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1、第四章 遺傳物質(zhì)基因和染色體,染色體變異及其生物學效應 染色體畸變的種類和機制,一、染色體及其在細胞分裂中的行為,1. 染色質(zhì) 常染色質(zhì)：是染色質(zhì)的主要成分，染色較淺，著色均勻 異染色質(zhì)：折疊非常致密，在染色體上染色較深，而且在細胞分裂周期中致密程度很少發(fā)生變化；多半位于染色體的著絲粒,1. 染色質(zhì),組成型異染色質(zhì)：一種永久性的、在染色體上有固定位置的異染色質(zhì)；它由不表達的DNA序列組成，最典型的是位于染色體的著絲粒周圍 功能型異染色質(zhì)：又稱X異染色質(zhì)，是在特定條件下，由常染色質(zhì)轉(zhuǎn)變而來；哺乳動物的X染色體是最好的例子,2.

2、染色體的主要組成,真核生物的染色體結(jié)構(gòu)：一般包括四個組成部分，即著絲粒、端粒、復制起始點以及基因和非編碼序列 核小體：由DNA和組蛋白(histone)構(gòu)成 DNA復制起點 復制子：發(fā)生復制的單個DNA單元 復制起點：復制子中控制啟動復制的元件, DNA復制起點,自主復制序列(autonomously replicating sequence, ARS)：真核生物染色體復制子中啟動DNA復制的序列 復制類型： D-環(huán)式復制：線粒體 、葉綠體 滾環(huán)式復制 ：噬菌體 復制叉式復制,,A replication eye forms a

3、 theta structure in circular DNA., 端粒,端粒通常是由富含鳥嘌呤核苷酸(G)的短的串聯(lián)重復序列組成，伸展到染色體的3端； 一個基因組內(nèi)的所有端粒，即一個細胞里不同染色體的端粒都由相同的重復序列組成 一種單鏈斷開的結(jié)構(gòu) 由端粒酶合成,, 著絲粒,著絲粒centromere 有絲分裂mitosis 減數(shù)分裂meiosis 染色單體chromatid,,,,3. 染色體組型或核型,染色體組型或核型：在細胞有絲分裂期間觀察到的細胞內(nèi)的整套染色體 染色體帶型：深淺相間的帶紋圖形,,,Polytene chromosomes of Drosophila.,Credit:

4、Courtesy Todd R. Laverly, HHMV Berkeley Drosophila Genome Project.,Human Genetics Sidelight Amniocentesis and procedures for prenatal diagnosis of chromosomal and biochemical abnormalities.,Fig 7.1 Preparation of cells for cytological analysis, 2003 John Wiley and Sons Publishers,,染色體顯帶技術(shù) a.G帶，Giems

5、a染色可顯示出富含 AT堿基對的DNA部分 b.Q帶，用 quinacrine mustard染色， 紫外燈下顯色 c. C帶，顯示出著絲粒異染色質(zhì) d. R帶，顯示出富含GC堿基對的DNA部分,Karyotype of a child with Down syndrome, showing trisomy for chromosome 21 (47, XX, +21).,Credit: Courtesy of R. M. Fineman.,Metaphase human chromosomes stained with acridine orange to show R banding.,C

6、redit: From R. S. Verma, H. Dosik and H.A. Lubs, Jr., 1977, “Demonstration of color 2n-1(2); 2n-1(3); 2n-1(4) ey/ey X 2n-1(1); 2n-1(2); 2n-1(3); 2n-1(4) ey/+ ey/- 有眼 無眼 與某一單體雜交，出現(xiàn)了無眼果蠅，證明ey基因在 該單體的染色體上,,Meiotic nondisjunction and the origin of Down syndrome.,,,,,2. 染色體結(jié)構(gòu)的畸變,染色體結(jié)構(gòu)大片段的改變 重復

7、：染色體區(qū)段增加 缺失：染色體片段丟失 倒位：染色體位置顛倒 易位：非同源染色體片段位置互換,染色體畸變的生物學效應,許多腫瘤中可檢測出染色體畸變 缺失可能使控制細胞周期的基因丟失或失活 倒位和缺失可能會使那些腫瘤抑制基因斷裂，使表達誘導腫瘤產(chǎn)生蛋白的基因融合或者使基因轉(zhuǎn)移到新的位置，受到新的調(diào)控元件的調(diào)節(jié),染色體結(jié)構(gòu)變化的類型重復duplication,缺失deletion,倒位inversion,易位translocation, 重復 duplication,,重復是指染色體的片段出現(xiàn)多個拷貝，重復往往可改變基因劑量，可能造成表型的顯著改變,重復的細胞學和遺傳學效應,細胞學效應：減數(shù)分裂時

