基因组多态性.ppt

基因组多态性genomepolymorphism 医科大学 教授 博导研究方向 E mail 基因组学 基本要求 1 掌握基因组多态性的概念和遗传机理 2 了解基因组多态性在医学研究中的应用 人种差异的原因是基因组多态性 林奈 1707年5月23日 1778年1月10日 瑞典自然学者 现代生物学分类命名的奠基人 人与人差异的根源是什么 黑猩猩与人的基因差异只有1 药效差异的原因是基因多态性 人类基因组的共性 99 9 决定发育成一个人 人类基因组的多态性 0 1 决定发育成某一个具体的人 身高 容貌 行为 健康 患某种病 寿命等 OMIMStatisticsforOctober19 2011 OnlineMendelianInheritanceinMan Autosomal19599X linked1161Y linked59Mitochondrial6520884 http www ncbi nlm nih gov Omim mimstats html 基因差异导致疾病数目 单基因病 人类基因组 24条染色体 31亿碱基对 人类基因组包括 细胞核基因组 规模庞大 线粒体基因组 仅37个基因 细胞核基因组24条染色体上全部遗传信息 包括 编码顺序 结构基因3 4万个非编码顺序 基因内的插入顺序 重复顺序 基因间的间隔顺序等 结构基因 由编码顺序 插入顺序和侧翼顺序构成 编码顺序被插入顺序隔开呈不连续状态 故称为间隔基因 splitgene GT AGlaw 真核基因的分子结构特征 外显子是单拷贝序列 具有唯一性 FlankingSequence 真核基因的分子结构特征 真核基因的分子结构特征 GCboxGGCGGG 真核基因的分子结构特征 真核基因的分子结构特征 RegulatorSequence 真核基因的分子结构特征 外显子是单拷贝序列 具有唯一性 逆转录 DNA 复制 转录 翻译 复制 基因表达 DNA序列所携带的遗传信息 通过转录和翻译形成具有生物活性的蛋白质的过程 基因表达 cDNA单链可以与基因外显子互补配对结合 基因组多态性的概念 在不同群体或个体之间 基因组的某些位点上碱基的差异性 遗传学标记是一类能够区分不同的个体和群体 或者能够区分不同的染色体位点 同时又能稳定遗传的物质 宏观可见或微观存在 遗传学标记 geneticmarker 基因组多态性的种类 限制性片段长度多态性 RFLP 小卫星DNA minisatelliteDNA 微卫星DNA microsatelliteDNA 单核苷酸多态性 SNPs 表达序列标签 EST 和序列标签位点 STS 表观遗传修饰 epigeneticmodification 一 限制性片段长度多态性 restrictionfragmentlengthpolymorphism RFLP 使用某种限制性内切酶酶切不同个体的DNA分子后 个体之间酶切片段长度的差异性即限制性片段长度多态性 DNA酶切后在同一电泳场中移动的差异 DNA酶切后在同一电泳场中移动的差异 片段长度多态性 RFLP的遗传基础 限制性内切酶具有特异的识别序列和切点 如 ApaI的识别序列和切点为 5 GGGCC C3 BamHI的识别序列和切点为 5 G GATCC3 不同个体DNA分子存在个别碱基的差异 如果这种差异正好位于某种限制性内切酶的特异性识别序列上 将会失去或增加一个酶切位点 从而改变酶切后形成的特定DNA片段的大小 凡是可以引起酶切位点变异的突变 如点突变 DNA片段插入或缺失等均可导致RFLP的产生 1980年代 用内切酶切割DNA后电泳 发现人类基因组某些位点含有多个等位基因 称为人类基因组高变区 hypervariablerigion HVR 即小卫星DNA 二 小卫星DNA minisatelliteDNA 由一些约十多个或几十个bp的短序列 即重复单位 串联重复而成 如 GGTTCTTAAAAAGGTTCTTAAAAA