第二章医学遗传学-基因

1、第二章 基因,基础医学院医学遗传学教研室 周 万 军,周万军 湖南 湘潭人 19871990 湖南邵阳卫校 检验中专 19902002 湖南湘潭市中心医院检验科 1996- 1999 湖南医专 检验大专（成教） 19992002 湖南医科大学 检验本科（成教） 20022005 中南大学湘雅医学院 免疫学硕士 2005- 2007 南方医科大学医学遗传学教研室 南方医院产前诊断和遗传病诊断技术中心 2007 南方医科大学医学遗传学教研室 博士研究生 研究方向：遗传病的分子诊断、临床检验诊断学 电话office)M） QQ: 2470864

2、E-mail：zhouwanjun72,遗传因子假说 (Hypothesis of the inherited factor),G. J. Mendel 1866.,生物性状由遗传因子控制,亲代传给子代的是遗传因子(A,a.),遗传因子在体细胞内成双(AA,aa), 在生殖细胞内为单（A,a）,杂合子后代体细胞内具有成双的 遗传因子(Aa),等位的遗传因子独立分离, 非等 位遗传因子间自由组合地分配到 配子中,“基因”(Gene) 一词的创立,1909年，丹麦遗传学家约翰逊 。 替代 Mendel早年所提出的遗传因子(genetic factor)一词，并创立了基因型(genotype)和表现

3、型(phenotype)的概念。,Morgan等证明基因位于染色体上，呈线形排列 因其卓越工作，荣获1933年度诺贝尔奖,基因象链珠一样，孤立地呈线状地排列在染色体上,功能(functional unit) 突变(mutation unit) 交换(cross-over unit),“三位一体”的 (Three in one),最小的 不可分割的 基本的,遗传单位,基因化学本质以及功能的认识,一个功能单位：控制单位性状,一个突变单位：可以突变为不同等 位形式,一个重组单位: 基因之间发生重组,基因,遗传物质是核酸 DNA or RNA,遗传物质必须具备的基本特点:,必须能稳定地含有关于有机体细

4、胞结构、功能、发育和繁殖的各种信息 必须能精确复制，使后代细胞和亲代细胞具有相同的遗传信息 必须能变异，如果没有变异，就不会有进化,DNA作为遗传物质的优点 (自然选择的优势), 储存遗传信息量大,1953年，美国科学家沃森（J.D.Watson，1928）和英国科学家克里克（F.Crick，19162004），共同提出了DNA分子的双螺旋结构模型。,第一节 基因的结构和功能,DNA的分子结构与组成 DNA存在的形式 基因及其结构 多基因家族和假基因,脱氧 核糖,碱基,磷酸,脱氧核苷酸,组成DNA的基本单位,一、DNA的分子结构与组成,脱氧核苷酸的种类,一、DNA的分子结构与组成,(一）DNA

5、分子的一级结构 (DNA sequence),1、多聚核苷酸链 主链是核糖和磷酸 侧链为碱基,由3,5磷酸二酯键连接,2、链的方向 同一个磷酸基的3酯键到5酯键的方向 (53),5-UCAGGCUA-3 = UCAGGCUA 默认书写顺序53,一、DNA的分子结构与组成,DNA的双螺旋结构,每一单链具有 5 3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,一、DNA的分子结构与组成,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,（1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷

6、酸长链盘旋成双螺旋结构。,（2） DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基在内侧。,（3）两条链上的碱基通过氢键连结起来，形成碱基对，且遵循碱基互补配对原则。,DNA分子的结构特点,）,一、DNA的分子结构与组成,DNA分子的特点,多样性：,一个最短的DNA分子也有4000个碱基对，可能的排列方式就有44000种。,特异性：,不同的生物，碱基对的数目可能不同，碱基对的排列顺序肯定不同。,稳定性：,中的脱氧核糖和磷酸交替连接的方式不变，两条链间碱基互补配对的原则不变。（即结构的稳定性）,DNA分子碱基对的排列顺序千变万化。,特定的DNA分子具有特定的碱基排列顺序。,4

7、n(n表示碱基对数),一、DNA的分子结构与组成,如tRNA, 各种酶基因等,单拷贝序列,(single copy sequence, 1-3 copies),低等真核生物 10-20% 高等植物 80% 高等动物 50%,多为结构基因,repetitive sequence,二、DNA存在的形式,高度重复顺序,卫星DNA（satellite DNA）,大卫星DNA，总长度100kb几个Mb 小卫星DNA，串联的短片段重复序列（TTAGGGG)n 微卫星DNA，以(AC)n和(TG)n为重复单位,反向重复序列,两个顺序相同的互补拷贝在DNA链上呈反向排列。 1、两个反向排列的拷贝之间隔着一段间

