人类基因和基因突变

人类基因和基因突变第1页/共81页教学要求掌握基因、断裂基因、基因组等概念；掌握基因的化学本质，DNA分子结构及其特征；掌握基因的分类，熟悉断裂基因的结构特点；掌握人类基因组DNA序列类型与特点；熟悉基因复制的过程和特点，基因表达的过程，RNA编辑及其意义。第2页/共81页第一节基因的概念1865年孟德尔发表了《植物杂交试验》，提出生物体的性状都是由遗传因子控制的。1909年，丹麦遗传学家W.L.Johanson提出用基因（Gene）这个术语来代替孟德尔的遗传因子。1910年Morgan通过果蝇杂交实验指出，基因呈直线排列于染色体上，基因是遗传的基本单位—突变单位、重组单位和功能单位。一个基因决定一种酶（1941年）→→一个基因一种蛋白质→→一个基因一条多肽链第3页/共81页1951年美国女遗传学家McClintock提出了跳跃基因的概念，认为基因成分可从一个位置转移到另一个位置。

1953年Watson和Click建立了DNA双螺旋模型。麦克林托克

WatsonandCrick第4页/共81页表2-1认识基因的历程年份基因相关的重要遗传学事件1865提出“遗传因子”的概念1871发现核酸1903发现染色体是遗传物质的载体1909提出基因（gene）这个名称代替“遗传因子”1910基因呈直线排列于染色体上1927发现突变是基因内的物理变化1931发现交换引起重组1944证明DNA是遗传物质1945证明基因编码蛋白质1951首次提出跳跃基因（jumpinggene）;蛋白质测序1953提出DNA双螺旋结构模型1957提出顺反子（cistron）的概念1958证明DNA半保留复制1961提出操纵子模型学说；发现三联体密码1977发现真核基因的不连续性,即断裂基因（splitgene）;DNA可以测序；发现重叠基因（overlappinggene）1995首次基因组测序第5页/共81页现代遗传学认为，基因（gene）是决定一定功能产物的DNA序列。这种功能产物主要是蛋白质和RNA。一个基因的结构除了编码特定功能产物的DNA序列外，还包括对这个特定产物表达所需的邻接DNA序列。

第6页/共81页第二节基因的化学本质

在整个生物界中，绝大部分生物（包括人类）基因的化学本质是DNA；在某些仅含有RNA和蛋白质的病毒中，基因的化学本质是RNA。

第7页/共81页一、DNA的分子组成和分子结构1.基本单位——脱氧核苷酸（nucleotide）

磷酸脱氧核糖碱基脱氧核苷第8页/共81页2.碱基嘌呤Purines嘧啶Pyrimidines胸腺嘧啶Thymine,T胞嘧啶Cytosine,C鸟嘌呤Guanine,G腺嘌呤Adenine,A第9页/共81页3.脱氧多核苷酸脱氧单核苷酸以3’-5’磷酸二酯键纵向聚合连成多核苷酸链。多核苷酸链有方向性，一个末端为5’-磷酸基团，另一个末端为3’-羟基基团。多核苷酸总是从5’至3’方向合成，游离的核苷酸加入生长链的3’-羟基基团上。第10页/共81页4.碱基配对原则与双链DNA两条方向相反的脱氧多核苷酸链在互补碱基之间形成氢键，形成双链螺旋状分子。碱基配对原则：A=T,G≡C第11页/共81页DNA为两条脱氧多核苷酸链相互平行而方向相反的双螺旋结构浅沟深沟第12页/共81页第三节人类基因和基因组的结构特点一、基因的类别与结构（一）基因的分类人类基因组中基因根据其组织形式和的功能状态可分为4大类，即单一基因、基因家族、假基因和串联重复基因。单一基因：指在基因组中只有单个或极少数拷贝的基因。25%-50%的蛋白质基因、酶蛋白基因、细胞周期调控因子基因属于单一基因。第13页/共81页基因家族（genefamily）概念：是一组来源相同、结构相似、功能相关的基因。它们在基因组中的拷贝只有微小的差别，并行使相关的功能。基因家族的成员若集中分布在同一染色体的某一区域，则称为基因簇(genecluster)。存在形式：成簇排列在同一条染色体上，形成一个基因簇；成簇分布于几条不同的染色体上，较为分散。第14页/共81页假基因（pseudogene）概念：在多基因家族中，某些成员不产生有功能的基因产物，这类基因称为假基因。特性：假基因的核苷酸顺序与相应的活性基因极为相似，但不能表达，不具有正常功能。来源：它们与有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，以后由于发生突变，失去了活性，变成了无功能的基因。串联重复基因连续或不连续的首尾串联重复排列的多拷贝基因，如：45SrRNA、5SrRNA、各种tRNA以及蛋白质家族中的组蛋白基因。第15页/共81页（二）基因的结构（真核结构基因）真核生物的结构基因是断裂基因（splitgene）,

