《遗传奥秘：基因型解析》课件

遗传奥秘基因型解析欢迎来到《遗传奥秘基因型解析》课程！我们将一同探索生命的奥秘，揭开遗传密码的秘密从DNA的结构到基因表达的调控，从遗传病的诊断到基因工程的应用，我们将深入浅出地解析基因型与表型之间的关系，为理解生命现象提供新的视角课程目标与学习要点学习目标学习要点本课程旨在帮助学员了解遗传学的基本原理，掌握基因型解析的•遗传学基础知识相关技术，并对基因与生命的关系、基因与疾病、基因工程等方•DNA的结构和功能面进行初步了解•基因的定义、结构和表达•遗传病的分类和诊断•基因工程和生物技术•表观遗传学与基因表达调控•基因与进化遗传学基础概念导入遗传学是研究生物性状的遗传和变异基因型是生物体所拥有的基因组成，遗传信息主要储存在DNA分子中，规律的科学，是生命科学的基础学科而表型是生物体表现出来的性状特征通过复制、转录和翻译的过程实现信之一息的传递和表达的发现历史DNA年18691瑞士化学家弗里德里希·米歇尔从脓细胞中分离出一种富含磷的物质，并将其命名为“核素”年19442奥斯瓦尔德·埃弗里和他的同事证明DNA是遗传物质年19533詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克提出了DNA双螺旋结构模型双螺旋结构DNA双螺旋结构碱基配对磷酸骨架DNA分子由两条反向平行的脱氧核苷酸链两条链之间通过碱基配对连接，遵循碱基两条链的骨架由交替排列的磷酸基和脱氧组成，以右手螺旋方式盘绕形成双螺旋结互补配对原则腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶核糖构成构（T）配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对的化学组成DNA脱氧核糖磷酸基一种五碳糖，是DNA骨架的一部连接脱氧核糖，形成DNA骨架分碱基腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C），携带遗传信息核苷酸的结构磷酸基团连接到脱氧核糖的5碳原子脱氧核糖一种五碳糖，是核苷酸的中心部分碱基连接到脱氧核糖的1碳原子，是核苷酸的遗传信息载体碱基配对原则腺嘌呤（）胸腺嘧啶（）鸟嘌呤（）A TG与胸腺嘧啶（T）配对与腺嘌呤（A）配对，与胞嘧啶（C）配对，，通过两个氢键连接通过两个氢键连接通过三个氢键连接胞嘧啶（）C与鸟嘌呤（G）配对，通过三个氢键连接复制过程DNA解旋引物合成DNA双螺旋结构在解旋酶的作用下解开引物酶以DNA为模板合成引物12延伸连接43DNA聚合酶以引物为起点，按照碱基配对连接酶连接片段，形成完整的DNA双链原则合成新的DNA链转录过程DNA起始1RNA聚合酶识别DNA模板上的启动子序列，结合并开始转录延伸2RNA聚合酶以DNA为模板，按照碱基配对原则合成RNA链，但此时胸腺嘧啶（T）被尿嘧啶（U）替代终止3RNA聚合酶遇到终止子序列，转录过程停止，释放出新合成的RNA链的类型和功能RNA信使（）转运（）核糖体（）RNA mRNARNA tRNARNA rRNA携带遗传信息从DNA到核糖体，指导蛋将氨基酸运送到核糖体，参与蛋白质合构成核糖体的主要成分，参与蛋白质合白质合成成成遗传密码子表密码子氨基酸AUG甲硫氨酸起始密码子UAA、UAG、UGA终止密码子UUU、UUC苯丙氨酸UUA、UUG亮氨酸CUU、CUC、CUA、CUG亮氨酸AUU、AUC、AUA异亮氨酸GUU、GUC、GUA、GUG缬氨酸蛋白质合成过程起始1核糖体与mRNA结合，起始密码子AUG招募第一个tRNA延伸2核糖体沿着mRNA移动，读取密码子，对应tRNA携带的氨基酸相互连接，形成肽链终止3核糖体遇到终止密码子，蛋白质合成停止，肽链从核糖体上释放基因的定义基因是DNA分子上具有特定遗基因决定生物体的性状，例如传信息的片段，是遗传的基本眼睛的颜色、身高、疾病易感单位性等每个基因都有特定的位置，称为基因座位基因的结构特征启动子RNA聚合酶结合的位点，启动基因转录编码区包含遗传密码子，指导蛋白质合成终止子RNA聚合酶转录停止的位点外显子与内含子外显子1基因中被转录并翻译成蛋白质的部分内含子2基因中被转录但不会被翻译成蛋白质的部分，在转录后被剪切掉基因表达调控翻译调控2控制mRNA的翻译效率转录调控1控制基因转录的启动、延伸和终止蛋白质降解控制蛋白质的降解速度3染色体的结构染色体着丝粒端粒是细胞核内由DNA和蛋白质组成的线状结染色体上连接两个染色单体