn3 wSn3wm372 285 w 95 Sn3 m97 Sn3 4 wm4 m91 Sn3w 52 合计1000151335200 三点测交 threepointtesscross Sn3wm Sn3wmX m sn3 151 1000 15 1 m w 335 1000 33 5 w sn3200 1000 20 0 m15 1sn320w 校正值 并发率 干涉 校正值 被低估的双交换频率 4 4 X2 1000 1 6 33 5 1 6 35 1并发率 双交换率 单交换率乘积0 8 15 1X20 0 26干涉 1 并发率 1 0 26 0 74 1 用RFLP做Arabidopsis遗传图 两个亲本分别用不同限制性内切酶做酶切 并分别用探针A 蓝色 和探针B 绿色 做Southern杂交 若两种RFLP自由分离 F2代中亲本型和重组型出现频率相同 CaseI 否则 若二者紧密连锁 重组型出现频率将大大小于亲本型出现频率 CaseII 根据重组频率可以计算遗传标记RFLP间的图距 2 应用连锁遗传分析做疾病的产前基因诊断 地中海贫血是一种常见的遗传疾病 重症型往往造成死亡 可通过产前诊断预防患儿的出生 利用几种限制酶对几个地中海贫血家系的患者及其父母进行RFLP分析 根据所得结果 可选用特定的探针和限制性内切酶对胎儿做产前基因分析 家系分析用限制性内切酶AvaII和探针 IVS以及限制性内切酶HindIII和探针pRK28进行分析 2 2 2 0 15 3 13 5 AvaII HindIII 根据AvaII酶切位点多态性 患儿得到父2 2与母2 0或母2 2与父2 0胎儿亦如此 所以胎儿为 正常纯合体 或 T T 重症患者 父 母 父 母 根据HindIII酶切位点多态性 患儿从母亲得到的15 3染色体上有 T基因 所以胎儿不可能为正常纯合体 而必为重症患者 T T 第三章基因的概念和结构 复等位基因 multiplealleles 顺反子 cistron 超基因 supergene 假基因 pseudogene 可动基因 mobilegene 染色体外基因 复等位基因 multiplealleles 一个群体中 存在着2个以上的等位基因 一个2倍体的正常细胞最多只能有复等位基因中的2个 2个等位基因 可以组成3种基因型3个等位基因 可以组成6种基因型4个等位基因 可以组成10种基因型n个等位基因 可以组成n n n 1 2种基因型 其中纯合体为n个 杂合体为n n 1 2个 血液成分 抗凝离心处理 上层成分 血浆 抗体 蛋白质中层成分 白细胞 血小板下层成分 红细胞不抗凝处理上层成分 血清 抗体 无纤维蛋白原下层成分 红细胞 白细胞 血小板 血型遗传学 1667年法国Denys首次把羊血输给病人 1818年英国Blundell首次人之间输 1900年奥地利Landsteiner发现了ABO血型系统1926年奥地利Landsteiner发现了MN血型系统1927年奥地利Landsteiner发现了P血型1939年奥地利Landsteiner发现了Rh血型 ABO血型系统的抗原与抗体 A抗原A抗体B抗原B抗体A血型 B血型 AB血型 O血型 ABO血型系统遗传方式 IA IB i A血型 IAIA IAiB血型 IBIB IBiAB血型 IAIBO血型 ii ABO血型系统遗传方式 一对分别都是AB血型的夫妻 所生的子女A型 AB型B型 某一人群B血型占0 45 O血型占0 36 计算该群体中A和AB血型的比例 ABO血型的遗传特例 ABOAOAB 孟买血型 ABO血型系统遗传方式 前体H物质 抗原B抗原无抗原双亲血型基因型 HhAoXHhBo子女血型基因型 hhBoXHHAAHhAB ABO血型系统遗传方式 特例 临床中发现有一位病人在验血中确定为B血型 