醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)——人類基因

1、第一章 人類基因和基因組Human Gene and genome,1. 基因的化學(xué)本質(zhì)（Chemical composition）2. 基因組的組成（human genome） 3. 割裂基因的結(jié)構(gòu)及表達(dá)（split gene）4. 人類基因組計(jì)劃（HGP）,,Page 15,第一節(jié) 基因的概念,,基因(gene) 是具有特定遺傳效應(yīng)的DNA片段?；驔Q定細(xì)胞內(nèi) RNA 和蛋白質(zhì)或酶的合成，從而決定生物的遺傳性狀,基因的修

2、飾如DNA甲基化(DNA methylation)和 組蛋白乙?；部赡軐?dǎo)致基因的活性發(fā)生改變， 使基因決定的表型出現(xiàn)變化，且可傳遞少數(shù)世代。通過有絲分裂 (mitosis) 或減數(shù)分裂(meiosis)來傳遞 非DNA序列信息的現(xiàn)象,表觀遺傳(epigenetic inheritance),,Page 16,第二節(jié) 基因的化學(xué)本質(zhì),,基因化學(xué)本質(zhì)是 DNA，僅含RNA的病毒，RNA是遺傳物質(zhì),,Page 17,第三節(jié) 人類基

3、因組的結(jié)構(gòu),1 Mb(兆堿基對(duì))＝1000 kb(千堿基對(duì))＝1000,000 bp(堿基對(duì)),核基因組＝3000Mb＝3.0×106kp＝3.0×109bp 核基因組是指人類體細(xì)胞中24條DNA的全部遺傳信息線粒體基因組＝16569bp≈16.6kb,人類基因組（genome）是人體所有遺傳信息的總和，包括核基因組 （nuclear genome）和線粒體基因組 （mitochondrial genome）

4、,3.0×109bp,16569bp,37個(gè)基因,2.1萬個(gè)結(jié)構(gòu)基因,13種與細(xì)胞氧化磷酸化相關(guān)多肽鏈,一、基因的分類(重點(diǎn)),1.單一基因（solitary gene）2.基因家族（gene family）⑴基因簇（gene cluster）⑵超基因家族（gene superfamily）3.假基因（pseudogene）4.串聯(lián)重復(fù)基因（tandem repetitive sequence）,2.基因家族（gen

5、e family）：基因組中功能相似的基因成簇地排在一起。 這些基因可同時(shí)發(fā)揮作用也可在不同發(fā)育階段表達(dá)，基因家族的類型有兩種：,1.單一基因（solitary gene）：在單倍體基因組中只有一份。,⑴基因簇(gene cluster)：基因家族成員成簇地排列在同一條染色體上，同時(shí)或差次表達(dá)的蛋白質(zhì)在功能上相關(guān)。,⑵超基因家族(gene superfamily)：基因家族的不同成員成簇地分布在不同對(duì)的染色體上，編碼的蛋白

6、質(zhì)在功能上相同或緊密相關(guān)。,,例：人類類α珠蛋白基因簇位于16p13，含1個(gè)ζ基因、2個(gè)α基因和2個(gè)假基因(ψζ和ψα),ζ—zeta Ψ—psai,例：人類類β珠蛋白基因簇位于11p15，含5個(gè)功能基因（ε、Gγ、Aγ、δ、β）1個(gè)假基因（ψβ）,ε—epsilon δ—deltaζ—zeta Ψ—psai,,β基因簇(11p15),α基因簇(16p13),例：人類珠蛋白超基因家族的成員分布在16號(hào)和11號(hào)染色體上，

7、共同構(gòu)成珠蛋白超基因家族,ζ—zeta Ψ—psai ε—epsilon δ—delta,3.假基因（pseudogene）：基因序列與具有編碼功能的基因序列類似但不能表達(dá)基因產(chǎn)物的基因。例Ψα是類α珠蛋白基因簇中的假基因，其編碼順序與α基因相似,ζ—zeta Ψ—psai ε—epsilon δ—delta,4.串聯(lián)重復(fù)基因（tandem repetitivesequence）：45SrRNA、5SrRN