编码序列往往被非编码序列所分割，呈现断裂状的结构。1.转录单位：①外显子（exon）：编码氨基酸的序列。②内含子（intron）：位于外显子之间的非编码序列。第16页/共81页内含子和外显子的关系不是固定不变的，有时同一条DNA分子上的某一段DNA顺序，在作为编码一条多肽链的基因时是外显子，但作为另一条多肽链的编码基因时却是内含子，这是由于mRNA剪接加工的方式不同所致。其结果使同一个基因（确切地说是同一段DNA顺序）产生两条或者两条以上的mRNA链。

第17页/共81页③接头序列:在每个外显子和内含子的接头区都是一段高度保守的共有序列，普遍存在于真核生物中，是RNA剪接的信号，称为接头序列。每个内含子的5’端以GT开始，在3’端以AG结束，这种接头方式称为GT-AG法则。第18页/共81页2.侧翼顺序每个结构基因在第一个和最末一个外显子的外侧，都有一段不被转录的非编码区，称为侧翼顺序。侧翼顺序调节控制基因表达,主要有启动子(promoter)、增强子(enhancer)、终止子(terminator)等。第19页/共81页（1）启动子(promoter)位于基因转录起始点上游的100bp范围内，是RNA聚合酶的结合位点和转录因子作用部位,能启动和促进转录过程。包括：①TATA盒，②CAAT盒，③GC盒。（2）增强子(enhancer)可增强启动子启动的能力和提高基因转录的效率的调控序列；多为重复序列，一般长约50bp，不同基因中的增强子序列差别较大；位置不固定，可位于启动子的上游、下游或内含子中。增强子的作用与它所处的位置、方向和与基因的距离无关。第20页/共81页（3）终止子(terminator)是位于最末一个外显子3’端非翻译区的一段反向互补序列，互补序列长约7~20bp；转录后形成发夹结构，发夹结构阻碍了RNA聚合酶的移动，终止转录。第21页/共81页二.基因组的组成（一）基因组的概念基因组（genome）：指一个物种所有遗传信息的总称。通常表述为一个单倍体细胞中全部的基因或遗传物质。人类基因组：是指人的所有遗传信息的总称。包括细胞核基因组和线粒体基因组。通常人类基因组指的是核基因组，由22条常染色体和X,Y两条性染色体构成。第22页/共81页人类基因组的组成第23页/共81页（二）人类基因组DNA序列类型与特征1.单一序列DNA占到人类基因组的60%-70%。在基因组中仅有单一拷贝或少数几个拷贝，长度在800～1000bp之间，其中有些是编码细胞中各种蛋白质和酶的结构基因，人类基因组约含有3.5~4万个结构基因。第24页/共81页2.中度重复序列DNA由较长的特异片断重复构成；在长度和拷贝数目上有很大差别，重复次数在102~105；主要是一些分散重复DNA序列，在基因组中占3~6%，大多数无编码功能，少部分具有编码功能，如编码rRNA、tRNA以及组蛋白的基因属于这一类。（1）短分散元件（shortinterspersedelement）（2）长分散元件（longinterspersedelement）第25页/共81页类别短分散元件长分散元件数量在人类基因组中占7%在人类基因组中占5%序列长度长度100~500bp长度6000~7000bp拷贝数拷贝数可达105以上拷贝数可达102~104例子Alu序列(300bp,在一个基因组中重复30万

