遗传学基础

The State Key Lab of Medical Genetics

遗传学基础遗传学基础

2011 2011 年年 03 03 月月

The State Key Lab of Medical Genetics夏家辉教授，人类与医学遗传学家夏家辉教授，人类与医学遗传学家医学遗传学国家重点实验室创始人中国工程院院士实现了我国遗传病致病基因零的突破发表 300 余篇论文（ Nature Genetics, Am J Hum Genet, J Med

Genet, Cancer Genet Cytogenet, J Invest Dermat, Hum Genet, Canc

Gene Ther, J Hum Genet, etc. ）


张灼华教授张灼华教授医学遗传学国家重点实验室主任长江特聘教授中组部千人计划湖南省科技领军人才美国 Burnham 研究所教授发表论文 50 余篇（ Cell, Nature, Nature Cell Biology, Nature

Neuroscience, JCI, PNAS, JCB, JBC etc.)


本章内容• 医学遗传学的概念

• 医学遗传学的发展简史

• 基因与突变

• 遗传病的分类

• 医学遗传学展望


第一节第一节

医学遗传学的概念医学遗传学的概念


人的高、矮、胖、瘦眼、耳、口、鼻皮肤的颜色是否能卷舌等等

性状性状

遗传信息


遗传性多发性外生性骨疣患者膝关节


John Forbes NashJohn Forbes Nash—— 著名数学家； 1994 年诺贝尔经济学奖得主；博弈论创始人之一

凡高和他的向日葵


结直肠癌

肿瘤与遗传


遗传性疾病，简称遗传病（ Inherited Disease, Genetic Disorders ）

因遗传因素罹患的疾病

遗传物质的结构和功能改变

多数为先天性，如血友病、 Down 综合征

表现为家族性，也有散发表现


遗传因素

环境因素染色体病单基因病

坏血病物理、化学因素损伤

结核病传染病

哮喘、精神分裂症

消化性溃疡先天性心脏病

糖尿病、唇裂

高血压脊柱裂

遗传与环境对疾病的影响


医学遗传学（ Medical Genetics ）• 研究遗传病发生机理、传递方式、诊断、治疗、预

后、再发风险和预防方法的科学• 临床医学与遗传学相互渗透的一门学科

医学遗传学主要分科：—— 细胞遗传学、分子遗传学、群体遗传学—— 药物遗传学、肿瘤遗传学、行为遗传学

—— 体细胞遗传学、表观遗传学……


细胞遗传学（ Cytogenetics ）：研究人类染色体的结构、数量异常（或畸变）的类型、发生频率及与疾病的关系。

分子遗传学（Molecular Genetics ）：从基因的结构、突变、表达、调控等方面研究遗传病的分子改变，为遗传病的基因诊断、基因治疗等提供了新的策略和手段。

群体遗传学（ Population Genetics ）：研究人群中的遗传结构及其变化的规律，为遗传病的群体监控和预防制定对策和措施。


• 药物遗传学（ Pharmacogenetics ）：研究药物代谢的遗传差异和不同个体对药物反应的遗传差异，为指导医生用药的个体化原则提供理论依据。

• 肿瘤遗传学（ Cancer Genetics ）：研究肿瘤发生的遗传基础，恶性肿瘤发生、发展中染色体改变、癌基因与抑癌基因的作用，以阐明肿瘤发生机理，为肿瘤诊断、治疗和预防提供方法。


• 体细胞遗传学（ Somatic Cell Genetics ）：以体外培养细胞系为材料，研究 DNA 的复制、基因突变、基因表达、基因调控和肿瘤形成机制等问题。

• 行为遗传学（ Behaivior Genetics ）：用各种遗传学方法研究人类行为的控制，特别是异常行为，如精神分裂症、躁狂症的遗传基础。

• 表观遗传学（ Epigenetics ）：研究在没有细胞核DNA 序列改变的情况下，基因功能的可逆的、可遗传的改变；如 DNA 甲基化，基因组印记，母体效应，基因沉默和 RNA编辑等。


