医学遗传学人类基因组

1、关于医学遗传学人类基因组第1页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四概 念以分子生物学技术、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。第2页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四2001年2月中旬，Nature与Science分别发表了人类基因组工作框架图,报告人类基因组共有30 亿个碱基对, 预测编码基因31,000个,比最初预测的10 万个编码基因数大大减少。2003年人类基因组计划宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现第3页，共61

2、页，2022年，5月20日，1点39分，星期四第一节人类基因组和基因组学第4页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四 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第5页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四基因组(genome)泛指一

3、个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）DNA。 基因组学(genomics)就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能的科学。第6页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四基因组学包括3个不同的亚领域结构基因组学(structural genomics) 功能基因组学(functional genomics)比较基因组学(comparative genomics) 基因组学概念第7页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四结构基因组学结构基因组学(structural g

4、enomics)是通过人类基因组计划(Human Genome Project, HGP) 的实施来完成的。HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基因组DNA序列测定，因此HGP属于结构基因组学范畴。第8页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四第二节人类基因组计划第9页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四人类基因组计划HGP也称人类基因测序计划，主要目标是完成对人的基因组的所有碱基序列的测定，阐明人体中全部基因的位置、结构、功能、表达、调控方式及致病突变的全部信息。基本任务是完成遗传图、物理图、序列图和转录图。人类

5、基因组包括 24条染色体，3109bp，3-4万个基因。第10页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四人类基因组计划的目标人类基因组计划是一项国际性的研究计划。它的目标是通过以美国为主的全球性的国际合作，在大约15年的时间里完成人类24条染色体的基因组作图和DNA全长序列分析，进行基因的鉴定和功能分析。人类基因组计划的“科学产品”将是一个人类遗传信息数据库，将是一本指导人类进化的“说明书”。 人类基因组计划的最终目标就是确定人类基因组所携带的全部遗传信息，并确定、阐明和记录组成的人类基因组的全部DNA序列。第11页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四人类基因组

6、计划的研究概况 1986年 美国病毒学家R杜尔贝科（1914）1986年3月7日在美国科学杂志上发表了一篇题为癌症研究的转折点人类基因组的全序列分析的文章，他指出：“人类DNA序列是人类的真谛，这个世界上发生的一切事情，都与这一序列息息相关。”该文后来被称为“人类基因组计划”的“标书”。第12页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四1988年美国能源部和国家卫生研究院率先在美国开展人类基因组计划，并经国会批准由政府给予资助。此后，成立了一个国际间的合作机构人类基因组织 (Human Genome Organization)，由多个国家筹集资金和科研力量，积极参加这一国际性研究计

7、划。人类基因组计划的研究概况 1988年第13页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四1989年，美国国立卫生研究院成立了人类染色体研究中心，沃森出任第一任主任。人类基因组计划的研究概况 1989年第14页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四1990年，美国国会批准了“人类基因组计划”，并于10月1日正式启动，由多国科学家参加、被称为“生命科学阿波罗计划”的人类基因组计划正式启动。预计用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。美国承担了全部任务的54%，英国33%，日本7%，法国2.8%，德国2.2%。中国于1999

8、年9月加入人类基因组计划并承担了 1% 的测序任务。人类基因组计划的研究概况 1990年第15页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四1998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。人类基因组计划的研究概况 1998年第16页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四2000年6月26日，美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯柯林斯、塞莱拉公司的

9、董事长兼首席科学家克莱格文特尔、美国总统克林顿、英国首相布莱尔联合宣布人类基因组工作草图绘制成功。此后，人类基因组研究进入绘制“完成图”的阶段。与“框架图”相比， “完成图”的覆盖率从90扩展到100，准确率从99上升到99.99。人类基因组计划的研究概况 2000年第17页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四2001年2月12日，参加绘制人类基因组图谱的美、英、日、法、德、中6国科学家公布了更加准确、清晰、完整的人类基因组图谱，并指出人类基因总数只有 3 3.5万个, 编码序列占2%。 2001年7月10日，中国“人类基因组计划”重大项目秘书长杨焕明教授宣布：在人类基因组完

10、成图的绘制工作中，中国已率先超额（1.13%）完成所承担的任务。人类基因组计划的研究概况 2001年第18页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四（一）遗传图 （二）物理图 （三）序列图 （四）基因图 HGP包括以下研究内容第19页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四100-200 kb克隆片段基因组测序的一般流程分级鸟枪测序法 基因组DNA细菌人工染色体文库DNA克隆的排序 （物理作图） 分段测序随机打断后克隆DNA测序DNA序列的组装第20页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四一、 遗传图谱（连锁图谱）概念：指基因或分子标记在染色体上的相