~50万次）Kpn序列(6500bp,

3000-4800copies)第26页/共81页3.高度重复序列DNA也称卫星DNA(satelliteDNA)，基因组DNA在CsCl密度梯度离心后,在形成的DNA主带之外还形成小的卫星带，是因为卫星DNA中GC含量少于主带；以小于200bp的小片段为单位串联重复很多次，约占整个基因组的10％～15％，大多数长度可达105bp；多位于染色体着丝粒，端粒和Y染色体长臂上的异染色质区。根据重复核苷酸单元的多少,分为小卫星DNA和微卫星DNA。第27页/共81页（1）小卫星DNA(minisatelliteDNA)包括：①端粒DNA，由TTAGGG序列重复串联组成的10~15kb序列，该序列是在端粒酶的作用下加到染色体末端的,能保持染色体的完整性,同时限制着细胞寿命。②高变小卫星DNA

，由9~64bp序列重复串联组成，位于端粒附近和其他区域；拷贝数存在高度的个体多态性，可作为DNA指纹。（2）微卫星DNA（microsatelliteDNA）由1~5bp的重复单位串联成50~100bp的序列，人类基因组中微卫星位点至少有30000个，主要分布在非编码序列中。具有高度多态性，个体间有明显差别，但在遗传上高度保守，作为重要的遗传标志，用于基因定位的连锁分析。第28页/共81页第四节基因的生物学特性DNA分子中碱基对的排列顺序蕴藏着遗传信息，决定了基因的基本功能和特性。基因复制与表达构成了基因的主要功能。

一、遗传信息的储存单位遗传密码：在DNA分子上，每三个相邻的碱基构成一个遗传密码（geneticcode）或密码子（codon）。64种密码子中有61种编码氨基酸，3种编码终止信号。因DNA编码蛋白质是通过编码RNA序列来实现的,所以遗传密码中的4种碱基是构成mRNA的碱基(AGCU)。第29页/共81页第30页/共81页遗传密码的特性

通用性

遗传密码在整个生物界中都是通用的。（例外：线粒体DNA中CUA-苏氨酸；AUA-甲硫氨酸；UGA-色氨酸）简并性

除少数氨基酸仅有一种密码子外，其余氨基酸都各被2～6个密码子编码，这种现象称为遗传密码的简并性（degeneracy）。起始密码和终止密码

密码子AUG若位于mRNA的5′端起始处，则是起始密码子（initiationcodon），同时编码甲硫氨酸；密码子UAA、UAG和UGA为终止密码子。第31页/共81页二、基因通过自我复制保持遗传的连续性复制发生在细胞分裂周期的S期。（一）过程1.DNA双螺旋结构解旋为两条单股的多核苷酸链；2.以DNA分子自身的每一股单链为模板进行自我复制合成新的DNA分子。（二）特点1.互补性2.半保留性3.反向平行性4.不对称性5.不连续性第32页/共81页三、基因表达基因表达（geneexpression）：是DNA序列所蕴藏的遗传信息，通过转录和翻译，实现信息传递和指导蛋白质合成的过程。中心法则：遗传信息传递的中心法则第33页/共81页（一）转录及转录后加工（一）转录1.转录过程①起始：RNA聚合酶Ⅱ与启动子结合，即可启动RNA的转录合成。②延伸：RNA聚合酶Ⅱ沿着模板链的3′→5′方向移动，并精确地按照碱基互补原则，以三磷酸核苷酸（UTP、CTP、GTP和ATP）为底物，在3′端逐个添加核苷酸，使mRNA不断延伸；③终止：RNA聚合酶Ⅱ在DNA模板上移动到达终止信号时，RNA合成的停止。

mRNA的转录由RNA聚合酶Ⅱ催化,rRNA由RNA聚合酶I催化,tRNA由RNA聚合酶Ⅲ催化。第34页/共81页

2.转录后加工1)加帽(Capping):在5’端连接一个7-甲基鸟苷酸。保护RNA转录本免受磷酸酶和核酸酶消化而增强其稳定性；利于mRNA从细胞核转运到细胞质；便于剪接；有助于细胞质中核糖体识别mRNA

