医学遗传学课件

第一章绪论

2绪论医学遗传学研究的对象医学遗传学研究的范围遗传病的概念和分类医学遗传学发展简史医学遗传学分科走进基因组医学时代3第一节医学遗传学研究的对象和范围

一、遗传与变异

1.遗传(Hereditary)：子代和亲代之间在形态构造、生理机能特点上都相似的现象。有其父必有其子5性状：生物的形态特征和生理特性如：是否卷舌，有无耳垂，血型，毛发颜色62.变异(Variance)：亲代和子代之间，以及子代个体间的性状差异。“母生九子，各有不同”“种瓜得豆，种豆得瓜”→基因工程遗传和变异是生物界普遍现象，表现型与环境影响密不可分。7二、医学遗传学研究的对象和范围遗传学(Genetics)：研究生物遗传物质及其变化规律。人类遗传学(HumanGenetics)：广泛地探讨人类性状的遗传和变异的规律及物质基础。医学遗传学(MedicalGenetics)：遗传学与医学结合产生的边缘学科，研究疾病产生的遗传机制、遗传方式及其诊治和预防的策略和措施。★遗传病的基本特征—遗传物质变化—突变。★人类疾病在一定程度上都和遗传有关。8

第二节遗传病的概念和分类一、遗传病（Geneticdiseases）：遗传物质发生突变所引起的疾病。

垂直传递特点：终生性遗传物质突变

91.发病受环境因素不同程度影响环境因素1、遗传因素→决定作用：先天性聋哑、甲型血友病；2、遗传因素→主要，环境因素→诱发：苯丙酮尿症；3、遗传和环境双重作用：哮喘病（80%）、消化性溃疡（37%）；4、环境因素→决定作用：外伤等。（传染性疾病）？1234遗传因素102.遗传病vs.家族性疾病&先天性疾病家族性疾病(Familialdisease):

大多数遗传病呈家族聚集现象；某些遗传病为散发性，仅有先证者发病；某些环境因素致病亦有家族聚集现象。先天性疾病(Congenitaldisease):

指出生时既表现出来的疾病;

大多数遗传病都是先天的，出生前致病基因已经表达；某些遗传病需发育到一定年龄出现表型；某些先天畸形为环境因素所致。11二、遗传病分类：

★染色体病：染色体数目和结构异常→自然流产。★单基因病：单个基因突变(孟德尔方式)→儿童。★多基因病：遗传因素&环境因素共同作用。★体细胞遗传病：体细胞→肿瘤／癌。★线粒体病：能量代谢→神经肌肉→母系遗传。12遗传性疾病的群体发生率疾病发生率（%）疾病发生率（%）单基因缺陷多基因遗传病

常显遗传病0.14

先天性疾病2.3

常隐遗传病0.17

其他疾病2.4X连锁遗传病0.05

小计4.7

小计0.36未归类遗传病0.12染色体缺陷0.19总计5.37131.染色体病

常表现为生长迟缓、智力低下和身体器官异常的复杂综合征(syndrome)。数目异常:

常染色体→21三体综合征，47，XY/XX,+21

性染色体→

Turner综合征45,X结构异常:

常染色体→5p-，猫叫综合征性染色体→脆性X染色体综合征142.单基因病

单个基因/等位突变，符合孟德尔遗传。

分类：AutosomalDominant(AD)→并指、多指症AutosomalRecessive(AR)→PKU、先天聋哑X-linkedDominant(XD)→抗VD佝偻病X-linkedRecessive(XR)

→DMD、血友病Y-linkedFashion153.多基因病多基因交互作用：主基因

&

微效基因与环境因素交互作用常见复杂疾病:

唇／腭裂、精神分裂症、高血压、糖尿病、先心病消化性溃疡等。165.线粒体病突变发生在特定体细胞，而非生殖细胞，不传递给后代。实例：恶性肿瘤、白血病。4.体细胞遗传病突变发生在线粒体DNA中，一般由母亲传递给后代。实例：Leber视神经病。17三、遗传病的研究方法群体筛查家系调查系谱分析核型分析双生子分析种族差异比较疾病组分分析伴随性状研究18第三节医学遗传学分科和发展简史现代科学的迅猛发展，新概念、新技术的不断引进，医学遗传学发展十分迅速，从群体→个体→细胞→分子水平。同时向基础及临床许多学科渗透，进而形成了许多与之密切相关的其它遗传学分支。19一、医学遗传学分科

1、临床遗传学

研究临床各种遗传病的诊断、产前诊断、预防、遗传咨询以及治疗。

例如：二院临床遗传科：Down综合征，代谢病；细胞遗传学诊断(FISH)，突变检测，产前诊断。

医学遗传教研室：常见单基因病（DMD、血友病、PKU）、性别异常的分子遗传学诊断，产前诊断。202、细胞遗传学

研究人类染色体的数目、结构异常与疾病的关系。1923年PainterTS，人的染色体数目2n=48，性染色体为XX，XY。1952年徐道觉，偶然应用低渗处理细胞获得染色体分散良好为46条，但未能肯定其发现。1956年蒋有兴和LevanA，证明人的体细胞染色体数为46条，标志着人类细胞遗传学开始。1959年LejuneJ

