生物遗传学复习总结

遗传学复习,题型（100分制）,1，专业英语（词汇）30分2，名词解释30分3，选择题20分4，简单题20分,专业英语,遗传学（Genetics）遗传（heredity）变异（variation）基因（Gene）分离定律（LawofSegregation）杂合子(heterozygote)等位基因(alleles)遗传性状(trait)显隐性(dominant/recessive),专业英语,不完全显性，共显性（incompletedominance,codominance）复等位基因（multiplealleles）外显率和表现度（penetrance（2）含编码转座酶的基因;（3）靶位点存在5-9bp的短正向重复序列。,插入序列的转座特点,作为一个整体进行转座,可以作为一个整体进行转座；含有的一个或两个IS元件也可进行单独转座。,复合转座子的转座特点,转座机制,所有转座子的共同机制：在靶DNA上造成交错切口，转座子与突出的末端相连，填补缺口。,转座类型,据转座子的移动机制，可分为：复制型转座（replicativetransposition）非复制型转座（nonreplicativetransposition）保守型转座（conservativetransposition）,Replicativetransposition,Nonreplicativetransposition,Conservativetransposition,Fourtypesoftransposableelementsconstitutealmosthalfofthehumangenome.,染色体畸变的种类,可用于育种(单倍体选择后加倍，相关性状基因是纯合的）,植物种间杂交产生新种,Downsyndrom与母亲生育年龄的关系,重复区段间的同源重组引起染色体结构的变化,2.对细胞周期控制点的控制,主要通过两类蛋白质之间的相互作用,蛋白激酶（proteinkinases）：,当自身被激活后，能选择性地将靶蛋白磷酸化。,（控制细胞周期的）蛋白激酶它们的活性随着细胞周期的进展而增加或降低,（1）CDKs（cyclin-dependentkinases细胞周期蛋白依赖性激酶）,（2）cyclins（细胞周期蛋白）,通过调节CDK的活性而控制细胞周期,它们的合成与降解随着细胞周期的进展而呈周期性变化,（一）概念与意义,凋亡（apoptosis）一词来自希腊语，apo指分离，ptosis指落下，Apoptosis即花瓣或树叶的枯落。1972年Kerr等人首先提出了细胞凋亡的概念：细胞凋亡（apoptosis）是由基因调控的主动而有序的细胞死亡，又称程序性细胞死亡（programmedcelldeath,PCD）。细胞凋亡的意义：1.正常的发育过程2.清除受损、突变或衰老的细胞。,例如蝌蚪尾的消失脊椎动物的神经系统的发育发育过程中手和足的成形过程,DNA的片段化断裂蛋白质的降解,(三)细胞凋亡的生化改变,细胞凋亡的两条通路：膜受体通路、线粒体通路,能够引起肉瘤的RSV基因组中还有一个v-src基因。这才是引起肉瘤的基因，也是第一个发现的癌基因。,1977年，MichaelBishop和HaroldVarmus在鸡和其他生物的正常细胞中发现了v-src基因的同源基因，称为c-src。,细胞癌基因：,RSV引起肿瘤的原因：,v-src,c-src,v-src与c-src的区别,c-src的第527位酪氨酸（Tyr527）（C末端倒数第6）通常被磷酸化使src失活。,磷酸化的Tyr527与N端SH2domain结合，使激酶活性部位被包埋。,当Tyr527被特殊的磷酸酶去磷酸化以后就能激活整个蛋白的激酶活性。