在接受O型血的输血后 引起凝血反应 在对供血者血液重新检测时发现 其血细胞在与抗A血清反应时 初时无反应 2个小时后呈凝集反应 所以确定供血者为A型 而不是O型 ABO血型系统遗传分析 ZHA抗原前提B抗原z无抗原hSeH孟买型类孟买型seHA B抗原H h 无抗原无抗原 有一犯罪嫌疑人在犯罪现场留下的唾液鉴定血型是O型 但是在重点检查某一嫌疑人时 检测出该人的血型是B型 在其它举证都确凿的情况下 已经确认该人是犯罪人 为什么会出现体液与血液血型不一致的现象 A基因座的多态 A1A2A血型的基因型 A1A1 A2A2 A1A2 A1O A2O 杂合子基因的衰退作用 A 80万B 75万AB 各42万血型的表型改变病人住院时检测为B血型 出院以后为O型 消化道E coliK12感染 产生类B抗原物质 ABO血型的异常遗传现象 有一AB血型男子与O血型女子结婚 生了一个O型孩子 分析其原因 CISAB9q34同源染色体不等交换 ABO血型的新生儿溶血症 O血型的母亲怀有A B AB型血型的胎儿 在母亲胎盘异常情况下 临产时会出现母亲的抗体进入新生儿血液中 与婴儿的抗原产生免疫反应 造成婴儿溶血 Rh血型的遗传机制 恒河猴红细胞 Rhesusmonkeys抗原 免疫家兔兔抗猴血清检测人红细胞 85 产生凝集反应15 无凝集反应定名恒河猴红细胞抗原为Rh抗原 1952年Murray发现动物的Rh抗血清与人类的Rh抗原不反应 提出动物与人的抗原是两种不同抗原 1963年定名 人类为Rh抗原 动物为LW抗原 Rh血型的新生儿溶血症 Rh阳性血型的红细胞带有Rh抗原 无抗体 Rh阴性血型的红细胞没有Rh抗原 有抗体Rh阴性血型的母亲怀有Rh阳性血型的胎儿 在母亲胎盘异常情况下 临产时会出现母亲的抗体进入新生儿血液中 与婴儿的抗原产生免疫反应 造成婴儿溶血 Rh血型的遗传机制 Rh抗原受控与3个紧密连锁的基因座 Cc Dd Ee 以单倍型方式传递 当D基因存在时 为Rh阳性 d基因没有相应的抗原 是Rh阴性血型 单倍型 一条染色体上的基因组成 CDE CDe CdE Cde cDE cDe cdE cde Rh血型的遗传机制 例题 具有CcDEe抗原的个体 可能由哪些基因型组成 CDE cDe CDe cDE CdE cDe CDE cde CDe cdE Rh血型的遗传机制 复合抗原 ce复合抗原 CE复合抗原 cE复合抗原 当ce基因在一个单倍型上时 会出现ce复合抗原 其抗体可与CDE cDe的细胞反应 如果母亲具有C D E抗原 父亲具有c E e抗原 子女可能的表型是什么 如果子女中有一个具有CcDEe抗原 怎样推测他的单倍型和基因型 CDE CdE CDE CDE XcdE cde Rh血型的遗传机制 表型为Rh阴性的母亲与Rh阴性的父亲生有一女和一子 女儿为Rh阴性 抗原与父亲相同为c e 儿子是Rh阳性 抗原是C D e 分析其遗传机制 母亲CDe cde父亲cde cde女儿cde cde儿子CDe cdeX1前体D有Rh抗原X0无前体D无Rh抗原母亲 X0X0CDe cde 无D抗原 是Rh阴性 父亲 X1X1cde cde 无D抗原 是Rh阴性 女儿 X1X0cde cde 无D抗原 是Rh阴性 儿子 X1X0CDe cde 有D抗原 是Rh阳性 人类白细胞抗原 hunmanlecucocyantigen HLA 异体移植的免疫作用 抗宿主反应 受体抗原 供体抗体排斥反应 受体抗体 供体抗原主要组织相容性抗原系统 majorhistocompatibilityantigensystem 主要组织相容性复合体基因 majorhistocompatibilitycomplexgene MHC HLA的遗传机制 主要组织相容性抗原按免疫性分为三类 