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1、基因与疾病,费嘉 周羽竝 医学院生物化学教研室指导书：基因与疾病讲义汇编 教材科购买参考书：生物化学（第六版）周爱儒主编 2004，5 基因与疾病入门 陈胜湘 编著 2003，7 是基因在致病吗？（美）菲利普R赖利著 王学峰 吕洋翻译2006，6 遗传咨询 李巍 何蕴韶 编著 2003，4 成绩计算：10平时 30 综述讨论 60期末考试,第一章 基因的遗传基础人类染色体与染色体病基础,基因的遗传基础,一、核酸nucleic acid)的分子结构核酸是遗传信息的载体。DNA和RNA两大类 由嘌呤碱或嘧啶碱(统称碱基)、戊糖和磷酸组成。DNA：含A、G、T、C；RNA：含A、G、U、C。戊糖：D
2、NA为D一脱氧核糖，RNA为D一核糖。碱基与戊糖相连形成核苷(nucleoside)，其戊糖侧链再与磷酸分子结合形成核苷酸(nucleotide)。DNA或RNA分子多聚核苷酸链，核苷酸以3，5一磷酸二酯键相连。保留一个5游离磷酸基团(称为5端)和3游离羟基(称为3端)。,（Watson-Crick）DNA双螺旋结构(1953)。基本内容：两股方向相反的DNA链相互缠绕形成双螺旋结构(double helix)，戊糖和磷酸组成螺旋的骨架位于外侧，碱基位于内侧，按AT、GC的碱基配对原则相互以氢键相连。RNA分类：信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)、核糖体RNA(rRNA),每个核小
3、体是在由组蛋白组成八聚体(H2A、H2B、H3、H4各2分子)，外面盘绕175圈DNA(约140 bp)，两个核小体之间以60 bp的DNA双螺旋与组蛋白Hl形成的细丝相连，每6个核小体绕成一圈形成空心螺线管。以此为基础，再进一步折叠和多级螺旋化形成在长度上被压缩了近万倍的中期染色单体。,染色体是细胞核的基本物质。组成染色体的基本物质是DNA分子。一个DNA分子组成一条染色体。,染色体的基本结构单位核小体(nucleosome),二、基因的概念,“基因”(gene)的概念于1899年由丹麦遗传学家约翰逊首次提出，以代替早年孟德尔提出的“遗传因子”的概念。从现代生物学角度，基因：是DNA或RNA
4、分子中特定的核苷酸序列，是遗传信息的载体和遗传物质的最小功能单位。对于编码蛋白质的结构基因来说，基因是决定一条多肽链的DNA片段。,根据其是否具有转录和翻译功能可以把基因分为：第一类:编码蛋白质的基因，它具有转录和翻译功能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节基因；第二类:只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因；第三类:不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因（统称为控制基因）。,三、基因的结构和功能,不同基因的大小各异，小的100碱基对(base pair，bp)，大的有几百万bp。一个表达基因含编码区和非编码区。编码区(被分
5、隔成不同的区段)称为外显子(exon)。非编码区:外显子之间的序列称为内含子(intron)(加工中被剪切)。非编码区还包括5和3端的序列，通常含转录调控和加工序列，如启动子、增强子、mRNA多聚A加尾信号等。发现特定的外显子剪切增强子(exonic splicing enhancer，ESE)参与剪切过程。,基因作为遗传的基本要素，遵循遗传规律代代相传。基因控制生物性状的遗传是非常复杂的.,四、遗传信息的传递,中心法则:细胞分裂前，DNA以半保留复制形式将DNA复制后，使遗传信息由亲代细胞传递到子代细胞。转录:按碱基配对原则将DNA分子遗传信息拷贝到mRNA中。翻译:mRNA分子中的遗传信息
