醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)：第2章人類基因

1、第二章第二章 人類基因人類基因 human genehuman gene第二章第二章 人類基因人類基因基因的概念基因的概念基因的化學(xué)本質(zhì)基因的化學(xué)本質(zhì)人類基因和基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)人類基因和基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基因的生物學(xué)特性基因的生物學(xué)特性人類基因組計(jì)劃人類基因組計(jì)劃基因的概念基因的概念1865年年 基因是一些特殊因子基因是一些特殊因子1871年年 發(fā)現(xiàn)核酸發(fā)現(xiàn)核酸1903年年 染色體是遺傳單位染色體是遺傳單位1910年年 基因位于染色體上基因位于染色體上1913年年 染色體包含線性排列的基因染色體包含線性排列的基因1927年年 突變是基因內(nèi)的物理變化突變是基因內(nèi)的物理變化1931年年 交換引起重組

2、交換引起重組1944年年 DNA是遺傳物質(zhì)是遺傳物質(zhì)1945年年 基因編碼蛋白質(zhì)基因編碼蛋白質(zhì)1951年年 首次蛋白質(zhì)測序首次蛋白質(zhì)測序1953年年 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)1958年年 DNA半保留復(fù)制半保留復(fù)制1961年年 三聯(lián)體密碼發(fā)現(xiàn)三聯(lián)體密碼發(fā)現(xiàn)1977年年 真核基因不連續(xù)性真核基因不連續(xù)性1977年年 DNA可以測序可以測序1995年年 首次基因組測序首次基因組測序基因的概念基因的概念基因基因（gene）是決定一定功能產(chǎn)物的是決定一定功能產(chǎn)物的DNA序列。序列。這種功能產(chǎn)物主要是蛋白質(zhì)和這種功能產(chǎn)物主要是蛋白質(zhì)和RNA。一個(gè)基因的結(jié)構(gòu)除了編碼特定功能產(chǎn)物的一個(gè)基因的結(jié)構(gòu)除了編碼特

3、定功能產(chǎn)物的DNA序列外，還包括對(duì)這個(gè)特定產(chǎn)物表達(dá)所需的鄰序列外，還包括對(duì)這個(gè)特定產(chǎn)物表達(dá)所需的鄰接接DNA序列。序列。 基因的化學(xué)本質(zhì)基因的化學(xué)本質(zhì) 在整個(gè)生物界中，絕大部分生物（包括人類）在整個(gè)生物界中，絕大部分生物（包括人類）基因的化學(xué)本質(zhì)是基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA；在；在某些僅含有某些僅含有RNA和蛋白質(zhì)的病毒中，和蛋白質(zhì)的病毒中，基因的化學(xué)本質(zhì)是基因的化學(xué)本質(zhì)是RNA。 一、一、DNA分子組成分子組成DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，依各自所攜堿基分子的基本單位是脫氧核苷酸，依各自所攜堿基的不同，可以分成的不同，可以分成A A、G G、C C 、T T 4種。將它們按一定順種。將它們按

4、一定順序排列連接后即構(gòu)成序排列連接后即構(gòu)成DNA單鏈。它們的排列順序是單鏈。它們的排列順序是DNADNA遺傳的核心。遺傳的核心。二、二、DNADNA分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu) 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型雙螺旋結(jié)構(gòu)模型基因的化學(xué)本質(zhì)基因的化學(xué)本質(zhì)人類基因組人類基因組人類基因組人類基因組（genome）是人的所有遺傳信息）是人的所有遺傳信息的總和。它包括兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立而相互關(guān)聯(lián)的基的總和。它包括兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立而相互關(guān)聯(lián)的基因組：核基因組與線粒體基因組。通常人類基因組：核基因組與線粒體基因組。通常人類基因組指的是核基因組因組指的是核基因組。人類基因組的組織結(jié)構(gòu) 人類的基因或人類基因組中的功能序列可分為人類的基因或人類基因組中

5、的功能序列可分為4 4大類，即單一基因、基因家族、擬基因和串聯(lián)重大類，即單一基因、基因家族、擬基因和串聯(lián)重復(fù)基因。復(fù)基因?；蚣易寤蚣易逯赣梢粋€(gè)祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異所指由一個(gè)祖先基因經(jīng)過重復(fù)和變異所形成的一組基因。有兩類：形成的一組基因。有兩類：（1）一個(gè)基因簇：由一個(gè)基因產(chǎn)生多次拷貝）一個(gè)基因簇：由一個(gè)基因產(chǎn)生多次拷貝（幾乎相同序列），成簇排列于同一染色體上。（幾乎相同序列），成簇排列于同一染色體上。（2）多基因簇（）多基因簇（圖圖3-5）：成簇地分布于幾條不）：成簇地分布于幾條不同的染色體上。如編碼珠蛋白的基因：同的染色體上。如編碼珠蛋白的基因：5個(gè)相關(guān)個(gè)相關(guān)基因排列于基因排列于16p

