第二章醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)-基因

1、第二章 基因,基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)教研室周 萬 軍,周萬軍 湖南 湘潭人1987－1990 湖南邵陽衛(wèi)校 檢驗中專1990－2002 湖南湘潭市中心醫(yī)院檢驗科1996- 1999 湖南醫(yī)專 檢驗大專（成教）1999－2002 湖南醫(yī)科大學(xué) 檢驗本科（成教）2002－2005 中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院 免疫學(xué)碩士

2、2005- 2007 南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)教研室 南方醫(yī)院產(chǎn)前診斷和遺傳病診斷技術(shù)中心2007－ 南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)教研室 博士研究生研究方向：遺傳病的分子診斷、臨床檢驗診斷學(xué)電話：020-61648510(office) 13416424666（M）QQ: 2470864 E-mail：zhouwanjun72@163.com,遺傳因子假說 (Hypothesis of the

3、inherited factor),G. J. Mendel 1866.,生物性狀由遺傳因子控制,親代傳給子代的是遺傳因子(A,a….),遺傳因子在體細胞內(nèi)成雙(AA,aa), 在生殖細胞內(nèi)為單（A,a）,雜合子后代體細胞內(nèi)具有成雙的 遺傳因子(Aa),等位的遺傳因子獨立分離, 非等 位遺傳因子間自由組合地分配到 配子中,“基因”(Gene) 一詞的

4、創(chuàng)立,1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜 。 替代 Mendel早年所提出的遺傳因子(genetic factor)一詞，并創(chuàng)立了基因型(genotype)和表現(xiàn)型(phenotype)的概念。,Morgan等證明基因位于染色體上，呈線形排列因其卓越工作，榮獲1933年度諾貝爾獎,基因象鏈珠一樣，孤立地呈線狀地排列在染色體上,功能(functional unit)突變(mutation unit) 交換(cross-over u

5、nit),“三位一體”的 (Three in one),最小的 不可分割的基本的,遺傳單位,基因化學(xué)本質(zhì)以及功能的認識,一個功能單位：控制單位性狀,一個突變單位：可以突變?yōu)椴煌?位形式,一個重組單位: 基因之間發(fā)生重組,基因,,遺傳物質(zhì)是核酸DNA or RNA,遺傳物質(zhì)必須具備的基本特點:,必須能穩(wěn)定地含有關(guān)于有機體細胞結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)育和繁殖的各種信息必須能精確復(fù)制，使后代細胞和親代細胞具有相同的遺傳信息必須能變異，如

6、果沒有變異，就不會有進化,DNA作為遺傳物質(zhì)的優(yōu)點 (自然選擇的優(yōu)勢),★ 儲存遺傳信息量大,1953年，美國科學(xué)家沃森（J.D.Watson，1928—）和英國科學(xué)家克里克（F.Crick，1916—2004），共同提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。,第一節(jié) 基因的結(jié)構(gòu)和功能,DNA的分子結(jié)構(gòu)與組成DNA存在的形式基因及其結(jié)構(gòu)多基因家族和假基因,脫氧核糖,堿基,磷酸,,,脫氧核苷酸,組成DNA的基本單位,一、DNA

7、的分子結(jié)構(gòu)與組成,脫氧核苷酸的種類,一、DNA的分子結(jié)構(gòu)與組成,(一）DNA分子的一級結(jié)構(gòu) (DNA sequence),1、多聚核苷酸鏈 主鏈是核糖和磷酸 側(cè)鏈為堿基,由3’,5’磷酸二酯鍵連接,2、鏈的方向 同一個磷酸基的3’酯鍵到5’酯鍵的方向 (5’→3’),,,5’-UCAGGCUA-3’= UCAGGCUA默認書寫順序5‘→3’,一、DNA的分子結(jié)構(gòu)與組成,DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu),每一單鏈具有 5’

8、 →3’極性，兩條單鏈極性相反,反向平行兩條單鏈間形成A-T,G-C堿基對，以氫鍵連接以中心為軸，向右盤旋,直徑2nm，螺距3.4nm雙螺旋中存在大、小溝,一、DNA的分子結(jié)構(gòu)與組成,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,