8、隔顺序如： 5AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3 3TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5 2、两个拷贝反向串联在一起，也称为回文结构。,二、DNA存在的形式,短散在核元件（short interspersed nuclear elements SINEs), 主要是Alu重复序列家族。序列中有限制酶Alu的酶切位点（AGCT）而得名。重复次数3050万，散在分布于基因组中，与基因表达调控有关。 长散在核元件（long interspersed nuclear elements,LINEs):Kpn重复顺序。,高度重复顺序,二、DNA存在的形式,三、基因及其结构

9、,（一）基因的分子生物学定义,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。,（二）断裂基因,割裂基因：真核生物的结构基因是断裂基因，由编码的外显子和非编码的内含子组成，二者相间排列。 外显子Exon ：基因中编码的序列，与mRNA的序列相对应。 内含子Intron ：基因中不编码的序列。,单一基因 solitary gene 基因家族 gene family 假基因 pseudogene 串联重复基因 tandemly repeated genes /基因簇 genes cluster,三、基因及其结构,基因的种类,真核生物结

10、构基因(structural gene)构成示意图,英国科学家罗伯茨Richard J. Roberts 和美国科学家夏普Phillip A. Sharp因发现断裂基因而共同获得1993年度诺贝尔生理学或医学奖,多基因家族（multigene famly）,由一个祖先基因经过重复和变异所形成的一组基因 特点：微小差别，行使相同功能。 分布：一条染色体上 或 几条不同的染色体上,四、多基因家族和假基因,基因簇（Gene cluster）一个基因产生多次拷贝，顺序几乎相同，成簇地排列在一条染色体上，形成一个基因簇。同时发挥作用，合成某些蛋白。如人HLA系统，7个连锁基因座位分布于6p 。 ABCD

11、DRDQDP,四、多基因家族和假基因,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。Chr:16 51213 珠蛋白基因簇，6个相关基因，1700bp。Chr:11 5A/G1-3,多基因家族（multigene famly）,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：,四、多基因家族和假基因,5121 3,5A/G1-3,第二节 基因的复制与表达,基因复制 基因表达,1、半保留复制：子代DNA双链中的一条来自亲代，另

12、一条是新合成的 2、复制的半不连续性,一、基因的复制,转录：以DNA为模板，在RNA聚合酶作用下合成RNA的过程,二、基因表达,转录 生物体以DNA的一条链为模板，以NTP为原料合成RNA的过程,转录,二、基因表达,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,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,二、基因表达,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

13、子连接,成熟mRNA,mRNA的剪接,一、基因表达,5加帽,pi,5pppG,磷酸酶,ppi,5pG,pppG,5GpppG,甲基化酶,CH3,mGpppG,O,H,O,H,帽,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,一、基因表达,3加尾,AAUAAA,AAAAAAAAA.,加尾,AATAAA,GTGTGTG,-,AAUAAA,GUGUGUG,AAUAAA,GUGUGUG,酶切,转

14、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,一、基因表达,遗传信息流动的细胞学定位,二、基因表达,mRNA与遗传密码 遗传密码（genetic code)-共64个遗传密码 （DNA）mRNA 5AUG UCC ACC GUA UAA 3 蛋白质 Ser Thr Val 三联体= 一个密码子/暗码子/一个氨基酸 起始密码-AUG 终止密码-UAA/UGA/UAG,二、基因表达,生命的奥秘蕴藏于 “四字天书”之中 Secrets in the “4 Letter Book” of Life,GCTTCTTCCTCATTTTCTCTTGCCGCCAC

15、CATGCCGCCACCA TCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCTTCTTCCTCATTTTCTCT CCACCATGCCGCCACCACGCCACCATGCTTCTTCCTCATCTC GCTTTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCGCTTCTTCCtTCTCT,Uniform is beautiful!,基因突变,（不能遗传的变异）,（遗传的变异）,（改变）,（改变）,（改变）,生物的变异性状,白化病患者,短腿安康羊（右）,鹦鹉体色的变异,基因突变概说,突变(mutation)：包括基因突变和染色体畸变 基因突变(gene mutation)：是指DNA分子中的核苷

16、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。,基因突变的类型,根据诱发的原因，基因突变可分为以下两个类型,自发突变或自然突变(spontaneous mutation)：在没有人工特设的诱变条件下，由外界环境的自然作用或生物体内的生理和生化变化而发生的突变。突变频率很低。 诱发突变(induced mutation)：人工运用物理、化学或生物的方法所诱导的突变。突变频率大大提高。,基因突变的类型,形态突变（morphological mutation） 致死突变（lethal mutation） 条件致死突变（conditional let

