医学遗传学-5人类基因组学

人类基因组学四川大学华西临床医学院

医学遗传室

2014年9月G.J.Mendel1822—1884ThomasH.Morgan1866—1945Crick1916-2004

Watson1928遗传学发展先驱目的与要求掌握人类基因组的概念熟悉人类基因组的组成、结构熟悉基因结构与有关概念掌握连锁图和物理图的概念目的与要求续

熟悉人类基因定位的原理和方法熟悉人类基因定位的意义与致病基因定位图了解人类基因组计划基因组是一个生命体遗传信息的总和人类基因组的概念

人的所有遗传信息的总和，包括核内基因组和线粒体基因组。

3.2X109bp20,000-25,000蛋白编码基因人类22对常染色体+XY性染色体人类线粒体（A）

及其基因组结构(B)AB人类基因组的组成细胞核内基因组

24Chromosomes(22常染色体+XY性染色体)3.2X109bp20,000-25,000genes线粒体基因组Double-strandedcirclarDNA16,569bp；37genes单拷贝序列/轻度重复序列单拷贝序列占基因组的60~70%

一般只有单个或几个拷贝包含大多数编码蛋白质的基因轻度重复序列

2-3copies，常被看作单拷贝包含有一些基因家族和基因簇中度重复顺序短分散核元件(ShortInterspersedNuclearElement,SINE)

长度300-500bp，可达75万拷贝。

Alu家族：300bp，30-50万个拷贝，序列170

位有AluI的切点AGCT），约占人类基因组的11%，它们位于基因的非编码区，作为一些反转座子（Retrotransposon），参与与基因表达调控。长分散核元件（LongInterspersedNuclearElements,

LINE）

长度3500-5000bp，高达10万拷贝。

LINE1元件（KpnI重复序列），6000kb，基因组中每隔50kb就有一个LINE1重复，占人类基因组的1%。有的LINE元件编码内切酶（Endonuclease），

例如：RNaseH

。另一些可构成转座元件，使DNA可在基因组内由一个染色体转移至另一染色体。中度重复序列的功能

一般不编码蛋白基因，而参与基因表达调控，包括基因活性的开关、DNA复制的起始、促进/终止、以及RNA转录、hnRNA的处理和mRNA的成熟过程。高度重复顺序

重复单元长度：几个到几百个bp

拷贝数：>106

主要包括：着丝粒、端粒等处的卫星DNArRNA和某些tRNA基因

卫星DNA

高度重复的序列串联而成，在密度梯度离心（或复性试验）时被分离出来。小卫星DNA(Minisatellite)

a端粒DNA（6nt串联重复组成10-15kb）染色体末端，保持染色体的完整性。

b高变小卫星DNA（9-64nt序列重复串联组成）端粒附近，DNA指纹印记所用的DNA多态标记。微卫星DNA(Microsatellite)

由2、3或4个nt重复序列组成,分散在基因组中，位于基因中或基因附近的三核苷酸重复与某些遗传病有关。高度重复顺序的主要功能

不转录，参与染色体结构维持，形成结构基因间隔，可能与减数分裂时同源染色体联会配对有关。一些位于基因中或基因附近的三核苷酸微卫星序列重复可能与某些遗传病发病有关。反向重复序列（InvertedRepeatSequence）

两个顺序相同的互补拷贝在同一条DNA链上反向排列而成，两个互补拷贝共价相接，可以形成链内碱基配对，形成十字结构。

回文序列反向重复序列回文序列（PalindromicSequence）回文序列反向重复序列

两个顺序相同的互补DNA链上反向排列，共价相接,顺读与倒读其意义一样,形成一个假象的轴成180°旋转对称。反向重复序列的功能

可能构成终止序列，参与基因调控。重复序列的遗传特征及其意义

重复序列按孟德尔方式遗传，拷贝数在个体间高度变异，因此可以应用于遗传多态分析，DNA指纹鉴定，基因定位，遗传病的连锁诊断等方面。基因家族（Genefamily）

由一个祖先基因经过重复和变异所形成的一组基因,序列高度同源、成簇地排列在同一条染色体上。这些基因可能同时发挥作用，或在不同发育阶段表达。珠蛋白基因簇：16pter→p13.2

珠蛋白基因簇：11pter→p15.4α-LCR（α位点控制区）Ψζ1ζ2Ψα2Ψα1α2α1θβ-LCR（β位点控制区）εGγAγψβδβ假基因(Pseudogene)