9、C,A,T,,,,,,,,,C,,,,,,,,,,,,,（1）DNA分子是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)。,（2） DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架；堿基在內(nèi)側(cè)。,（3）兩條鏈上的堿基通過氫鍵連結(jié)起來，形成堿基對，且遵循堿基互補配對原則。,DNA分子的結(jié)構(gòu)特點,,）,一、DNA的分子結(jié)構(gòu)與組成,DNA分子的特點,②多樣性：,一個最短的DNA分子也有4000個堿基對，可能的排列方式就有4400

10、0種。,③特異性：,不同的生物，堿基對的數(shù)目可能不同，堿基對的排列順序肯定不同。,①穩(wěn)定性：,ＤＮＡ中的脫氧核糖和磷酸交替連接的方式不變，兩條鏈間堿基互補配對的原則不變。（即結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性）,DNA分子堿基對的排列順序千變?nèi)f化。,特定的DNA分子具有特定的堿基排列順序。,4n(n表示堿基對數(shù)),一、DNA的分子結(jié)構(gòu)與組成,如tRNA, 各種酶基因等,單拷貝序列,(single copy sequence, 1-3 copies),低等真核

11、生物 10-20% 高等植物 80% 高等動物 50%,多為結(jié)構(gòu)基因,repetitive sequence,,二、DNA存在的形式,高度重復(fù)順序,衛(wèi)星DNA（satellite DNA）,大衛(wèi)星DNA，總長度100kb－幾個Mb小衛(wèi)星DNA，串聯(lián)的短片段重復(fù)序列（TTAGGGG)n微衛(wèi)星DNA，以(AC)n和(TG)n為重復(fù)單位,反向重復(fù)序列,兩

12、個順序相同的互補拷貝在DNA鏈上呈反向排列。1、兩個反向排列的拷貝之間隔著一段間隔順序如： 5`AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3` 3`TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5` 2、兩個拷貝反向串聯(lián)在一起，也稱為回文結(jié)構(gòu)。,二、DNA存在的形式,短散在核元件（short interspersed nuclear elements SINEs), 主要是A

13、lu重復(fù)序列家族。序列中有限制酶Alu的酶切位點（AGCT）而得名。重復(fù)次數(shù)30－50萬，散在分布于基因組中，與基因表達調(diào)控有關(guān)。長散在核元件（long interspersed nuclear elements,LINEs):KpnⅠ重復(fù)順序。,高度重復(fù)順序,二、DNA存在的形式,三、基因及其結(jié)構(gòu),（一）基因的分子生物學(xué)定義,基因：是編碼RNA或一條多肽鏈所必需的全部核酸序列（通常指DNA序列）。包括編碼序列、兩側(cè)的側(cè)翼序列及插入序

14、列。,（二）斷裂基因,割裂基因：真核生物的結(jié)構(gòu)基因是斷裂基因，由編碼的外顯子和非編碼的內(nèi)含子組成，二者相間排列。外顯子Exon ：基因中編碼的序列，與mRNA的序列相對應(yīng)。內(nèi)含子Intron ：基因中不編碼的序列。,單一基因 solitary gene基因家族 gene family假基因 pseudogene串聯(lián)重復(fù)基因 tandemly repeated genes/基因簇 genes cluster,三、基因及其結(jié)構(gòu)

15、,基因的種類,,真核生物結(jié)構(gòu)基因(structural gene)構(gòu)成示意圖,英國科學(xué)家羅伯茨Richard J. Roberts 和美國科學(xué)家夏普Phillip A. Sharp因發(fā)現(xiàn)斷裂基因而共同獲得1993年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎,多基因家族（multigene famly）,由一個祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異所形成的一組基因特點：微小差別，行使相同功能。分布：一條染色體上 或 幾條不同的染色體上,四、多基因家族和假基因,基因簇（G

16、ene cluster）一個基因產(chǎn)生多次拷貝，順序幾乎相同，成簇地排列在一條染色體上，形成一個基因簇。同時發(fā)揮作用，合成某些蛋白。如人HLA系統(tǒng)，7個連鎖基因座位分布于6p 。 A—B—C—D—DR—DQ—DP,四、多基因家族和假基因,一個多基因家族中不同成員成簇分布于幾條不同的染色體上，編碼一組關(guān)系密切的蛋白。如：α珠蛋白基因簇，5個相關(guān)基因，長800bp。Chr:16 5’—ζ—ψζ—ψα

