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1 人 類 基 因 學 之 簡 介 報 告 者 : 蔡 靜 慧 莊 筱 婷

2 2 報 告 摘 要 出 處 : Clinical and Translational Science 摘 要 : Chapter 19. Introduction to Human Genetics Bruce R. Korf and Achara Sathienkijkanchai 本 章 介 紹 人 類 的 基 因 學, 包 含 基 本 的 DNA 構 造 遺 傳 模 式 遺 傳 疾 病 基 因 體 學 醫 療 的 應 用 等, 由 淺 至 深 的 內 容 均 有 涵 蓋

3 3 報 告 大 綱 基 本 分 子 基 因 學 DNA 結 構, DNA 複 製, 轉 錄, 轉 譯 染 色 體 結 構 與 功 能 有 絲 分 裂, 減 速 分 裂, 配 子 形 成 遺 傳 模 式 單 一 基 因 遺 傳 ( 孟 德 爾 遺 傳 ), 非 孟 德 爾 遺 傳, 多 因 子 遺 傳 ( 多 基 因 遺 傳 ) 細 胞 遺 傳 學 及 染 色 體 疾 病 人 類 基 因 體 學

4 4 報 告 大 綱 The Human genome 基 因 體 的 結 構 與 組 織 遺 傳 變 異 醫 療 的 應 用 分 子 診 斷 基 因 型 疾 病 的 治 療 遺 傳 諮 詢 表 現 及 臨 床 上 的 相 關 研 究

5 5 簡 介 基 因 學 (genetics) 處 理 細 胞 內 的 資 訊 世 代 間 如 何 傳 遞, 個 體 間 不 同 的 變 異 情 況 演 變 歷 史 孟 德 爾 性 狀 (Mandelian traits) 複 雜 性 疾 病 (complex diseases)

6 6 BASIC MOLECULAR GENETICS - 基 本 分 子 基 因 學

7 7 DEOXYRIBONUCLEIC ACID (DNA) 結 構 遺 傳 訊 息 儲 存 處 包 含 螺 旋 成 對 的 去 氧 核 醣 - 磷 酸 (deoxyribosephosphate) 骨 架 + 核 苷 酸 鹼 基 (nucleotide bases) 核 苷 酸 間 以 磷 酸 雙 酯 鍵 (phosphodiester bond ) 連 接 5 - 磷 酸 + 下 一 個 醣 的 3 -OH 端 (5 -P 3 -OH) 圖

8 8 DNA 結 構 核 苷 酸 鹼 基 (nucleotide base) 嘌 呤 (Purines) 腺 嘌 呤 (adenine, A) 鳥 糞 嘌 呤 (guanine, G) 嘧 啶 (Pyrimidines) 胸 腺 嘧 啶 (thymine, T) 胞 嘧 啶 (cytosine, C)

9 9 DNA 複 製 發 生 在 細 胞 分 裂 時 兩 股 打 開 依 原 始 股 當 模 板 複 製 新 股 校 正 (proofreading) 及 修 復 (repair) 機 制 多 點 同 時 複 製 複 製 叉 (replication fork) 5 3 複 製 RNA primer (RNA polymerase) DNA polymerase Okazaki fragments DNA ligase

10 10 轉 錄 (TRANSCRIPTION) DNA RNA 的 過 程 RNA(ribonucleic acid): 單 股 核 苷 酸 聚 合 核 糖 (ribose) 取 代 去 氧 核 醣 (deoxyribose) 尿 嘧 啶 (uracil, U) 取 代 胸 腺 嘧 啶 (thymine, T) RNA polymerase

11 11 轉 錄 (TRANSCRIPTION) 5 CAP 及 poly-a tail 使 mrna 更 穩 定 DNA 轉 錄 Primary RNA 移 除 introns mrna 轉 譯 Protein

12 12 轉 譯 (TRANSLATION) mrna 蛋 白 質 (protein) 的 過 程 密 碼 子 (codon) 三 連 體 (triplet): 三 個 鹼 基 組 成 64 個 密 碼 子 20 種 胺 基 酸 (amino acid) 起 始 密 碼 子 (start codon) AUG 終 止 密 碼 子 (stop codons) UAA, UAG, UGA

13 13 轉 譯 (TRANSLATION) mrna 模 板 Ribosome rrna(rinosomal RNA) 蛋 白 質 trna(transfer RNA) 攜 帶 胺 基 酸

14 14 染 色 體 構 造 及 功 能 染 色 體 (chromosome) 成 對 存 在 於 細 胞 核 中 每 一 條 染 色 體 含 一 股 DNA DNA 緊 實 纏 繞 (30 億 個 鹼 基, 1.8m) 組 織 蛋 白 (histone) H2A H2B H3 H4 核 仁 小 體 (nucleosome) 染 色 絲 (chromatin) 串 珠 狀 (beads-on-a-string)