6、染色體上染色體上。擬基因或擬基因或假基因假基因指在多基因家族中某些成員不指在多基因家族中某些成員不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物。產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物?；虻幕虻姆诸惙诸惢虻慕Y(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)真核生物基因的真核生物基因的編碼序列編碼序列往往被非編碼往往被非編碼序列所分割，呈現(xiàn)斷裂狀的結(jié)構(gòu)，故而序列所分割，呈現(xiàn)斷裂狀的結(jié)構(gòu)，故而也稱也稱斷裂基因斷裂基因（split genesplit gene）。）。一、外顯子和內(nèi)含子一、外顯子和內(nèi)含子外顯子（外顯子（exon）: 編碼序列編碼序列內(nèi)含子（內(nèi)含子（intron）: 非編碼序列非編碼序列外顯子外顯子-內(nèi)含子的接頭區(qū)是一高度保守的一致順序，稱內(nèi)含子的接頭區(qū)是一

7、高度保守的一致順序，稱為為外顯子外顯子-內(nèi)含子接頭內(nèi)含子接頭。每一個(gè)內(nèi)含子的。每一個(gè)內(nèi)含子的5端起始的端起始的兩個(gè)堿基是兩個(gè)堿基是GT，3端最后的兩個(gè)堿基是端最后的兩個(gè)堿基是AG，通常把，通常把這種接頭形式叫做這種接頭形式叫做GT-AG法則法則（GT-AG rule）。這兩）。這兩個(gè)序列是高度保守的，在各種真核基因的內(nèi)含子中均個(gè)序列是高度保守的，在各種真核基因的內(nèi)含子中均相同。相同。每個(gè)斷裂基因中第一個(gè)外顯子的上游和最末一個(gè)外顯每個(gè)斷裂基因中第一個(gè)外顯子的上游和最末一個(gè)外顯子的下游，都有一段不被轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)，稱為子的下游，都有一段不被轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)，稱為側(cè)翼側(cè)翼順序順序?；虻慕Y(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)

8、基因組的組成基因組的組成人類基因組按人類基因組按DNA序列分類既有單拷貝序列，序列分類既有單拷貝序列，也有重復(fù)頻率不等的多拷貝序列。也有重復(fù)頻率不等的多拷貝序列。單拷貝序列單拷貝序列：在基因組中僅有單一拷貝或少數(shù)幾個(gè)在基因組中僅有單一拷貝或少數(shù)幾個(gè)拷貝，長度在拷貝，長度在8001000bp之間，其中有些是編碼細(xì)之間，其中有些是編碼細(xì)胞中各種蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)基因，占到人類基因組的胞中各種蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)基因，占到人類基因組的大多數(shù)。大多數(shù)。重復(fù)多拷貝序列重復(fù)多拷貝序列：分散地穿插于整個(gè)基因組中，根分散地穿插于整個(gè)基因組中，根據(jù)復(fù)性的速度不同，又可分為簡單序列據(jù)復(fù)性的速度不同，又可分為簡單序列DN

9、A和中度重和中度重復(fù)復(fù)DNA。簡單序列簡單序列DNA（simple-sequence DNA）或）或衛(wèi)星衛(wèi)星DNA：以小于：以小于200bp的的小片段小片段為單位串聯(lián)為單位串聯(lián)重復(fù)很多次，約占整個(gè)基因組的重復(fù)很多次，約占整個(gè)基因組的1015，大多數(shù)長度可達(dá)大多數(shù)長度可達(dá)105bp，多位于染色體的異染，多位于染色體的異染色質(zhì)區(qū)色質(zhì)區(qū)。在蔗糖或氯化銫密度梯度超速離心圖譜上觀察在蔗糖或氯化銫密度梯度超速離心圖譜上觀察到的位于染色體到的位于染色體DNA主帶旁邊的小帶主帶旁邊的小帶DNA重復(fù)多拷貝序列重復(fù)多拷貝序列重復(fù)多拷貝序列重復(fù)多拷貝序列小衛(wèi)星小衛(wèi)星DNADNA（minisatelliteminis

10、atellite DNA) DNA)：有：有15-100bp15-100bp組成的重復(fù)單位，重復(fù)組成的重復(fù)單位，重復(fù)20-5020-50次形成的次形成的1-5kb1-5kb的的短短DNADNA微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNADNA（microsatellite DNA）：某些存在）：某些存在于基因組的間隔序列和內(nèi)含子等非編碼區(qū)內(nèi)的于基因組的間隔序列和內(nèi)含子等非編碼區(qū)內(nèi)的簡單序列簡單序列DNA，重復(fù)序列為，重復(fù)序列為1-6bp，被稱為被稱為。中度重復(fù)中度重復(fù)DNA（intermediate repeat DNA）：約占）：約占整個(gè)基因組的整個(gè)基因組的2540，以不同的量分布于整個(gè)基，以不同的量分布于整個(gè)基因組