，发现先天愚型是由于多了一条G组染色体，即21三体。继之发现：Turner综合征（45，X）

Klinefelter综合征（47，XXY）现已明确百余种染色体异常综合征和万余种罕见的异常核型。213、体细胞遗传学

以体外细胞的培养和杂交的方法，研究基因作用、人类基因图的绘制，诱变的本质等。优越性：

1）体外培养迅速、大量繁殖传代，可长期保存；

2）可打破种属界限进行不同种属、不同细胞的杂交；

3）可施加各种因素进行研究。应用：

1）杂交进行基因定位：人×鼠→TK酶基因定位。

2）细胞杂交：单克隆抗体的制备。

3）抑制基因研究：肿瘤细胞×正常细胞→失去肿瘤特征。

4）克隆羊、牛、猴、鼠及猪。224、生化遗传学1902年，GarrodAE

分离出尿黑酸尿病患者的尿中尿黑酸，证实该病由于代谢异常所致，提出“先天性代谢缺陷”。1949年，PaulingL

发现镰状细胞贫血患者Hb与正常人电泳的速率不同，推断其由分子结构改变所致，提出“分子病”的概念。1956年，IngramVM

证实了Hbs分子结构的改变是β链第6位由谷Aa→缬Aa所致。生化遗传学在此基础上建立和发展，即应用生化的方法研究遗传病的蛋白和酶的变化以及核酸的相应改变。235、分子遗传学1944年，Avery

肺炎双球菌转化实验证明DNA是遗传物质。1953年，Watson和Crick

阐明了DNA双螺旋结构，标志着分子遗传学的开始。1958年，Crick

提出的中心法则是遗传信息的传递原则。1961年，Jacob和Monod

提出乳糖操纵子模型，建立了基因调控的概念。241967年，Khorana等破译了全部遗传密码1968年，Arber等

发现了限制性核酸内切酶，推进了DNA重组技术1977年，Sanger

发明了双脱氧核苷酸测序法→DNA序列分析1985年，Mullis

建立体外扩增DNA方法（PCR）→人工合成DNA

分子遗传学依据上述理论和技术，研究基因结构、突变、表达及调控，阐明遗传病的分子机制，为基因诊断、治疗提供手段。分子遗传学256、肿瘤遗传学

应用遗传学的基本原理和方法，研究肿瘤发生的遗传基础，肿瘤的早期诊断、治疗以及预防提供科学依据。

7、群体遗传学以群体为研究对象，研究群体中的遗传结构及变化规律，如遗传病的种类、发病率、基因频率和携带者频率，以控制遗传病在群体中的播散。其理论依据是1908年Hardy和1909年Weinberg提出的遗传平衡定律。26

8、免疫遗传学

9、药物遗传学10、遗传毒理学11、发育遗传学12、行为遗传学27二、遗传学史上的里程碑1865Mendel→豌豆→分离律和自由组合律1902Garrod→尿黑酸尿症→先天性代谢缺陷1926Morgan→果蝇→染色体1953Watson&Crick→DNA双螺旋结构1956Pauling→镰状细胞贫血症→分子病1969Pardue→分子杂交1972Berg→体外DNA重组1977Sanger→双脱氧核苷酸法→DNA测序1985Mullis→PCR→体外DNA扩增2003HGP→解译人类遗传密码28

第四节走进基因组医学时代一、研究热点1.基因工程

20世纪70年代兴起。在核酸限制性内切酶、载体质粒、连接酶和其它修饰酶被陆续发现以后，人类实现重组疫苗、生物制药、转基因动/植物等。2.克隆对哺乳动物特定发育阶段的核供体（胚胎分裂球或体细胞核）,及相应的核受体（去核的受精卵或成熟的卵母细胞）进行体外重构胚胎并移植，从而达到扩繁同基因型哺乳动物种群的目的。29克隆羊多利(1997.4.23---2003.4.14),威尔穆特教授----

克隆羊之父

1997年2月，威尔穆特等利用绵羊乳腺细胞成功地克隆出体细胞核移植后代---Doly。

303.RNA干扰----

表观遗传现象之一，转录后基因沉默。1990Jorgensen，向矮牵牛中导入更多拷贝与粉红色色素合成有关的基因，以产生颜色更深的紫色矮牵牛花,结果许多花朵的颜色，反而变成白色。发生导入的基因和其同源的内源基因同时都被抑制的现象。

1995DrGuo，在秀丽小杆线虫中发现正义RNA具有很高的基因沉默活性。1998

华盛顿卡内基研究院AndrewFire和马萨诸塞大学CraigMello通过实验阐明了这一反常现象。314.基因诊断&基因治疗利用分子遗传学的技术方法技术从DNA水平检测人类遗传性疾病的基因缺陷。被广泛地应用于遗传病的诊断、产前诊断、个体对某种重大疾病的易感性。如：地贫、镰状细胞贫血、遗传病产前无创诊断。将某种遗传物质转移到患者细胞内，使其体内发挥作用，以达到治疗疾病目的方法。如：ADA，地中海贫血。5Knock-in/Knock-out模式生物。6Y染色体与人类进化、性别分化。32HumanGenomeProjectGregorMendel(1822~1884)

FrancisCrickJamesWatson(1916-2004)(1928-)1990.10-2003.45.人类基因组计划Doublehelix

1865~1953~2003

孟德尔提出“遗传因子”—DNA双螺旋结构—

人类基因组计划完成33

1）人类基因组的组成（3.2×109bp）341986年3月，RenatoDulbecco提出1990年10月，美国政府正式启动了HGP,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，测序任务3000万bp1999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，六国共同完成人类基因测序工作。

2）HGP

简史351990年启动的人类基因组计划（HGP）于2001年“大功告成”，至2003年结束，历时共13年。2001年2月15日出版的英国《nature》杂志和2001年2月16日出版的美国《science》杂志。

