第八章遺傳和人類基因組計劃

1、第八章 遺傳與人類基因組計劃,遺傳學(xué)的發(fā)展,古代近代現(xiàn)代,,,,細胞遺傳學(xué)時期,,微生物遺傳學(xué)時期,,分子遺傳學(xué)時期,遺傳學(xué)的基本概念：,遺 傳：生物世代間的延續(xù) 變 異：生物個體間的差異 遺傳學(xué)：研究生物的遺傳與變異的學(xué)科,主要內(nèi)容:,基因在遺傳中的作用,生物的變異,基因的概念,一、 基因的概念,1.孟德爾遺傳因子2.基因位于染色體上3.DNA與染色體的關(guān)系4.從DNA到蛋白質(zhì)5.DNA與生物性狀,1.孟德爾

2、遺傳因子,,,,,,,2.基因位于染色體上,3.染色體與DNA的關(guān)系,,,,,,,,,,,4.從DNA到 蛋白質(zhì),DNA,前體RNA,mRNA,多肽鏈,5.DNA與性狀,二、基因在遺傳中的作用,1.基因與性狀2.常染色體上基因的遺傳3.性染色體上基因的遺傳4.性別決定5.性別畸形6.多基因遺傳,1.基因與性狀,顯性基因 顯性性狀隱性基因 隱性性狀致死基因

3、 致死作用,,,,性狀是由基因與環(huán)境共同作用的結(jié)果。,2.常染色體,人類耳垂 AA、Aa:有耳垂； aa:無耳垂,顯性基因的遺傳,2.常染色體,人類多指,顯性基因的遺傳,2.常染色體,軟骨發(fā)育不全癥,(UPI/ Bettmann News Photos),顯性基因的遺傳,2.常染色體,隱性基因的遺傳,白化病先天性聾啞先天性高度近視,,白化病遺傳,2.常染色體,隱性基因的遺傳,白化病先天性聾啞先天性高度近視,,白

4、化病,3. 性染色體,伴性遺傳：決定性狀的基因位于性染色體上.,Ｘ連鎖的顯性遺傳病抗維生素Ｄ性佝僂病,3. 性染色體,伴性遺傳：決定性狀的基因位于性染色體上,X連鎖的隱性遺傳——色盲,3. 性染色體,伴性遺傳：決定性狀的基因位于性染色體上,X連鎖的隱性遺傳——血友病,3. 性染色體,伴性遺傳：決定性狀的基因位于性染色體上,Y連鎖遺傳(限雄遺傳),人類的耳道長毛癥,3. 性染色體,從性遺傳:常染色體上的基因，表現(xiàn)受個體別的影響

5、。,人類的禿頂 男性顯性，女性隱性羊角 雄性顯性，雌性隱性,4.性別決定,性染色體決定性別。,ＸＹ型 雄性有兩個異型性染色體， 人類，哺乳動物，果蠅等ＺＷ型 雌性有兩個異型性染色體， 鳥類，蝴蝶等ＸＯ型 雄性只有Ｘ染色體，沒有Ｙ染色體。

6、 蝗蟲：雄性是１６＋Ｘ， 雌性是1６＋ＸＸ,4.性別決定,單倍體決定性別,蜜蜂雄性為單倍體(n),由未受精卵發(fā)育而來, 無父親雌性為二倍體(2n),由受精卵發(fā)育而來,4.性別決定,環(huán)境決定,珊瑚島魚 在30～40條左右的群體中,只有一條為雄性,當(dāng)雄性死后,由一條強壯的雌性轉(zhuǎn)變?yōu)樾坌?4.性別決定,基因決定性別,玉米雌雄同株 雌花序由Ba基

7、因控制; 雄花序由Ts基因控制;,5.性別畸形,性染色體與性別畸形,Klinefetter綜合癥(先天性睪丸發(fā)育不全) 外貌男性、睪丸萎縮、具有乳房、不育、低智商 身高>183 cm 染色體組成: 47, XXY 在男性不育中占1/100,5.性別畸形,性染色體與性別畸形,Klinefetter綜合癥(先天性睪丸發(fā)育不全),,5.性別畸形,性染色體與性別畸形