11、的不同部位。因組的不同部位。短分散元件（短分散元件（short interspersed element）：）：DNA的長度可短至的長度可短至100bp500bp，拷貝數(shù)拷貝數(shù)105以上。以上。如如Alu家族家族長分散元件（長分散元件（long interspersed element）：可長達(dá)）：可長達(dá)6000bp7000bp，拷貝數(shù)為拷貝數(shù)為 102 10 。如。如KpnI家族家族重復(fù)多拷貝序列重復(fù)多拷貝序列 基因的生物學(xué)特性基因的生物學(xué)特性 DNA分子中堿基對(duì)的排列順序蘊(yùn)藏著遺傳信息，分子中堿基對(duì)的排列順序蘊(yùn)藏著遺傳信息，決定了基因的基本功能和特性?；驈?fù)制與表決定了基因的基本功能和特性

12、。基因復(fù)制與表達(dá)構(gòu)成了基因的主要功能。達(dá)構(gòu)成了基因的主要功能。 遺傳密碼遺傳密碼：在在DNA的脫氧核苷酸長鏈上，每三個(gè)相的脫氧核苷酸長鏈上，每三個(gè)相鄰的堿基序列構(gòu)成一個(gè)鄰的堿基序列構(gòu)成一個(gè)三聯(lián)體三聯(lián)體，每個(gè)三聯(lián)體密碼能編，每個(gè)三聯(lián)體密碼能編碼某種氨基酸，所以三聯(lián)體（碼某種氨基酸，所以三聯(lián)體（triplet）是遺傳信息的）是遺傳信息的具體表現(xiàn)形式。因而三聯(lián)體又稱具體表現(xiàn)形式。因而三聯(lián)體又稱三聯(lián)體密碼三聯(lián)體密碼（triplet code）、遺傳密碼（）、遺傳密碼（genetic code）或）或密碼子密碼子（codon）。）。遺傳信息的儲(chǔ)存單位遺傳信息的儲(chǔ)存單位遺傳密碼的特性遺傳密碼的特性通用性通

13、用性 在絕大多數(shù)情況下，遺傳密碼在整個(gè)生物界中都是通在絕大多數(shù)情況下，遺傳密碼在整個(gè)生物界中都是通用的。但也有一些例外存在，如線粒體用的。但也有一些例外存在，如線粒體DNA中有中有3個(gè)遺個(gè)遺傳密碼與通用密碼不同。傳密碼與通用密碼不同。簡并性簡并性 除少數(shù)氨基酸僅有一種密碼子外，其余氨基酸都各被除少數(shù)氨基酸僅有一種密碼子外，其余氨基酸都各被26個(gè)密碼子編碼，這種現(xiàn)象稱為遺傳密碼的簡并性個(gè)密碼子編碼，這種現(xiàn)象稱為遺傳密碼的簡并性（degeneracy）。）。起始密碼和終止密碼起始密碼和終止密碼 密碼子密碼子AUG若位于若位于mRNA的的5端起始處，則是蛋白質(zhì)端起始處，則是蛋白質(zhì)合成的起始信號(hào)，叫合

14、成的起始信號(hào)，叫起始密碼子起始密碼子（initiation codon），），同時(shí)編碼甲酰甲硫氨酸和甲硫氨酸；若不是位于同時(shí)編碼甲酰甲硫氨酸和甲硫氨酸；若不是位于mRNA的起始端，則只具有編碼甲硫氨酸的作用。的起始端，則只具有編碼甲硫氨酸的作用。 密碼密碼子子UAA、UAG和和UGA不編碼任何氨基酸，而是作不編碼任何氨基酸，而是作為肽鏈合成的終止信號(hào)，稱為為肽鏈合成的終止信號(hào)，稱為終止密碼子終止密碼子?；蛲ㄟ^自我復(fù)制保持遺傳的連續(xù)性基因通過自我復(fù)制保持遺傳的連續(xù)性基因具有自我復(fù)制（基因具有自我復(fù)制（self-replication）的重要）的重要特性。復(fù)制發(fā)生在細(xì)胞分裂周期的特性。復(fù)制發(fā)生在

15、細(xì)胞分裂周期的S期，期，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解旋為兩條單股的多核苷酸鏈，雙螺旋結(jié)構(gòu)解旋為兩條單股的多核苷酸鏈，以以DNA分子自身分子自身的每一股單鏈的每一股單鏈為模板為模板進(jìn)行自我復(fù)進(jìn)行自我復(fù)制制合成新的合成新的DNA分子分子。復(fù)制的起點(diǎn)由特定的堿復(fù)制的起點(diǎn)由特定的堿基序列組成。真核生物的復(fù)制從多個(gè)位點(diǎn)同時(shí)基序列組成。真核生物的復(fù)制從多個(gè)位點(diǎn)同時(shí)開始進(jìn)行。開始進(jìn)行。 新鏈的復(fù)制過程具有一定的特點(diǎn)新鏈的復(fù)制過程具有一定的特點(diǎn) 互補(bǔ)性互補(bǔ)性： 半保留性半保留性： 反向平行性反向平行性： 不對(duì)稱性不對(duì)稱性： 不連續(xù)性不連續(xù)性：基因通過自我復(fù)制保持遺傳的連續(xù)性基因通過自我復(fù)制保持遺傳的連續(xù)性基因表達(dá)基因表