第一类 移植抗原 transplantationantigen 位于T淋巴细胞上 编码基因为 HLA A B 第二类 免疫反应的信息传递抗原 编码基因为 HLA DR DQ DP第三类 补体蛋白 与抗原 抗体复合物作用 编码基因为 HLA C2 C4 Bf同一条染色体上的基因组成被称为单倍型 haplotype 抗宿主反应 受体抗原 供体抗体排斥反应 受体抗体 供体抗原主要组织相容性抗原系统 majorhistocompatibilityantigensystem 主要组织相容性复合体基因 majorhistocompatibilitycomplexgene MHC 白细胞抗原基因连锁图 HLA6p21 23 DPDQDRC4C2BCA411232125155第II类第三类第一类一组功能相近 紧密连锁的基因 称为超基因 Supergene 白细胞抗原的基因 HLA AHLA BHLA CHLA DRHLA DQHLA DPA1B5Cw1DR1DQ1DPw1A2B7Cw2DR2DQ2DPw2A3B8Cw3DR3DQ3DPw3A9B12Cw4DR4 DPw4A11B13Cw5DR5 Aw19B14Cw6DRw6Aw33Bw22Cw7DR7Aw36Bw59Cw8DRw8 白细胞抗原的分型 淋巴细胞毒试验 HLA A B C抗原来源于T淋巴细胞 HLA DR DQ来源B淋巴细胞 抗血清来源于孕妇 由于胎母HLA不合 母亲产生抗体 或免疫抗血清分型 纯合子分型细胞分型 HDC 由于HLA D抗原不同 引起混合淋巴细胞增殖 MLR 用已知D抗原的纯合子分型淋巴细胞 检测待测细胞是否反应 可作分型 预处理淋巴细胞分型 PLT 根据同抗原细胞不反应原理 预处理两中细胞后 得到识别HLA DP抗原的能力 可作分型 白细胞抗原的基因分布 HLA A白人黑人黄种人A10 150 03 A20 260 150 30A30 120 070 01A110 060 010 25A250 02 白人抗原Aw43 0 01 南非黑人抗原Aw36 0 02 黑人人抗原 白细胞抗原的基因分布 HLA B白人黑人黄种人Bw40 410 410 35B70 090 090 02B130 030 010 03B380 03 0 02Bw450 040 04 Bw46 0 05黄种人抗原 白细胞抗原的基因分布 强关联 连锁基因实际出现的频率的大于理论频率的现象A26B38A2Bw46犹太人单倍型黄种人单倍型Bw45在黄种人中极少 在美洲的印第安人 爱斯基摩人等人群中 该抗原也极少 推测与种族的起源有关 白细胞抗原与人类疾病 B27抗原与强直性脊椎炎强关联 患者中90 以上都是B27抗原 如果一个人有50 的可能是强直性脊椎炎 检查他的白细胞抗原 有B27抗原 他的患病的机会就大大增高 反之 则减少有病的可能性 白细胞抗原的单倍型分析 父抗原 A2 A11 B13 Bw46母抗原 A3 A9 B5 B7子1抗原 A2A3B7Bw46子2抗原 A11A9B5B13子3抗原 A2A9B5Bw46子4抗原 A3A11B7B13子5抗原 A3A11B7Bw46 MN血型的遗传分析 人群中存在着MN血型系统 受M和N两个基因控制 并显性 MNMMMMNNMNNN MN血型的遗传分析 MNSs是紧密连锁的血型基因单倍型是 MS NS Ms Ns基因型有10种 MS NS Ms NsMS S Ms s S NS s NsMS NS sM Ms Ns MN血型的遗传分析 用M和N血清检查一个家庭 确定父亲基因型是NN 母亲是MM 儿子是MM 结论 儿子不是该夫妻的亲生孩子 但是其它血型和方法证明孩子的确是亲生的 发现了Mg抗原亚型 Mg抗体不能与M抗原反应 检测结果 父亲表型是具有Mg和N抗原 基因型是MgN 儿子基因型是MgM