实用癫痫基因临床手册

第1章临床遗传学的基本理论 **节　遗传学基础知识 一、人类基因组 人类基因组是指人体细胞内全部脱氧核糖核酸（DNA）序列，包含人的所有遗传信息，由核基因组（nuclear genome）和线粒体基因组（mitochondrial genome）组成。核基因组位于细胞核中，以染色体的形式存在，由 DNA和蛋白质构成，包括 22对常染色体及1对性染色体（X、Y染色体），有30多亿个碱基对。每个细胞有 1000～ 10 000个线粒体，线粒体基因组就位于这些线粒体中。每个线粒体有 2～ 10组线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA），每个环状mtDNA包含16 569个碱基对，以闭环双链 DNA的形式存在。 二、DNA的结构与特征 在20世纪早期，人们已经知道染色体决定遗传性状，在构成染色体的 DNA和蛋白质两种物质中，当时人们倾向于染色体的蛋白质是遗传物质。 1944年，Avery、Macleod等科学家通过肺炎球菌转化试验证实：真正的遗传物质并非蛋白质，而是 DNA。1953年，Watson和Crick通过对DNA分子X射线晶体衍射数据的分析，提出 DNA分子的双螺旋结构模型。 核基因组DNA是两条多核苷酸链平行反向缠绕形成的双螺旋结构（图 1-1），其基本组成单位是脱氧核苷酸。每个核苷酸由脱氧核糖、磷酸基团和含氮碱基组成。碱基分为两种：一种为嘌呤，包括腺嘌呤（adenine，A）和鸟嘌呤（guanine，G）；另一种是嘧啶，包括胞嘧啶（cytosine，C）和胸腺嘧啶（thymine，T）。双螺旋的两条链之间通过氢键相连接，其中 A与T形成两个氢键、 C与G形成3个氢键。 DNA双螺旋的两条链是反向平行，其中一条链是5′到3′方向，另一条链是3′到5′方向。 线粒体基因组DNA的结构是裸露的闭合环状双链（图 1-2），根据其转录产物密度的不同分为重链（H链，heavy chain）和轻链（L链，light chain），外环的H链富含鸟嘌呤G，内环的L链富含胞嘧啶C。 DNA分子结构的重要生物学意义主要体现在以下几方面。 1. DNA分子的碱基序列储存了大量的遗传信息。在 DNA链上， 3个相邻碱基构成遗传密码的单位；4种碱基可以组成43 ＝ 64个遗传密码，人类的全部遗传信息就是以碱基的不同排列顺序蕴藏在全部DNA序列中。 2. DNA分子的双螺旋碱基互补结构是DNA复制和修复的基础。DNA双链中的每条链都可作为合成一条新链的模板，当DNA分子受损修复时，在DNA修复酶的作用下，以互补链为模板，按碱基互补配对原则进行修复，可以替换受损的碱基。DNA分子的双链互补性是分子杂交技术的基础，单链DNA可以通过碱基互补配对从复杂的DNA混合物中找到其互补链。DNA印迹法、RNA印迹法、聚合酶链式反应技术、DNA芯片技术及DNA测序技术等，都是依据碱基互补配对的原理，从而实现分子识别。 3. DNA双螺旋结构中的大沟是DNA与蛋 白质互相作用的结构基础。两条多核苷酸链互相缠绕的双螺旋包含了大沟和小沟结构，基因 转录时DNA与转录因子的相互作用就是转录因子的基序（motif）与大沟的DNA相结合而发挥作用。 三、基因表达与调控 1.基因结构的基本组成　真核生物的基因基本结构包含编码区与非编码区，真核生物的基因外显子编码区是不连续的，被非编码序列内含子区所间隔；与真核生物不同，原核生物大多存在连续的编码区且基因重复序列很少，无内含子区间隔。人类的编码基因主要由外显子、内含子和侧翼序列组成（图1-3）。 （1）外显子与内含子：外显子（exon）是指基因内的能编码蛋白质的序列区域，内含子（intron）主要是指基因内的非编码序列。内含子会在DNA转录为成熟的信使核糖核酸（mRNA）过程中被剪切掉，因此成熟mRNA中没有内含子序列。