16、達(dá)（gene expression）：）：是把基因所儲(chǔ)是把基因所儲(chǔ)存的遺傳信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛商囟ǖ陌被岱N類和序列構(gòu)成存的遺傳信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛商囟ǖ陌被岱N類和序列構(gòu)成的多肽鏈，再由多肽鏈構(gòu)成蛋白質(zhì)或酶分子，從而決的多肽鏈，再由多肽鏈構(gòu)成蛋白質(zhì)或酶分子，從而決定生物各種性狀（表型）的過程。定生物各種性狀（表型）的過程?；虮磉_(dá)包括兩個(gè)步驟：基因表達(dá)包括兩個(gè)步驟：以以DNA為模板轉(zhuǎn)錄合為模板轉(zhuǎn)錄合成成mRNA；將遺傳信息翻譯成多肽鏈中相應(yīng)的氨基將遺傳信息翻譯成多肽鏈中相應(yīng)的氨基酸種類和序列酸種類和序列基因表達(dá)基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄（transcription）：）：是在是在RNA聚合酶的催化聚合酶的催化下，以下

17、，以DNA的的35單鏈（反編碼鏈）為模板，按單鏈（反編碼鏈）為模板，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則（但照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則（但RNA以以U和和DNA的的A配對(duì)，配對(duì)，其余配對(duì)形式與復(fù)制時(shí)一致），以三磷酸核苷酸其余配對(duì)形式與復(fù)制時(shí)一致），以三磷酸核苷酸（NTP）為原料合成）為原料合成RNA的過程。轉(zhuǎn)錄的最終產(chǎn)物是的過程。轉(zhuǎn)錄的最終產(chǎn)物是mRNA、tRNA和和rRNA等。等?；虮磉_(dá)基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄過程：轉(zhuǎn)錄過程：一般將一般將mRNA的合成分為起始、延伸和終的合成分為起始、延伸和終止止3個(gè)連續(xù)的步驟。個(gè)連續(xù)的步驟。 在起始階段，在起始階段，RNA聚合酶聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合，即可啟與啟動(dòng)子結(jié)合，即可啟動(dòng)動(dòng)RNA的轉(zhuǎn)錄

18、合成。的轉(zhuǎn)錄合成。 延伸過程是延伸過程是RNA聚合酶聚合酶由全酶構(gòu)型變?yōu)橹髅笜?gòu)型，由全酶構(gòu)型變?yōu)橹髅笜?gòu)型，并沿著模板鏈的并沿著模板鏈的35方向移動(dòng)，并精確地按照堿基互方向移動(dòng)，并精確地按照堿基互補(bǔ)原則，以三磷酸核苷酸（補(bǔ)原則，以三磷酸核苷酸（UTP、CTP、GTP和和ATP）為底物，在為底物，在3端逐個(gè)添加核苷酸，使端逐個(gè)添加核苷酸，使mRNA不斷延伸；不斷延伸； 終止是終止是RNA聚合酶聚合酶在在DNA模板上移動(dòng)到達(dá)終止信模板上移動(dòng)到達(dá)終止信號(hào)時(shí)，號(hào)時(shí)，RNA合成的停止。合成的停止。 已發(fā)現(xiàn)的一些啟動(dòng)子包括已發(fā)現(xiàn)的一些啟動(dòng)子包括TATA框框（TATA box）、）、CAAT框框（CAAT b

19、ox）、）、GC框框（GC box）以及）以及增強(qiáng)子增強(qiáng)子（enhancer）等，它們構(gòu)成）等，它們構(gòu)成了結(jié)構(gòu)基因的了結(jié)構(gòu)基因的側(cè)翼序列側(cè)翼序列（flanking sequence），是人類基因組的一些特殊序列，），是人類基因組的一些特殊序列，稱為調(diào)控序列，對(duì)基因的有效表達(dá)是必不可缺稱為調(diào)控序列，對(duì)基因的有效表達(dá)是必不可缺少的。少的。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工和修飾：轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工和修飾：由由RNA聚合酶聚合酶催化所形催化所形成的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，僅僅是成的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，僅僅是mRNA的前體，必須經(jīng)過加的前體，必須經(jīng)過加工和修飾，才能形成有功能的工和修飾，才能形成有功能的mRNA。主要。主要包括包括“加帽加帽

20、”（capping）55端加端加“7-7-甲基鳥嘌吟核苷酸甲基鳥嘌吟核苷酸”； “加尾加尾”（tailing）3 3端加端加“多聚腺苷酸多聚腺苷酸” ” （poly Apoly A）和）和剪接剪接 按按GT-AG法則將內(nèi)含子切除，法則將內(nèi)含子切除，再將外顯子由連接酶逐段連接起來，形成成熟的再將外顯子由連接酶逐段連接起來，形成成熟的mRNAmRNA分分子。子。翻譯翻譯（translation）：是以）：是以mRNA為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過程。蛋白質(zhì)合成是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的核糖體上進(jìn)合成的過程。蛋白質(zhì)合成是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的核糖體上進(jìn)行的。行的。蛋白質(zhì)翻譯時(shí)蛋白質(zhì)翻譯時(shí)mRNA攜帶遺傳信息，作