。第35页/共81页2)加尾(Tailing):在3’端附加大约200个腺苷酸的长链,即多聚腺苷酸（PolyA）尾；加尾是在3’端非编码区一个6核苷酸信号AAUAAA下游15~30bp的部位上加上PolyA；促使mRNA由细胞核转运细胞质；有助于核糖体识别mRNA；稳定细胞质中某些mRNA分子。3)剪接(Splicing):剪掉内含子，拼接外显子，形成成熟的mRNA。内含子的序列为5’GT…AG3’，是酶切和拼接的信号。第36页/共81页转录及其加工过程第37页/共81页（二）翻译及翻译后加工翻译(Translation)：是以mRNA为模板指导蛋白质合成的过程。mRNA携带遗传信息，作为合成蛋白质的模板；tRNA转运活化的氨基酸和识别mRNA分子上的遗传密码；核糖体是蛋白质合成的场所，把各种特定的氨基酸分子连接成多肽链。1.翻译过程：分为起始、肽链的延伸、终止和合成后的加工等步骤。第38页/共81页2.翻译后修饰：

mRNA只能决定多肽链中的氨基酸顺序，而蛋白质分子的空间结构是由翻译后修饰所决定。包括：某些氨基酸的羟基化、磷酸化，肽链的糖基化、酰基化，信号肽的切除，为某些功能蛋白添加定位信号等。第39页/共81页（三）RNA编辑RNA编辑（RNAediting）是一种独特的遗传信息加工方式,即转录后的mRNA在编码区发生碱基插入、删除或转换的现象。导致形成的mRNA分子在编码区的核苷酸序列不同于它的DNA模板相应序列。编辑的形式:①尿嘧啶核苷酸的加入或删除②C→U,A→G或G→A的RNA碱基转换③C→G,G→C或U→A的碱基颠换编辑从mRNA

3′→5′方向进行。第40页/共81页生物学意义主要表现在：①通过编辑的mRNA具有翻译活性；②使该mRNA能被通读；③在一些转录物5′末端可创造生成起始密码子AUG，以调节翻译活性；④从进化角度看，RNA编辑可能是遗传信息加工的原始方式；⑤RNA编辑不偏离中心法则，因为提供编辑的信息源仍然来源于DNA贮藏的遗传信息。

第41页/共81页四、基因表达的调控基因表达控制的特点是能在特定时间和特定细胞中激活特定的基因，从而实现“预订”的有序的分化发育过程。各种优势蛋白质决定各种组织细胞的特殊形态和功能。细胞表型的分化是由于编码这些蛋白质的基因被选择地表达,而其他多数基因则处于失活状态或效率相对低的表达状态。真核生物基因表达调控是通过多阶段水平实现的，即转录前、转录水平、转录后、翻译和翻译后等五个水平。第42页/共81页第五节人类基因计划人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）是一项国际性的研究课题，目的是描绘人类基因组图谱。该项目由美国能源部（DOE）和国立健康研究所（NIH）草拟和筹资，并在1990年正式启动。其目标是通过以美国为主的全球性的国际合作，在大约15年的时间里完成人类24条染色体的基因组作图和DNA全长序列分析，进行基因的鉴定和功能分析。第43页/共81页一、简史1986年，雷纳托·杜尔贝科（RenatoDulbecco）提出1990年10月，美国政府正式启动了HGP工程，投资30亿美元，预期于2005年完成人类基因组约30亿个碱基对的全序列测定。1998年5月，CraigVenter创立Celera公司1999年9月，中国加入HGP，3000万bp测序任务1999年12月，第22条染色体破译2000年4月，中国完成1%测序任务2000年5月，第21条染色体破译第44页/共81页2000年6月，人类基因组工作框架图公布2001年2月，公布基因组基本信息2001年9月，HGP第十次战略大会在杭州召开，还有1%的难测序列,约700个疑难点2003年4月，完成人类基因测序工作第45页/共81页二、HGP研究在医学研究中的意义

1.特殊疾病基因的确定2.有利于优生和产前诊断3.加强对癌症的认识和治疗4.有利于医学生物学的研究第46页/共81页三、结构基因组学

（一）遗传图（geneticmap）又称连锁图（linkagemap），是指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离。遗传距离通常由基因或DNA片段在染色体交换过程中分离的频率厘摩（cM）来表示。1厘摩表示每次减数分裂的重组频率为１％。厘摩值越高表明两点之间距离越远，厘摩值越低表示两点间距离越近。

