课件：医学遗传学人类基因组学.ppt

医学 遗 传 学 Medical Genetics,2,第三章 人类基因组学,基因组（genome）指生物成熟生殖细胞（单倍体细胞）内贮存遗传信息的所有DNA分子的总和，存在于细胞核内的称细胞核基因组，存在于细胞器（如线粒体和叶绿体）中的称核外（细胞器）基因组。,第一节 人类基因组,3,人类细胞质中仅线粒体有遗传物质存在，故人类基因组包含了细胞核基因组和线粒体基因组。 人类体细胞是二倍体细胞，含有两套细胞核基因组和两套线粒体基因组。,4,细胞核基因组含有人类绝大多数基因，每个单倍体细胞核基因组约含2.91109bp（碱基对），编码2.5106种蛋白质，编码蛋白质的结构基因约只有2500040000个（占整个基因组长度的1%1.5%）。主要形式有单一序列和重复序列。,一、基因组的结构与功能,5,单一序列（unique sequence）：在一个基因组中仅出现一次或很少几次，即只有一个或几个拷贝，平均的基因大小27kb。大多数结构基因属这种结构形式。 重复序列（repetitive sequence）：在基因组中有多个拷贝，约占50%。根据拷贝数目的不同，可分为四类：,6,高度重复序列（highly repetitive sequence）：拷贝数106108，长度2200bp。如卫星DNA（satellite DNA）和反向重复序列（reverted repeat sequence）。高度重复序列不能转录，但参与染色体结构的维持、形成结构基因间隔等，如构成着丝粒、端粒等的卫星DNA。,7,中度重复序列（intermediate repetitive sequence）：拷贝数105以上、长度300500bp的称短分散元件，拷贝数102104、长度50007000bp的称长分散元件。中度重复序列一般不编码蛋白质，但在基因调控中起重要作用，如属于SINE的Alu家族和属于LINE的KpnI家族。,8,由一个基因产生多次拷贝，具有几乎相同的顺序，成簇地排列在同一条染色体上，形成一个基因簇(gene cluster)。它们同时发挥作用，合成某些蛋白质。,一个多基因家族的不同成员成簇地分布在几条染色体上，成员间序列有所不同，编码一组关系密切的蛋白质。,多基因家族(multigene family)：由一个祖先基因经过重复和变异形成的一组来源相同、结构相似、功能相关的基因。,9,拟基因(pseudogene)：也称假基因，指在多基因家族中，某些成员不产生有功能的基因产物，这些基因称为拟基因，常用表示。,株蛋白基因簇,10,二、真核生物基因组结构与功能的特点,1真核生物的基因组DNA都是双链线状的，并与蛋白质结合形成染色体，而且染色体数目往往不是一条，而是多条 。,2真核生物基因组除了配子(精于和卵子)为单倍体外，体细胞一般为双倍体，即含两份同源的基因组，而原核生物的基因组则是单拷贝的。,11,3真核基因组一般比较庞大，结构复杂，每一DNA都具有许多复制起点，每个复制子大小也不一。,4 基因是断裂基因(split gene)，即编码序列被非编码序列分隔开来。,5结构基因的转录产物为单顺反子( monocistron)，即一分子mRNA只能翻译成一种蛋白质。但由于存在不同的剪接机制，所以转录的最终产物可以不同。,12,6真核生物基因组中含有大量重复顺序和基因家族。,7真核生物基因组内非编码的顺序(non-coding sequence，NCS)占90以上，远远多于编码区。,8真核生物基因组内功能相关的基因构成各种基因家族，它们可串联在一起，亦可相距很远，但即使串联在一起的成簇的基因也是分别转录的。,13,9真核生物基因组中也存在一些可移动的遗传因子(mobile genetic elements)，这些 DNA片段并无明显生物学功能，似乎为自己的目的而组织，故有自私DNA(selfish DNA)之称，其移动多被RNA介导，如在哺乳动物及人类基因组中发现的逆转座子，也有被DNA介导的，如在果蝇中发现的DNA转座子。,10真核生物除核基因组外，还有细胞器基因组，而且细胞器基因组对生命是必须的，不像原核生物质粒DNA基因组对细菌的生存不是必须的。,14,人类基因组组成,15,线粒体基因组（mtDNA）,双链环状，自主复制，多拷贝； 基因排列紧凑，几无内含子，基因之间间隔极短、无间隔甚至重叠； 高效转录,缺少终止密码子,仅以U或UA结尾； 突变率高，缺乏修复能力； 母系遗传； 部分密码子不同于核内DNA的密码子,双链环状DNA，16569bp长，能自主复制，共含有37个基因，其中13个蛋白质基因、2个rRNA基因和22个tRNA基因。某些神经系统和神经肌肉系统疾病可能与mtDNA基因突变有关。 mtDNA的特点:,16,第二节 人类基因组学,人类基因组计划是美国科学家于1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。 