1、 第六章 基因及基因突变 一、教学目的：通过本章学习了解遗传物质的基本单位-基因，基因结构及组成，基因突变机制，从分子水平掌握基因诊断方法及应用。二、教学要求及方法：要求掌握基因与基因组概念，掌握基因结构及组成，掌握基因突变型及机制，掌握基因诊断技术及应用。通过教师讲解和阅读参考书进行学习。三、教学大纲1基因概念2基因结构与表达3基因突变4基因操作5基因诊断方法及应用第一节 基因的概念 （书上 P42）一、基因与基因组的概念1基因 gene：从分子生物学水平看，基因是遗传的功能单位，是能够表达和产生基因产物（蛋白质或 RNA）的全部核酸序列( DNA 或 RNA） 。一个基因不仅包括编码蛋白质
2、肽键或 RNA 的核酸序列（外显子） ，还包括与基因产物表达有关的启动子，增强子，5端非翻译区，内含子及 3端非翻译区等所有核酸序列。后者统称调控序列。基因三个基本特性：（1）基因可自我复制，即 DNA 复制，通过复制使遗传的连续性得到保持。（2）基因决定性状，即基因通过转录和翻译决定多肽键氨基酸的顺序，从而决定某种酶或蛋白质的性质，最终表达某一性状。 （3）基因产生突变。2基因组（genome）：是指人的所有遗传信息的总和。人类基因组包括两个相对独立而又相互关联的基因组：核基因组和线粒体基因组。（1）核基因组：指单倍体细胞所具有的遗传信息总和，指人体细胞中的 24 条不同染色体，即 122
3、号染色体、x染色体、y 染色体的总和，也是 24 条染色体的 24 个 DNA 分子总和，有 3109bp。估计有 810 万个基因。人体细胞是二倍体，一套来自母方，一套来自父方。（2）线粒体基因组： （自学）指存在人类线粒体中 DNA 分子的全部遗传信息，称mtDNA二、核基因组中分类 1功能分类：包括编码序列、调控序列、 “自私”DNA 序列。（1）编码序列：指能决定蛋白质分子中多肽链上的氨基酸的组成及排列顺序的 DNA 序列，即结构基因中的外显子序列。（2）调控序列：包括不被转录的启动子、增强子及只转录不翻译的 5端非翻译区，3端非翻译区，起调节基因功能的作用。（3） “自私”DNA 序
4、列：非编码序列包括高重复序列，中度重度序列，很少存在在 mRNA 中，也只有很少一部分有调节功能，唯一功能复制自己。2结构分类 （1）高度重复序列：短序（46bp）串联重复，重复次数达到数千次以上，占人基因组 20%，三种：卫星 DNA、反向重复序列、复杂重复序列。 （2）中度重复序列：重复序列次数在几十至上千，占基因组 10%，分短分散元件和长分散元件。在人基因组的中度重复序列中，Alu 家族、KpnI 家族含量最丰富。（3）单一序列：拷贝数小于 10，多为结构基因，占基因组 60%左右。第二节 真核细胞基因的结构与表达（一）编码区： 自起始密码至终止密码的一段 DNA 序列称编码区，含有若
5、干段编码序列是该基因表达为多肽链的 DNA 序列，称外显子（exon, E） 、相邻外显子之间有不编码的间隔序列插入，插入的间隔序列称为内含子（intron, I） 。结构基因转录时内含子被切除。所以编码序列是不连续的，称为断裂基因（splitgene） 。不同基因大小不同，所含内含子数目和长度也不同，如假肥大型肌营养不良症（DMD）的基因全长可达 2300kb，含 75 个外显子，74 个内含子。每个内含子的 5端开始为GT，3端末尾为 AG，这结构称为 GT-AG 法则，是 RNA 剪接信号。（二）非编码区 含有对基因转录起调控作用的 DNA 序列，有一部分能被一些特异的转录因子或调节蛋白
6、所识别并与之结合，从而发挥对基因的调控作用，如启动子、增强子。1启动子，称启动基因，是与 RNA 聚合酶结合使转录开始的 DNA 序列，位于转录起始点上游，包括：TATA 框，能与转录因子 TF结合，再与 RNA 聚合酶形成复合物，准确识别转录起始位置，控制转录准确性。CAAT 框：由GGC（t）CAATCT 组成，与转录因子 CTF 结合，从而激活转录。GC 框：序列为 GGGCGG，其两侧能与转录因子 SP1 结合，激活转录，增强起始转录的效率。2增强子：可以增强转录作用，提高基因转录效率，其位置不固定，可在编码序列上游或下游，也可插入内含子中。 3前导区：5端非翻译区（5VT）能被转录，