分别正式公布了人类基因组计划和塞莱拉遗传公司的人类基因组全序列数据，人类基因组草图诞生了。2001年2月，公布人类基因组草图存在很多重要的不足。例如，仅测出了约90％的常染色质基因组序列，而且序列之间存在147821个未检测出的空缺等等，使得2001年人类基因草图略显潦草。36国际人类基因组测序协作组（IHGSC）立即启动了一项十分艰难、但非常必要的“纠错补漏”程序,用了3年的时间将草图一点点地丰满起来，那些令人头疼的缝隙也从原来的15万个减少到现在的341个。在2001－2003年之间，IHGSC的不懈努力终于将此草图转化为今天这张既高度精确又相当完整的人类基因组图。发表在2004年10月21日Nature（2004,431:931）上。报告对2001年2月发表的初步分析报告进行了补充。37383)人类基因组计划的宗旨破译DNA序列中蕴藏的全部信息。揭示人体生理和病理过程的分子基础。逐步认识生命的起源、进化、遗传、发育、衰老以及死亡的本质。为人类疾病的预测、诊断、预防和治疗提供最为合理和有效的方法和途径。394)人类基因组计划（1990.10～2003.4）主要内容制图（Mapping）遗传图：又称连锁图，是以遗传多态性（遗传标记）为位标，以遗传学距离cM为图距制作的基因图。RFLP，STR，SNP。物理图：以已知核苷酸的一个DNA片段为标记，以序列长度kb/Mb为距离的基因组图。

测序（Sequencing）利用自动测序仪，完成全部碱基的测序图。40测序策略Celera公司→Wholeshotgun

HGP→Nestedshotgun

全基因组霰弹法分级霰弹法41425)人类基因组计划（1990.10～2003.4）基本策略(1)对基因组进行标记和划界将每条染色体划分为长短臂、带、亚带和亚亚带，为定位基因和特定序列提供了染色体标志。一般以500kb标以一个特异的DNA标记，作为特定基因或序列的界标。(2)切割和排序标记好后，再对基因组DNA用一定内切酶切割成片段并进行克隆，并用已知的标记将这些克隆有序排列。(3)建立遗传图谱、物理图谱和基因图谱。(4)进行全序列测定。(5)确定每一个基因结构、特性和功能。436)人类基因组计划的意义

是人类自然科学史上最重大的研究项目之一，可与产生原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任务相媲美，是当前国际生物学、医学领域内一项引人注目的工程，将推动整个生命科学的发展。

人类基因组研究成果表明:

（1）基因数量少得惊人，约2-2.5万；

（2）人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”；

（3）三分之一重复序列为“垃圾”DNA；

（4）个体间99.99％的基因序列相同。种族歧视毫无根据。44中国人类基因组计划1993年，启动中国人类基因组计划（CHGP），首先开展了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”。1997年，启动了“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研究”项目。在上海和北京相继成立了国家人类基因组南方、北方中心。研究成果:1%测序任务：2000年4月，3号染色体3000万bp，精确度

99.99%，发现142个基因（80个为预测基因）“炎黄一号”：2007年10月11日，完成第一个完整的中国人基因组图谱。457)HGP带来的新名词(1)基因组学（genomics）：Mckusick于1986年首创，指的是从整体的方式来阐明基因组功能遗传的科学。(2)比较基因组学（comparativegenomics）：研究模式生物与人类及其他生物基因组整体比较全基因组核苷酸序列特点。特点是在整个基因组的层次上比较基因组的大小及基因数目、位置、顺序、特定基因的缺失等。(3)药物基因组学（pharcogenomics）：从基因组入手，研究药物作用的遗传多态性，优化药物设计，发现药物作用的靶点的科学。46(4)转录物组学(transcriptomics):研究细胞在不同时空基因转录物的种类，结构和功能。(5)蛋白质组学(proteomics):研究细胞内全部蛋白质组的组成、结构与功能及其活动规律。(6)功能基因组学(functionalgenomics):研究基因及DNA序列功能，基因表达的调控，以及基因组和基因与环境之间的相互作用。(7)生物信息学（bioinformatics）：是对DNA和蛋白质等序列中各种类型信息进行识别、储存、分析、模拟和传输的学科。HGP计划促进了生物信息学的快速形成，HGP工程产生的浩瀚的图谱和序列分析资料构成了复杂的遗传信息数据库。47二、后基因组时代展望1常规的基因诊断将能够预测个体对某些常见疾病和遗传性癌症的易感风险，对许多肿瘤早期诊断，安全的基因治疗将成为对某些遗传病的有效治疗手段。2安全的基因疫苗将成为对某些癌症和特定病原体的有效治疗和预防手段，针对个体基因型的特异、高效和低毒性的基因药物将会广泛使用；乳腺癌疫苗。483

人类许多疾病发生发展的分子机理将会阐明，在疾病症状前得以早期基因诊断和治疗；阐明许多复杂性疾病的基因变异及其环境诱导因素，能够通过改变生活习惯和改进环境条件来降低患病风险，使得对这些疾病的预防成为可能。到2050年，一个较全面、完整的以基因组为基础的医疗实践和卫生保健体系将有可能在各个国家成为标准和规范应用。后基因组时代展望4923andme50

三、医学生为什么要学习《医学遗传学》？基础医学与临床医学之间的桥梁课程。遗传病对人类健康威胁仍在继续。掌握遗传病致病机理和诊断、防治策略；建立“基因型→表型”等遗传思维；了解现代分子生物学基本技术。有利于我们认知和把握健康和疾病的生物学原理，对疾病本质认识的需要。51第一节真核细胞的结构一、细胞是生物体进行生命活动的基本结构和功能单位。二、细胞膜三、细胞质四、细胞核52滑面内质网粗面内质网染色质核糖体核仁溶酶体细胞核中心粒线粒体细胞质核膜高尔基复合体53细胞膜为液态镶嵌生物膜。54真核细胞核内具有染色质、核仁和核基质等。5556第二节染色质和染色体一、染色质和染色体二、常染色质和异染色质三、性染色质和性染色体57染色体是遗传的物质基础，是基因的载体。58一、染色质和染色体染色质：细胞间期核内伸展开的DNA-蛋白质纤维。染色体：有丝分裂阶段，染色质高度螺旋化，紧密盘绕折叠的产物。螺旋化染色质→染色体（分裂间期）（分裂期）59染色质和染色体是同一遗传物质在细胞间期和分裂期的两种不同形态。60DNA（deoxyribonucleicacid）组蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4）蛋白质非组蛋白