6、根据遗传密码规律指导多肽链的合成 起始密码子与终止密码子之间的所有密码子构成所编码多肽链的开放阅读框(open reading frame，ORF)。此外，(RNA病毒)通过逆转录成为DNA，再按上述中心法则实现遗传信息由DNA到蛋白质的转化。,五、基因突变,（一）概念 突变(mutation)：指遗传物质(染色体或基因)受理化因素的影响或在DNA复制、细胞分裂过程中发生的可遗传的变异。这种变异通常改变了基因的DNA序列或染色体的结构或数目。染色体结构或数目的突变又称染色体畸变，导致染色体病。狭义的基因突变：指个别基因的结构所发生的变异。可表现为基因中某一位点碱基的改变（点突变point mu
7、tation)或基因大片段序列的改变(gross mutation)。,突变基因(mutant)与野生型基因(wildtype)位于染色体的同一位点，可视作等位基因(allele)，组成该个体的基因型(genotype)。其所产生的突变效应，称为表现型(phenotype)，可得到新的性状(trait)或疾病特征。突变基因与野生型基因同时存在的杂合体(heterozygote)中，突变基因的性状能表现出来，称为显性遗传(dominance)；突变基因的性状只有在纯合体（homozygote)中才表现出来，称之为隐性遗传(recessive)。,基因突变可发生于个体发育的任何阶段。体细胞突变(s
8、omatic mutation)：体细胞生殖细胞突变(germline mutation)：生殖细胞 体细胞突变仅在其子代细胞中传递，不遗传给后代。（多数肿瘤的发生由体细胞突变引起）生殖细胞的基因突变遗传给下一代。因此，在英文词汇中，可遗传的疾病，即生殖细胞突变所致疾病被称作inherited disease或hereditary disease，与一般所指的genetic disease有明显区别。后者实际上包括体细胞突变和生殖细胞突变所致疾病，但现行中文译名均为“遗传病”，字面上没有区别。,遗传性疾病(基因病)大致分为以下几类：单基因病、多基因病、染色体病、体细胞遗传病、线粒体遗传病。,（
9、二）基因突变的分类及其效应,1.分类（1）点突变()错义突变(missense mutation)是因碱基置换改变了密码子的编码性质，而编码出与野生型蛋白质不同AA序列的蛋白质。这种突变通常发生在密码子的第一和第二个碱基。密码子第三个碱基的改变很少引起所编码AA的不同，这种不引起编码氨基酸改变的基因突变又称为同义突变(samesense mutation)或沉默突变(silent mutation)。()无义突变(nonsense mutation)是因碱基置换将密码子变成终止密码子，导致蛋白质的合成提前结束。这种突变所得到的mRNA较不稳定，合成的蛋白质常因缺少C一末端而无功能，引起较严重的
10、症状。()移码突变(frameshift mutation)是由于一个或几个碱基(不是3个或3的倍数)的插入或缺失，导致整个阅读框架(ORF)的改变，使得所编码的蛋白质在突变点以后的序列与野生型完全不同，甚至提早出现终止密码子。这类蛋白质通常失去正常生物学功能。,()延长突变(elongation mutation)是因碱基置换或移码突变，使原来的终止密码子变成某个氨基酸的密码子，而使肽链合成延续下去，直到下一个终止密码子出现，又称为终止密码突变。如中国人群常见的一种点突变型a地中海贫血、HbCS(constant spring)。()拼接突变(splicing mutation)是因mRNA
11、剪切加工时，内含子两端拼接识别序列(GTAG)或外显子拼接增强子(ESE)的突变，导致正常的外显子拼接错误，常引起大片段的缺失或插入，而改变了所编码蛋白质的性质。另一种常见的拼接突变发生在内含子中间序列的点突变，产生一个可被识别的拼接信号，又称隐含拼接突变(cryptic splicing mutation)。()转录加工突变 是因mRNA转录启动子、增强子、沉默子(silencer)、位点控制区(LCR)、多聚腺苷酸加尾信号等的突变，导致mRNA不能正常转录或加工，仅出现少量或完全缺乏具生物学功能的转录产物。,（2）大片段突变,包括缺失(deletion)、插入(insertion)和重排(