21、為合成蛋白質(zhì)攜帶遺傳信息，作為合成蛋白質(zhì)的模板；的模板；tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)活化的氨基酸和識(shí)別轉(zhuǎn)運(yùn)活化的氨基酸和識(shí)別mRNA分子上分子上的遺傳密碼；核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所，把各種特的遺傳密碼；核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所，把各種特定的氨基酸分子連接成多肽鏈。蛋白質(zhì)分子最終的空定的氨基酸分子連接成多肽鏈。蛋白質(zhì)分子最終的空間結(jié)構(gòu)是由翻譯后修飾所決定的。間結(jié)構(gòu)是由翻譯后修飾所決定的。RNA編輯編輯（RNA editing）是導(dǎo)致形成的是導(dǎo)致形成的mRNA分子分子在編碼區(qū)的核苷酸序列不同于它的在編碼區(qū)的核苷酸序列不同于它的DNA模板相應(yīng)序列的過模板相應(yīng)序列的過程，屬遺傳信息加工程，屬遺傳信息加工 。生物學(xué)意義

22、主要表現(xiàn)在：生物學(xué)意義主要表現(xiàn)在：通過編輯的通過編輯的mRNA具有翻譯活具有翻譯活性；性；使該使該mRNA能被通讀；能被通讀；在一些轉(zhuǎn)錄物在一些轉(zhuǎn)錄物5末端可末端可創(chuàng)造生成起始密碼子創(chuàng)造生成起始密碼子AUG，以調(diào)節(jié)翻譯活性；，以調(diào)節(jié)翻譯活性；RNA編輯編輯可能與生物進(jìn)化有關(guān)；可能與生物進(jìn)化有關(guān)；RNA編輯不偏離中心法則，因?yàn)榫庉嫴黄x中心法則，因?yàn)樘峁┚庉嫷男畔⒃慈匀粊碓从谔峁┚庉嫷男畔⒃慈匀粊碓从贒NA貯藏的遺傳信息。貯藏的遺傳信息。 基因表達(dá)的控制基因表達(dá)的控制基因表達(dá)控制的特點(diǎn)是能在特定時(shí)間和特定細(xì)基因表達(dá)控制的特點(diǎn)是能在特定時(shí)間和特定細(xì)胞中激活特定的基因，從而實(shí)現(xiàn)胞中激活特定的基因，從

23、而實(shí)現(xiàn)“預(yù)訂預(yù)訂”的有的有序的分化發(fā)育過程。真核生物基因表達(dá)調(diào)控是序的分化發(fā)育過程。真核生物基因表達(dá)調(diào)控是通過多階段水平實(shí)現(xiàn)的，即轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄水平、通過多階段水平實(shí)現(xiàn)的，即轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后、翻譯和翻譯后等五個(gè)水平。轉(zhuǎn)錄后、翻譯和翻譯后等五個(gè)水平。人類基因組（人類基因組（genome）通常是指核基）通常是指核基因組，是人的所有遺傳信息的總和。因組，是人的所有遺傳信息的總和。人類基因組人類基因組人類基因組計(jì)劃人類基因組計(jì)劃“人類基因組計(jì)劃（人類基因組計(jì)劃（human genome project，HGP）”是是20世紀(jì)世紀(jì)90年代初開始的全球范圍年代初開始的全球范圍的全面研究人類基因組的重

24、大科學(xué)項(xiàng)目。的全面研究人類基因組的重大科學(xué)項(xiàng)目。HGP是美國科學(xué)家在是美國科學(xué)家在1985年率先提出的，旨在闡明年率先提出的，旨在闡明人類基因組人類基因組DNA 3.2109核苷酸的序列，發(fā)現(xiàn)核苷酸的序列，發(fā)現(xiàn)所有人類基因并闡明其在染色體上的位置，破所有人類基因并闡明其在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息，使得人類第一次在分子譯人類全部遺傳信息，使得人類第一次在分子水平上全面地認(rèn)識(shí)自我。水平上全面地認(rèn)識(shí)自我。HGP的整體目標(biāo)是闡明人類遺傳信息的組成和的整體目標(biāo)是闡明人類遺傳信息的組成和表達(dá)，為人類遺傳多樣性的研究提供基本數(shù)據(jù)，表達(dá)，為人類遺傳多樣性的研究提供基本數(shù)據(jù)，揭示人類單基因異常和嚴(yán)重

25、危害人類健康的多揭示人類單基因異常和嚴(yán)重危害人類健康的多基因病的致病基因或者疾病易感基因，建立對(duì)基因病的致病基因或者疾病易感基因，建立對(duì)各種基因病新的診治方法，從而推動(dòng)整個(gè)生命各種基因病新的診治方法，從而推動(dòng)整個(gè)生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展。其基本任務(wù)是建立人類科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展。其基本任務(wù)是建立人類基因組的結(jié)構(gòu)圖譜，即遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄基因組的結(jié)構(gòu)圖譜，即遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖與序列圖，并在圖與序列圖，并在“制圖制圖-測序測序”的基礎(chǔ)上鑒的基礎(chǔ)上鑒定人類的基因，繪出人類的基因圖。定人類的基因，繪出人類的基因圖。一、人類結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（一、人類結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（human structural huma