第二节第二节

医学遗传学的发展简史医学遗传学的发展简史


• 1866 年， G. Mendel “豌豆实验”，遗传因子学说，分离律和自由组合律

• 1903 年， Sutton和 Boveri ，染色体遗传学说

• 1909 年， Johannsen 将遗传因子改称为基因 (Gene)

• 1910 年， Morgan ，果蝇实验，连锁与交换律

• 1926 年，证明基因在染色体上• 1953 年， Watson 等证明 DNA双螺旋结构• 1956 年，蒋有兴证明人的染色体为 23对 46

条• 1966 年，破译遗传密码• 1970 年，发现 DNA 重组技术

G. Mendel (1822-1884)


• 1990 年，国际人类基因组计划（ Human Genome Project ）启动

• 2003年，人类基因组计划提前完成• 2002 年，国际人类基因组单体型图

计划（ HapMap Project ）• 2003 ， EnCODE -- DNA 元件百科全书计划启动

• 2006 ，国际人类癌症基因组计划• 2008 ，“国际千人基因组计划”


第三节第三节

基因与突变基因与突变


基因（ Gene ）遗传因子，最小的遗传单位 4 种碱基按照一定顺序排列的 DNA片段人类一共有 2-2.5 万个基因

基因组（ Genome ）人类所有遗传信息每个体细胞包含父源和母源 2 个基因组人类基因组 2.91109bp


核基因的结构核基因的结构（结构基因、断裂基因）（结构基因、断裂基因）能转录、并存在于成熟能转录、并存在于成熟 RNARNA 中的序列称为外显子中的序列称为外显子（（ exonexon ））

能转录、但不存在于成熟能转录、但不存在于成熟 RNARNA 中的序列称为内含中的序列称为内含子子 (intron)(intron)

结构基因都由若干个外显子和内含子组成结构基因都由若干个外显子和内含子组成 GT-AGGT-AG 法则：每个内含子的法则：每个内含子的 5’5’ 端开始的两个核苷端开始的两个核苷酸都是酸都是 GTGT，， 3’3’端末尾的两个核苷酸都是端末尾的两个核苷酸都是 AGAG


侧翼序列：

基因的两侧有一段不被转录的序列包括：启动子、增强子和终止子

属顺式调控因子，称为调控序列

The State Key Lab of Medical Genetics启动子（ Promoter ）通常位于基因转录起点上游的 100bp范围内，是 RNA聚

合酶的结合部位，促进转录过程包括 TATA 框或 Hogness 框（ TATA box, Hogness bo

x ）、 CAAT框（ CAAT box ）和 GC框（ GC box ）

增强子（ Enhancer ）启动子上游或下游的一段 DNA 序列无明显的方向性，但具有组织特异性增强启动子转录的效率

终止子（ Terminator ）一段回文序列以及特定的序列，例如： 5’-AATAAA-3’

是 RNA停止工作的信号


CAAT TAAT

转录起始

转录终止

翻译起始密码ATG

翻译终止密码TAA、 TGA

TAG

Poly A信号

外显子 1 外显子 2 外显子 3

内含子 1 内含子 2启动子区域5’ 3’


基因的表达

一、转录转录本的合成以 DNA 双链中的一条链为模板， ATP、 CTP、 GTP、 UTP 作为原料，在RNA聚合酶催化下，按碱基互补方式以 5’→3’ 方向合成 RNA

转录本的加工加工一般包括剪接、戴帽和加尾等过程

The State Key Lab of Medical GeneticsRNA 加工图解


二、翻译mRNA、 tRNA 及核糖体协同作用多个核糖体在同一个 mRNA 分子上同时进行翻译沿着 5’→3’ 方向多核糖体以同一条 mRNA 为模板按不同的进度翻译许多相同的多肽链