61DNA（总长2m）→染色体（n=46）→细胞核（d=6μm）62核心颗粒：四种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各2个分子构成八聚体，外面围绕约146bp的核心DNA；连接区：相邻两个核小体间由50-60bp的DNA相连，其上还结合1个组蛋白H1。

染色体的基本单位是核小体（Nucleosome）；63串珠状染色质64螺线管65超级螺线管6667四级结构:由超螺线管再缠绕折叠——中期染色体（两条染色单体）（直径1400nm,÷5）三级结构：螺线管进一步折叠螺旋化——超螺线管（直径0.4μm,÷40)二级结构：串珠进一步螺旋化，每6个核小体一个螺旋——螺线管（直径30nm,÷6)一级结构：无数个核小体通过一条DNA分子串联起来——串珠状纤维（÷7）6869二、常染色质和异染色质染色状态位置转录活性常染色质浅分散疏松核中央有异染色质深致密凝缩核仁核膜低或无70异染色质组成型异染色质：位置固定，位于端粒，着丝粒或核仁组织区（NOR）;功能型/兼性异染色质：特定阶段由常染色质转变而成，X染色质。71三、性染色质和性染色体人染色体46条（23对），1-22对为常染色体，X染色体和Y染色体决定性别，称为性染色体。在间期细胞核中，性染色体的异染色质部分显示的一种特殊结构→性染色质（sex-chromatin）。72X染色质（X-chromatin）正常女性的间期细胞核膜内缘有一染色较深、椭圆形、1μm大小的小体，称为X染色质，又称Barr小体。Barr小体（X染色质）数目=X染色体数-173Y染色质用荧光染料使正常男性间期细胞核染色后，核内显示一个0.3μm大小的强荧光小体。实质为Y染色体长臂远端异染色质被染色的结果。Y染色质（Y小体）数目=Y染色体数目74第三节细胞分裂一、有丝分裂二、减数分裂三、配子发生四、受精75有丝分裂（mitosis）减数分裂（meiosis）细胞分裂受精卵（1个细胞）→婴儿（约1012个细胞）→成年（约16×1014个细胞）生命活动过程中有许多细胞死亡，由新细胞补充。76一、有丝分裂有丝分裂：一个细胞分裂产生两个在遗传上与亲代完全相同的细胞的过程。特点：DNA/染色体复制1次；细胞分裂1次→产生2个子细胞；染色体数目仍是2n。意义：子代细胞保持了与亲代细胞相同的遗传物质，从而保证机体所有细胞染色体数目的恒定。77细胞周期（cellcycle）细胞周期：细胞从上一个有丝分裂结束到下一个有丝分裂结束的全过程。

间期

分裂期前期中期后期末期78G1期：RNA和蛋白质合成，是进入S期的前提；S期：DNA合成复制；G2期：加速合成RNA和蛋白质，为M期准备。间期79前期（prophase）：染色质折叠变粗，核仁、核膜消失；中期（metaphase）：典型染色体，排列于赤道板、纺锤体形成，并与染色体着丝粒相连；后期（anaphase）：着丝粒纵裂、染色单体分别移向两极；末期（telephase）：染色体移至两极并分散成染色质，核膜、核仁再现、细胞膜凹陷。80有丝分裂的荧光显微图像81828384二、减数分裂减数分裂：生殖细胞的分裂方式，由此产生男性和女性的配子，即精子和卵子。

特点：生殖细胞形成过程中（成熟分裂）；染色体/DNA复制1次，细胞连续2次分裂；形成精子或卵细胞；染色体数目减半（二倍体→单倍体）。包括：减数分裂Ⅰ＋减数分裂Ⅱ85前期Ⅰ：细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期中期Ⅰ：四分体排列形成赤道板，纺锤丝与着丝粒相连并朝向两极。后期Ⅰ：同源染色体彼此分离（分离律），非同源染色体随机分配到子细胞中（自由组合律）。末期Ⅰ：染色体达两极，核膜、仁重新出现，形成两个子细胞。减数分裂Ⅰ86前期Ⅰ871、细线期（leptotene）特点：1）染色质—螺旋化—染色体（呈细丝状）；2）染色体已复制，但看不到双重性；3）染色体端粒开始与核膜附着斑相连；882、偶线期（zygotene）特点：1）同源染色体发生配对→联会(synapsis)→联会复合体→二价体。2）同源染色体（homologouschromosome）：是指大小、形态结构相同，一条来自父方，一条来自母方的一对染色体。89联会复合体903、粗线期（pachytene）特点：1）染色体变粗→二价体→四分体（tetrad）。2）非姐妹染色单体之间发生交换→交叉，染色体重组/基因重组，互换的细胞学基础。914、双线期（dipleoid）特点：

1）联会的同源染色体相互排斥，并分离。

2）互换后的染色体之间仍存交叉—交叉端化。925、终变期（diakinnesis）特点：1）染色体高度螺旋化——短、粗。2）核仁、核膜消失、纺锤体形成。3）交叉移至末端——互换片段。93中期Ⅰ特点：