15 15 染 色 體 構 造 及 功 能 人 類 有 23 對,46 條 染 色 體 體 染 色 體 (autosomes) 前 22 對 性 染 色 體 (sex chromosomes) 第 23 對 XX( 女 性 ) XY( 男 性 ) 短 臂 (short arm, p) 長 臂 (long arm, q) 中 心 粒 (centromere) 染 色 體 圖 技 術 (karyotype) 有 絲 分 裂 中 期 (metaphase) 時 可 在 顯 微 鏡 下 看 到

16 16 有 絲 分 裂 (MITOSIS) 間 期 (Interphase) 細 胞 不 分 裂 的 時 期 DNA 複 製 2 個 姊 妹 染 色 絲 體 前 期 (Prophase) 染 色 體 漸 漸 收 縮 核 仁 核 膜 分 解 紡 錘 絲 開 始 出 現 中 期 (Metaphase) 後 期 (Anaphase) 從 中 心 粒 分 開 成 兩 個 染 色 分 體, 向 兩 極 移 動 末 期 (Telophase) 核 膜 核 仁 重 新 出 現 細 胞 質 分 開 染 色 體 排 列 在 赤 道 板 染 色 體 收 縮 最 大 值

17 17 減 數 分 裂 (MEIOSIS) 包 含 一 次 DNA 複 製 二 次 染 色 體 分 裂 與 有 絲 分 裂 的 差 別 發 生 在 生 殖 細 胞 同 源 染 色 體 配 對 ( 前 期 ) 染 色 體 互 換 (meiotic crossing over) 造 成 基 因 重 組 (genetic recombination), 發 生 在 前 期 染 色 體 數 目 減 半

18 18 配 子 形 成 (GAMETOGENESIS) 配 子 (gamets) 又 稱 生 殖 細 胞 (germ cells) 發 生 於 生 殖 腺 女 性 : 卵 子 形 成 (oogenesis) 男 性 : 精 子 形 成 (spermatogenesis) 女 性 在 出 生 前 四 周, 卵 子 第 一 次 減 數 分 裂 開 始 進 行, 會 停 留 在 前 期, 形 成 初 期 卵 子 (primary oocyte), 等 到 青 春 期 開 始 後, 才 會 完 成 後 續 的 減 數 分 裂, 形 成 卵 子 新 突 變 常 發 生 於 配 子 形 成 時 期 年 紀 愈 大, 突 變 機 率 愈 增

19 19 PATTERNS OF GENETIC TRANSMISSION - 基 因 傳 遞 的 形 式

20 20 基 因 傳 遞 的 形 式 孟 德 爾 (Gregor Mendel) 奧 地 利 的 神 父,1865 年 進 行 豌 豆 實 驗 發 現 遺 傳 定 律 分 離 率 成 對 同 源 染 色 體 分 開, 分 別 進 入 兩 配 子 獨 立 分 配 率 配 子 形 成 時, 每 對 遺 傳 因 子 的 分 配 是 各 自 獨 立 的 指 不 同 基 因 座 的 對 偶 基 因 的 分 配 是 各 自 獨 立 的, 故 基 因 型 AaBb 可 以 產 生 AB, Ab, Ab, ab 四 種 配 子 僅 適 用 於 單 基 因 形 成 的 表 現 型 (phenotype)

21 21 單 一 基 因 遺 傳 ( 孟 德 爾 遺 傳 ) 體 染 色 體 顯 性 遺 傳 (autosomal dominant, AD) 體 染 色 體 隱 性 遺 傳 (autosomal recessive, AR) 第 1~22 對 染 色 體 X 染 色 體 遺 傳 (X-linked) 第 23 對 染 色 體 基 因 座 (locus) 中 有 兩 個 對 偶 基 因 (allele) 對 偶 基 因 若 相 同 同 質 性 (homozygosity) 對 偶 基 因 若 不 同 異 質 性 (heterozygosity) 兩 個 對 偶 基 因 形 成 基 因 型 (genotype) 表 現 型 (phenotype)

22 22 體 染 色 體 顯 性 遺 傳 (AUTOSOMAL DOMINANT INHERITANCE, AD) 只 要 出 現 一 個 突 變 對 偶 基 因 時, 就 會 得 病 顯 性 遺 傳 疾 病 的 特 色 男 女 得 病 的 機 率 相 同 得 病 的 子 女 通 常 會 有 一 個 得 病 的 父 母 異 型 合 子 者 的 子 代 得 病 機 率 有 50% 疾 病 垂 直 傳 遞 (vertical transmission) 新 突 變 (new mutation) 亦 可 能 出 現 AD 疾 病 父 母 不 會 有 病 AD 疾 病 常 因 突 變 引 起 軟 骨 發 育 不 全 (achondroplasia) 神 經 纖 維 瘤 (neurofibromatosis)

