临床遗传基础理论

临床遗传学基础理论（全国染色体病诊断、产前诊断进修班）,湖南家辉遗传专科医院、湖南-中国遗传医学中心国家生命科学与技术人才培养基地医学遗传学国家重点实验室夏家辉2013年11月26日,第一章 遗传病的定义,“遗传病”是由于遗传物质DNA突变(包括染色体畸变与基因突变)所致的疾病。 除线粒体遗传病主要由母方遗传外，其他类型在亲子间严格按照分离律、自由组合律、连锁与交换律三大遗传规律遗传。其中约50%是由于带有DNA突变的父母遗传的；约50%是在父母的精子、卵子形成中或受精卵早期分裂中新发生的DNA突变所致。,示基因突变,一条染色体是一个DNA分子,正常男性染色体及其核型,约50%的遗传病是由于如下各种“致突变因素”作用于精子、卵子和早期卵裂球的细胞核和线粒体DNA，引起上百万亿种类型的“基因突变或染色体畸变”所致。,物理因素（各种射线、紫外光、温度等）,化学因素碱基类似物（ 5-溴尿嘧啶等）、化学诱变剂（烷化剂、亚硝酸盐及羟胺等）、诱变化合物（原黄素，吖黄素和吖啶黄等）、抗生素、秋水仙素等,生物因素（病毒、细菌等）,基因突变（基因病）,碱基的转换和颠换,碱基的缺失、插入、重复、移位,辐射诱变,诱发染色体断裂、易位,机体代谢产物,出生前行产前诊断, 女性卵巢中的全部卵子在母亲妊娠6个月时完成了第一次减数分裂，等待性成熟后每月分泌一个卵子,示新生儿21号染色体三体型综合征发生率与孕妇年龄关系图由于女性的“新陈代谢产物”导致其卵子第二次减数分裂中染色体的错误分离, 凡曾生育过21号染色体三体型综合征的孕妇，再生育时的再发风险较同龄孕妇增加2至8倍。,生育先天愚型的风险率,母亲生育年龄,1981年夏家辉受聘担任卫生部医学科学委员“医学遗传学专题委员会”委员，特别是1987年担任“卫生部优生优育专家咨询委员会”副主任委员以后，竭力参与推进了中华人民共和国母婴保健法的立法，为在全国开展遗传病的诊断、产前诊断，通过终止妊娠阻止患儿的出生提供了法律根据。,国内外公认“产前诊断与终止妊娠”是阻止严重遗传病和相关精神病患儿出生、保障出生人口质量唯一有效的方法（1）。,中华人民共和国母婴保健法中华人民共和国主席江泽民令（第三十三号）1995年6月1日起实施 第一条 为了保障母亲和婴儿健康，提高出生人口素质，根据宪法，制定本法。 第八条 婚前医学检查包括对下列疾病的检查：（一）严重遗传性疾病；（二）指定传染病；（三）有关精神病。经婚前医学检查，医疗保健机构应当出具婚前医学检查证明。 第十条 经婚前医学检查，对诊断患医学上认为不宜生育的严重遗传性疾病的，医师应当向男女双方说明情况，提出医学意见； 第十六条 医师发现或者怀疑患严重遗传性疾病的育龄夫妻，应当提出医学意见。育龄夫妻应当根据医师的医学意见采取相应的措施。第十七条 经产前检查，医师发现或者怀疑胎儿异常的，应当对孕妇 进行产前诊断；,国内外公认“产前诊断与终止妊娠”是阻止严重遗传病和相关精神病患儿出生、保障出生人口质量唯一有效的方法（2）。,第十八条 经产前诊断，有下列情形之一的，医师应当向夫妻双方说明情况，并提出终止妊娠的医学意见：（一）胎儿患严重遗传性疾病的；（二）胎儿有严重缺陷的；（三）因患严重疾病，继续妊娠可能危及孕妇生命安全 或者严重危害孕妇健康的。 第七章附则： 严重遗传性疾病，是指由于遗传因素先天形成，患者全部或者部分丧失自主生活能力，后代再现风险高，医学上认为不宜生育的遗传性疾病。 有关精神病，是精神分裂症、躁狂抑郁型精神病以及其他重型精神病。 产前诊断，是指对胎儿进行先天性缺陷和遗传性疾病的诊断。,国内外公认“产前诊断与终止妊娠”是阻止严重遗传病和相关精神病患儿出生、保障出生人口质量唯一有效的方法（3）。,中华人民共和国母婴保健法实施办法中华人民共和国国务院朱镕基令（第308号）2001年6月20日起实施 第十七条 。医师发现或者怀疑育龄夫妻患有严重遗传疾病的，应当提出医学意见；限于现有医疗技术水平难以确诊的，应当向当事人说明情况。