,Tyr与SH2domain结合,图19-3当Rb被磷酸化（在正常细胞中）或和肿瘤抗原结合时（在转化细胞中）细胞周期阻断被消除（引自Lewin,2000）,图19-3表面明RB在正常细胞中与E2F结合，在转化细胞中与肿瘤抗原结合的模型。非磷酸化的RB可以阻止细胞的扩增。为了要使细胞周期得以进行必须要阻遏RB的活性。其途径就是周期蛋白使RB磷酸化。当肿瘤蛋白和非磷酸化的RB结合时也能抑制其活性。由于RB-肿瘤复合物不再和E2F结合，使E2F得以游离进入S期，可活化S期需要的一些基因。,p53的作用,主要的功能是能够激活某些特殊基因的表达，其中最重要的是P21蛋白,P21是一个CDK的抑制因子，能与G1期的Cdk-cyclin复合物结合，并抑制Cdk的活性（如CDK4/cyclinD），结果细胞被阻止在G1期直到DNA损伤被修复，然后P53和P21减少，细胞周期才能继续进行。,p53,p21,CDK4/cyclinD,E2F,激活,抑制,磷酸化,RB/E2F,释放,DNA复制,图19-4几种和G0/G1或G1/S期控制有关的蛋白是肿瘤抑制物（引自Lewin,2000）,癌基因的形成机制,原癌基因通过三种机制转化为癌基因:,（1）点突变,原癌基因的点突变导致产生结构性激活的蛋白。,c-Src的Tyr527突变，成为v-Src。,c-ras的第12个氨基酸（甘氨酸）和第61个氨基酸（谷氨酰胺）突变会激活成癌基因v-ras。,如：,Ras是第一个被确认的非病毒性癌基因。,（2）易位,染色体易位将生长调节基因带到其它启动子的控制下，导致基因不适当地表达。Burkitt淋巴瘤c-myc(8号染色体上）易位到14、2、22号染色体的免疫球蛋白的强启动子下，导致过量表达。,慢性粒细胞白血病（CML）的费城染色体，是9和22号染色体易位，导致bcr-abl原癌基因融合。,（3）原癌基因的原位扩增（amplification）,原癌基因的原位扩增导致原癌基因的产物过量表达。,人神经母细胞瘤中v-myc基因复本多（N-myc）,（2）FAP结肠癌形成过程的特点,多次突变,在人的一生中突变率是恒定的，如果只需一次突变就可以使细胞变成恶性，癌症的发病率就应当与年龄无关。,正常的细胞转化为恶性肿瘤需要经过多次突变,调查显示绝大多数人癌症发病率的对数与年龄的对数成正比,说明恶性肿瘤的形成需要多次突变,基因组的特点,不同生物基因组大小不同,10000,基因组大小与进化位置无关基因数目和基因组大小也不成比例,C值悖论生物体单倍体DNA总量称为C值。高等生物具有比低等生物更复杂的生命活动，理论上应该是它们的C值也应该更高。但是很多情况下C值没有体现出与物种进化程度相关的趋势。高等生物的C值不一定就意味着它的C值高于比它低等的生物。这种生物学上的DNA总量的比较和矛盾，称为C值悖论。,基因文库,一个生物体的基因组DNA用限制性内切酶部分酶切后，将酶切片段插入到载体DNA分子中，所有这些插入了基因组DNA片段的载体分子的集合体，将包含这个生物体的整个基因组，也就是构成了这个生物体的基因文库。,基因组测序,两个策略：鸟枪法测序wholegenomeshotgun(WGS)sequencing克隆的依次测序orderedclonesequencing,鸟枪法测序,克隆的依次测序,第一代DNA测序技术：Sanger法,第一代DNA测序技术：Sanger法,第一代DNA测序技术：荧光自动测序技术,原理：基于Sanger原理,用荧光标记代替同位素标记,并用成像系统自动检测,从而大大提高了DNA测序的速度和准确性。