疾病的基因结构与表达异常

1、疾病的基因结构与表达异常第一节第一节 基因组不稳定性基因组不稳定性基因组（基因组（genome）生物体遗传信息的总和生物体遗传信息的总和基因组不稳定性：基因组的可遗传性改变基因组不稳定性：基因组的可遗传性改变基因组不稳定性基因组不稳定性 （genomic instability）是指生物细胞基因组在遗传因是指生物细胞基因组在遗传因素和环境有害因子作用下所发素和环境有害因子作用下所发生的一系列可遗传性改变，包生的一系列可遗传性改变，包括基因组结构异常和表观遗传括基因组结构异常和表观遗传变异。变异。微卫星不稳定性微卫星不稳定性DNA 损伤损伤染色体不稳定性染色体不稳定性表观遗传变异表观遗传变异脆性

2、位点与姐妹染色单体交换脆性位点与姐妹染色单体交换表表现现形形式式基因组不稳定性产生原因：遗传基因组不稳定性产生原因：遗传因素和环境因素因素和环境因素遗传因素遗传因素: 基因组不稳定综合征共济失调性毛细血管扩张症共济失调性毛细血管扩张症 着色性干皮病着色性干皮病基因组不稳定性产生原因：遗传基因组不稳定性产生原因：遗传因素和环境因素因素和环境因素环境因素环境因素遗传毒性（遗传毒性（genotoxicity）：对基因组的损害能力，包括了细）：对基因组的损害能力，包括了细胞胞DNA直接或间接的损伤，其毒理效应主要表现为三个方面：致突变、直接或间接的损伤，其毒理效应主要表现为三个方面：致突变、致畸和致癌

3、。致畸和致癌。遗传外毒性（遗传外毒性（epigenetic toxicity）：指无核苷酸序列变化的表观遗传）：指无核苷酸序列变化的表观遗传修饰的改变，如组蛋白的乙酰化和胞嘧啶的甲基化。修饰的改变，如组蛋白的乙酰化和胞嘧啶的甲基化。基因组不稳定性发生的分子机制基因组不稳定性发生的分子机制DNA损伤与修复是基因组不稳定性产生的分子基础，损伤与修复是基因组不稳定性产生的分子基础，维持基因组稳定性的反式作用蛋白因子和促进基因组不稳定性维持基因组稳定性的反式作用蛋白因子和促进基因组不稳定性的顺式作用元件起着关键的作用，的顺式作用元件起着关键的作用，中心体中心体/纺锤体的异常是染色体不稳定形成的主要原因

4、，纺锤体的异常是染色体不稳定形成的主要原因，端粒端粒/端粒酶的异常以及表观遗传学修饰的改变可引起基因端粒酶的异常以及表观遗传学修饰的改变可引起基因组不稳定性。组不稳定性。反式作用因子：维持基因组稳定性反式作用因子：维持基因组稳定性 PI3KKs家族成员家族成员DNA依赖性蛋白激依赖性蛋白激酶催化亚单位（酶催化亚单位（DNA-PKcs）毛细血管共济失调毛细血管共济失调突变基因突变基因 （ATM）Rad-3相关蛋白（相关蛋白（ATR）凋亡DNA双链断裂修复 反式作用因子：维持基因组稳定性反式作用因子：维持基因组稳定性 S期检测点期检测点损伤检测损伤检测功能检测功能检测检测点信号复制叉RPAATR-

5、ATRIPRad17复合物Rad9复合物（复制蛋白A）（ATRIP：ATR交互作用蛋白）顺式作用元件：促进基因组不稳定性顺式作用元件：促进基因组不稳定性脆性位点脆性位点肿瘤相关断裂点肿瘤相关断裂点正常染色体Burkitts淋巴瘤重链IgH基因myc原癌基因myc癌基因相互易位正常染色体14正常染色体8染色体不稳定与有丝分裂过程相关染色体不稳定与有丝分裂过程相关纺锤体检测点异常与染色体不稳定纺锤体检测点异常与染色体不稳定DNA螺旋由Cohensin连接的姐妹染色单体ATP和DNA结合结构域C N C NA B C染色体不稳定与有丝分裂过程相关染色体不稳定与有丝分裂过程相关中心体与染色体不稳定性中

6、心体与染色体不稳定性ACDB端粒与端粒酶的缺陷与基因组不稳定性相关端粒与端粒酶的缺陷与基因组不稳定性相关正常细胞，绿色的为端粒端粒功能丧失的细胞，造成染色体首尾融合基因组不稳定性与人类疾病基因组不稳定性与人类疾病脆性位点与疾病脆性位点与疾病(CGG)n重复数目变异 正常 前突变 全突变PUR-基因组不稳定性与人类疾病基因组不稳定性与人类疾病基因组不稳定导致基因组不稳定导致BCL-2基因过表达与肿瘤发生基因过表达与肿瘤发生着丝粒 端粒缺失片段miR-15a/miR-16-1第二节第二节 基因突变与疾病基因突变与疾病基因突变通常是有害的，产生不利于生物体的性状；基因突变通常是有害的，产生不利于生物