育龄夫妻可以选择避孕、节育、不孕等相应的医学措施。 第二十条 孕妇有下列情形之一的，医师应当对其进行产前诊断： （一）羊水过多或者过少的； （二）胎儿发育异常或者胎儿有可疑畸形的； （三）孕早期接触过可能导致胎儿先天缺陷的物质的； （四）有遗传病家族史或者曾经分娩过先天性严重缺 陷婴儿的； （五）初产妇年龄超过35周岁的。,国内外公认“产前诊断与终止妊娠”是阻止严重遗传病和相关精神病患儿出生、保障出生人口质量唯一有效的方法（4）。,2005年世界卫生组织执行委员会第 一 一 六届会议控制遗传病秘书处的报告（临时议程项目4.1）（2005年4月21日） 1.近 20 年遗传学知识的发展明确了一个事实，即传统的遗传病类别只代表遗传因素特别明显的那些疾病，而事实上，疾病可按代表各种遗传因子和环境的作用系列排列。对于遗传知识有益的应用仍在发展，预计今后遗传学将“ 对公共卫生领域作出重大贡献”。 2. 基因之间及与环境因素的相互作用与人类健康和疾病紧密相关。 。有关文献记载，先天性畸形通常与遗传病相关，因为二者均可能在怀孕、分娩或幼儿期出现。临床遗传学已为患有上述两类疾病的人提供了服务，。 3. 一些遗传病， 。对于隐性遗传来说，仅携带一个致病基因的杂合子可能不会受到影响，甚至可能受益；例如，携带镰状细胞疾病和地中海贫血基因的人可能不会感染疟疾。这个例子表明，环境压力可能给一种基因的携带者带来生殖优势并使这种基因更加常见。,国内外公认“产前诊断与终止妊娠”是阻止严重遗传病和相关精神病患儿出生、保障出生人口质量唯一有效的方法（5）。,4. 遗传病在严重程度上可存在着差异，从出生前即为致命到需要持续的控制；它们的发病期涵盖从婴儿期至老年期的所有生命阶段。然而，在出生时即出现的遗传病则尤其不堪负重，因为它们可能造成早逝或终身的长期发病。全球范围，每年至少有 760 万儿童出生时带有严重的遗传或先天性畸形；其中90%出生在中等和低等收入国家。很难收集精确的患病数据，特别是在发展中国家，这是由于疾病的差异很大，而且很多病症未得到诊断。在发达世界，遗传和先天性疾病是婴儿和儿童期死亡的第二位最常见的原因，出生罹患率为25 - 60，这一比例随着数据的更加全面会有所升高。 5. 所有的人都可能罹患基因突变的疾病。然而，某些社区遗传病患病率的增高是由于一些社会或文化因素所致。这类因素包括近亲结婚的传统，这种婚姻造成常染色体隐性遗传率的增高，其中包括先天性畸形、死胎或弱智。此外，生育年龄超过35岁与增加后代中染色体异常的频率有关。,国内外公认“产前诊断与终止妊娠”是阻止严重遗传病和相关精神病患儿出生、保障出生人口质量唯一有效的方法（6）。,10. 在所有国家中，将基本遗传咨询纳入初级卫生保健都是必要和可行的。遗传咨询对于保护个人或夫妇的自主权以及履行其充分获得有关疾病和现有选择方案方面信息的权利至关重要。遗传咨询必须考虑到文化、宗教以及个人或夫妇的道德观念。遗传咨询工作性质的核心是宣传教育、自愿和非规定性。主要目的是使面临遗传危险的个人能够根据他们的自身价值观作出自己的知情决定，然后准备作出选择。因此，如果遗传咨询工作的目的是鼓励自主决策，则应顾及到男子和妇女在社区中的作用。除了专业的遗传咨询服务之外，作为病人教育的一个组成部分，培训规划应确保所有的医务人员，从护士到医生，均能讨论与广泛的病理学相关的遗传信息。 12. 除了用于诊断少数慢性非传染病或传染病（例如家族性大肠腺肿瘤和利什曼病）之外，脱氧核糖核酸技术在医学方面的主要应用是诊断遗传病。然而，被确定的基因数量迅速增多，基因诊断和遗传咨询的范围在扩大，这种情况扩大了医学遗传学服务的应用并增加了它的重要性，它应成为所有社区卫生系统的一个组成部分。一些决策者错误地认为，与昂贵的高技术实验室设备相关联的医学遗传学服务不是发展中国家的优先重点。