Geneandgenomics医学分子生物学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,医学分子生物学,遗传学与分子生物学系,吕社民,lushemin,Tel: 82657764,分子生物学,分子生物学是从分子水平研究生命现象、生命规律和生命本质的学科。,核心内容是从分子水平研究基因和基因的活动，这些活动主要通过核酸和蛋白质的活动来实现。,医学分子生物学主要研究人体生物大分子和大分子体系的结构、功能、相互作用及其与疾病发生、发展的关系。,第一讲：基因和基因组,第一节,:,基因,一、基因,(Gene),的概念,基因简史,:,Mendal (1866):,遗传因子,Sutten (1903):,染色体,Johannson (1909):,基因、基因型、表型,Morgan (1910):,基因学说,Avery (1944):,证实基因是由,DNA,组成,基因是含有编码具有生物功能产物,(,多肽链和,RNA),的,DNA,片段。,二、,DNA (,脱氧核糖核酸,),的结构,组成,碱基包括腺嘌呤,(A),、鸟嘌呤,(G),、胸腺嘧啶,(T),和胞嘧啶,(C),脱氧核糖,(,碱基,+,脱氧核糖,=,脱氧核苷,),磷酸,(,脱氧核苷,+,磷酸,),3,、,5,磷酸二酯键连接脱氧核糖核苷酸形成一条多核苷酸链,2. DNA,的双螺旋结构,Walson and Crick (1953-4-25),在英国,杂志发表了,一文,开启了生物医学的新时代,(see Nature 1953; 171(4356): 738-739),。,DNA B,型结构特点,双股右手螺旋,方向相反。,碱基在内，脱氧核糖、磷酸在外。,直径,2.37nm,螺距,3.4nm,含,10,碱基对,(base pair, bp),。,碱基堆积力和氢键,(Walson-Crick,键,),是保持螺旋结构稳定性的主要作用力。,碱基可以在多核苷酸链中任意排列。,3.DNA,的超螺旋结构,三级结构即超螺旋结构,(supercoil),。,真核生物染色体,(chromosome),呈线性,三级结构是,DNA,双链盘绕组蛋白,(H2A, H2B, H3, H4),核心的表面,绕成核小体,(nucleosome);,许多核小体连接成串珠状,再反复盘旋折叠形成染色单体,(chromatid),。,DNA,体积变小，利于包装,;,影响和其它分子作用。,4. DNA,的理化性质,多元酸,紫外吸收：最大吸收峰在,260nm,处,变性、复性与杂交,三、基因的结构特点和分类,单拷贝基因与多基因家族,断裂基因,:,外显子,(exon),与内含子,(intron),启动子、增强子和终止子,多基因家族,:,核苷酸序列或编码产物结构有同源性,其编码产物具有相似的功能的一组基因。包括,:,核酸序列相同,核酸序列高度同源,编码产物的功能或功能区同源,基因超家族,2.,假基因,3.,重复序列,DNA,高度重复序列,DNA: 10,6,中度重复序列,DNA: 10-10,5,重复序列的多态性,第二节 模式生物基因组,基因组,（,genome,）：细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和,基因组学,（,genomics,）：发展和应用,DNA,制图、测序技术，及计算机程序分析生命体全部基因组结构及功能的科学。包括：结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学三个亚领域,Species,Genome size(Mb),Number of chromosomes,Human,3000,2n=46,Mouse,2700,2n=40,Pig,2700,2n=38,Cow,3000,2n=60,Fugu,400,Zebrafish,1700,2n=50,Chicken,1200,2n=78,Honey bee,180,n=16,Drosophila,165,2n=8,C.elegans,100,2n=12,Rise,430,2n=24,Wheat,17,000,2n=6x,=,42,Arabidopsis,100,2n=10,Tomato,950,2n=24,Maize,2500,2n=20,White Spruce,10,000,2n=24,S. cerevisiae,15,n=16,E. coli,4.7,n=1,H. influenze,1.8,n=1,Mycoplasma genitalium,0.58,n=1,一、 病毒基因组结构与功能的特点,1.,不同病毒基因组大小相差较大,2.,不同病毒基因组可以是不同种类、结构的核酸,3.,病毒基因组有连续的也有不连续的,有些,RNA,病毒为不连续的片段,4.,编码序列大于,90%,5.,单倍体基因组,除逆转录病毒外,6.,基因有连续的和间断的,7.,相关基因丛集,转录出多顺反子,mRNA,8.,基因重叠,9.,病毒基因组含有不规则结构基因,病毒基因组核酸的主要类型,核酸类型,转录方式,复制特点,病毒种类,双链,DNA,类似细胞基因,通过,DNA,复制过程完成基因组复制；, 先转录出一个,RNA,中间体（前基因组），再通过逆转录过程完成复制,大部分,DNA,病毒,乙肝病毒（,HBV,）,单链正股,DNA,类似细胞基因,通过,DNA,复制过程完成基因组复制,自主微小病毒、,依赖微小病毒、,M13,噬菌体等,双链,RNA,以负链,RNA,为模板转录出,mRNA,通过,RNA,复制过程完成基因组复制,动物呼肠弧病毒及所有的噬真菌体,单链负股,RNA,转录酶以负链,RNA,为模板转录出有帽尾,mRNA,负链,RNA,为模板，从头合成正股,RNA,（无帽尾），再以此链为模板复制出负股,RNA,单链正股,RNA,通过,RNA,复制过程完成基因组复制,通过,DNA,中间体，再通过逆转录过程完成复制,脊髓灰质炎病毒,逆转录病毒,乙型肝炎病毒基因组,带有部分单链区的环状双链,DNA,分子， 