第五章：基因组变异

第五章：基因组变异

自然变异（基因组层面，染色体层面，基因层面，碱基层面） · 人工变异（基因编辑）

1. 全基因组复制（WGD）变异

• 日本遗传学家 于 1970年提出 基因复制和全基因组复制猜想；

• 全基因组复制（又称多倍化事件，在植物，动物和真菌中都有发生）：

  • 是新遗传物质产生的主要机制；
  • 会导致基因功能分化；
  • 基因丢失；
  • 新物种形成；

• 2R 全基因组复制 （整倍体基因组加倍）

  • 染色体组的概念：
    • 染色体组是指一组完整的非同源染色体构成，这两个染色体在形态和功能上各不相同且互相协助，携带者控制生物生长、发育、遗传和变异的全部信息。
  • 整倍体变异的概念是什么？答：是以染色体组（全部的染色体）为单位，进行复制或减少的过程；
  • 多倍体的概念是什么？答：多倍体是具有三个或三个以上染色体组的整倍体（普通小麦是六倍体）
    • 同源多倍体：增加的染色体来自同一个物种；
    • 异源多倍体：增加的染色体组来自不同物种（是生物进化，新物种形成的重要因素）；
    • 古多倍体：在进化历史中经历了基因多倍化，但随后通过基因的丢失和重排重新二倍化；
    • 新多倍体：新形成的，基因组未发生重排，仍然保持多倍体形式的物种；

• 2004年，通过酵母实验证明了全基因组复制是真实存在的；

• 2018年，研究证实染色体融合事件；

2. 染色体变异/异常

• 染色体数量变异：非整倍体/异倍体都会变异；

  • 现象：染色体组非成倍的增加或减少；
  • 只增加一条或几条；
  • 或只减少一条或几条；

• 染色体结构变异：

  • 染色体拷贝数变异：

    • 有染色体插入变异：
    • 染色体缺失变异：新生儿45号染色体缺失，导致出现特纳氏综合征；
    • 染色体重复变异：克氏综合征，超雄/超雌综合征

  • 倒位（Inversion）变异（人类与黑猩猩）：

    • 臂内倒位；
    • 臂间倒位：
    • 倒位是物种进化的重要因素之一，可能导致新物种的产生；

  • 易位（Translocation）变异：慢性粒细胞白血症；

  • 染色体融合：人类（46条染色体）与类人猿（48条染色体）

3. 基因层面

基因复制 · 重复序列

• 基因家族：

  • 概念：基因家族是指来源于同一个祖先，通过复制而产生两个或更多的拷贝而构成的一组同源基因（Homologous genes）；
  • 如何才能形成基因家族呢？答：通过基因复制或基因家族复制。
  • 基因家族中的同族基因特点：基因家族中的家族成员基因是经过突变和分化之后，在结构和功能上具有明显的相似性，并且各自具有不同的表达调控模式；
  • 基因家族中各基因的位置分布（在染色体上的分布）：可能分散在同一染色体的不同位置，也可能存在于不同染色体上；
  • 例子：球蛋白超基因家族；

• 同源基因：

  • 直系同源基因：由物种分化所产生的同源基因被称为直系同源基因（堂哥）；
  • 旁系同源基因：由同意物种内的基因复制而产生的同源基因被称为旁系同源基因（亲哥）；
  • 同源异性基因（HoX基因）：控制生物体型结构的发育生长，Hox基因在染色体上排列成簇，有序排列，Hox的基因排列顺序决定着生物体器官和各部位骨骼的发育前后。

4. 序列插入：

- 串联重复序列
- 散在重复序列

5. 点突变：

• 突变类型：
  • 核苷酸的替换突变（ATG -> ACG）：
    • 转换替换：嘌呤（A/G）或嘧啶（T/C）之间的替换；
    • 颠换替换：嘌呤和嘧啶间的替换
    • 转换的发生【频率】大于颠换的发生频率
  • 插入突变：（ATG -> ATCG）
  • 删除突变：（ATG -> AG）
  • 倒位突变：（ATG -> AGT）
• 点（核苷酸）突变影响密码子编码氨基酸；
  • 同义突变：点突变没有改变编码氨基酸的类型；
  • 非同义突变：点突变改变了编码氨基酸的类型；
  • 无义突变：原本是编码为氨基酸，但点突变后编码为终止密码子了；
  • 连读突变：终止密码子变成某一个氨基酸的诶密码子；

- 单核苷酸突变导致人类疾病：镰刀型红细胞贫血症；

• 标准遗传密码表：
  • 四分法：AT Rich和GC Rich
  • 二分法：鲁棒性和多样性：
• 生殖细胞突变：可通过有性生殖遗传，并存在于子代的每个细胞中。
• 体细胞突变：在体细胞的突变，不会遗传，但会在体内扩散，是病变和癌变的基础。

6. 基因编辑：

• 什么是基因编辑？

  • 答：基因编辑是指在活体基因组的特定位置进行DNA片段插入、删除、修改或替换的一项技术，在基因研究，基因治疗、遗传改良等方面有巨大潜力。

• 基因编辑过程：

  • 使用分子剪刀（一种改造后的核酸酶），在基因组的特定位置产生微店特异性双链断裂，之后诱导生物体通过非同源末端链接或同源重组完成修复，实现靶向突变。

• 基因编辑技术，目前有四种，比较火的是Crispr（南方科技大学何建奎通过Crispr编辑婴儿基因入狱）