基因和疾病专题知识讲座

基因和疾病专题知识讲座基因和疾病专题知识讲座第1页基因组(genome)泛指一个有生命体、病毒或细胞器全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）DNA。

一、基因与基因组学概念基因就是DNA分子上一个个片段，经过转录和翻译能合成一条完整多肽链。基因(gene)基因和疾病专题知识讲座第2页基因结构与表示异常与疾病人类疾病如白血病、恶性肿瘤、糖尿病、神经退行性疾病、心脑血管、高血压等发生和发展都包括到相关蛋白质及其复合物结构、功效和相互作用异常。

人体内蛋白质分子结构和功效异常是疾病发生和发展主要原因。基因和疾病专题知识讲座第3页基因结构与表示异常与疾病细胞微环境改变，包含基因甲基化变异以及各种特定基因表示异常都和疾病发生相关。越来越多证据显示基因表示异常将造成各种疾病发生，尤其是肿瘤形成。基因和疾病专题知识讲座第4页基因和疾病专题知识讲座第5页

现在已知道遗传性疾病约有6000种，其中单基因缺点疾病占30%，多基因缺点疾病占70%。多基因缺点疾病包含恶性肿瘤、心脑血管疾病、内分泌疾病、本身免疫系统疾病等。如我国高血压患者占人口11%，约30%有家庭遗传背景，其中4种为单基因突变，多数为多基因疾病，与30多个基因相关。老年性痴呆、耳聋、精神病也都与基因缺点相关。经过对数千名孪生者研究证实：武断个性60%源于遗传背景，幸福愉快感80%源于遗传背景，XXY男性有暴力倾向。分子遗传学家认为，这些研究进展揭示：人群致病危险大小、人群个性特征与行为举止与人基因有一定关系。

基因和疾病专题知识讲座第6页一、基因病概念以基因为基础，从疾病和健康角度考虑，人类疾病大多直接或间接地与基因相关，故有“基因病”概念产生。依据这一概念，人类疾病大致分为三类：（一）单基因病（二）多基因病（三）取得性基因病基因和疾病专题知识讲座第7页家族性结肠息肉（familialpolyposiscoli,FPC)又称为家族性腺瘤样息肉病（familialadenomatouspolyposis,FAP），是一个常染色体显性遗传病，由它恶变造成癌症占全部结直肠癌1%。该病在人群中发病率为1/10000

～1/8000。

基因和疾病专题知识讲座第8页1991年研究人员从5q21克隆了家族性腺瘤样息肉病基因，即APC基因。该基因含有15个外显子，编码2843个氨基酸蛋白质。APC基因含有肿瘤抑制基因功效。

基因和疾病专题知识讲座第9页Benign(良性)恶性TumorCarcinoma癌Sarcoma肉瘤Leukemia白血病Cancer(癌症)基因和疾病专题知识讲座第10页增生

异常InheritedsusceptibilityChemicalcarcinogensRadiationInfectiousagentsDNArepairsystemGeneralhealth(diet,stress,etc)ImmunesystemCancerCell:ContributingFactorsCancerEtiologyMultipleCarcinogenCancer:ThreeCharacteristics基因和疾病专题知识讲座第11页growthdifferentiationdeath???PoorFastDecreasedcelldeath基因和疾病专题知识讲座第12页、multiplestagesTreatmentMultiplefactors,

Cancer基因和疾病专题知识讲座第13页Characteristicsofcancer基因和疾病专题知识讲座第14页一、基因结构与表示异常与疾病发生

1．基因结构改变

2．细胞间信号异常3．

细胞内原因基因和疾病专题知识讲座第15页

在自然界中有许多原因能够引发DNA结构改变。即使细胞内含有修复DNA损伤功效，但并非全部损伤都能被修复。一些未能修复损伤有可能形成可遗传突变。假如突变是发生在结构基因中，将使基因编码蛋白质发生结构改变，失去原有功效，造成分子病发生。基因和疾病专题知识讲座第16页基因变异致病类型内源基因变异:基因结构突变:镰状红细胞贫血基因表示异常:肿瘤外源基因入侵:

乙肝，艾滋病等（病毒）基因和疾病专题知识讲座第17页

二、

基因结构异常分子机制

遗传物质结构改变而引发遗传信息改变，均可称为突变（mutation）

在复制过程中发生DNA突变称为DNA损伤（DNAdamage）

从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基改变。基因和疾病专题知识讲座第18页

是指体内代谢过程中产生自由基或一些环境原因引发DNA一级结构改变。引发DNA一级结构改变原因主要有两类：自发突变（spontaneousmutation）诱发突变（inducedmutagenesis）

这种突变频率极低，约为10-9，即每合成109核苷酸可能会有一次碱基与模板不相配错误。是指DNA复制时碱基偶然性错配。DNA一级结构变异分子机制基因和疾病专题知识讲座第19页

1．碱基和核苷酸类似物（一）诱变原因2．烷化剂3．亚硝酸盐4．电离辐射和紫外线照射基因和疾病专题知识讲座第20页(二)、突变类型及其遗传效应

突变类型1.点突变2.缺失3.插入4.倒位基因和疾病专题知识讲座第21页

突变遗传效应1.遗传密码改变2.对mRNA剪接影响3.蛋白质肽链中片段缺失基因和疾病专题知识讲座第22页1.遗传密码改变（1）错义突变（2）无义突变（3）同义突变（4）移码突变基因和疾病专题知识讲座第23页DNA分子中碱基正确取代，使得mRNA某一密码子发生改变，由它所编码氨基酸就变成另一个不一样氨基酸，使得多肽链中氨基酸次序也对应地发生改变，这种突变称为错义突变。错义突变（missensemutation）：基因和疾病专题知识讲座第24页GAACTTGAA谷氨酸GTACATGUA缬氨酸碱基取代引发错义突变A

T

DNAmRNA氨基酸基因和疾病专题知识讲座第25页无义突变（nonsensemutation）：

因为碱基取代，使原来可翻译某种氨基酸密码子变成了终止密码子，这被称为无义突变。UAUUAA颠换（酪氨酸）（终止密码子）基因和疾病专题知识讲座第26页

在编码序列中，单个碱基、数个碱基缺失或插入以及片段缺失或插入等均能够使突变位点之后三联体密码阅读框发生改变，不能编码原来正常蛋白质，即所谓移码突变。移码突变（frame-shiftingmutation）：基因和疾病专题知识讲座第27页不论是哪一个形式，都可造成mRNA错误剪接，产生异常mRNA，最终产生异常表示产物。mRNA前体：剪接mRNA原有剪接位点消失异常mRNA产生新剪接位点异常mRNA2.对mRNA剪接影响基因和疾病专题知识讲座第28页

无义突变DNA片段缺失造成蛋白质肽链中片段缺失原因：

移码突变

移码突变不但使翻译后肽链中氨基酸序列发生改变，而且也造成肽链中大片段缺失。因为移码使阅读框发生改变后，在结构基因中往往会出现多个终止密码子，无法翻译出全长肽链。UAUUAA（酪氨酸）（终止密码子）3.蛋白质肽链中片段缺失基因和疾病专题知识讲座第29页环境和遗传致癌原因正常细胞细胞非致死性DNA损害DNA修复激活原癌基因灭活肿瘤抑制基因改变凋亡调整基因细胞转化，生长失控，凋亡降低单克隆性增生

附加突变(演进)形成亚克隆特点（异质化）恶性肿瘤基因和疾病专题知识讲座第30页着色性干皮病

（xerodermapigmentosum，XP）

XP是一个核苷酸切除修复缺点所致疾病，已经发觉7个基因与之相关。这7个基因均与DNA切除修复相关，不一样XP患者临床表现与包括详细基因及突变类型相关。

基因和疾病专题知识讲座第31页(一）基因突变造成蛋白质功效改变多肽链合成正常各级结构正常亚细胞定位和分拣正常多聚体形成正常与辅助因子或辅基结合正常稳定性正常三、基因突变造成蛋白质功效改变（1）正常蛋白质功效实现所需条件基因和疾病专题知识讲座第32页（2）基因突变对蛋白质功效影响水平基因突变影响mRNA合成，间接影响蛋白质合成,影响多肽链折叠和结构基因突变影响蛋白质（多肽链）亚细胞水平定位基因突变影响亚单位组装和多聚体形成基因突变影响辅基或辅助因子与肽链结合或去除基因突变影响蛋白质稳定性原发原因：基因本身；继发原因：调整因子、修饰等原发原因/继发原因A

