[生物科学] 遗传学课件 Gene

遗传学基因的奥秘基因是生命的基本单位和遗传的物质基础，承载着从父母传递给后代的遗传信息从年孟德尔的豌豆实验开始，到现代分子生物学的蓬勃发展，人1866类对基因的认识经历了一个漫长而精彩的历程今天我们将深入探索基因的奥秘，了解这些微小分子如何决定生命的特征，以及它们在现代医学和生物技术中的重要应用本课程将带领大家从基因的基本概念出发，逐步深入到基因的结构、功能、表达调控，以及在疾病诊断和治疗中的应用我们还将探讨基因技术的最新进展和未来发展方向课程概述1基因的定义与发现历史从孟德尔的遗传因子到现代基因概念的演进，探索科学家们如何逐步揭示遗传的奥秘2基因结构与功能深入了解分子结构、基因组组织以及基因如何编码生命信息DNA3基因表达与调控学习从到蛋白质的信息流转过程，以及细胞如何精确调控基因表DNA达4基因突变与疾病了解基因突变的类型、机制及其与人类疾病的关系第一部分基因的基本概念遗传信息载体分子结构特点基因组关系中心法则作为遗传信息的与在结构上基因是基因组的功能单蛋白质DNA DNA RNA DNA→RNA→主要载体，存储着生物的差异决定了它们各自位，每个基因都有其特的信息流向是分子生物体所有的遗传指令的功能特点定的位置和作用学的核心原理基因的历史发展1年孟德尔豌豆实验1866格雷戈尔孟德尔通过豌豆杂交实验，首次提出了遗传因子的概·念，为现代遗传学奠定了基础他发现了遗传的分离定律和自由组合定律2年基因概念诞生1909丹麦植物学家约翰森正式提出基因这一术语，用来描述孟德尔提出的遗传因子，标志着现代基因概念的确立3年双螺旋发现1953DNA詹姆斯沃森和弗朗西斯克里克发现了的双螺旋结构，揭示··DNA了遗传信息存储和复制的分子机制，开启了分子生物学时代4年人类基因组计划完成2003历时年的国际合作项目完成了人类基因组序列的测定，为现代13基因组医学和个性化医疗奠定了基础基因的定义分子定义功能定义基因是具有特定遗传功能的基因是能够编码具有生物活片段，包含编码蛋白质性的蛋白质或功能性分DNA RNA或的核苷酸序列每个子的遗传单位这些产物执RNA基因都有明确的起始和终止行细胞的各种生命活动，从位点，以及调控其表达的相酶催化到结构支撑关序列数量特征人类基因组包含约个蛋白质编码基因，这个数量远少于20,000早期预测的万个不同生物体的基因数量差异巨大，从几百个10到数万个不等的分子结构DNA双螺旋结构碱基配对原则由两条反平行的多核苷酸链组成，呈右手双螺旋结构含有四种碱基腺嘌呤（）、胸腺嘧啶（）、鸟嘌DNA DNAA T每条链由磷酸基团、脱氧核糖和碱基组成的核苷酸连接而呤（）和胞嘧啶（）这些碱基遵循沃森克里克配对原G C-成螺旋的直径约为纳米，每圈包含个碱基对则与配对形成两个氢键，与配对形成三个氢键210A TG C这种精巧的结构不仅稳定地存储遗传信息，还为的复制这种互补配对确保了复制的准确性，也是技术和DNA DNAPCR和转录提供了模板双螺旋的大沟和小沟为蛋白质结合提供杂交技术的理论基础含量的高低还影响着的DNA GC DNA了特异性识别位点稳定性和熔解温度基因组的概念亿

301.5%23碱基对总数基因编码区比例染色体对数人类基因组包含约亿个碱基对，如果将蛋白质编码基因仅占整个基因组的很小比人类基因组分布在对染色体上，包括302322其拉直可达米长例，大部分为非编码区域对常染色体和对性染色体21染色体与基因常染色体基因染色体基因X对常染色体性连锁遗传22包含大部分人类基因，遵循孟德尔遗传含有约个基因，在男性中呈半合子100012定律，男女表达模式相同状态，容易表现隐性性状线粒体基因染色体基因Y43母系遗传男性特异性含有个基因，编码呼吸链相关蛋白含有约个基因，主要与男性性别决37200质，遵循母系遗传模式定和精子发生相关第二部分基因的结构与组成原核基因结构简单，无内含子真核基因复杂结构，含内含子基因家族同源基因集合假基因失活基因拷贝原核生物基因结构基本特征原核生物基因结构相对简单，没有内含子，编码序列连续不间断基因通常紧密排列，基因间隔区域较短，整个基因组利用效率很高操纵子结构相关功能的基因常常组织成操纵子，包括启动子、操作子、结构基因和终止子这种组织方式有利于协调调控相关基因的表达经典案例分析大肠杆菌乳糖操纵子是研究基因调控的经典模型，包含三个结构基因（、、），在乳糖存在时被激lacZ lacYlacA活表达，展示了负调控机制真核生物基因结构复杂调控区多重启动子和增强子1外显子内含子-2断续基因结构非翻译区3和调控5UTR3UTR基因间隔4广阔的间隔区域外显子与内含子外显子特征内含子功能外显子是基因中保留在成熟中的编码序列部分人类内含子虽然被剪切掉，但在基因调控中发挥重要作用内含mRNA基因平均含有个外显子，长度通常在个碱基对子含有增强子、沉默子等调控元件，影响基因转录效率内8-1050-200之间外显子序列在进化中相对保守，因为它们直接编码蛋含子的存在也为选择性剪接提供了基础，使一个基因能够产白质生多种蛋白质异构体外显子的数目和大小在不同基因中差异很大，最小的基因只研究表明，含有内含子的基因表达水平通常更高，这种现象有一个外显子，而最大的基因可能含有数百个外显子被称为内含子介导的基因表达增强效应启动子与增强子启动子区域增强子功能启动子是聚合酶结合的增强子可以远距离调控基因表RNA II序列，通常位于转录起达，不受方向和距离限制它DNA始位点上游核心启动子包含们通过环化与启动子相DNA盒、盒、盒互作用，显著提高转录效率TATA CAATGC等保守序列，这些元件与转录增强子的活性具有组织特异因子结合，精确定位转录起始性，是实现基因差异表达的重位点并调控转录效率要机制调控网络现代研究表明，一个基因可能受到多个增强子的调控，而一个增强子也可能影响多个基因这种复杂的调控网络确保了基因表达的精确性和细胞类型的多样性基因家族与假基因基因复制功能分化基因通过不等交换或转座产生复制，1复制基因在进化压力下获得新功能或形成基因家族的起点2特化功能进化创新假基因化4基因家族为生物体适应环境提供遗传部分基因拷贝失去功能，成为进化的3材料基础化石第三部分基因表达转录过程1信息转录为DNARNA转录后加工2的修饰和剪接RNA翻译过程3翻译为蛋白质mRNA翻译后修饰4蛋白质的成熟和功能化转录基本过程启动子识别聚合酶复合体识别并结合到启动子区域，转录因子首先结合RNA IITFIID盒，随后其他转录因子依次结合形成转录前起始复合体TATA解螺旋DNA聚合酶引起双链局部解螺旋，形成转录泡模板链暴露出来，为RNA DNA合成提供模板这个过程需要提供能量RNA ATP链延伸RNA聚合酶沿着模板链移动，按照碱基配对原则合成互补的链转录RNA RNA泡随着聚合酶移动，已合成的从聚合酶释放出来RNA转录终止当聚合酶遇到终止信号时，转录过程结束真核生物主要通过多聚信号和A切割多聚化信号实现转录终止/A真核生物转录调控核心启动子转录因子染色质修饰包含聚合酶结合序列特异性结合组蛋白修饰如甲基化、RNA IIDNA所需的基本元件，如蛋白，通过识别特定乙酰化改变染色质结盒、启动子下游序列调控基因转构，影响基因的可及性TATA DNA元件等，决定转录起始录，包括激活因子和抑和转录活性位点的精确定位制因子转录工厂细胞核中转录活跃的区域，多个基因的转录机器聚集，提高转录效率的加工mRNA1加帽5在的端添加甲基鸟苷酸帽子结构，保护免受mRNA57-mRNA外切核酸酶降解，并促进翻译起始这个过程发生在转录早5期2内含子剪接剪接体识别内含子边界序列，精确切除内含子并连接外显子选择性剪接允许一个基因产生多种异构体mRNA3多聚尾3A在的端添加约个腺苷酸残基，增强稳定性mRNA3200mRNA并促进翻译效率多聚尾长度影响的半衰期A mRNA遗传密码密码子特征数量功能三联体密码子种编码种氨基酸6420起始密码子种甲硫氨酸，翻译起1AUG始终止密码子种、、3UAG