在真核生物的基因中，每个外显子与内含子的连接处都有一个高度保守的共有序列，为剪接识别信号，即每个内含子5′端的两个核苷酸都是GT，3′端的两个核苷酸都是AG，这种连接方式又称为GT-AG法则，是真核生物基因表达时剪切内含子和拼接外显子的共有机制。基因一般由若干个外显子和内含子间隔组成，不同基因的外显子和内含子的长度差异很大。 （2）侧翼序列：每个结构基因的5′端和3′端两侧都有一段不转录的DNA序列，这些序列不会被转录和翻译，然而对基因的转录及表达具有重要的调控作用，称为侧翼序列（flanking sequence），包括5′端启动子、增强子、3′端终止子等。一个基因不仅受近端侧翼序列的调控，还受一些远端调控序列的调控。 2.基因表达　基因的功能是通过基因表达来实现的。基因表达（gene expression）是指蕴含在基因DNA序列中的遗传信息通过转录（transcription）生成mRNA，再通过翻译（translation）*终生成蛋白质的过程。 遗传信息的传递遵循中心法则（central dogma）：遗传信息从DNA传递给DNA，即为DNA复制的过程；DNA遗传信息经转录过程传递到RNA，经RNA翻译过程传递给蛋白质，即经过包括DNA复制、RNA转录和蛋白质翻译，从而来完成遗传信息的高效传递。然而，某些病毒的RNA可以自我复制，即遗传信息可以从RNA传递给RNA；某些病毒还可以以RNA为模板反转录（reverse transcription）成DNA，即遗传信息从RNA传递给DNA，这些都是对中心法则的补充（图1-4）。 图1-4　中心法则 （1）复制：DNA复制是DNA合成的过程，即以原有DNA为模板合成新的相同DNA分子，亲代DNA通过复制把储存的遗传信息随着细胞的分裂传递给子代或子细胞，在保持物种的延续及遗传的稳定性方面发挥着重要作用。DNA复制可从多个位置开始，每一个位置称为一个复制单元或复制子（replicon），复制子在复制起始后双向同时展开，在两侧形成复制叉（replication fork），相邻复制叉逐渐汇合相连，复制终止。 ①半保留复制：复制过程中，DNA双链被解旋酶分为两条单链，每一条DNA单链为模板指导合成一条互补链，形成两个子代DNA双链。每个子代DNA双链的其中一条来自模板亲代DNA的一条链，另一条为子代新合成的DNA互补链，整个复制过程即为DNA的半保留复制。 ②半不连续复制：复制过程中，复制叉的其中一条新链是以3′-5′DNA链为模板，按照5′—3′方向连续复制，速度较快，复制完成较早，称为先导链；另一条新链是以5′-3′链为模板，无法按照3′—5′方向连续复制，需先合成100 ～ 1000bp 的DNA片段，称为冈崎片段（Okazaki fragment），DNA连接酶将这些冈崎片段连接起来，形成完整单链，复制较晚，称为后随链。前导链是连续复制，后随链是不连续复制，因此DNA复制是半不连续的。 （2）转录：转录是基因在启动子和调控序列与转录因子的相互作用下，以DNA的其中一条链为模板，以ATP、CTP、GTP、UTP为原料，按照DNA转录过程中碱基互补配对规则，在RNA聚合酶的作用下转录合成RNA单链的过程。原始RNA需要经过剪接、加帽和加尾的加工过程才可成为合成多肽链的模板。 ①剪接（splicing）：原始mRNA转录的产物又称为核内异质RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA），由基因的外显子和内含子转录生成。剪接是在酶的作用下，将hnRNA中的非编码内含子序列切除，外显子按照顺序拼接起来的过程。 ②加帽（capping）：mRNA在转录过程中会在5′端进行甲基化，这个过程被形象地称为“加帽”。加帽会封闭mRNA的5′ 端，增强mRNA的稳定性。 ③加尾（tailing）：在加帽的同时，mRNA的3′端会在腺苷酸聚合酶的催化下，经过多聚腺苷酸化过程在尾部加上约200个腺苷酸，形成多聚腺苷酸（poly A）尾，所以被称为“加尾”。加尾可以促进mRNA向细胞质转运，避免被核酸酶降解，从而增强mRNA的稳定性，并帮助细胞质的核糖体识别mRNA。 （3）翻译：翻译是指mRNA将转录的遗传信息转译为多肽链的氨基酸序列，*终生成蛋白质的过程。通常成熟的mRNA中间序列被翻译为氨基酸，其中5′端加帽序列和3′端加尾序列不被翻译，称为5′端非翻译区（5′-untranslated region，5′-UTR）和3′-端非翻译区（3′-untranslated region，3′-UTR）。 翻译是在mRNA、转移核糖核酸（tRNA）和核糖体三者的协同下合成多肽链的过程（图1-5）。核糖体是核糖体RNA（rRNA）和蛋白质组成的复合物，由60S大亚基和40S小亚基构成。 40S小亚基识别mRNA5′端的加帽序列， 60S大亚基结合40S小亚基， mRNA链横穿于大、小亚基之间。各种 tRNA携带特异的氨基酸， tRNA上的反密码子根据碱基互补配对识别mRNA上的密码子，精确地将末端携带的氨基酸添加到不断延长的多肽链上，直至识别到终止密码子（UAA、UAG和UGA），多肽链从核糖体上脱落，合成终止。 图1-5　翻译 3.基因突变　生物体的基因组既要维持遗传学的相对稳定，也要有所变化。基因突变（gene mutation）是指在DNA分子水平上的遗传物质发生改变。自然界中， DNA受到物理、化学或生物学因素的作用发生损伤，修复过程中出现错误可导致自发突变。人为干涉引起的基因突变称为诱发突变（induced mutation）。突变可发生于生殖细胞中，可传递给后代，称为种系突变（germinal mutation）；突变可发生于体细胞中，称为体细胞突变（somatic mutation）。 突变既包括发生在细胞水平上的染色体数目、组成及结构异常，即染色体畸变（chromosome aberration），也包括发生在分子水平上的碱基对组成及序列的变化。突变可以发生在编码序列，也可以发生在启动子、内含子和剪切位点等非编码序列。 （1）点突变：点突变（point mutation）是 DNA单个碱基或碱基对的改变，是*常见的突变。包括两种类型：一种是不同嘌呤间或嘧啶间的相互置换，称为转换 （transition）；另一种是嘌呤与嘧啶之间的相互置换，称为颠换（transversion）。如果碱基替换发生在非编码的内含子区，一般不会产生异常效应；如果碱基替换突变发生于基因转录调控区（如 UTR区），可能会引起基因表达的异常改变；如果突变发生在基因的外显子的编码区，则可能造成转录和翻译，形成不正常的蛋白质产物，影响正常的生命活动过程。点突变又分为以下几种类型。 ①同义突变（synonymous mutation）：由于遗传密码子存在简并性，碱基变化后的密码子虽然发生变化，但是其编码的氨基酸并没有变化。 ②错义突变（missense mutation）：由于碱基突变，原本编码某个氨基酸的密码子变为编码另一个氨基酸的密码子，从而导致原来编码多肽链的氨基酸序列发生变化，从而影响蛋白质的功能。 ③无义突变（nonsense mutation）：碱基变化使得原来编码某个氨基酸的密码子变成不编码任何氨基酸的终止密码子（UAG、UAA和UGA），使得多肽链的合成提前终止，肽链长度变短而成为截短蛋白质。 ④终止密码子突变：终止密码子碱基突变为能继续编码某一个氨基酸的密码子碱基，从而使原来的蛋白质多肽链无法正常终止编码，导致蛋白质多肽合成继续编码下去，直至遇到下一个终止密码子为止，突变后造成了蛋白质多肽的延长。 （2）碱基的插入或缺失：编码序列中插入（inse