的区域，是染染色体末端的特殊结构，可以保护染色体构，是遗传物质的载体色体在细胞分裂过程中附着纺锤丝的部位末端，防止其降解或融合染色体的类型常染色体除性染色体以外的染色体，通常成对存在，数量为22对性染色体决定生物体性别的染色体，通常只有一对，分为X染色体和Y染色体核型分析技术46染色体数目分析染色体数目是否正常，例如唐氏综合征患者有47条染色体2染色体结构分析染色体结构是否完整，例如部分染色体缺失或重复孟德尔遗传定律分离定律一对等位基因在配子形成时彼此分离，每个配子只携带一个等位基因自由组合定律不同对的等位基因在配子形成时彼此独立分配，配子可以随机组合不同的等位基因分离定律实例红色花白色花例如，豌豆植物的花色是由一对等位基因控制的红色花是显性性状，白色花是隐性性状当纯合红色花和纯合白色花杂交时，子一代（F1）全部表现为红色花子一代自交后，子二代（F2）中出现3:1的红色花与白色花的比例，体现了分离定律自由组合定律例如，豌豆植物的种子形状和颜色由两对等位基因控制圆形是显性性状，皱缩是隐性性状；黄色是显性性状，绿色是隐性性状当纯合圆形黄色种子和纯合皱缩绿色种子杂交时，子二代中出现9:3:3:1的性状比例，体现了自由组合定律连锁遗传现象连锁基因1位于同一染色体上的基因，在配子形成时往往一起遗传，称为连锁基因交换值2连锁基因之间发生交换的频率，称为交换值，交换值越小，连锁程度越大遗传图谱3根据交换值，可以构建基因在染色体上的排列顺序图，称为遗传图谱性连锁遗传位于性染色体上的基因，其遗X连锁遗传位于X染色体上的传方式称为性连锁遗传基因，其遗传方式与性别相关联，在男性中表现更为明显Y连锁遗传位于Y染色体上的基因，其遗传方式只与男性相关联，在女性中不会出现基因突变类型点突变染色体变异DNA序列中单个碱基的改变，例如替换、插入或缺失染色体结构或数目的改变，例如缺失、重复、倒位或易位点突变机制自发突变诱发突变1由于DNA复制错误或外界环境因素导由于物理、化学或生物因素导致的突变2致的突变染色体变异缺失染色体片段丢失重复染色体片段重复出现倒位染色体片段逆转易位染色体片段转移到另一条染色体上基因重组原理同源重组染色体之间通过交换片段而发生重组，是遗传变异的重要来源非同源重组染色体之间通过非同源的片段交换而发生重组，通常会导致染色体结构的异常遗传图谱构建根据连锁基因之间的交换值，可以构建遗传图谱，以展示基因在染色体上的相对位置技术原理PCR32步骤应用PCR技术通常包括三个步骤变性、退火和延伸，循环进行以指PCR技术广泛应用于基因诊断、遗传研究、法医鉴定等领域数级扩增目标DNA片段测序方法DNA桑格测序法基于链终止反应二代测序技术基于边合成边，根据终止反应产物的长度确测序原理，一次可测序大量定DNA序列DNA片段三代测序技术基于单分子测序原理，可以直接测序长片段DNA基因组测序技术全基因组测序外显子组测序目标区域测序测序整个基因组，可以获得完整的遗传只测序基因组中的外显子部分，可以获只测序特定的基因或区域，可以获得与信息得与蛋白质合成相关的遗传信息特定性状或疾病相关的遗传信息人类基因组计划年19901人类基因组计划正式启动，旨在绘制人类基因组图谱，解码人类基因组序列年20032人类基因组计划完成，获得了人类基因组的大部分序列信息至今3人类基因组研究不断深入，对人类健康、疾病、进化等方面产生重大影响基因组数据分析数据预处理变异检测功能分析对测序数据进行质量控制、拼接和注释分析基因组序列变异，包括单核苷酸多分析基因的表达水平、蛋白质结构和功态性（SNP）、插入缺失等能，以及基因之间的相互作用单基因遗传病由单个基因突变导致的疾病，通常表现为显性遗传或隐性遗传例如血友病、囊性纤维化、苯丙酮尿症等多基因遗传病多个基因环境因素1由多个基因共同作用导致的疾病，通常生活方式、饮食习惯、环境污染等因素2受环境因素的影响也可能影响多基因遗传病的发病例如高血压、糖尿病、心脏病、癌症等染色体异常疾病染色体数目异常例如唐氏综合征（21号染色体三体）、克莱因费尔特综合征（性染色体XXY）染色体结构异常例如猫叫综合征（5号染色体部分缺失）、脆性X染色体综合征（X染色体末端部分重复）遗传病诊断方法临床诊断实验室诊断根据患者的临床症状、家族史和体征进行诊断利用基因检测等技术，检测患者的基因型，以确定是否患有遗传病产前基因诊断羊水穿刺1从孕妇羊水中提取胎儿细胞进行基因检测，主要用于检测染色体异常绒毛取样2从孕妇绒毛膜组织中提取胎儿细胞进行基因检测，主要用于检测染色体异常和单基因遗传病无创产前基因检测3从孕妇血