7、但不被翻译，转录后起维持 mRNA 稳定性的作用。4拖尾序列：3端非翻译区（3VT）包含有转录终止子。终止子有转录终止功能包括.AATAAA 序列，称为mRNA 裂解信号，有裂解 mRNA 作用，并加上多聚腺苷酸（A） 。.反向重复序列，是 RNA 聚合酶转录终止信号。.AT对序列：反向重复序列与 AT 对序列转录后形成发夹结构及与 A 互补的一串 V。使转录物易于从 DNA 模板上释放出来，使 RNA 聚合酶从 DNA 分子解离下来，达到转录终止目的。二、基因表达 （自学）第三节 基因突变 （书上 P75）一、基因突变的特性 （自学）基因突变是指基因内的碱基组成或顺序发生于可遗传的改变，并且
8、常能导致表型改变。1多向性2可逆性3有害性4稀有性5可重复性6随机性和突变热点二、基因突变诱因 （自学）三、基因突变类型及其机制根据基因突变的突变率是否在各世代中保持稳定，可分静态突变和动态突变。根据基因突变发生于 DNA 分子的位置不同及是否直接引起遗传效应，将基因突变分为编码区突变和非编码区突变。主要介绍发生于编码区静态突变。（一）碱基置换：指 DNA 分子上一种碱基对被另一种碱基对取代，即 DNA 分子上单个碱基的改变称点突变。两种形式：转换 transition：嘧啶（或嘌呤）被嘧啶（或嘌呤）所替代。颠换：transversion 嘧啶（或嘌呤）被嘌呤（或嘧啶）所替代。点突变后引起效应
9、：1错义突变（missense mutation）：突变后的密码子代表另一种氨基酸，引起氨基酸改变，导致多肽链改变，形成蛋白质或酶的性质改变，如镰形红细胞贫血症 Hbs 是珠蛋白基因 b 链第 6 位密码子原为 GAG 颠换为 GTG，谷 aa-缬 aa 导致此病。2同义突变：（synonymous mutation）突变后的密码子代表同一种氨基酸，如 ACAACC 都为苏氨酸。3无义突变（non-sense mutation）突变后的密码子不代表原来的氨基酸，而代表终止密码子，导致多肽链合成提前终止，多肽链缩短，失去正常功能，如 b地贫，是 b 甸基因第 17 位密码子 AAG（赖 aa）T
10、AG（终止密码）导致珠蛋白 b 链基因完全不能合成 b 链。4延长突变（elongation mutation）是指碱基置换发生在基因的终止密码上，使终止密码子变为编码某一氨基酸的密码子，使多肽链合成继续进行，使多肽链延长，也称终止密码突变。如 HbConstant spring 是由于 a 基因第142 位密码子为终止密码子 TAA 转换为 CAA，从而使 a 链延长为 172 个 aa 所致。（二）碱基增减 是指 DNA 分子由于碱基的插入，缺失及交换等因素造成 DNA 编码改变，分为：1插入突变（insertion mutation）指在 DNA 分子中插入部分碱基对所产的基因突变。2缺
11、失突变：（deletion mutation）指 DNA 分子中丢失部分碱基对所产的基因突变。 如果插入或丢失的碱基对是一个、2 个，甚至多个，但不是 3 个及其倍数，则使原来的密码子移位，引起多肽链氨基酸种类，顺序全部改变，称移码突变。如 b 链珠蛋白基因，第 145 位酪氨酸密码子 TAT 前面插入了 2 个碱基“AG” ，导致 b 链从正常146 个 aa 增至 157 个 aa，形成 Hb Cranston。如果插入或缺失碱基对数是 3 及其倍数，将引起多肽链增加或减少一个或多个 aa。3融合突变（fusion mutation）指两个不同基因的部分序列交换重接，导致基因结构的重新组合
12、，构成新的基因称融合基因（fusion gene） ，其发生有两种形式：发生在减数分裂期间，由于同源染色体联会时配对不准确，产生不等交换，造成一条染色体 DNA 分子基因缺而缩短，另一条染色体 DNA 分子基因重复而变长，如 b珠蛋白基因簇中 d 基因和 b 基因不等交换形成融合基因 db和 bd，产生 HbLepore 和 HbantiLepore。是染色体易位，如 9 号长臂上原癌基因 ab1 易位到 22 号长臂与 BCR 基因相接，形成 BCR-abl 融合基因，导致慢性粒细胞白血病。（三）非编码区突变：基因突变发生非编码区的内含子、剪接位点、启动子、PolyA、间隔序列。如遗传性腺苷脱氨酶活性过高患者，酶活性是正常人的 4570 倍，引起溶血，该酶结构没有改变。只是转录的 mRNA 大大增多，所以认为是调控基因突变的结果。（四）动态突变某些单基因遗传病的发生是由脱氧三核苷酸串联重复拷贝数大大增加所致。由于这种串联重复的拷贝数随着世代的传递不断扩增，称为动态突变，发现 10 余种单基因遗传病是由于这原因引起。脆性 X 综合征是三核苷酸（CCG）n 重复序列扩增达200（正常拷贝数为 660） ，这种突变不稳定。