8、A以及各種tRNA 基因呈串聯(lián)重復(fù)排列，編碼同一種或近乎同一種的RNA或蛋白質(zhì)，他們的每個(gè)拷貝完全或幾乎相同， 但基因間間隔DNA（linker DNA）相差很大,每個(gè)單倍體基因組有200個(gè) rRNA基因，串聯(lián)排列在5條染色體的核仁組織者上。rRNA基因（rDNA）是染色體上伸出的DNA袢環(huán)rRNA基因串聯(lián)排列在核仁組織者上 高速轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生rRNA組織核仁,㈠單拷貝序列(unique sequence)： 在基因組中僅單一拷

9、貝或少數(shù)拷貝，長度在800～1000bp。 編碼蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)基因只是單拷貝中的很小部分。單拷貝或低拷貝DNA序列占人基因組的 45％,二、基因組的組成,非基因序列也有單拷貝序列,㈡重復(fù)多拷貝序列（repetitive sequence）指在基因組中重復(fù)出現(xiàn)的DNA序列，分散穿插于整個(gè)基因組占人類基因組的55％。1.串聯(lián)重復(fù)：約占基因組的10％，主要有衛(wèi)星DNA、小衛(wèi)星DNA 和微衛(wèi)星DNA。2.散在重復(fù)：約占基因組

10、的45％，有短散在重復(fù)元件(SINE)和長散在重復(fù)元件(LINE)。,如D5S8185’ GGGTGATTTTCCTTTTGGT AGAT AGAT AGAT AGAT AGAT AGAT AGAT TGTGGCTATGATTGGAATCA 3’（重復(fù)7次）5’ GGGTGATTTTCCTTTTGGT AGAT AGAT AGAT AGAT AGAT AGAT AGAT AGAT AGAT AGAT A

11、GAT AGAT AGAT AGAT TGTGGCTATGATTGGAATCA 3’（重復(fù)14次）,具有廣泛的多態(tài)性，適合于記錄短期的進(jìn)化事件,微衛(wèi)星DNA即短串聯(lián)重復(fù)序列（STR，Short tandem repeats）,微衛(wèi)星DNA與親子鑒定（parentage test）,親子鑒定的樣本,1、血液2、精液3、口腔黏膜細(xì)胞4、毛發(fā)（毛囊） 5、懷孕期 胎盤組織（CVS）：懷孕10～13周內(nèi)

12、 抽羊水：懷孕14～24周內(nèi)6、臍帶血液 孩子出世時(shí)收集臍帶血液樣本,實(shí)驗(yàn)室親子鑒定使用的STR基因座有TH01VWFA31TPOXCSFIPOFIBRADS1358D7S820D8S1179D5S818,短串聯(lián)重復(fù)序列（STR ，Short tandem repeats）,親子鑒定報(bào)告 -- 不能排除本鑒定系統(tǒng)總排除能力（CPE）為0.999998不能排除孩子與父親的親子關(guān)系親子關(guān)系

13、指數(shù)（CPI）為108141.85834596親子關(guān)系概率（PP）為99.999075288685％,親子鑒定報(bào)告 -- 可以排除本鑒定系統(tǒng)總排除能力(CPE)為0.999998根據(jù)D16S539, D7S820, TPOX, F13A01, vWFA31/A, HPRTB, F13B, CYAR04, CD4, GPP3A09, D8S1179等DNA位點(diǎn)之分析結(jié)果可以排除父親與孩子的親子關(guān)系。,,Page 20,第四節(jié)

14、基因的生物學(xué)特性,一、DNA分子蘊(yùn)藏的遺傳信息,一個(gè)DNA分子有 n個(gè)堿基，就有4n 種排列序列。在 DNA分子長鏈上，四種堿基以三聯(lián)體(triplet)形式組合成43 ＝64種遺傳密碼（genetic code），61種編碼20種氨基酸，3種終止密碼子。遺傳信息以不同的堿基編碼和排列次序貯藏在DNA序列中,DNA 3’CCA TAC AAACTAGGG CAGCAGTTGGGGACA ATC 5’,mRNA 5’GGUAUG