第47页/共81页遗传图谱的绘制需要应用多态性标志。第一代标记是经典的遗传标记，最初主要是利用蛋白质和免疫学的标记，如ABO血型位点标记、HLA位点标记。70年代中后期建立了限制性片段长度多态性（RFLP）方法。第二代标记称小卫星中心（minisatellitecore）和微卫星标记（microsatellitemarker），它们分别是1985年和1989年发现的。微卫星标记又称简短串联重复（shorttandemrepeat，STR），最重要的优点是高度多态性，提供的信息量相对很大；另外可用PCR技术使操作实现自动化。这一系统是目前在基因定位的研究中应用最多的标记系统。第三代标记是单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphsm，SNP）标记系统。第48页/共81页（二）物理图（physicalmap）物理图谱是指DNA序列上两点的实际距离，是以已定位的DNA序列作为标志，以DNA实际长度(bp、kb、Mb)为图距进行基因作图。物理图谱反应的是DNA序列上两点之间的实际距离，而遗传图谱则反应这两点之间的连锁关系。完整的物理图应包括人类基因组的不同载体DNA克隆片段重叠群图，大片段限制性内切酶切点图，DNA片段（探针）或一段特异DNA序列（STS）的路标图，以及基因组中广泛存在的特征性序列等的标记图。

第49页/共81页（三）转录图（transcriptionmap）在人类基因组中鉴别出占2%长度的全部蛋白质编码基因的位置、结构和功能。（四）序列图（seguencemap）是通过对基因组DNA进行碱基排列顺序分析而建立的。第50页/共81页二、后基因组计划（past-genomeproject，PGP）人类基因组多样性计划功能基因组学（蛋白组学）比较基因组学生物信息学

环境基因组学疾病基因组学药物基因组学

第51页/共81页第三章基因突变教学要求掌握突变、基因突变、静态突变和动态突变的概念；熟悉基因突变的一般特性和基因突变的类型；诱发基因突变的因素和不同因素诱发基因突变的大体机制；了解光复活修复、切除修复和重组修复的机制；熟悉DNA损伤修复缺陷与疾病的关系。

第52页/共81页突变（mutation）：遗传物质的变化及其所引起的表型改变。种类：突变染色体畸变：体细胞或生殖细胞内染色体发生的异常改变。

基因突变：基因组DNA分子在结构上发生碱基对组成或序列的改变。概述第53页/共81页第一节基因突变的一般特性多向性(A→a1,a2,a3,a4)可逆性(A→a,a→A)有害性稀有性(Human,10-6~10-4/生殖细胞)随机性可重复性第54页/共81页第二节诱发基因突变的因素根据基因突变发生的原因，可将突变分为自发突变和诱发突变。在自然条件下，未经人工处理而发生的突变为自发突变（spontaneousmutation）。经人工处理而发生的突变是诱发突变（inducedmutaion）。能诱发基因突变的各种内外环境因素统称为诱变剂（mutagen）。

第55页/共81页一.物理因素1.紫外线紫外线的照射可使DNA顺序中相邻的嘧啶类碱基结合成嘧啶二聚体，最常见的为胸腺嘧啶二聚体（TT）。2.电离辐射和电磁辐射

射线直接击中DNA链，DNA分子吸收能量后引起DNA链和染色体的断裂，片断发生重排，引起染色体结构畸变。

第56页/共81页二.化学因素1.羟胺（hydroxylamine，HA）可使胞嘧啶（C）的化学成分发生改变，而不能正常地与鸟嘌呤（G）配对，而改为与腺嘌呤（A）互补。经两次复制后，C-G碱基对就变换成T-A碱基对。第57页/共81页2.亚硝酸或含亚硝基化合物可使碱基脱去氨基（-NH2）而产生结构改变，从而引起碱基错误配对。

A被其脱去氨基后可变成次黄嘌呤（H），H不能再与T配对，而变为与C配对，经DNA复制后，可形成T-A→C-G的转换第58页/共81页3.烷化剂具有高度诱变活性的烷化剂，可将烷基（CH3-、C2H5-等）引入多核苷酸链上的任何位置，被其烷基化的核苷酸将产生错误配对而引起突变。常见的烷化剂有甲磺酸乙酯(EMS)、甲醛和氯乙烯等。