B基因和疾病专题知识讲座第33页基因突变影响hnRNA剪接

基因突变发生在hnRNA一级结构上特定剪接位点上，造成hnRNA剪接错误，产生异常mRNA，最终产生异常蛋白表示产物，改变生物性状。基因和疾病专题知识讲座第34页第二节基因变异造成常见疾病

一遗传学疾病（一）单基因遗传病

以β-地中海贫血为例介绍单基因变异造成遗传病

β-地中海贫血是因珠蛋白链合成显著降低或完全不能合成造成.β珠蛋白基因结构简单,只有1.8KB长,含有3个外显子,2个内显子,编码146个氨基酸,β-地中海贫血基因缺点,主要因为点突变或移码突变所致,突变对基因表示影响大致分为6种类型:

1.转录水平降低

2.RNA剪接异常基因和疾病专题知识讲座第35页

3.翻译缺点

4.RNA修饰缺点

5.生成不稳定β珠蛋白

6.基因缺失引发β地中海贫血基因和疾病专题知识讲座第36页苯丙酮尿症（phenylketonuria，PKU）遗传学一个严重常染色体隐性遗传性氨基酸代谢病，首次发觉于1934年，因病人尿中排泄大量苯丙酮酸而得名。国外发病率约1/4500～1/100,000，我国发病率约为1/16500。疾病基因已定位于12q24.1并已被克隆。

基因和疾病专题知识讲座第37页发病机制

PKU患者PAH基因突变使患者肝脏内苯PAH缺乏，苯丙氨酸不能转变为酪氨酸，只能转化为苯丙酮酸和苯乳酸并在体内累积，并造成血液和尿液中苯丙氨酸及其衍生物排出增多。基因和疾病专题知识讲座第38页苯丙氨酸酪氨酸-羟苯丙酮酸尿黑酸延胡索酸乙酰乙酸PHA尿黑酸氧化酶PKUAlkaptonuria基因和疾病专题知识讲座第39页过量苯丙氨酸使旁路代谢活跃，产生苯丙氨酸、苯乳酸、苯乙酸等，它们从尿液和汗液排出，使患儿头发、皮肤和尿都有特殊气味。基因和疾病专题知识讲座第40页过量苯丙氨酸抑制酪氨酸脱羧酶活性，影响去甲肾上腺素和肾上腺素合成，也降低黑色素合成，使患者毛发和肤色较浅基因和疾病专题知识讲座第41页过量苯丙氨酸竞争性抑制色氨酸羟化作用影响色氨酸代谢。另外，旁路代谢产物堆积还抑制L-谷氨酸脱羧酶活性，使氨基丁酸和5-羟色胺生成降低，造成脑发育障碍。基因和疾病专题知识讲座第42页临床表现3－4个月智力发育不全。脑电图异常，骨骼发育异常，门齿疏松。有较严重呕吐，皮肤、毛发颜色变浅，虹膜颜色减退。尿、汗有特殊腐臭基因和疾病专题知识讲座第43页治疗当前临床上常在婴儿出生后马上进行PKU筛查，一经必定，马上给患儿停乳，喂给低苯丙氨酸水解蛋白，禁荤食、乳类、豆类和豆制品，能够到达临床痊愈。

基因和疾病专题知识讲座第44页(二）多基因遗传病

糖尿病是一个异质性疾病。分为原发型和继发型两种。原发型分为胰岛素依赖性(IDDM)和非胰岛素依赖性(NIDDM).NIDDM是多个遗传因子与环境因子共同作用结果，包含：

（1）胰岛素基因（2）胰岛素受体基因

(3)葡萄糖激酶基因（4）糖原合酶基因（5）线粒体tRNA基因

基因和疾病专题知识讲座第45页遗传性胰岛素抵抗糖尿病受体合成障碍受体向胞膜运输受阻受体与胰岛素亲和力降低受体活性降低受体降低加紧胰岛素受体基因突变靶细胞对胰岛素反应性降低(Ⅱ型糖尿病)基因和疾病专题知识讲座第46页二、神经系统疾病以老年性痴呆为例来说明神经系统疾病发生与基因变异关系。AD是一个复杂基因病,经过基因分析已确定有三种造成早发性AD发病基因,它们分别位于1,14和21号染色体,而晚发性AD发病遗传危险原因位于19号染色体.