事实上，脱氧核糖核酸诊断方法在过去 10 年已从根本上简化，最新的方法有可能开展简单和迅速的诊断。即便在资源匮乏的环境中也可将公众教育和遗传咨询以及很多遗传诊断手段纳入初级保健中。,国内外公认“产前诊断与终止妊娠”是阻止严重遗传病和相关精神病患儿出生、保障出生人口质量唯一有效的方法（7）。,出生缺陷监测,1、根据监测“突发数据”，查明诱因采取相应措施：如孕妇停服反应停（沙利度胺）防止海豹畸形儿的发生；孕妇服用叶酸降低神经管缺陷儿的出生等。,新生儿筛查,终止妊娠,保障出生人口质量,增加人群中致病基因的频率（遗传负荷）,国家投入将越来越大，负担越来越重,2、通过诊断与产前诊断（遗传学和超声等）,药物、饮食、手术、康复等治疗措施,提高生存率,应该通过立法，规定接受治疗的患儿，生育时必须行产前诊断，否则违返了母婴保健法,筛查与监测数据主要用于掌握当地基本情况，提示与发现异常诱因，为国家制定干预政策提供依据,有的隐性致病基因携带者可能在某种外界条件下取得生存优势，如镰状细胞贫血病和地中海贫血的基因杂合子不感染疟疾，这种环境压力给他们带来了生殖优势。隐性基因杂合子之间婚配，将出生1/4的患儿，从而增加患儿出生率，降低人口素质，这就是这两种病在广东、广西高发的历史原因,出生缺陷发生率我国约 50发达国家约25 60,国内外公认“产前诊断与终止妊娠”是阻止严重遗传病和相关精神病患儿出生、保障出生人口质量唯一有效的方法(8）。,第二章 遗传规律,遗传规律包括1865年孟德尔发现的分离定律、自由组合定律和1928年摩尔根等发现的连锁、交换定律。,孟德尔（Gregor. Mendel） (1822-1884),摩尔根（Thomas Morgan）（18661945）,美国进化生物学家，遗传学家和胚胎学家。以果蝇为主要研究材料，证明基因在染色体上，发现了连锁交换遗传定律，1928年出版了基因论。于1933年由于发现染色体在遗传中的作用， 赢得了诺贝尔生理学或医学奖。,捷克共和国（奥地利）人，是遗传学的奠基人。他通过豌豆杂交实验，发现了遗传的分离定律和自由组合定律。1865年2月8日和3月8日宣读了植物杂交的试验论文，被誉为现代遗传学之父。,第一节 孟德尔的“分离定律” （law of segregation),“豌豆”是一种严格自花授粉的植物，即在开花前已完成授粉，在自然状态下一般都是纯种。不同的性状（character）和同一性状的不同表现类型即相对性状（relative character）能稳定遗传给后代。,孟德尔选择如下七 组具有不同相对性状的“豌豆”品种（高植株、矮植株；紫色、白色；腋生、顶生；饱满、不饱满；绿色、黄色；圆形、皱缩）进行人工杂交（cross）试验。F1只表现1个性状（如紫色、腋生、高植株、饱满、绿色、黄色、圆形）。孟德尔把F1中显现出来的性状，叫显性性状（dominant character)，如高茎等；未显现出来的性状，叫做隐性性状（recessive character)，如矮茎等。F1自交、F2出现了两种相对性状，其显性性状与隐性性状的比例都接近于3:1（如下图）。,根据上述杂交结果，孟德尔假设在生物体的体细胞中，控制同一性状的遗传因子（hereditary factor)成对存在、不相融合，在杂种中能表现出所决定性状（如高茎）的遗传因子称为显性因子（ Dominant factor）用“A”表示、不能表现出所决定性状（如矮茎）的因子称为隐性因子（ Recessive factor）用“a”表示，AA、aa为纯合子（ Homozygous ），Aa为杂合子（ Heterozygous）只表现显性性状。在形成配子时，成对的遗传因子（AA，aa，Aa）发生分离，分别进入不同的配子中，随配子遗传给后代，决定后代的同一性状。 上述孟德尔所完成的七对性状的杂交试验，F1代为杂合子（Aa）均只表现出显性性状，F1代自交，F2代的遗传因子组成应为1AA比2Aa比1aa，其显性性状和隐性性状之比应为3:1，与试验结果完全相符（如下图）。