遗传学原理

自言自语:

- 两种现象:相似与差异

- 两层结构:染色质chormatin: 胞核内DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的,存在于分裂间期,易被碱性染料染色的一种丝状物质。基因gene:脚本。

- 三个基本定律:1.分离定律(孟德尔第一),2.自由组合定律(孟德尔第二):非同源非等位的 ,3.连锁和互换定律(摩尔根)。

自问自答:

1.如何分析基因在染色质上组装情况?

2.染色质折叠过程中的结构变化?

(见后hi-c学习)

遗传的生殖基础

减数分裂meiosis出现在有性生殖sexual reproduction生物体的生殖细胞中,是在配子发生过程中形成精子和卵子的一种特殊分裂方式。减数分裂发生在配子形成的成熟期,故也称为成熟分裂maturation division。

减数分裂分为两个阶段,分别称为减数分裂I和减数分裂II。根据染色体的形态和行为,两次分裂都可以划分为间期(interphase )、前期(prophase )中期(metaphase)后期(anaphaase)和末期 (telophase )。染色体(DNA)复制仅发生在间期I。前期I可细分为细线期(leptotene)、偶线期 (zygotene )粗线期(pachytene)、双线期(diplotene)、终变期(diakinesis)。在偶线期,两条同源染色体通过联会复合体相互结合配对,此现象称为联会(synapsis )。在粗线期可发生同源染色体的非姐妹染色单体之问的互换(crossing over )。后期I在纺锤体的牵引作用下,成对的同源染色体分开,随机地移向细胞的两极,染色体数目减半。减数分裂II与有丝分裂大致相同,但染色体 (DNA)不再进行复制,每条染色体的两条姐妹染色单体分离,分别移向细胞两极。

精子发生于男性的生精小管中,分为四个阶段:增殖期-生长期-成熟期-变形期。

1.增殖期:性成熟后,生精小管上皮中精原细胞有丝分裂。

2.生长期:部分精原细胞生长为初级精母细胞。

3.成熟期:一个初级精母细胞减数分裂为四个精子细胞。

4.变形期:精子细胞发生形态结构改变(球→蝌蚪),变为精子。

卵子发生于卵巢,成熟于输卵管。与精子发生的区别如下:

1.不存在变形期

2.减数分裂不连续。出生前,女性卵巢中的初级卵母细胞已停滞于减数分裂前期Ⅰ的双线期。性成熟后,在适宜的激素刺激下,每月有一个卵泡恢复第一次减数分裂,形成一个次级卵母细胞和一个第一极体,产生一个成熟的单倍体卵细胞和一个第二极体。

受精是一个复杂的过程,包括精子和卵母细胞的接触和识别、精子融入卵母细胞的调节、受精卵的激活、卵母细胞对精子的处理以及原核的形成,开始于精子穿透卵丘和透明带,以原核形成为结束标志。

精子和卵子分别为受精卵提供了一半的染色体,此外,精子为合子提供了中心粒,卵子提供了胚胎早期发育的物质基础和线粒体,促进受精卵的分化与发育,在遗传物质和环境的共同作用下,最终发育形成一个完整的个体,实现亲代遗传信息到子代的传递。

遗传性疾病

一部份是以往五类:染色体遗传病、单基因遗传病、多基因遗传病、线粒体遗传病、体细胞遗传病,另一部份是近年引起关注的表观遗传疾病。

举例(单基因遗传病+印记基因):小胖威利综合征 详见以下4份不同侧重方面的参考

- Prader-Willi 综合征的表观遗传学

- 中英文科普

- 国内诊治指南

- 国内小胖威利诊治医生名单(截止2022.09)

表观遗传与跨代遗传

1.DNA甲基化

对于雌性来说,从头甲基化是在卵细胞进入卵泡发育生长阶段开始获得的,发生在初级卵泡至窦状卵泡时期,并且随着卵泡直径的增加甲基化水平增加。然后从受精后至桑葚胚前,母系基因组被动发生去甲基化demethylation。同时卵细胞的发育成熟中,许多关键基因的表达是通过对DNA中CpG岛的甲基化和去甲基化实现的。

2.组蛋白修饰 histone modification

有丝分裂和配子发生过程中,组蛋白帮助异染色质凝集或常染色质开放,组蛋白由球形结构域和延伸的氨基末端组成,其尾部残基可被甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化和类泛素化。这些翻译后修饰(post-translational modification, PTM )通过改变染色质结构从而使上/下调基因表达。