(一)淀粉样前体蛋白(APP)基因APP是一个广泛存在于全身组织细胞糖蛋白,正常情况下,APP由β分泌酶裂解为可溶性Aβ.基因突变或其它原因可以造成APP氨基酸序列或裂解部位改变,从而产生易于沉淀Aβ.基因和疾病专题知识讲座第47页

(二)早老素基因(PS)APP基因突变所致AD仅占FAD2%~3%.而大多数AD病因为PS基因突变.PS1基因与70%~80%早发AD相关,突变类型包含错义突变和剪切位点突变.PS2基因突变家族AD发病较晚.

(三)载脂蛋白E(ApoE)基因ApoE等位基因ε4与晚发AD相关联。基因和疾病专题知识讲座第48页三、肿瘤

癌基因激活，抑癌基因丢失或失活均会引发肿瘤发生，发展。

（一）癌基因激活与肿瘤发生

1.ras基因变异与肿瘤发生2.myc基因变异与肿瘤发生3.bcl-2基因与肿瘤发生4.mdm2基因

基因和疾病专题知识讲座第49页基因和疾病专题知识讲座第50页growthdifferentiationdeathchemicalphysicalvirustumorsuppressorgeneOncogene+-Genes基因和疾病专题知识讲座第51页

(二)抑癌基因失活与肿瘤发生

以p16为例说明抑癌基因失活与肿瘤发生关系

p16基因:又称为多肿瘤抑制因子,编码细胞周期依赖性激酶CDK4抑制蛋白,p16蛋白既是细胞周期有效调控者,又是抑制肿瘤细胞生长关键因子.

正常情况下,cyclinD和p16对CDK4作用处于平衡状态,当p16基因异常时,cyclinD则与CDK4以优势结合,使细胞生长失去控制.

基因和疾病专题知识讲座第52页视网膜母细胞瘤（retinoblastoma,RB）遗传性恶性肿瘤

RB1基因共有27个外显子，长180kb。RB1蛋白由928个氨基酸组成，是一个磷酸化蛋白。

基因和疾病专题知识讲座第53页Retinoblastoma

autosomaldominantinheritancePaediatrictumouroftheretina1/20,000births–twoformsofthedisease–familialandsporadicDuetomutationsintheRetinoblastoma(Rb)tumoursuppressorgene基因和疾病专题知识讲座第54页TheRB1GeneLargegenespanning27exons,withmorethan100knownmutations.Greaterthan200kbofDNAinsizeRNAis4.7kbGeneencodesRbproteinwhichisinvolvedincellcycleregulation123456789101214171819202122232527NonsenseMissenseSpliceSiteAdaptedfromSellersWetal.JClinOnc15:3301,1997基因和疾病专题知识讲座第55页G2G1SMCellcycleDPE2FDNAsynthesis-relatedgenesE2FRbPE2FCyclinD1CDK4RbPPPPPRbPPPPP基因和疾病专题知识讲座第56页(三)肿瘤发生中多基因协同作用一个肿瘤发生,往往同时存在各种遗传缺点.当前普遍接收是细胞癌变多基因协同假说。该假说认为细胞癌变是多步骤，多重影响复杂过程。且这种基因之间协同效应产生并非是两种癌基因之间随机组合。而是符合一定规律。核内癌基因产物最易与胞浆癌基因产物发生协同作用。基因和疾病专题知识讲座第57页（3）基因突变对蛋白质功效影响效应基因突变造成蛋白功效丢失数量降低结构丧失造成活性丧失基因突变造成蛋白功效加强结构改变造成活性增强数量增加基因突变造成蛋白产生新特征或功效Fast基因和疾病专题知识讲座第58页二、疾病相关基因判定（一）检测人类基因变异或突变