,P,F1,F2,为了论证分离定律，孟德尔设计了一项测交（test cross）试验，即让F1代杂种与隐性的纯合子进行杂交，理论上其子代遗传因子Aa与aa及其相对显、隐性状的比例应为1:1（如下图左）。 为此，孟德尔将七对性状的F1代杂种与具相对隐性性状的纯合子进行了“测交” ，其子代遗传因子Aa与aa及其相对显、隐性状的比例均为1:1，如F1代杂种高茎（Aa）与隐性纯种矮茎（aa）测交，在子代64株中高茎有30株，矮茎有34株，其比例约为1:1 ，最终论证了孟德尔的“分离定律”（如下图右）。,F1代杂种（Aa）,隐性纯种（aa）,（Aa）,（aa）,孟德尔分离定律（law of segregation),在生物体细胞中，控制相对性状（relative character）的遗传因子（hereditary factor）成对存在（如AA，Aa，aa）、不相融合，一个来自父方的花粉、另一个来自母方的卵细胞； 在杂合子中（Aa）能够表现其相对性状的（如A）称为显性遗传因子（ Dominant factor ）、不能够表现其相对性状的（如a）称为隐性遗传因子（ Recessive factor）。AA、aa为纯合子（ Homozygous ）；Aa为杂合子（ Heterozygous）只表现显性性状；决定显性性状的遗传因子有两种（AA，Aa），决定隐性性状的遗传因子仅一种（aa）即隐性性状只有在纯合子（aa）中才能表现。在形成配子（精子或卵子）时成对遗传因子（AA，Aa，aa）必须分离，每个配子只能获得成对遗传因子的一个（A或a），通过精、卵随机结合形成带有成对因子（ AA，Aa，aa）的合子，从而决定新个体的相对性状的形成。,第二节 孟德尔的“自由组合定律”（law of independent assortment）,孟德尔在完成一对“相对性状”杂交试验的同时，开展了对两对、三对和多对“相对性状”的杂交试验。 试验（一）：两对“相对性状”的杂交试验 孟德尔用纯种黄色圆粒豌豆和纯种绿色皱粒豌豆作亲本进行杂交，无论正交还是反交，F1只结出黄色圆粒的种子，这表明黄色和圆粒都是显性性状，绿色和皱粒都是隐性性状，让F1自交，在F2中，共获得556粒种子，黄色圆粒有315粒、绿色圆粒有108粒、黄色皱粒有101粒、绿色皱粒有32粒，其数量比接近于9:3:3:1（如下左图）。 上述遗传结果仍然遵守遗传的分离定律吗？为此，孟德尔首先对每一对相对性状单独进行统计，其圆粒种子与皱粒种子的比例为423:133=3.18:1；黄色种子与绿色种子的比例为416:140=2.97:1，即F2显性个体和隐性个体的比例接近于3:1。此结果说明每一对相对性状（如圆粒种子和皱粒种子；黄色种子和绿色种子）的遗传仍然遵循了分离定律（如下右图）。,为了解释上述两对性状的杂交结果，按分离定律孟德尔假设豌豆的圆粒和皱粒分别由遗传因子R, r控制，黄色和绿色分别由遗传因子Y，y控制，这样，纯种黄色圆粒和纯种绿色皱粒豌豆的遗传因子组成分别为YYRR和yyrr，它们产生的F1的遗传因子组成应为YyRr，表现型为黄色圆粒（如下图左）。 F1在产生配子时，每对遗传因子彼此分离，不同对的遗传因子可以自由组合。这样F1产生的雌配子和雄配子各有4种：YR、Yr、yR、yr，它们之间的数量比为1：1：1：1。受精时，雌雄配子的结合是随机的。雌雄配子的结合方式有16种；遗传因子的组合形式有9种：YYRR、 YYrr、 yyRR、 yyrr 、2YYRr、2YyRR、2Yyrr、2yyRr 、4YyRr ；性状表现为4种：黄色圆粒、黄色皱粒、绿色圆粒、绿色皱粒，它们之间的数量比是9：3：3：1（如下图右）。,为了验证不同对的遗传因子可以自由组合的假设？孟德尔再一次采用了测交实验，即让杂种子一代（YyRr）与双隐性亲本（yyrr）杂交。