Xg血型的遗传分析 Xg抗原是目前发现的第一个与性别有关的抗原基因 Xga有Xg抗原Xg无Xg抗原Xga对Xg显性 Xg血型的遗传分析 Xg抗原XgaXgXga 生物中的转座成分 插入序列insertedsequence IS转座子transposon Tn转座噬菌体mutatorphage Mu 可动基因 mobilegene 在基因组中可以移动的基因 原始发现 McClintockB 1951年玉米粒颜色的遗传 正常 有色 有色异常 有色 色斑有色 无色 1932年 美国遗传学家B McClintock发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象 1951年首次提出转座子的概念 认为在基因组的不同区域存在可移动的控制因子 controllingelement 1983年获诺贝尔奖 植物双受精示意图 玉米的转座因子玉米色粒调控元件Ac Ds系统第9染色体C基因 色素合成基因 Ac基因 自主移动的调节因子 4 5kb 5个exon 编码转座酶 Ds基因 非自主移动的受体因子 0 5 4 0kb 与Ac有同源序列 插入引起色素不能合成 可动基因 mobilegene 玉米粒颜色的遗传 C基因决定有色 CAc有色CDsAc花斑CDs无色 Ac与Ds因子的结构 Ac因子 4 563kb 两端有11个bp的反向重复序列 5 CAGGGATGAAA TTTCATCCCTG3 3 GTCCCTACTTT AAAGTAGGGAC5 Ds因子 与Ac序列具有很大相同 但是中间缺失序列 有0 5 4 0kb 插入序列 insertionsequence IS 仅含有转座酶基因的简单转移序列 长度多在700 1500bp左右 由末端反向重复序列 IR 转座酶基因组成 插入基因组中时 在靶位上生成正向重复序列 DR 常见的IS结构 IS长度末端IR靶位DR插入选择IS1768239随机IS213274195热点IS414281811AAAN20TTTIS51195164热点IS101329229TNAGCNIS50153199热点 转座子 transposon Tn 带有转座酶基因等必需基因及抗药性等与转座无关基因的转座因子 结构特征 两端具有同向或反向插入序列 同时 两端的IS可能相同或不同 常见的转座子 转座子长度标记末端取向Tn55700KanRIS50反向Tn109300TetRIS10反向Tn92500CamRIS1正向 原核生物转座成分的基本结构 转座子在染色体上的解离方式 精确解离非精确解离原位解离复制后解离 变性 复性 emL CaroandE BoydelaTour 短茎长度大致与IS两端的反向重复序列 IRinvertedrepeatsequence 相同 反转录转座 retrotransposon 通过RNA为中介 反转录成DNA后进行转座的可动元件 病毒超家族 viralsuperfamily 可编码反转录酶或整和酶 自主转录 呈DNA时 具有LTR序列 非病毒超家族 nonviralsuperfamily 不可编码反转录酶或整和酶 不能自主转录 呈DNA时 无LTR序列 反转录转座 retrotransposon 病毒的RNA基因组RNA RU5gagpolenvU3RDNA U3RU5gagpolenvU3RU5LTRLTR基因组 DR U3RU5gagpolenvU3RU5DR 果蝇中的P因子 雌M果蝇X雄P果蝇 不育雄M果蝇X雌P果蝇 育 果蝇P因子不育机理 开放阅读框ORF0 ORF1 ORF2 ORF3内含子123P因子表达差异 ORF0 1 2 66KD 转座阻遏物ORF0 1 2 3 87KD 转座酶P型细胞质 含66KD 阻遏转座 P雌XP雄细胞质含p因子转座阻遏物 