23 23 外 顯 性 與 表 現 度 外 顯 性 (penetrance) 一 個 對 偶 基 因 能 表 現 的 機 率 不 一 定 所 有 帶 有 致 病 基 因 者 都 會 發 病 不 完 全 外 顯 (incomplete penetrance) 隔 代 遺 傳 (skipping of generations) 表 現 度 (expressivity) 一 個 對 偶 基 因 表 現 之 後, 表 現 的 程 度 相 同 外 顯 性 下, 不 同 個 體 的 表 現 型 亦 會 不 同 (variable expressivity)

24 24 體 染 色 體 隱 性 遺 傳 (AUTOSOMAL RECESSIVE INHERITANCE, AR) 要 出 現 兩 個 突 變 對 偶 基 因 時, 才 會 得 病 帶 原 者 (carrier): 帶 有 一 個 突 變 對 偶 基 因 隱 性 疾 病 的 特 色 男 女 得 病 機 率 相 同 得 病 的 子 女, 其 父 母 通 常 沒 病, 但 均 是 帶 原 者 近 親 通 婚 時, 子 代 得 到 稀 有 疾 病 的 機 會 增 加 得 病 者 其 手 足 會 得 病 的 機 率 為 25% 水 平 傳 遞 (horizontal transmission) 囊 胞 性 纖 維 症 (cystic fibrosis) 鐮 刀 型 貧 血 (sickle cell anemia)

25 25 X 染 色 體 遺 傳 (X-LINKED INHERITANCE) X-inactivation(Lyon hypothesis) 特 色 男 性 得 病 機 率 較 高 得 病 的 男 性, 其 致 病 基 因 由 母 親 遺 傳 男 性 不 會 遺 傳 給 男 性 男 性 患 者 的 女 兒 皆 為 帶 原 者 斜 的 傳 遞 (oblique transmission)

26 26 非 孟 德 爾 遺 傳 基 因 印 記 (genomic imprinting) 粒 線 體 遺 傳 (mitochondrial inheritance) 雙 基 因 遺 傳 (digenic inheritance) 預 期 與 三 連 體 重 複 序 列 疾 病 (anticipation and triplet repeat disorders)

27 27 基 因 印 記 (GENOMIC IMPRINTING) 基 因 的 表 現 取 決 於 是 遺 傳 至 父 親 或 母 親 與 甲 基 化 (methylation) 有 關 甲 基 化 不 活 化 去 甲 基 化 表 現

28 28 基 因 印 記 (GENOMIC IMPRINTING) 只 有 少 數 的 疾 病 是 因 基 因 印 記 造 成 Prader-Willi syndrom 父 親 的 chr15q11-q13 缺 失 兩 個 來 自 母 親 的 chr15 Maternal uniparental disomy Angelman syndrom 母 親 的 chr15q11-q13 缺 失 兩 個 來 自 父 親 的 chr15 Paternal uniparental disomy

29 29 粒 線 體 遺 傳 (MITOCHONDRIAL INHERITANCE) 粒 線 體 位 於 真 核 細 胞 的 細 胞 質 中, 真 核 細 胞 中 平 均 有 1000~10000 個 粒 線 體 粒 線 體 DNA(mitochondrial DNA, mtdna) 雙 股 環 狀 DNA, 與 位 於 細 胞 核 的 DNA 不 同 每 個 mtdna 包 含 個 鹼 基, 其 中 有 37 個 基 因, 可 用 來 製 造 2 種 rrna 22 種 trna 與 13 種 蛋 白 質 特 色 母 系 遺 傳 (maternal inheritance) 母 親 可 傳 遞 給 兒 子 和 女 兒, 但 只 有 女 兒 能 將 其 mtdna 傳 給 後 代

30 30 粒 線 體 遺 傳 (MITOCHONDRIAL INHERITANCE) 粒 線 體 中 有 數 百 個 mtdna 正 常 與 突 變 的 mtdna 均 會 複 製, 且 隨 機 分 配 到 兩 個 分 裂 的 子 細 胞 中 同 質 體 (Homoplasmy) 分 配 到 均 是 正 常 mtdna 或 均 是 突 變 mtdna 異 質 體 (Heteroplasmy) 分 配 到 混 合 的 mtdna 正 常 與 突 變 mtdna 的 相 對 比 例 疾 病 表 現 的 程 度 不 同