,STR在家系中的传递,STR多态性产生机理,主流的两种理论模型滑移模型（slippage）不等交换模型（unequalcross-over),滑移模型认为在DNA复制合成的过程中发生了局部解链,引起STR存在区域的新生链和模板链相对滑动而产生错配,使得1个或者几个重复单位形成环状而未能参与配对,经后期修复过程中增添新的碱基与成环部分配对，从而导致了重复单元数量的改变，引起STR多态性的产生.,不等交换模型两条染色体间DNA重组过程中发生的不等交换以及基因转换可能是引起STR多态性产生的主要原因,发育遗传学的特点,发育是生物的共同属性发育是贯穿每个生物体的整个生活史，对有性生殖生物而言，则是从受精卵开始到个体正常死亡，其中早期胚胎发育过程包括受精、卵裂和胚层分化,是发育的关键的阶段,如哺乳类的早期发育过程发育是基因型与环境因子的相互作用遗传控制发育的图式，发育则是基因按严格的时间和空间顺序表达的结果，是基因型与环境因子相互作用转化为相应表型的过程发育中存在基因之间的作用生物发育过程中的基因与基因的相互作用对执行了发育进程的调控发育调控基因具有保守性无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果蝇和人类的发育途径基本相同，控制发育的基因在进化上是保守的，在结构和功能上有很高的同源性,发育机制实质是细胞分化的问题，受精卵发育为成熟个体的各种各样组织和器官的过程，也就是原始的胚胎细胞转变为具有特定的形态结构与功能的细胞学过程细胞分化的本质就是在胚胎发育过程中，各类细胞合成它们各自所特有的蛋白质在形成三个胚层之后，胚胎细胞的发育能力由多能逐渐向一定的方向发展，最后限定形成一种细胞，从而构成成体的某种器官、组织的细胞,胚胎发育机制,干细胞概念和应用,什么是干细胞？是动物（包括人）胚胎及器官中具有自我复制和多向分化潜能的原始细胞能分裂、产生出表现型和基因型都和自己完全相同的子细胞同时还能分化为各类祖细胞，是重建、修复病损或衰老组织、器官功能的理想种子细胞,干细胞的特点具有无限增殖分裂的能力长期保持自我稳定的能力长期保持分化成其它细胞的可能性产生新细胞是对组织（细胞）损伤的反应以对称和/或不对称两种方式进行生长，或保持不分化状态，或不可逆地向终末分化,干细胞,胰岛A细胞,红细胞,肌细胞,神经元细胞,肝细胞,根据分化潜能分类全能干细胞（Totipotentstemcell）:可以分化成为所有的成体细胞和组织，并具有形成完整个体的潜能，如人胚胎干细胞多能干细胞（Pluripotentstemcell）:具有分化成为多种细胞、组织的潜能，但不具备发育成完整个体的能力，如造血干细胞、神经干细胞、间充质干细胞、皮肤干细胞等专能干细胞（Unipotentstemcell）:只能向一种类型或与之密切相关细胞分化，维持某一特定组织细胞的自我更新，如肠上皮干细胞,干细胞分类,根据发育过程中出现的先后次序分类胚胎干细胞（Embryonicstemcells，ESCs）:是一种高度未分化细胞，具有发育的全能性成体干细胞（Adultstemcell，ASCs）:普遍存在于机体的大多数组织器官中,2007年世界十大科技进展之一（iPS细胞）诱导多功能干细胞,2007年11月20日，美国威斯康星大学麦迪逊分校JamesThomson小组和日本京都大学中山亚弥小组都利用了相同的技术基因重新编排技术，即向皮肤细胞中植入一组4个基因，通过基因重新编排，使皮肤细胞具备胚胎干细胞的功能这种被改造过的细胞被称作“iPS细胞”两个研究小组选择的植入基因组合略有不同，另外它们选用了不同类型的人体皮肤细胞为“底版”：美国研究小组选用的是成纤维细胞，而日本研究小组选择的是面部皮肤细胞,中山亚弥,俞君英：威斯康星大学,独自确定了14种新的候选重组基因通过系统的排除，最终使用了4个基因OCT3，SOX2，NANOG和LIN28，其中前两个和Yamanaka小组是相同的Thomson和同事利用的是胎儿皮肤细胞以及一个新生儿的包皮细胞与Yamanaka小组相比，这项研究需要1万个细胞才能分离出一个iPS细胞系，但对实验而言已经足够了,利用此前研究的4种基因副本Oct3/4