遗传密码及其兼并性


三、翻译后加工

某些氨基酸的羟基化或磷酸化等简单的化学修饰

在肽链上加不同的糖基团或脂基团

许多初始反应产物要经过氨基酸序列的剪切成为

有活性的产物折叠、螺旋化等

The State Key Lab of Medical Genetics翻译

mRNA 5’Cap AAA3’

mRNA 5’Cap AAA3’ATG

mRNA 5’Cap AAA3’ATG

mRNA 5’Cap AAA3’ATG TAG

核糖体

TAG

TAG

ATG TAG

The State Key Lab of Medical Genetics 真核生物基因表达的调控可发生在不同水平上


细胞中核酸序列的改变通过基因表达有可能导致生物遗传特征的变化。这种核酸序列的变化称为基因突变 (mutation) 。

基因突变可以是 DNA 序列中单个核苷酸或碱基发生改变，也可以是一段核酸序列的改变。

基因突变


突变的种类

• 染色体结构、数目变异– 染色体插入、缺失、倒位、异位– 异常染色体

• 染色体微缺失 /微重复， CNVs

• 点突变–碱基替换–碱基的插入和缺失

NA

TU

RE G

EN

ETIC

S S

UPPLE

MEN

T |

VO

LUM

E 3

9 |

JU

LY

200

7

Smallestscales

Largestscales

？


一种碱基被另一种替换

点突变——替换


同义突变

错义突变

点突变——替换


点突变——插入或缺失会造成翻译过程中其下游会造成翻译过程中其下游

的三联密码子都被错读，的三联密码子都被错读，产生完全错误的肽链或肽产生完全错误的肽链或肽链合成提前终止。链合成提前终止。


动态突变

剪接位点突变

内含子序列突变

启动子序列突变

表观遗传学突变


• 动态突变（ Dynamic Mutation ）：指 DNA 中的碱基重复序列拷贝数发生扩增而导致的突变，重复单位片段的大小 3-33 个碱基长不等，也称为基因组不稳定性 (genomic instability) 。

• 剪接位点突变：导致剪接位点改变和潜在剪接位点激活的突变。

• 内含子序列突变：以往认为内含子中的随机突变对生物不会产生严重的影响。但近些年来 ,随着人们对内含子和基因序列功能研究的不断深入 , 发现在 mRNA剪切过程中 , 如内含子中分支点或内含子与外显子拼接处发生碱基的改变 ,往往会造成剪切点改变 , 从而导致编码的改变。

• 启动子序列突变：启动子序列发生变异后导致启动子转录活性的改变，分 2 类：上升突变 (up mutation) ：基因由弱启动子突变成强启动子；下降突变 (down mutation) ，调控蛋白不能与其结合，使发生顺式调控突变的基因不表达。


人类的三联体重复病。引起脆性 X 综合征、脆性 XE 综合征和 SCA12 的三联体重复位于 5’UTR ；肌强直性营养不良 I 型和 SCA8 的三联体重复位于 3’UTR； Friederich共济失调的三联体重复位于内含子内； Huntington 病、 SBMA、 DRPLA、 SCA1、 SCA2、SCA3、 SCA6和 SCA7 的三联体重复位于外显子的编码区； SCA10 的五核苷酸重复位于内含子内。