GGTTCTTAAAAAGGTTCTTAAAAA不同的个体或同一个体的两条同源染色体之间 重复次数可能并不相同 区别于存在于着丝粒 端粒和Y长臂的重复序列 称为小卫星DNA 小卫星DNA本质 小卫星DNA的特点1 同一HVR的重复单位具有高度保守性 2 在不同的个体或同一个体的同源染色体之间 重复单位的重复次数不同 构成众多等位基因 3 经酶切 电泳 变性 印迹 重复序列杂交 冲洗 显影后表现为丰富多彩的RFLPs ABC 请思考此图谱形成的原理和其中包含的遗传学知识点 每一条带代表什么 条带间隙代表什么 条带数目代表什么 难点1 4 同一个体不同组织来源的RFLP谱带完全一样 而不同个体的谱带的位置和宽度千差万别 可称为DNA指纹 5 每一条谱带的遗传均遵循孟德尔规律 大部分谱带以杂合状态存在 HVR是多态信息含量较高的分子标记 HVR谱带在人与人之间的差异就象人的指纹一样 故将其称为DNA指纹 尤如商品条形码 千差万别 丰富多彩 例如 用 珠蛋白3 HVR核心序列探针所显示的DNA指纹 个体相关机率为4 10 12 意味着现今世界上除同卵双生外没有DNA指纹相同的人 哪些是他们的孩子 小卫星DNA非单倍型遗传 小卫星DNA的基因散在分布在多条染色体上 多对染色体的分离和自由组合 使得同胞中也无相同的 1 Southernbloting RFLP法 酶切 电泳 变性 印迹 杂交 冲洗 显影 得到多条泳带图谱 每一谱带代表一个位点的探针互补序列的重复次数 2 AMP FLP法 单位点 即PCR扩增片段长度多态性方法 引物合成 PCR 电泳 染色 得到一条或二条带 仅代表一个位点的重复序列 是纯合子或杂合子 DNA指纹分析所采用的方法 难点2 法医学方面 个体识别现场检材和嫌疑对象的DNA指纹条带位置与强度一致 则为同一个体 亲子鉴定 如能从父母指纹中找到孩子的所有条带 亲子关系成立 DNA指纹的应用 概念人类基因组的间隔序列和内含子等非编码区内 广泛存在着与小卫星DNA相似的重复单位为1 6bp的短小重复序列 称为微卫星DNA 也称为短串联重复序列 shorttandemrepeats STR 如 GACA n GATA n TCC n CT n CA n 三 微卫星DNA microsatelliteDNA 1 在人类基因组中出现的数目和重复次数不同 表现高度多态性 2 是分散排列的简单重复序列 每10kb的DNA中可能有一个微卫星DNA 约占基因组的10 3碱基或4碱基的微卫星DNA 突变率低 实验中稳定性好 易于标准化 更受人们重视 特点 微卫星DNA与小卫星DNA的区别 微卫星DNA小卫星DNA 存在部位染色体任何区域近端粒和近着丝粒广泛存在于内含子 基因间隔区 启动子重复单位长度1 6bp6 70bp重复次数10 60几 几佰总序列长度几十 几佰0 5 30kb重复单位变异程度10 4 10 55 10 2存在数目5万 50万有限 有些染色体无约10kb中有一个约占基因组10 探针更易合成 1 基因定位和人类基因组计划 HGP 2 高风险人群筛查或产前诊断 与致病基因或主基因紧密连锁的微卫星标记 3 个体识别和亲子鉴定 多位点微卫星DNA测定 检测方便 结果稳定可靠 8位点微卫星DNA用于亲子鉴定 微卫星DNA的应用 微卫星DNA的genotypingPCR扩增微卫星片段 电泳 分析基因型 一条带为纯合子 两条带为杂合子 如基因型可以写为 10 1310 1012 14 应用微卫星DNA标记 有人从欧洲出土的数千年前的人类骨骼中提取到DNA 与现在欧洲大陆人的微卫星DNA比较 居然找到了古尸的后裔 指基因组内特定核苷酸位置上存在两种不同的碱基 其中一种在群体中的频率不小于1 的现象 四 单核苷酸多态性 singlenucleotidepolymorphism SNPs 难点3 二等位基因 biallelic 尽管遗传密码由四种碱基组成 理论上是四个等位基因 但SNPs通常是二等位基因的 