11、对位置与遗传距离，用厘摩（cM）表示。1cM的遗传距离表示在100个配子中有1个重组子。在哺乳动物中，遗传图谱上1cM的距离大约相当于物理图谱上1,000,000bp。人类基因组的全长约3600cM第21页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四 遗传图是将每条染色体上的基因或遗传标记的相对位置经连锁分析确定下来，构成图谱，因此，需借助相应的遗传标记。 DNA技术的建立为人类提供了大量新的遗传标记。 遗传标记有三代第22页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四第一代DNA遗传标记是RFLP（限制性片段长度多态性）。DNA序列上的微小变化，甚至1个核苷酸的变化，也能

12、引起限制性内切酶切点的丢失或产生，导致酶切片段长度的变化。第23页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四第二代DNA遗传标记利用了存在于人类基因组中的大量重复序列：重复单位长度在15-65个核苷酸左右的小卫星DNA；重复单位长度在2-6个核苷酸之间的微卫星DNA，又称为简短串联重复（STR、STRP或SSLP）。卫星DNA分类特征卫星DNA串联重复的基本单位首尾相接，在基因组中呈不均匀分布，但主要集中于着丝粒、端粒等特定部位，高度或中等重复，分属三个大家族。卫星DNA中等重复，基本单位长171bp。小卫星DNA中等重复，基本单位长1565bp。微卫星DNA中等重复，基本单位长2

13、8bp 第24页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四第二代DNA遗传标记STRP的优点是“多态性”与“高频率”。由于(A)n，(CA)n，(CGG)n等短重复序列在进化上不受选择，在同一位点上可重复单位数量变化很大，配对时又容易产生“错配”，使这样的位点遍布于整个基因组。已有5264个STRP为主体的遗传标记“连锁图”，平均分辨率已达600kb，其中第17号染色体上平均每495 kb有一个标记，第9号染色体上平均每767 kb有一个标记，整个基因组中只有三处标记间距大于4Mb。第25页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四第三代DNA遗传标记，可能也是最好的遗

14、传标记，是分散于基因组中的单个碱基的差异，即单核苷酸的多态性（SNP），包括单个碱基的缺失、插入和替换。SNP中大多数为转换，即由一种嘧啶碱基替换另一种嘧啶碱基，或由一种嘌呤碱基替换另一种嘌呤碱基，颠换与转换之比为1：2。SNP有可能在密度上达到人类基因组“多态”位点数目的极限。估计人类基因组中可能有300万个SNP位点！SNP与RFLP和STRP标记的主要不同之处在于，它不再以DNA片段的长度变化作为检测手段，而直接以序列变异作为标记。第26页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四遗传图谱绘制的意义“遗传图”的建立为人类疾病相关基因的分离克隆奠定了基础。拥有5000多个遗传学

15、位点，相当于把整个人类基因组划分为5000多个小区，并分别设置了“标牌”。如果在家系中证实该基因与某个标记不连锁（重组率为50%），表明该基因不在这一标记附近。如果发现该基因与某个标记有一定程度的“连锁”（重组率小于50%但大于0），表明它可能位于这个标记附近。如果该基因与某标记间不发生重组（重组率等于0），我们就推测该标记与所研究的疾病基因可能非常接近。第27页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四 人类基因组的物理图是指以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点，STS）为“路标”，以碱基对（bp，kb，Mb）作为基本测量单位（图距）的基因组图。STS是基因组中任何单拷贝的

16、长度在100500bp之间的DNA序列，与核酸内切酶识别序列相关联。物理图主要内容是建立相互重叠连接的“相连DNA片段群”。物 理 图第28页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四序 列 图人类基因组的核苷酸序列图是分子水平上最高层次、最详尽的物理图。测定总长约1米、由30亿个核苷酸组成的全序列是人类基因组计划的最终目标。人类所拥有的基因位点都是相同的，不同种族、不同个体的基因差异(人类基因组的多样性)以及“正常”与“疾病”基因的差异，只是同一位点上的等位基因的差异。人类基因组计划所提供的人类核酸序列图，蕴藏了决定我们生、老、病、死的所有遗传信息，将成为人类认识自我、改造自我使