UAAUGA简并密码子种多个密码子编码同61一氨基酸翻译过程翻译终止翻译延伸当遇到终止密码子时，释放因子结合到位A翻译起始氨酰-tRNA结合到A位点，肽酰转移酶催化肽点，促进多肽链从tRNA释放核糖体亚基分小亚基核糖体结合mRNA的5帽结构，扫描键形成核糖体沿mRNA移动，tRNA从A位离，mRNA和新合成的蛋白质被释放，完成找到起始密码子AUG起始tRNA携带甲硫氨点转位到P位点再到E位点释放这个循环不一轮翻译过程酸结合到P位点，大亚基结合形成完整核糖断重复，多肽链逐渐延长体这个过程需要多种起始因子参与，确保翻译从正确位点开始蛋白质后修饰化学修饰蛋白质折叠磷酸化、糖基化、泛素化正确三维结构形成调节蛋白质活性、定位和稳定性12分子伴侣辅助折叠过程蛋白质降解亚细胞定位43泛素蛋白酶体途径信号肽介导的分选-调控蛋白质丰度和活性蛋白质运输到特定细胞器第四部分基因表达调控转录水平调控通过调节聚合酶活性和转录因子结合来控制基因转录效率，是RNA最主要的调控方式转录后调控包括剪接、编辑、调控等，在水平精RNA RNAmicroRNA mRNA细调节基因表达翻译水平调控通过调节翻译起始、延伸和终止过程，控制蛋白质合成的速度和效率表观遗传调控甲基化和组蛋白修饰等机制，在不改变序列的情况下调DNA DNA控基因表达原核生物基因调控乳糖操纵子色氨酸操纵子乳糖操纵子是负调控的经典例子在没有乳糖时，阻遏蛋白色氨酸操纵子展示了负反馈调控机制当色氨酸丰富时，色结合到操作子序列，阻止聚合酶转录当乳糖存在氨酸与阻遏蛋白结合形成活性复合体，结合到操作子LacI RNATrpR时，乳糖的代谢产物异乳糖结合到蛋白，使其从操作子阻止转录这种机制避免了不必要的色氨酸合成LacI解离，转录得以进行该操纵子还具有减毒调控机制，通过前导序列的转录翻译-同时，乳糖操纵子还受到正调控当葡萄糖浓度低时，偶联过程，根据色氨酸浓度调节转录终止，实现更精细的调水平升高，复合体结合到启动子附近，控cAMP CAP-cAMP增强聚合酶的结合和转录效率RNA真核生物转录调控组合调控多个转录因子协同作用1染色质修饰2组蛋白修饰调控基因活性增强子互作3远程调控元件相互作用甲基化DNA4表观遗传沉默机制干扰调控RNA发现microRNA1993年在线虫中首次发现microRNA，这类小分子RNA能够结合到目标mRNA的3非翻译区，抑制翻译或促进mRNA降解人类基因组编码超过2000种microRNA作用机制siRNA小干扰RNA通过RISC复合体与完全互补的目标mRNA结合，引起mRNA的精确切割和降解这种机制广泛应用于基因功能研究和治疗应用长链非编码RNA长度超过200个核苷酸的非编码RNA，通过多种机制调控基因表达，包括染色质修饰、转录调控和mRNA稳定性调控技术应用RNA干扰技术在基因功能研究、药物开发和基因治疗中发挥重要作用，为精准医学提供了新的工具和策略表观遗传调控甲基化组蛋白修饰染色质重塑DNA胞嘧啶的甲基化包括甲基化、乙酰依赖性染色质5-ATP修饰，主要发生在化、磷酸化等多种重塑复合体改变核岛，与基因沉修饰，形成组蛋小体位置和结构，CpG默相关，在基因印白密码，精确调调节转录因子对记和染色体失活控染色质结构和基的可及性X DNA中发挥关键作用因表达状态非编码RNA长链非编码通RNA过招募染色质修饰酶，介导基因位点特异性的表观遗传修饰基因表达的时空特异性发育调控组织特异性在胚胎发育过程中，不同基不同组织具有独特的基因表因在特定时间和空间表达，达谱，反映其特化功能肝形成复杂的基因表达级联脏高表达代谢酶基因，肌肉主调节基因如基因家族富含收缩蛋白基因，神经组Hox控制身体轴向模式，而信号织特异表达神经传导相关基分子如、调因组织特异性转录因子是Wnt