或二态的遗传变异 单倍型 haplotype 3 4个相邻SNP标记若稳定遗传可能构成一种单倍型 可有8 16种单倍型 这相当于一个微卫星DNA的多态性 重复序列拷贝数差异散在的单个碱基不同不等交换和滑动复制单个碱基置换众多等位基因二等位基因 数以万计 00万个之多 微 小 卫星DNASNP 1 密度高 平均密度约1 700 1 800 人类基因组中至少有400万个SNP 其中只有10万个可以形成RFLP SNP多态性更高 2 具代表性 位于基因编码区的SNP能影响蛋白质结构 其总数可达20万 点突变 可能代表疾病遗传机理 特点 特点 3 遗传稳定性高于微卫星DNA4 易于检测自动化 通过简单的 进行基因分型 只有三种基因型 其高密度 稳定性弥补了只有两种等位基因的不足 SNP芯片 五 表达序列标签和序列标签位点 表达序列标签 expressedsequencetags EST 是指从不同组织来源的cDNA文库中随机挑选克隆进行测序后得到的部分cDNA序列 难点4 真核基因的分子结构特征 外显子是单拷贝序列 具有唯一性 可从mRNA逆转录生成cDNA EST序列的用途 采用生物信息学方法延伸EST 可获得基因的部分乃至全长cDNA序列 EST在不同物种均为保守序列 众多物种基因组学已有现存数据 可以应用或参考 随着人类和其它生物基因组计划的完成 将为基因识别 基因克隆和表达分析提供有力支持 为基因功能的研究提供广阔的空间 序列标签位点 sequencetaggedsites STS EST序列的单拷贝特性 其位点也是一种遗传标记 这个标记不是区分个体与群体 而是区分不同的染色体位点 数目多 覆盖密度较大 达到平均每1kb一个STS或更密集 在基因的定位上可以发挥很大的作用 六 表观遗传学 epigenetics 研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下 基因表达了可遗传的变化的一门遗传学分支学科 表观遗传的现象很多 已知的有DNA甲基化 组蛋白修饰 非编码RNA调控 基因组印记 母体效应等 也是一种多态性 机制 基因组含有两类遗传信息 一类是指导蛋白质合成的遗传信息 另一类是表观遗传学信息 即何时 何地表达遗传信息 难点5 X染色体剂量补偿 DNA甲基化 基因组印记 表观基因组学和人类表观基因组计划等问题是表观遗传学主要研究内容 在雌性哺乳动物中 两条X染色体有一个是失活的 称为X染色体的剂量补偿 dosagecompensation X染色体的失活状态需要表观遗传修饰 如DNA甲基化来维持 这种失活可以通过有丝分裂或减数分裂遗传给后代 X染色体剂量补偿 甲基化是基因组DNA的一种主要表观遗传修饰形式 是调节基因组功能的重要手段 DNA甲基化主要是通过DNA甲基转移酶家族来催化 DNA甲基化影响到基因的表达 与肿瘤的发生密切相关 基因组甲基化 来自双亲的某些等位基因 在子代的表达不同 有些只有父源的基因有转录活性 而母源的同一基因则始终处于沉默状态 另一些基因的情况则相反 这是由于源自某一亲本的等位基因或它所在染色体发生了表观遗传修饰 导致不同亲本来源的两个等位基因在子代细胞中表达不同 基因组印记 genomicimprinting 难点6 父方缺失 母方缺失 15号染色体 PWS综合征临床表现 新生儿肌张力减低 饮食过量 过度肥胖 脾气暴躁 前额狭窄上斜 无青春期或青春期短 糖尿病发生率高 AS综合征临床表现 孤独 兴趣与活动局限 刻板和重复 行动笨拙 在成年偶见精神病发作 机制 PWS和AS基因是紧密相邻的印记基因 研究基因组水平上表观遗传修饰的科学称为表观基因组学 表观基因组学 epigenomics 2003年10月正式宣布开始实施人类表观基因组计划 绘制不同组织类型和疾病状态下的人类基因组甲基化可变位点 MVP 图谱 可以进一步加深对人类基因组的认识 为探寻与人类发育和疾病相关的表观遗传变异提供蓝图 人类表观基因组计划