17、hal mutation) 生化突变（biochemical mutation),根据突变引起的表型特征，可将突变分为,形态突变(morphological mutation)，是泛指能造成外形改变的突变。 普通绵羊的四肢有一定的长度，但安康羊（Ancon sheep）的四肢很短，这类突变可在外观上看到，称为可见突变（visible mutations）,基因突变的类型,生化突变(biochemical mutation) ：突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特定生化功能的改变或丧失。 例：链孢霉的氨基酸突变型某种氨基酸才能生长,致死突变（lethal mutation）：突变主要影响其生活

18、力，导致个体死亡。 显性致死：杂合态即有致死。 隐性致死：纯合态才有致死。,基因突变的类型,条件致死突变（conditional lethal mutation)：指在一定条件下表现致死效应，而在其它条件下可以存活的突变。 例如：噬菌体T4的温度敏感突变型在25时能在E.coli宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在42时就不能这样。,生殖细胞突变(germinal mutation) 体细胞突变(somatic mutation) 称为突变体（mutant）：携带突变Gene的细胞或个体。 称为野生型（Wild type）：未突变Gene的细胞或个体。,另外几个基本概念,辐射诱变 紫外线：引起DN

19、A同一条链上的相邻的两个嘧啶碱基共价结合，形成嘧啶二聚体。T=T 电离辐射：引起染色体断裂而产生缺失 化学诱变 碱基类似物:渗入到新合成的子链中，引起碱基的转换 5-溴尿嘧啶(5-BU，与T相似)，2-氨基嘌呤(2-AP，与嘌呤碱基相似) 碱基修饰剂：对碱基进行化学修饰，引起转换。亚硝酸等 DNA插入剂:诱发移码突变。吖啶类染料等,诱发突变的分子机制,突变的分子基础 碱基替换(base substitution) 移码突变(frameshift mutation) 动态突变(dynamic mutation),碱基替换(base substitution) 一种碱基被另一种碱基替换，又叫点突变

20、(point mutation)。有两种形式： 转换(transition)：DNA分子中一个嘌呤被另一个嘌呤替代或一个嘧啶被另一个嘧啶所替代。AG或TC 颠换(transversion)：DNA分子中一个嘌呤被嘧啶替代或一个嘧啶被嘌呤所替代。AT，AC，GT，GC,转换：嘌呤 嘌呤，嘧啶 嘧啶 颠换：嘌呤 嘧啶,突变种类,碱基替换的三类遗传学效应 同义突变(samesense mutation)：碱基替换后的密码子仍然编码同一氨基酸的突变，不影响蛋白质的正常功能。 错义突变(missense mutation)：碱基替换使一种氨基酸的密码子改变为另外一种氨基酸的密码子的突变。氨基酸序列的改变

21、可能使蛋白质失活、部分失活或不影响其正常功能。 无义突变(nonsense mutation)：编码氨基酸的密码子改变为终止密码子的突变。使蛋白质合成提前终止，可能产生无功能的蛋白质。,移码突变(frameshift mutation) 在阅读框内增加或减少一个或几个碱基（不是3或3的倍数），使这一位点后的密码顺序发生改变，最后导致多肽链的氨基酸顺序发生改变。主要有以下两种情况： 缺失突变(deletion mutation)： 缺失了一个大的DNA片段 插入突变(insertion mutation)： 插入了一个大的DNA片段,突变种类,动态突变,邻近基因或位于基因序列中的三核苷酸重复拷贝

22、数,在一代代传递过程中会发生明显的增加，如(CGG)n、(CAG)n等，从而使（导致）某些遗传病的发病。 该突变可遗传并产生表型效应引起疾病,多为神经系统疾病。 代表疾病：Hutington舞蹈病(CAG)n、强直性肌营养不良,脆性X综合征(CCG)n。,突变种类,同义突变,同义突变（Synonymous mutation）：由于密码子具有兼并性，单个碱基置换后密码子所编码的是同一种氨基酸 ，表型不改变。 正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 同义突变 AGT CAG CAG

23、 CAG TTT TTG CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro,突变的分子生物学效应,错义突变,错义突变（Missense mutation ）：DNA分子中的碱基置换后，形成新的密码子，从而导致所编码的氨基酸发生改变，产生活性降低、无活性或无功能的蛋白质。 正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 错义突变 AGT CAG CAG CAG TTT TCA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln G

24、ln Phe Ser Arg Asn Pro,突变的分子生物学效应,无义突变,无义突变（nonsense mutation）：是指DNA中碱基被置换后，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 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 无义突变 AGT CAG CAG CAG TTT TGA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe 终止Arg Asn Pro,

25、突变的分子生物学效应,终止密码突变 termination codon mutation,当DNA分子中的一个终止密码发生突变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，称延长突变（elongation M）。,突变的分子生物学效应,移码突变,DNA编码序列中插入（增加）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，称为移码突变。 正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 移码突变（一个碱基缺失)