8、,Turner綜合癥（性腺發(fā)育不全） 外貌女性，個矮（1.3m左右），第二性征發(fā)育不良，原發(fā)性閉經(jīng)，肘外翻，盾狀胸，35%有心血管病，智力低下或正常。 染色體組成：45, X0,5.性別畸形,性染色體與性別畸形,Turner綜合癥（性腺發(fā)育不全）,,5.性別畸形,性染色體與性別畸形,XYY或多個Y個體 占男性的1/250～1/500，個高（1.80 m以上) ，外貌男性，病癥類似 47，XYY，智

9、力一般較低，性格粗暴，易沖動，生殖器官發(fā)育不良，多數(shù)不育，有人認為患者有反社會行為。,5.性別畸形,性染色體與性別畸形,XYY或多個Y個體,,5.性別畸形,性染色體與性別畸形,多X女性 表現(xiàn)為女性，眼距寬，外生殖器及第二性征多正常，有的月經(jīng)失調(diào)，類似21三體，智力發(fā)育遲緩。,5.性別畸形,基因與性別畸形,男性陰陽人 具有正常男性的染色體組成（46，XY)。外觀多呈女性，不育病因 雄性激素受體基

10、因突變,5.性別畸形,基因與性別畸形,女性陰陽人 第二性征多呈男性病因 基因突變導(dǎo)致雄性激素產(chǎn)生,6.多基因遺傳,數(shù)量性狀:其變異在一個群體中是連續(xù)的,6.多基因遺傳,數(shù)量性狀受環(huán)境的影響甚為明顯。環(huán)境引起的變異一般只表現(xiàn)于當(dāng)代，不能連續(xù)。遺傳變異是可以遺傳的。遺傳變異對數(shù)量性狀的作用，用遺傳率來表示： 遺傳變異

11、 遺傳率（%）= ------------------------------------------ X 100% 總變異（遺傳變異+環(huán)境變異）遺傳率高說明群體的變異主要是由遺傳變異引起的。,遺傳率,6.多基因遺傳,人類一些性狀與疾病的遺傳率,性狀 遺傳率 疾 病 群體發(fā)病率 遺 傳率

12、 （%） （%） （%）身高 81 唇裂+腭裂 0.17 76體重 78 糖尿病 0.2 75智商 80 精神分裂癥 1.0

13、80語言能力 68 哮喘 4 80計算能力 12 高血壓 4-8 62,,,,三、生物的變異,染色體的畸變基因突變,染色體的數(shù)量變異,無籽西瓜,染色體的數(shù)量變異,群體發(fā)病率1/650癥狀: 眼裂小，舌常外伸并有舌裂，掌紋異常，生長遲緩，智力低下病因：47（2n+1)，

14、21號染色體多一條,Down氏綜合癥（21三體）,染色體的數(shù)量變異,Down氏綜合癥（21三體）,,21三體，16歲及1歲的女孩,21三體，16歲及1歲的女孩,,Down氏綜合癥與母親年齡的關(guān)系,母親20歲時約2000新生兒中有一例患者；30歲前略有增加35歲以后約300例中有一個患者；40歲后100例中有一例；45歲后50例中有一例。,染色體的結(jié)構(gòu)變異,人類的貓叫綜合癥： 第5號染色體缺失（短臂缺失）患兒發(fā)

15、出咪咪聲，耳位低下，智商僅20～40。發(fā)病率：1：50，000,貓叫綜合癥：,,基因突變,基因的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，編碼氨基酸的DNA堿基發(fā)生變化，通常有堿基替換，移碼突變等。三聯(lián)體密碼改變，編碼的氨基酸、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)功能隨之改變。誘發(fā)基因突變的因素又稱誘變劑， 常見的誘變劑有： （1） 烷化劑：引起DNA中A和G，T和C堿基轉(zhuǎn)換 （2） 堿基類似物：以假亂真，如：5-Bu，2氨基嘌呤 （

