遗传学基础课件

遗传学基础本章内容医学遗传学的概念医学遗传学的发展简史基因与突变遗传病的分类医学遗传学展望第一节医学遗传学的概念人的高、矮、胖、瘦眼、耳、口、鼻皮肤的颜色是否能卷舌等等性状遗传信息遗传性多发性外生性骨疣患者膝关节JohnForbesNash——著名数学家；1994年诺贝尔经济学奖得主；博弈论创始人之一凡高和他的向日葵结直肠癌肿瘤与遗传遗传性疾病，简称遗传病（InheritedDisease,GeneticDisorders）因遗传因素罹患的疾病遗传物质的结构和功能改变多数为先天性，如血友病、Down综合征表现为家族性，也有散发表现遗传与环境对疾病的影响医学遗传学（MedicalGenetics）研究遗传病发生机理、传递方式、诊断、治疗、预后、再发风险和预防方法的科学临床医学与遗传学相互渗透的一门学科医学遗传学主要分科：——细胞遗传学、分子遗传学、群体遗传学——药物遗传学、肿瘤遗传学、行为遗传学——体细胞遗传学、表观遗传学……

细胞遗传学（Cytogenetics）：研究人类染色体的结构、数量异常（或畸变）的类型、发生频率及与疾病的关系。分子遗传学（MolecularGenetics）：从基因的结构、突变、表达、调控等方面研究遗传病的分子改变，为遗传病的基因诊断、基因治疗等提供了新的策略和手段。群体遗传学（PopulationGenetics）：研究人群中的遗传结构及其变化的规律，为遗传病的群体监控和预防制定对策和措施。药物遗传学（Pharmacogenetics）：研究药物代谢的遗传差异和不同个体对药物反应的遗传差异，为指导医生用药的个体化原则提供理论依据。肿瘤遗传学（CancerGenetics）：研究肿瘤发生的遗传基础，恶性肿瘤发生、发展中染色体改变、癌基因与抑癌基因的作用，以阐明肿瘤发生机理，为肿瘤诊断、治疗和预防提供方法。体细胞遗传学（SomaticCellGenetics）：以体外培养细胞系为材料，研究DNA的复制、基因突变、基因表达、基因调控和肿瘤形成机制等问题。行为遗传学（BehaiviorGenetics）：用各种遗传学方法研究人类行为的控制，特别是异常行为，如精神分裂症、躁狂症的遗传基础。表观遗传学（Epigenetics）：研究在没有细胞核DNA序列改变的情况下，基因功能的可逆的、可遗传的改变；如DNA甲基化，基因组印记，母体效应，基因沉默和RNA编辑等。第二节

医学遗传学的发展简史1866年，G.Mendel“豌豆实验”，遗传因子学说，分离律和自由组合律1903年，Sutton和Boveri，染色体遗传学说1909年，Johannsen将遗传因子改称为基因(Gene)1910年，Morgan，果蝇实验，连锁与交换律1926年，证明基因在染色体上1953年，Watson等证明DNA双螺旋结构1956年，蒋有兴证明人的染色体为23对46条1966年，破译遗传密码1970年，发现DNA重组技术G.Mendel(1822-1884)1990年，国际人类基因组计划（HumanGenomeProject）启动2003年，人类基因组计划提前完成2002年，国际人类基因组单体型图计划（HapMapProject）2003，EnCODE--