（二）疾病时基因组差异表示分析

（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆

基因和疾病专题知识讲座第59页第一节

基因诊断

GeneticDiagnosis基因和疾病专题知识讲座第60页一、基因诊疗概念及常见技术

患者临床表现：中医望闻问切与西医影像学检验细胞形态、生化检测及免疫学检验：生命活动结构和物质基础

ConceptofGeneDiagnosis基因和疾病专题知识讲座第61页

基因诊疗概念基因诊疗出现：1976年加州大学华裔科学家KanYW用核酸分子杂交首次对一例α珠蛋白生成障碍性贫血进行诊疗基因和疾病专题知识讲座第62页

狭义:在基因（DNA或RNA)水平，用PCR、核酸杂交、基因重组、基因芯片等各种分子生物学技术检测特定基因存在是否、结构变异和表示状态过程，对疾病作出诊疗。

基因诊疗概念基因和疾病专题知识讲座第63页

特点针对性强特异性强灵敏度高适应性强一、基因诊疗概念和特点定义利用当代分子生物学和分子遗传学技术和方法，直接检测基因结构及其表示水平是否正常，从而对疾病作出诊疗方法。基因和疾病专题知识讲座第64页

是以DNA和RNA为诊疗材料，经过检验基因存在、缺点或表示异常，对人体状态和疾病作出诊疗方法和过程。基因诊疗（genediagnosis）基因和疾病专题知识讲座第65页

是检测DNA或RNA结构改变是否，量多少及表示功效是否正常，以确定被检验者是否存在基因水平异常改变，以此作为疾病确诊依据。基础原理基因和疾病专题知识讲座第66页临床意义

对疾病作出早期、确切诊疗

确定个体对疾病易感性

疾病分期分型

疗效监测

预后判断基因和疾病专题知识讲座第67页一、基因诊疗中常见分子生物学技术（二）聚合酶链式反应（PCR）（三）单链构象多态性检测（四）限制酶酶谱分析（五）DNA序列测定（六）DNA芯片技术（一）核酸分子杂交基因和疾病专题知识讲座第68页（一）基因突变诊疗1.点突变诊疗2.少数核苷酸缺失或插入诊疗3.大片段丢失或插入诊疗4.基因重排（染色体易位）诊疗5.基因扩增诊疗（1）诊疗已知点突变（2）诊疗未知突变二、基因诊疗基础方法基因和疾病专题知识讲座第69页PCR/ASO探针法（allelespecificoligonucleotide，ASO）等位基因特异性寡核苷酸DNA芯片诊疗已知点突变：PCR反应基因和疾病专题知识讲座第70页PCR-等位基因特异性寡核苷酸探针斑点杂交(PCR-ASO，PCR-DB)

ASO:AlleleSpecificOligonucleotide1).wildprobevsmutantprobe2).已知突变验证性检测

3).可区分纯合子和杂合子

1.诊疗已知点突变基因和疾病专题知识讲座第71页ATATCGCGCGATG正常探针突变探针APCR样品点样在滤膜上＋斑点或狭缝杂交＋斑点或狭缝杂交基因和疾病专题知识讲座第72页寡核苷酸杂交分析SNP和等位基因特异寡核苷酸杂交基因和疾病专题知识讲座第73页引物1引物25'5'PCRATAT3CGCG1CGAT2TC基因和疾病专题知识讲座第74页PCR

多重PCR法3.大片段丢失或插入诊疗基因和疾病专题知识讲座第75页引物4引物3引物2引物15'3'1：（1+2）2：（3+4）4：（3+4）片段缺失3：（1+2）片段缺失5：分子量标准基因和疾病专题知识讲座第76页提取基因组DNAPCR基因片段扩增特定限制酶酶切分析酶切后产物分子有没有、大小，判断是否有疾病基因。电泳（设计引物）基因和疾病专题知识讲座第77页personApersonB5'…A………3'3'…T………5'5'…G………3'3'…C………5'DNA多态性：