16、3） 造成DNA增加或減少一、二個堿基：丫啶類染料，氮芥類衍生物等,基因突變——血紅蛋白β鏈基因突變,基因突變——血紅蛋白β鏈基因突變,遺傳?。菏侵高z傳物質(zhì)改變而導(dǎo)致的疾病遺傳病診斷與治療,四、 遺傳病的診斷與治療,遺傳病,人類中有約10%的人患有單基因遺傳病，約20%的人患有多基因遺傳病，還有染色體病等，粗略估計，約25%的生理缺陷、30%的兒童死亡和60%的成年人疾病都是由遺傳疾病引起的，約1/3的人受遺傳病所

17、累。由于表現(xiàn)程度不同，往往不大注意。我國每年出生的1500多萬個嬰兒中，3%（約36萬）出生缺陷，其中80%是遺傳因素造成的。智商（IQ）低于70者占總?cè)丝诘?.2%，其中嚴重智力低下者約占0.2%（約200多萬）。遺傳病也是造成人類壽命縮短的主要因素,遺傳病的診斷,對于任何疾病來說，明確診斷是疾病防治的第一部，遺傳病也不例外。遺傳病的診斷包括：臨癥診斷、癥狀前診斷以及產(chǎn)前診斷。 臨癥診斷（symptomatic diagn

18、osis）：是指遺傳病出現(xiàn)臨床癥狀后所作的診斷。診斷方法除常規(guī)的病史、癥狀、體征外，又依賴于遺傳病的特殊診斷方法，包括系譜分析、染色體分析（核型分析及分帶分析）、酶與蛋白質(zhì)的生化分析以及DNA分析等。,癥狀前診斷（presymptomatic diagnosis）：是指臨床癥狀出現(xiàn)前所作的診斷。主要用于某些發(fā)病年齡延遲的遺傳病。診斷方法主要包括家系調(diào)查和系譜分析以及各種臨床檢查和實驗室檢查，但目前能明確診斷的方法只有DNA檢查。 產(chǎn)

19、前診斷（prenatal diagnosis）：即出生前診斷。由于目前大多數(shù)遺傳病尚無有效的治療方法，因此在患兒出生前作出明確診斷，必要時進行人工流產(chǎn)或引產(chǎn)以終止妊娠，避免患兒出生。這對于降低遺傳病的發(fā)病率，提高人口素質(zhì)具有重要的意義。,,基因診斷,定義 通過對某個遺傳病患者的某一特定基因（DNA）或其他轉(zhuǎn)錄物（mRNA）進行分析病作出診斷的技術(shù)。,基因診斷中常用的分子生物學(xué)方法,核酸分子雜交PCRSSCP（

20、PCR－SSCP）限制酶酶譜分析DNA序列測定DNA芯片技術(shù),遺傳病的基因治療 所謂的基因治療是指利用遺傳學(xué)的原理治療人類的疾病。傳統(tǒng)意義上的基因治療（gene therapy）是指目的基因?qū)氚屑毎院笈c宿主細胞內(nèi)的基因發(fā)生重組，成為宿主細胞的一部分，從而可以穩(wěn)定地遺傳下去并達到對疾病進行治療的目的。由于技術(shù)的進步，近年來采用基因工程技術(shù)，即使目的基因和宿主細胞內(nèi)的基因不發(fā)生重組，目的基因也能得到暫時的表達

21、，為了與傳統(tǒng)意義上的基因治療相區(qū)別，有時又將其稱為基因療法（gene therapeutics）。,基因治療根據(jù)對宿主病變基因采取的措施不同，可分為基因置換、基因修正、基因修飾和基因失活四大策略。基因置換是指用正常的基因整個地替代突變基因，使突變基因永久地得到更正?；蛐拚齽t指將突變基因的突變堿基序列用正常的序列加以糾正，而其余未突變的正常部分予以保留?；蛐揎梽t指將目的基因?qū)胨拗骷毎媚康幕虻谋磉_產(chǎn)物來改變宿主細胞的功能，或使