17、1—α2—α1—3’β珠蛋白基因簇，6個相關(guān)基因，1700bp。Chr:11 5’—ε—Aγ/Gγ—ψβ1—δ--β—3’,多基因家族（multigene famly）,假基因（pseudogene）,在多基因家族中，某些成員在進化過程中獲得一個或多個突變而喪失了產(chǎn)生蛋白產(chǎn)物的能力，這類基因稱為假基因。 如：,四、多基因家族和假基因,5’—ζ—ψζ—ψα1—α2—α1 —3’,5’—ε—Aγ/Gγ—ψβ1—δ--β—

18、3’,第二節(jié) 基因的復(fù)制與表達,基因復(fù)制基因表達,1、半保留復(fù)制：子代DNA雙鏈中的一條來自親代，另一條是新合成的2、復(fù)制的半不連續(xù)性,一、基因的復(fù)制,轉(zhuǎn)錄：以DNA為模板，在RNA聚合酶作用下合成RNA的過程,二、基因表達,轉(zhuǎn)錄生物體以DNA的一條鏈為模板，以NTP為原料合成RNA的過程,,轉(zhuǎn)錄,二、基因表達,5′···GCAGTACATGTC ···3′,3′

19、3;·· c g t g a t g t a c a g ···5′,,5′···GCAGUACAUGUC ···3′,,N······Ala · Val · His · Val ·····

20、;·C,編碼鏈,模板鏈,mRNA,蛋白質(zhì),轉(zhuǎn)錄,翻譯,轉(zhuǎn)錄后修飾：剪接、戴帽、加尾翻譯：mRNA指導(dǎo)下，蛋白質(zhì)的生物合成,二、基因表達,,外顯子,,內(nèi)含子,,,,,DNA,,mRNA,轉(zhuǎn)錄,形成套索RNA，外顯子靠近,剪接體,,去除套索RNA，外顯子連接,成熟mRNA,mRNA的剪接,一、基因表達,5’加帽,pi,5’pppG…,,磷酸酶,,ppi,5’pG…,,,pppG,5’GpppG…,,甲基化酶,＋CH3,mGppp

21、G…,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,,

22、,甲基鳥苷5’，5’-三磷酸,一、基因表達,3’加尾,,AAUAAA,AAAAAAAAA……….,加尾,,,,,,,AATAAA,GTGTGTG,-----,,AAUAAA,GUGUGUG,AAUAAA,GUGUGUG,,,酶切,轉(zhuǎn)錄的終止,,加尾信號,,GC豐富序列,,polyA尾（約20～200個A）,A,A,A,A,A,A,,一、基因表達,遺傳信息流動的細胞學(xué)定位,二、基因表達,mRNA與遺傳密碼遺傳密碼（genetic cod

23、e)-共64個遺傳密碼 （DNA）mRNA 5’AUG UCC ACC GUA UAA 3’ 蛋白質(zhì) Ser Thr Val三聯(lián)體= 一個密碼子/暗碼子/一個氨基酸起始密碼----AUG終止密碼----UAA/UGA/UAG,二、基因表達,生命的奧秘蘊藏于 “四字天書”之中Secrets in the “4 Letter Book” of Life,,,,,,,…GCTTCTTCCTCATTTTCTC

24、TTGCCGCCACCATGCCGCCACCA TCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCTTCTTCCTCATTTTCTCT CCACCATGCCGCCACCACGCCACCATGCTTCTTCCTCATCTC GCTTTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCGCTTCTTCCtTCTCT…,Uniform is beautiful!,基因突變,,（不能遺傳的變異）,（遺傳的變異）,（

25、改變）,（改變）,（改變）,生物的變異性狀,白化病患者,短腿安康羊（右）,鸚鵡體色的變異,基因突變概說,突變(mutation)：包括基因突變和染色體畸變基因突變(gene mutation)：是指DNA分子中的核苷酸順序發(fā)生改變，使遺傳密碼編碼產(chǎn)生相應(yīng)的改變，導(dǎo)致組成蛋白質(zhì)的氨基酸發(fā)生變化，以致引起表型的改變。,基因突變的類型,根據(jù)誘發(fā)的原因，基因突變可分為以下兩個類型,自發(fā)突變或自然突變(spontaneous mutation)