31 31 雙 基 因 遺 傳 (DIGENIC INHERITANCE) 兩 個 不 同 的 基 因 發 生 兩 個 以 上 的 對 偶 基 因 突 變 雙 基 因 - 雙 對 偶 基 因 (digenic-diallelic) 雙 基 因 - 三 對 偶 基 因 (digenic-triallelic) 視 網 膜 色 素 病 變 (Retinitis Pigmentosa, RP) ROM1 及 peripherin 兩 個 基 因 均 有 heterozygous 或 homozygous 突 變 才 會 發 病 前 腦 發 育 畸 形 症 (Holoprosencephaly) 遺 傳 性 聽 力 障 礙

32 32 預 期 與 三 連 體 重 複 序 列 疾 病 (ANTICIPATION AND TRIPLET REPEAT DISORDERS) 預 期 (anticipation) 為 一 種 現 象, 在 每 一 連 續 的 世 代 中, 可 預 期 到 逐 漸 增 加 地 疾 病 嚴 重 性 及 疾 病 發 病 年 齡 愈 早 與 重 複 序 列 (sequence repeats) 有 關, 尤 其 是 三 連 體 (triplet) 重 複 愈 多, 可 預 期 疾 病 愈 嚴 重

33 33 多 因 子 遺 傳 ( 多 基 因 遺 傳 ) 多 重 基 因 與 環 境 交 互 作 用 造 成 的 疾 病 特 色 一 等 親 的 再 發 病 率 會 高 於 其 他 親 戚 若 有 病 的 親 戚 愈 多, 再 發 病 的 機 率 愈 大 愈 嚴 重 或 愈 早 發 的 疾 病, 再 發 率 的 機 率 愈 大 有 病 個 體 的 性 別, 會 影 響 其 子 代 和 手 足 的 再 發 率

34 34 細 胞 遺 傳 學 及 染 色 體 疾 病 染 色 體 疾 病 包 含 兩 種 數 目 異 常 (aneuploidy and polyploidy) 結 構 異 常 (structural rearrangement) 微 小 缺 失 症 候 群 (microdeletion syndromes)

35 35 染 色 體 數 目 異 常 非 整 倍 數 (aneuploidy) 減 數 分 裂 時 染 色 體 不 分 離, 使 染 色 體 多 於 或 少 於 2 條 唐 氏 症 (Down syndrome) 第 21 對 染 色 體 有 3 條 (trisomy 21) 透 納 氏 症 (Turner syndrome) X 染 色 體 只 有 一 條 (monosomy) 三 套 體 可 以 活 產 的 只 有 第 對 染 色 體 (trisomy ) 多 倍 體 (polyploidy) 三 倍 體 (triploidy):69 條 染 色 體 四 倍 體 (tetrsploidy):92 條 染 色 體

36 36 染 色 體 結 構 異 常 缺 失 (deletion) 重 複 (duplication) 倒 位 (inversion) 易 位 (translocation) 環 狀 染 色 體 (ring chromosome) 等 臂 染 色 體 (isochromosome) 染 色 體 的 一 臂 複 製 ( 以 致 由 相 同 位 點 以 相 反 序 列 形 成 等 長 的 兩 臂 ), 而 另 一 臂 缺 失

37 37 微 小 缺 失 症 候 群 (MICRODELETION SYNDROMES) 染 色 體 缺 失 的 片 段 較 小 (< 百 萬 個 鹼 基 ) Velocardiofacial/DiGeorge syndrome(22q11) Williams syndrome (7q11.23)

38 38 THE HUMAN GENOME - 基 因 體 的 結 構 與 組 織

39 39 人 類 基 因 體 學 人 類 基 因 體 計 畫 (The Human Genome Project, HGP) 解 開 人 類 所 有 的 基 因 與 序 列 轉 錄 體 學 (transcriptome) 蛋 白 質 體 學 (proteome) 比 較 基 因 體 學 (comparative genomics): 基 因 演 化 基 因 調 控 學 (epigenome) 生 物 資 訊 學 (bioinformatics)

40 人 類 基 因 體 40

41 41 人 類 基 因 體 的 特 色 1. 在 基 因 上 DNA 的 編 碼 並 不 一 定 有 蛋 白 質 的 編 碼 Exons 只 佔 總 序 列 的 1.5% 2. 有 許 多 RNA 的 編 碼 並 不 會 轉 譯 成 蛋 白 質 ex. rrna trna 3. 人 類 基 因 在 染 色 體 上 的 分 布 並 不 均 勻 gene-rich & gene-poor regions

42 42 人 類 基 因 體 的 組 成 1. 假 基 因 (Pseudogenes) 2. 重 複 序 列 (repeat sequences) 3. 轉 位 子 (transposons)