计划于1990年正式启动，这一价值30亿美元的计划的目标是，为30亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。,17,自然科学史上的三大计划,18,一、HGP的目标与任务,人类基因组计划的最终目的是破译人类DNA分子中核苷酸的全部顺序以建立人类遗传物质的全套信息数据库，为从整体上揭示人类发生、发育、衰老、死亡和疾病的奥秘提供最基本的数据。 任务在于在制图的基础上测序，最后获得四张图谱（遗传图、物理图、转录图、序列图），这四张图组成人类不同层次的、分子水平的“第二张解剖图”，成为人类认识自我的新的知识源泉。,遗传图,物理图,转录图,序列图,19,（一）遗传图,遗传图(genetic map)又称连锁图(linkage map)。,以具有遗传多态性的遗传标记(genetic marker)为路标,以遗传学距离为图距绘制的基因组图。,遗传多态性(polymophism)为在某个遗传位点上具有一个以上的等位基因,且其在群体中出现的频率均高于1%。,遗传学距离则是指在减数分裂事件中,两个位点之间进行交换、重组的百分率,并规定1%的重组率为1(centiMorgan,厘摩)。,20,多态性标志 第一代： 限制性酶切片段长度多态性（restriction fragment length polymophism，RFLP） 第二代：简单序列长度多态性（simple sequence length polymophism，SSLP） 第三代：单个核苷酸多态性（sequence tagged site， SNP）,21,（二）物理图（physical map ）,以一段已知核苷酸序列的DNA片段为标记,以Mb或Kb作为图距绘制的基因组图，称为物理图(physical map) 。该DNA片段称序列标记位置(sequence tagged site，STS)。,物理图的意义在于STS可把经典遗传学与细胞遗传学的位点信息转化为基因组位点的物理信息，基于STS位点信息的相连片段群又提供了研究区域的实验材料，以这些片段的材料便可进行该区域的基因组研究或在该区域寻找新基因。,22,（三）转录图,转录图（transcription map）将最终成为基因图，就是在人类基因组中鉴别出占据2%长度的全部基因的位置、结构与功能。,把mRNA先分离、定位，再转录成cDNA，这就构成一张人类基因的转录图，cDNA片段又称表达序列标签(exprossed sequence tag，EST)，因此转录图也称为表达序列图。,由于cDNA具有组织、生理与发育阶段的特异性，因此EST除提供序列信息外，同时也提供了该基因表达的组织、生理状况与发育阶段的信息。,23,（四）序列图,序列图（sequence map）人类基因组的核苷酸序列图也就是分子水平的最高层次的、最详尽的物理图。,基因组全序列图实际上是一个“代表性人类个体”的序列图，因为所有人类基因个体的基因位点都是相同的,不同族种、个体的基因差异,以及正常与致病基因的差异,只是同一位点上的等位基因的差异。,测定的总长度约为1米，由30多亿核苷酸组成的序列图是人类基因组计划中最为明确、最为艰巨的定量、定质（准确性）、定时的任务。,24,HGP将给人类带来的好处,1、将带动一场医学革命 用基因图谱看病 基因药物治病 基因检测预防隐患 基因治疗疾病,2、获取了操纵生命的工具 控制生命的孕育优生优育 延长人的寿命 选择最佳生活环境,3、得以进行精确的个体鉴定 基因身份证 生物考古,4、将带来巨大的商机 生物制药 器官培植,二、HGP对人类的影响,25,HGP 可能给人类带来的隐患, 社会平等与基因歧视 科技进步与基因技术滥用 社会公正与基因成果利益的均等分配 技术的不确定性和基因安全,26,三、后基因组时代,后基因组计划(post-genome project)还包括人类基因组多样性计划、比较基因组学、工业基因组学、药物基因组学、疾病基因组学以及蛋白质组学等方面。,HGP基本目标与任务只是一个以测序为主的结构基因组学研究，随着该目标的实现，“生物信息学(bioinformatics)”、“功能基因组学”、“蛋白质组学”兴起，HGP研究的重心逐步由结构向功能转移，即基因组功能信息的提取、鉴定和开发利用，以及与此相关的数据资料和技术手段的储存和使用。,27,基因组时代的“钓鱼”和后基因组时代的“捞鱼”,28,结构基因组学,高通量的蛋白质三维结构分析，为蛋白质的功能研究和药物设计提供基础,29,比较基因组学（comparative genomics）是指在基因组的层次上，比较不同基因组之间的异同。,比较基因组学,HGP的启动意味着比较基因组的问世,致病基因的鉴定、肿瘤表达图的构建，及不同组织、不同时间的基因图的构建，都已属于比较基因组的范畴。,30,工业基因组学（industrial genomics）将是本世纪的支柱工业之一，是研究基因组学的工业应用的学科。