DNA元件百科全书计划启动2006，国际人类癌症基因组计划2008，“国际千人基因组计划”第三节

基因与突变基因（Gene）

遗传因子，最小的遗传单位

4种碱基按照一定顺序排列的DNA片段人类一共有2-2.5万个基因基因组（Genome）

人类所有遗传信息每个体细胞包含父源和母源2个基因组人类基因组2.91109bp

核基因的结构（结构基因、断裂基因）能转录、并存在于成熟RNA中的序列称为外显子（exon）能转录、但不存在于成熟RNA中的序列称为内含子(intron)结构基因都由若干个外显子和内含子组成GT-AG法则：每个内含子的5’端开始的两个核苷酸都是GT，3’端末尾的两个核苷酸都是AG侧翼序列：基因的两侧有一段不被转录的序列包括：启动子、增强子和终止子属顺式调控因子，称为调控序列启动子（Promoter）通常位于基因转录起点上游的100bp范围内，是RNA聚合酶的结合部位，促进转录过程包括TATA框或Hogness框（TATAbox,Hognessbox）、CAAT框（CAATbox）和GC框（GCbox）增强子（Enhancer）启动子上游或下游的一段DNA序列无明显的方向性，但具有组织特异性增强启动子转录的效率终止子（Terminator）一段回文序列以及特定的序列，例如：5’-AATAAA-3’是RNA停止工作的信号CAATTAAT转录起始转录终止翻译起始密码ATG翻译终止密码TAA、TGATAGPolyA信号外显子1外显子2外显子3内含子1内含子2启动子区域5’3’基因的表达一、转录转录本的合成以DNA双链中的一条链为模板，ATP、CTP、GTP、UTP作为原料，在RNA聚合酶催化下，按碱基互补方式以5’→3’方向合成RNA转录本的加工加工一般包括剪接、戴帽和加尾等过程RNA加工图解二、翻译mRNA、tRNA及核糖体协同作用多个核糖体在同一个mRNA分子上同时进行翻译沿着5’→3’方向多核糖体以同一条mRNA为模板按不同的进度翻译许多相同的多肽链遗传密码及其兼并性三、翻译后加工

某些氨基酸的羟基化或磷酸化等简单的化学修饰在肽链上加不同的糖基团或脂基团许多初始反应产物要经过氨基酸序列的剪切成为有活性的产物折叠、螺旋化等翻译mRNA

5’CapAAA3’mRNA

5’CapAAA3’ATGmRNA

5’CapAAA3’ATGmRNA

5’CapAAA3’ATGTAG核糖体TAGTAGATGTAG真核生物基因表达的调控可发生在不同水平上细胞中核酸序列的改变通过基因表达有可能导致生物遗传特征的变化。这种核酸序列的变化称为基因突变(mutation)。基因突变可以是DNA序列中单个核苷酸或碱基发生改变，也可以是一段核酸序列的改变。基因突变突变的种类染色体结构、数目变异染色体插入、缺失、倒位、异位异常染色体染色体微缺失/微重复，CNVs点突变碱基替换碱基的插入和缺失NATUREGENETICSSUPPLEMENT|VOLUME39|JULY2007

SmallestscalesLargestscales？一种碱基被另一种替换

点突变——替换同义突变错义突变

点突变——替换

点突变——插入或缺失会造成翻译过程中其下游的三联密码子都被错读，产生完全错误的肽链或肽链合成提前终止。动态突变剪接位点突变内含子序列突变启动子序列突变表观遗传学突变动态突变（DynamicMutation）：指DNA中的碱基重复序列拷贝数发生扩增而导致的突变，重复单位片段的大小3-33个碱基长不等，也称为基因组不稳定性(genomicinstability)。剪接位点突变：导致剪接位点改变和潜在剪接位点激活的突变。内含子序列突变：以往认为内含子中的随机突变对生物不会产生严重的影响。但近些年来,随着人们对内含子和基因序列功能研究的不断深入,发现在mRNA剪切过程中,如内含子中分支点或内含子与外显子拼接处发生碱基的改变,往往会造成剪切点改变,从而导致编码的改变。启动子序列突变：启动子序列发生变异后导致启动子转录活性的改变，分2类：上升突变(upmutation)：基因由弱启动子突变成强启动子；下降突变(downmutation)，调控蛋白不能与其结合，使发生顺式调控突变的基因不表达。人类的三联体重复病。引起脆性X综合征、脆性XE综合征和SCA12的三联体重复位于5’UTR；肌强直性营养不良I型和SCA8的三联体重复位于3’UTR；Friederich共济失调的三联体重复位于内含子内；Huntington病、SBMA、DRPLA、SCA1、SCA2、SCA3、SCA6和SCA7的三联体重复位于外显子的编码区；SCA10的五核苷酸重复位于内含子内。动态突变——表观遗传学突变：