在人群中，个体间基因组核苷酸序列存在着差异性，称为DNA多态性。

（二）多态性分析基因和疾病专题知识讲座第78页BamHIBamHIBamHI酶切片段位点消失位点取得片段缺失片段插入

能造成限制性片段发生改变酶切位点又称为多态性位点，但片段长度改变还能够由其它原因引发。基因和疾病专题知识讲座第79页RFLP产生有两种情况：1：位点多态性

在限制酶识别位点发生单个碱基置换，造成这一多态性位点丢失或取得，称为位点多态性。

因为限制酶识别位点之间DNA序列缺失、插入或重复，限制酶识别序列不发生改变，但它在基因组中相对位置发生了改变。2：片段多态性基因和疾病专题知识讲座第80页

人类基因基因内或旁侧序列存在许多重复序列（如微卫星DNA、小卫星DNA等），因为重复单位数目不一样而形成多态性，即DNA重复序列多态性。DNA重复序列多态性基因和疾病专题知识讲座第81页

小卫星DNA是由9~24bp为重复单位串联重复次序组成，总长度约为0.1~20kb，重复次数改变很大（从数次到数百次）。分布于全部染色体，往往位于近端粒处，个体间差异很大。

微卫星DNA是由1~5bp为重复单位寡核苷酸串联重复序列组成，总长度常小于150bp，重复次数10~60次左右。存在于内含子、间隔DNA中，也能够存在于编码区。基因和疾病专题知识讲座第82页若显示与正常人不一样杂交条带，据此诊疗疾病。1).选取特定限制酶酶切DNA特异探针Southern印迹杂交+提取基因组DNA1.限制性片段长度多态性分析（1）限制酶酶切图谱直接分析法基因和疾病专题知识讲座第83页

2.PCR－RFLP：经过PCR将包含待测位点DNA片段扩增后，用识别对应位点限制性核酸内切酶水解，依据所产生限制性片段数量和长度作出诊疗。用于已知突变位点验证性诊疗

基因和疾病专题知识讲座第84页2).提取基因组DNAPCR基因片段扩增特定限制酶酶切分析酶切后产物分子有没有、大小，判断是否有疾病基因。电泳（设计引物）基因和疾病专题知识讲座第85页RFLP--RestrictionFragmentLengthPolyhmorphism基因和疾病专题知识讲座第86页RLFP分析法基因和疾病专题知识讲座第87页×MstⅡ酶切位点(GCTNAGG)5´3´正常基因5´3´突变基因1.15kb1.35kb镰状红细胞贫血患者基因组限制性酶切分析基因和疾病专题知识讲座第88页+﹣0.2kb1.15kb1.35kb正常人突变携带者患者镰状红细胞贫血患者基因组限制性酶切分析基因和疾病专题知识讲座第89页限制酶酶切图谱直接分析法：

分析点多态性

分析缺失、插入或重组引发多态性

诊疗疾病基因结构多态性变异已经明确疾病基因和疾病专题知识讲座第90页

人类基因组位点多态性和串联重复次序多态性都是按孟德尔规律遗传，含有体细胞稳定性和种系稳定性，所以可用它们作为染色体上疾病基因座位遗传标识。用于检测疾病基因携带者，产前诊疗。在法医学上可用于个体（罪犯）判定以及亲子判定等。基因和疾病专题知识讲座第91页

PCR-单链构象多态性分析（PCR-SSCP)

将PCR产物变性为单链后进行非变性（中性）聚丙烯酰胺凝胶电泳，单个核苷酸改变即可造成DNA单链构象改变，进而造成电泳速率改变，从而检测出基因突变。1）单链核酸碱基-构象-电泳速率2）中性聚丙烯酰胺凝胶电泳

基因和疾病专题知识讲座第92页PCR/单链构象多态性分析(singlestrandconformationpolymorphism,SSCP)PCR产物变性后，经聚丙烯酰胺凝胶电泳，正常基因和变异基因迁移位置不一样，借此可分析确定致病基因存在。

基因和疾病专题知识讲座第93页PCR-SSCP分析原理示意基因和疾病专题知识讲座第94页正常人纯合突变杂合突变Leber病患者PCR/SSCP分析+﹣基因和疾病专题知识讲座第95页（三）DNA序列测定是最直接、最准确基因诊疗技术例：四色荧光自动测序分析结果基因和疾病专题知识讲座第96页微生物学、免疫学和血清学等方法检测核酸分子杂交或PCR等技术，细菌、病毒、支原体、衣原体、立克次体和寄生虫等（灵敏度不高，或特异性较低，不能早期诊疗）（可早期、快速、敏感、特异性高）（四）外源DNA检测基因和疾病专题知识讲座第97页基因