8、，同源染色體配對出現(xiàn)弧狀結(jié)構(gòu)；弧狀結(jié)構(gòu)是重復的部分 遺傳學效應：出現(xiàn)突變，嚴重時死亡,,,,,基因劑量不平衡造成發(fā)育異常,,The fragile X and a normal X chromosome from a female (left), and the fragile X and a normal Y chromosome from a male (right), 缺失 deletion,缺失是指染色體部分片段的丟失 缺失往往不會發(fā)生回復突變，從而使得未發(fā)生缺失的染色體上的隱性等位基因得以表現(xiàn)，也可能造成表達產(chǎn)物不平衡,中間染色體缺失：ABCDEF ABCD F 端點染色體缺失：A

9、BCDEF ABCDE 缺失純合體： A B C D F A B C D F 缺失雜合體： A B C D E F A B C D F,染色體缺失,缺失的細胞學和遺傳學效應,細胞學效應：減數(shù)分裂時，同源染色體配對出現(xiàn)弧狀結(jié)構(gòu)；弧狀結(jié)構(gòu)是正常的染色體部分 遺傳學效應：出現(xiàn)突變，嚴重時死亡；有時會出現(xiàn)擬顯性現(xiàn)象,缺失的遺傳學效應擬顯性現(xiàn)象,玉米 ：紫色基因A 對綠色基因a顯性 綠色植株 a a X 紫色植株 AA 紫色 Aa UVAa花粉 X a a F1 綠色 紫色 花粉：正 常 ___A

10、 缺失A基因 ___,果蠅缺刻表型Notch phenotype 是因為包括 Notch 基因在內(nèi)的染色體片段發(fā)生缺失造成的上圖為正常表型下圖為突變型,Karyotype of infant with cri-du-chat syndrome, 46, XY (5p-).,Credit: Courtesy University of Utah Cytogenetics Laboratory.,Cri-du-chat syndrome.,Credit: Courtesy Irene A. Uchida, Department of Pediatrics, McMaster Univer

11、sity, 倒位 inversion,倒位是指染色體一個片段發(fā)生顛倒 倒位可能造成基因被打碎或移位 倒位往往形成無效的配子，從而使計算出的重組頻率偏低,,,人和黑猩猩的四號染色體因一個臂間倒位而不同,,,,,,,Suppression of recombination in an inversion heterozygote,Double crossing over in an inversion heteroygote.,,倒位區(qū)之間的交換,倒位雜合子將會產(chǎn)生異常配子,圖一 臂內(nèi)倒位,環(huán)內(nèi)倒位區(qū)單交換,倒位雜合子將會產(chǎn)生異常配子圖二 臂間倒位,倒位的細胞學效應和遺傳學效應,細胞學效應：倒位雜

12、合體在減數(shù)分裂同源染色體配對時，形成倒位環(huán) 遺傳學效應：倒位區(qū)內(nèi)重組，形成不可育配子；被稱為“抑制重組”,平衡致死系,緊密連鎖或中間具有倒位片段的相鄰基因由于生殖細胞的同源染色體不能交換，所以可以以非等位基因的雙雜合子，保存非等位基因的純合隱性致死基因，該品系被稱為平衡致死系,,Cy: 翻翅， 隱性； 純合致死(Cy/Cy) S: 星狀眼，致死基因(S/S) 翻翅果蠅與待保留致死基因果蠅雜交 Cy + X Cy + + S + S Cy + Cy + + S Cy + + S + S 死亡 保存 死亡,,,,,,,,ClB品系：C交換

13、抑制因子；l隱性致死突變；B棒眼(X染色體上，l和B有一段倒位) 步驟：a. 待測果蠅與雜合(ClB/+++)果蠅雜交； b. F1 ClB 與F1 (野生型)單對雜交，目的是檢查某一特定X染色體上的突變； c. 觀察分析： 有X隱性致死突變，F(xiàn)2 無雄蠅(:ClB和l死亡); 隱性非致死突變， F2預期 :=2:1，突變性狀只在F2雄蠅表現(xiàn)，F(xiàn)1ClB中不表現(xiàn)； 無X隱性突變，在F2 僅表現(xiàn)簡單的 :=2:1。,Muller-5法： A. Muller-5品系:B(棒眼)-Wa(杏眼)-sc(小盾片少剛毛)并具重復倒位 B. 檢出步驟 : . 將待測的果蠅與純合Muller