长链为负股，长,3.2kb,；短链为正股，在不同的分子中长度不同,两链,5,端,250b,互补成粘末端,以负股,DNA,为模板转录的,RNA,有,4,个,ORF,，分别称为,S,、,C,、,P,、,X,，其中,P,区域与其它三个,ORF,重叠,乙型肝炎病毒基因组结构和功能,S,区：编码病毒的外膜蛋白，由,S,基因、前,S1,区（,pre-S1,）、前,S2,区段（,pre-S2,）构成,主要蛋白,:,即,S,蛋白（,HBsAg,） ，,226,个,a.a.,，由,S,基因编码，,中蛋白,:,由,pre-S2,和,S,基因编码，,281,个,a.a.,大蛋白,:,由,pre-S1,、,pre-S2,和,S,基因编码,乙型肝炎病毒基因组结构和功能,C,区段：编码核心抗原（,HBcAg,），羧基端富,Arg,水解后转变为分泌性,e,抗原（,HBeAg,）,P,区段：编码,DNA,聚合酶，是依赖,RNA,的,DNA,聚合酶（逆转录酶）,X,区段：,X,蛋白功能尚不十分清楚，可能是反式激活因子,二、原核生物基因组结构和功能的特点,1.,通常仅有一条环状双链,DNA,分子组成,2.,只有一个复制起点,3.,具有操纵子结构,4.,编码序列一般不重叠,5.,基因是连续的,二 原核生物基因组结构和功能的特点,6.,编码区在基因组中所占比例约为,50%,7.,基因组中重复序列很少,8.,有编码同工酶的基因（,isogene,）,9.,存在可移动的,DNA,序列，包括插入序列和转座子,10.,具有多种功能的识别区,原核生物基因组研究及意义,更好的了解病原微生物的治病机理,加快致病微生物致病基因的发现,提高临床诊断的效率和准确性,筛选有效药物及发展疫苗,第三节 人类基因组的组织结构特点,人类基因组的重复序列,人类基因组中的多态性,一 人类基因组的重复序列,反向重复顺序（,inverted repeats,）是指两个顺序相同的拷贝在,DNA,链上呈反向排列。约占,5%,，常见于调控区,两个反向重复顺序间隔一段间隔顺序,两个反向重复顺序间串联排列形成回文结构,一 人类基因组的重复序列,串联重复顺序（,tandem repeats,） 约占,10%,编码区串联重复顺序：组蛋白基因,非编码区串联重复顺序：通常存在于间隔,DNA,和内含子中,大卫星,DNA,（,macrosatellite DNA,）,小卫星,DNA,（,miniosatellite DNA,）,微卫星,DNA,（,microsatellite DNA,）,小卫星,DNA,小卫星,DNA,（,minisatellite DNA,）一类中等大小的串联重复序列，长,0.1-20kb,，分布于所有染色体,高度可变的小卫星,DNA,呈高度多态性，与细胞的同源重组有关，不能转录,端粒,DNA,微卫星,DNA,微卫星,DNA,（,microsatellite DNA,）一类简单的寡核苷酸串联重复序列，分布于所有染色体，重复,2-6bp,约,10-60,次，总长度常小于,150bp,一人类基因组的重复序列,散在重复顺序 多为转座元件，且为反转录转座,SINEs(short interspersed nuclear elements) Alu,家族,LINEs(long interspersed nuclear elements) Kpn,家族,Number of copies and fraction of genome for classes of interspersed repeat,Number of copies(x1,000),Total number of bases(mb),Fraction of the draft genome sequence(%),SINEs,1,558,359.6,13.14,LINEs,868,558.8,20.42,LTR elements,443,227,8.29,DNA elements,294,77.6,2.84,Unclassified,3,3.8,0.14,Total,1,226.8,44.83,二 人类基因组中的多态性,DNA,位点多态性（,DNA site polymorphism,）：是由于等位基因间在特定位点上,DNA,序列的差异造成的,限制性片段长度多态性（,restriction fragment length polymorphism, RFLP,）：即用同一种限制性内切酶消化不同个体的,DNA,时，会产生各不相同的限制性片段类型,二 人类基因组中的多态性,串联重复顺序多态性（,tandem repeats polymorphism,）：其重复单位很小，重复次数变化较大，也称可变数目串联重复顺序（,variable number of tandem repeats, VNTRs,）是一种长度多态性,小卫星,DNA,多态性,微卫星,DNA,多态性,Polymorphism,Polymorphism: strictly, the existence of two or more variants (alleles, phenotypes, sequence variants, chromosome structure variants) at significant frequencies in population. Looser usages among molecular geneticists include,(1) any sequence variant present at a frequency 1% in a