，Sox2，c-Myc和Klf4，导入方式也与此前的小鼠实验类似，只不过实现基因重组的细胞分别来自一位36岁妇女的表皮和一位69岁男性的结缔组织研究人员表示，利用该技术，大约每5000个细胞就能制造一个iPS细胞系，这一高效率保证他们在每项实验中都能得到数个细胞系,中山亚弥：日本京都大学,四种母源影响基因的mRNA和蛋白沿果蝇卵子和胚胎前-后轴分布的浓度变化图,A,P,BICOID,CAUDAL,HUNCHBACK,NANOS,果蝇体节发育的调控,Bicoid蛋白定位,受精后bcdmRNA迅速翻译，BCD蛋白在前端积累并向后端弥散，形成从前向后稳定的浓度梯度BCD蛋白主要覆盖胚胎前23区域,免疫染色,母性效应基因（maternal-effectgenes）,母性效应基因编码转录因子、受体和调节翻译的蛋白，在卵子发生中转录，产物储存在卵母细胞中，沿前-后轴呈梯度分布母性效应基因产物的梯度起始胚胎发育,突变研究指出，调节果蝇发育的母性效应基因约40个,幼体,胚外组织：绒毛膜和胎盘等,外部细胞,内细胞团,囊胚的发育,动物极,植物极,囊胚腔,基因表达与调控,基因表达（geneexpression):基因通过转录和翻译，产生蛋白质产物和直接转录RNA参与生物功能的过程基因调控：涉及基因的启动关闭，活性的增加或减弱,发生在转录阶段，转录后加工阶段和翻译阶段负调控（Negativecontrol）：阻遏蛋白（repressorprotein）结合在受控基因上时不表达，不结合时就表达的形式正调控（Positivecontrol）：基因表达的活化物（activators）结合在受控基因上时，激活基因表达，不结合时就不表达的形式,真核基因的内部结构包括几种不同的控制转录的调控元件,主要的元件有：启动子、增强子、弱化子、绝缘子、沉默子这些调控元件可邻接，位于之中或远离该基因，它们可以与许多类蛋白相互作用从而起到调节这些元件活性的作用，这些蛋白称为转录因子下面将用通用的模型说明这些元件和因子在真核基因表达调控中的功能,Cis-acting顺式作用与靶基因位于同一条染色体上的DNA序列发挥调控作用Trans-acting反式作用基因编码产物，RNA或protein调控另一簇基因的表达,顺式作用元件与反式作用因子,细菌启动子含有顺式作用核苷酸序列，是RNA聚合酶结合的识别位点，因此它含有启动转录所必要的区域并紧挨它可调节的基因真核启动子是由RNA聚合酶II（将基因转录为mRNA）识别的，它常含有一些短的典型的DNA序列，其位于基因5上游100bp区间内启动子的核心区有位于转录起始位点上游25-30bp的TATA框，在8bp的共有序列中仅有T-A对，两侧有富含G-C的区域,启动子,启动子DNA分子上能与RNA聚合酶结合并形成转录起始复合体的区域，在许多情况下，还包括促进这一过程的调节蛋白的结合位点,增强子（enhancer）,增强子是生物中能够增强基因表达的调控序列作用特征：可以相隔数千个碱基对远距离发生调控作用不管正向或反向，均可以发挥调控作用在结构基因的上游或下游都具有调控的作用,由蛋白质因子参与的转录调控作用主要是正向调控在讨论这些因子怎样调节基因表达之前，我们先来了解它们是怎样结合到核酸上的转录因子的结构模式：真核生物因子的DNA结合结构域有多种形式，它们具有不同的三维结构，主要有三种主要的结构模式：,（1）螺旋-转角-螺旋结构（helix-turn-helix，HTH）,（2）锌指结构（Zincfingers）,（3）亮氨酸拉链结构（leucinezipper）,调节基因,操纵子,Lac阻遏物,半乳糖苷酶,半乳糖苷透性酶,半乳糖苷乙酰基转移酶,E.Coli诱导型Lac操纵子结构模型,基因长度,PI:i基因启动子genei：调节基因P：结构基因启动子geneZ,Y,A：结构基因O：操纵单元,92