动态突变 ——


表观遗传学突变： • 表观遗传现象是指基因表达发生改变但不涉及 DNA 序列

的变化 , 能够在代与代之间传递。• 表观遗传突变即非基因组核酸序列发生改变引起的突变。• 表观遗传变异包括基因沉默、 DNA 甲基化、组蛋白密码、

核仁显性、休眠转座子激活和基因组印记等方面，甲基化和组蛋白密码是表观遗传突变的两种最主要的形式。


第四节第四节

遗传病的分类遗传病的分类


（一）染色体病

人类正常体细胞具有二倍体（ 46 条染色体），

如果在生殖细胞发生和受精卵早期发育过程中发生

差错，导致整条染色体数目、染色体节段数目、染

色体结构等异常，就会形成染色体病。


举例： Down’s 综合征（ 21 三体综合征患者）


（二）单基因遗传病单个基因（同源染色体的一条或二

条）发生突变而导致的疾病。


遗传性多发性外生性骨疣患者膝关节

举例：外生性骨疣


（三）多基因遗传病

多个基因改变的效应累积而导致的疾病。

举例：精神分裂症、孤独症


（四）线粒体遗传病线粒体基因突变导致的遗传病，呈现

胞质遗传

举例： Leber’s 遗传性视神经病


（五）体细胞遗传病

体细胞遗传物质突变为直接原因

举例：肿瘤


• 原癌基因是一些与调节和控制细胞生长、分裂和细胞周期相关的基因。

• 原癌基因的结构变化或者失控就会演变成癌基因。

癌基因起源于原癌基因


第五节

医学遗传学的展望


遗传学的发展举世瞩目，打

开了人类了解生命并控制生命

的窗口。诺贝尔奖极其关注这

一领域的探索， 100 年中对遗

传学共颁奖 18次，其中 1958

年以后共颁奖 15次，占了诺贝

尔医学奖的一半。


• 1959 年， S.奥乔亚、 A. 科恩伯格，合成 RNA和 DNA

• 1962 年， J.D.沃森、 F.H.C.克里克、 M.H.F.威尔金斯，发现核酸的分子结构

• 1968 年， R.W.霍利、 H.G.霍拉纳、 M.W.尼伦伯格，遗传信息的破译

• 1969 年， M.德尔布吕克、 A.D.赫尔、 S.E.卢里亚，发现病毒的复制机制和遗传结构

• 1978 年， W.阿尔伯、 H.O.史密斯、 D.内森斯，限制性内切酶及其应用

• 1983 年， B.麦克林托克，发现转座子• 1989 年， J.M.毕晓普、 H.E.瓦慕斯，发现了原癌基因• 1993 年， P.A. 夏普、 R.J.罗伯茨，断裂基因


• 1995 年， E.B.刘易斯、 E.F.维绍斯、 C.N.福尔哈德，控制

早期胚胎发育的重要遗传机理

• 2002 年，悉尼 ·布雷内、约翰 ·苏尔斯顿和罗伯特 ·霍维茨，

器官发育和程序性细胞死亡过程中的基因调节

• 2006 年，安德鲁 · 法尔和克雷格 ·梅洛，在 SiRNA干扰、双

链 RNA引发的基因沉默

• 2007 年，马里奥 ·卡佩基、奥利弗 ·史密斯和马丁 ·埃文斯，

胚胎干细胞和哺乳动物 DNA 重组方面的系列突破性发现


人类基因组学 -- 认识基因

功能基因组学 -- 阐明基因的功能

蛋白质组学 -- 基因编码产物的结构与功能

基因诊断 -- 预防疾病的传递

基因药物 -- 发现新的治疗药物

基因治疗 -- 治疗遗传性疾病


角膜环状皮样瘤是一种先天性角膜良性肿瘤，呈常染色体显性遗传。


I:1 I:2

II:1 II:2

III:1 III:2

IV:1 IV:2

III:3 III:4

IV:3

II:3 II:4

III:5 III:6

IV:4

III:7

II:5 II:6

III:8 III:9

II:7 II:8

III:10 III:11

II:9 II:10

III:12

II:11 II:12

III:13

共有 4 代， 57 人，患者 21 人

中国湖南角膜环状皮样瘤家系图中国湖南角膜环状皮样瘤家系图


疾病位点和染色体 4q24-26上 15个标记之间的两点 LOD值

LOD SCORE AT =

LOCUS Genetic distance 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Zmax

D4S1560 104.75 -2.50 1.25 1.17 0.86 0.45 1.25 D4S2966 106.89 3.41 2.87 2.26 1.57 0.81 3.41 D4S1572 107.95 3.91 3.41 2.72 1.88 0.93 3.91 D4S1570 109.02 3.58 2.98 2.31 1.56 0.73 3.58 D4S1564 112.62 6.07 5.04 3.90 2.66 1.30 6.07 D4S2945 116.37 5.04 4.21 3.30 2.27 1.11 5.04 D4S2989 117.06 6.72 5.64 4.44 3.09 1.55 6.72 D4S1616 117.06 5.01 4.33 3.47 2.43 1.21 5.01 D4S406 117.06 2.33 1.91 1.45 0.95 0.39 2.33 D4S193 117.06 6.07 5.08 3.97 2.74 1.35 6.07 D4S1613 121.61 6.63 5.57 4.38 3.05 1.53 6.63 D4S1522 123.13 0.64 3.93 3.31 2.38 1.21 3.93 D4S1612 124.45 -3.79 1.85 1.59 1.14 0.60 1.85 D4S402 124.45 -1.97 1.87 1.63 1.19 0.63 1.87 D4S427 124.45 -3.69 1.40 1.19 0.76 0.32 1.40