15、UUUGAUCCCGUCGUCAACCCCUGUUAG 3’,,多肽鏈-甲硫氨酸-苯丙氨酸-天冬-脯-纈-纈-天酰-脯-半胱,起始密碼 ↓,GT AG剪切信號(hào),終止密碼,真核生物的結(jié)構(gòu)基因是割裂基因(split gene)，外顯子(exon)編碼序列被內(nèi)含子(intron)非編碼序列分割。第一個(gè)外顯子的上游和最末一個(gè)外顯子的下游是非編碼區(qū) 為側(cè)翼序列(flanking sequence),二、基因表達(dá)（gene exp

16、ression）,,,,,,轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn),轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn),內(nèi)含子,內(nèi)含子,,,側(cè)翼順序,側(cè)翼順序,,,增強(qiáng)子,啟動(dòng)子,終止子,與 RNA聚合酶結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄頻率,TATA框,,與RNA聚合酶結(jié)合識(shí)別轉(zhuǎn)錄起點(diǎn),,RNA裂解信號(hào),GC框,增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率,,GC框,增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率,,GT-----AG,GT-----AG,,AATAAA,,回文順序,編碼區(qū),GT-AG法則：外顯子和內(nèi)含子接頭區(qū)是高度保守序列(consensus seqence)

17、5′端GT-AG 3′端是基因表達(dá)時(shí)剪切內(nèi)含子和拼接外顯子的剪接識(shí)別信號(hào)側(cè)翼序列(flanking sequence)：每個(gè)基因5′端和3′端的兩側(cè)是一段不轉(zhuǎn)錄的DNA序列，5′端啟動(dòng)子、增強(qiáng)子；3′端終止子等，調(diào)控基因表達(dá),5′,,3′,5′,3′,,,,,,轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn),轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn),內(nèi)含子,內(nèi)含子,,,側(cè)翼順序,側(cè)翼順序,,,增強(qiáng)子,啟動(dòng)子,終止子,與 RNA聚合酶結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄頻率,TATA框,,與RNA聚合酶結(jié)合識(shí)別轉(zhuǎn)錄起

18、點(diǎn),,RNA裂解信號(hào),GC框,增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率,,GC框,增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率,,GT-----AG,GT-----AG,,AATAAA,,回文順序,編碼區(qū),啟動(dòng)子（promoter）：位于基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游100～200bp范圍 能與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄。增強(qiáng)子（enhancer）：位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游或下游，能特異性 地與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、增

19、強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄活性的 一段DNA序列。終止子（terminator）：由AATAAA和回文序列組成，AATAAA是多聚 腺苷酸（polyA）附加信號(hào)。 回文序列轉(zhuǎn) 錄后形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，阻礙 RNA聚合酶的移 動(dòng)而終止轉(zhuǎn)錄。,5′,3′,5′,,3′,3

20、′?5′模板鏈，反編碼鏈，反義鏈,5′?3′非模板鏈，編碼鏈，有義鏈,1、轉(zhuǎn)錄（transcription）在RNA聚合酶的催化下，以DNA的3′→5′單鏈(反編碼鏈)為模板，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則（A= U ，C三G）進(jìn)行轉(zhuǎn)錄,,,,,,轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn),轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn),內(nèi)含子,內(nèi)含子,,,側(cè)翼順序,側(cè)翼順序,,,增強(qiáng)子,啟動(dòng)子,終止子,與 RNA聚合酶結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄頻率,TATA框,,與RNA聚合酶結(jié)合識(shí)別轉(zhuǎn)錄起點(diǎn),,RNA裂解信號(hào),GC