,工业基因组学,作为动物反应器来生产人类生物制品的转基因猪、牛、鸡都已问世。能够提供人体器官的转基因动物已在实验室进行尝试。,在基因组层次上改良原有的遗传结构来培育新的动、植物品种也已取得可喜的进展。可以预料，在本世纪里，新的食品、药品将越来越多地打上基因组学的印记。,31,是研究药物人体作用的遗传分布，以满足临床需要。,药物基因组学（pharmacogenomics）,生命科学技术系,32,主要任务是分离重要疾病的致病基因与相关基因，以及确定其发病机制。,我国许多疾病的发生与西方人群存在差别，肝癌、鼻咽癌、食管癌的发生率明显高于西方；1型糖尿病发生率明显低于西方。这些差别表明，除环境外，遗传因素也有重要作用。近年来，心血管病、糖尿病、老年痴呆症、精神分裂症等多基因病的发生率在中国不断增高，在大城市已接近西方水平。,利用这些疾病遗传资源，分离在我国发生率高、危害性大的重要疾病的致病基因或相关易感基因将是今后医学研究的重点。,疾病基因组学(morbid genomics),33,蛋白质组学（proteomics）研究细胞或组织中基因组所表达的全部蛋白质，尤其是不同生命时期，或正常、或疾病或给药前后的全部蛋白质的变化。,后基因组研究的进展将为医学发展提供的线索和机遇，从基因表达谱的变化、细胞内信号转导过程异常等角度认识疾病将是医学发展中的重要变化。后基因组研究将对各种疾病的发生机制做出最终的解释，也将在各个层次和水平上为疾病的诊治提供新的线索。,蛋白质组学,第三节 致病基因遗传分析技术,一、基因定位（gene mapping） 就是用一定方法，将各个基因确定到染色体的实际位置。,工作历史 主要方法 连锁分析（linkage analysis） 体细胞杂交（somatic cell hybridization） 原位杂交（hybridization in situ） 放射杂种（radiation hybrid） 计算机识别（computer identify）,1连锁分析 同一条染色体上的不同基因呈线性连锁关系，在减数分裂后，结合家系分析，可鉴定子代中的重组体，通过重组值计算，可推断待定位基因与已定位基因间的连锁关系和遗传距离，而实现基因定位。,两个基因如非连锁，则重组值=50%，即随机组合。,A,b,a,B,A,b,a,B,A,B,A,B,a,b,a,b,a,b,a,B,A,B,A,b,两个基因如连锁，则重组值50%，且重组值与遗传距离成正比。,体细胞杂交 人/鼠融合细胞的特点： 融合细胞兼有有双亲细胞染色体，但鼠一方染色体一般全部保留，而人一方染色体在细胞增殖过程中优先丢失，以至最后仅剩少数几条，乃至1条人染色体。结合染色体显带和生化分析技术，可把某些生化性状决定基因定位在保留的一条染色体上。,杂种细胞克隆嵌板,3.原位杂交 是核酸分子杂交技术在基因定位中的应用。用经放射性同位素标记的探针，同染色体标本载玻片上原位变性的染色体DNA进行分子杂交，通过放射自显影来检测与探针杂交结合的染色体同源序列，依据放射性探针在染色体上的显影位置进行基因定位。,荧光原位杂交 （ fluorescence in situ hybridization， FISH） 用荧光素标记的探针与标本玻片上的染色体DNA进行分子杂交。根据荧光信号在染色体上的位置进行基因定位。,4.计算机分析,用计算机识别序列图中的信号序列，并将计算机识别的结果同用其他技术方法基因定位的结果相比较，可以帮助我们更科学地估算人类基因组中基因的数量。,二、基因克隆（gene cloning） 是从基因组中把某一基因用一定方法分离出来，以便进行单一基因精细结构和功能的研究。,基因克隆的三种策略： 功能克隆（functional clonins） 定位克隆（positional clonins） 候选克隆（cardidate clonins）,1.功能克隆,根据目的遗传性状的特征，分析决定基因的功能，推测有关蛋白质。 分析纯化这一蛋白质，并测出部分氨基酸顺序。 根据遗传密码推测可能的mRNA序列。 设计相应的寡核苷酸探针，杂交筛选cDNA或基因组DNA文库，最终获得决定基因的基因克隆。,2.定位克隆,收集目的遗传病的家系，选择遗传标记进行连锁分析，建立目的遗传病与基因组中某染色体区域中遗传标记的连锁关系。 根据这一位置信息，将遗传图中初步确定的位置，转变成物理图中相应区域的DNA“邻接克隆群”。,从相应区域的“邻接克隆群”中筛选可表达的结构基因，作为候选基因； 在若干个候选基因中进行转录表达和突变鉴定分析，最终将目的遗传病的决定基因精确定位和分离克隆该基因。,定位克隆(positional cloning)策略示意,功能克隆与定位克隆的比较,3.候选克隆,候选克隆策略是在已定位和已克隆的基因越来越多的背景下，形成的一种新的基因克隆途径。 分为： 定位候选克隆 功能候选克隆,从系列候选基因克隆中