基因突变改变碱基排列

人类基因组(Human genome)约含有30亿个DNA碱基对，(5～10)万个基因，分布于23对染色体。

(一)突变

突变(mutation)是指遗传物质发生的可遗传的变异。广义的突变可分为两类：①染色体畸变，即染色体数目和结构的改变；②基因突变，狭义的突变，即一般所指的突变仅指基因突变。基因突变是指基因的核苷酸顺序或数目发生改变。仅涉及DNA分子中单个碱基改变者称点突变。涉及多个碱基的还有缺失、重复和插入。

基因突变可发生在个体发育的任何阶段，以及体细胞或生殖细胞周期的任何分期。如果突变发生在体细胞中，突变只能在体细胞中传递，因此体细胞突变不能直接遗传下代。生殖细胞的突变率比体细胞高，主要因为生殖细胞在减数分裂时对外界环境具有较高的敏感性。如果显性突变基因在生殖细胞中发生，它们的效应可能通过受精卵而直接遗传给后代并立即在子代中表现出来；如果突变基因是隐性的，则其效应就可能被其等位基因所遮盖。携带突变基因的细胞或个体，称为突变体，没有发生基因突变的细胞或个体称为野生型。

引起突变的物理因素(如X线)和化学因素(如亚硝酸盐)统称诱变剂。诱变剂诱发的突变称为诱发突变。由于自然界中诱变剂的作用或由于复制、转录、修复时偶然的碱基错配所产生的突变称为自发突变。人类单基因病大多为自发突变的结果，但自发突变频率(突变率)很低，平均每一核苷酸每一世代为10-10～10-9，即每世代10亿个核苷酸有一次突变。

(二)基因突变的种类

从DNA碱基顺序改变来分，突变一般可分为碱基置换突变、移码突变、整码突变及染色体错误配对和不等交换4种。

1.碱基置换突变　一个碱基被另一碱基取代而造成的突变称为碱基置换突变。凡是一个嘌呤被另一个嘌呤所取代，或者一个嘧啶被另一个嘧啶所取代的置换称为转换；一个嘌呤被另一个嘧啶所取代或一个嘧啶被另一个嘌呤所取代的置换称为颠换。碱基置换会导致蛋白质一级结构氨基酸组成的改变而影响蛋白质的酶生物功能。

2.移码突变　是指DNA链上插入或丢失1个、2个甚至多个碱基(但不是三联体密码子及其倍数)，在读码时，由于原来的密码子移位，导致在插入或丢失碱基部位以后的编码都发生了相应改变。移码突变造成的肽链延长或缩短，取决于移码终止密码子的推后或提前出现。

3.整码突变　或称密码子插入或丢失，是指DNA链的密码子之间插入或丢失一个或几个密码子，导致合成的肽链将增加或减少一个或几个氨基酸，但插入或丢失部位的前后氨基酸顺序不变。

4.染色体错误配对不等交换　减数分裂期间，同源染色体间的同源部分发生联会和交换，如果联会时配对不精确，发生不等交换，造成部分基因缺失和部分基因重复。这种突变常用于解释大片段多核苷酸的缺失和重复。

(三)单核苷酸多态性

单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)，主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。它是人类可遗传的变异中最常见的一种，占所有已知多态性的90%以上。SNP在人类基因组中广泛存在，平均每500～1000个碱基对中就有1个，估计其总数可达300万个甚至更多。

SNP所表现的多态性只涉及到单个碱基的变异，这种变异可由单个碱基的转换或颠换引起，也可由碱基的插入或缺失所致，但通常所说的SNP并不包括后两种情况。

在基因组DNA中，任何碱基均有可能发生变异，因此SNP既有可能在基因序列内，也有可能在基因以外的非编码序列上。总的来说，位于编码区内的SNP(coding SNP，cSNP)比较少，因为在外显子内，其变异率仅及周围序列的1/5，但它在遗传性疾病的研究中却具有重要意义，因此cSNP的研究更受关注。

从对生物遗传性状的影响上来看，cSNP又可分为两种：一种是同义cSNP，即碱基序列的改变并不影响其所翻译的蛋白质的氨基酸序列，突变碱基与未突变碱基的含义相同；另一种是非同义cSNP，指碱基序列的改变可使以其为模板翻译的蛋白质序列发生改变，从而影响了蛋白质的功能，这种改变常是导致生物性状改变的直接原因。cSNP中约有一半为非同义cSNP。

SNP自身的特性决定了它更适于对复杂性状与疾病的遗传解剖以及基于群体的基因识别等方面的研究：①SNP数量多，分布广泛；②SNP适于快速、规模化筛查；③SNP等位基因频率容易估计；④SNP易于基因分型。

对SNP进行基因分型包括三方面的内容：①鉴别基因型所采用的化学反应，常用的技术手段包括：DNA分子杂交、引物延伸、等位基因特异的寡核苷酸连接反应、侧翼探针切割反应及基于这些方法的变通技术；②完成这些化学反应所采用的模式，包括液相反应、固相支持物上进行的反应及两者皆有的反应；③化学反应结束后，检测反应结果所需要采用的生物技术系统。