7、体的性状；也可以是中性的，对生物体不产生影响；也可以是中性的，对生物体不产生影响；少部分突变产生有利于生物体的性状，促进生物体的生存、繁衍。少部分突变产生有利于生物体的性状，促进生物体的生存、繁衍。基因突变（基因突变（gene mutation）：）：发生在基因发生在基因DNA序列上的改变，包括碱基替换、插入和缺失序列上的改变，包括碱基替换、插入和缺失基因突变可发生在任一时刻、任一细胞，是生物进化的基础。基因突变可发生在任一时刻、任一细胞，是生物进化的基础。突变所导致的表型变化可以小到没有变化，大到引起细胞和组织死亡。突变所导致的表型变化可以小到没有变化，大到引起细胞和组织死亡。自发突变与诱发

8、突变自发突变与诱发突变亚硝酸作为诱变剂使亚硝酸作为诱变剂使C突变为突变为基因突变的分类基因突变的分类根据突变最初发生的细胞分类根据突变最初发生的细胞分类1.生殖细胞突变生殖细胞突变2.体细胞突变体细胞突变根据突变对氨基酸序列的影响分根据突变对氨基酸序列的影响分类类1. 同义突变同义突变2. 错义突变错义突变3. 无义突变无义突变根据突变导致的生物学效应分类根据突变导致的生物学效应分类1.基因突变具有致死性基因突变具有致死性2.部分功能丧失部分功能丧失3.隐性突变隐性突变4.有益突变有益突变根据突变发生的分子机制分类根据突变发生的分子机制分类1. 碱基替换碱基替换2.缺失或插入突变缺失或插入突变

9、 3.基因重排基因重排4. 动态突变动态突变ATCATTCACTATCTTTCACT转换转换ATCATTCACTATTATTCACT颠换颠换ATCATTCACTATCATCACT缺失缺失ATCATTCACTATCATTTCACT插入插入ATC-GTT-CAC-GCCATC-GTT-CAT-GCC同义突变同义突变 Ile- Val- His- AlaIle- Val- His- AlaATC-GTT-CAC-GCCATC-GTT-CTC-GCC错义突变错义突变 Ile- Val- His- AlaIle- Val- Leu- AlaATC-GTT-CAG-GCCATC-GTT-TAG-GCC无义

10、突变无义突变 Ile- Val- Tyr- AlaIle- Val- stop基因重排基因重排相互易位费城染色体新的嵌合基因BCR-ABL动态突变动态突变AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-TCA， （CAG重复重复10次）次）AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-TCA，（，（CAG重复重复16次）次）AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-

11、CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-TCA，（，（CAG重复重复25次）次）AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-TCA，（CAG重复重复12次）次）F1代代F2代代F3代代F4代代生殖细胞突变是单基因遗传病的主要病因生殖细胞突变是单基因遗传病的主要病因一个连接蛋白基因，两种疾病：一个连接蛋白基因，两种疾病：GJB3基因突变可导致神经性耳聋或角化病基因突变可导致神经性耳聋或角化病中国科学家在中国本土克隆的第一个疾病基因中国科学家在中国本土克隆的第一个疾病基因 （1998年）年）IIIIIIIVIIII

12、II 1 2 3 4 1 2 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5WT/WT WT/WT E183K/WT E183K/WT WT/WT WT/WT WT/WT WT/WT R180X/WT R180X/WT R180X/WT38y 49y 52y 56y 46y 50y 43y 49y 46y 51y 43y 1R180X/WT23y1E183K/WT3y 1 2 3 WT/WT E183K/WT WT/WT 32y 27y 32y体细胞突变在肿瘤的发生机制中占据重要位置体细胞突变在肿瘤的发生机制中占据重要位置癌基因癌基因RAS的突变机制的突变机制失活态激活态上游刺激信号与GEF对

13、Ras的激活释放出下游信号Ras的突变阻断此步骤GTP水解与GAP对Ras的灭活体细胞突变在肿瘤组织中常见体细胞突变在肿瘤组织中常见增殖增殖蛋白质 合成细胞死亡细胞周期调控突变缺失扩增杂合性缺失基因突变是遗传异质性的分子基础基因突变是遗传异质性的分子基础遗传异质性遗传异质性(genetic heterogeneity)遗传异质性指表型一致的个体或患有同种疾病的个体具有不同的基因型。遗传异质性指表型一致的个体或患有同种疾病的个体具有不同的基因型。遗传异质性的产生既可以由同一基因的不同位点突变引起，也可以由不同基因的变遗传异质性的产生既可以由同一基因的不同位点突变引起，也可以由不同基因的变异引起，