表观遗传现象是指基因表达发生改变但不涉及DNA序列的变化,能够在代与代之间传递。表观遗传突变即非基因组核酸序列发生改变引起的突变。表观遗传变异包括基因沉默、DNA甲基化、组蛋白密码、核仁显性、休眠转座子激活和基因组印记等方面，甲基化和组蛋白密码是表观遗传突变的两种最主要的形式。第四节遗传病的分类（一）染色体病人类正常体细胞具有二倍体（46条染色体），如果在生殖细胞发生和受精卵早期发育过程中发生差错，导致整条染色体数目、染色体节段数目、染色体结构等异常，就会形成染色体病。举例：Down’s综合征（21三体综合征患者）（二）单基因遗传病单个基因（同源染色体的一条或二条）发生突变而导致的疾病。遗传性多发性外生性骨疣患者膝关节举例：外生性骨疣（三）多基因遗传病多个基因改变的效应累积而导致的疾病。举例：精神分裂症、孤独症（四）线粒体遗传病线粒体基因突变导致的遗传病，呈现胞质遗传

举例：Leber’s遗传性视神经病（五）体细胞遗传病体细胞遗传物质突变为直接原因

举例：肿瘤原癌基因是一些与调节和控制细胞生长、分裂和细胞周期相关的基因。原癌基因的结构变化或者失控就会演变成癌基因。

癌基因起源于原癌基因第五节

医学遗传学的展望

遗传学的发展举世瞩目，打开了人类了解生命并控制生命的窗口。诺贝尔奖极其关注这一领域的探索，100年中对遗传学共颁奖18次，其中1958年以后共颁奖15次，占了诺贝尔医学奖的一半。1959年，S.奥乔亚、A.科恩伯格，合成RNA和DNA1962年，J.D.沃森、F.H.C.克里克、M.H.F.威尔金斯，发现核酸的分子结构1968年，R.W.霍利、H.G.霍拉纳、M.W.尼伦伯格，遗传信息的破译1969年，M.德尔布吕克、A.D.赫尔、S.E.卢里亚，发现病毒的复制机制和遗传结构1978年，W.阿尔伯、H.O.史密斯、D.内森斯，限制性内切酶及其应用1983年，B.麦克林托克，发现转座子1989年，J.M.毕晓普、H.E.瓦慕斯，发现了原癌基因1993年，P.A.夏普、R.J.罗伯茨，断裂基因1995年，E.B.刘易斯、E.F.维绍斯、C.N.福尔哈德，控制早期胚胎发育的重要遗传机理2002年，悉尼·布雷内、约翰·苏尔斯顿和罗伯特·霍维茨，器官发育和程序性细胞死亡过程中的基因调节2006年，安德鲁·法尔和克雷格·梅洛，在SiRNA干扰、双链RNA引发的基因沉默2007年，马里奥·卡佩基、奥利弗·史密斯和马丁·埃文斯，胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组方面的系列突破性发现

人类基因组学--认识基因功能基因组学--阐明基因的功能蛋白质组学--基因编码产物的结构与功能基因诊断--预防疾病的传递基因药物--发现新的治疗药物基因治疗--治疗遗传性疾病角膜环状皮样瘤是一种先天性角膜良性肿瘤，呈常染色体显性遗传。共有4代，57人，患者21人中国湖南角膜环状皮样瘤家系图123PITX2——是一个转录调控因子，与发育相关，有重要的功能XiaK,etal.JMedGenet(2004,41(12):e129)生物芯片的应用DNA芯片：基因分型GWAS，连锁分析全基因组甲基化基因表达肿瘤与正常组织或细胞的基因表达差异；外源性表达某基因后，细胞内表达谱的改变……….利用生物芯片进行全基因组关联分析（GWAS）

