09基因变异与疾病.ppt

基因变异与疾病,2020/5/30,2,基因变异是人类遗传病产生的根源,生殖系突变：遗传病体细胞突变：引发肿瘤的重要因素,2020/5/30,3,基因变异：DNA的序列组成或结构在遗传信息传递过程中发生了改变，也称为基因突变。,一、基因变异的基本概念,2020/5/30,4,人体基因组中大约每隔200500bp即有一次DNA序列发生变异。人群中个体间不同的身高、相貌特征的差异，其分子基础可以理解为遗传多态性。,依据基因变异在人群中的分布和生物学效应，可分为DNA多态性和致病突变。,2020/5/30,5,多态性（polymorphism）是指在一个生物群体中，同时和经常存在两种或多种不连续的变异型或基因型或等位基因，并且任何变异型或等位基因在人群中的频率大于1%，亦称遗传多态性（geneticpolymorphism）或基因多态性。对于一个个体而言，基因多态性碱基顺序终生不变，并按孟德尔规律世代相传。,2020/5/30,6,2020/5/30,7,单核苷酸多态性（SNP）：给定人群中基因组的给定位点发现的单核苷酸变异，人群中出现的频率大于1%。拷贝数变异（CNV）：人类基因组中大小从大于1Kb到超过Mb不等的DNA片段的拷贝数变异，人群中出现的频率大于1%。,2020/5/30,8,DNA多态性产生机制：点突变-序列多态性插入或缺失-长度多态性存在部位：编码区非编码区DNA遗传标记遵循孟德尔遗传规律遗传具有终身不变的遗传特征,2020/5/30,9,DNA长度多态性：同一基因座上两个等位基因之间DNA片段长度差异构成的多态性。1.可变数目串联重复序列(variablenumberoftandemrepeats,VNTR）又称小卫星DNA，是一种重复DNA小序列，为10-几百核苷酸，拷贝数10-10000不等。,2020/5/30,10,特征：,不同的个体，不同等位基因的串联次数不同，形成不等长度的等位基因；同一基因座，每个等位基因之间的长度差异刚好是重复单位的整倍数；不同基因座，小卫星VNTR序列间具有同源性核心序列可以发生相互杂交。,2020/5/30,11,DNA指纹图谱的发现,1985年，英国学者Jeffreys及其同事在Nature杂志上报道了他们对人体基因组高变区的突破性研究。他们用肌红蛋白基因第一个内含子中的串联重复序列（重复单位长33bp）作探针，从人的基因文库中筛选出8个含有串联重复序列（小卫星）的重组克隆。经序列分析，发现每个克隆都含有一个长0.22.0kb、由重复单位重复329次组成的小卫星DNA。尽管这8个小卫星的重复单位的长度（1664bp）和序列不完全相同，但都含有一段相同的核心序列，其碱基顺序为GGGCAGGAA。,2020/5/30,12,他们用16bp重复单位（主要为核心序列）重复29次而成的小卫星DNA做探针，与人基因组酶切片段进行Southern杂交，产生由10多条带组成的杂交图谱，不同个体杂交图谱上带的位置是千差万别的。随后他们用另外一个小卫星探针进行测试，获得了类似的图谱。这种杂交图谱就像人的指纹一样因人而异，因而Jeffreys等人称之为DNA指纹图谱（DNAfingerprint），又名遗传指纹图谱（geneticfingerprint）。,2020/5/30,13,DNA指纹图谱的特点,多位点性：基因组中存在着上千个小卫星位点，某些位点的小卫星重复单位含有相同或相似的核心序列。在一定的杂交条件下，一个小卫星探针可以同时与十几个甚至几十个小卫星位点上的等位基因杂交。高变异性：即不同的个体或群体有不同的DNA指纹图谱。一般选用任何一种识别4个碱基的限制性内切酶，这种变异性就能表现出来。但是，同卵双胞胎的DNA指纹图谱是相同的，因其有完全相同的基因组。,2020/5/30,14,简单而稳定的遗传性：家系分析表明，DNA指纹图谱中的谱带能够稳定地从上一代遗传给下一代。子代DNA指纹图谱中的每一条带都能在其双亲之一的图带中找到，而产生新带的概率（由基因突变产生）仅在0.0010.004之间。