遗传学:内在的宇宙

第二章

遗传学基础

你将在本章学到什么

在本章中，你将学习以下基本知识:

• 基因做什么，如何做;
• 为什么计算和生物医学工程是重要的;
• DNA的结构;而且
• 我们的遗传密码如何与我们表达的任何特征联系起来。

警告(或挑战):这一章很重。

这是作为书中其他部分的参考。这里有很多信息。

你不需要理解或记住所有这些来掌握基因检测的关键思想。

你可以随意浏览这一章，跳过它，然后再回来……不管你喜欢什么。

如果你刚开始了解遗传学，或者只是想复习一下，我们建议你至少学一点这方面的内容。

如果你已经完成了遗传学的研究生课程，那就继续轻松地学习吧。

快速回顾关键术语

在进入本章之前，让我们先学习一些基本术语。

（您还可以在我们的术语表中找到任何加粗的术语．)

DNA是一种生物分子，拥有创造所有生物的密码。

有趣的似是而非的!

有些病毒没有DNA。有些(如细小病毒)具有单链DNA基因组。有些病毒(如痘病毒)具有双链DNA基因组。大多数都有某种RNA基因组。

基因DNA中是否有编码特定指令的区域蛋白质．

如果基因有名字，我们用斜体字写出来，像这样:FGF21．这有助于我们将它们与相应的蛋白质名称区分开来。

例如:

• 的FGF21基因(斜体)编码一种叫做成纤维细胞生长因子21 (FGF21)的蛋白质(没有斜体)。
• 的TAS2R38基因编码了一种叫做味觉受体2成员38 (TAS2R38)的蛋白质。

变体相同的基因被称为等位基因或多态性．

例如，你的耳垢类型是由一种名为“。”的基因控制的ABCC11(顺便说一下，这也与你的汗臭有关)。如果你有这种基因的两种变异/等位基因中的一种，你就会有湿耳垢;如果你有第三种变异/等位基因，你的耳垢就会变干。

遗传学对基因的研究，它们是如何工作的，有多特别特征(如眼睛颜色)是由父母传给后代的(称为遗传)．

一个基因的表达可以影响两个或两个以上明显不相关的过程或特征。我们会在具体的话题中看到这样的例子，比如新陈代谢。这被称为基因多效性(源自古希腊语pleion，或“更多”，以及对流层，或“方式”)。一个基因的变异可能会产生各种各样的影响。

我们的基因型是我们的遗传密码;我们的表型当代码与我们的环境交互时是如何实际表达的。同一基因型可能有不同的表型。不同的环境(例如，我们的活动，我们的营养，我们接触毒素，等等)可以改变我们可观察到的特征(例如，我们的生理或行为)。

图2.1:基因型与表达性状的关系

表观遗传学是研究基因表达的激活和抑制是如何被调节的。同样的基因“蓝图”可能被用来表达不同的东西;例如，锻炼可以激活参与抗氧化反应的基因的表达。我们可能已经拥有了这些基因，但锻炼会影响它们的表观遗传表达。

一个基因组是生物体遗传信息的完整集合。例如，人类基因组计划研究了人类的完整遗传密码。

在这本书中，我们将讨论基因检测．

一般来说，这并不意味着我们要测试整个基因组。正如你将了解到的，整个人类基因组的信息量非常非常大。我们有大约22000个基因，大约30亿个碱基对，或成对的核苷酸在我们的DNA链中。(稍后我们将了解更多关于核苷酸的知识。)

通过基因检测，我们通常检测单个基因或单核苷酸多态性(SNP)这只是一个基因中一个核苷酸的单点突变。同一基因中可以有多个SNPs;最广泛使用的snp在非编码区．

非编码区是遗传密码的一部分，不编码任何蛋白质，它们被称为内含子．区域做蛋白质的编码被称为外显子．(我们将更多地研究编码区和非编码区第四章，并在下面拼接更多。)

图2.2:内含子、外显子和mRNA剪接

拷贝数变异(CNV)指的是遗传物质块是否重复，有点像有三只或三只以上相同的袜子而不是一双袜子。

CNVs还能影响基因的工作方式。例如，拥有多个制造淀粉酶的基因副本会增加我们分解直链淀粉的能力。这种变化可能反映了我们祖先的历史(例如，我们是否来自一个传统上吃高淀粉饮食的民族)，也可能与我们的体重有关。

图2.3:遗传物质的复制

图2.4:拷贝数变异(CNV)

基因是做什么的?