43 43 1. 假 基 因 (PSEUDOGENES) 與 一 般 基 因 相 似, 但 無 蛋 白 質 編 碼 的 能 力 基 因 會 與 功 能 基 因 一 起 遺 傳, 假 基 因 帶 有 豐 富 的 生 物 性 及 演 化 的 紀 錄

44 44 2. 重 複 序 列 (REPEAT SEQUENCES) 1. Simple sequence repeats(ssrs or microsatellites) Repeats units of 1-10 base pairs(di-, tri-, tetranucleotide repeats, etc) as molecular makers 2. Semental duplications(sds, or low copy repeat, LCRs) Blocks of 1-300kb that are copied from DNA at one site and move to other sites through evolution.

45 45 3. 轉 位 子 (TRANSPOSONS) 1. Long interspersed nuclear elements (Account for 21% of the genome) 2. Short interspersed nuclear elements Ex. Alu Junk DNA? 3. 4.

46 46 THE HUMAN GENOME - 遺 傳 變 異

47 47 突 變 1. 遺 傳 性 突 變 (germline mutations): 與 生 殖 細 胞 相 關, 影 響 遺 傳 性 的 變 異, 對 子 代 有 影 響 2. 體 細 胞 突 變 (somatic mutations): 只 與 個 體 某 組 織 細 胞 有 關, 不 影 響 子 代

48 48 突 變 的 種 類 1. 基 因 體 突 變 (genome mutation): 影 響 染 色 體 的 數 目 (aneuploidy & polyploidy), 導 致 染 色 體 在 有 絲 分 裂 和 減 數 分 裂 時 發 生 錯 誤 分 離 (missegregation) 2. 染 色 體 突 變 (chromosome mutation): 改 變 染 色 體 的 結 構, 導 致 染 色 體 有 不 平 衡 的 重 複 (duplication) 缺 失 (deletion) 或 轉 位 (translocation) 3. 基 因 突 變 (gene mutation): 改 變 DNA 的 序 列

49 49 基 因 突 變 的 原 因 1. DNA 複 製 發 生 錯 誤 ( 自 發 突 變 spontaneous mutation) 細 胞 分 裂 時 遺 傳 基 因 的 複 製 發 生 錯 誤 2. DNA 損 傷 修 復 失 敗 ( 誘 發 突 變 induced mutation) DNA 修 復 系 統 缺 損 (DNA repair disorder) Ex. 共 濟 失 調 微 血 管 擴 張 症 候 群 (Ataxia telangiectasia) 布 隆 氏 症 候 群 (Bloom syndrome) 范 可 尼 綜 合 徵 (Fanconi syndrome) 著 色 性 乾 皮 症 (Xeroderma pigmentosum) 化 學 物 理 生 物 性 的 致 突 變 因 子 (mutagens) Ex. UV 雷 射

50 50 基 因 突 變 (GENE MUTATION) 點 突 變 (point mutation) 缺 失 插 入

51 51 點 突 變 (POINT MUTATION) 1. Transition: purine purine (A G or G A) pyrimidine pyrimidine (C T or T G) 2. Transversion: ( 較 不 常 見 ) pyrimidine purine or purine pyrimidine (C A or T G)

52 52 點 突 變 的 種 類 緘 默 突 變 錯 義 突 變 無 義 突 變

53 53 1. 緘 默 突 變 (Silent mutation): 編 碼 的 改 變 不 改 變 胺 基 酸 的 種 類, 不 影 響 產 生 的 蛋 白 質 2. 錯 義 突 變 (Missense mutation): 編 碼 的 改 變 造 成 胺 基 酸 種 類 的 改 變 佔 50 % 的 疾 病 病 因 突 變 3. 無 義 突 變 (Nonsense mutation): 編 碼 的 改 變 產 生 了 停 止 密 碼, 導 致 蛋 白 質 轉 譯 提 早 終 止

54 54 插 入 (INSERTION) 及 缺 失 (DELETION) 1. 對 少 數 的 鹼 基 造 成 影 響 佔 25 % 的 疾 病 病 因 突 變 移 碼 突 變 (Frameshift mutation): 鹼 基 數 目 的 增 減, 產 生 非 3 的 倍 數, 改 變 了 基 因 的 閱 讀 框 架 RNA 剪 接 突 變 (RNA splicing mutation) 2. 影 響 基 因 片 段, 改 變 基 因 結 構 Ex. 有 60% 的 杜 顯 氏 肌 肉 萎 縮 症 (Duchenne muscular dystrophy) 個 案 是 由 X 染 色 體 上 的 肌 肉 萎 縮 蛋 白 基 因 有 大 規 模 缺 失 所 致