population,(2) any nonpathogenic sequence variant, regardless of frequency.,Polymorphism,Polymorphism marker,SNPs (single nucleotide polymorphisms, SNPs) More than 1.4 million single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the human genome have been identifed.,SSR (Simple sequence repeat, SSR) a sequence consisting largely of a tandem repeat of a specifc k-mer (such as (CA)15). Many SSRs are polymorphic and have been widely used in genetic mapping.,三 人类基因组计划简介,人类基因组作图,遗传图,(genetic map),：以具有遗传多态性的遗传标记为,“,位标,”,，遗传学距离为,“,图距,”,的基因组图,Genetic map A genome map in which polymorphic loci are positioned relative to one another on the basis of the frequency with which they recombine during meiosis. The unit of distance is centimorgans (cM), denoting a 1% chance of recombination.,人类基因组作图,物理图,(physical map),：以一段已知核苷酸序列的,DNA,片段为,“,位标,”,，以,DNA,实际距离（,Mb,或,kb,）作为,“,图距,”,的基因组图,转录图,(transcription map),：以表达序列标签（,EST,）为位标，又称,cDNA,图或表达序列图,序列图,(sequence map),：确定人类基因组的核苷酸顺序,第四节 基因组与医学,一 基因鉴定,定位克隆（,positional cloning,）,候选克隆：定位候选和功能候选克隆,定位克隆,定位克隆策略：即建立表型（包括疾病）与基因组中某一部位（或区域）之间的联系，然后根据这一位置信息，应用物理图的物理标记来将经典遗传学信息转变为物理标记所代表的明确的基因组区域，在以相关区域的邻接克隆群来筛选可表达的结构基因，即建立局部的转录图。,常见病易感基因的定位克隆,肥胖、肿瘤、心血管疾病、糖尿病等都有遗传因素的涉及,多基因、多因素,遗传异质性,阐明病因及发病机理,Examples of disease genes identified by positional cloning,Disease,MIM no.,Map position,Gene,Approach,Duchenne muscular dystrophy,310200,Xp21.3,Dystrophin,Clone translocation breakpoints,Clone sequences missing in a patient with a deletion,Cystic fibrosis,219700,7q31,CFTR,Linkage disequilibrium,Branchio-oto-renal syndrome,113650,8q13,EYA1,Sequencing genomic clones; homology to,Drosophila,gene,Treacher Collins syndrome,154500,5q32-33.1,TCOF1,Transcript mapping,二 药物基因组学,用药个体化,已知基因,加快新药开发,单核苷酸多态性（,SNPs,）,Single Nucleotide,Polymorphisms,1, Introduction,2, Defination and classification,3，,Features of SNPs,4,SNP mapping,5,Usage in biomedicine,6, SNPs,database,Genetic Variation,DNA Markers,1980 RFLPs ( restriction fragment length,polymorphisms),1985 VNTRs (variable number tandem,repeats , small-satellites),STRs (short tendem repeats, Micro-,satellites ),1990s SNPs (single-nucleotide polymor-,phisms),限制性片段长度多态性,RFLPs ( restriction fragment length polymorphisms),短串联重复序列,STRs,(short tendem repeats, Microsatellites ),STR,广泛存在于人基因组，占约,5%,，,基本单位是,1bp-8bp,的,串联重复，,重复次数,n=15-60,，已知,8000,多个，,主要形式为：,(CA),n,，,(GA),n,，,(AA),n,，,(GG),n,，,(CAA),n,，,(CGG),n,，,其中以,(CA),n,，,(GT),n,为多见。,1992,年，,Welssenbanch,等以,STR,为标记的第二代连锁图取代了,RFLP,连锁图,。