,一个真核基因的典型结构,enhancerorsilencer,5UTR,3UTR,5端加帽（5capping）,在mRNA转录链长度超过20-30nt之前，其5端经化学修饰被加上7-甲基鸟苷残基，这种5端的修饰称为帽子结构连接方式是3-5连接，与正常的3-5连接方式不同，是由mRNA鸟苷转移酶催化这一添加核苷酸反应,3端剪切及加尾3cleavageandpolyadenylation,大部分成熟mRNA具有3多聚A尾巴，它是经过剪切后再加上一串A残基而成，通常叫做polyA尾巴，这个特征可用于纯化mRNA特定序列元件：1）5-AAUAAA-3聚腺苷酸信号序列，2）在其后1120nt处紧随着一个“5-YA-3”结构，3）在其下游方向的GUGUGUG这些序列共同决定了聚腺苷酸化位点(polyadenylationsite),可变剪接Alternativesplicing,可变剪接是指从一个特定的基因转录物中通过利用不同5、3剪接位点产生出不同的成熟的mRNA的过程，主要有四种方式：（1）利用不同的启动子（2）利用不同的Poly（A）位点（3）保留某些内含子（4）保留或去除某些外显子,可变剪接导致-淀粉酶基因在不同组织中的表达差异,siRNA,miRNA,RNAactsasaregulatorofgeneexpression-基因沉默,遗传性状,质量性状（qualitativecharacter）,数量性状（quantitativecharacter）,质量性状与数量性状,质量性状：(血型）质量性状指表型可以明确分成不同的类型,遗传方式为单基因的孟德尔式遗传,环境因素对表型的影响很小,通常可以忽略.数量性状：（血压、身高）由于多个基因各自的微小影响,数量性状表现为连续分布的变异,如果由多个影响平均的微效基因控制,群体中的个体数呈现正态分布.,数量性状和质量性状的区别,在一个有性生殖的自然群体中，在符合以下5个条件则被称为理想群体。在理想群体中各等位基因的频率和基因型频率在一代一代的遗传中是稳定不变的：,种群无限大,种群中个体间的交配是随机的,没有突变发生,没有新基因加入,没有自然选择,理想群体,Hardy-Weinberglaw的数学表达,A基因的频率为p，a基因的频率为q。在理想群体中，p和q都将不会变。所以在随机交配时，将是A与a的自由组合：,1.一对等位基因随机交配,（1）配子随机结合,（3）数学等式,(p+q)2=p2+2pq+q2=1,p+q=1,拉马克(J.B.Lamarck)于1809年提出的关于生物进化的学说。认为物种由其他物种变化而来，生物存在由简单到复杂的等级，强调生物内因为进化动力，主张“用进废退”和“获得性遗传”。,拉马克学说,用长颈鹿做比喻,长颈鹿的祖先是矮的,因为要吃高的树叶,就拼命长脖子,结果脖子长了,遗传给下一代;深海的鱼类,因为看不到光,眼睛退化,也遗传给下一代.这个学说有一致命破绽,虽然身体改变了,但基因没有改变,长再高也不会遗传给下一代,拉马克学说,拉马克学说,物种是可变的，物种是由变异的个体组成的群体,在自然界的生物中存在着由简单到复杂的一系列等级（阶梯），生物本身存在着一种内在的“意志力量”驱动着生物由低的等级向较高的等级发展变化,生物对环境有巨大的适应能力；环境的变化会引起生物的变化，生物会由此改进其适应；环境的多样化是生物多化的根本原因,环境的改变会引起动物习性的改变，习性的改变会使某些器官经常使用而得到发展，另一些器官不使用而退化；在环境影响下所发生的定向变异，即后天获得的性状，能够遗传。