55 55 單 核 苷 酸 多 型 性 (SINGLE NUCLEOTIDE POLYMORPHISM, SNPS) 一 個 特 定 位 置 上 的 單 一 核 甘 酸 產 生 變 異 每 1000 個 鹼 基 對 就 有 一 個 SNPs 包 含 在 編 碼 區 的 csnps 非 編 碼 區 的 noncoding SNPs

56 56 OTHER TYPES OF DNA POLYMOROHISM Simple sequence repeats(ssrs ) Repeats units of 1-10 base pairs Variables number of tandem reapeats(vntrs ) Repeats units of base pairs

57 57 COPY NUMBER VARIATION (CNVS) 1000 個 以 上 鹼 基 對 CNVs 會 影 響 基 因 表 現 或 表 行 多 型 性 等, 與 人 類 疾 病 相 關 Ex. DiGeorge Williams Prader-Willi syndromes 等

58 58 基 因 突 變 的 影 響 1. Loss-of-function mutations 2. Gain-of-function mutations 3. Dominant negative mutations 4. Epigenetic changes

59 59 LOSS-OF-FUNCTION MUTATIONS 突 變 使 基 因 轉 譯 的 產 物 降 低 或 失 去 功 能, 稱 低 效 能 對 偶 基 因 (hypomorph) 若 功 能 完 全 失 去 稱 null allele (amorph) 單 一 對 偶 基 因 不 足 性 (haploinsufficiency): 基 因 產 物 只 有 50% 正 常, 個 別 單 一 正 常 基 因 生 產 的 蛋 白 質 不 足 以 供 應 正 常 細 胞

60 60 GAIN-OF-FUNCTION MUTATIONS 突 變 使 基 因 轉 譯 的 產 物 增 加 蛋 白 質 的 功 能, 稱 高 效 能 對 偶 基 因 (hypermorph) 若 產 生 新 的 活 性 或 產 物, 稱 neomorph Example 軟 骨 發 育 不 全 (Achondroplasia): gene FGFR-3 突 變, 而 導 致 骨 骼 生 長 發 育 不 良

61 61 DOMINANT NEGATIVE MUTATIONS 轉 變 之 基 因 產 物 抑 制 或 阻 斷 野 型 的 蛋 白 質 作 用, 稱 antimorph Example1 馬 凡 氏 症 候 群 (Marfan syndrome) : Fibrillin gene(fbn1) 病 變 Example2 成 骨 不 全 症 (Osteogenesis imperfecta, OI) : 第 一 型 膠 原 纖 維 病 變

62 62 EPIGENETIC CHANGES 基 因 序 列 不 變, 由 甲 基 化 等 過 程 的 改 變, 不 適 當 的 甲 基 化 可 能 使 可 遺 傳 性 的 表 現 失 去 功 能 Ex: 腫 瘤 抑 制 基 因 p16(cdkn2a) 抑 制 promoter 區 位 的 甲 基 化, 而 非 DNA 序 列 的 突 變 同 一 種 基 因 可 能 會 導 致 不 同 的 疾 病 Ex: RET gene 失 去 功 能 - 先 天 性 巨 大 結 腸 症 (Hirschsprung disease) 增 加 功 能 - 內 分 泌 腫 瘤 第 二 型 (MEN 2)

63 63 影 響 遺 傳 變 異 的 原 因 1. Allelic heterogeneity 在 單 一 位 置 的 多 重 不 同 對 偶 基 因 表 現, 這 些 對 偶 基 因 可 致 臨 床 上 有 相 同 或 不 同 的 表 現 Ex: 超 過 1,000 種 CFTR 基 因 突 變 導 致 臨 床 病 變 : 囊 腫 性 纖 維 化 (Cystic Fibrosis) 2. Locus heterogeneity 因 兩 種 以 上 不 一 樣 的 位 置 / 基 因 突 變 有 相 同 表 現 型 的 產 物 Ex: 色 素 性 視 網 膜 炎 (Retinitis Pigmentosa): 突 變 的 基 因 超 過 10 個

64 64 醫 療 的 應 用 - 分 子 診 斷

65 65 分 子 診 斷 包 含 DNA RNA 染 色 體 蛋 白 質 或 是 某 些 代 謝 物 等 的 分 析, 來 偵 測 是 否 與 疾 病 相 關 的 基 因 型 突 變 表 現 型 染 色 體 核 型 的 遺 傳 性 利 用 血 液 體 液 或 組 織 等 細 胞 中 的 DNA 或 RNA 作 檢 驗 分 析 分 析 的 方 法 分 為 直 接 的 分 子 分 析 :DNA 定 序 (DNA seqencing) 非 直 接 的 分 子 分 析 : 連 鎖 分 析 (linkage analysis)