1.药物基因组学　药物遗传学(pharmacogenetics)是在遗传学基础上发展起来的新学科，是研究遗传学多态性对药物反应(包括药物吸收、代谢、分布和排泄，药物安全性和耐受性，药物有效性)的影响的一门科学。药物基因组学(pharmacogenomics)是在药物遗传学的基础上发展起来的，以功能基因组学与分子药理学为基础的一门科学，它应用基因组学进行药物反应的个体差异的研究，从分子水平证明并阐述药物的疗效以及药物的作用靶位、作用模式和毒副作用。药物基因组学的实施，有赖于广泛、高效的检测，将基因组技术，如基因测序、统计遗传学、基因表达分析等用于药物的研究开发及更合理的应用。

基因检测等技术的发展为鉴定遗传变异对药物作用的影响提供了前提条件，可用高效的测定手段如凝胶电泳技术、聚合酶链反应、等位基因特异的扩增技术、荧光染色高通量基因检测技术，来检测与药物作用靶点或与控制药物作用、分布、排泄相关的基因变异。目前，基于SNP的连锁图谱开始构建，人们可利用SNP为工具对药物反应相关基因进行关联分析，即检测某个或某些SNP在不同药效反应人群中的分布频率差异，用以测定与药效相关的基因；基因表达谱的研究，可以探讨与疾病有关的基因和阐明药物的作用机制；差异基因表达解析，使用DNA微阵列技术即在固相上配置数千至数万个基因，与标记探针杂交，而探针中各个基因的表达量是已知的，因此与疾病相关的基因群网络和药物作用及毒副作用机制也可得到清晰的解明。如果能将所有SNP全部信息载入DNA芯片上，就可制造出“基因组扫描仪”，用来扫描各个个体，并分析它们在基因组成上的差异。随着高通量、高灵敏度和高特异度检测技术的发展，药物基因组学在临床合理用药中的应用显示出广阔的前景。

2.个体化医学　长期以来，人们已经习惯了针对同一种疾病按照相同的剂量服用同样的药物。但学科的发展已经使人们认识到，药物反应(包括疗效和毒性)存在着极大的个体差异，了解此类个体差异的机制，对于临床合理用药和新药开发均具有重要的意义。

随着人类基因组计划的完成，分子生物学技术和生物信息学的快速发展，药物遗传学和药物基因组学得到了强有力的推动，个体化医学的概念也在此背景下逐步发展起来。对于患相同疾病的不同患者，现在的用药方法是使用同样的药物；而在将来的个体化医学中，由于可以预测不同患者的不同药物效应，所以即使是治疗同一种疾病，医生也可能根据患者的遗传背景来选择最合理的药物与剂量。

要了解遗传因素对药物效应的影响，研究SNP功能的意义非常重要。根据人类基因组的研究资料，DNA的核苷酸序列在不同个体中至少有99.9%是相同的，但在任意选定的两个个体中，DNA序列可以有数以百万计的变异点，其中绝大多数都属于SNP。但必须注意的是，并非所有的SNP都有临床意义，对疾病发生和药物治疗有重大影响的SNP，估计只占数以百万计SNP的很小一部分。从数百万存在于整个基因组的SNP，到导致蛋白质氨基酸编码改变或基因表达调控改变的SNP，到导致蛋白质体外活力改变的SNP，到导致药物代谢动力学改变的SNP，最后到导致临床药物效应改变的SNP，SNP的数目每一步都在快速递减。怎样从数百万SNP中，找到确有临床意义的功能性SNP，是药物遗传学和个体化医学所面临的巨大挑战。

不同个体对于药物治疗的反应殊异可由多种因素造成，并产生不同的后果。就遗传因素而言，药物靶体的基因变异，会改变药物与靶蛋白间的相互作用；影响靶蛋白合成的有关基因变异，会改变药物的效应；药物运输蛋白的基因变异，会影响药物的吸收、分布和排出；药物代谢酶的基因变异，会改变药物的代谢；DNA修复酶的基因变异，会改变药物的安全性；谷胱甘肽合成酶或某些辅基合成酶的基因变异，会改变药物的代谢途径和安全性。就环境因素而言，药物代谢主要酶系细胞色素P450的表达诱导，可以使药物的疗效降低；P450的抑制药则可能引起药物与药物的相互不良作用。另外，年龄、疾病和炎症等生理因素的差异，也可改变药物的吸收、分布和排泄。目前阐明个体差异影响药物疗效的研究集中在药物靶蛋白分子的基因多态性、血浆药物结合蛋白的基因多态性、药物运输蛋白的个体差异、细胞色素P450酶系的基因多态性、细胞色素P450酶系诱导的个体差异等方面，用以解释药物疗效和安全性的个体差异，并根据以上的研究结果来改进药物的施用方案。

(四)短串联重复序列

短串联重复序列(short tandem repeat，STR)又称微卫星DNA(micro satellite DNA)，是一类广泛存在于真核生物基因组中的DNA串联重复序列。它由2～6bp的核心序列构成，重复次数通常在15～30次，DNA片段长度为100～350bp，由于STR很容易通过PCR扩增、电泳分型，所以是目前常用的遗传标记，特别是应用于法医学个体识别和亲子鉴定等领域，有诸多优点：①STR在人类基因组中广泛分布，等位基因多，杂合度高；②STR扩增片段短，一般为100～350bp，扩增率高，灵敏度比传统的DNA指纹高得多；③各个STR位点扩增片段长度近似，扩增条件相似，可进行复合扩增；④检测方法简单省时，且易实现自动化、标准化。