26、n structural genomics)genomics)集中建立遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖、序列圖集中建立遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖、序列圖基因圖基因圖（一）（一）遺傳圖遺傳圖（genetic map)genetic map)連鎖圖連鎖圖（linkage map)linkage map)是以具有遺傳多態(tài)性的遺傳標(biāo)記作為是以具有遺傳多態(tài)性的遺傳標(biāo)記作為“位位標(biāo)標(biāo)”，以遺傳學(xué)距離作為，以遺傳學(xué)距離作為“圖距圖距”的基因組圖。的基因組圖。遺傳多態(tài)性遺傳多態(tài)性指在一個(gè)遺傳座位上具有一個(gè)以指在一個(gè)遺傳座位上具有一個(gè)以上的等位基因（群體頻率上的等位基因（群體頻率1%),1%),該座位稱為多該座位稱為多態(tài)性座

27、位，可作為遺傳圖的態(tài)性座位，可作為遺傳圖的“位標(biāo)位標(biāo)”。遺傳學(xué)距離遺傳學(xué)距離是經(jīng)典遺傳學(xué)中特有的重要概念。是經(jīng)典遺傳學(xué)中特有的重要概念。具有遺傳多態(tài)性的標(biāo)記是建立遺傳圖的要素：具有遺傳多態(tài)性的標(biāo)記是建立遺傳圖的要素：第一代第一代DNADNA遺傳標(biāo)記遺傳標(biāo)記RFLPRFLPBotsteinBotstein于于19801980年最早應(yīng)用的標(biāo)記；年最早應(yīng)用的標(biāo)記；RFLPRFLP局限性：局限性：1 1、提供的、提供的“多態(tài)性多態(tài)性”的信息有限；的信息有限；2 2、現(xiàn)有的限制酶不可能檢出所有的核苷酸改變；、現(xiàn)有的限制酶不可能檢出所有的核苷酸改變；3 3、需要用同位素標(biāo)記與、需要用同位素標(biāo)記與South

28、ernSouthern雜交技術(shù)，不雜交技術(shù)，不安全又不宜自動(dòng)化。安全又不宜自動(dòng)化。第二代第二代DNADNA遺傳標(biāo)記遺傳標(biāo)記STRSTR：1 1、小衛(wèi)星小衛(wèi)星DNADNA- -重復(fù)單位重復(fù)單位6-126-12個(gè)個(gè)bpbp的的VNTR VNTR 2 2、微衛(wèi)星或短串聯(lián)重復(fù)（微衛(wèi)星或短串聯(lián)重復(fù)（STRSTR）重復(fù)單位重復(fù)單位2-62-6個(gè)個(gè)bpbp的的 VNTR VNTR STR有兩個(gè)最突出優(yōu)點(diǎn)：有兩個(gè)最突出優(yōu)點(diǎn)：1、作為遺傳標(biāo)記的、作為遺傳標(biāo)記的“多態(tài)性多態(tài)性”與與“高頻率高頻率”。2、采用重復(fù)序列兩側(cè)的特異性單拷貝序列作、采用重復(fù)序列兩側(cè)的特異性單拷貝序列作為其在基因組中定為其在基因組中定“點(diǎn)點(diǎn)

29、”標(biāo)記，以標(biāo)記，以PCR技術(shù)操技術(shù)操作，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器化、自動(dòng)化、電腦化以至完作，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器化、自動(dòng)化、電腦化以至完全機(jī)器人化。全機(jī)器人化。已建立已建立6000多個(gè)多個(gè)STR為主體的遺傳標(biāo)記組成的為主體的遺傳標(biāo)記組成的“連鎖圖連鎖圖”，平均分辨率已達(dá)，平均分辨率已達(dá)0.7cM。第三代第三代DNA遺傳標(biāo)記遺傳標(biāo)記SNP：1996年美國年美國MIT的的Lander所提出。所提出。1、與、與RFLP和和STR等主要不同：等主要不同：不再以不再以“長度長度”的差異的差異作為檢測手段，而作為檢測手段，而直接直接以序列的變異以序列的變異作為標(biāo)記。作為標(biāo)記。2、SNP在在核苷酸水平核苷酸水平上把上把“序列圖

30、序列圖”、“物理物理圖圖”和和“遺傳圖遺傳圖”有機(jī)統(tǒng)一起來。有機(jī)統(tǒng)一起來。3、可能摒棄遺傳標(biāo)記分析技術(shù)、可能摒棄遺傳標(biāo)記分析技術(shù)“瓶頸瓶頸”凝膠凝膠電泳，用電泳，用DNA測序技術(shù)測序技術(shù)構(gòu)建基因組圖。構(gòu)建基因組圖。（二）物理圖：（二）物理圖：第一技術(shù)重要內(nèi)容：第一技術(shù)重要內(nèi)容：是以一段已知核苷酸序列的是以一段已知核苷酸序列的DNA片段片段稱為序列稱為序列標(biāo)記部位（標(biāo)記部位（STS）為）為“位標(biāo)位標(biāo)”，以，以Mb或或kb作為作為圖距的基因組圖。圖距的基因組圖。STS的要求：的要求：1：在基因組中有明確的位置，位于重復(fù)序列兩：在基因組中有明確的位置，位于重復(fù)序列兩側(cè)的單拷貝特異性序列，而忽略其重復(fù)