12、rearrangement)等。这类突变导致基因结构的显著变化，所编码的蛋白质也因此失去正常生物学功能。引起大片段基因突变的原因有拼接突变、转座子插入(transposonal insertion)、染色体错配与不等交换等。转座子实际上是一种可移动的基因，可从染色体的一个位点移到另一个位点，或从一个复制子移到另一个复制子。已报道30多种基因因转座子的插入突变而导致相应的疾病。,近年来一类被称作动态突变(dynamic mutation)的现象引起临床遗传学家的关注。有些短串联重复序列(short tandem repeat，STR)，尤其是三核苷酸重复，位于基因的编码或非编码序列中，它们的重复
13、次数在一代代传递过程中会发生明显变化，从而导致某些遗传病的发生。如脆性x综合征、强直性肌营养不良、Huntington病等。基因组印迹和单亲二体导致的非经典孟德尔遗传现象，可作为基因突变的特例，见后章节详述。,2基因突变的后果,（1）有利突变 突变给个体的生育或生存带来一定好处。（2）中性突变 突变对个体不产生可察觉的效应。（3）遗传多态现象 指的是突变对个体虽无危害，但是引起个体差异的重要原因。这种差异可体现在DNA、mRNA、蛋白质、染色体等不同水平，分别称为DNA多态性、转录本多态性、蛋白质多态性和染色体多态性等。可以此作为基因定位、个人身份鉴定、药物反应性、疾病易感性、器官移植等的重要
14、依据.（4）导致遗传病突变通常导致蛋白质无功能，又称零突变(null mutation)。截至2002年4月止，已明确超过1 200个基因的突变可导致疾病效应：（5）致死突变 突变导致死胎、流产或死产：,3.诱变剂和DNA修复,自发突变:突变的发生可因DNA复制中碱基的错误掺入引起,这种出错的概率很低.(细菌1/1010bp，高等生物高些)理化因子称为诱变剂(mutagen)，导致核酸错误配对：理化因子（化学诱变剂/物理诱变剂）基因突变频率:指该基因突变个体占观察个体总数的比例，通常用突变数代百万个配子来表示。按每个基因平均突变频率来估计，每个人出生时要从其父方或母方接受13个新的突变基因。,
15、DNA修复：,尽管存在许多诱变剂的影响，体内DNA序列仍然高度保守，主要由于DNA损伤后有一系列DNA修复机制来确保DNA的准确和完整性。DNA修复主要包括切除修复、直接修复、错配修复等系统。如果机体的DNA修复功能缺陷，则可导致细胞死亡或基因突变的发生。如着色性干皮病是一种常染色体隐性遗传皮肤病，是由于缺乏DNA修复酶(主要为核酸内切酶)而引起相应的症状。有趣的是，基因突变具有可逆性的特征，称为回复突变。这对该基因在群体中的遗传平衡很重要，同时在一定程度上减低了突变发生率。,六、细胞周期与有丝分裂,细胞周期(cell cycle)：是指两次细胞分裂之间的周期。在此期间，细胞必须复制其内容物并
16、等量分配到两个子代细胞中，遗传信息也随DNA的复制和细胞分裂从亲代细胞流向子代细胞。细胞周期可分为:G1、S、G2、M期4个阶段。S期即合成期，DNA的复制在该期完成；M期即有丝分裂期，细胞在此阶段一分为二；位于S和M期之间的两个阶段分别称为G1和G2期，分别为S期和M期做准备。细胞周期的长短因细胞类型而异。G1、S、G2期统称为间期(interphase)，不分裂的细胞停留在该期。,细胞有丝分裂(mitosis),过程分为四期：前期(prophase)、中期(meta-phase)、后期(anaphase)末期(telophase)。分裂细胞离开G2期后进入有丝分裂的前期，染色质开始浓缩，形