14、或者由个体发育过程中环境因素的作用导致。异引起，或者由个体发育过程中环境因素的作用导致。举例：举例：PTEN基因突变，可以导致多种肿瘤的发生，其根本原因就是因为患者虽然基因突变，可以导致多种肿瘤的发生，其根本原因就是因为患者虽然都发生了都发生了PTEN基因突变，但突变的位点具有很大的异质性，加之该蛋白具基因突变，但突变的位点具有很大的异质性，加之该蛋白具有的功能本身就比较多样和复杂，从而对有的功能本身就比较多样和复杂，从而对PTEN蛋白的功能产生不同的影响。蛋白的功能产生不同的影响。因此同一基因不同位点的突变带来的临床后果可以有异质性。因此同一基因不同位点的突变带来的临床后果可以有异质性。第三

15、节第三节 遗传多态性与疾病遗传多态性与疾病酶多态性酶多态性DNA多态性多态性染色体多态性染色体多态性抗原多态性抗原多态性研究复杂疾病的研究复杂疾病的重要工具重要工具实现实现“个体化医疗个体化医疗”的主要依据的主要依据遗传多态性遗传多态性遗传多态性遗传多态性: 指特定人群中，在染色体的同一位点存在两种或两种以上不连续的变指特定人群中，在染色体的同一位点存在两种或两种以上不连续的变异型或基因型；并且每种基因型的比例至少超过异型或基因型；并且每种基因型的比例至少超过1%。遗传多态性在特定人群中能稳定传递下去，自然选择发挥了关键作用。遗传多态性在特定人群中能稳定传递下去，自然选择发挥了关键作用。Har

16、dy-Weinberg平衡定律平衡定律: 在一定的条件下，特定人群中特定染色体位点的基因型的在一定的条件下，特定人群中特定染色体位点的基因型的频率在世代传递中可以保持不变，处于平衡状态。频率在世代传递中可以保持不变，处于平衡状态。在分子遗传学领域，遗传多态性的研究工具主要包括：限制性酶切片断长度多在分子遗传学领域，遗传多态性的研究工具主要包括：限制性酶切片断长度多态性、短串联重复序列多态性（或称微卫星）、单核苷酸多态性（态性、短串联重复序列多态性（或称微卫星）、单核苷酸多态性（SNP），这也是我们通常所说的三代遗传标志。，这也是我们通常所说的三代遗传标志。染色体多态性：染色体形态的微小变异染色

17、体多态性：染色体形态的微小变异细胞遗传学检测染色体多态性在不孕症和遗传病诊治上具有重要价值抗原多态性：免疫系统的关键抗原多态性：免疫系统的关键人白细胞分化抗原（HLA）系统定位于染色体6p21.3，全长约3600 kb，现已识别出224个基因座位，每个基因座位有多个等位基因型，是一群高度多态性的紧密连锁的基因群。酶和蛋白质多态性：同工酶酶和蛋白质多态性：同工酶在遗传学上，把同一种酶在不同的个体间存在遗传变异的现象称为酶的多态性，在生物化学上称为同工酶。DNA多态性多态性: 复杂疾病研究的复杂疾病研究的“锐器锐器” 现阶段我们讲的DNA多态性主要是指单核苷酸多态性（SNP）和拷贝数目变异（CNV

18、），它们已经成为复杂疾病研究的“锐器”。神经母细胞瘤细胞与正常细胞基因组相比在CNV上差异明显基因表达异常导致蛋白质基因表达异常导致蛋白质“量量”的紊乱的紊乱基因的表达具有时间特异性和空间特异性基因的表达具有时间特异性和空间特异性基因表达调控是高度有序的多级调控过程基因表达调控是高度有序的多级调控过程转录水平的调控是由顺式作用元件和反式作转录水平的调控是由顺式作用元件和反式作用因子相互作用完成的用因子相互作用完成的 增 强 子 启 动 子 基因 约100 bp 基因转录起始点的上游约200bp包含几个紧挨着的序列元件，可与转录因子结合增强子和启动子之间的距离可长可短，长的达到几千bp包含几个分散的序列元件，可与转录因子结合顺式作用元件反式作用因子（不同的转录因子）转录转录增强子增强子启动子启动子上游的增强子激活启动子下游的增强子激活启动子增强子与启动子的位置关系mRNA前体的选择性剪接前体的选择性剪接蛋白质翻译后水平的调控蛋白质翻译后水平的调控靶蛋白多聚泛素化泛素连接酶复合物26S蛋白酶体靶蛋白被降解TDNA甲基转移酶甲基化的DNA非甲基化的DNA甲基化乙酰化转录正常人DNA癌症患