14、果蠅雜交. . 將F1 自交, 目的是檢查某一特定X染色體上的突變. . 觀察分析F2： 如果無X隱性致死突變預期F2 : =1:1 表型比為簡單的1:1:1:1; 如果有X隱性致死突變預期F2 : =2:1 表型比1:1:1; 如果有隱性非致死突變 在F2 中可見突變,Muller-5 檢測突變,x B Wa X x _______ x B Wa y x ________ X x B Wa x B Wa y x B Wa _______ B Wa _____ x B Wa B Wa Muller-5 雜合體

15、 Muller-5 ?,,,,,,,,,,,,, 易位 translocation,易位是指染色體片段的轉(zhuǎn)移，既可發(fā)生在非同源染色體間，亦可發(fā)生在同一條染色體的不同位置易位往往造成基因移位或斷裂，影響基因功能,,,,,,,,人類二號染色體有一羅伯遜易位，在黑猩猩、大猩猩、猩猩中均無 G帶表明，人類發(fā)生羅伯遜易位的兩條近端著絲粒祖先染色體在其他三類靈長類動物中仍然存在,,,,,Structure and pairing behavior of a reciprocal translocation between chromosomes.,易位的細胞學效應和遺傳學效應,細胞學效應：易位雜合體在

16、減數(shù)分裂同源染色體配對時，形成十字型結(jié)構(gòu) 遺傳學效應：形成不可育和可育配子，各占1/2；被稱為“半不育”,三、基因突變和表觀遺傳變異,基因突變是指基因的一種等位形式變成另一種等位形式 突變是相對于正常而言的 遺傳學研究中，將自然界中普遍出現(xiàn)的性狀或指定實驗用的某一品系的性狀，作為“野生型”或“正?！钡男誀?與“野生型”性狀相關的等位基因稱為野生型等位基因，一般記為+，或a+ ，B+等,,任何不同于野生型等位基因的稱為突變型等位基因 從野生型變?yōu)橥蛔冃停Q為正向突變(forward mutation) 從突變型變回成野生型，則稱為恢復突變(back mutation)或逆向

17、突變(reverse mutation) 自發(fā)突受(spontaneous mutation) 誘發(fā)突變(induced mutation) 誘變劑(mutagen)，致癌物(cancinogen) 突變率(mutation rate),1. 點突變和移碼突變,點突變：單堿基對置換 轉(zhuǎn)換(transition):A G、T C 顛換(transversion)：嘌呤嘧啶 同義突變(same sense mutation) 或中性突變(neutral mutation) 簡并性、同工酶 錯義突變(missense mutation) 無義突變(nonsense mutatio

18、n),堿基置換突變的內(nèi)源機制, 5-甲基胞嘧啶的脫氨作用 5mC(脫氨) (互變異構(gòu)化)T DNA復制過程中出現(xiàn)差錯 滑移錯配(slipped mismatching) 其他一些因素的作用, 移碼突變frameshift mutation,2. 基因重組和基因轉(zhuǎn)換,重組分為同源重組(homologous recombination)和非同源重組(non- homologous recombination) 非同源重組區(qū)分為保守重組(conservative recombination)和復制重組(replicative recombination) 同源重組是依賴于大范圍的DNA同

19、源序列間的聯(lián)會，重組可以發(fā)生在聯(lián)會部分的任何位置上,,非同源重組依賴于少量的DNA同源序列間的聯(lián)會，又稱為位點專一重組(site specific recombination) 一個DNA分子整合到另一個DNA分子上，稱為保守重組，又稱整合重組(integrative recombination) 復制重組：使一個DNA分子插入另一個 DNA分子中；由轉(zhuǎn)座引起(異常重組illegitimate recombination), 同源重組,細菌 發(fā)生在雙方DNA的同源區(qū)域 部分復制的染色體DNA之間或染色體DNA與外源DNA之間 細菌的轉(zhuǎn)化、接合和轉(zhuǎn)導 第一， RecBCD（外切核酸酶）和 Chi

20、 位點 RecA 蛋白, RecBCD的識別和切割位點,a、 RecBCD結(jié)合在DNA的平 頭末端（產(chǎn)生機制不清楚）,b、 外切、解鏈、移動 （ATP）,c、 兔耳狀 loop 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生 （再旋酶活性低于解旋酶活性）,d、 RecBCD 在 loop 單鏈區(qū)的 chi 位點3方46NT處切 斷單鏈（單鏈內(nèi)切酶）, chi位點：GCTGGTGG 目前發(fā)現(xiàn)的重組熱點 E.coli 含 1000 個、Euk.,e、 RecBCD 切割產(chǎn)生3單鏈末端,RecA引起的鏈交換和Holliday結(jié)構(gòu)的生成,,, 位點專一重組,噬菌體DNA的整合和切離是典型的位點專一重組 噬菌體感染大腸桿菌后，或