Hedgehog控细胞命运决定实现这种差异表达的关键环境响应基因表达受到环境因素如温度、光照、营养状况的调控应激反应基因在不良环境下快速激活，而代谢基因根据营养状况调整表达水平，体现了生物体的适应性第五部分基因突变突变产生突变检测复制错误、环境诱变因素或内源通过分子生物学技术识别和分析突变DNA性损伤导致基因序列改变类型及其位置疾病关联功能影响特定突变与遗传性疾病、癌症等疾病突变改变蛋白质结构和功能，可能导密切相关致疾病表型基因突变的类型突变类型特征对蛋白质的影响点突变单个碱基改变错义、无义或同义突变插入突变额外碱基插入可能导致框移缺失突变碱基缺失可能导致框移重复突变序列重复扩增蛋白质异常聚集倒位突变片段颠倒基因功能破坏DNA突变产生的分子机制内源性因素外源性因素复制过程中的聚合酶错误是突变的主要来源尽管紫外线照射引起胸腺嘧啶二聚体形成，电离辐射造成双DNA DNA聚合酶具有外切酶活性进行校对，但仍有约链断裂化学诱变剂如亚硝酸、烷化剂能够直接修饰碱DNA3-510^-DNA的错误率细胞代谢产生的活性氧也会攻击碱基，造基或与共价结合10DNA DNA成氧化损伤环境污染物、吸烟产生的致癌物质都能够增加突变率转座胞嘧啶的自发脱氨基作用会产生尿嘧啶，如果不及时修复会元件的活动也可能在插入位点引起基因突变或重排，这在某导致转换突变复制过程中的滑链错配可能导致些癌症中起重要作用C→T DNA微卫星不稳定性损伤与修复机制DNA碱基切除修复核苷酸切除修复错配修复双链断裂修复修复单个碱基损伤修复大型损伤纠正复制错误修复严重损伤DNA DNA突变率与突变热点倍10^-85人类突变率热点CpG每个碱基位点每代的突变概率，相当二核苷酸的突变率比其他位点高CpG于每个基因组每代约个新突变倍，因胞嘧啶甲基化后易脱氨100570%转换突变比例嘌呤与嘌呤或嘧啶与嘧啶之间的转换突变占所有点突变的70%体细胞突变与生殖细胞突变体细胞突变生殖细胞突变发生在体细胞中的突变不会传递给后代，但可能在个体内传发生在生殖细胞中的突变可以传递给后代，是遗传性疾病的播形成突变细胞克隆癌症就是典型的体细胞突变累积结根源父源突变率通常比母源突变率高，且随父亲年龄增长果，肿瘤细胞获得增殖优势并逃避细胞死亡机制而增加，这与精子发生过程中的多次细胞分裂有关体细胞突变率随年龄增长而增加，这与修复能力下降和某些基因如、在生殖细胞中有较高的新发突变率，DNA NF1DMD氧化损伤累积有关某些组织如造血系统和肠道上皮更容易导致这些基因相关疾病的高发病率产前诊断技术的发展为发生体细胞突变检测生殖细胞突变提供了重要手段单基因遗传病常染色体显性常染色体隐性遗传风险遗传风险50%25%12如亨廷顿病、马凡综合征，每代都有如囊性纤维化、苯丙酮尿症，父母通患者，男女患病率相等常正常，近亲婚配风险高线粒体遗传连锁遗传X母系遗传连锁模式X43如遗传性视神经病变，只通过如血友病、色盲，主要影响男性，母Leber母亲传递亲传递给儿子遗传病案例分析囊性纤维化镰刀型贫血症由基因突变引起的常染色基因第个密码子CFTR HBB6体隐性遗传病蛋白是氯点突变，导致珠蛋CFTR GAG→GTGβ离子通道，突变导致氯离子转运白第位谷氨酸被缬氨酸替代6异常，引起肺部和消化系统粘液异常血红蛋白在低氧条件下HbS异常粘稠最常见的突变是聚合，使红细胞变形为镰刀状，缺失突变，占所有突变的容易破裂并阻塞血管ΔF50870%亨廷顿舞蹈症基因三核苷酸重复扩增超过次引起的显性遗传病异常HTT CAG36蛋白在神经元中聚集，导致基底神经节退化发病年龄与huntingtin重复次数呈负相关，体现了动态突变的特征CAG第六部分基因诊断与治疗基因检测技术发展从传统的杂交到现代的高通量测序，基因检测技术经历了革命Southern性发展检测精度不断提高，成本大幅下降，检测速度显著加快，使基因诊断从实验室走向临床应用产前基因诊断应用无创产前检测技术通过分析母血中的胎儿游离，能够筛查常见DNA的染色体异常羊膜腔穿刺和绒毛活检可进行确诊性检测，为遗传咨询和生育决策提供科学依据基因治疗策略创新基因治疗从概念到临床应用取得重大进展载体技术改进、基因编辑