1）四分体排列形成赤道板。

2）纺锤体与染色体着丝粒盘连接。94后期Ⅰ特点：1）同源染色体彼此分离（分离律）。2）非同源染色体随机分配到子细胞（自由组合律）（自由组合—223）。95末期Ⅰ特点：1）两组染色体分别到达两极，2）一个细胞变成两个细胞，染色体数目减半，3）核仁、核膜重新出现。96减数分裂Ⅱ前期Ⅱ：核仁、核膜消失，每个C中有n个二分体。中期Ⅱ：各二分体排列在赤道板上。后期Ⅱ：二分体着丝粒纵裂，形成染色单体，移向两极。末期Ⅱ：单分体到达两极，形成两个（四个）子细胞。9798减数分裂有丝分裂99减数分裂的意义1）保持物种的稳定性:2n→n→2n2）染色体分离与随机分配——不同生殖细胞形成223种组合。1003）互换→基因重组，有利于DNA修复，基因组稳定性，增加了生殖细胞中染色体组成的差异，增加了遗传物质的组合，遗传物质的多样性，生物的多样性→进化。4）X、Y染色体经减数分裂形成X、Y两类精子，决定受精卵性别，精、卵形态和功能不同，有利于受精。5）减数分裂中，体现了分离律（后期I）、自由组合律（后期I）、互换（粗线期）的细胞学基础。101分离律自由组合律连锁互换律102三、配子发生103三阶段：1）有丝分裂增殖期；2）减数分裂期；3）精子形成／分化。精子发生104卵子发生三阶段：1）增殖期；2）生长期；3）成熟期。105精子／卵子发生比较1、产生配子数目不同：

1个精原细胞→4个精子

1个卵原细胞→1个卵子＋3个极体2、减数分裂起始时段不同：女性始于胚胎时期，男性始于青春期。3、减数分裂停滞：精子无停滞卵子两次停滞前期Ⅰ双线期中期II4、形态功能变化：卵子→大，贮存营养物质精子→小，便于活动出生后至青春期前排卵后至受精前106四、受精（Fertilization）受精：指成熟获能后的精子与卵细胞结合形成受精卵的过程。发生部位：输卵管壶腹部。107第四节基因组和基因一、DNA是遗传物质二、DNA的结构特征及生物学意义三、人类基因组四、基因组DNA序列的类型五、断裂基因的基本结构六、基因表达与调控108一、DNA是遗传物质19世纪60年代：发现染色体含有DNA，并能引起遗传性状；20世纪初：认为染色体中的蛋白质可能是遗传物质；1944年，Avery等的肺炎双球菌转化实验证明了遗传物质是DNA，奠定了分子遗传学的基础。109R型细菌（粗糙、无毒性）S型细菌（光滑、有毒性）肺炎双球菌转化实验110体内实验111体外实验112二、DNA的结构特征及生物学意义染色体→基因的载体基因→功能DNA片段DNA

转录→RNA

翻译→蛋白质1131、DNA是由两条多核苷酸链相互逆向缠绕而成的双螺旋长链大分子；114基本结构——核苷酸（nucleotide）

磷酸脱氧核糖碱基脱氧核苷脱氧核苷酸1152、DNA含有4种碱基（A=T,G≡C）；嘌呤Purines嘧啶Pyrimidines胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）鸟嘌呤（G）腺嘌呤（A）1163、碱基有顺序地排列构成DNA序列，编码和储存大量遗传信息；三联体密码子（tripletcondon）→简并性（Degeneracy）1174、双螺旋碱基互补结构是DNA复制和修复的基础；1185、DNA双螺旋的碱基互补是现代分子生物学核心技术——“分子杂交”的基础；Southern印迹Northern印迹PCRDNA合成生物芯片1196、双螺旋结构形成的大沟是DNA与蛋白质相互作用的结构条件。反式作用因子（Protein）顺式作用元件（DNA）+120三、人类基因组基因（gene）：DNA序列的一个功能片段。基因组（genome）：一个生物体含有全部遗传信息的DNA序列。人类基因组：是指人的所有遗传信息的总和，包含核基因组和线粒体基因组。121基因组范畴的演变20世纪20年代→单倍体细胞所含有的全套染色体。80年代→整套染色体包含的全部基因。基因组计划后→细胞全部基因DNA序列和非基因DNA序列的总和。122人类基因组核基因组3200Mb2.0~2.5万个基因线粒体基因组16.6kb37个基因2rRNA22tRNA13个多肽编码基因基因和相关序列~25%单拷贝或中等重复编码DNA~10%非编码DNA~90%假基因基因片段内含子、非翻译序列等单或低拷贝~60%中~高度重复~40%分散重复串联重复或簇集重复基因外序列~75%123核基因组124核基因组的组成和主要特征1）核苷酸总数3.2×109bp；2）编码DNA约占1%，内含子约占24%，基因间序列约占75%，非编码DNA重复序列≥50%；3）基因约2~2.5万，分布及长度差异大；4）RNA基因约3千多个，假基因约2万个；5）基因组中SNP出现频率为1/500-1000bp，个体间约有0.1%的核苷酸差异；6）减数分裂时发生突变，男＞女。125线粒体基因组126线粒体基因组的组成和主要特征组成：2个rRNA基因

22个tRNA基因

13个多肽编码基因主要特征：环型双链DNA分子无内含子母系遗传127四、基因组DNA序列的类型

根据DNA序列在基因组中具有不同的结构和功能，将基因组DNA序列分为：

1、基因序列和非基因序列

2、编码序列和非编码序列

3、单一序列和重复序列1281、基因序列和非基因序列基因序列→基因组中决定蛋白质的DNA序列：起始密码(AT/UG)至终止密码(UAG、UGA和UAA)→可读框(openreadingframe,ORF)非基因序列→基因组中除基因以外的全部DNA序列。→基因间DNA序列。1292、编码序列和非编码序列编码序列→编码RNA和蛋白质的DNA序列。→基因中的外显子(exon)序列非编码序列→基因中的内含子(intron)序列+旁侧序列+基因间序列1303、单一序列和重复序列单一序列→在基因组中只出现过一次的DNA序列。→包括多数基因序列和非基因序列的单一序列重复序列→在基因组中重复出现的DNA序列。

