大話基因突變!你知道的和不知道的都在這裡啦!
導讀
基因,是遺傳的基本單元;
基因能夠通過複製,把自己攜帶的遺傳信息傳遞給下一代,所以說子女就會長得像父母了;
基因也能夠指導蛋白質的合成來表達自己所攜帶的遺傳信息,從而控制生物個體的性狀表達,比如說有的人是單眼皮,有的人是雙眼皮,這些都是由基因決定的。
此外,基因還有一個容易被遺忘的功能,就是通過變異在自然選擇中獲得新的遺傳信息,簡單地說,就是進化。
1. 基因是怎麼發現的?
基因最開始被發現是在19世紀60年代,當時有一個修道士叫孟德爾,他通過豌豆的雜交實驗,提出了遺傳單位是遺傳因子(現代遺傳學稱為基因)的論點,並提出了遺傳學的兩大基本定律:遺傳因子的分離定律和自由組合定律。
但遺憾的是,孟德爾的發現在當時太過超前,使得他的科學論文在長達35年的時間裡,都沒有引起生物界同行們的注意。直到1900年,他的發現被歐洲三位不同國籍的植物學家在各自的雜交試驗中分別予以證實後,才受到重視和公認,遺傳學的研究從此也就很快地發展起來。孟德爾後來也被尊稱為現代遺傳學之父。
1909年,基因這個名字第一次出現在大眾眼中,丹麥遺傳學家約翰遜,在《精密遺傳學原理》一書中正式提出「基因」概念。
後來,遺傳學家摩爾根通過果蠅的遺傳實驗,認識到基因原來存在於染色體上,得出了染色體是基因載體的結論。摩爾根的發現被稱為遺傳學的第三大定律:基因連鎖和交換定律。
他於20世紀20年代創立了著名的基因學說,揭示了基因是組成染色體的遺傳單位,首次完成了當時最新的基因概念的描述,它能控制遺傳性狀的發育,也是突變、重組、交換的基本單位。至此,人們對基因概念的理解更加具體和豐富了。
20世紀50年代以後,隨著分子遺傳學的發展,尤其是沃森和克里克提出DNA雙螺旋結構以後,人們進一步認識了基因的本質,即基因是具有遺傳效應的DNA片段。
隨著基因研究的不斷升入,許多科學家逐漸發現了基因突變與疾病之間存在密切的關係,如鐮刀型細胞貧血病。鐮刀型細胞貧血病的突變基因,是1949年確定的,隨著分子遺傳學的進展,到1957年終於由英國學者英格蘭姆闡明了它的分子機制。
英格蘭姆發現鐮刀型細胞貧血症是因為鏈中第六個氨基酸發生變化引起的。正常健康的人第六個氨基酸是谷氨酸,而患鐮刀型貧血症的人則由一個纈氨酸代替谷氨酸。
英格蘭姆的這一發現,使遺傳機制的研究從基因水平深入到分子水平,在不到20年的時間裡,就發現了100多種血紅蛋白的分子突變型,都是因為蛋白質多肽鏈上個別氨基酸變化引起的分子突變。
於是,在1985年由美國科學家率先提出並在1990年正式啟動的」人類基因組計劃」,閃亮登場。到2005年,人類基因組計劃的測序工作已經完成。揭開了組成人體2.5萬個基因的30億個鹼基對的秘密。
2. 基因突變是怎麼發生的?
我們都知道,基因就是一段能夠編碼蛋白質的DNA序列,所以基因的突變,通俗的說就是DNA序列的改變。
基因突變包括自發突變和誘發突變,自發突變是機體內部自然產生的,誘發突變是外部環境誘導引發的。今天,我們主要來講一講自發突變。
自發的基因突變發生在細胞分裂的過程中,細胞分裂的第一步就是要進行DNA的複製, DNA複製的真實過程往往是:一次複製+多次檢查+修改錯誤。
所以,DNA複製的過程,實際上會有許多錯誤,這些錯誤可能是由於DNA分子的自發性損傷導致,也可能是由於一些物理因素(紫外線照射等)或化學因素(鹼基類似物,即正常鹼基被鹼基類似物取代加入到DNA鏈中)造成。
但幸運的是,我們的機體同時存在著一種修復機制,專治各種DNA複製時的各種錯誤。包括有切除修復、錯配修復、直接修復、重組修復、易錯修復和SOS應急反應等幾種修復機制。這些修復機制能夠修復絕大多數的錯誤,從而維持DNA的穩定性。從基因的角度講,就是「穩定是大局」。
然而,所謂道高一尺,魔高一丈,還是會有一些錯誤是修復機制沒有發現或修復不了的,這就有了基因突變。
廣義的突變其實包括了染色體畸變和基因突變,那麼我們今天主要來聊一聊基因突變。
基因突變從鹼基水平來看的話,主要包括了3種突變:
鹼基對的替換——點突變
鹼基對的增加——插入突變
鹼基對的缺失——缺失突變
如下圖所示:
3. 基因突變都會引起蛋白質的變化嗎?