含p因子P因子不能转移可育P雌XM雄细胞质含P因子转座阻遏物 无p因子P因子不能转移可育P雄XM雌含P因子 细胞质不含阻遏物P因子能转移不育 酵母的转座子Ty Transposonyeast 转座引起的遗传效应 插入突变插入失活插入带来新的基因非精确解离形成突变 缺失 重复 到位 插入激活 顺反子 cistron 早期的基因概念 基因是一个功能单位 重组单位 突变单位 发展的基因概念 基因是一个功能单位 基因内部可突变和重组 一个基因就是一个顺反子 基因的顺式和反式排列 Fig15 10Thearrangementofgeneticmarkersincisandtransheterozygotes 2003JohnWileyandSonsPublishers Fig15 11Thecis transpositioneffectobservedbyEdwardLewiswiththeaprandwmutationsofDrosophila 2003JohnWileyandSonsPublishers Fig15 12Thecistest 2003JohnWileyandSonsPublishers 如何判断突变是在一个顺反子内还是2个不同的非等位基因 a1a1xa2a2a1a1xa2a2突变型突变型突变型突变型a1a2突变型a1a2突变型突变型野生型突变型同一顺反子的不同位点同一顺反子的相同位点如果F1代是野生型 说明a1 a2是两个非等位基因 Testyourknowledge 1 2003JohnWileyandSonsPublishers Fig15 16Intrageniccomplementationsometimesoccurswhentheactiveformofanenzymeorstructuralproteinisamultimerthatcontainsatleasttwocopiesofanyonegeneproduct 2003JohnWileyandSonsPublishers 重叠基因 overlappinggene 1977年Sanger X174Phage5375bp实际编码的蛋白质比预期要多提出了重叠基因概念 基因转录起始点不同 但是共用同一段DNA序列或几个核苷酸的不同基因 染色体外基因 线粒体基因组线粒体是真核细胞中的细胞器 每个细胞中含有几十至数千个线粒体 每个线粒体有多个线粒体基因组拷贝 线粒体是非孟德尔式遗传方式 在高等生物中具有母性遗传的特征 mtDNA的遗传特征 母性遗传 mtDNA全部来自母亲 非孟德尔式遗传 线粒体随机分配到子细胞 mtDNA无内含子 无修复系统 mtDNA复制 转录 翻译所需的酶由核基因组提供 mtDNA一般没有蛋白质保护 mtDNA合成存在与细胞整个周期 具有突变和缺失热点 mtDNA致病的遗传机制 线粒体基因组本身突变线粒体基因组突变可以引起视觉神经和心肌性疾病 点突变 由于mtDNA裸露 易受损伤 且无修复机制 所以突变频率较高 11778密码突变 arg his视觉神经性疾病 缺失 常见5kb 8470bp 13447bp缺血性心肌病7 4kb 8637bp 16073bp原发性心肌病mtDNA插入核基因组溶酶体途径 核酸水解酶下降 mtDNA不能完全消化 片段游离在细胞质中 直接游离 mtDNA复制中同源重组 产生mtDNA断片 线粒体崩解 由于理 化 病等因素 线粒体肿胀破裂 释放出mtDNA 以上DNA片段插入核基因组 造成突变 叶绿体遗传 叶绿体是绿色植物特有的核外遗传结构 非孟德尔式遗传 裸露的环状双链DNA分子 120 217kb一个叶绿体含1 数十个叶绿体基因组 叶绿体DNA不含5 甲基胞嘧啶 基因的相互作用 互补基因 conplementarygenes 修饰基因 