131重复序列轻度：2～10个；中度：10～数百乃至数十万个；高度：数百～数百万个；重复拷贝数分布情况串联重复分散重复短分散核酸元件（SINE）长分散核酸元件（LINE）卫星DNA小卫星DNA微卫星DNA132高度重复序列：

rRNA基因

tRNA基因短的非编码重复，如串联重复序列。串联重复序列（tandemrepetitivesequence）：不同数目的核苷酸重复拷贝串联在一起的高度重复序列；→长度：2～200bp；→主要为卫星DNA。133卫星DNA氯化铯密度梯度离心时，因为DNA中GC和AT含量的差异，在形成主带之外还形成小的卫星带；→该卫星带的DNA中GC含量少于主带；→构成着丝粒、端粒和Y染色体长臂的异染色质区。134

卫星DNA构成着丝粒、端粒和Y染色体长臂的异染色质区

卫星DNA135

小卫星DNA（MinisatelliteDNA）→6~25bp。微卫星DNA（MicrosatelliteDNA）→2~6bp。均称为短串联重复序列（Shorttandemrepeat，STR）→作为遗传标记，如可变数目串联重复序列（VNTR）等，具有多态性，且与疾病有关。单核苷酸重复，如（A）n，分散于基因组中，具有高度多态性，可作为遗传标记，与人类疾病相关。三核苷酸重复，如（CGG）n，与神经肌肉系统疾病有关；六核苷酸重复（TTAGGG）n，位于端粒区，与细胞衰老和肿瘤发生有关;136中度重复序列→常为非编码序列，平均长约300bp→一般构成序列家族，分散于基因组中。分散重复序列：分布于基因组内散在的重复序列

短分散核酸元件（shortinterspersingelement，SINE）长分散核酸元件（longinterspersingelement，LINE）137短分散核酸元件（SINE）长度在500bp以下，拷贝数可达10万以上如：Alu序列，300bp，→序列中含有一个Alul酶切位点“AGCT”→是人类基因组特有的含量丰富的中度重复序→50~70万拷贝。功能：基因转录调节；hnRNA加工；DNA复制的启动。AluI138长分散核酸元件（LINE）长度：5kb～7kb，拷贝数：102～104如：Kpnl家族分散于基因组中，构成转座元件（使DNA在基因组内从一个染色体转到另一个染色体）。139五、断裂基因的基本结构（一）基因的概念（二）基因的一般特性（三）基因的类别（四）原核与真核生物基因比较（五）真核生物基因结构140（一）基因的概念从遗传学角度看：基因是生物的遗传物质，是遗传的基本单位→突变单位、重组单位和功能单位。从分子生物学角度看：基因是负载着特定遗传信息的DNA片段，在一定条件下能够表达这种遗传信息，执行特定的生理功能。141（二）基因的一般特性从分子水平看，基因有以下基本特性：1）自我复制→半保留复制2）基因决定性状：

Gene→mRNA→Protein3）基因突变淘汰保留生物进化遗传病142（三）基因的类别依其功能可分为：1）结构基因：编码蛋白质；2）调控基因：调节结构基因表达：如miRNA的基因3）转录而不翻译的基因：

rDNA基因（NOR）→rRNA→组成核糖体。

tRNA基因→tRNA→转运氨基酸。

143（四）原核与真核生物基因比较原核生物基因：无核膜，散在于细胞质；基因是连续的，仅1个染色体/DNA/RNA分子；多数是双链环状，少数为单链线状。真核生物基因：有核膜，在细胞核/线粒体中；基因结构复杂（又称断裂基因）；基因大小差别很大。144（五）真核生物基因结构真核生物结构基因的DNA序列由编码序列和非编码序列两部分组成，编码序列是不连续的，被非编码序列分割开来，故又称为断裂基因（splitgene）。外显子(Exon)＋内含子(Intron)＋旁侧(Flanking)序列1451、外显子和内含子结构基因中:

编码序列称为外显子（exon），表达多肽部分；非编码序列称为内含子（intron）。内含子和外显子不是固定不变的，同一基因可以有多种不同的转录产物；某些真核生物结构基因没有内含子，如组蛋白基因和干扰素基因，它们常以基因簇形式存在。146GT-AG法则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；内含子的5´端是GT，3´端是AG，这种接头方式称为GT-AG法则；其普遍存在于真核生物中，是RNA剪接的识别信号。1472、旁侧序列与调控序列每个结构基因的第一个和最后一个外显子的外侧，都有一段不被转录的非编码区，称为旁侧序列（Flankingsequence）；是基因的调控序列，对基因的有效表达起调控作用；包括：启动子、增强子、终止子等，均属于基因的顺式作用元件。1481）启动子（Promoter）

是位于基因转录起始点上游的100～200bp范围内一段特定的核苷酸序列；为RNA聚合酶的结合部位，并相互作用启动基因转录；决定DNA中的转录链。包括：TATA框、CAAT框和GC框等。149TATA框（TATABox）：位于转录起始点上游25～30bp的一段高度保守序列，与转录因子TFII结合，再与RNA聚合酶II形成复合物，从而准确地识别转录起始位置，激活转录。CAAT框（CAATBox）：位于转录起始点上游-75～80bp的一段保守序列，与转录因子CTF结合，具有激活转录的功能。GC框（GCBox）：序列为GGCGGG，位于CAATBox两侧，与转录因子SP1结合，具有激活转录的功能。1502）增强子（Enhancer）包括启动子上游或下游的一段DNA序列，可以增强启动子发动转录，提高转录效率。特点：在任意位置都有效无方向性有组织特异性1513）终止子（Terminator）由一段回文序列（转录终止信号）以及特定的5´-AATAAA-3´序列（PolyA附加信号）组成，是RNA聚合酶停止工作的信号。为反向重复序列，转录后形成发夹结构，阻碍RNA聚合酶的移动，且易从模板上脱落，终止转录。152基因家族（Genefamily）是指来源相同，结构相似和功能相关的一组基因。属于重复序列。特点：微小差别，行使相同功能。分布几条不同的染色体上一条染色体上→形成基因簇153基因家族（Genefamily）