21、是進入裂解生長，或是進入溶源生長 通過DNA和細菌DNA特定的附著位點之間的重組來實現(xiàn)的,,大腸桿菌DNA上的att(attach)位點記為attB，長度為23bp，分B 、O和B三個部分 DNA上的att位點記為attP，長度為240bp，分P、O和P三個部分 DNA的整合和切離都發(fā)生在attB和attP的各自O序列中，因此O序列稱為核心序列，全長15bp，核心序列兩側(cè)的序列對重組也是起作用的,,,整合過程, 整合后的附著位點為 attL（BOP） attR（POB）, 整合位點---attB、attP 切除位點---attL、attR, 整合過程需要整合酶 （integrase In

22、t）（編碼） 和寄主的整合宿主因子IHF （integration host factor） 共同作用,溶源性細菌 (lysogen),溶菌周期 （lysis）,原噬菌體,,,,, 基因轉(zhuǎn)換Gene conversion,細胞減數(shù)分裂形成4個子細胞時，如果3個子細胞得到了一個親本的等位基因，只有1個子細胞得到另一個親本的等位基因，這種親本之間等位基因被調(diào)換的現(xiàn)象 基因轉(zhuǎn)換是通過重組和DNA修復所造成,,,酵母接合型的轉(zhuǎn)換,單倍體細胞的接合型mating type： a型和型，由單個基因座MAT所決定 MAT有一對等位基因MATa和MAT 在同宗接合(homothallic)的酵母菌株中，

23、酵母菌十分頻繁地轉(zhuǎn)換其接合型,,在MAT基因座兩側(cè)有兩個基因MATa和MAT的拷貝，這就是HML和HMRa基因 MAT基因座是通過轉(zhuǎn)座而轉(zhuǎn)換其接合型的 基因轉(zhuǎn)換Gene convertion MAT基因座的序列轉(zhuǎn)換成另一個基因的序列,酵母MAT序列的轉(zhuǎn)換-----依賴于同源重組的位點特異性的序列代換,酵母結(jié)合型的轉(zhuǎn)變---DNA序列的代換，而不是互換 ---依賴于序列的同源性 （被代換的序列命運是被降解調(diào)---突變試驗）,同源序列,匣子 W X Y Z1 Z2 total HML 723 704 747 239 88 2501 MAT 723 70

24、4 747 239 88 2501 MATa 723 704 642 239 88 2369 HMRa 704 642 239 88 1585,轉(zhuǎn)換過程,內(nèi)切酶(HO)識別、切割--Y/Z1交界處---起始MAT序列的轉(zhuǎn)換 (雙鏈斷裂) HM匣子受Sir阻遏蛋白的保護,,Y區(qū)域被降解，直到Y(jié)和Ya相同的部分或一直到X區(qū)域,,,,,,,,,,,四個斷頭侵入供體匣子的同源部分并與其中互補鏈配對,以供體DNA為模板復制Y區(qū)域，holliday結(jié)構(gòu)形成,,,Holliday結(jié)構(gòu)的拆分，產(chǎn)生新的MAT匣子和這次轉(zhuǎn)換中的供體匣子,,,需要大范圍的同源序列,

25、需要重組酶系(rad52基因產(chǎn)物、位點特異性的HO內(nèi)切酶),3. 動態(tài)突變dynamic mutation,動態(tài)突變，又稱基因組不穩(wěn)定性genomic instability： DNA序列中由于寡核苷酸拷貝數(shù)目的變化，引起生物表型改變的突變；通常是由三聯(lián)體密碼子重復數(shù)目的增加而形成的 X脆性染色體綜合癥是由于在X染色體P27.3位置上CGG拷貝數(shù)目增加到200以上，引起基因的改變，形成痕跡很重的染色體，突變的部分很容易被打斷，所以被稱為是脆性染色體,脆性位點是染色體上在特殊條件下易斷裂的位點，可能為收縮或縫隙；在人類染色體上已發(fā)現(xiàn)一系列的脆性位點；其中研究最詳盡的位于X 染色體上，目前發(fā)現(xiàn)其與

26、智障有關；脆性X綜合癥為X連鎖遺傳，出現(xiàn)幾率在男嬰中為1/2500，主要成因可能是因為CGG三核苷片段重復數(shù)目的變化,三聯(lián)體密碼子的重復與疾病,疾 病 密碼子 正?？截?患者拷貝 脊髓肌肉萎縮癥 CAG(gln) 11-33 40--62 亨廷頓癥 CAG(gln) 11-34 42--100 X脆性染色體 CGG(arg) 6-54 250-4000 強直型肌營養(yǎng)不良 CTG(leu) 7-23 49-75 小腦共濟失調(diào) CAG(glu) 4-18 40-200,三核苷酸重復拷貝擴增的致病機制, 蛋白質(zhì)交聯(lián)形成不溶性包膜 CA

