全国高等教育医学数字规划教材遗传学基因和基因组.pptx

基因和基因组基因组结构变异与基因突变,Avery肺炎双球菌体外转化实验,T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验,烟草花叶病毒(TMV)的重建实验,1956年，美国学者弗伦克尔一库兰特（Fraemkel-Courat）,以上三个实验可以得出结论：,DNA是主要的遗传物质RNA也是遗传物质,核酸是生物的遗传物质,遗传物质在哪？,DNA的分布,主要在染色体上,细胞质内,细胞核遗传,细胞质遗传,生物的遗传,染色体是DNA的主要载体,核酸的分子结构与组成,DNAsequence,1、多聚核苷酸链主链：核糖和磷酸侧链：碱基,连接：3,5磷酸二酯键同一个磷酸基3酯键到5酯键方向,2、链的方向(53),5-TCAGGCTACGTACC-33-AGTCCGATGCATGG-5默认书写顺序53,DNA的双螺旋结构,每一单链具有53极性，两条单链极性相反，反向平行；两条单链间形成A-T、G-C碱基对，以氢键连接；以中心为轴，向右盘旋,直径2nm，螺距3.4nm；双螺旋中存在大、小沟。,1953年，沃森(J.D.Watson，1928，美国)和克里克(F.Crick，19162004，英国)，共同提出,C-G,T-A,碱基互补,人类基因组计划HGP,人类基因组计划90年代,阿波罗登月计划60年代,曼哈顿原子弹计划40年代,1986年6月，HGP在美国冷泉港实验室召开的分子生物学会议上引起了激烈辩论1987年初，美国能源部和国立卫生研究院为HGP下拨了启动经费约550万美元（全年1.66亿美元）1988年2月，国家科学研究委员会（NRC）的15位专家撰写完成“人类基因组的作图与测序”报告1990年10月，美国确定把当年的10月1日作为官方实施HGP的起始日期，被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动,1990年10月1日正式启动多国科学家参加美国：54%，英国：33%，日本：7%，法国：2.8%，德国：2.2%。预计15年时间，投资30亿美元，完成30亿对碱基的测序，并对所有基因进行绘图和排序中国于1999年9月加入人类基因组计划，承担1%的测序任务（Chrom3）。,人类基因组计划的研究概况,人类基因组计划的研究概况,1998年，生产DNA测序仪的最大厂家Perkin-Elmer(简称PE)公司与文特尔领导的基因研究所合作成立了塞莱拉（Celera）遗传信息公司，并宣布他们将利用最新技术在3年内完成人类基因组的测序工作，这使得该计划处于一种公私竞争的状态，从而加快了人类基因组的研究步伐。,完成了10万个人类全长cDNA的测序，并指出人类基因总数只有33.5万个,编码序列占2%。,2001年2月HGP公立阵营在15日出版的nature、塞莱拉公司在16日出版的science上公布各自的人类基因组测序草图,2001年7月10日，中国超额(1.13%)完成所承担的任务。,2003.5.282003.6.2冷泉港人类基因组完成图发布会,2003年人类基因组计划完成,基因组计划原定目标全面完成,基因组测序草图发表,人类基因组计划在美国启动,以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为研究手段；以生物体内全部基因为研究对象；在全基因背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及其内外环境影响机制的科学。,（一）遗传图（二）物理图（三）序列图（四）基因图,HGP基本内容,DNA存在的形式,单一序列（结构基因structuregene）占gDNA的6065%，在基因组中只出现一次或很少几次，编码蛋白和酶，一般由8001000bp组成。,卫星DNA（satelliteDNA）,大卫星:100kb几Mb；微卫星：(AC)n，(TG)n小卫星:STR，(TTAGGGG)n；,反向重复序列：顺序相同互补拷贝呈反向排列,1、两个反向排列的拷贝之间隔着一段间隔顺序如：5AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT33TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA52、两个拷贝反向串联在一起，也称为回文结构。,长/短散在核元件：Alu、Kpn等重复序列，基因表达调控,基因组(genome)是德国遗传学家H.Winkler在1920年将gene（基因）和chromosome(染色体)两个词缩合而创造的一个新词，意思是指染色体上的全部基因。