雄性生殖细胞通过核凝聚来更好地完成精子入卵过程,因此需要特定的修饰,这种严格的控制有利于父系 DNA入卵的有效性和安全性这一过程需要精子特异核蛋白-鱼精蛋白(protamine )来完成,它通过中和DNA 的负电荷使染色质结合得更紧密。精子中组蛋白与鱼精蛋白的替换是一个渐进的过程。首先,一些典型的组蛋白被睾丸特异性组蛋白变体所代替;随后,大约90%的组蛋白被过渡蛋白(transition protcin,TP)替代;最后,鱼精蛋白替代过渡蛋白完成整个替换过程,从而形成紧密装配的精子细胞核。在这一精子形成过程中,组蛋白变体 (histonevariant)的地位十分重要。然而,在组蛋白与鱼精蛋白的替换中,还需要进行大量的组蛋白乙酰化(acetylation)过程。值得注意的是,乙酰化可能也是睾丸蛋白降解的标志,有研究显示乙酰化的睾丸蛋白通过乙酰化依赖途径而不是泛素化(Subiguitination )依赖途径进行蛋白降解。精子形成中组蛋白的泛素化修饰与体细胞中的蛋白降解过程也不同。在精子形成中能够通过 RNP8(E3泛素化连接酶)依赖途径沉默性染色体。RNP8基因敲除的小鼠睾丸表现组蛋白泛素化抑制以及H4K16 乙酰化的废除,由此可见,组蛋白泛素化和乙酰化是高度联系的过程。

而在卵子发生过程中,从卵细胞发育中期开始,转录逐渐降低,完全成熟的卵细胞几乎没有转录活性,对于卵细胞的发生,转录沉默(transeription silencing )是必要的,并且与PTM有关,以组蛋白乙酰化较为多见。组蛋白中赖氨酸乙酰化调节由组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase, HIAT) 和组蛋白去乙酰化酶(histone deacety lase,HIDAC)协调完成。HDAC 可以对组蛋白和其他蛋白进行去乙酰化。HDAC2是卵细胞发育中主要的组蛋白乙酰化调节酶,也是H4K16主要的去乙酰化酶。在HDAC2 缺乏的卵细胞中,H4K16 乙酖化呈增加趋势并会损害着丝点即动粒的功能,因为突变卵细胞的动粒很少能形成稳定的徵管连接,从而造成M工期卵细胞染色体的分离障碍,这表明 HDAC2 在卵细胞的染色体分离中具有重要作用。HDAC1和 HDAC2 都缺失时,卵泡发育就会停滞在次级卵泡期,13K4 的甲基化明显降低,同时在突变的卵细胞中TRP53 乙酖化也明显增加,调亡率增高。

此外,组蛋白的乙酰化和甲基化也影响胚胎的发生和发育

3.ncRNA

4.跨代遗传

孟德尔定律和摩尔根定律表明,遗传的基础是基因。近年来的研究表明,获得性的适应性状可以通过表观遗传的改变传递给后代,即跨代遗传( transgenerational epigenetic inheritance,TEI)。

饮食、疾病或生活方式等环境因素调节的表观遗传机制通过开启和关闭基因在调节 DNA 中发挥着重要的作用。

5.表观遗传在生殖医学中的应用

表观遗传标记可作为辅助生殖的评判指标,也可用于研究配子发生中的表观遗传变化,使我们更好的模拟自然过程,增加辅助生殖的成功率,在减少风险的同时还能提高人口素质。

其次,对于一些表观遗传关键过程的调控和维持还可为我们治疗某些生殖系统疾病提供思路。而相对影响较小的 miRNA,则能够应用于一些避孕药物的研发。

6.展望

目前表观遗传和跨代遗传对生殖影响的研究除了广泛的探索和描述外,对其具体的环节还亟待完善

1.对精子和卵细胞的侧重点不同的表观遗传学研究。(确定的细胞类型、组织类型和空间位置的系统研究)

2.DNA 修饰、染色质组蛋白和相关标记以及非编码 RNA 构成特定的表观遗传景观,在受到破坏的情况下导致不孕不育,异常胚胎发育或跨代遗传。(明确的生理病理机制)

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