modifiers 上位效应 epistasis 基因的相互作用 互补基因 complementarygenes 不同对基因相互作用 出现了新的性状 这两个基因称为互补基因 鸡冠的遗传 玫瑰冠X豌豆冠RRpprrPP胡桃冠RrPp胡桃冠玫瑰冠豌豆冠单冠R P R pprrP rrpp9 3 3 1 Fig4 13Combshapesinchickensofdifferentbreeds 2003JohnWileyandSonsPublishers Credit CourtesyRalphSomes 修饰基因 modifiers 调控其它基因表达的基因 欧州白茧X黄茧IIyyiiYY白蚕茧IiYy白茧白蚕白茧黄茧I Y I yyiiyyiiY 931313 3 白蚕茧 上位效应 epistasis 某对等位基因的表现 受到另一对等位基因的影响 这种现象称上位效应 隐性上位 一对纯合隐性基因决定了另一对非等位基因表现的现象 兔子毛色遗传 灰色X白色CCGGccgg灰色CcGg灰色黑色白色白色C G C ggccG ccgg934 上位效应 epistasis 显性上位 显性基因决定了另一对非等位基因表现的现象 燕麦穎壳颜色遗传 黑色X黄色BByybbYY黑色BbYy黑色黑色黄色白色B Y B yybbY bbyy33112 3 1 染色体与细胞质共作用 核基因与细胞质基因共同作用 杂交育种 不育系 S rr 保持系 N rr 恢复系 N RR 雌 不育系X保持系 雌 不育系X保持系S rr N rr S rr N RR 不育系杂种一代S rr S Rr 母性影响 椎实螺 limnaea 左旋和右旋尖头向上 面对螺口左旋 开口在左边dd右旋 开口在右边DD 雌 右X左 雌 左X右 DDddddDD右Dd左DdDDDdddDDDddd右右右右右右右右左右右左 第三章肿瘤的遗传学 关键词细胞周期癌基因 oncogene 病毒癌基因V oncogene细胞癌基因C oncogene抑癌基因 antioncogene tumorsuppressorgenes 肿瘤转移抑制基因 metastasissuppressorgene 肿瘤是基因的疾病 凡是肿瘤 都与基因组的变异有关 但是 与基因组有关的疾病并不一定都是遗传的 肿瘤有遗传性的 也有非遗传性的 散发性的 人类肿瘤多是散发性的 与生存环境有重要的相关作用 一 肿瘤的生物学特征与流行病学 细胞类型核型生长接触抑制锚定正常细胞小可控 癌细胞大失控 肿瘤细胞具有永生性 侵袭性 扩散性 人群肿瘤分布比较 中国 肺癌胃癌食道癌肠癌肝癌美国 前列腺癌乳腺癌肺癌肠癌淋巴癌华南地区 鼻咽癌河南林县 食道癌江苏启东 肝癌 EstimatednumberofnewcasesanddeathsfromspecifictypesofcancerintheUnitedStatesin1997 EstimationofNewCasesandDeathsfromDifferentCancerTypesinChina 肿瘤细胞的起源 单克隆起源 monoclonaltheory 一个肿瘤的细胞群体源于一个转化单细胞的不断增殖而成 而这个单细胞是具有分化和增殖的干细胞 stem cell 对细胞群的遗传标记分析 具有高度一致性 例如 多灶性细支气管肺泡癌 BAC 原发灶 卫星灶 转移灶中的不同区域的癌细胞k ras具有相同的突变 多克隆起源 polyclonaltheory 肿瘤细胞群是由多个肿瘤克隆发展而来 鼠肠肿瘤细胞的基因分析 在肿瘤的不同区域取样的细胞 在APC基因和Mshz基因具有不同的缺失 单中心发源和多中心发源 单中心发源 单性灶 肿瘤源于原始的一簇细胞 从原位灶到浸润灶 转移灶 复发灶都由第一代肿瘤细胞而来 多中心发源 多灶性 