1

2

3


PITX2—— 是一个转录调控因子，与发育相关，有重要的功能

Xia K, et al. J Med Genet (2004, 41(12):e129)

The State Key Lab of Medical Genetics生物芯片的应用

DNA芯片：基因分型

• GWAS ，连锁分析• 全基因组甲基化

基因表达• 肿瘤与正常组织或细胞的基因表

达差异；• 外源性表达某基因后，细胞内表

达谱的改变…

…….


利用生物芯片进行全基因组关联分析（ GWAS）

—— 用于复杂疾病研究人群大样本量，多中心合作

多基因疾病的 GWAS 研究的样本量大致要求 :

初筛样本：≥ 500 （病例） : 500 （对照） ;

验证样本：≥ 1000 （病例） : 1000 （对照）；


选择 tagSNPs 标记单体型

在病例 - 对照人群间比较 SNPs 等位基因频率

全基因组关联统计分析，得出有意义的 SNPs

另外选择独立的病例 - 对照人群对初筛阶段的结果进行验证

全基因组关联分析

HapMap计划

初筛阶段

重复验证阶段

利用芯片对所有 tagSNPs进行基因分型


二代测序454、 Solexa、 SOLID

1人 .周

三代测序…….

超低成本


分子诊断与产前诊断

The State Key Lab of Medical Genetics 分子诊断例：镰状红细胞贫血症的检测一种常染色体退化遗传病引起原因：基因的点突变，丢失了可被 MstII 或 Cvnl切开的一个限制性内切酶位点。正常：二条带正常：二条带

患病：一条带患病：一条带子女子女 11 ：正常：正常子女子女 22 ：患病：患病子女子女 33 ：携带：携带者者


产前诊断

羊水和胎盘绒毛膜检测


各种蛋白质功能的正常是各细胞器行使功能的基础

疾病的发生本质上是蛋白质功能的改变

基因功能的研究策略


免疫染色（荧光、组化）

LRRK2 在小鼠脑中的神经解剖学分布


利用 GFP或 RFP融合蛋白来进行定位研究


激光显微镜下野生型 GJB3形成的细胞间隙连接通道

内毛细胞

外毛细胞顶部

免疫组化表明野生型 GJB3精确表达于耳蜗内毛细胞、外毛细胞顶部和蜗神经节蜗神经节

耳蜗

盖膜

研究实例：神经性耳聋致病基因 GJB3 的功能研究


GJB3耳聋错义和无义突变体分别定位于细胞高尔基体 (Golgi) 和内质网 (ER)上，不能被正常组装、也不能被转运到细胞膜上形成间隙连接通道

**

*

WT E183K R180X

染料 (姜黄素 Lucifer yellow)转移实验证明 GJB3耳聋突变体不能形成功能性间隙连接通道

WT E183K R180X

Golgi

ER

间隙连接


形形色色的转基因动物；荧光鼠，荧光观赏鱼，荧光猪


Inhibition of APP Processing and Amyloid Plaque Formation and Rescuing Learning and Memory Deficit

In The Mutant APP-PS1 Double Transgenic Mice

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Ab40 Ab42

Immediate 24 hours

*

*

0

12

3

45

6

7

89

10

Day1 day2 day3 day4 day5

Path

leng

th (m

)