珠蛋白基因（成簇分布于16号染色体）HOX基因（成簇分布于2号、7号、12号、17号染色体）154基因家族（Genefamily）NF1基因（散在分布于17号、11号、15号等染色体）155基因簇（Genecluster）一个基因产生多次拷贝，顺序几乎相同，成簇地排列在一条染色体上，形成一个基因簇。如人HLA系统，7个连锁基因座位分布于Chr.6。A—B—C—D—DR—DQ—DP156一个基因家族中不同成员成簇可分布于几条不同的染色体上，编码一组功能关系密切的蛋白。如：

α珠蛋白基因簇，分布于Chr.16；

β珠蛋白基因簇，分布于Chr.11。157假基因（Pseudogene）具有部分基因结构，但在进化过程由于突变而不能产生有功能的蛋白产物，称为假基因。如：ψζ、ψα1、ψβ1。158六、基因表达与调控基因表达：DNA序列的遗传信息通过转录产生mRNA再经过翻译最终生成蛋白质的过程。基因决定性状，性状是以蛋白质形式体现的；遵循生命物质的运动基本规律——中心法则（Centraldogma）。1591、转录转录是基因中的遗传信息以DNA双链的反义链为模板合成单链mRNA分子。160核内异质RNA（hnRNA）→成熟mRNA加帽剪接加尾161加帽（capping）→mRNA5′端加上一个7-甲基鸟苷（m7′G），增强mRNA稳定性，促使与核糖体结合和释放；162剪接（splicing）→剪接供体（GT）、剪接受体（AG）和小核RNA蛋白（snRNP）形成剪接体，切除内含子；163加尾（polyadenylation）→mRNA3′端信号“AAUAAA”下游加polyA尾，促进mRNA转运出核，并增强其稳定性。1642、翻译翻译是将转录生成的mRNA的碱基顺序解译为蛋白质的氨基酸序列。165mRNA分子中，每三个相连的核苷酸组成一个三联体，决定一个氨基酸或提供终止信号，这个三联体称为“密码子”，4种碱基随机组成43=64种密码子。1663、翻译后修饰包括：多肽链N端脱甲酰基、乙酰化、磷酸化、糖基化和链的切割，以及肽链间的连接和进一步折叠等；多肽—蛋白/酶原---生物活性。167真核生物基因调控表观遗传调控：DNA甲基化、RNA干扰、组蛋白修饰和染色体重塑等。RNA水平：基因转录成RNA的速度、RNA加工、mRNA向细胞质转运和mRNA降解速度。蛋白质水平：mRNA翻译成蛋白质的速度、蛋白质翻译后修饰和蛋白质降解速度。168基因的转录调控顺式作用元件（cis-actingelement）

：包括启动子、增强子、终止子等，是基因(DNA)的一部分,对基因转录直接起作用。反式作用因子（trans-actingfactor）：即转录因子（transcriptionalfactor），是一类通过与靶序列上顺式作用元件结合来调节基因表达的蛋白质。169转录因子结构域基序螺旋-转角-螺旋（HTH）螺旋-环-螺旋（HLH）锌指结构亮氨酸拉链170基因突变：DNA水平遗传物质的变化自发/诱发

进化遗传病／常见病第五节基因突变171点突变（pointmutation）：DNA分子中的一个或一对碱基的改变。缺失、重复、插入→涉及多个碱基突变。突变体（mutant）：携带突变基因的细胞或个体。野生型（wildtype）：未携带突变基因的细胞或个体。突变热点（hotspotsofmutation）：DNA分子中某些突变频率大大高于平均数的部位。172

编码序列突变发生于启动子区遗传病剪接区内含子区突变类型:1）碱基置换（点突变，Pointmutation）2）插入和缺失（InsertionandDeletion）3）动态突变（Dynamicmutation）1731、碱基置换碱基置换：指DNA分子中一个碱基被另一个不同的碱基所替代。转换：嘌呤嘌呤，嘧啶嘧啶颠换：嘌呤嘧啶碱基替换导致mRNA中密码子发生变化，多肽链中氨基酸改变，可能出现不同的效应。

1741）同义突变同义突变（Synonymousmutation）：由于密码子具有兼并性，单个碱基置换后密码子所编码的是同一种氨基酸，表型不改变。正常：

AGTCAGCAGCAGTTTTTACGTAACCCG…DNA

MetGlnGlnGlnPhe

Leu

ArgAsnPro

同义突变：

AGTCAGCAGCAGTTTTTGCGTAACCCG…DNA

MetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro1752）错义突变错义突变（Missensemutation）：DNA分子中的碱基置换后，形成新的密码子，且所编码的氨基酸也发生改变，产生异常的蛋白质。正常：

AGTCAGCAGCAGTTTTTACGTAACCCG…DNA

MetGlnGlnGlnPhe

Leu

ArgAsnPro

错义突变：

AGTCAGCAGCAGTTTTCACGTAACCCG…DNA

MetGlnGlnGlnPhe

Ser

ArgAsnPro1763）无义突变无义突变（Nonsensemutation）：是指DNA中碱基被置换后，使编码一个氨基酸的密码子变为终止密码，肽链合成提前终止，产生短的没有活性的多肽片段。正常：

AGTCAGCAGCAGTTTTTACGTAACCCG…DNA

MetGlnGlnGlnPhe

LeuArgAsnPro无义突变：

AGTCAGCAGCAGTTTTGACGTAACCCG…DNA

MetGlnGlnGlnPhe

终止1774）终止密码突变终止密码突变：DNA分子中的一个终止密码发生突变成编码氨基酸的密码子，使多肽链的合成继续进行下去，一直延长至下一个终止密码子时停止，产生延长的异常多肽链，又称延长突变。1782、插入和缺失移码突变：DNA编码序列中插入或缺失一个或几个碱基，使其下游阅读框发生改变，导致蛋白质活性异常或无活性。正常：