肿瘤源于不同区域的多簇细胞 原位灶 癌旁浸润灶 对称器官 系统器官肿瘤细胞有不同程度的异型型 分子生物学实验支持单中心起源 遗传性肿瘤特征 类型关系位置位点时期遗传性有家族性双侧多发早散发性无家族性单侧单发迟 肿瘤家族集聚 癌家族 具有较多成员发生肿瘤的家族 G家族1895年 1976年842名成员中95名患癌 特征 发病率高 发病高峰40 50岁 男女比例相等 男多是胃癌 肠腺癌 女多是子宫癌 垂直传递 72 患者双亲之一患癌 符合常染色体显性遗传方式 家族性癌 在一个家族内多个成员出现的同一种癌 例如 结肠癌 12 15 有家族史 特征 患者一级亲属发病风险比一般高3倍 若发病年龄早和双侧性肿瘤 发病风险高30倍 常见的遗传性肿瘤 视网膜母细胞瘤发病率1 2 3万出生儿 遗传性占35 45 发病时期早 10 14个月发病 双侧患者后代50 发病 单侧患者后代5 发病 Rb基因定位于13q14 神经母细胞瘤发病率1 10000 源于神经嵴 原位常见有肾上腺髓质神经母细胞结节 常见的非遗传性癌白血病 急性非淋巴白血病 ANLL 急性粒细胞白血病 AML 未分化细胞 90 急性早幼粒细胞白血病 APL 急性粒 单核细胞白血病 AMMoL 急性单核细胞白血病 AMoL 急性淋巴白血病 ALL 一型 二型 三型急性T细胞白血病急性B细胞白血病慢性粒细胞白血病慢性淋巴细胞白血病慢性单核细胞白血病 粒细胞分化过程 原粒 早幼粒 中幼粒 晚幼粒 带状核 分叶核细胞体积由大变小嗜碱性 染色颗粒 核形圆圆卵圆凹带状分叶核仁 分裂能力 肿瘤易感基因 在相同环境下发生肿瘤可能性比一般基因组具有更多机会的基因 肺癌易感基因CYP1A1酶在肺中表达 参与烟草中多环芳烃类物质代谢 该基因具有MspI多态 m2m2基因型具有肺癌易感性 染色体畸变的原因 理化因素的损伤 修复机制下降 着色性干皮病 恶性皮肤肿瘤UV照射 DNA形成TT二聚体 光复活酶失活 不能打开二聚体 重组修复缺失 二 肿瘤的遗传机制 癌基因的异常表达癌基因突变癌基因低甲基化癌基因扩增染色体易位 基因重排 融合基因 抑癌基因失活抑癌基因缺失抑癌基因高甲基化 癌基因 能在体外引起细胞转化 在体内诱发肿瘤的基因细胞内的原癌基因高度保留 从酵母到人都存在 这些基因与细胞生长 增殖 分化有关 并受到精细和严格的控制 原癌基因具有的生物学功能 生长因子 生长因子受体 参与信号传导的蛋白激酶 核内蛋白等 细胞周期调节基因 细胞G1期 S期 Cyclin CDKCyclin 细胞周期素CDK 细胞周期素依赖激酶癌基因与CDK表达有关 过量则使细胞分裂失控 抑癌基因与Cylink CDK复合物磷酸化有关 抑制复合物作用 控制细胞分裂 根据CDI结构分为两类 CIP KIP家族 p21 p27 Ink家族 p15 p16 p18 p19p53基因诱导p21基因的表达 Twomajortypesofproteinsinvolvedinthecellcycle Cyclins Cyclin DependentKinases CDK 癌基因发现 1911年Rous发现鸡肉瘤病毒 RSV 能使鸡胚成纤维细胞转化 也能使鸡诱发肿瘤 1976年从RVS病毒中发现了src癌基因 克隆了该基因 是第一个V onc1982年从人膀胱癌细胞中分离出了细胞癌基因ras基因 是第一个C onc 细胞癌基因 c onc 1976年 Bishop从Rous病毒中分离出癌基因src 并在动物正常细胞中发现有同源序列 以后在许多病毒癌基因都在细胞中都发现了它的同源序列 这些序列被称为细胞癌基因 病毒癌基因源于细胞癌基因 癌基因致癌机制 点突变原癌基因ras编码189个氨基酸的蛋白是一个细胞信号传导中起着开关作用的蛋白 当rasgene突变时 ras蛋白一直处于开的状态 细胞生长 