理论子代遗传因子的组成应为：YrRr, Yyrr, yyRr, yyrr；黄色圆粒、黄色皱粒、绿色圆粒、绿色皱粒之比为1:1:1:1。 用F1作为母本的杂交结果：其黄色圆粒为31、黄色皱粒为27、绿色圆粒为26、绿色皱粒为26；用F1作为父本的杂交结果：其黄色圆粒为24、黄色皱粒为22、绿色圆粒为25、绿色皱粒为26；即无论用F1代作为父本或母本其结果均完全符合不同对的遗传因子可以自由组合的预期 比例 1 ：1 ：1 ：1（如下图、表）,试验（二）：三对“相对性状”的杂交试验 孟德尔选择种子圆形（A）、皱形（a），子叶黄色（B）、绿色（b），种皮灰褐色（C）、白色（c）三对“相对性状”的纯种（AABBCC与aabbcc）严格按照试验（一）的方法进行杂交，按照成对因子分离、不成对的因子自由组合，F1 (AaBbCc)自交，理论上将形成各8种类型的花粉和卵子（见下表），花粉和卵细胞随机结合成64个个体，其F2的植株遗传因子的组合和比例如下表：,ABC+ABc+AbC+Abc+aBC+aBc+abC+abc+2ABCc（1）+2AbCc（2）+2aBCc（3）+2abCc（4）+2ABbC（5）+2ABbc（6）+2aBbC（7）+2aBbc（8）+2AaBC（9）+2AaBc（10）+2AabC（11）+2Aabc（12） +4ABbCc +4aBbCc+4AaBCc+4AabCc+4AaBbC+4AaBbc +8AaBbCc（），各种组合的比例为 ：1：2：4：8,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,母本 (Aa Bb Cc),父本,(Aa Bb Cc),孟德尔采用圆形、黄色、灰褐色的纯种（ AABBCC）与皱形、绿色、白色的纯种（aabbcc）互为母本和父本，共完成24株杂交，F1获得687颗杂交种子(AaBbCc)，次年种下全部种子后有639株结实，对每株所结种子所表现的三对性状逐一进行分析、统计（见下表）,总计可分为27项。其中8项三个性状都是稳定的（ABC+ABc+AbC+Abc+aBC+aBc +abC+abc），每项平均出现9.6次；12项两个性状是稳定的，第三个性状是杂种（2ABCc+2AbCc +2aBCc+2abCc+2ABbC+2ABbc +2aBbC+2aBbc+2AaBC +2AaBc +2AabC +2Aabc）,每项平均出现19.8次；6项一个性状是稳定的，另两个性状是杂种（4ABbCc+4aBbCc+4AaBCc+4AabCc+4AaBbC+4AaBbc）,每项平均出现42.6次；有一项三个性状都是杂种（ 8AaBbCc），共出现78次。4种类型的比例为9.6:19.8:42.6:78约为1:2:4:8。这个结果与孟德尔按“成对因子分离、不成对的因子自由组合”、F1 (AaBbCc)自交，其F2代植株遗传因子的组合为27项，各项的比例为1:2:4:8的理论推测结果完全一致。,孟德尔自由组合定律（law of independent assortment）,孟德尔定律的重新发现 1866年孟德尔论文发表后，直到1900年同时有三位学者荷兰的德弗里斯（HdeVriss，1848-1935年）、德国的科伦斯（CCorrens，1864-1935年）和奥地利的丘歇玛克（ETschermak，1871-1962年）先后通过自己的豌豆杂交实验发现了孟德尔及其创立的颗粒遗传学说，并发表了相关的研究论文。 1909年，丹麦生物学家约翰逊（W.L.Johannsen, 18571927）给孟德尔的“遗传因子”一词起了一个新名字，叫做“基因”（gene），并且提出了表现型（phenotype）和基因型（genotype）的概念。表现型是指生物个体表现出来的性状，如豌豆的高茎和矮茎；与表现型有关的基因组成叫做基因型，如高茎豌豆的基因型是DD或Dd，矮茎豌豆的基因型是dd。控制相对性状的基因，叫做等位基因（allele），