液中提取胎儿DNA进行基因检测，主要用于检测染色体异常基因治疗原理基因替换用正常基因替换患者的缺陷基因基因修饰修复或改变患者的缺陷基因基因增强增加正常基因的表达量基因编辑技术锌指核酸酶（ZFN）利用锌转录激活因子样效应物核酸酶指蛋白识别特定的DNA序列，（TALEN）利用TAL蛋白识并对其进行切割和修复别特定的DNA序列，并对其进行切割和修复成簇的规律间隔短回文重复序列（CRISPR）利用Cas9蛋白识别特定的DNA序列，并对其进行切割和修复技术应用CRISPR疾病治疗农业育种生物研究利用CRISPR技术治疗遗传病、癌症等疾利用CRISPR技术培育高产、抗病、抗虫利用CRISPR技术研究基因的功能和机制病等优良作物品种基因工程概述基因克隆基因表达将目的基因片段复制到载体中，将目的基因片段导入宿主细胞，并将其导入宿主细胞进行扩增使其在宿主细胞中表达基因改造对目的基因进行修饰或改变，以获得特定的功能转基因生物技术利用基因工程技术，将外源基因导入生物体，以改变其性状例如抗虫棉、抗除草剂大豆、高产水稻等克隆技术原理胚胎移植胚胎培养将胚胎移植到代孕母体内，使其发育成克核移植将重构胚胎在体外培养，使其发育成胚胎隆动物将供体细胞的核移植到去核的卵母细胞中，形成重构胚胎干细胞与基因表达干细胞1具有自我更新和多向分化能力的细胞基因表达2干细胞的基因表达模式决定其分化方向治疗潜力3干细胞具有治疗多种疾病的潜力，例如再生医学、疾病模型等表观遗传学简介表观遗传学是指不涉及DNA序列改变的遗传现象，可以影响基因的表达表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰等甲基化DNA甲基化去甲基化在DNA序列中添加甲基基团，可以抑制基因的表达去除DNA序列中的甲基基团，可以激活基因的表达组蛋白修饰乙酰化甲基化在组蛋白上添加乙酰基，可以促在组蛋白上添加甲基基团，可以进基因的表达抑制或促进基因的表达，取决于甲基化的位置和数量磷酸化在组蛋白上添加磷酸基团，可以影响基因的表达基因表达调控网络转录因子非编码RNA表观遗传修饰其他因素基因表达受到多种因素的调控，形成了复杂的基因表达调控网络，保证了基因表达的精细调控基因与进化基因突变是进化的基础，为生自然选择作用于基因型，淘汰物体的适应性进化提供了原材不利于生存的基因型，保留有料利于生存的基因型，导致生物体的进化基因重组和基因流动可以增加种群的遗传多样性，为进化提供更多可能性种群遗传学基础基因频率基因型频率遗传平衡指种群中某个基因在所有等位基因中所指种群中某个基因型在所有基因型中所当种群的基因频率和基因型频率代代相占的比例占的比例传，保持稳定状态，称为遗传平衡分子进化理论分子钟通过比较不同物种之间同源基因的序列差异，可以推断物种之间的进化关系和时间中性进化理论认为大多数基因突变是中性的，对生物体没有明显的影响，但可以通过遗传漂变等方式改变基因频率正选择理论认为一些基因突变是有利的，可以提高生物体的适应性，通过自然选择被保留下来基因组进化基因复制1基因可以通过复制产生新的基因，为进化提供更多可能性基因丢失2基因可以通过丢失，减少冗余，提高效率基因重排3基因可以通过重排，改变基因的位置和顺序，影响基因的表达和功能遗传多样性遗传多样性是指种群内个体之遗传多样性可以提高种群的抗间基因型的差异，是生物进化逆性，例如抵抗病虫害、适应的基础，也是生物适应环境变气候变化等化的能力保护遗传多样性对于维持生态平衡和可持续发展具有重要意义基因保护策略建立基因库保护野生种质收集和保存生物体的遗传物质，保护生物体的自然种群，维护其例如种子库、基因库等遗传多样性人工繁殖通过人工繁殖方式，扩大珍稀物种的数量，维护其遗传多样性伦理问题探讨基因隐私基因编辑转基因食品个人基因信息如何保护？基因信息是否是否允许对人类胚胎进行基因编辑？如转基因食品的安全性如何保障？如何平可以被用于歧视或不公平待遇？何规避可能带来的伦理风险？衡转基因技术发展与食品安全之间的关系？未来发展方向基因编辑技术将不断发展，应基因组学研究将更加深入，例用范围将更加广泛，例如治疗如绘制更完整的基因组图谱、遗传病、培育优良作物、开发研究基因调控网络、解析基因新药物等与疾病之间的关系等表观遗传学研究将更加重视，例如开发新的表观遗传修饰药物、治疗肿瘤、延缓衰老等本课程总结学习收获通过本课程的学习，我们对遗传学的基本原理、基因型解析技术、基因与生命的关系有了更深入的了解未来展望随着基因科学的不断发展，我们将会更加深刻地理解生命的奥秘，并利用基因技术造福人类。