——用于复杂疾病研究人群大样本量，多中心合作多基因疾病的GWAS研究的样本量大致要求:初筛样本：≥500（病例）:500（对照）;验证样本：≥

1000（病例）:1000（对照）；选择tagSNPs标记单体型在病例-对照人群间比较SNPs等位基因频率全基因组关联统计分析，得出有意义的SNPs另外选择独立的病例-对照人群对初筛阶段的结果进行验证全基因组关联分析HapMap计划初筛阶段重复验证阶段利用芯片对所有tagSNPs进行基因分型二代测序454、Solexa、SOLID1人.周三代测序…….超低成本分子诊断与产前诊断

分子诊断例：镰状红细胞贫血症的检测一种常染色体退化遗传病引起原因：基因的点突变，丢失了可被MstII或Cvnl切开的一个限制性内切酶位点。正常：二条带患病：一条带子女1：正常子女2：患病子女3：携带者产前诊断羊水和胎盘绒毛膜检测各种蛋白质功能的正常是各细胞器行使功能的基础疾病的发生本质上是蛋白质功能的改变基因功能的研究策略免疫染色（荧光、组化）LRRK2在小鼠脑中的神经解剖学分布

利用GFP或RFP融合蛋白来进行定位研究激光显微镜下野生型GJB3形成的细胞间隙连接通道内毛细胞外毛细胞顶部免疫组化表明野生型GJB3精确表达于耳蜗内毛细胞、外毛细胞顶部和蜗神经节蜗神经节耳蜗盖膜研究实例：神经性耳聋致病基因GJB3的功能研究

GJB3耳聋错义和无义突变体分别定位于细胞高尔基体(Golgi)和内质网(ER)上，不能被正常组装、也不能被转运到细胞膜上形成间隙连接通道***WTE183KR180X染料(姜黄素Luciferyellow)转移实验证明GJB3耳聋突变体不能形成功能性间隙连接通道WTE183KR180XGolgiER间隙连接形形色色的转基因动物；荧光鼠，荧光观赏鱼，荧光猪InhibitionofAPPProcessingandAmyloidPlaqueFormationandRescuingLearningandMemoryDeficit

InTheMutantAPP-PS1DoubleTransgenicMice研究实例RNA干扰（RNAinterference）一些小的双链RNA（dsRNA）可以高效、特异的阻断体内特定基因表达，促使mRNA降解，诱使细胞表现出特定基因缺失的表型，称为RNA干扰。RNAi建立动物模型

AndrewZ.Fire,PhD2001年，RNAi技术被Science评为2001年十大科技进展之首。2006年，RNAi现象的发现者AndrewFire与CraigMello荣获当年Nobel生理与医学奖。研究实例：建立了1个帕金森病果蝇模型，开展了治疗药物的筛选研究dPINK1RNAi8-c2/gmrhPINK1F-c2,dPINK1RNAi8-c2/gmrdPINK1RNAi8-c2,dPINK1RNAi15-c1/gmrhPINK1F-c2,dPINK1RNAi8-c2,dPINK1RNAi15-c1/gmrc100u1000uc20µg200µgSOD1VitE基因工程是指在微观领域（分子水平）中，根据分子生物学和遗传学原理，设计并实施一项把一个生物体中有用的目的DNA(遗传信息)转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物，最终实现该技术的商业价值。基因工程基因工程与建筑工程

稀少珍贵的蛋白质药物1982年，美国食品与药物管理局批准了首例基因工程产品—人胰岛素投放市场——它标志了基因工程产品正式进入到商业化阶段。人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、a-干扰素、纤维素酶、抗血友病因子、红细胞生成素、尿激酶原、白细胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等等

畜牧业中的应用动物疫苗、生长激素等例：从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA

种植业中的应用抗化学除草剂基因转基因西红柿固氮酶基因人类DNA……

环境保护等等克隆技术1