22、原有功能得到加強?；蚴Щ钍侵咐梅戳x技術(shù)來封閉某些基因的表達，以達到抑制有害基因表達的目的。,目前，世界上已批準了90個基因治療方案，至1997年初，世界上共記錄了2103例基因治療病例（美國1700例），其中68%是治療腫瘤的（1403例），19%是治療遺傳病的，另有12%用于治療傳染性疾病及其它一些疾病。 對于成功地進行基因治療來說，必需具備以下條件：①選擇合適的疾?。虎诰邆湓摬》肿尤毕莸闹R，深入了解其發(fā)病機理；③

23、用于治療的基因（目的基因）已被克??；④克隆基因的有效表達；⑤具有可用于臨床前試驗的動物模型。,遺傳病的基因治療： 由于上述的原因，到目前為止只有10多種遺傳性疾病的分子發(fā)病機理了解得比較清楚，也只有少數(shù)幾種遺傳性疾病具有基因治療的方案。如腺苷脫氨酶基因缺陷引起的嚴重型復(fù)合性免疫缺陷癥（SCID）；凝血因子Ⅸ基因（FⅨ）缺陷引起的血友病B（HEMB）；低密度脂蛋白受體基因（LDLR）缺陷引起的家族性高

24、血脂癥（FH）以及跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)因子（CFTR）基因缺陷引起的囊性纖維變性（CF）等。除此之外，還有多個遺傳性疾病有望可以作為基因治療的對象。,,,,SCID是由于免疫系統(tǒng)的T淋巴細胞或B淋巴細胞功能先天性缺乏的一種遺傳病?；颊咄耆珕适庖叻烙δ?。發(fā)病率約為新生兒的1/105。在某些人群中，如法籍加拿大人，北美Mennonite人群等有較高的發(fā)病率，可達1/500。該病約有20 %是由腺苷脫氨酶（ADA）缺乏引起，常染色體隱性遺傳。19

25、90年9月美國FDA批準了人類歷史上首例基因治療的病例——用ada基因治療SCID的病例。第一名接受治療的患者是一名4歲的女孩，于1990年9月14日接受她自身的，帶有嬌正基因的T細胞的回輸。第二例病例是一名9歲的女孩。這兩名女孩經(jīng)治療后均有療效并進入了普通小學(xué)上學(xué)。,,五、腫瘤與遺傳,家族息肉型大腸癌,視網(wǎng)膜母細胞瘤,癌家族——指一個家系中惡性腫瘤的發(fā)病率高，發(fā)病年齡早，通常按常染色體顯性方式遺傳。家族性癌——指一個家系中多個成員

26、患同一種腫瘤。,與腫瘤發(fā)生相關(guān)的基因,癌基因—— 促進腫瘤的發(fā)生 抑癌基因—— 抑制腫瘤的發(fā)生 腫瘤的發(fā)生—— 癌基因的激活， 抑癌基因的失活。,腫瘤抑制基因,正常細胞內(nèi)有一類對細胞增殖起 負調(diào)節(jié)的基因，當(dāng)它失去抑制活性時，往往會使細胞呈惡性生長，種類基因叫腫瘤抑制基因。,Rb基因 p53基因 其他如WT--1基因，NF--1基因

27、 BRCA--1基因和BRCA--2基因,環(huán)境致癌因素,多環(huán)芳烴，芳香氨與氨基偶氮染料，亞硝胺類，真菌毒素，烷化劑與?；瘎渌?。 離子輻射，包括X射線，r射線，亞原子微粒，紫外線等。 RNA致瘤病毒，包括急性與慢性轉(zhuǎn)化病毒，DNA致瘤病毒，如HPV，EBV與HBV等。,化學(xué)致癌因素,物理致癌因素,病毒

28、和細菌,,正常大腸粘 膜,細胞生長增殖增強,腺瘤Ⅰ,腺瘤Ⅱ,腺瘤Ⅲ,癌,移轉(zhuǎn),APC突變 Ki-ras突變 ras突變 DCC突變 P53突變 5q缺失 8q缺失 17p缺失,,,,,,,,,,,,結(jié)腸癌發(fā)生的各個階段和腫瘤相關(guān)基因的異常,腫