AGTCAGCAGCAGTTTTTACGTAACCCG…DNA

MetGlnGlnGlnPhe

LeuArgAsnPro移码突变：

AGTCAGCAGCAGTTTTACGTAACCCGT…DNA

MetGlnGlnGlnPhe

TyrValThrArg1792、插入和缺失整码突变：DNA链的密码之间插入或缺失一个或几个密码子，导致肽链增加或减少一个或几个氨基酸，但插入或缺失点以后的氨基酸序列不变。正常：

AAGGACCCGGCG

密码子插入：

AAGGAC

AAACCGGCG密码子缺失：

AAGGACGCG180染色体不等交换减数分裂时，同源染色错误配对→不等交换→基因重复／缺失举例：HbLepore&Hbanti-Lepore1813、动态突变动态突变：邻近基因或位于基因序列中的三核苷酸重复拷贝数，如(CGG)n、(CAG)n等，在一代代传递过程中发生明显的增加。该突变可遗传并产生表型效应→引起疾病，多为神经系统疾病。举例：(CAG)n→Hutington舞蹈病

(GCT)n/(CTG)n→强直性肌营养不良

(CCG)n→脆性X综合征182正常：

AGTCAGCAGCAGTTTTTACGTAACCCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro动态突变：

AGTCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAG…DNAMetGlnGlnGlnGlnGlnGlnGlnGln随着世代传递：长度增加；发病年龄提前；病情加重。183

4、基因突变的后果1）中性突变：轻微，对机体效应不明显；2）个体间生化的遗传学差异：一般对机体无影响。如ABO血型，HLA和同工酶等；3）有利于个体生存生育。如Hbs突变基因杂合子比正常纯合子抗疟疾能力强；4）决定遗传易感性。如：肿瘤的易感性；5）遗传病：每个健康个体均有5-6个有害突变；6）致死突变：死胎、自然流产和生后夭折。184185第一节遗传学基本定律一、遗传学基本术语1.基因座（Locus）:指一条染色体上的特定位置，每个遗传基因座上存在有特定的基因。2.等位基因（Alleles）:在同源染色体的同一基因座上的基因。3.复等位基因（MultipleAlleles）:在群体中当一个基因座上的等位基因数目有三个或三个以上时就称为复等位基因。1864.纯合性/子：如果在同一个基因座上两个等位基因是相同的，称为纯合性（Homozygous），这样的个体称为纯合子（Homozygote）。5.杂合性/子：如果在同一个基因座上两个等位基因是不同的，称为杂合性（Heterozygous），这样的个体称为杂合子（Heterozygote)。1876.复合杂合子（Compoundheterozygote）：一个个体在一个特定的位点上有两个不同的突变等位基因，称为复合杂合子。7.双重杂合子（Doubleheterozygote）：在两个不同位点上每个位点带有一种突变等位基因的个体，称为双重杂合子。1888.基因型（genotype）：是个体的遗传结构或组成。由特定基因座上的等位基因构成。成对存在，分别来自父母。AAAaaa9.表现型（phenotype）：

是基因型和环境因素相互作用所观察到的结果，能表现出来的遗传性状。18910.显性（dominant）：

等位基因杂合状态下可决定性状的

基因为显性基因（大写字母），所决定的性状为显性性状。11.隐性（recessive）：

等位基因杂合状态下不决定性状的基因为隐性基因（小写字母），这一基因决定的性状是隐性的，基因为纯合子时才表现出性状。血型基因：

定位于9q34.2（基因座）IA，IB，i（复等位基因）基因型IAIA，IBIB

，ii属于纯合子，表型分别为A、B、O型血

基因型IAIB，IBi等属于杂合子，表型分别为AB、B型血复合杂合子：地中海贫血α+α0双重杂合子：先天聋哑夫妇的听力正常子女DdEe190191二、遗传学基本定律分离律自由组合律连锁互换律192实验材料的选择---豌豆的性状1931.分离律

实验

解释

P圆×

皱RR×rr

F1圆×圆Rr×Rr

↙↘↙↘RrRr(配子形成R:r=1:1)F2圆×皱RRRrrr基因型

3：11：2：1基因型比

3：1表现型比

194

细胞中含有控制性状发育的遗传因子；体细胞中遗传因子成对存在，如RR，rr；生殖细胞成熟过程中，成对的基因彼此分离，生殖细胞中只有成对中的一个；受精后合子中又恢复成对状态。假说195

验证：测交实验

F1与双隐性亲代杂交

Rr×rrRrr

Rrrr1:1

结论

生物在形成生殖细胞时，成对的等位基因彼此分离，分别进入不同的生殖细胞，称为分离律，即孟德尔第一定律。——

在生殖细胞形成的减数分裂过程中，同源染色体彼此分离，分别进入不同的生殖细胞，是分离律的细胞学基础。1962.自由组合律P黄圆×

绿皱

F1黄圆×

黄圆

F2黄圆黄皱绿圆绿皱表现型

9:3:3:1表现型比

实验197YRYryRyrYR

Yr

yR

yrYYRRYYRrYyRRYyRrYYRrYYrrYyRrYyrrYyRrYyRryyRRyyRrYyRrYyrryyRryyrrP：YYRR×yyrrF1：YyRr×YyRrYRYryRyr配子解释198

验证：测交实验

F1与双隐性亲代杂交

结论

生物在配子形成过程中，不同对的基因独立行动，可分可合是随机组合的，称为自由组合律，即孟德尔第二定律。——

在生殖细胞形成的减数分裂过程中非同源染色体随机组合进入生殖细胞，是自由组合律的细胞学基础。YyRr×yyrrYRYryRyryrYyRrYyrryyRryyrr1：1：1：1

黄圆黄皱绿圆绿皱1993.连锁互换律果蝇杂交实验—完全连锁分析BV

，bv

分别连锁在一起，只能形成两种配子，这种现象叫完全连锁。200连锁(linkage)：位于一条染色体上邻近位置