DNA指纹图谱还具有体细胞稳定性，但组织细胞的病变或组织特异性碱基甲基化可导致个别图带的不同。,2020/5/30,15,2.短串联重复序列（shorttandemrepeats,STR)STR也称微卫星DNA，是一类广泛存于真核生物基因组中的DNA串联重复序列，其核心序列为2-6bp，多存在于非翻译区及内含子中，重复次数通常1060次，基因片段400bp以下。分布广泛，人类基因组的5%，估计20-50万个；检出8000多个。一般每个微卫星位点有十几个等位片段，具有高度多态性，其高度多态性主要源于核心序列重复次数的个体间差异。,2020/5/30,16,STR的特点,高度多态性，由于(CA)n等简短重复不受进化上的选择，因而在同一位点中数目变化很大，在人群中因重复次数不同而产生等位片段，可形成多达几十种的等位片段（多态性）；作为遗传标记的高频率性，这样的位点在基因组中出现的频率很高，并且分布很广；由于重复序列两侧的特异性单拷贝序列可作为其在基因组中定“点”的标记，可采用PCR技术使操作实现自动化。,2020/5/30,17,由于STR在基因组中分布较广，数目多，且符合孟德尔遗传规律，因而可以为连锁分析提供足够多的遗传信息，加之可利用相对容易的PCR及电泳等手段进行检测，使得这一系统成为目前在基因定位研究中应用最多的标记系统。,2020/5/30,18,3.长度多态性形成机制（1）同源重组：在有丝分裂时的姊妹染色单体或减数分裂时的同源染色体间发生遗传物质的不等互换。条件：交换区域的核苷酸序列必须相同或相似；交换链间碱基互补，重组发生在同样基因座；DNA序列的交换在重组酶催化下进行。机制：不等交换-交换双方地位平等，但数量不一定相等。,2020/5/30,19,（2）基因的结构重排：通过基因的转座、DNA的断裂错接使正常基因顺序发生改变。机制：结构重排是一种DNA双链断裂的修复过程。DNA断裂（5端的重复序列内）-形成两个游离末端；修复过程中，末端的基因摆动或错位基因转移移动。,2020/5/30,20,DNA序列多态性概念：是指一个基因座上，因不同个体DNA序列有一个或多个碱基的差异而构成的多态性。即同一基因座上所有的等位基因DNA长度相同，但它们之间的序列存在差异。原因：点突变意义：物种进化对自然选择的回应法医学提供大量的遗传标记,2020/5/30,21,致病突变是指那些导致人类遗传病发生的基因变异，这类基因突变主要发生在人类基因组的结构基因上；致病突变的频率通常很低。发生在结构基因上的基因突变若不影响基因功能，称为中性突变。,2020/5/30,22,多态性着重说明DNA序列在人群中不同个体、不同等位基因间的差异性，而致病突变则强调遗传变异会引起基因功能的显著改变。,2020/5/30,23,根据DNA序列变异的物理形态及其对基因功能的影响，人类的基因变异大致可以分为：点突变大片段突变短串联重复突变拷贝数变异,2020/5/30,24,2020/5/30,25,动态突变指DNA中的核苷酸（主要为三核苷酸）重复序列的拷贝数发生扩增而产生的突变。动态突变伴随着世代的传递而不断积累，重复序列的拷贝数逐渐增多，因此，由动态突变所致的遗传病，将随着重复序列的拷贝数增多，表现出逐代增加发病率或致病严重性的特点。,2020/5/30,26,动态突变的发生是一种多步骤过程。首先包括重复拷贝数或碱基组成发生低频率的、少量的改变，从而产生相对不稳定数量的完全重复序列。随着重复拷贝数的进一步增加，这些含重复序列的等位基因将变得不稳定。在动态突变疾病的病例中,存在发病年龄与重复序列拷贝数的关系。,2020/5/30,27,脆性X综合征基因(FMR-1)的分离及其特征的研究表明，在其5非编码区有一段不稳定的DNA序列，由(CGG)n三核苷酸串联重复序列组成。在正常群体中，正常X染色体(CGG)n的拷贝数为654；高于此拷贝数而又未发病者称为携带者，其拷贝数为60200；患者的为2002000。