第59页/共81页4.碱基类似物某些碱基类似物可以取代碱基而插入DNA分子引起突变。

5-BU与腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）均可配对。如果5-BU取代T以后一直保持与A配对，所产生的影响并不大；若与G配对，经一次复制后，就可以使原来的A-T对变换成G-C对。第60页/共81页5.芳香族化合物

吖啶类和焦宁类等扁平分子构型的芳香族化合物可以嵌入DNA的核苷酸序列中，导致碱基插入或丢失的移码突变。三.生物因素1.病毒：麻疹、风疹、流感、疱疹病毒是明显的诱发突变的生物因素。病毒DNA可以插入到宿主DNA序列中。2.真菌和细菌：真菌和细菌是通过其毒素和代谢产物致突变的。第61页/共81页第三节基因突变的类型静态突变动态突变基因突变点突变片段突变：缺失、重复、重排碱基替换移码突变

一.静态突变（staticmutation）概念：是在一定条件下生物各世代中以相对稳定的频率发生的基因突变。依据突变涉及DNA序列中核苷酸的多少，可分为点突变和片段突变

。第62页/共81页（一）点突变（pointmutation）DNA链中单个碱基或碱基对发生的改变。包括：碱基替换和移码突变。

1.碱基替换指DNA分子中一个碱基被另一个不同的碱基所替换。转换：嘌呤嘌呤，嘧啶嘧啶颠换：嘌呤嘧啶

第63页/共81页碱基替换影响的是密码子，产生的遗传学效应：同义突变：突变后密码子改变但氨基酸不变化。错义突变：突变后氨基酸发生改变。无义突变：突变后变为终止密码。终止密码突变：终止密码突变后变为编码氨基酸的密码子。第64页/共81页影响非密码子区域的突变调控序列突变：使蛋白质合成的速度或效率发生改变，进而影响着这些蛋白质的功能，并引起疾病。内含子与外显子剪辑位点突变：GT-AG中的任一碱基发生置换而导致剪辑和加工异常，不能形成正确的mRNA分子。

第65页/共81页2.移码突变（frame-shiftmutation）

DNA编码序列中插入（增加）或缺失一个或几个碱基，从而使自插入或缺失的那一点以下的三联体密码的组合发生改变，进而使其编码的氨基酸种类和序列发生变化。称为移码突变。正常

AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG

…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro移码突变（一个碱基缺失)AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TAC

GTA

ACC

CGT

…DNAMetGlnGlnGlnPheTyrValThrArgloss第66页/共81页（二）片段突变片段突变是DNA链中某些小片段的碱基序列发生缺失、重复或重排。二.动态突变(dynamicmutation)动态突变:串联重复的三核苷酸序列随世代传递而拷贝数逐代累加的突变方式。动态突变发生在编码区和非编码区。代表疾病：Hutington舞蹈病(CAG)n、脆性X综合征(CCG)n。第67页/共81页脆性X综合征（FX）1991年Verkerk等克隆到了与FX相关的基因—FMR1，其跨度大于80kb，含有17个外显子，可能编码一种结合蛋白。目前已知，FMR1主要在脑及睾丸内表达。Xq27.3内（CGG）n重复数：正常：6-60

;携带者：60-200；患者：＞200。Xq27.3附近有细丝样脆性部位。第68页/共81页

中度到重度智力低下，大多数男性患者IQ小于50，且随着年龄增长而下降。语言障碍，碎语现象，多动症，孤僻，害羞。三大（人高马大、耳大、睾丸大）。特殊面容（脸窄长、下颌长且前突）。第69页/共81页Huntington舞蹈病（HD）1993年3月该致病基因定位于4p16.3，患者的致病基因编码区内有（CAG）n的三核酸重复。患者：36～120次；正常人：9～35次。HD的CAG重复位于IT15基因的编码区内，可以翻译成多聚谷氨酰胺肽段。第70页/共81页发病年龄与CAG重复序列拷贝数的关系第71页/共81页动态