26、：在沒有人工特設(shè)的誘變條件下，由外界環(huán)境的自然作用或生物體內(nèi)的生理和生化變化而發(fā)生的突變。突變頻率很低。誘發(fā)突變(induced mutation)：人工運用物理、化學(xué)或生物的方法所誘導(dǎo)的突變。突變頻率大大提高。,基因突變的類型,形態(tài)突變（morphological mutation）致死突變（lethal mutation）條件致死突變（conditional lethal mutation)生化突變（biochemical

27、mutation),根據(jù)突變引起的表型特征，可將突變分為,形態(tài)突變(morphological mutation)，是泛指能造成外形改變的突變。 普通綿羊的四肢有一定的長度，但安康羊（Ancon sheep）的四肢很短，這類突變可在外觀上看到，稱為可見突變（visible mutations）,基因突變的類型,生化突變(biochemical mutation) ：突變主要影響生物的代謝過程，導(dǎo)致一個特定生化功能的改變

28、或喪失。例：鏈孢霉的氨基酸突變型＋某種氨基酸才能生長,致死突變（lethal mutation）：突變主要影響其生活力，導(dǎo)致個體死亡。 顯性致死：雜合態(tài)即有致死。 隱性致死：純合態(tài)才有致死。,,基因突變的類型,條件致死突變（conditional lethal mutation)：指在一定條件下表現(xiàn)致死效應(yīng)，而在其它條件下可以存活的突變。例如：噬菌體T4的溫度敏感突變型在25℃時能在E.coli宿主中正常生長

29、，形成噬菌斑，但在42℃時就不能這樣。,生殖細胞突變(germinal mutation)體細胞突變(somatic mutation)稱為突變體（mutant）：攜帶突變Gene的細胞或個體。稱為野生型（Wild type）：未突變Gene的細胞或個體。,另外幾個基本概念,輻射誘變 紫外線：引起DNA同一條鏈上的相鄰的兩個嘧啶堿基共價結(jié)合，形成嘧啶二聚體。T=T 電離輻射：引起染色體斷裂而產(chǎn)生缺失化學(xué)誘變 堿基

30、類似物:滲入到新合成的子鏈中，引起堿基的轉(zhuǎn)換 5-溴尿嘧啶(5-BU，與T相似)，2-氨基嘌呤(2-AP，與嘌呤堿基相似) 堿基修飾劑：對堿基進行化學(xué)修飾，引起轉(zhuǎn)換。亞硝酸等 DNA插入劑:誘發(fā)移碼突變。吖啶類染料等,誘發(fā)突變的分子機制,突變的分子基礎(chǔ)堿基替換(base substitution)移碼突變(frameshift mutation)動態(tài)突變(dynamic mutation),堿基替換(base sub

31、stitution)一種堿基被另一種堿基替換，又叫點突變(point mutation)。有兩種形式：轉(zhuǎn)換(transition)：DNA分子中一個嘌呤被另一個嘌呤替代或一個嘧啶被另一個嘧啶所替代。A>G或T>C顛換(transversion)：DNA分子中一個嘌呤被嘧啶替代或一個嘧啶被嘌呤所替代。A>T，A>C，G>T，G>C,轉(zhuǎn)換：嘌呤 嘌呤，嘧啶 嘧啶 顛換：嘌呤

32、 嘧啶,,,,突變種類,堿基替換的三類遺傳學(xué)效應(yīng)同義突變(samesense mutation)：堿基替換后的密碼子仍然編碼同一氨基酸的突變，不影響蛋白質(zhì)的正常功能。錯義突變(missense mutation)：堿基替換使一種氨基酸的密碼子改變?yōu)榱硗庖环N氨基酸的密碼子的突變。氨基酸序列的改變可能使蛋白質(zhì)失活、部分失活或不影響其正常功能。無義突變(nonsense mutation)：編碼氨基酸的密碼子改變?yōu)榻K止密碼子的突變。

33、使蛋白質(zhì)合成提前終止，可能產(chǎn)生無功能的蛋白質(zhì)。,移碼突變(frameshift mutation) 在閱讀框內(nèi)增加或減少一個或幾個堿基（不是3或3的倍數(shù)），使這一位點后的密碼順序發(fā)生改變，最后導(dǎo)致多肽鏈的氨基酸順序發(fā)生改變。主要有以下兩種情況：缺失突變(deletion mutation)： 缺失了一個大的DNA片段插入突變(insertion mutation)： 插入了一個大的