27、G-CAG-CAG-. 富含谷氨酰氨的蛋白質(zhì)其它蛋白質(zhì) 轉(zhuǎn)谷氨酰氨酶 不溶性包膜 影響神經(jīng)細胞功能,,,,三核苷酸重復拷貝擴增的致病機制, 能量供應不足 甘油醛磷酸脫氫酶(GAPDH) 糖 腦所需能量 GAPDH病人的poly Gln 糖 缺乏腦所需能量,,,,,,,三核苷酸重復拷貝擴增的致病機制, 蛋白質(zhì)翻譯受阻 FMR1 基因表達的蛋白，是正常人智力發(fā)育中的重要功能蛋白；如果FMR1 基因存在有過量的重復序列，產(chǎn)生的mRNA不能與完整的核糖體結(jié)合，阻止了FMR蛋白生成，導致脆性X染色體綜合癥,三核苷酸重復拷貝擴增

28、的致病機制, 基因產(chǎn)物的毒性積累 (CAG)n 人雄性激素受體 猴腎細胞COS系 富含gln的蛋白質(zhì)與細胞核結(jié)合 COS凋亡,,,,4. 表觀遺傳變異epigenetic variation,概念：基因的DNA序列不發(fā)生改變，但是由于DNA甲基化、RNA選擇性剪接等作用，使得基因表達發(fā)生改變，造成基因產(chǎn)物的改變，最終導致表型的改變, DNA甲基化,CH3 胞嘧啶 5-甲基胞嘧啶 methylase DNA甲基化抑制或降低轉(zhuǎn)錄水平 CpG島或HTF島(HpaII tiny fragments-islands)：在基因轉(zhuǎn)錄起始點附

29、近，有高度密集的 CpG重復序列；推測該序列與基因轉(zhuǎn)錄活性有關 利用 CpG序列作遺傳標記，可以作為篩選基因的標志,, 基因組印記genomic imprinting,基因在世代傳遞過程中，由于DNA的甲基化作用，來源于父母本的等位基因會有不同的表現(xiàn)；個體表現(xiàn)出上代遺傳下來的基因組印記的效應；就好像被打上了父母的印記一樣；但是，被打上父母印記的基因在生殖細胞形成時，印記會被抹去，重新打上自己的印記 印記基因(imprinting gene)遍布于整個基因組，印記基因內(nèi)含子較小，基因組織表達有特異性；人類基因組約有100多個印記基因,亨廷頓舞蹈病(HD)遺傳方式,Hh Hh Hh

30、 Hh 發(fā)病早 發(fā)病遲 Hh 發(fā)病早,,,,,,,,,,,,,, RNA編輯,基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA分子中，由于核苷酸的缺失、插入或置換，基因轉(zhuǎn)錄物的序列不與基因編碼序列互補，使翻譯生成的蛋白質(zhì)的氨基酸組成，不同于基因序列中的編碼信息 錐蟲線粒體基因：引導RNA(guide RNA),(4) RNA干擾(RNA interference),1993, Jorgensen用基因工程技術(shù)把花青素基因轉(zhuǎn)入矮牽牛，紫色更深 1995, 郭蘇, 肯弗斯把par-1基因的反義RNA注入秀麗新小桿線蟲體內(nèi)，有

31、義RNA-對照 1998, Fire和Mello, 有義RNA、反義RNA和二者混合物分別導入到線蟲體內(nèi) 概念：雙鏈RNA對帶有它的同源序列mRNA具有高效的干擾作用,雙鏈RNA介導的RNAi：轉(zhuǎn)錄后基因沉默(post-transcriptional gene silencing, PTGS),核酸酶把雙鏈RNA切割成小分子干擾RNA或短的干擾RNA (small or short interference RNA, RNAi) Dicer RNA誘導的沉默復合物 (RNA induced silencing complex, RISC) siRNA可循環(huán)擴增：mRNA復制的引物,微RNA(microRNA),長度為2128核苷酸的單鏈非編碼RNA，它的前體是7090核苷酸的發(fā)夾結(jié)構(gòu)RNA，能同靶RNA 3非編碼區(qū)(3UTR)互補結(jié)合，從而阻遏或下調(diào)基因表達產(chǎn)生蛋白質(zhì)的活性,