66 66 直 接 的 分 子 分 析 一 個 已 知 會 造 成 影 響 的 突 變 基 因, 檢 驗 高 度 風 險 的 家 庭 成 員 是 否 有 突 變 的 情 形 使 用 DNA 定 序 (DNA seqencing) 分 析 使 用 聚 合 酵 素 鏈 鎖 反 應 (polymerase chain reaction, PCR) 將 DNA 序 列 的 數 量 擴 大

67 67 DNA 定 序 (DNA SEQENCING) 1. 螢 光 標 記 2. 適 當 的 偵 測 系 統

68 68 聚 合 酵 素 鏈 鎖 反 應 (POLYMERASE CHAIN REACTION, PCR) (1) 變 性 反 應 (denaturation): 使 DNA 的 兩 股 分 離 (2) 緩 冷 配 對 反 應 (annealing) : 使 引 子 (primers) 與 目 標 DNA 配 對 (3) 延 長 反 應 (extension): 合 成 新 的 DNA 股

69 69 非 直 接 的 分 子 分 析 所 關 心 的 不 再 只 是 特 定 的 基 因 突 變, 而 是 包 含 突 變 性 基 因 的 特 定 染 色 體 連 鎖 分 析 (linkage analysis) 細 胞 減 數 分 裂 (meiosis) 過 程 中, 染 色 體 的 某 些 染 色 分 體 發 生 交 換 (crossover) 等 位 (alleles) 基 因 : 在 同 一 染 色 體 上 的 兩 個 基 因 相 近, 不 容 易 基 因 重 組, 容 易 一 起 遺 傳 可 以 使 用 已 知 的 DNA 序 列 作 為 生 物 標 記, 疾 病 基 因 與 此 標 記 的 位 置 愈 近, 一 起 遺 傳 的 機 會 愈 高 此 分 析 方 法 在 DNA 序 列 未 知 的 情 況 下 也 可 使 用 使 用 家 族 資 料 分 析

70 70 EXAMPLE OF LINKAGE ANALYSIS 家 族 資 料 疾 病 的 基 因 為 知, 但 是 知 道 此 基 因 與 maker A 和 B 有 連 鎖 染 色 體 的 同 位 基 因 有 A 和 B 則 發 病

71 71 醫 療 的 應 用 - 基 因 型 疾 病 的 治 療

72 72 基 因 型 疾 病 治 療 的 型 式 1. 臨 床 表 現 型 手 術 及 醫 療 介 入 2. 代 謝 或 生 化 方 面 的 功 能 障 礙 針 對 苯 酮 尿 症 (PKU) 和 尿 素 循 環 障 礙 者 進 行 飲 食 和 藥 物 控 制 3. 蛋 白 質 突 變 針 對 高 雪 氏 症 (Gaucher disease) 患 者 進 行 酵 素 取 代 療 法 4. mrna 突 變 5. 基 因 突 變 地 中 海 型 貧 血 的 骨 髓 移 植 治 療 或 嚴 重 複 合 型 免 疫 缺 乏 症 (SCID) 的 基 因 治 療

73 73 基 因 治 療 目 標 : 1. 將 缺 損 的 突 變 基 因 取 代 為 正 常 的 基 因 2. 延 緩 致 病 的 進 程

74 74 基 因 治 療 基 本 程 序 載 體 細 胞 含 正 常 的 治 療 基 因 目 標 細 胞

75 75 基 因 治 療 的 轉 移 標 的 1. 生 殖 細 胞 2. 體 細 胞 ( 人 類 的 基 因 治 療 皆 屬 於 此 類 ) 轉 移 正 常 基 因 致 組 織 的 體 細 胞, 有 兩 種 方 法 : 1) 體 外 (ex vivo) : 轉 移 基 因 至 體 外 的 細 胞, 在 將 細 胞 植 入 體 內 2) 體 內 (in vivo): 直 接 將 基 因 植 入 體 內 細 胞

76 76 基 因 治 療 的 載 體 1. 非 病 毒 載 體 2. 病 毒 載 體 ( 一 般 常 見 的 ) 病 毒 的 基 因 轉 換 成 人 類 的 正 常 基 因 優 點 : 相 對 而 言 是 容 易 進 入 接 受 細 胞 的 缺 點 : 有 不 良 反 應 或 病 毒 是 否 有 感 染 至 標 的 等 問 題