34、DNA片段,突變種類,動態(tài)突變,鄰近基因或位于基因序列中的三核苷酸重復(fù)拷貝數(shù),在一代代傳遞過程中會發(fā)生明顯的增加，如(CGG)n、(CAG)n等，從而使（導(dǎo)致）某些遺傳病的發(fā)病。該突變可遺傳并產(chǎn)生表型效應(yīng)——引起疾病,多為神經(jīng)系統(tǒng)疾病。代表疾?。篐utington舞蹈病(CAG)n、強直性肌營養(yǎng)不良,脆性X綜合征(CCG)n。,突變種類,同義突變,同義突變（Synonymous mutation）：由于密碼子具有兼并性，單個堿基置換

35、后密碼子所編碼的是同一種氨基酸 ，表型不改變。正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG … DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 同義突變 AGT CAG CAG CAG TTT TTG CGT AAC CCG … DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn P

36、ro,,突變的分子生物學(xué)效應(yīng),錯義突變,錯義突變（Missense mutation ）：DNA分子中的堿基置換后，形成新的密碼子，從而導(dǎo)致所編碼的氨基酸發(fā)生改變，產(chǎn)生活性降低、無活性或無功能的蛋白質(zhì)。正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG … DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 錯義突變 AGT CAG

37、CAG CAG TTT TCA CGT AAC CCG … DNA Met Gln Gln Gln Phe Ser Arg Asn Pro,,突變的分子生物學(xué)效應(yīng),無義突變,無義突變（nonsense mutation）：是指DNA中堿基被置換后，使編碼一個氨基酸的密碼子變?yōu)椴痪幋a任何氨基酸的終止密碼（UAA、UAG、UGA），肽鏈合成提前終止，產(chǎn)生短的、沒有活性的多肽片段。正常 AGT CAG C

38、AG CAG TTT TTA CGT AAC CCG … DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 無義突變 AGT CAG CAG CAG TTT TGA CGT AAC CCG … DNA Met Gln Gln Gln Phe 終止Arg Asn Pro,,突變的分子生物學(xué)效應(yīng),終止密碼突變 termination codon mutation,當DNA分子中

39、的一個終止密碼發(fā)生突變———編碼氨基酸的密碼子，使多肽鏈的合成繼續(xù)進行下去，一直延長至下一個終止密碼子時停止，產(chǎn)生延長的異常多肽鏈，稱延長突變（elongation M）。,突變的分子生物學(xué)效應(yīng),移碼突變,DNA編碼序列中插入（增加）或缺失一個或幾個堿基，其下游閱讀框發(fā)生改變，導(dǎo)致氨基酸順序及蛋白質(zhì)異?；驘o活性，稱為移碼突變。正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG

40、… DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 移碼突變（一個堿基缺失) AGT CAG CAG CAG TTT TAC GTA ACC CGT …DNA Met Gln Gln Gln Phe Tyr Val Thr Arg,,,loss,突變的分子生物學(xué)效應(yīng),整碼突變,是指DNA鏈的密碼之間插入或缺失一個或幾個密碼子，導(dǎo)致肽鏈增加了或減少一個或幾個氨基酸，但

41、插入或缺失點以后的氨基酸序列不變，稱整碼突變(codon mutation)或稱密碼子插入或缺失。正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG … DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 插入一個密碼子 AGT CAG CAG CAG TTT CAG TTA CGT AAC CCG …DNA M

42、et Gln Gln Gln Phe Gln Leu Arg Asn Pro 缺失2個密碼子 AGT CAG CAG CAG TTT AAC CCG …DNA Met Gln Gln Gln Phe Asn Pro,,插入,,缺失,突變的分子生物學(xué)效應(yīng),正常 AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG … DNA Met Gln Gln Gln Ph

43、e Leu Arg Asn Pro AAs動態(tài)突變 （CAG三核苷酸重復(fù)） AGT CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG … DNA Met Gln Gln Gln Gln Gln Gln Gln Gln AAs,,,動態(tài)突變,,,正常人:n=6－50 多態(tài)受累個體:n.>50 copies 多者幾百－1000copies隨著世代傳遞長度增加