从基因染色体到临床特征

从基因、染色体到临床特征萍乡市妇幼保健院

——欧阳宁示光学显微镜下所见的人细胞核照片

示电子显微镜下所见的人体淋巴细胞的细胞核照片——可见染色质丝染色质丝

示染色质丝的电子显微镜照片——由从串的核小体组成

示21号中期染色体的光学和电子显微照片

核小体

一个染色单体为一条染色质丝示一个男性细胞的染色体组成及配对分析照片示由一个DNA双螺旋分子经过多极螺旋化形成光学显微镜下一条中期染色体的过程（总计压缩了1/8400）示细胞核、染色质丝、染色体之间的关系照片DNA

一条染色体是一条染色质丝；一条染色质丝由一个脱氧核糖核酸分子（DNA）组成示脱氧核糖核酸分子（DNA）的组成

示中期染色体由两条姊妹染色单体即两条染色质丝(两条DNA分子)组成

一条染色质丝是一个DNA分子示染色质丝、DNA分子双螺旋结构、DNA分子的核苷酸组成染色质丝DNA分子双螺旋结构一条DNA单核苷酸链DNA由两条互补的核苷酸链组成“遗传物质突变”所致的疾病称为“遗传病”，“遗传物质的突变”本质上是DNA分子在剂量或序列上的改变，是一个从分子水平到细胞水平的连续过程。“人类基因组计划”的完成，为开创一种通用的、能一次性完成全部“染色体病”、“基因组病”、部分“单基因病”的诊断和产前诊断方法，提供了理论与技术基础。染色体号单核苷酸数(Mb)基因数目染色体号单核苷酸数(Mb)基因数目染色体号单核苷酸数(Mb)基因数目1222.8(3.99倍)1988(0.11Mb,110kb)9117.87781777.811042237.5124610131.67301877.62673194.6103311131.112641955.8(1倍)1337(0.04Mb,40kb)4187.274312130.310092059.55925177.78341395.63182134.22436167.310501488.36462234.84717154.79161581.3589X150.47668142.66921678.9839Y24.876人类基因组计划公布的“各号染色体大小及基因数目”

（1对核苷酸为1bp;1000bp=1kb;1000kb=1Mb;1000Mb=1Gb)总计：2.85Gb资料来源Finishingtheeuchromaticsequenceofthehumangenome

Nature,Vol431,21October2004∣/nature

(28亿5千万个单核苷酸)总计19531个基因“遗传病”是DNA分子在剂量或序列上的改变所致的疾病，并严格按三大遗传规律（分离律、自由组合律、连锁、交换律）遗传；百余年来基于所用研究技术和观察方法上的局限性，而人为的将“遗传病”分为了”基因病“、”基因组病“和”染色体病“。“基因病”——从分子水平的单个核苷酸改变到数个、数十个、数百个、数千、数万个核苷酸改变所致的疾病（1bp→10kb个核苷酸）,国内外现行的经典的方法是对DNA分子进行测序；至2010年10月18日止，已确定的人类单基因病总数为10203种，已克隆致病基因有7951种。“基因组病”——从一个基因改变到数个、数十个、数百个基因的改变所致的疾病（10kb→5Mb个核苷酸)，又称为微缺失、微重复综合征，国内外综合采用染色体FISH、Q-PCR、Array-CGH技术相结合进行检测；至今已记录有70余种。“染色体病”——染色体上一个次亚带、亚带、带、一个区到一条染色体、一组染色体的改变所致的疾病（5Mb→240Mb个核苷酸），国内外普遍采用不同的方法对染色体进行显带，然后利用光学显微镜观察、鉴定；至今已记录的染色体综合征有108种。示基因病检测技术示染色体病检测技术Chr12.17688908bp-17940493bp28724178bp-28889151bp28724178bp–17688908bp=11Mb重复全基因组拷贝数检测示基因组病检测技术示一对染色体的遗传（一对染色体可以形成两种类型的配子，四种类型的后代，即21×21=4）

如果第一个小孩为AC，那么生第二个小孩可能是AC、AD、BC、BD，因此一个人与亲生父母、亲兄弟姐妹之间的关系是1/2的关系，即具有同一条染色体的机率为1/2，这就是进行亲子鉴定的理论基础。从染色体、基因到蛋白质（1）