我們知道,基因的突變,只是機體發生改變的第一步,由此引發的蛋白質的改變才是至關重要的一步,那麼基因突變都會引起蛋白質的變化嗎?事實並非如此!
這裡就要引入兩個概念——密碼子和密碼子的簡併性。
密碼子是指信使RNA分子(DNA序列轉錄而來的單鏈核苷酸序列)中每相鄰的三個核苷酸編成一組,在蛋白質合成時,代表某一種氨基酸的規律。
比如:AAC編碼天冬氨酸,CCA編碼脯氨酸。
密碼子的簡併性,是指一個氨基酸可能由一個以上的三聯體密碼編碼的現象。
比如:編碼天冬氨酸的密碼子除了AAC外,還有AAU;編碼脯氨酸的密碼子除了CCA,還有CCU、CCC、CCG密碼子的簡併性,是指一個氨基酸可能由一個以上的三聯體密碼編碼的現象。
所以,就像上圖中的描述,如果是脯氨酸的三聯體密碼子第三位發生改變,並不會引起蛋白的變化。
那麼,根據基因突變對蛋白質的影響,基因突變又可以分為以下幾類:
1)同義突變:單個鹼基改變,但並未引起氨基酸的改變,也叫沉默突變,並未引起蛋白質的改變。
2)錯義突變:單個鹼基改變,由原始的氨基酸變成了另外一種氨基酸,這種突變可能對表達產物沒有影響,也可能會帶來好處,但多數帶來有害的或致死的效應。。
3)無義突變:單個鹼基改變,由原始的氨基酸變成了終止密碼子(UAA、UAG、UGA),翻譯停止,蛋白質被截掉一部分,截短型突變。
4)終止密碼突變:是DNA片段中的某一終止密碼突變為編碼氨基酸的密碼子,從而使多肽鏈的合成至此仍繼續下去,直至下一個終止密碼為止,形成超長的異常多肽鏈。
5)移碼突變:DNA片段中某一位點插入或丟失一個或幾個(非3或3的倍數)鹼基對時,造成插入或丟失位點以後的一系列編碼順序發生錯位的一種突變。
6)非移碼的插入缺失突變:DNA片段中某一位點插入或丟失3的倍數個鹼基對時,造成插入或丟失數個氨基酸。
其中,同義突變,基本上不會對蛋白質產生影響。錯義突變、同義突變、移碼突變、終止密碼突變、以及非移碼的插入缺失突變,都會造成蛋白質的改變。
4. 基因突變都會造成壞的結果嗎?
答案是否定的!
我們來看一看基因突變會產生那些後果。
1)基因突變會導致生物功能的喪失。部分基因突變導致蛋白質結構被破壞,從而使蛋白的功能全部喪失或部分喪失,一些催化酶因此而失活,導致機體的一些化學反應無法正常進行,這必然會造成壞的結果。
2)基因突變也可能獲得新的功能。這裡就比較有意思了,因為產生的新的功能,有可能是好的,也有可能是壞的。
好的結果比如乳糖耐受突變,這一突變在歐洲較為廣泛,因為中東人馴化了山羊和奶牛,增加了營養來源,並且把山羊和奶牛帶到歐洲,長期飲用乳品選擇出了這一優勢基因突變,使很多歐洲成人也能分泌乳糖分解酵素,現在90%以上的歐洲人把乳品作為日常飲用品。但是,亞洲和非洲中的非高加索人種,擁有這一「有益」突變的人並不多,大部分人群繼續呈現對乳糖的不耐受。
壞的結果比如乙醛脫氫酶突變,乙醛脫氫酶能將人體內的乙醛氧化成乙酸,主要發生在酒精代謝過程中,如果血中乙醛含量過高,就會讓人輕則臉紅、頭暈、嘔吐,重則宿醉甚至致命。這些癥狀主要出現在東亞人身上,而其他地區的人很少出現,因此被特別稱為「亞洲臉紅」或「東方臉紅綜合征」。
「亞洲臉紅」的原因就是因為攜帶了ALDH2*2 基因,體內乙醛脫氫酶為突變體,突變酶分解乙醛的能力僅及正常酶的8%,使得乙醛不容易轉變成乙酸而堆積在血液中。中國人攜帶ALDH2*2的比率非常高,大約有18%的中國人攜帶這個基因,其中最高的是廣東漢族,高達31%;日本人群中的這一比例也比較高,而在歐美白人裡面,幾乎沒人攜帶這個基因。
3)基因突變導致癌症的發生。體細胞的突變是不可避免的,突變導致原癌基因被激活,就會造成癌症的發生。當然癌症的發生必須是多個基因同時突變才會發生的,所一得癌症的概率還是比較低的。