17、人类健康长寿的知识源泉，为21世纪现代生物学和医学奠定了基础。第29页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四 在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。 在人类基因组中鉴别出占具2%5%长度的全部基因的位置、结构与功能，最主要的方法是通过基因的表达产物mRNA反追到染色体的位置。基 因 图第30页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四基 因 图 CpG岛的应用 CpG岛(CpG island)：描述哺乳动物基因组DNA中的一部分序列，其特点是C和G的总和超过4种碱基总和的50%，即每10个核苷酸约出现一次双核苷

18、酸序列CG。具有这种特点的序列仅占基因组DNA总量的10%左右。 从已知的DNA序列统计发现，几乎所有的管家基因(House-Keeping gene)及约占40%的组织特异性基因的5末端含有CpG岛，其序列可能包括基因转录的启动子及第一个外显子。因此，在大规模DNA测序计划中，每发现一个CpG岛，则预示可能在此存在基因。第31页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四基 因 图 计算机应用及cDNA策略计算机应用：通过软件进行预测（生物信息学）cDNA策略：把特定组织中的mRNA分离出来，经反转录合成cDNA片段，建立EST位标，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱。 是染色体D

19、NA某一区域内所有可转录序列的分布图，是基因图的雏形。第32页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四第三节 后基因组时代( Postgenome era) * 人类基因组计划完成之后，生物学被重新划分为前基因组和后基因组两部分。* 科学研究已开始进入“后基因组时代”。主要是开展蛋白质组的研究。* 有科学家形象地说道：即使基因测序全部完成，也只好像是一本没有姓名、只有号码的电话簿。“后基因组时代”的最终目标，是要把深奥的DNA语言变成一本基因大百科全书。第33页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四人类基因组工程(human genome projects)的含义

20、尽管工程规模和要处理的信息量都很大，但其技术难度似乎不好与阿波罗计划和迈哈顿计划相比。是人类了解生命现象过程中的重要一步，但它所能够回答的问题是有限的！它不会立刻使我们的寿命延长。不会使我们立刻知道人类疾病的发病机理和治疗方法。不会告诉我们思维过程和个体发育的机制。不会告诉我们地球上的生命究竟是怎样产生的。第34页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四人类基因组序列测完后（“后基因组时代”）的工作分析所有的这些基因及其编码产物（主要是蛋白质）是如何单独和共同在生命过程中发挥作用的 。在目前阶段研究蛋白比研究基因难得多，而成千上万的结构和功能都复杂多样的蛋白分子才是生命过程的最后

21、执行者。我们现在还没有有效的研究手段去揭示蛋白分子在生物体内究竟完成什么功能、又是通过何种机制去完成其生物功能的等等。第35页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四一、基因组多样性计划不同人种、不同民族基因组的异同关系。探讨人类进化和种族演化的历史。个体化用药。疾病易感性。第36页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四二、功能基因组学 完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基因组测序阶段详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式，这就是功能基因组学（functional genomics）。 第37页，共61页，2022年，5月20日

22、，1点39分，星期四（一）鉴定DNA序列中的基因（二）同源搜索设计基因功能 （三）实验性设计基因功能 （四）描述基因表达模式 功能基因组学的主要具体内容包括以下方面 第38页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四功能基因组学研究策略及主要内容第39页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四三、比较基因组学比较基因组学(comparative genomics)涉及比较不同物种的整个基因组，是利用生物在进化上的亲缘关系，来比较它们与人类之间的相似与相异，以便深入理解每个基因组的功能和进化关系。 第40页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四四、环境基

23、因组学与环境因素相关的疾病遗传易感性基因五、疾病基因组学 分离、分析疾病的致病基因和相关基因，并研究其致病机制六、药物基因组学 研究包括药物在内的化学物质引起机体反应上的遗传差异第41页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四 以生物大分子为研究对象，以计算机为工具，运用数学和信息科学的观点、理论和方法去研究生命现象、组织和分析呈指数级增长的生物信息数据的一门科学.七、生物信息学http:/www.ebi.ac.uk/embl/http:/www.ddbj.nig.ac.jp/。第42页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四第四节 基因定位与克隆人类基因组计划的完

24、成，最重要的后续工作是运用一定的方法，将各个基因确定到染色体的实际位置。基因定位对提高人类对疾病产生的病因学的认识有重要意义。第43页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四1.连锁分析（Linkage analysis）基因定位的连锁分析是根据基因在染色体上呈直线排列，不同基因相互连锁成连锁群的原理，即应用被定位的基因与同一染色体上另一基因或遗传标记相连锁的特点进行定位。基因定位的方法重组值（recombination fraction） 是基因定位时两个基因间遗传图距的量度，即基因间的遗传距离。如果两个基因间有1%的重组值，其遗传图的距离为1厘摩。（centimorgan，c