31、序列。側(cè)的單拷貝特異性序列，而忽略其重復(fù)序列。2、一段已知的序列。、一段已知的序列。至至1996年年10月已建立月已建立22000個(gè)個(gè)STS的物理圖，的物理圖，X染色體物理圖平均分辨率已達(dá)染色體物理圖平均分辨率已達(dá)75kb。第二重要內(nèi)容：第二重要內(nèi)容：是建立以是建立以DNA克隆片段相互重疊的克隆片段相互重疊的“鄰接克隆鄰接克隆群群conting”?！班徑涌寺∪亨徑涌寺∪骸钡膶?shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：用的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：用PCR證明這些證明這些片段含有片段含有STS的序列的序列呈現(xiàn)陽性，并確定這些呈現(xiàn)陽性，并確定這些片段在基因組中的位置。片段在基因組中的位置。借助于酵母人工借助于酵母人工YAC片段巨大（片段巨大（0.

32、52Mb）的）的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建總體覆蓋率幾乎優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建總體覆蓋率幾乎100%的的“YAC 鄰接鄰接克隆群克隆群”；細(xì)菌人工染色體（；細(xì)菌人工染色體（BAC）構(gòu)建總體）構(gòu)建總體覆蓋率為覆蓋率為100%的、精度更高的的、精度更高的“鄰接克隆群鄰接克隆群”?！拔锢韴D物理圖”的建立應(yīng)該歸功于的建立應(yīng)該歸功于DNA克隆技術(shù)克隆技術(shù)70年代重大突破年代重大突破DNA克隆技術(shù)克隆技術(shù)（遺傳工程技術(shù)（遺傳工程技術(shù)之一）：之一）：1、質(zhì)粒、質(zhì)粒裝載能力，即插入片段裝載能力，即插入片段10kb2、 噬菌體噬菌體裝載能力達(dá)裝載能力達(dá)20kb。3、兼有病毒與質(zhì)粒優(yōu)點(diǎn)的粘粒、兼有病毒與質(zhì)粒優(yōu)點(diǎn)的粘粒裝載能力可達(dá)裝載能力可達(dá)

33、3040kb。4、YAC是人類認(rèn)識(shí)真核生物染色體的重大飛是人類認(rèn)識(shí)真核生物染色體的重大飛躍。其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是裝載能力可達(dá)躍。其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是裝載能力可達(dá)0.52Mb，是大，是大片段片段DNA載體；其次其載體；其次其“人工染色體人工染色體”性質(zhì)具有性質(zhì)具有準(zhǔn)確復(fù)制并隨著宿主細(xì)胞分裂而分離。準(zhǔn)確復(fù)制并隨著宿主細(xì)胞分裂而分離?？偨Y(jié)：總結(jié)：1、以、以STS為位標(biāo)的為位標(biāo)的“序列標(biāo)記序列標(biāo)記”將遺傳圖、細(xì)胞遺傳學(xué)將遺傳圖、細(xì)胞遺傳學(xué)圖以及分子水平的物理圖圖以及分子水平的物理圖序列圖統(tǒng)一成整體的人類基因序列圖統(tǒng)一成整體的人類基因組圖。組圖。2、真核生物的染色體是遺傳物質(zhì)最客觀、最可靠、最方、真核生物的染色體是遺傳

34、物質(zhì)最客觀、最可靠、最方便的便的“物理標(biāo)記物理標(biāo)記”，細(xì)胞遺傳圖可以說是人類基因組的最，細(xì)胞遺傳圖可以說是人類基因組的最基本層次的基因組圖?；緦哟蔚幕蚪M圖。3、人類擁有的完整的、多層次的、全方位的、人類擁有的完整的、多層次的、全方位的“基因組全基因組全圖圖”包括細(xì)胞遺傳學(xué)圖包括細(xì)胞遺傳學(xué)圖以區(qū)、帶為標(biāo)記或以人為的等分以區(qū)、帶為標(biāo)記或以人為的等分圖即染色體長度的百分率為標(biāo)記、大規(guī)模的限制圖圖即染色體長度的百分率為標(biāo)記、大規(guī)模的限制圖以稀以稀有酶切點(diǎn)為標(biāo)記與精細(xì)限制圖有酶切點(diǎn)為標(biāo)記與精細(xì)限制圖以常規(guī)限制性內(nèi)切酶的位以常規(guī)限制性內(nèi)切酶的位點(diǎn)為標(biāo)記、基因組特異序列點(diǎn)為標(biāo)記、基因組特異序列如如CpG