rasproto oncogene11261189glygln arg G C k rasoncogene 癌基因 ablbclerbfosmycrassissrc等100多种 癌基因作用位置 Genec oncproteinv oncproteinsrc膜膜ras膜膜myc核核fps质质和膜abl核质 癌基因的肿瘤诱发机制 癌基因突变ras的第12个密码子突变 G Targ val ras蛋白与GTP结合 促进了细胞的生长 ras附近插入了启动子 启动癌基因表达 ras的CCGG甲基化程度降低 癌基因异常高表达 DNA甲基化 限制 修饰系统 甲基化酶的作用细胞核酸内切酶对外源DNA切割 而本身DNA甲基化得以保护 GATC序列的A甲基化 CCGG序列的C甲基化 CCGC序列的C甲基化 DNA的CpG岛的甲基化 干扰了转录因子与启动子识别位点的结合 降低了基因的表达 癌基因去甲基化 引起高表达致癌 抑癌基因高甲甲基化 引起低表达致癌 传导生长信号cellGSras GDPras GTP失活激活传导生长信号 细胞生长参与细胞周期调控ras表达蛋白激活cyclinD cell分裂 ras癌基因家族 根据不同时期 不同组织的癌基因表达 将ras基因家族分为三类 H ras11p15 5胃癌膀胱癌宫颈癌N ras1p13 2白血病肝癌K ras12p12 1胰腺癌肺癌结肠癌 myc B mycL mycN mycS mycC myc 8q24 12 q24 13 定位核内的核蛋白 与DNA结合 调节转录 接收细胞外信号时 促进细胞分裂 myc易位到14q32 IgH基因位点 引起白血病 致癌病毒 病毒核酸结构癌基因乳多空病毒环状双链DNAT抗原基因腺病毒线状双链DNAE1A E1B疱疹病毒线状双链DNAEB序列反转录病毒单链RNAras src等 RNA致癌病毒快速致癌病毒Rous病毒 鸡肉瘤病毒 1911年Rous发现 分离到的Rous病毒感染动物 数周内导致肿瘤 病毒带有癌基因 基因组结构 RU5gagpolenvv oncU3R U3RU5gagpolenvv oncU3RU5LTR LTR插入基因组 U3 3 端序列 170 1260bpU5 5 端序列 80 100bpR 短序列 10 80bpLTR 长末端重复序列 250 1400bp含有启动序列 增强序列 具有启动基因表达和增强作用 染色体易位染色体易位产生融合基因 或启动了原癌基因 使得细胞发生转化 T 9 22 q34 1 q11 21 Ph染色体慢性粒细胞白血病CMLchr22chr95 bcr3 5 c abl3 5 bcr c abl3 8 5kb 融合蛋白 210KD影响了造血干细胞的分化 导致白血病 肿瘤抑制基因 tumorsuppressorgene 一类与细胞周期调控有关的基因 当这些基因正常表达时 具有抑制细胞分裂的功能 这些基因的失活或缺失 会导致细胞非正常的分裂 正常细胞有可能转化为肿瘤细胞 1968年Harris实验 癌细胞系X正常细胞无恶性表型细胞正常癌细胞 染色体部分丢失 首先发现的肿瘤抑制基因视网膜母细胞瘤发现Rb基因缺失呈杂合体时 细胞是正常的 缺失纯合体时细胞转化 显示该基因是纯合隐性致癌 Rb纯合缺失后致癌表明Rb基因存在时对肿瘤细胞有抑制作用 因此Rb是肿瘤抑制基因 del 13 q14 THENETWORK 肿瘤抑制基因 tumorsuppressorgene 抑癌基因 anti oncogene 以参与细胞周期调控的形式 对正常细胞的增殖起负调控作用 抑制细胞的恶性转化 癌基因与抑癌基因比较特点oncogeneanti oncogene基因属性cell增殖基因组织分化基因致癌方式激活 异常表达基因丢失或失活诱发机理突变或易位突变或缺失致癌机理显性隐性肿瘤类型