25、M）遗传标记（genetic marker） 用连锁分析发法进行基因定位需要已知的记忆内作为遗传标记，这些标记按孟德尔方式遗传，标记位点应是多态的。第44页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四基因定位的方法 常用的连锁分析方法为家系连锁分析法采用对数优势记分法(Logoddsscore，LOD)数学模式数学原理： 在获得两个基因位点的某上份系谱分析数据后，将假定这两个位点以某一重组值连锁的似然性，与假定这两个位点不连锁的似然性相对较，从二者比值的对数值域，判断支持和反对连锁的优势。 Z()=log10 L()L(0.5)L(0.5)表示重组值为50%，即完全不连锁的似然性。Z

26、3时可确定连锁，Z-2时可否定连锁，-2Z3时，须做进一步分析第45页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四基因定位的方法2、体细胞杂交法基因定位：体细胞：即生物体除生殖细胞外的任一细胞。体细胞杂交的概念： 也称细胞融合（cell infusion），是将来源不同的两种细胞融合成一个新细胞。新产生的细胞称杂种细胞（hybrid cell），含双亲不同的染色体。 对象： 人的细胞 鼠类：大鼠、小鼠、仓鼠 杂种细胞的特点： 在繁殖传代过程中，人的染色体优先丢失，以至最后只剩几条或一条人的染色体，而啮齿类的染色体被保留下来。第46页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期

27、四原理： 细胞进行融合时，培养液中只有部分细胞融合成杂种细胞，还有大量未融合的双亲细胞。这就需要选择分离纯化杂种细胞。为此要创造一种只让杂种细胞生长繁殖而亲本细胞死亡的环境。这就要利用杂种细胞和亲本细胞对生长条件的要求和代谢的差异来进行选择。其中最常用的是HAT选择系统。第47页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四HAT选择系统人的突变细胞株：缺乏HGPRT酶 小鼠细胞株：缺乏TK酶 两者融合培养于HAT培养基中H 为次黄嘌呤，是HGPRT的底物，为DNA合成提供原料（核苷酸旁路合成原料）A 为氨基蝶呤，可阻断正常的DNA合成(嘌呤及TMP合成受抑制)T 为胸腺嘧啶脱氧核苷，

28、在胸苷激酶（TK）的作用下生成胸腺嘧啶核苷酸，为DNA合成提供原料第48页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四鼠细胞： 由于A的存在正常的DNA合成通道受阻，有HGPRT可以利用次黄嘌呤合成腺嘌呤，鸟嘌呤，但由于无TK，无法合成胸腺嘧啶。(嘧啶合成障碍)杂种细胞： 有HGPRT旁路合成腺嘌呤,鸟嘌呤；并可以利用TK合成胸腺嘧啶(嘌呤和嘧啶都可以正常合成)人细胞：由于A的存在，正常的DNA 合成通路受阻 。同时由于HGPRT的缺乏，无法利用次黄嘌呤通过旁路合成DNA(嘌呤合成障碍)因此在HAT培养基上，第49页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四将筛选出来的杂

29、种细胞转移到正常培养基继续培养，由于人和鼠都有各自不同的生化和免疫学特性，Miller等运用体细胞杂交并结合杂种细胞的特征，证明杂种细胞的存活需要胸苷激酶（TK）。凡是含有人17号染色体的杂种细胞都因有TK活性而存活，反之则死亡，从而推断TK基因定位于17号染色体上，这是首例应用体细胞杂交法进行的基因定位。第50页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四3.原位杂交和荧光原位杂交原位杂交（in situ hybridization） 是最直接的基因定位方法之一，是分子生物学技术在基因定位中的应用，胰岛素基因用此方法定位于11p15。原理 碱基的互补配对，同源的DNA-DNA双链或DNA-RNA双链在一定条件下能结合成双链。用放射性或非放射性物质标记的DNA、RNA或与mRNA互补的cDNA作探针，可检测细胞基因组中的同源部分。第51页，共61页，2022年，5月20日，1点39分，星期四原位杂交的特点 杂交在载玻片上的中期染色体上进行，而不是在溶液和膜上进行。所谓原位是指在标本上DNA原位变性，再与放射性或非放射性物质（通常用3H）标记的已知核酸探针杂交，通过放射自显影来检测染色体上特异DNA或RNA顺序，用放射性颗粒在某条染色体的区带出现的最高频率或荧光的