29、瘤的發(fā)生是多基因參與的過程,人類基因組計劃,1、人類基因組計劃的啟動 1986 年諾貝爾獎獲得者R.Dulbecco提出人類基因組計劃—測出人類全套基因組的 DNA 堿基序列:3 X 109 BP,美國政府決定于 1990年正式啟動HGP，預(yù)計用 15 年時間，投入 30 億美元，完成 HGP。 HGP 擴展為多國協(xié)作計劃。參與者包括：歐共體、日本、加拿大、俄羅斯、巴西、印度和中國等國的科學(xué)家。,1998.5.9 J

30、.C. Venter 組建Celera公司投入 3 億美元，3 年內(nèi)完成。,從而形成了“公”“私”并進 格局。,美國總統(tǒng)克林頓于2000年3月14日宣布了美英同意公開分享其解密人類遺傳方式的數(shù)據(jù)。Celera聲稱，不會對人類染色體申請專利，但將對有重要醫(yī)學(xué)作用的基因申請專利權(quán)。他們不是對簡單的序列數(shù)據(jù)感興趣，而要利用基因分析和其他服務(wù)來賺錢。,1999年其銷售額達11億美元。Celera公司的主要業(yè)務(wù)是開發(fā)有關(guān)基因組、蛋白質(zhì)組及相

31、關(guān)的生物學(xué)和醫(yī)學(xué)信息，并綜合應(yīng)用開發(fā)開發(fā)的信息進行醫(yī)藥、生物技術(shù)以及有關(guān)的基礎(chǔ)研究。,2000.6 完成并公布 人類基因組工作草圖。 2001 年2月16日 人類基因組計劃（HGP）完成。,目前估計，3 x 109 bp中僅 5％ 編碼蛋白質(zhì)，95％不編碼蛋白質(zhì),DNA測序膠圖,4、人類基因組計劃的重大影響（1）在 HGP推動下，世界大公司投入生物技術(shù)意向劇增。（2）推動新學(xué)科興起 生物信息學(xué) B

32、ioinformatics 基因組學(xué) Genomics,紅原雞約有２萬到２.３萬個遺傳基因，與人類數(shù)量基本持平，其中有６０％與人類相同。 人與猩猩的基因差異比較小，只有大約2%。但是正是這2%的差異使得人與猩猩的智能、行為、心理和生理變得差之毫厘，失之千里。,基因組研究的倫理問題,２０世紀初，當(dāng)人類著手進行原子能研究的時候，還很少有人關(guān)心躲在這巨大能量后的隱患。而今天，世界各國在慶賀的時候，普遍表現(xiàn)出了審慎

33、的態(tài)度。人們關(guān)注的焦點問題有兩大類： 一是能否隨意獲取、傳播基因信息，并加以商業(yè)應(yīng)用，或者根據(jù)基因信息判斷其所有者的生老病死等遺傳特征； 二是能否通過改造基因來改變?nèi)说纳锾卣鳌?I. Overview of ProteomicsII. Applications of ProteomicsⅢ.Present experiment,蛋白質(zhì)組學(xué),后基因組研究:,Science, Vol 291, Issue 5507,

34、1221-1224 , 16 February 2001,General Approaches for Proteomic Analysis,Protein mixture,Peptide mixture,Proteins,Peptides,MSanalysis,MS data,Protein identification,,,,,,,,,Separation,Digestion,In gel Digestion,Separati

35、on,Database Search,(2D gel),(HPLC),Extracting Proteins from Biological Samples,A biological sample is usually pulverized, homogenized, sonicated, or otherwise disrupted to yield a soup.The proteins in the soap are then

36、recovered with the aid of detergents (solubilize membrane proteins), reductants (reduce disulfide bonds), denaturing agents (disrupt protein clusters), or enzymes (digest contaminants).Any contaminants that may interfer

37、e with proteomic analysis should be removed from the purified protein mixture.,Two dimensional electrophoresis -----A main technique for proteins separation,MALDI-TOF-MS,,,,,Sample target,Field-free fligh

38、t tube,Detector,Laser beam,,,,Identifying the protein by PMF,Peptide Mass Fingerprinting (PMF),Limitationsprotein sequence availabledistinguish isoforms?,Software tools for identification by PMFPeptIdent/MultiIdentPr