如果环境朝一定的方向改变，由于器官的用进废退和获得性遗传，微小的变异逐渐积累，终于使生物发生了进化,拉马克学说的问题,关于生物进化的原理和机制问题：拉马克以用进废退与获得性的遗传来解释生物性状产生的机制和进化的原理,关于进化的动力和方向问题：拉马克认为生物具有天生向上发展的倾向和内在的愿望,是生物体内要求完善化的冲动,是改进自己来适应环境的努力,关于现存的低等生物的解释问题：拉马克依赖于自生论的观点,认为现存的各种低等生物都是经常的由非生命的物质在短期内自然产生的,达尔文：认为生物最初从非生物演化而来，现存的各种生物是从共同祖先通过变异、遗传和自然选择等演化而来。,达尔文进化论,木村于年月在自然杂志上发表了“分子水平上进化速率”一文。中心大意是根据当时所累积的蛋白质分子氨基酸序列的比较研究,发现在分子水平上所看到的大部分进化是对自然选择既非有利也非不利的中立性突变,且由于随机漂变使之在群体中固定,中性学说,中性学说的内容,分子进化速度的一定性。不论表型进化快的物种或进化慢的物种活化石,就特定蛋白质而言,只要其结构与功能本质上不变,以其氨基酸置换频率所表示的分子进化速度就是一定的,功能上对生命生存制约性低的分子或一个分子中不那么重要的部分,较之对生命生存制约性高的分子或分子中重要的部分,其突变置换率高,进化过程中,对分子功能不损害或损害轻的突变置换较之损害严重的突变容易发生,具有新功能的墓因一般起源于基因重复,中立突变包括有害程度轻微的突变,分子进化中遗传漂变对中立突变在群体中的固定发挥着重要作用,分子水平上的进化主要是指进化是由中立突变与由随机漂变导致的基因频度的固定所造成,而表型水平上的进化则是适应性进化,对此自然选择是最合理的解释。两种学说两种机制完全不同。如何在它们之间搭起桥来,使两者统一起来是中立主义者必须回答的第一个大难题。木村本人最早提出的主要基因效果假说,认为大部分碱基置换是中立的或近于中立的,而有很少数的突变对生物生存是有利的,从而导致产生适应性进化,中性学说问题,药效往往不尽相同，有时甚至会产生严重的毒副作用,相同的药物相同的剂量,当前药物使用中普遍存在的问题：,基因多态性和环境差异使你“与众不同”,人与人之间基因信息99%以上都是相同的，但还存在着细微的不同。正是这种细微的基因差异决定你我之间相貌、血型、身高和性格的差异，以及药物疗效的差异，使您“与众不同”。,决定,人体中药物反应过程,人体内的药物反应是有多种酶和蛋白参与的复杂过程。编码这些酶和蛋白的相关基因中存在着大量的单核苷酸多态性（SNP）位点，因此不同个体内酶或蛋白的性质存在差异。正是这些差异导致了不同个体间对药物反应的差异。,研发阶段即确定药物的目标人群，对不同人群有针对性地研发药物，降低制药成本,对已临床应用的药物，实现“个体化用药”,新药研发,临床用药,个体化治疗,个体化治疗重在”4R”合适的药物合适的剂量合适的时间合适的病人个体化治疗不是随意的治疗，而是在生物标志物的指导下进行有序的治疗,存在于两种基因内的遗传多态性对药物反应的潜在影响,图例：WT/WT：野生型纯合子WT/V：野生/突变型杂合子V/V：突变型杂合子,药物反应的多基因控制（药物代谢和药物受体基因）,药物代谢表现型受体表现型疗效毒性（%）,模式生物简介,1,定义：生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究，用于揭示某种具有普遍规律的生命现象，此时，这种被选定的生物物种就是模式生物。2,理论基础：把研究较多的一些低等生物作为模式生物进行比较分析,从其基因组中发现一些普遍规律或重要信息,来作为高等生物特别是人类基因组研究的基础。酵母细胞周期和DNA修复的模式线虫细胞分化发育的模式果蝇信号传递的模式,几种经典的模式生物,小鼠是最为现实和重要的模式生物,饲养方便,遗传学研究可操作性强,研究结果可推广至人,环境影响小易分析,自交耐受性好容易构建家系,“标准品”实验小鼠“近交系”小家鼠的培育,同一近交系品系的任何个体，其基因背景完全一致，成为了“标准品”。,近交系小家鼠是目前主要的实验动物，每年有超过千