35、序列、序列、Alu序列等圖，序列等圖，DNA克隆圖以及分子水平的核苷酸序列圖，自發(fā)的染色體克隆圖以及分子水平的核苷酸序列圖，自發(fā)的染色體斷裂點(diǎn)圖與重組部位圖。斷裂點(diǎn)圖與重組部位圖。（三）轉(zhuǎn)錄圖：（三）轉(zhuǎn)錄圖：以以“表達(dá)序列標(biāo)記表達(dá)序列標(biāo)記”（EST）繪制轉(zhuǎn)錄圖）繪制轉(zhuǎn)錄圖（也稱（也稱cDNA圖或表達(dá)圖圖或表達(dá)圖人類人類“基因圖基因圖”的雛形。的雛形。1990年提出年提出“cDNA策略策略”，并作為，并作為“基因基因組全圖策略的補(bǔ)充組全圖策略的補(bǔ)充”。1996年，至少已來自年，至少已來自300個(gè)組織的個(gè)組織的60多萬個(gè)多萬個(gè)EST，總長度至少在，總長度至少在200Mb以上。以上?，F(xiàn)已有現(xiàn)已有53

36、000個(gè)各不相同的轉(zhuǎn)錄本片段，可能個(gè)各不相同的轉(zhuǎn)錄本片段，可能代表代表30%50%的基因的大部分信息。的基因的大部分信息。轉(zhuǎn)錄圖與轉(zhuǎn)錄圖與EST的現(xiàn)實(shí)意義：的現(xiàn)實(shí)意義：1、為估計(jì)人類基因的數(shù)目提供較為可靠的依據(jù)。、為估計(jì)人類基因的數(shù)目提供較為可靠的依據(jù)。2、提供不同組織、不同發(fā)育階段的基因表達(dá)的、提供不同組織、不同發(fā)育階段的基因表達(dá)的數(shù)目、種類及結(jié)構(gòu)，特別是序列的信息。數(shù)目、種類及結(jié)構(gòu)，特別是序列的信息。3、提供了鑒定基因的探針，以、提供了鑒定基因的探針，以EST可從可從“全長全長cDNA文庫文庫”篩到全長篩到全長cDNA。4、本身就有直接的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。、本身就有直接的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。作為作為“基因組

37、基因組”的一種物理標(biāo)記，的一種物理標(biāo)記，EST尚缺少尚缺少定位的信息?，F(xiàn)在可用定位的信息?，F(xiàn)在可用FISH及比較基因組雜交及比較基因組雜交（CGH）來基因定位。）來基因定位。（四）序列圖（四）序列圖以以DNA測序繪制序列圖，是分子水平的最高層次測序繪制序列圖，是分子水平的最高層次的、最詳盡的物理圖。的、最詳盡的物理圖。測序總長度約為測序總長度約為1m，由，由30億核苷酸組成的序列億核苷酸組成的序列圖是人類基因組計(jì)劃中最為明確、最為艱巨的定圖是人類基因組計(jì)劃中最為明確、最為艱巨的定量、定質(zhì)、定時(shí)的任務(wù)。量、定質(zhì)、定時(shí)的任務(wù)。目前，測定技術(shù)的限制：由于一次測序反應(yīng)尚不目前，測定技術(shù)的限制：由于一次

38、測序反應(yīng)尚不能超過能超過1Kb，效率低而不被大規(guī)模采用。，效率低而不被大規(guī)模采用。目前測序中心的主要策略：以大片段克隆建立插目前測序中心的主要策略：以大片段克隆建立插入片段約入片段約10Kb左右的質(zhì)粒亞文庫，再隨機(jī)挑選左右的質(zhì)粒亞文庫，再隨機(jī)挑選質(zhì)粒單克隆分別測序，再以電腦程序進(jìn)行裝配。質(zhì)粒單克隆分別測序，再以電腦程序進(jìn)行裝配。使用使用Sequation自動(dòng)化測序儀：自動(dòng)化測序儀：一天能進(jìn)行一天能進(jìn)行2萬個(gè)測序反應(yīng)。萬個(gè)測序反應(yīng)。技術(shù)核心主要為技術(shù)核心主要為Sanger等等“酶促末端終止法酶促末端終止法”+聚丙烯酰胺電泳聚丙烯酰胺電泳+掃描隧道電鏡。掃描隧道電鏡。最有前途：最有前途：DNA芯片

39、（芯片（DNA距陣）距陣）思路類似于思路類似于“寡核苷酸反向雜交法寡核苷酸反向雜交法”；目前；目前在晶體上以在晶體上以“光刻法光刻法”直接合成高密度的可控制直接合成高密度的可控制序列寡核苷酸的技術(shù)突破，已在建立單核苷酸多序列寡核苷酸的技術(shù)突破，已在建立單核苷酸多態(tài)性（態(tài)性（SNP圖）、表達(dá)圖、大規(guī)模突變檢測等方圖）、表達(dá)圖、大規(guī)模突變檢測等方面具有重要實(shí)際價(jià)值。面具有重要實(shí)際價(jià)值。二、后基因組二、后基因組 隨著隨著HGP遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖與序列圖等遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖與序列圖等結(jié)構(gòu)基因組學(xué)任務(wù)的基本完成，科學(xué)家們又啟結(jié)構(gòu)基因組學(xué)任務(wù)的基本完成，科學(xué)家們又啟動(dòng)了后基因組計(jì)劃（動(dòng)了后基因組計(jì)劃（po