17、成姐妹染色体，核膜破裂。进入中期后核膜和核仁消失，染色体通过附着于着丝粒的纺锤丝排列于细胞的赤道板。随着着丝粒的分离，细胞进入后期，姐妹染色体分离，分布于细胞两极，核膜开始围绕染色质形成，至细胞出现双核时，即进入末期，细胞沿赤道板形成缢环，最终分裂成两个子代细胞，各自含有与亲代细胞完全一样的染色体组成。,细胞周期调控机制复杂，涉及信号传导系统和多个细胞关卡(checkpoint)的调控。细胞受生长因子刺激后，通过信号传导系统产生一系列效应分子，引起基因的表达，促进细胞生长和分裂。细胞关卡控制细胞周期的进程，两个主要的细胞关卡出现在G1S和G2M的交界处。当DNA受到损伤后，未修复的DNA难以通
18、过G1S的关卡进入S期；同样，当DNA复制未完成时，难以通过G2M的关卡进入M期。,细胞关卡的调控中最重要的参与者为一系列激酶，能使靶蛋白质发生磷酸化。这些激酶与周期蛋白(cyclin)结合后表现出酶活性，同时又受到一系列抑制物的控制。细胞正是在一系列严格调控机制的控制下完成一个细胞周期，同时保证遗传信息传递的精确性。当信号传导系统的基因发生突变时，常常导致细胞生长失控，从而导致肿瘤的发生，即所谓的癌基因；当控制细胞关卡的基因发生突变时，不能抑制细胞的生长，也可导致肿瘤的发生。,七、减数分裂、配子形成与受精,（一）减数分裂I和减数分裂 减数分裂(meiosis)：两次(I和)连续的分裂过程，两
19、次分裂之间不发生DNA的复制，产生4个子代细胞；每个细胞含亲代细胞染色体数目的一半，称单倍体(haploid)。分前期、中期、后期和末期4个阶段。,间期细胞进入前期I，发生同源染色体的联会(synapsis):配对的姐妹染色体之间DNA双链断裂，遗传物质发生相互交换，再重新连接;中期I的染色体分布于赤道板，与纺锤丝相连;进入后期I，两套染色体各自移向两极(不依赖纺锤丝牵拉）；末期I，被核膜包绕形成两个核，每个核所含染色体数目为母细胞的一半。末期I的细胞分裂后不久即直接进入减数分裂前期，此期间未发生DNA复制。减数分裂与有丝分裂过程相似，细胞又被一分为二，最终形成单倍体细胞。,（二）配子(精子、
20、卵子)形成,人类的减数分裂仅发生在卵巢和睾丸的生殖细胞，形成配子(gamete)，即精子和卵子。,精子的发生首先是生殖细胞经过许多次的有丝分裂，形成精原细胞，精原细胞进一步分化为初级精母细胞。这种细胞经减数分裂I后得到两个次级精母细胞，各自再经减数分裂得到2个精细胞，再分化成带尾的精子，共4个。每个精子含23条染色体，并可区分为x精子和Y精子。,卵子的发生（与精子相似），只是初级卵母细胞经减数分裂I后，胞浆不等分配，得到一个次级卵母细胞和一个小很多的第一极体。两者再经减数分裂，次级卵母细胞因胞浆不等分配直接产生一个卵子和一个第二极体，而第一极体分裂成2个第二极体。初级卵母细胞经减数分裂后得到1
21、个卵子和3个第二极体，它们都含23条染色体，仅卵子可以将遗传信息传给后代。,卵子发生与精子发生减数分裂的时间的不同（重要区别）精子的发生过程在青春期后连续进行。卵子发生中，所有的初级卵母细胞形成于胎儿期的卵巢中，直到青春期前一直停留在减数分裂前期I。每个月经周期排卵时才完成一个初级卵母细胞的减数分裂I，受精后再完成减数分裂。由于停留在减数分裂前期I的初级卵母细胞可长达45年之久(因个体生育期而异)，因此卵子较精子更易发生基因突变，这是高龄孕妇易生育遗传病患儿的重要原因。,值得注意：减数分裂过程中，来自父母双方的染色体发生了两次交换：一次是前期I中联会后的交换；另一次是后期I中，父源和母源的染色
22、体随机组合后，移向两极，使子代细胞含有重组后父母双方的遗传信息。这使得生殖细胞的遗传信息并非拷贝单一亲代，从而保证了生物多样性.,（三）生殖与受精,生殖分为无性繁殖和有性繁殖两类.无性繁殖的后代遗传上与亲代完全相同，俗称克隆(clone)。人类的生育属于有性繁殖。合子染色体数目通过累加精子和卵子的染色体，变成46条，含有来自父母双方的遗传信息。受精和胚胎发育是一个复杂的生命现象，日益兴起的生殖医学使人们对于人类的生殖之谜的认识和病理发育即出生缺陷有了更深入的了解。在动物身上，通过对体外授精和胚胎发育过程的认识，将受精卵的胞核剔除后，移人体细胞的胞核，可在哺乳动物中完成无性生殖的过程，这就是19