,可变数目,串联重复序列,VNTRs,(variable number tandem repeats),每个,VNTR,都含有,10-15 bp,核心序列，,VNTR,与,STR,比较类似，但是重复顺序更长；,多态性及分布方面不如,STR,，因而,VNTR,作,为遗传标记只是一种过渡，目前已较少使用，,但是，,VNTR,曾经对,STR,的基因定位运用起到,推动作用。,定义：不同个体间，基因组,DNA,某部位的,单核苷酸的变异。,1996,年，,Lander,报道了用单核苷酸多态性,标记（,single nucleotid polymorphism SNP,）,制备第三代遗传连锁图的遗传标记。,单核苷酸多态性,（,single nucleotid polymorphism,，,SNP,）,RFLP, Less polymorphysism,PIC:0.3,not even in genome,STR1/100kb,200kb,PIC: 0 .7,not even in genome,Automilization,SNP1/1003-300bp,Dichomity,Stability,Even in genome,DNA array,Frequency of SNP in,Human Genome,1,，,The most abundant DNA marker present,in the human genome,，,about 90% of,sequences variants in human are SNP. 2 out of thirds are C to T,2,，,A few hundred thousand are currently,identified, but 17 million of SNPs out of,3 billion are estimated.,3, SNPs in coding regions of genes have been,termed cSNPs, about 500,000 of cSNPs,and an average of about 6 per gene.,The Functional,Effects of cSNPs,Amino acid change,no change of amino acid,The Functional,Effects of SNPs,Outside Exons,In Regulatory region,Applications of SNPs,as Genome Markers,Individual identification,Human evolution,Biomedical research,SNPs in Human,Diseases,SNPs,的作图,有两种不同而又互补的方法可进行全基因组关联分析。一种是直接检测候选基因编码区中所有常见的功能性变异；另一种是使用分布在编码区和非编码区的高密度,SNPS,标记，来分析易感人群和对照人群，根据连锁不平衡分析特定的,SNPs,与表型的关联。无论是致病变异还是群体进化的研究，建立高密度,SNPs,遗传图是必需的。,SNP,作图的一般步骤包括： 获取,DNA,序列； 从,DNA,序列确定序列标签位点（,sequence tagged sites,，,STSs,）； 扫描,STSs,或,ESTs,确定候选,SNPs,； 确定,SNPs,； 将,SNPs,定位于染色体特定位置。,Monogenic Disorder,in Human Diseases,SNPs in monogene influence virtually,human disease,1, Susceptibility and,resistance to the disorder,2, Gene- environmental,factors.,e.g. Huntingtons disease,cystic fibrosis,SNPs in Complex,Human Diseases,many of the diseases involve multiple genes, each contributing a small quantity of the overall disease susceptibility. Oliogenic, multigenic and gene-environmental interaction,Association Study,Linkage study,SNPs in,Pharmacogenomics,Individualization medicine,Drug discovery,Polymorphisms of genes involving in,Admet,(,a,bsorbption,d,istrubution,m,etabolism,e,xcretion and,t,oxibility),.,SNPs affecting drug effects,SNPs Genotyping,1, Direct sequencing of DNA,2, Specific hybrization,3, Single-strand conformation,polymorphism analysis,4, High-density DNA arrays,5, Primer-extention,6, Pyrosequencing,SNPs Databases,http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/SNP/index.html,http:/hgbase.cgr.ki.se/,Thanks,&,Questions,