21、框,增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率,,GC框,增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率,,GT-----AG,GT-----AG,,AATAAA,,回文順序,編碼區(qū),5′,,3′,5′,3′,,,,,內(nèi)含子,內(nèi)含子,,RNA裂解信號(hào),GU-----AG,GU-----AG,,AAUAAA,,發(fā)夾結(jié)構(gòu),3′,5′,轉(zhuǎn)錄的RNA稱核內(nèi)異質(zhì)RNA（hnRNA) 含外顯子、內(nèi)含子和部分側(cè)翼順序。hnRNA要經(jīng)過剪接、戴帽和加尾等加工過程才能形成成熟的mRNA,hnRNA,⑴戴帽(ca

22、pping): 在hnRNA的5′端加一個(gè)7-甲基鳥苷酸(7-甲基鳥嘌呤核苷酸)，封閉RNA5′端保護(hù)轉(zhuǎn)錄本被核酸酶消化，利于 mRNA從細(xì)胞核運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)， 有助于胞質(zhì)中的核糖體識(shí)別mRNA,,,,內(nèi)含子,內(nèi)含子,,RNA裂解信號(hào),GU-----AG,GU-----AG,,AAUAAA,,發(fā)夾結(jié)構(gòu),3′,5′,hnRNA,m7GpppN…,⑵加尾(tailing)： 在3′端AAUAAA下游15～30bp部位切除一段序列后，在p

23、olyA聚合酶催化下，加上200個(gè)左右多聚腺苷酸 polyA的尾封閉 RNA3′端,AAAAA-Poly(A),,,內(nèi)含子,內(nèi)含子,,RNA裂解信號(hào),GU-----AG,GU-----AG,,AAUAAA,3′,5′,hnRNA,m7GpppN…,,⑶剪接(splicing)：剪接酶將內(nèi)含子切除，連接酶將外顯子拼接形成成熟的mRNA分子。GT-AG序列是剪接識(shí)別并切割的位點(diǎn),3′,5′,GU-----AG,,外顯子和內(nèi)含子在結(jié)構(gòu)基因

24、的表達(dá)過程中可發(fā)生轉(zhuǎn)換。選擇性剪接：同一基因中，其剪接位點(diǎn)和拼接方式可以改變，從而導(dǎo)致一個(gè)基因產(chǎn)生多個(gè)具有明顯差異的相關(guān)蛋白產(chǎn)物,例：降鈣素基因在不同的細(xì)胞中產(chǎn)生不同的激素,2、翻譯(translation)： 以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)的過程。 蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)由翻譯后修飾決定,,Page 24,第五節(jié) 人類基因組計(jì)劃,（human genome project，HGP）,一、HGP的啟動(dòng)　　1985年，美國生物學(xué)家

25、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Renato Dulbecco在《Science》上發(fā)表文章首次提出人類基因組計(jì)劃的設(shè)想，并建議組織國家級(jí)和國際級(jí)的項(xiàng)目進(jìn)行研究。1988年4月 國際人類基因組織(HUGO)成立。1990年10月由美國國會(huì)批準(zhǔn)正式啟動(dòng)HGP，預(yù)計(jì)用15年時(shí)間，投入30億美元完成HGP。 逐漸地HGP擴(kuò)展為多國協(xié)作計(jì)劃。繼美英日法德之后， 我國于1993年加入HGP，承擔(dān)其中1％的任務(wù)，即人類3號(hào)染色體短臂上約30Mb

26、區(qū)域的測序。2000年6月26日人基因組框架圖完成，美2001年《自然》、《科學(xué)》雜志報(bào)道了人基因組的完整序列圖,2004年10月國際人類基因組計(jì)劃合作組織在《Nature》雜志上宣布誤差小于10萬分之一的人類基因組完成圖已繪就。完成圖顯示人類基因組由約30億個(gè)堿基對(duì)組成，約3萬個(gè)基因。19號(hào)染色體基因量最豐富，13號(hào)染色體基因量最少。無論人類基因組中的熱點(diǎn)或荒漠，那些被認(rèn)為是垃圾的DNA應(yīng)進(jìn)一步研究,二、人類基因組計(jì)劃的目的