23、97年曾轰动全球的克隆羊“多莉”的现代科学史话。这种技术应用于人体，使得“克隆人在技术上成为可能，由此引发了“生殖性克隆”和“治疗性克隆”的广泛伦理学争论和相关法规的制定.,第二节 人类细胞遗传学国际命名体制,国际人类细胞遗传学命名委员会ISCN(International Standing Committee On Human Cytogenetic Nomenclature)在丹佛(1960年)、伦敦(1963年)、芝加哥(1966年)和巴黎(1970年)召开了国际会议，统一了细胞遗传学的命名原则.1978年第一次出版了人类细胞遗传学国际命名体制(An International Syst
24、em for Human Cytogenetic Nomenclature)，规定了正常及异常核型的命名格式和原则。这一体制的确立有利于细胞遗传学在世界各地的交流。ISCN专家委员会先后在198l、1985、1990和1995年，对人类染色体命名规则进一步修改并出版了新的版本。其中的1981年版是人类高分辨带的命名体制;1991年版是肿瘤细胞遗传学的命名体制。,分子遗传学命名原则和格式首次于1995年版发表。其内容包括：正常染色体；符号和缩写术语；核型命名；不能确定的染色体或带的命名；核型中染色体异常的排列顺序；染色体数目异常；染色体的结构重排；染色体断裂；肿瘤染色体；减数分裂染色体；原位杂交
25、等标准命名体制。ISCN提供了描述正常和异常核型的标准，以避免诊断上的混乱，有效地推动了临床细胞遗传学的发展。,对于染色体显带方法，按照ISCN(1995年)的命名体制，一般从染色体着丝粒开始沿染色体的臂向远端开始标记区和带。命名某个区带顺序：染色体号；臂的符号(p（短）或q（长）)；区号；位于该区内的带号；带号后以小数点分隔出亚带号。例如10p24.2表示：10号染色体短臂2区4带2亚带。应该掌握书写和阅读这种格式的本领。,第三节 正常人类染色体核型,一、核型与染色体的解剖结构 核型(karyotype):一个细胞内全套染色体的形态特点及其数目。核型分析(karyotyping):分析细胞核
26、型的全过程。其表示方法依照上节所述的国际命名体制。直到1956年，美籍华人Tjio等证实正常人类体细胞所含染色体数目为46条，人的体细胞为二倍体(2 n)，共23对。常染色体(autosomal chromosome)22对；性染色体(sex chromosome)1对（x和Y）。配子为单倍体(1 n)，含23条染色体。,染色体的解剖结构:长臂、短臂、着丝粒和端粒4个主要部分，个别染色体还有随体结构。染色体臂是构成染色体的主体结构，基本上含有所有遗传信息。根据其长短分为长臂和短臂，分别以q和P表示。经特殊染料处理后，染色体臂可呈现深浅不一的条带。,着丝粒，又称初级缢痕:位于染色体长、短臂之间的
27、部分。其分子组成主要为重复DNA。不同的染色体上着丝粒所含的重复DNA不同。着丝粒在细胞分裂时对染色体的分离和移动起重要作用。一般不显色。根据着丝粒所处的位置，将染色体分为中央着丝粒染色体(13号染色体)、近端着丝粒染色体(1315号以及2l、22号染色体)和亚中央着丝粒染色体(上两类以外的所有染色体)。,近端着丝粒染色体通常在其短臂末端附有随体(satellite)的球状结构。随体与着丝粒之间的连接部分称为蒂，主要由转录18S和28S的rRNA基因组成。端粒(telomere)：位于染色体两末端的结构。其分子组成是特殊的(TTAGGG)的多次重复序列，长度可达1015 kb。其长短与端粒酶的
28、活性有关。端粒酶活性的丧失是细胞衰老的原因之一。肿瘤细胞中的端粒酶活性改变，导致端粒延长。,常染色体按照由长到短的顺序，分别标记为1到22号染色体，并分为A到G 7组。含Y染色体的为男性，不含Y染色体的为女性。二倍体中每一编号染色体都是成对出现，称之为同源染色体，分别来自父方和母方，其形态、大小基本一致，但DNA水平有所差异。,间期细胞核中，由于女性两条x染色体中的一条处于失活状态而形成一种特殊的深染块状物，称之为x染色质，或x小体、性染色质、Barr小体等。男性的Y染色体长臂因富含重复DNA序列，使着色较深，故又称Y染色质或Y小体。染色体核型的表示方法：先列出染色体总数，接着是逗号，然后是男