77 基 因 治 療 - RNA INTERFERENCE(RNAI) 77

78 78 RNAI 治 療 的 優 缺 優 點 1. RNAi 序 列 可 以 抑 制 特 定 的 標 靶 (high selectivity) 2. RNAi 的 治 療 目 標 可 以 是 任 何 種 類, 包 含 non-druggable target 3. RNAi 的 合 成 不 需 要 cellular expression system 或 複 雜 的 蛋 白 質 純 化 (protein purification) 或 摺 疊 (re-folding) 缺 點 1. RNAi 載 體 需 要 接 觸 細 胞 的 內 側, 而 一 般 的 小 分 子 或 蛋 白 質 藥 物 不 需 要 2. RNAi 抑 制 特 定 的 標 靶, 但 不 能 確 定 是 否 會 同 時 影 響 序 列 類 似 的 基 因

79 79 基 因 治 療 - 幹 細 胞 治 療 (STEM CELL THERAPY) 提 供 多 功 能 性 的 可 再 造 性 的 細 胞 用 於 因 疾 病 等 而 發 生 不 可 逆 傷 害 的 器 官 1. Embryonic stem cells: 由 囊 胚 細 胞 (blastocyst) 分 化 2. Adult(somatic) stem cells: 成 人 的 組 織 細 胞 3. Cord stem cells : 臍 帶 的 細 胞

80 80 藥 物 遺 傳 學 (PHARMACOGENETICS) 根 據 每 個 基 因 的 多 形 性, 研 究 藥 物 的 吸 收 分 布 排 泄 及 生 理 反 應, 廣 泛 應 用 於 新 藥 及 藥 物 標 靶 的 發 展

81 81 EXAMPLE OF PHARMACOGENETICS TRAIT- MALIGNANT HYPERTHERMIA(MH) The gene responsible for MH: RYR1 at 19q13.1 CACN2D1 CACNA1S 肌 肉 細 胞 上 的 肌 漿 網 不 斷 釋 出 鈣 離 子 由 麻 醉 藥 物 引 起 惡 性 高 溫 (MH)

82 82 醫 療 的 應 用 - 遺 傳 諮 詢

83 83 遺 傳 諮 詢 (GENETIC COUNSELOR ) 處 理 人 類 了 解 各 種 遺 傳 疾 病 的 發 生 之 過 程 : 1. 家 族 或 醫 療 紀 錄 與 疾 病 發 生 機 會 之 解 釋 2. 遺 傳 性 檢 驗 處 置 預 防 方 式 資 源 研 究 之 相 關 教 育 3. 面 對 有 風 險 時 的 取 捨 之 諮 詢

84 84 遺 傳 諮 詢 的 對 象 1. 父 母 親 其 中 一 位 以 上 有 染 色 體 易 位 的 情 形 時 2. 懷 孕 年 齡 大 於 35 歲 以 上 或 超 音 波 檢 查 發 現 異 常 時 3. 出 生 時 發 現 有 先 天 異 常 的 情 形 4. 幼 兒 發 展 遲 緩 5. 成 年 時 發 生 如 遺 傳 性 癌 症 症 狀 的 遺 傳 性 疾 病

85 85 族 譜 分 析 PEDIGREE SYMBOLS (Index patient) proposita propositus

86 表 現 及 臨 床 上 的 相 關 研 究 86

87 87 表 現 型 研 究 的 挑 戰 -1 遺 傳 與 環 境 的 交 互 作 用 Example1: 苯 酮 尿 症 (phenylketonuria;pku) 特 定 的 酵 素 缺 乏 + 接 觸 苯 丙 胺 酸 後 腦 部 發 展 異 常 Example2: 鐮 刀 型 貧 血 (Sickle Cell Anemia) 菸 草 暴 露 + α1-antitrypsin 血 紅 蛋 白 的 缺 陷 研 究 時 一 定 要 特 別 注 意 如 環 境 等 其 他 有 可 能 會 產 生 偏 差 的 干 擾 變 項

88 88 表 現 型 研 究 的 挑 戰 -2 表 現 型 的 複 雜 性 (1) Gene locus heterogeneity Example1: 硬 化 性 結 節 症 (Tuberous Sclerosis Complex,TSC ) 兩 種 類 型 TSC1 或 TSC2 的 基 因 突 變 Example2: 眼 睛 皮 膚 白 化 症 (Oculocutaneous albinism) 多 個 基 因 中 的 其 中 一 個 以 上 發 生 突 變, 造 成 黑 色 素 (melanin) 合 成 的 障 礙

89 89 表 現 型 研 究 的 挑 戰 -2 表 現 型 的 複 雜 性 (2) 表 型 模 擬 (phenocopy) 環 境 的 改 變 影 響 一 個 或 多 個 基 因 的 表 達, 即 因 特 殊 環 境 條 件 下 造 成 非 遺 傳 性 的 表 型 修 飾 與 突 變 型 的 表 型 相 仿