医学遗传学辅导教案山东大学医学院遗传学系.docx
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医学遗传学辅导教案山东大学医学院遗传学系
第一章绪论
●教学大纲要求
1、掌握医学遗传学概念及其研究对象
2、掌握遗传病概念及分类
3、了解医学遗传学发展概况
4、了解人类基因组计划及其医学意义
●重点、难点介绍
一、医学遗传学概述
医学遗传学（medicalgenetics）是运用遗传学的原理和方法研究人类遗传性疾病的病因、病理、诊断、预防和治疗的一门学科，是遗传学的一个重要分支。
医学遗传学的研究对象是遗传病，与其它临床学科类似，医学遗传学是研究遗传病的诊断、发病机理、防治及预后，但由于遗传病的特殊性，其研究重点主要在发病机理和预防措施。
本课程主要介绍医学遗传学的三个主干分支（医学分子遗传学、医学细胞遗传学和医学群体遗传学）的原理和应用。
二、遗传病概念及分类
（一）遗传病概念及其特征
1.遗传病概念：
遗传病（geneticdiseases）是由于遗传物质改变而导致的疾病。
遗传物质是存在于细胞内的、决定特定性状的基因。
2．遗传病的特征：
1）在有血缘关系的个体间，由于遗传继承，有一定的发病比例；在无血缘关系的个体间，尽管属于同一家庭，但无发病者；
2）有特定的发病年龄和病程；
3）同卵双生发病一致率远高于异卵双生。
（二）遗传病与下列疾病的关系：
1.先天性疾病（congenitaldiseases）：
出生前即已形成的畸形或疾病。
先天性疾病可以是遗传病，例如先天愚型是由于染色体异常引起的，出生时即可检测到临床症状，是先天性疾病；但先天性疾病又不都是遗传病，有些先天性疾病是由于孕妇在孕期受到外界致畸因素的作用而导致胚胎发育异常，但并没有引起遗传物质的改变，因而不是遗传病。
2．后天性疾病（acquireddiseases）：
出生后逐渐形成的疾病。
后天性疾病也可以是遗传病，有些遗传病患者尽管在受精卵形成时就得到了异常的遗传物质，但要到一定年龄才表现出临床症状，如假性肥大型肌营养不良症患者通常要到4-5岁才出现临床症状。
因此，先天性疾病不一定都是遗传病，后天性疾病不一定不是遗传病。
3．家族性疾病（familialdiseases）：
表现出家族聚集现象的疾病，即在一个家庭中出现一个以上患者。
由于遗传病的遗传性，通常能观察到家族聚集现象；但家族性疾病并不都是遗传病，因为同一家庭成员生活环境相同，因此，可以因为相同环境因素的影响而患相同疾病。
如由于缺碘引起的甲状腺功能低下。
4．散发性疾病（sporadicdiseases）：
无家族聚集性的疾病，即在家系中只出现一名患者。
尽管遗传病具有遗传性，但由于特定遗传病在子代当中有一定的发病比例，加之遗传病患者可以是由于新发生的遗传物质改变所致，所以遗传病也可以是散发性疾病。
因此，家族性疾病不一定都是遗传病，散发性疾病不一定不是遗传病。
（三）遗传病分类：
经典医学遗传学将遗传病分为染色体病、单基因病和多基因病三大类。
现代医学遗传学将遗传病分为染色体病、单基因病、多基因病、线粒体遗传病和体细胞遗传病5类。
1·染色体病（chromosomaldisorders）：
由于染色体数目或结构异常所引起的疾病，如先天愚型。
2·单基因病（singlegenedisorders）：
由于单个基因突变所引起的疾病。
这类疾病的遗传符合Mendel遗传规律。
单基因病又可根据致病基因所在的染色体及致病基因的性质分为：
1）常染色体显性遗传病（autosomaldominantdiseases，AD）：
致病基因位于常染色体上，致病基因为显性基因；
2）常染色体隐性遗传病（autosomalrecessivediseases，AR）：
致病基因位于常染色体上，致病基因为隐性基因；
3）X-连锁显性遗传病（X-linkeddominantdisorders，XD）：
致病基因位于X染色体上，致病基因为显性基因；
4）X-连锁隐性遗传病（X-linkedrecessivedisorders，XR）：
致病基因位于X染色体上，致病基因为隐性基因；
5）Y连锁遗传病（Y-linkeddiseases）：
致病基因位于Y染色体上。
3·多基因遗传病（polygenicdiseases）：
由多个微效基因与环境因素共同作用所引起的疾病。
4·线粒体遗传病（mitochondrialdiseases）：
由于线粒体基因突变所引起的疾病，呈母系传递。
5·体细胞遗传病（somaticcellgeneticdisorders）：
由于体细胞遗传物质改变所引起的疾病。
第二章人类染色体
●教学大纲要求
1、掌握人类染色质的组成和结构
2、掌握人类染色质与染色体的对应关系
3、掌握细胞分裂中的染色体行为
4、掌握人类染色体的结构和分组
5、掌握人类染色体带型概念及命名原则
6、掌握G、Q和R带型的特点及其临床应用，了解其它带型的特点及临床应用
7、了解人类染色体多态及其应用
●重点、难点介绍
一、人类染色质的组成及结构
（一）染色质的概念：
细胞核内能被碱性染料染色的物质，称为染色质（chromatin）。
染色质可以分为常染色质（euchromatin）和异染色质（heterochromatin）两大类：
常染色质呈较松散状态，它们均匀地分布在整个细胞核内，染色较浅，具有转录活性；异染色质在整个细胞周期都处于高度螺旋化状态，在细胞核中形成染色较深的团块，存在于异染色质中的基因是没有转录活性的。
在人类有两类异染色质，一类是兼性异染色质（facultativeheterochromatin），另一类为结构异染色质（constitutiveheterochromatin）。
兼性异染色质又称功能性异染色质，在特定细胞或在特定发育阶段呈凝缩状态而失去功能，在另一发育阶段时又呈松散状态而恢复功能，如X染色质。
结构异染色质总是呈凝缩状态，所含DNA一般为高度重复序列，没有转录活性，常见于着丝粒、端粒区、Y染色体长臂远端2/3区段和次缢痕区等。
（二）染色质组成：
染色质由DNA、组蛋白（histone）、非组蛋白和少量RNA组成。
DNA与组蛋白的重量比比较稳定，接近于1∶1，非组蛋白的种类及含量随不同细胞而异。
组蛋白为碱性蛋白，含有大量的碱性氨基酸。
组成人类染色质的组蛋白共有5种，分别称为H1、H2A、H2B、H3和H4，它们在进化中高度保守。
组蛋白的功能与染色质的结构构成有关。
（三）染色质结构：
染色质是间期核中遗传物质的存在形式，由许多重复的结构单位组成，这些结构单位称为核小体（nucleosome）。
核小体是由一条DNA双链分子串联起来，形似一串念珠。
每个核小体分为核心部和连接区二部分。
核心部是由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各二个分子形成的组蛋白八聚体及围绕在八聚体周围的DNA组成，这段DNA约146bp，绕八聚体外围1.75圈。
两个核心部之间的DNA链称为连接区。
这段DNA的长度变异较大，组蛋白H1位于连接区DNA表面。
（四）核小体包装成染色质与染色体
由直径为2nm的双链DNA分子形成直径为10nm核小体细丝后，DNA的长度已压缩了7倍。
核小体进一步螺旋化，形成外径为30nm的染色质纤维（螺线管），其长度为DNA的1/42。
当细胞进入分裂期，染色质进一步螺旋折叠，形成染色体。
中期染色体长度约为DNA长度的10-5。
二、细胞分裂过程中的染色体行为
（一）有丝分裂（mitosis）：
有丝分裂是体细胞增殖方式，分为间期和分裂期，分裂期又分为前、中、后和末四个时期。
在细胞周期中染色体发生一系列变化：
在间期，DNA进行复制，进入分裂期染色质螺旋折叠形成染色体，在中期染色体由两条姊妹染色单体构成，两条姊妹染色单体以着丝粒相连；进入分裂后期，每条染色体的着丝粒纵裂，染色单体分开，分别移向两极。
因此，经过一次有丝分裂过程，DNA复制一次，细胞分裂一次，染色体也分裂一次，并平均分配到两个子细胞中。
这样保证了新的子细胞具有与母细胞相同的全套遗传物质，从而保证了所有细胞的染色体数目恒定。
（二）减数分裂（meiosis）：
是生殖细胞发生过程中的一种特殊分裂方式，DNA复制一次，细胞连续分裂两次，因此，由一个细胞形成4个子细胞，子细胞的遗传物质是母细胞的一半。
减数分裂由两次连续分裂构成：
1、减数分裂I：
在第一次减数分裂的间期，DNA进行复制；第一次减数分裂前期非常复杂，分细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期。
在偶线期同源染色体进行配对，同源染色体配对的结果，每对染色体形成一个紧密相伴的二价体，在人类细胞中形成23个二价体；每个二价体都是由两条同源染色体组成，每一同源染色体含两条复制而来的姐妹染色单体，两条姐妹染色单体由着丝粒相连。
这样，每个二价体由四条染色单体组成，称为四分体。
在粗线期，同源染色体间的非姐妹染色单体发生片段交换（crossing-over）；在第一次减数分裂后期，二价体中的两条同源染色体彼此分开，分别向两极移动。
每一极只获得每对同源染色体的一条。
每条同源染色体由两条姐妹染色单体组成。
2、减数分裂II：
间期很短，不进行DNA复制，在第二次减数分裂中期，着丝粒纵裂，两条姊妹染色单体分开，分别移向细胞两极。
三、细胞分裂中期染色体形态结构及分类：
中期染色体由两条姊妹染色单体组成，两条姊妹染色单体通过着丝粒相连，着丝粒处凹陷缩窄，因此也称为主缢痕（primaryconstriction）。
着丝粒将染色体分为上、下两部分，上部分称为短臂（shortarm，p），下部分称为长臂（longarm，q）。
根据着丝粒位置，人类中期染色体可分为三种类型：
中央着丝粒染色体（metacentricchromosome）的着丝粒位于染色体中部，染色体长臂和短臂长度相等或近似相等；亚中着丝粒染色体（submetacentricchromosome）着丝粒偏向一端，染色体两臂不等，短臂短于长臂；近端着丝粒染色体（acrocentricchromosome）的着丝粒靠近染色体的一端。
在有些中期染色体的长、短臂上可见凹陷缩窄区，称为次缢痕（secondaryconstriction）；人类近端着丝粒染色体的短臂末端可见球状结构，称为随体（satellite）。
随体柄部为缩窄的次缢痕，与核仁形成有关，称为核仁形成区。
中期分裂细胞中含有46条染色体，可构成23对，1-22对为男女共有，称为常染色体（autosomes）；另一对则男女不同，女性为两条X染色体，男性为一条X染色体和一条Y染色体，X和Y染色体称为性染色体（sexchromosomes）。
四、人类染色体核型和组型：
（一）染色体核型（karyotype）
1、概念：
是一个细胞内的全部染色体按其大小和形态特征排列所构成的图像。
对这种图像进行分析称为核型分析。
2、核型描述：
按国际标准，正常核型的描述包括两部分：
第一部分为染色体总数，第二部分为性染色体组成，两者之间用“，”隔开。
如正常男性的核型为46，XY。
异常核型的描述除包括以上两部分外，还包括畸变情况，也是用“，”与前面部分隔开。
（二）人类染色体分组：
根据着丝粒位置和染色体大小，将22对常染色体由大到小依次命名为1至22号，并将人类染色体分为7组，分别用大写字母A-G表示。
A组：
包括1-3号染色体，1号和3号为中央着丝粒染色体，2号为亚中着丝粒染色体；
B组：
包括4-5号染色体，均为亚中着丝粒染色体；
C组：
包括6-12号和X染色体，均为亚中着丝粒染色体，X染色体大小界于7号和8号染色体之间；
D组：
包括13-15号染色体，为近端着丝粒染色体，可以有随体；
E组：
包括16-18号染色体，16号为中央着丝粒染色体，17和18号为亚中着丝粒染色体；
F组：
包括19-20号染色体，为中央着丝粒染色体；
G组：
包括21-22号和Y染色体，为近端着丝粒染色体，21、22号染色体可以有随体。
Y染色体的大小变异较大，大于21和22号染色体，其长臂常常平行靠拢。
五、人类染色体带型
用各种染色体显带技术，使染色体沿其长轴显示出明暗或深浅相间的带纹，而每一号染色体都有其独特的带纹，这就构成了每条染色体的带型。
（一）带型命名原则：
1971年在巴黎召开的人类细胞遗传学会议上提出了区分每个显带染色体区、带的标准系统。
1978年的国际会议上，制定了《人类细胞遗传学命名的国际体制（aninternationalsysntemforhumancytogeneticnomenclature，ISCN）》，提出了统一的符号和术语。
每条显带染色体根据ISCN规定的界标（landmark）分为若干个区（region），每个区又包括若干带（band）。
界标包括染色体两臂的末端、着丝粒和某些明显恒定的带。
两相邻界标之间为区。
每条染色体都是由一系列连贯的带组成，没有非带区。
区和带的命名原则包括：
1、长、短臂分别命名区，各区分别命名带；2、用数字命名，从着丝粒向远端依次编号，靠近着丝粒的两个带分别为长、短臂的1区1带；3、做为界标的带为远端区第1带。
带型描述包括4部分：
染色体序号，臂符，区号和带号，各部分之间无分隔符。
如1p13表示1号染色体短臂1区3带。
（二）常见带型的类型、特点及临床应用
1、Q带（Qbanding）：
Q显带是用荧光染料对染色体标本进行染色，然后在荧光显微镜下进行观察。
Q显带技术是最早建立的显带技术，它在观察染色体多态方面有重要的用途。
但Q带保存时间短，而且需要在荧光显微镜下进行观察，因而，限制了Q显带技术的应用。
2、G显带（Gbanding）：
染色体标本用热、碱、蛋白酶等预处理后，再用Giemsa染色，可以显示出与Q带相似的带纹。
在光学显微镜下，可见Q带亮带相应的部位，被Giemsa染成深带，而Q带暗带相应的部位被Giemsa染成浅带。
这种显带技术称为G显带，所显示的带纹称为G带。
G显带克服了Q显带的缺点，G带标本可长期保存，而且可在光学显微镜下观察，因而得到了广泛的应用，是目前进行染色体分析的常规带型。
3、R显带（Rbanding）：
所显示的带纹与G带的深、浅带带纹正好相反，故称为R带（reversedband）。
G带浅带如果发生异常，不易发现和识别，而R显带技术可以将G带浅带显示出易于识别的深带，所以R显带对分析染色体G带浅带部位的结构改变有重要作用。
4、C显带（Cbanding）：
专门显示着丝粒的显带技术。
C显带也可使第1、9、16号和Y染色体长臂的异染色质区染色。
因而，C带可用来分析染色体这些部位的改变。
5、T显带（Tbanding）：
专门显示染色体端粒的显带技术，用来分析染色体端粒。
6、N显带（Nbanding）：
专门显示核仁组织区的显带技术。
7、高分辨显带（high-resolutionbanding）：
分裂中期一套单倍染色体一般显示320条带。
70年代后期，采用细胞同步化方法和改进的显带技术，获得细胞分裂前中期、晚前期或早前期的分裂相，可以得到带纹更多的染色体，能显示550-850条带，甚至2000条带以上。
这种显带技术称为高分辨显带技术。
8、SCE（sisterchromatidexchange）显示方法：
5-溴脱氧尿嘧啶核苷（5-bromodeoxy-uridine，BrdU）是脱氧胸腺嘧啶核苷的类似物，在DNA链的复制过程中，可替代胸腺嘧啶。
由于DNA的半保留复制，当细胞在含有BrdU的培养液中经过两个分裂周期后，两条姊妹染色单体的DNA链在化学组成上出现差别，即一条染色单体的DNA双链中有一条链掺入了BrdU，另一条则为原来的模板，不含BrdU；而另一条染色单体的两条DNA链中的胸腺嘧啶核苷均被BrdU取代。
由于掺入BrdU的DNA分子螺旋化程度较低，与染色剂的亲和力降低，Giemsa染色时着色浅。
因此，在显微镜下可清楚地区别姊妹染色单体。