當然造成癌症的基因突變其實也是有好有壞的,比如白血病中的CEBPA和NPM1,這兩種基因產生突變會提示預後比較好,使人們希望看到的。但是像FLT3,這就是一個非常壞的突變,會非常差。
5.給大家列舉一些血液病種常見的基因突變。
FLT3
FLT3的激活突變主要有兩種:內部串聯重複(FLT3-ITD)和活化環中的點突變(FLT3-TKD點突變),FLT3-ITD是獨立的預後不良因素。
CEBPA
雙突變的NK-AML患者為低危,單突變且NPM1和FLT3-ITD均陰性的NK-AML患者為中危
DNMT3A
DNMT3A突變為白血病發生早期事件,主要突變為R882,突變的患者DFS和OS顯著性降低
NPM1
NPM1突變陽性者CR率較高,EFS和OS較長;FLT3-ITD陰性NPM1陽性的NK-AML患者為低危;
KIT
見於25%-35%的CBF-AML,AML1-ETO陽性且KIT突變率的患者DFS、RFS和OS均降低,複發率約70%,為中危。
SRSF2
SRSF2突變常見於CMML(40%-50%)及10-15%MDS病人、預後不良相關聯。
FBXW7
FBXW7 FBXW7在T-ALL中突變率約20%、T-NHL中約21%,也可見於B-ALL及其它多種腫瘤。FBXW7突變常與NOTCH1突變同時存在。NOTCH1/FBXW7突變陽性且RAS/PTEN突變陰性的成人T-ALL患者預後較好;NOTCH1/FBXW7基因突變而且ERG/BAALC低表達組患者預後更好。
WT1
AML患者中WT1突變率約10%,其中非APL的AML患者中約6.8%。在APL患者中,WT1突變相對多見,並且可能是APL易複發的因素。T-ALL患者中WT1突變率約11.7-13.2%。突變陽性與預後不良相關聯。
CSF3R
CSF3R突變可發生於近膜區(T615、T618突變多見,位於exon14)和胞漿內尾區(D771fs、Y752X等截短型突變多見,位於exon17),少數患者同時攜帶兩種類型的突變。胞漿內尾區的截短型突變導致SRC家族TNK2激酶的激活,對Dasatinib等敏感。近膜區突變(T618等)活化JAK-STAT信號通路,對JAK激酶抑製劑Jakafi(ruxolitinib)等敏感。
CREBBP
CREBBP突變見於約20%的複發ALL,特別易見於複發的超二倍體ALL。CREBBP突變者對激素療效差可能是ALL複發的原因,用組蛋白去乙醯基酶抑製劑可能有效。
6.基因突變怎麼檢測?
基因突變的檢測方法主要有一代測序、二代測序、熒光定量PCR、數字PCR等。
一代測序,主要是針對單個基因突變的檢測,這主要受限於測序儀器的原理,一次性只能檢測幾十條DNA序列。所以一代測序適合對單個基因突變進行追蹤。例如對白血病預後相關基因KIT、FLT3、NPM1、CEBPA、NRAS、SRSF2等進行基因突變的監測追蹤,進行預後分層,指導治療方案。
二代測序又叫高通量測序,因為效率非常高,一次性能夠檢測幾百萬條DNA序列,而癌症的發生往往是多基因共同突變的結果,所以二代測序在癌症基因檢測中的應用非常廣泛。
二代測序適合對患者進行多基因突變的篩查檢測,以及後續追蹤。例如AML/MDS 22個基因突變套餐的檢測、B淋巴瘤47個基因突變套餐的檢測等,全面了解患者的突變情況,指導疾病分型、預後和治療。
熒光定量PCR和數字PCR,因為檢測原理的限制,只能檢測一些研究較為成熟的熱點突變,但是優勢在於高精度,尤其是數字PCR,更是可以通過外周血中遊離的ctDNA,來對癌症患者進行基因突變的檢測,樣本取材方便,大大降低了手術取組織的風險。例如MYD88、BRAF基因的檢測。????????
今天的解讀就到這裡啦,下期再見!
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