几十年来，随着分子生物学的发展，其含义扩展为在个体水平代表一个个体所有遗传性状的总和，在细胞水平代表一个细胞所有不同染色体（单倍体）的总和，在分子水平代表一个物种所有DNA分子的总和。,基因组学概念及范畴,人类基因组,生殖细胞含1套基因组体细胞含2套基因组1套来自父本生殖细胞1套来自母本生殖细胞,基因组DNA有30亿个碱基对(3109bp)约有2.8万个基因,基因及其结构,基因：是编码RNA或一条多肽链所必需的全部核酸序列（通常指DNA序列）。包括编码序列、两侧的侧翼序列及插入序列。,割裂基因(断裂基因）：基因的编码序列在DNA上不是连续的，而是被不编码的序列隔开。外显子Exon：基因中编码序列，与mRNA的序列相对应。内含子Intron：基因中不编码的序列。,1910年Morgan等通过果蝇实验证明：控制性状的基因在染色体上。“三位一体”:认为基因是一个功能单位，是一个突变单位，也是一个交换单位的。,基因型(genotype)表现型(phenotype),1865年Mendal提出“factor”1909年丹麦学者Johannson提出“gene,基因图,一个多基因家族中不同成员成簇分布于几条不同的染色体上，编码一组关系密切的蛋白。如：珠蛋白基因簇，5个相关基因，长800bp。16chr。51213珠蛋白基因簇，6个相关基因，1700bp。11chr。5A/G1-3,多基因家族（multigenefamly）,假基因（pseudogene）,在多基因家族中，某些成员在进化过程中获得一个或多个突变而丧失了产生蛋白产物的能力，这类基因称为假基因。如：、,HS-402121,基因的复制与表达,半保留,半不连续,以DNA为模板，在RNA聚合酶作用下合成RNA的过程,转录,外显子,内含子,DNA,mRNA,转录,形成套索RNA，外显子靠近,剪接体,去除套索RNA，外显子连接,成熟mRNA,mRNA的剪接,5加帽,O,H,O,H,N,N,N,N,O,H,2,N,C,H,3,+,O,H,H,C,H,2,H,O,P,O,P,O,P,O,P,P,P,N,1,N,2,N,3,O,O,H,O,O,H,O,O,H,O,C,H,3,O,C,H,3,2,O,H,7,9,H,甲基鸟苷5，5-三磷酸,3加尾,AAUAAA,AAAAAAAAA.,加尾,AATAAA,GTGTGTG,-,AAUAAA,GUGUGUG,AAUAAA,GUGUGUG,酶切,转录的终止,加尾信号,GC丰富序列,polyA尾（约20200个A）,A,A,A,A,A,A,转录后修饰：剪接、戴帽、加尾翻译：mRNA指导下，蛋白质的生物合成,基因表达,遗传密码（geneticcode)共64个遗传密码mRNA5AUGUCCACCGUAUAA3蛋白质MetSerThrVal三联体密码:起始密码AUG；终止密码UAA/UGA/UAG,mRNA与遗传密码,生命的奥秘蕴藏于“四字天书”之中,GCTTCTTCCTCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCATCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCTTCTTCCTCATTTTCTCTCCACCATGCCGCCACCACGCCACCATGCTTCTTCCTCATCTCGCTTTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCGCTTCTTCCtTCTCT,基因突变,白化病,短腿安康羊,突变(mutation)：包括基因突变和染色体畸变基因突变(genemutation)：是指DNA分子中的核苷酸顺序发生改变，使遗传密码编码产生相应的改变，导致组成蛋白质的氨基酸发生变化，以致引起表型的改变。,生殖细胞突变(germinalmutation)体细胞突变(somaticmutation)突变体（mutant）：携带突变Gene的细胞或个体。野生型（Wildtype）：未突变Gene的细胞或个体。,几个重要的基本概念,同义突变（Synonymousmutation）,密码子具有兼并性，单碱基置换后密码子编码同一种氨基酸，表型不改变。正常AGTCAGCAGCAGTTTTTACGTAACCCGDNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro同义突变AGTCAGCAGCAGTTTTTGCGTAACCCGDNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro,突变的分子生物学效应,突变的分子生物学效应,错义突变（Missensemutation）,碱基置换后形成新密码子，导致所编码氨基酸发生改变，产生活性降低、无活性或无功能的蛋白质。