父亲的Y染色体只传给儿子，X染色体只传给女儿；儿子X染色体是来自母亲，这就是外孙儿像外公或舅舅一样患同一种遗传病的遗传基础。示X、Y染色体的遗传分子遗传学证明，“基因”是组成染色体的DNA分子的一个区段，DNA链上的核苷酸有一定的序列，这序列就携带了遗传信息。在分裂型细胞中，DNA的链拆开，以每条单链为模板，按照核苷酸互补原则进行半保留复制；在代谢型细胞中，DNA的双链拆开，以DNA双链中的一条（基因链）为模板，按互补的原则转录为信使RNA（mRNA)，mRNA与DNA仅有一种核苷酸的差别(即脲嘧啶U代替了胸腺嘧啶T),成熟的mRNA由细胞核进入细胞质中，在核糖体上指导合成相应的多肽，即以mRNA分子的三个相邻的核苷酸（又称遗传密码子）决定一个氨基酸的方式翻译为多肽，再加工成蛋白质或酶。

示分裂型细胞中染色体半保留复制示代谢型细胞中从基因到蛋白质的信息传递图示各种氨基酸的mRNA的三联体密码子从染色体、基因到蛋白质（2）

临床所见往往是智力低下、发育不良、五官不正、四肢畸形、心肾功能不全或各器官系统的异常所导致的病状和体征，形成这些临床特征的基础，常常可追朔到细胞形态的异常、代谢的异常、蛋白质的异常、酶的异常等等，但其本质都是基因或染色体的异常，甚至包括某些传染病在内，如疟疾的易感性等，均可以在基因水平上找到答案。分子遗传学证明，基因是组成染色体的DNA分子的一个区段，DNA链上的核苷酸有一定的序列，这序列就携带了遗传信息。在分裂型细胞中，DNA的链拆开，以每条单链为模板，按照核苷酸互补原则进行半保留复制；在代谢型细胞中，DNA的双链拆开，以DNA双链中的一条（基因链）为模板，按互补的原则转录为信使RNA（mRNA)，mRNA与DNA仅有一种核苷酸的差别(即脲嘧啶U代替了胸腺嘧啶T),成熟的mRNA由细胞核进入细胞质中，在核糖体上指导合成相应的多肽，即以mRNA分子的三个相邻的核苷酸（又称遗传密码子）决定一个氨基酸的方式翻译为多肽，再加工成蛋白质或酶。各种氨基酸的遗传密码子见表。一、基因突变的遗传效应图示各种氨基酸的mRNA的三联体密码子由此可知，人体内蛋白质或酶是在基因所携带的遗传信息的控制下合成的．通俗地说，有什么样的基因，就决定产生什么样的蛋白质或酶，就导致出现什么样的遗传性状。一旦ＤＮＡ发生了改变，即遗传学上所说的基因突变，蛋白质或酶变随之发生改变，遗传性状也就会跟着发生某种相应的变化，许多分子病和遗传代谢病就是如此。例如，人类有一种较严重的遗传疾病叫做镰形细胞贫血症，正常人的红细胞好似一个双凹的圆碟子，而这种病人的细胞在缺氧时像一把镰刀。患者严重贫血，发育不良，容易感染各种疾病，一般都在成年之前死亡。本病主要分布在非洲，也散布于地中海区，由于杂合子对疟疾有较大的抗性，故与疟疾的地理分布相一致。Ｃ示患者脱氧ＨbS红细胞的扫描电镜图（×6000)ABCA示正常红细胞Ｂ示HbS患者红细胞

早在40年代末，人们就知道这种疾病是一种发生在血红蛋白分子上的遗传病。血红蛋白分子(HbA)是由4条多肽链组成：两条链，每条链含有141个氨基酸，决定该链的基因位于16号染色体；两条链，每条链含有146个氨基酸，决定该链的基因位于11号染色体上。图示血红蛋白分子结构图示血红蛋白链（含141个氨基酸，决定该链的基因位于16号染色体上）

图示血红蛋白链（含146个氨基酸，决定该链的基因位于11号染色体上）缬（6）

镰形细胞的血红蛋白（HbS）和正常人的血红蛋白在组成上有什么不同呢？原来正常人的链从氨基开始的一端数起，第6位上的氨基酸是带有负电荷和极性侧链的亲水性的谷氨酸，而镰细胞贫血症患者在这个位置上的氨基酸变成了不带电荷且具有非极性侧链的疏水性的缬氨酸，也就是说，在血红蛋白分子的4条多肽链的574个氨基酸中，只有2个氨基酸的差别，即2个疏水的缬氨酸替代了2个亲水的谷氨酸。

为什么会出现这2个氨基酸的替代呢？原来是位于11号染色体上的决定链mRNA形成的DNA分子（基因链）发生了一个由核苷酸T被A替换的突变，即CTT变成了CAT。基因的突变导致mRNA中这个有关的遗传密码子中的第2个核苷酸由A变成了U，即GAA变成了GUA，从而使血红蛋白的链氨基端第6位上的谷氨酸变成缬氨酸（见下表）。