29、性(XY)或女性(XX)的表示方式及染色体组成，之间用逗号分开。,二、染色体显带技术与FISH技术,标准染色体显带和高级染色体显带。近年来随着分子细胞遗传学技术的发展，荧光原位杂交技术(FISH)也被广泛用于染色体病的诊断。(一)标准染色体显带技术 1Q显带 喹吖因(quinacrine)染色方法。显带明亮区富含AT区域；显带黯淡区富含GC区。2G显带 吉姆萨染料(Giemsa)染色方法。染色之前，染色体胰蛋白酶对参与组成染色体的蛋白质进行消化，经染色后显示出深浅不同的条带。G带的带型与Q带的带型基本一致。保存久，只需光镜。3R显带 或称反带 明亮的R带相当于G浅带，黯淡的R带相当于G深带。R
30、带的技术要求比较高，且不易控制带型一致性。,4C显带 对结构性异染色质进行染色。各染色体着丝粒的两侧都含丰富的结构性异染色质，故c带染色阳性。第l、9、16号染色体着丝粒附近由高度重复的结构性异染色质DNA组成，故经C带技术处理后，这些区域深度染色，C带也明显大。含常染色质的其他染色体区域则浅度染色或不染色。通过C带技术，可以评估细小的而来源不明的标志染色体的临床意义。Y染色体长臂远段由丰富的结构性异染色质构成，因此也呈c带染色阳性，其染色阳性区域的大小在不同个体间差别很大。5T显带 专门显示端粒的显色方法。,(二)高级染色体显带技术 1高分辨显带 可增加染色体带的数目。高分辨显带方法有多种，
31、最常用的是使培养中的细胞分裂同步化、去同步化，然后通过短时间、低浓度的秋水仙素处理，以得到后早期或早中期细胞分裂相。经过特殊处理的高分辨显带方法，例如复制显带法(replication banding)所得到的染色体带水平可高达l 400条或更多。应用高分辨显带方法，可以把微小的结构性染色体畸变诊断出来。2核仁组织区银染法(AgNOR)用硝酸银溶液选择性地对位于近端着丝粒染色体短臂上的蛋白质进行染色。凡是AgNOR染色阳性(呈黑色)的，表明该区的18S和28S rRNA具有活性。正常个体的每个中期细胞所含的NOR数目通常是510。,(三)分子细胞遗传学技术 分子细胞遗传学(molecular
32、cytogenetics)是20世纪90年代以来发展起来的一门学科，是传统细胞遗传学与分子遗传学相结合的学科。分子细胞遗传学技术始于荧光原位杂交(FISH)。由最初的单色FISH发展到现在的多色FISH:多重FISH(multiplex FISH，或MFISH)、SKY(spectral karyotyping)、RxFISH(又称种间彩色显带，cross species colorbanding)新近报道的CCK技术(color一changing karyotyping)。FISH一般能将小至3 Mb大小的染色体缺失检测出来，从而迅速发展为对染色体病，特别是像Praderwilli综合征一类
33、的微小缺失综合征的主要诊断方法。目前应用FISH技术检测的染色体微缺失综合征在20种左右。,FISH,三、染色体多态性,(chromosome polymorphism)：染色体结构和着色强度在不同的个体中，表现出细微的非病理性的差别。其本质是由于DNA水平的变化所致。染色体多态性可按孟德尔遗传方式向子代传递。这种多态性可用于亲缘关系鉴别或骨髓移植后嵌合度的判断。常见的染色体多态性包括以下几种。(一)随体多态性 不同个体中近端着丝粒所含的随体数目和大小有所不同。(二)倒位结构多态性 在黑种人中，常见一种9号染色体的臂间倒位，约占人群的10，未发现相应的病理学意义。还发现一些其他染色体上的倒位属于良性的染色体变异。(三)染色多态性 染色体着丝粒附近含异染色质的区域，可通过特殊的染色显带(c显带)出来。该区域的大小在不同个体中有差别，尤其是第1、9、16号和Y染色体。,