正常AGTCAGCAGCAGTTTTTACGTAACCCGDNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro错义突变AGTCAGCAGCAGTTTTCACGTAACCCGDNAMetGlnGlnGlnPheSerArgAsnPro,突变的分子生物学效应,无义突变（nonsensemutation）,碱基被置换后，使编码一个氨基酸的密码子变为不编码任何氨基酸的终止密码（UAA、UAG、UGA），肽链合成提前终止，产生短的、没有活性的多肽片段。正常AGTCAGCAGCAGTTTTTACGTAACCCGDNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro无义突变AGTCAGCAGCAGTTTTGACGTAACCCGDNAMetGlnGlnGlnPhe终止ArgAsnPro,突变的分子生物学效应,终止密码突变(terminationcodonmutation),终止密码突变为编码氨基酸的密码子，使多肽链的合成继续进行下去，一直延长至下一个终止密码子时停止，产生延长的异常多肽链，也称延长突变（elongationM）。,正常AGTCAGCAGCAGTTTTGACGTAACCCGDNAMetGlnGlnGlnPhe终止无义突变AGTCAGCAGCAGTTTTTACGTAACTGADNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsn终止,突变的分子生物学效应,移码突变(FrameShift),编码序列中插入或缺失一个或几个碱基，其下游阅读框发生改变，导致氨基酸顺序及蛋白质异常或无活性。正常AGTCAGCAGCAGTTTTTACGTAACCCGDNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro移码突变（一个碱基缺失)AGTCAGCAGCAGTTTTACGTAACCCGTDNAMetGlnGlnGlnPheTyrValThrArg,缺失,突变的分子生物学效应,正常AGTCAGCAGCAGTTTTTACGTAACCCGDNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAAs动态突变（CAG三核苷酸重复）AGTCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGDNAMetGlnGlnGlnGlnGlnGlnGlnGlnAAs,动态突变,正常人:n=650多态受累个体:n.50copies多者几百1000copies随着世代传递长度增加,发病年龄提前,病情加重.,基因组结构变异,包括插入、易位、倒位、缺失和重复等。其范围从大于50个碱基变化的插入、易位、倒位、缺失和重复，到涉及染色体的细胞遗传学结构变异以人类基因组参考序列作为参照,个体基因组结构变异分为拷贝数获得(插入和重复)及拷贝数丢失(缺失)，或是位置变异(易位和重排)及方向变异(倒位)。其中，插入、重复及缺失导致基因组碱基数量的改变，为非平衡性的基因组结构变异，称为拷贝数变异(copynumbervariation,CNV)，,拷贝数变异,基因组结构变异对个体表型和疾病易感性的影响,一个或多个基因的拷贝数变化导致基因表达产物量发生改变倒位易位改变基因位置，通过位置效应影响相邻基因表达调控，间接影响基因表达基因组结构变异引起基因重排，导致基因断裂或基因融合一些平衡性的基因组结构变异，没有功能效应，在生殖细胞减数时，因为基因重组导致后代发生微小缺失或重复突变的风险增加，从而导致疾病或增加疾病易感性,前基因组时代的钓鱼Vs后基因组时代的捞鱼,捕鱼工具：生物信息学,3个主要的DNA序列数据库,GenBank由美国国家生物技术信息中心（NationalCenterforBiotechnologyInformation,NCBI）维护，还提供并维护OMIM、MMDB、publicMEDLINE、人/鼠基因组同源图谱、Unigene数据库、生物分类数据库等。EMBL由欧洲分子生物学实验室（EuropeanMolecularBiologyLaboratory，EBI）维护。http:/www.ebi.ac.uk/embl/DDBJ由日本国立遗传学研究所（DNADatabankofJapan，DDJ)维护。http: