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遗传学相关

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edx课程Genetics: The Fundamentals笔记

写在前面：本篇教程来自edx课程Genetics: The Fundamentals

贝叶斯定理在遗传概率计算中的应用：例如对于X隐遗传，已知某健康个体的母亲为XᴬXᵃ，父亲为XᴬY，求该个体为携带者XᴬXᵃ的概率，此时可以知道概率为1/2.但如果又已知该个体生育了一个正常儿子XᴬY，此时为携带者的概率就不是1/2

  • 定义事件A为“是携带者”，B为“生育正常儿子”，求P(A B)（已知生育正常儿子，是携带者的概率）
  • P(A)=1/2 P(B A)=1/2 => P(非A)=1/2 P(B 非A)=1
  • P(B)=P(A)*P(B A)+P(非A)*P(B 非A)=3/4
  • P(A B)=P(B A)*P(A)/P(B)=1/3

染色体分离异常：常染色体非整倍体多致死（除21三体综合征等少部分情况），性染色体非整倍体通常可存活

  • 减数分裂I不分离：同源染色体未分离，配子含同源染色体
  • 减数分裂II不分离：姐妹染色单体未分离，配子含姐妹染色单体
  • 案例：单亲二体(uniparental disomy)——配子含两条同源染色体，受精后丢失一条，导致两条染色体均来自同一亲本。会导致印记障碍(imprinting disorders)——人类约50个基因存在基因组印记（父源和母源等位基因表达不同，如父源等位基因激活、母源沉默，或反之），单亲二体可能存在两个沉默等位基因或两个激活等位基因，导致基因表达量异常，进而引发疾病

基因连锁程度：

  • 不连锁（重组率=50%）：非同源染色体或同源染色体远距
  • 弱连锁（重组率<50%，亲本型略多）：同源染色体上距离较远
  • 弱连锁（重组率≈50%，几乎全为亲本型）：同源染色体上距离很近

遗传距离（单位：厘摩cM）：衡量基因间重组频率，cM=100×(重组型配子数/总配子数)，1cM=1%重组率

  • 标准差：泊松分布，标准差=√(重组型配子数)。遗传距离可写作”100×(重组型配子数/总配子数)±标准差”
  • 局限性：>50cM时，多次重组导致重组率低估，遗传距离趋于50cM，超过此值，无法区分基因是“不连锁”还是“连锁但距离极远”

遗传距离与物理距离(碱基对bp)：遗传距离(cM)=物理距离(Mb, 百万碱基对)×重组率(cM/Mb)

  • 不同生物的重组率差异显著：人类1.3cM/Mb，酵母360cM/Mb，单细胞生物重组率远高于多细胞生物，病毒重组率更高
  • 不同生物的最大基因大小不同，对应的遗传距离也不同：人类最大的基因约2.3Mb，对应遗传距离=2.3×1.3≈3cM，果蝇最大的基因约0.005Mb，对应遗传距离=0.005×360≈1.8cM

基因定位的应用：

  • 判断突变是否同基因：若两突变的遗传距离>该物种最大基因的遗传距离，则为不同基因
  • 通过DNA标记（SNP等）与基因的连锁关系，可实现更精细的基因定位

DNA标记(DNA Markers)：基因组中已知位置的、本身通常不编码功能产物的多态性位点，用于基因定位/精细作图。使用DNA标记定位时，需注意表型亲本需为标记杂合子（仅杂合子能观察标记与表型的共分离），并明确子代标记是来自父本还是母本

  • 简单序列重复(Simple Sequence Repeats, SSR)：基因组中广泛存在的2-4碱基重复序列，重复次数在个体间可变（通常20-100次）。使用结合重复序列两侧保守区的引物进行PCR扩增，琼脂糖凝胶电泳区分片段长度（重复次数越多，片段越长）。可用于亲子鉴定、法医鉴定（精准识别个体）
  • 单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphisms, SNP)：基因组中单个碱基的差异，数量极其庞大（人类基因组中约有1000万个），分布密集，覆盖全基因组，可实现超高分辨率定位，是全基因组关联研究GWAS的核心标记

DNA测序与基因定位：

  • 测序读段比对：对目标个体测序，将读段比对到参考基因组，识别个体与参考基因组的差异，定位可能的致病位点
  • 基于Pool测序的基因定位：将多个含目标表型的个体DNA混合测序，分析基因组中多态性位点的频率。在含目标表型基因的染色体中，靠近目标基因的多态性位点重组率发生偏离。无需单个个体测序，降低成本

如何检测人类疾病的遗传（确定致病基因）：

  • 全基因组测序：无遗漏，可发现新变异，但成本高、数据量大、筛选难度大
  • 全外显子组测序：假设“致病突变多位于编码区”，成本低，目标区域明确，但可能遗漏非编码区致病突变
  • 连锁分析（利用SSR等标记）：利用标记与致病基因的共分离定位，无需预先知道基因功能，但依赖系谱数据，分辨率受标记密度限制

trio测序：对患者及其父母进行测序，之后对比已知变异数据库，排除人群中普遍存在的常见变异，寻找患者特有的、父母无的新发突变

  • 适用于病因不明的罕见病：患者临床表现与已知疾病不匹配，且缺乏双生子研究等遗传数据

Informative Meiosis（信息性减数分裂？）：能明确“标记的两个等位基因与致病基因的两个等位基因分别如何共分离”的减数分裂

  • 例如常显遗传中，患者（Dd，SSR基因型AB）×正常（dd，SSR基因型CE），子代患病且SSR基因型位A/E，则可明确D与A共分离，是Informative Meiosis；若父母SSR基因型为AA×BB，子代AB，则不能区分D与哪个A公分离，不是

Phase（相位？）：标记等位基因与致病基因等位基因的连锁关系（即哪些等位基因来自同一条亲本染色体）

  • 患者（Dd，SSR基因型AA）×正常（dd，SSR基因型BB），子代AB，则相位为D-A和d-B

LOD得分（Logarithm of the Odds Score, 对数优势得分）：判断标记位点与致病基因是否连锁的统计指标

  • LOD=log~10~[P(数据 连锁, 距离为θ)/P(数据 不连锁)]
    • θ：遗传距离（重组率），θ=0.01表示1cM
    • P(数据 连锁，θ)：假设标记与致病基因连锁（遗传距离为θ）时，观察到当前系谱数据的概率
    • P(数据 不连锁)：假设标记与致病基因不连锁（重组率为50%）时，观察到当前数据的概率
  • LOD≥3认为标记与致病基因存在显著连锁,LOD≤-2排除连锁
  • 具有可加性，多个家系的LOD可累加

LOD得分的计算：常显，患者（Xᴰ/X⁺，SSR A/A）×正常（X⁺/X⁺，SSR B/B），子代（Xᴰ/X⁺，SSR A/B），检测到4个信息性减数分裂产物，其中3个非重组型（Xᴰ-A或X⁺-B）、1 个重组型（Xᴰ-B）

  • θ=重组型配子数/总信息性配子数=1/4=0.25
  • P(数据 连锁, θ=0.25)：非重组型配子概率=(1-θ)/2=0.375，重组型配子概率=θ/2=0.125，概率=0.375³×0.125¹≈0.00659
  • P(数据 不连锁)：每种配子概率=1/4，概率=(1/4)⁴≈0.00391
  • LOD=log~10~(0.00659/0.00391)≈0.23<3，无法确认连锁

相关数据库：

  • 在线人类孟德尔遗传数据库(OMIM)：收录已发现的孟德尔性状及致病基因，是人类孟德尔遗传研究的核心参考
  • 罕见基因组计划(Broad Institute)：通过家系测序助力罕见病病因发现，提供样本收集与分析平台
  • NCBI的dbSNP：SSR/SNP数据库，收录人类基因组中已知的SSR和SNP位点，为连锁分析提供标记资源

N值与C值：

  • N：单倍体细胞中不同染色体数量（人类N=23）
  • C：单倍体细胞的基因组大小（人类1C≈32亿bp）
  • 单倍体细胞的DNA含量为1C，未复制的二倍体细胞为2C；复制后的二倍体细胞虽仍为2N染色体，但因每条染色体复制为姐妹染色单体，DNA含量变为4C