由于被2个缬氨酸替代了谷氨酸的这种异常血红蛋白，在稀氧状态下，比正常血红蛋白的溶解度低5倍，于是在氧分压低的毛细管区，HbS的溶解大大降低而形成管状结构和凝胶化，导致红细胞变形成镰刀状，即“镰变”。镰变是可逆的，氧张力增加时，红细胞能够恢复。但如果镰变时间延长，细胞膜便遭受到不可逆的损害，这种镰形细胞就被网状内皮细胞从循环系统中清除掉，造成严重的贫血、虚弱和疲乏无力。由于异常的红细胞变得很僵硬，不能通过微循环，又加上凝胶化的结构使血液粘滞性增加，致使微循环阻塞，局部组织缺血、缺氧甚至坏死，从而出现急性骨关节痛和腹部疼痛。

根据血管闭塞的部位不同，临床上可出现不同器官的病变。如果涉及肾血管，可引起肾功能衰竭；如果涉及心脏的血管，可引起心力衰竭；如果累及肝、脾、神经，则可造成肝、脾、神经损伤等等。这就告诉我们，虽然基因（DNA分子）并没有携带红细胞的形态及贫血症等性状，而只带有合成有关蛋白质的遗传信息，信息变了，翻译出来的蛋白质结构也就改变了，由此引起的蛋白质构型和功能发生改变，从而破坏了人体代谢调节的正常活动，造成了一系列的临床症状──腹痛、四肢疼痛、血尿、肾衰、心衰、脾大、梗塞，乃至脑血管意外等等（见下表）。

人类约3万个基因，分别位于23对染色体上，组成24个基因连锁群。每个连锁群中基因的排列顺序，其毗邻关系是恒定的。染色体重排往往改变了基因之间的毗邻关系，而导致具有相同基因组成（基因型genotype）的个体表现出不同的性状(表现型phenotype)，即位置效应(positioneffect)。

二、染色体突变所致的基因位置效应人的各号染色体大小及估计的基因数

染色体碱基数(Mb)基因数目染色体碱基数(Mb)基因数目染色体碱基数(Mb)基因数目1222.819889117.87781777.811042237.5124610131.67301877.62673194.6103311131.112641955.813374187.274312130.310092059.55925177.78341395.63182134.22436167.310501488.36462234.84717154.79161581.3589X150.47668142.66921678.9839Y24.876（1对核苷酸为1bp;1000bp=1kb;1000kb=1Mb;1000Mb=1Gb)总计：2.85Gb资料来源Finishingtheeuchromaticsequenceofthehumangenome

Nature,Vol431,21October2004∣/nature

（一）在果蝇细胞遗传学研究中所观察到的基因位置效应

1914年S.C.Tice发现果蝇X连锁的显性棒眼突变型以后，到1936年的22年期间，通过果蝇杂交实验发现了如下的遗传现象：

（棒眼）（正常眼）（超棒眼）

1936年Bridges用唾液腺染色体作为材料，在研究果蝇棒眼突变与染色体结构畸变的关系中，发现果蝇的正常眼是由X染色体1641—1647这一段的6条横纹所决定；这6条横纹重复2次，则表现为棒眼突变，如重复3次则表现为超棒眼突变。如图综合上述研究的结果，如下图：图示纯合棒眼雌果蝇的X染色体在减数分裂中由于同源染色体之间的不等交换产生了具有3个区段和1个区段的X染色体

综上述，正常雌果蝇的二个节段分别位于两条X染色体上，棒眼雄果蝇的二个节段位于同一条X染色体上，它们均带有两个节段，但由于位置不同，一个表现正常眼，一个表现为棒眼；纯合棒眼雌果蝇每条X染色体上含两个节段，共含四个节段；超棒眼雌果蝇一条X染色体上含三个节段，另一条X染色体含一个节段，也共含四个节段，但前者表现为棒眼，后者表现为超棒眼。该研究说明基因对表型的影响不仅决定于基因的数量，而且与基因在染色体上的位置直接相关，这就是“基因位置效应”。

（二）在人类细胞遗传学研究中所观察到的基因位置效应

70年代以来，随着人类染色体显带技术的发现及其应用表明，在人类中同样存在基因的“位置效应”。1、位置效应引起着丝粒失活：

例1．45,X,psudic(13;Y)(p11;q11.2)

例2．45,X/46,X,terrea(X;X)(pter→cen→q28::q28→pter)

。

例1Y染色体上的着丝粒和例2当中的一条X染色体上的着丝粒的DNA组成并未发生改变，但由于位置的变化使它失去了着丝粒的复制特点和功能。2、位置效应引起基因失活导致的疾病例1视网膜母细胞瘤（RB）是一种常见于婴幼儿眼部的恶性肿瘤，可分为遗传型和非遗传型两类。通常认为双眼发病的为遗传型，单眼发病的多为非遗传型。大约有5%的RB患者体细胞可出现13q缺失，虽缺失片段的长度因人而异，但均包括13q14带。通过对不同缺失型RB患者的研究，已将RB基因定位于13q14带，并证明RB基因与酯酶D（ESD）基因位点紧密连锁。q14