,2020/5/30,28,目前,发现有近20种遗传病和脆性位点与动态突变有关，脆性X综合征(FraX)遗传性脊髓小脑型共济失调肌强直性肌萎缩(DM)Huntington舞蹈病(HD)脊髓小脑共济失调I型(SCAl)脊髓小脑共济失调III型(SCA3)脆性X染色体E(FRAXE)齿状核红核苍白球丘脑下部核萎缩(DRPLA)脊髓延髓肌萎缩(SBMA)这种新突变机制的发现明确了早现和不完全外显的分子机制。,2020/5/30,29,动态突变可以发生在减数分裂的过程，也可以发生于有丝分裂的过程。前者将表现出世代间重复序列拷贝数的改变，后者则表现为同一个体不同组织或细胞之间拷贝数的不同。,2020/5/30,30,座位异质性不同基因座位上的突变引起同一种遗传病的现象，称为座位异质性。即表现型一致的个体或同种疾病临床表现相同，但可能具有不同的基因型。由于遗传基础不同，它们的遗传方式、发病年龄、病程进展、病情严重程度、预后以及复发风险等都可能不同。成人型多囊肾：常染色体显性遗传，16号染色体上PDK1基因或4号染色体上PDK2基因突变。,2020/5/30,31,两个先天聋哑患者婚配，生出并不聋哑的孩子，原因是由于父母的聋哑基因并不在同一基因座位所致。PaaBBXAAbb聋哑聋哑F1AaBb正常同是先天聋哑，由不同基因所致，可见先天聋哑具有高度异质性。,2020/5/30,32,等位基因异质性：指同一基因座位上相同基因的不同突变方式可以引起不同疾病的现象。如人-珠蛋白基因突变，有的引起镰状细胞贫血，有的导致-地中海贫血。,2020/5/30,33,基因组印记哺乳类基因组中的某些等位基因可因来自父方或母方的不同而呈现差异性表达，这种现象称为基因组印记（genomicimprinting）。,2020/5/30,34,根据孟德尔的遗传定律，当一个性状从亲代传给子代，无论携带这个性状的基因或染色体是来自父方或母方，所产生的表型效应是相同的。,2020/5/30,35,慢性进行性舞蹈病患者,发病年龄一般在30-50岁，但有5-10患者在20岁以前发病，且病情严重，这些患者致病基因均由父亲遗传。而母亲遗传者，子女发病年龄多在40-50岁。这种现象很难用经典的孟德尔定律来解释，也不能用性连锁遗传、线粒体遗传及多基因遗传来回答。,2020/5/30,36,近年来，揭示了一种新的遗传现象，即基因组印记，亦称遗传印记，是指来自双亲的基因或染色体存在着功能上的差异，因而子女中来自父方与来自母方的基因表达可以不同。这是由于基因在生殖细胞分化过程中受到不同修饰的结果。换言之,遗传印记是一种依赖于配子起源的某些等位基因的修饰现象。一些基因在精子生成过程中被印记，另一些基因在卵子生成过程中被印记，被印记了的基因，它们的表达受到抑制。,2020/5/30,37,遗传印记现象已在哺乳动物和人类中被确认，但对印记现象的机理仍然了解的很少。据推测DNA的甲基化可能是遗传印记的分子机制之一。在精子和卵子中一些基因甲基化程度不同，高度甲基化（被印记）的基因不表达或表达程度降低，当胚胎发育过程中发生去甲基化时，这些基因即开始表达。,2020/5/30,38,基因组印记的证据:（1）首先取自鼠合子的原核移植实验，如果从受精卵中移去雄性原核而代之以雌性原核，结果胚胎不能正常发育；同样，如果移去雌性原核而代之以雄性原核，胚胎发育也是异常的。反之，含有来自双亲的移植原核的合子却可以正常发育。,2020/5/30,39,实验结果说明，父系基因组与母系基因组含有胚胎发育所需要的不同的信息，小鼠的正常胚胎发育需要分别来自雄性和雌性双方的一套染色体。近期的研究表明，父源的遗传信息对维持胚胎十分必要，而母源的遗传信息对于受精卵的早期发育是关键的。,2020/5/30,40,（2）人类的某些情况:如葡萄胎往往并不表现染色体的异常，但事实上含有同样两条父源性的染色体，由于缺少母源染色体，导致严重的滋养层细胞的增生，而胚胎细胞缺如；卵巢畸胎瘤通常是二倍体，然而染色体均为母源性，所以也发育异常。事例表明，一些基因的表达依赖于提供这些基因来源的双亲的性别，正常的胚胎发育需要来自父母双方的平衡的一组基因。