在染色体的复制过程中两条姊妹染色单体的遗传物质在相同位点上交换，称为姊妹染色单体互换（SCE）。
经过BrdU处理，两条姊妹染色单体的着色程度明显不同，若两条染色单体之间有互换，即可在同一单体上看到深浅相间的片段。
由于姐妹染色单体的DNA序列相同，SCE并不改变遗传物质组成，但SCE是由于染色体发生断裂和重接而产生的，因此，SCE显示方法通常用来检测染色体断裂频率，用来研究药物和环境因素的致畸效应。
六、人类细胞遗传学研究的新进展
尽管高分辨染色体显带技术已大大提高了对染色体的分析能力，但是在光学显微镜下，人们也只能识别4500kb以上的DNA片段，而对4500kb以下的染色体异常无法辨认。
分子细胞遗传学是利用分子生物学方法，在分子水平上研究染色体结构、畸变、遗传学效应与疾病发生等问题的学科。
（一）荧光原位杂交（fluorescenceinsituhybridization，FISH）
20世纪60年代，Pardue和Gall建立了原位杂交（insituhybridization，ISH）技术。
其方法是利用一段已知DNA序列，用放射性核素标记后作探针，与待测染色体DNA进行分子杂交。
如果该探针与待测染色体上的靶序列互补结合，即可在间期核或染色体原位上（即靶序列的位置）显示杂交信号。
因此，ISH可以精确地把某一DNA片段定位到某条染色体的特定区带。
在此基础上发展的荧光原位杂交技术（FISH），不需要用放射性物质标记DNA。
FISH具有以下优点：
1.标本可以长期保存而不失活；2.不需要特殊的安全防护措施；3.检测速度快；灵敏度高。
FISH技术已广泛用于基因定位、基因扩增和染色体畸变等的检测。
FISH的缺点是待测靶序列不能太小，小于1kb不易得出可靠的结果。
用于染色体畸变检测的FISH，可以检测染色体各种畸变，特别是有利于对微小的标志染色体、微缺失、复杂易位的识别，以及间期核上的识别和快速产前诊断上的应用。
（二）比较基因组杂交（comparativegenomichybridization，CGH）
Kallionhiemi（1992）和Manoir（1993）在FISH技术的基础上，建立了比较基因组杂交（CGH）技术。
利用CGH可以在全部染色体或染色体亚带水平上，对不同基因组间DNA序列拷贝进行检测、定位。
CGH将整个基因组DNA作为探针应用于检测中，待测样本基因组DNA与正常对照基因组DAN分别标记不同的荧光素标记物，然后将两者以1:
1比例混合制成探针，同时与正常人淋巴细胞中期染色体进行杂交。
与某一染色体区域杂交的待测样本基因组DNA及正常对照基因组DNA的相对数量，取决于两种样品中这一序列的含量。
通过图像分析系统对不同荧光信号的比值进行定量检测，分析待测样本基因组DNA序列的拷贝数变化，据此判断待测样本基因组DNA序列的缺失或重复。
与染色体显带、FISH技术相比，CGH所需样本DNA的量少，一次杂交即可检测整个基因组的拷贝数变化。
且该技术只需要提取待检样本中的基因组DNA，不需要中期染色体或间期核，因此，不仅适用于检测外周血、培养细胞和新鲜组织，同样适用于检测冻存组织、石蜡包埋组织、因DNA量过少而经PCR扩增的样本。
CGH技术只能检测染色体组拷贝数的缺失或重复，不能检测无拷贝数改变的染色体平衡易位。
基于中期染色体为杂交靶的CGH，由于染色体分辨率的限制，最高分辨率仅为3～5Mb。
随着DNA微阵列技术的发展，以寡核苷酸片段微阵列芯片和SNP片段微阵列芯片作为杂交靶的arrayCGH和SNParray，其分辨率可达10Kb左右，可检测出更小的DNA拷贝数改变。
七、染色体多态
人类染色体数目是相当恒定的，但人类染色体形态存在微小变异，这种变异称为染色体多态（chromosomalpolymorphism）。
染色体多态主要表现为同源染色体的形态或着色方面的不同。
在显带技术应用以前，人们就已经注意到了同源染色体随体的大小、形态和副缢痕的长度等存在差异。
随着显带技术的应用，通过比较和测量带纹的宽度和着色强度，进而发现了更多的多态性，包括荧光强度和颜色的差异。
1、染色体多态的一般特性
1）它们按孟德尔方式遗传，在个体中是恒定的，但在群体中是变异的；
2）它们集中地表现在某些染色体的一定部位。
这些部位都是含有高度重复DNA的结构异染色质所在之处。
3）不具有表型或病理学意义。
2、染色体多态的常见部位和形式
在人类染色体中，含有高度重复DNA的结构异染色质的分布是不均匀的，它集中于着丝粒、随体、副缢痕和Y染色体长臂远侧段。
因此，人类染色体多态也集中表现在这些部位。
1）近端着丝粒染色体之短臂和随体区：
表现为短臂和随体区的增长或缩短；随体有无、增大或重复以及这些结构的荧光强度和其它着色性能的变异。
2）1、9和16号染色体副缢痕区：
表现为副缢痕之有无或增长、着色性能之变异等。
3）一些常染色体，主要是3和4号染色体着丝粒异染色质的大小和荧光强度的变异。
4）Y染色体长臂远侧2/3的长度和着色性的变异。
3、染色体多态的应用
染色体多态作为一个稳定的、显微镜下可见的遗传标记，在医学生物学中有多种用途。
可以说，凡需要鉴定染色体和细胞来源时，或发现某一多态与其它遗传标记连锁时都可以加以利用。
1）用以鉴别额外或异常染色体的来源：
如利用21号染色体多态可以追踪先天愚型患者额外的21号染色体来自父方还是母方。
2）在法医学上用作亲权鉴定：
子女的两条同源染色体中，一条来自父方，一条来自母方，而Y染色体则必来自父亲。
因此，通过比较子女和双亲的染色体，根据是否有相同的多态特征就能帮助确定他们之间的关系。
3）用来鉴别细胞来源：
如追踪输血后细胞的命运。
4）用于人类基因定位：
如果发现某一多态与其它性状有连锁，就可以根据连锁的原理，把该性状的基因定位于相应部位，Duffy血型基因的定位即为一例。
八、性染色质（sexchromatin）与性染色体（sexchromosomes）
（一）X染色体失活（Xchromosomeinactivation）
女性细胞中含有两条X染色体，而男性细胞中只含有一条X染色体，但女性X染色体基因的产物并不比男性多。
对此，英国遗传学家MaryLyon在1961年首先提出了“X失活假说”，或称为“Lyon假说”，其要点是：
1）在间期细胞中，女性的两条X染色体中，只有一条X染色体有转录活性，另一条X染色体无转录活性，呈固缩状，形成X染色质。
这样，在含有XX的细胞和XY的细胞中，其X染色体基因产物的量基本相等，此称为剂量补偿（dosagecompensation）。
不论细胞内有几条X染色体，只有一条X染色体是具有转录活性的，其余的X染色体均失活形成X染色质。
2）失活发生在胚胎发育早期。
3）失活是随机的，即失活的X染色体可以来自父方也可以来自母方，但一个细胞中的某条X染色体一旦失活，由该细胞增殖而来的所有子细胞都具有相同的失活X染色体。
X染色体的失活在遗传上和临床上有三个意义：
1）剂量补偿：
由于只有一条X染色体有活性，故男女X染色体基因产物的量相同。
2）杂合子表型的变异：
由于X染色体失活是随机的，因此，在杂合子的女性中具有活性的某一特征等位基因的比例就可能是不同的，结果显示出不同的表型。
3）嵌合型：
由于女性X染色体中有一条失活，所以在每一细胞中特定位点上的两个等位基因只有一个表达。
结果杂合子表现为只表达两个等位基因之一的细胞嵌合分布。
在小鼠中，X染色体上带有白色和黑色毛色基因的个体表现为白色和黑色镶嵌现象。
Lyon假说可以解释许多遗传现象，但经典的Lyon假说不能解释何以XO的Turner综合征患者会有各种异常；又何以多X患者还会有各种异常，而且X染色体越多症状越严重。
可见为保证正常的发育，至少在胚胎发育的某一时期需要双份X染色体基因。
近几年的研究结果对Lyon假说可以作如下补充：
1、局部
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