在多基因家族中，某些成员不产生有功能的基因产物，这些基因称为假基因。它们起初可能是有功能的基因，由于基因在复制时编码序列或调控元件发生突变，或是插入了mRNA逆转录的cDNA,缺少基因表达的启动子序列等。例如：珠蛋白基因簇中的假基因Ψ与基因相比，只是失去内含子。串联重复基因

例如45SrRNA、5SrRNA、各种tRNA以及蛋白质家族中的组蛋白基因是呈串联重复排列，故称为串联重复基因。人类线粒体基因组1960年以前，普遍认为DNA只存在于核。

1963年，M.Nass和S.Nass发现线粒体（mt）中含有DNA。他们观察到mt其中一种纤维经DNase处理后，纤维结构消失，以后又在许多动植物细胞线粒体中分离出DNA。

1966年，Slonimski等分析了酵母野生型mtDNA与呼吸缺陷型酵母mtDNA，揭示了线粒体DNA的变化和线粒体结构与功能变化的相关性，首次证明了线粒体具有遗传功能。1981年，英国B.G.Barrell等发表了人mtDNA全长测序的结果。是分子水平上初步清楚基因结构的第一个真核细胞染色体以外的完整的细胞器遗传单位，全长16,596bp。人类线粒体DNA编码基因2个rRNA编码基因（16S、12S）；22个tRNA编码基因；13个蛋白编码基因：COXI,COXII,COXIII/ND1,ND2,ND3,ND4,ND4L,ND5和ND6/A6,A8/细胞色素bmtDNA特点

基因排列紧凑，无内含子序列，基因间间隔小；进化速度快、突变率高于核内DNA，缺乏修复能力；

mtDNA为母系遗传；部分的密码子不同于通用密码子；

UGA(Universalterminalcodon)TrpmtDNA具有半自主性。一些mtDNA突变所致疾病Leber遗传性视神经病（LHON）

MTND4*LHON11778AND4:GA

（精氨酸Arg

组氨酸His）

降低了线粒体氧化磷酸化作用和产生ATP的能力。视神经和视网膜神经元退化。MELAS综合症（线粒体肌病脑病伴乳酸酸中毒及中风样发作综合症）MTTL1*MELAS3243G突变改变了

tRNA-Leu的结构

AG3243位碱基置换人类基因组的组织结构人类基因组的组成分布人类基因组的复杂性

复杂性不仅在于基因数目复杂性依赖于A.剪接，同一个基因能产生不止一个蛋白分子B.

基因部分区段的重排，构成新的组合C.控制基因所激活的时间、部位、方式——调控区基因D.通过糖基化、磷酸化、硫基化和泛素化等化学修饰使一个基因产生多个蛋白质人类疾病基因定位

掌握连锁图和物理图的概念

熟悉人类基因定位的原理和方法熟悉人类基因定位的意义与致病基因定位图了解人类基因组计划遗传标记(Geneticmarker)

DNA序列中可以检出的多态位点，可以是功能基因或基因片断以及可遗传的多态位点。基因定位（genemapping,基因制图）确定基因或基因标记在染色体上位置。基因图

把已定位的基因标注在染色体上的相应区带而得到染色体的基因图。基因连锁图（遗传图，GeneticLinkageMap）

通过家系分析确定基因标记之间的重组率，排列出它们之间的遗传距离而构建成连锁图。

单位：cM厘摩物理图（PhysicalMap）

确定各基因标记间的物理距离而构建的图谱。单位：bp，kb，mb物理图(不同分辨率)遗传图vs.物理图距离遗传距离（相对距离）物理距离（绝对距离）单位厘摩(cM)碱基对(bp)106Maker多态位点染色体区带，STS方法连锁分析RH,FISH基因文库

把人类基因组DNA酶解为许多片段并插入到细菌质粒、粘粒、人工酵母染色体（YAC）细菌人工染色体（BAC）或噬菌体人工染色体（PAC）中，当这些克隆的总和包括或代表了整个人类基因组时，就构成了基因组文库。

EST人类基因组表达图

-----Expressedsequencetag

通过把不同cDNA文库中获得的EST定位到染色体上，即可得到由EST组成的人类基因组表达谱。用途：定位基因获取特定条件下，不同组织器官的基因表达图谱，寻找某一生理过程或疾病相关的基因。

基因定位原理与方法

连锁分析紧密连锁的基因或遗传标记一起传递单基因病的家系分析（遗传方式）

例如：人红绿色盲基因CBD和甲型血友病基因在X染色体上，如果发现其它基因如G6PD与之紧密连锁，则可把这个基因定位于X染色体上。

连锁分析依据相邻等位基因之间的交换重组率衡量它们间的遗传距离。若二者紧密连锁，θ=0；若相距较远，θ=0.5，它们之间自由组合，不连锁。优势对数计分（LODscore，Z）是根据家系资料计算