,2020/5/30,41,1984年McCrath等用人工单性生殖的方法产生了两种特殊类型的小鼠胚胎，一种小鼠胚胎的全部染色体来自雄性亲本，另一种小鼠胚胎的全套染色体全部来自雌性亲本。两类小鼠均在发育期死亡。,2020/5/30,42,单亲二体(uniparentaldisomy)是指一个个体具有正常的二倍体染色体，但只是继承了双亲一方的一对同源染色体，或者是来自父母一方的染色体片段被另一方的同源部分取代。,2020/5/30,43,（3）人类的某些染色体异常与畸变染色体的亲缘有关。在人类中发现基因组印记的证据是对Prader-Willi综合征(PWS，又称低肌张力低智能性发育低下肥胖综合征)和Angelman综合征(AS，曾称愉快木偶综合征)两种罕见综合征的研究。,2020/5/30,44,PWS和AS的发生具有相同的病因：15号染色体长臂缺失，del(15)(q11q13)。当患儿缺失的第15号染色体来自父亲，则表现为PWS；若来自母亲，则表现为AS。即PWS患者缺失了父源的15号染色体缺失片段上的基因。AS患者缺失了母源的15号染色体缺失片段上的基因。这两种综合征缺失片段的父母来源的明显差异，提示由印记所致的相同基因的不同表达的可能性。,2020/5/30,45,PWS,AS,2020/5/30,46,2020/5/30,47,PWS和AS中，大约70%的病例是由于上述染色体缺失所致，此外，还有一些病例的分子机制是单亲二体。当个体的一对15号染色体都来源于母亲时，将引发PWS，都来源于父亲时，将导致AS。单亲二体的存在和作用，从另一方面证实了基因组印记。,2020/5/30,48,遗传印记一般发生在哺乳动物的配子形成期，而且是可以逆转的。它不是一种突变，也不是永久的变化。印记持续在一个个体的一生中，在下一代配子形成时，旧的印记可以消除，并且发生新的印记。,2020/5/30,49,2020/5/30,50,因印记效应，有些单基因遗传病的表现度和外显率受到突变基因的亲代来源的影响。如Huntington舞蹈病的基因如果由父亲传递来，则多数家系子女的发病年龄比父亲发病年龄提前，有些子女发病年龄可提前到24岁左右(多数发病年龄在3540岁之间)；如该病的致病基因由母亲传递,则其子女的发病年龄与母亲的发病年龄相同。,2020/5/30,51,遗传病的基因组印记效应疾病染色体定位印记效应Huntington舞蹈病4父源传递发病年龄提前脊髓小脑性共济失调6父源传递发病年龄提前强直性肌萎缩19母源传递症状严重、发病提前神经纤维瘤I17母源传递症状加重神经纤维瘤II22母源传递发病年龄提前,2020/5/30,52,基因变异的可遗传性,无论是致病突变还是DNA多态性，只要它们是生殖系突变，即可通过生殖细胞产生的配子传递给后代，遗传方式都遵循孟德尔定律。是遗传病诊断、亲子鉴定、基于家系的连锁分析和单倍型构建的理论基础。,二、基因变异的生物学效应,2020/5/30,54,基因功能减弱,单倍型不足一个配子中全部染色体的总和为单倍体；人体二倍体细胞中成对染色体中的一条染色体的全部基因组可称做单倍型。一条染色体上紧密连锁的一组SNP位点组成的基因单位称作单倍型。单倍型不足是指给定基因的两个拷贝中的一个等位基因发生突变或缺失，另一个拷贝的表达产物不足以维持正常的细胞功能。,2020/5/30,55,HDR是一种常染色体显性遗传的综合症，症状为家族性甲状旁腺低功，感觉神经性耳聋以及肾发育不良。对不同HDR家族患者的遗传分析发现关键是染色体10p一个区域（命名为HDR1）的半合子状态。进一步的研究将HDR的片段缩至包含GATA3基因的一个200kb的区域内。在患者中发现了该区域的缺失或单个核苷酸改变。有可能GATA3对甲状旁腺，听觉系统以及肾脏的胚胎发育及其重要。,2020/5/30,56,2020/5/30,57,2020/5/30,58,儿童遗传性白内障HSF4基因突变；HSF4基因产物是热休克蛋白转录因子，可以调控HSP70，HSP90a和HSP27基因的表达。HSF基因的错义突变会导致HSF4蛋白的DNA结合模体发生变化，使得该蛋白与DNA分子的结合能力降低，