曾报道一例具有X/13易位的RB女性患者，易位断裂点发生在13q13带远侧端，13q14→qter易位到了X染色体上，13q14带完整无缺。迟复制X染色体技术检查，其易位X染色体失活。体细胞杂交和ESD定量测定表明，易位的失活X染色体将其失活效应扩展到了与之相连接的13q14带上，而引起了ESD基因位点和RB基因位点的失活（位置效应），即ESD基因和RB基因功能性丧失（基因失活），导致了与13q14带缺失的同样的遗传效应，即ESD基因活性的降低和视网膜母细胞瘤的形成。RbRbTr.XESDESD

例2Duchenne型肌营养不良症（DMD）是一种X连锁隐性遗传疾病，其基因位于X染色体的p21带处。患者通常5岁左右发病，逐渐表现出鸭步。查体可见躯干及四肢近端肌肉萎缩，并有翼状肩，腓肠肌、棘上肌、三角肌和三头肌等肌肉有假性肥大现象，最后由于肌肉萎缩导致死亡。通常是带有该隐性基因的男性患病，女性杂合子为隐性基因的携带者，表型正常。近年来，对少数带有Xp21/常染色体易位的女性杂合子患者的研究查明，发现有90-100%的细胞具有一条迟复制的正常的X染色体；而在一些同时具有智力低下的DMD患者中，其易位到X染色体上的常染色体片段常常是失活的，也就是说，这些常染色体上的基因，由于位置的改变（位置效应）而导致了其功能丧失（基因失活），从而使患者表现了部分单体患者常见的特征即智力低下。

3、位置效应引起的淋巴瘤高度恶性的Burkitt淋巴瘤具有t(8;14)(q24.13;q32.3)易位染色体；恶性程度低的滤泡性小裂开细胞淋巴瘤具有t(18;14)(q21.3;q32.3)的染色体异常。它们的供体染色体8q24.13和18q21.3带分别为原癌基因c-myc和c-bcl2的位点，其共同的受体染色体14q32.3带是免疫球蛋白的重链编码基因的位点；当携带有癌基因的8号或18号染色体易位到带有免疫球蛋白基因的14号染色体上，癌基因与免疫球蛋白基因邻接，由于“位置效应”，癌基因被免疫球蛋白基因激活，引起了淋巴瘤。

1960年Nowell和Hungerford在美国费城发现慢性粒细胞白血病（CML）病人具有一条比G组染色体小的染色体，并命名为费城染色体（Ph1）。70年代用显带染色体证明费城染色体是由t(9;22)(q34;q11)染色体易位形成的，4、染色体易位形成的融合基因导致白血病

ablbcrder(22)(p145)NH2-bcr-abl-COOH(p210)

1982年以后通过对Ph1阳性和阴性CML病人的相应DNA片段的分析证明，两者都存在着c-abl和bcr两个基因的并置，它们在异常的22号染色体上的结构是着丝粒-5’bcr-abl-3’末端。用分子杂交、核苷酸序列分析和蛋白质分析技术，对正常人和Ph1阳性CML病人的研究证明，正常细胞含约6kb的正常的c-abl基因转录本，并产生具145KD的c-abl蛋白质（P145）；而Ph1阳性的CML病人的白血病细胞则含一个异常的约8kb的融合基因bcr/abl的转录本，并产生一种具210KD的异常的杂合的蛋白质（NH2-bcr-abl-COOH）(P210)。由于P210具有酪氨酸激酶的活性，而P145则几乎测不到此酶的活性。从而提示，一个染色体的易位，导致了一个新的融合基因的出现和一种新的能激活细胞的蛋白质的产生，从而始动了细胞的恶性变。

5、在基因治疗中外源基因插入的

“位置效应”导致白血病“基因治疗”被认为是当今生物医学领域发展史上的一个重要里程碑。自1990年第一个基因治疗方案在美国被批准进入临床试验，至今治疗病人数超过5000人，然而基因治疗的发展并非一帆风顺。1999年法国AlainFischer领导的小组用基因治疗方法成功地治愈了二例X连锁致死性联合免疫缺陷症病儿，并在Science上发表了文章。当时被认为是“基因治疗”的一个划时代的成就。随后英国、美国、德国等国家采用同样的方法开展了同类患儿的治疗。一个划时代的成果Cavazzana-Calvo,M,etal.Science,2000,April,Vol288:669-672.

然而不幸的是在上述法国巴黎Necker儿童医院完成的11例基