的一种统计方法(最大似然法)，也是连锁分析应用的主要方法。其公式为：

Z≥3,完全连锁；0<Z<3可能连锁；Z≤0不连锁全基因组范围内的连锁分析和扫描工作采用高信息度DNA多态性标记。如果有足够的家系材料、连锁定位在理论上可以将致病基因定位于相隔1-2cM的标记之间关联分析

通过比较患者与对照组的特定等位基因频率的差异，筛选与疾病关联的等位基因，是确定复杂疾病遗传基础的重要方法。疾病组人数对照组人数合计特异等位基因携带者aba+b特异等位基因非携带者cdc+d合计a+cb+d表8-1疾病与对照组携带特异等位基因人数统计优势率（OR）相对风险比（RRR）PublishedGenome-WideAssociationsthrough12/2012

PublishedGWAatp≤5X10-8for17traitcategories

体细胞杂交

原理：人类体细胞和小鼠肿瘤细胞融合后，杂种细胞内的人类染色体逐步随机地丢失。这样所形成的杂种细胞克隆将只保留特定的少数或一条人类染色体。利用显带技术可以知道这些细胞克隆保留了哪几条染色体。同时通过生化或免疫法对这些杂种克隆的基因产物进行检测，就可以把基因定位在某条染色体上。

体细胞杂交定位

胸苷激酶基因

胸苷激酶(TK)基因的定位

No.杂种细胞克隆中保留的人染色体TK活性1591221—2341721+356141722+43491822—5126720—619171820+核酸原位杂交(in-situhybridization)

杂交在固定的染色体上进行CartoonofFISH

荧光原位杂交定位基因实例

多色荧光原位杂交Fiber-FISH定位的致病基因(21-Y)基因定位的医学意义致病基因的分离克隆功能克隆（Functionalcloning)蛋白质到DNA，表型到基因型的策略氨基酸测序合成探针（设计简并引物）文库筛选蛋白质制备抗体表达文库筛选举例：白化症、苯酮尿症、镰状贫血定位克隆(Positionalcloning)

基因功能未知，先将基因定位到染色体上，缩小候选区域，鉴定分离致病基因。位置候选克隆法（positionalcandidatecloning）

通过连锁图谱与连锁分析先将致病基因定位于染色体某一适当狭窄的区域，在对该区域中分布的基因位点一一进行筛选和确认，从而找到与遗传病相关的基因.

适用对象：多基因或表性复杂的疾病基因基因定位与临床

连锁分析检测基因突变指导遗传病的诊断

随着基因定位图日趋详尽，一旦发现某一遗传病与任何一个已知基因或遗传标记共同传递，就可以判定致病基因与某一多态片段连锁，从而对是否是携带者或患者作出诊断。现有许多试剂盒可以进行这方面的诊断。邻接基因综合症

----Contiguousgenesyndromes

几个相邻的基因异常引起的疾病，临床上反映了基因在染色体上的位置关系，对许多遗传病临床表现的差异或多样性提供了合理解释。例如：DMD患者常伴有智力低下，个别患者还伴有视网膜色素变性和慢性肉芽肿病。

人类基因组计划

（HumanGenomeProject）

人类自然科学发展中的三大计划曼哈顿原子弹计划阿波罗登月计划人类基因组计划

1990年正式启动，计划历时15年完成，2001年2月15日由美、英、日、德、法、中6国联合在《NATURE》，美公司Celera在《SCIENCE》上公布人类基因组序列的工作草图。2003年4月（提前2年）在纪念DNA双螺旋模型发表50周年之际，公布人类基因组全序列完成。主要内容：1）鉴定人类基因组所包含的大约30,000个基因；2）测定人类基因组大约30亿个碱基对；3）建立数据库储存所获得的数据；4）增强数据分析的工具；5）向私营企业转让相关技术；6）处理人类基因组计划引起的伦理、法律和社会问题。测序策略ShotgunStrategyShotgunStrategy大规模测序仪Sequencemap数据库核酸数据库：GenBankDatabase:NIH的DNA序列数据库，包含了所有公共数据。Updateper2monthsDDBJ（DNADataBankofJapan）EMBL(EuropeanMolecularBiologyLaboratory)NCBI：Ethical,LegalandSocialIssues

(ELSI)人类基因组基础数据的共享

Fairnessintheuseofgeneticinformationbyinsurers,employers,courts,schools,adoptionagencies,andthemilitary,amongothers.

Whoshouldhaveaccesstopersonalgeneticinformation,an