工具完善，以及安全性评估体系建立，为多种遗传性疾病和获得性疾病的治疗开辟了新途径基因检测技术1技术PCR1983年发明的聚合酶链反应技术，能够在体外快速扩增特定DNA片段实时荧光PCR技术使定量检测成为可能，广泛应用于病原体检测、基因表达分析和遗传病诊断2测序技术DNA从Sanger测序到新一代测序技术的发展，使全基因组测序成本从30亿美元降至1000美元以下第三代测序技术能够进行长读长测序，解决复杂基因组区域的测序难题3基因芯片技术基因芯片能够同时检测数万个基因的表达变化或SNP多态性在药物基因组学、肿瘤分子分型和个性化医疗中发挥重要作用，为精准医学提供技术支撑4检测技术CRISPR基于CRISPR-Cas系统的检测技术具有高特异性和敏感性，能够快速检测病原体和遗传变异CRISPR诊断技术在新冠疫情中得到广泛应用，展现了巨大潜力聚合酶链反应（）PCR变性阶段退火阶段高温使双链解离，模板链95°CDNA温度下引物与模板链特异性50-65°C分离为单链状态，为引物结合提供条结合，退火温度决定的特异性PCR件延伸阶段循环扩增下聚合酶从引物端72°C TaqDNA3经过个循环，片段呈指数25-35DNA开始合成新的链，完成一轮扩增DNA级扩增，理论上可达到倍以上10^6测序技术DNA测序法Sanger基于DNA聚合酶链终止原理的经典测序方法，使用荧光标记的双脱氧核苷酸作为链终止剂虽然通量有限，但准确率高达

99.9%，仍是小片段测序的金标准第二代测序包括Illumina、

454、SOLiD等平台，通过大规模并行测序大幅提高通量边合成边测序的原理使单次运行可产生数TB数据，为基因组学研究提供了强大工具第三代测序PacBio和Oxford Nanopore等技术实现长读长单分子测序，能够跨越重复序列和结构变异区域实时测序能力为快速诊断和个性化医疗开辟新途径成本革命测序成本从人类基因组计划的30亿美元降至目前的1000美元，降幅超过100万倍这一成本革命使基因组测序从科研工具转变为临床诊断手段基因治疗策略基因替代基因修复基因编辑向细胞导入正常功能通过同源重组精确修使用等工具CRISPR基因拷贝，补偿缺陷复致病突变，恢复基在基因组特定位点进基因功能，适用于隐因正常功能，是最理行精确修饰，包括敲性遗传病治疗想的治疗方式除、插入或替换基因沉默利用干扰或反义RNA技术抑制致病基因表达，适用于显性遗传病治疗技术CRISPR-Cas9技术原理临床应用源于细菌的适应性免疫系统，由向导技术已在多种疾病治疗中显示潜力疗法CRISPR-Cas9RNA CRISPRCTX001（）和核酸酶组成通过碱基配对识别目通过编辑造血干细胞治疗镰刀型贫血症和地中海贫血，gRNA Cas9gRNAβ标序列，在序列上游个碱基处切割双通过体内编辑治疗遗传性转甲状腺素蛋白淀粉DNA Cas9PAM3DNA NTLA-2001链，产生平端断裂样变性病细胞的修复机制会修复断裂，可能发生非同源末端连接在癌症治疗中，细胞疗法结合编辑增强治疗DNA CAR-T CRISPR（）导致小的插入缺失，或同源定向修复（）实效果眼科疾病如先天性黑蒙症的体内基因编辑治疗NHEJ HDRLeber现精确编辑也进入临床试验阶段基因治疗的伦理考量生殖系编辑争议生殖系基因编辑会将遗传改变传递给后代，存在不可预测的风险国际科学界普遍认为当前技术和伦理框架尚不足以支持临床应用治疗与增强界限治疗严重疾病与增强正常功能之间的界限模糊社会需要建立共识，确定哪些干预是医学上必要的，哪些属于非医学增强知识产权问题基因序列、基因编辑工具和基因治疗产品的专利保护涉及复杂的伦理和法律问题，需要平衡创新激励与医疗可及性国际监管框架各国对基因编辑的监管政策存在差异，需要国际协调建立统一的伦理标准和安全评估体系，防止监管套利现象第七部分基因与生物技术合成生物学设计人工生物系统1基因组编辑2精确修饰基因组转基因技术3跨物种基因转移基因克隆4基因工程基础技术。