Ctr-Female

Tr-Female

研究实例


• RNA干扰（ RNA interference ）

一些小的双链 RNA（ dsRNA ）可以高效、特异的阻断体内特定基因表达，促使 mRNA降解，诱使细胞表现出特定基因缺失的表型，称为 RNA

干扰。

RNAi建立动物模型


Andrew Z. Fire, PhD

• 2001 年， RNAi 技术被 Science评为 2001 年十大科技进展之首。

• 2006 年， RNAi 现象的发现者Andrew Fire 与 Craig Mello 荣获当年 Nobel 生理与医学奖。


研究实例：建立了 1 个帕金森病果蝇模型，开展了治疗药物的筛选研究

dPINK1RNAi 8-c2 /gmr

hPINK1 F-c2, dPINK1RNAi 8-c2 /gmr

dPINK1RNAi 8-c2, dPINK1RNAi 15-c1 /gmr

hPINK1 F-c2, dPINK1RNAi 8-c2, dPINK1RNAi 15-c1 /gmr

c 100u 1000u

c 20 µg 200 µg

SOD1

Vit E


基因工程是指在微观领域

（分子水平）中，根据分子

生物学和遗传学原理，设计

并实施一项把一个生物体中

有用的目的 DNA( 遗传信

息 ) 转入另一个生物体中，

使后者获得新的需要的遗传

性状或表达所需要的产物，

最终实现该技术的商业价值。

基因工程

基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程

The State Key Lab of Medical Genetics 稀少珍贵的蛋白质药物

1982 年，美国食品与药物管理局批准了首例基因工程产品—人胰岛素投放市场——它标志了基因工程产品正式进入到商业化阶段。

人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、 a-干扰素、纤维素酶、抗血友病因子、红细胞生成素、尿激酶原、白细胞介素 -2 、集落刺激因子、乙肝疫苗等等

The State Key Lab of Medical Genetics 畜牧业中的应用

动物疫苗、生长激素等

例：从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物 tPA

The State Key Lab of Medical Genetics 种植业中的应用抗化学除草剂基因

转基因西红柿

固氮酶基因

人类 DNA

……

环境保护等等

The State Key Lab of Medical Genetics克隆技术• 1997年 2 月 23 日苏格兰 Roslin 研究所

Wilmut和 Campbell 《 Nature》杂志：世界首例来源于哺乳动物体细胞的克隆羊“多莉”问世

• 核移植，就是利用一个动物的体细胞的细胞核（供体核）来取代受精或未受精卵中的细胞核，形成一个重建的“合子”。

• 克隆原意是无性繁殖系。克隆动物就是不经过生殖细胞的受精过程而直接由体细胞获得新的动物个体，这个新个体是原核供体动物的拷贝。


• 277 次乳腺细胞

核移植实验；

• 获得 29 个发育

为 8 细胞的

“胚”；

• 13头代孕母亲；

• 1996 年 7 月 5

日，羊羔 6LL3 ，

被命名为 “ 多

莉”。


基因治疗基因治疗即利用基因工程技术治疗人遗传性疾病。

正常的人类基因可以克隆并引入遗传病患者的体细胞，以替代、修复或纠正有缺陷的基因。


载体 ---运载火箭 ; 治疗基因 ---卫星


例：重症综合性免疫缺乏症（ SCID ）


系统生物学

研究一个生物系统中所有组成成分（基

因、 mRNA 、蛋白质等）的构成以及在特定条件

下这些组分间的相互关系，并分析生物系统在一定

时间内的动力学过程。

The State Key Lab of Medical Genetics系统生物学的整合

● 把所有的生物分子整合在一起研究

– 把所有各个层次的生物系统也就是从分子到细胞到个体到

群落整合在一起研究。

– 把所有的研究手段，生物学的、工程学的、数学的、物理

学的和计算机科学的手段整合在一起研究，有系统、有步

骤地对一个生物系统内的组成模块进行添加或者去除（通

过基因敲进和敲出），然后全面观察生物系统的特性发生

的变化，从而对系统结构与功能的关系得到准确的理解。


后基因组时代的走向● 从 DNA序列到甲基化修饰（表观遗传学）

● 从基因组学到功能基因组学

● 从单基因谱到多基因谱

● 从单因素到多因素相关

● 从进化发育到药物开发

● 从基因到基因与环境的相互作用

遗 传 学 基 础

Documents

遗传学基础