基因就是信息。

在现实世界中，当我们使用信息时，我们必须弄清楚一些事情:

• 如何传输和传输信息-如何把它从一个地方带到另一个地方而不丢失。
• 如何正确而仔细地再现信息。
• 如何存储信息所以它不会退化或占用太多空间。
• 我们如何接收和解释发出的信息信号。

基因及其相关的产物和过程在我们的体内完成这一切。

我们可以把基因看作是一个信息单位或一组制造某物的指令在这种情况下，是一种特定的蛋白质。

在真核生物的单元格(具有核和不同的细胞器被膜结合)，DNA被组织在其中染色体在原子核中。

当细胞分裂时，染色体被复制，DNA被复制。一旦细胞完成分裂，每个细胞都有自己完整的染色体。真核生物的大部分DNA储存在细胞核内，部分DNA储存在细胞器中，如线粒体或叶绿体(在植物中)。

从遗传学上讲，我们大约是父母的一半。但我们不是完全就像我们的爸爸妈妈。而且我们并没有精确到每种的50%。我们更像是各占49%左右的比例，再加上一些随机的突变那是偷偷溜进来的。

我们会学到更多关于突变的知识。

目前，重点是:

• 基因储存信息。
• 信息从父母传给后代。
• 这不是完美的每次都是传输。

当我们研究我们的基因，或者基因中的特定变异时，我们可以看到这种信息的传递。我们可以看到人与人之间的差异，即使是在同一个家庭里。

• 为什么会发生这种情况?
• 这是如何工作的呢?
• 这一切对你自己的遗传密码意味着什么?

为了解释，让我们从一个对你来说可能有点陌生的概念开始。

生物学就是计算。

大多数人倾向于认为生物学只是一堆湿软的小块。我们也可以把生物学看作是一种计算。

想象一下，你正试着给计算机编程去做某事。

电脑是很字面的，只做你告诉他们的，所以你要确保你绝对清楚。你还需要给计算机一些结构化的参数来做决定，否则它们会感到困惑。

例如，你可以告诉计算机:

如果这是真的，那么就做这件事。

如果今天是7月18日，那就送约翰·贝拉尔迪医生一张生日卡吧。

如果JB博士喜欢蛋糕，那就给他做点。

也许你的IF / THEN指令有条件:

如果JB博士喜欢蛋糕或者你喜欢蛋糕，那就做个蛋糕。

如果你在一个荒岛上，而今天是7月18日，那就用浮木拼出“生日快乐”。

生物学原理与此类似。

让我们想象一些简单的事情，比如细胞与外部世界之间的通信。

有些细胞受体(如一种特定类型的蛋白质)。这些受体与其他物质结合，比如其他蛋白质或更简单的分子。

每个受体都是挑剔的，只会结合特定的东西(这些特定的分子被称为配体)，就像一把钥匙只能开一两个锁一样。

图2.5:受体和结合位点

受体就像一个开关。如果有什么东西与受体结合，就会触发另一个事件，比如把开关打开。

所以，我们可以想象这样一种情况，我们细胞的“生物计算机”的指令是这样的:

如果受体A“打开”而受体B“关闭”，则由基因A合成蛋白质

如果基因A是活性的，而基因B是可用的，则从基因B中合成蛋白质。

注意，这看起来很像你在学校里学过的计算机代码:

如果xyz，那么做点什么。

相对于生物学而言，计算机仍然相当愚蠢。但在基本层面上，概念是相似的。

基因编码一系列指令，就像计算机程序，并积累问题，也像计算机程序。

计算机可以从零开始。从理论上讲，你可以制造一台计算机，它以一种前所未有的方式思考，使用以前从未有人使用过的组件。

生物系统不是这样工作的。他们只能使用他们继承的结构和系统(当然，还有任何新的突变，这只是一个更大的整体的一小部分)。

有时这可能意味着生物系统相当有效——也许进化已经做了很多工作来整理东西。

有时这些系统的效率可能较低。他们有很多计算机人所谓的“无用的东西”:杂乱和多余的垃圾，比如老设备或代码，它们只是四处游荡，要么什么都不做，要么就是把工作搞得一团糟。

生物学是工程学。

还记得高中化学中这样的图表吗?

图2.6:简单H₂0分子

(水)。

还是这些?

图2.7:简单的咖啡因和尼古丁分子

(这是咖啡因和尼古丁，也许是你高中最好的两个朋友，你反叛你。)

你可能会有这样的印象，即“分子”基本上是平坦的多边形和线条。

然而，分子是三维的。

所以水实际上看起来更像这样:

图2.8:三维H20分子

尼古丁看起来更像这样:

图2.9:三维尼古丁分子

人体内的分子结构也是如此。

例如，这是一个三维蛋白质(Cas9核酸酶，如果你想知道的话)，我们的合著者Alaina在她的实验室打印了:

图2.10:3D蛋白

你会注意到蛋白质不是抽象的线条，而是实际的、有形的物体。

如果你把尼古丁蛋白质放大一点，它就会像这样:

图2.11:3D尼古丁蛋白

蛋白质的物理形状会影响你与它相互作用的方式。同样的事情也发生在分子水平上。

例如，假设你有一种蛋白质，它的形状是这样的:

图2.12:钩状蛋白

它有一个直的一端和一个钩状的一端。

让我们想象一下三维的j型蛋白质在你的身体里移动。

然后它找到一种蛋白质，看起来像这样:

图2.13:眼栓状蛋白

会发生什么呢?如果条件合适，也许第一种蛋白质的钩状部分会附着在另一种蛋白质的眼睛状部分上，并粘在那里。

图2.14:钩蛋白和眼蛋白连接

蛋白质的物理形状决定了它们如何相互作用。

如果你有这个:

图2.15:柱状蛋白

那么j型钩就没有东西可以连接了

换句话说:形状很重要。分子的物理特性决定了它们是否以及如何与其他分子相互作用(或反应)。毕竟，生物学只是一大堆的反应，最终的结果是使某物有生命。

DNA是三维结构。

首先:首字母缩写“DNA”代表什么?

是的，前面那位举手的同学，答案是脱氧核糖核酸．

知道DNA的全名不仅能让你成为智力问答之夜的团队冠军，还能让你了解DNA是如何构建的，以及遗传学是如何工作的。这部分与DNA的物理形状以及分子如何结合在一起有关。

DNA链的形状像梯子，由两部分组成:

• 一个脱氧核糖“主干”，也就是DNA阶梯的侧壁。(核糖核酸核糖在这里。)
• 基地或核苷酸例如，梯子的梯级。

图2.16:DNA“阶梯”

核糖是一种单糖。“脱氧”的意思是“无氧”，所以“脱氧核糖”的意思是没有氧的核糖。

好的，现在想象一下，脱氧核糖实际上是一种t型的乐高积木，像这样:

图2.17:脱氧核糖“乐高”

想象一些乐高积木叠在一起，就像这样:

图2.18:脱氧核糖“乐高”堆叠

然后想象一下你正在玩乐高积木，你想指出哪边是向上的。

沿着堆栈画一个箭头，像这样。

图2.19:带箭头的脱氧核糖“乐高”堆叠

祝贺你。你刚刚构建了DNA的脱氧核糖主干。

而且，由于你有3个可以连接其他东西的临时部件，你也为DNA的特定单位建立了基础，称为a密码子(又名三个核苷酸序列)。

DNA使用计算。

除了想象一下，在DNA计算中，我们不是在计算数字，而是在计算氨基酸。

还记得我们的乐高积木吗?我们可以坚持基地,或核苷酸就在上面。碱基是核酸．

图2.20:脱氧核糖“主干”上的核苷酸

对于DNA，我们对核苷酸有4种选择:

• 腺嘌呤(一)
• 胞嘧啶(C)
• 鸟嘌呤(G)
• 胸腺嘧啶(T)

核糖核酸(我们一会儿会看到)给了我们另一个:尿嘧啶(U)，取代胸腺嘧啶。

其中两个核苷酸(A和G)很长。两个(C和T)是短的。所以在一条完整的DNA链中，短核苷酸和长核苷酸配对，反之亦然。

是这样的:

图2.21:短核苷酸对和长核苷酸对

蛋白质的核苷酸公式

你可以想象每个核苷酸就像一个盒子，里面有4种可能的核酸:a、C、G或T，就像这样:

图2.22:方框中的核苷酸

对于2个盒子，我们得到4 x 4个值= 16个可能的组合。

对于3个盒子，我们得到4 x 4 x 4个值= 64个可能的组合。

DNA编码蛋白质。蛋白质由氨基酸．所以DNA的一部分必须为特定的氨基酸编码。

我们需要制造大约20个氨基酸。

我们不能用一个盒子(只能包含4种可能的核苷酸中的1种)或两个盒子(只能给出16种可能的组合)来做到这一点。我们需要3盒。

因此，一个密码子是3个单位。生物数学! !

我们需要许多不同的3-核苷酸密码子来编码这20种氨基酸。把事情搞清楚会让人困惑。因此，研究人员提出了一些方法来帮助我们编目和解释密码子，例如密码子轮(如下所示)。

密码子轮可以在两个方向上帮助我们:我们可以破译一个特定的密码子编码什么氨基酸，以及密码子编码什么特定的氨基酸。

要阅读车轮，从中心开始。这是一个核苷酸。然后到外面，从4个里再选一个。再向外，从4个中选一个。

例如:

• 从中间的C开始→向外移动，选择另一个C→然后再次向外移动，选择U、C、a或G，就得到了氨基酸亮氨酸．
• 从中间的G开始→向外移动，选择一个A→然后再次向外移动，选择一个A或G谷氨酰胺．

你可能还注意到，一些氨基酸可以由多个核苷酸组合组成。

图2.23:DNA密码子轮

稍后我们将了解更多关于密码子及其工作原理的知识。

现在，只需要记住DNA的结构:

图2.24 DNA的基本结构

基因有“地理”。

DNA的形状不是随机的。

回到基因存储信息的观点，这种形状并不是偶然的。因为DNA乐高积木的组合方式:

• 这个分子非常稳定。
• 我们的身体可以以极高的保真度和准确性复制它。

这很好，因为正如我们稍后将看到的，我们真的不希望事情分崩离析或在复制时变得草率。错误一直在发生，但我们有生物校对器来捕捉它们。

还记得我们的核糖乐高吗?脱氧核糖是a碳水化合物，这意味着它有碳。在生物化学中，我们给碳编号。每个小乐高积木都有一个碳叫5 '(写为5 ')，另一个叫3 '(写为3 ')。

我们的身体总是以一定的顺序(因此有箭头)读取DNA:从5-prime到3-prime，而且它们的方向相反。一边是5 '到3 '的读数向上，另一边是5 '到3 '的读数向下。

图2.25 DNA片段的方向性

每个DNA片段的方向性非常重要。

想想你是如何阅读的。如果你读英语:

你从左到右阅读。

.我觉得那女孩太棒了

DNA解读的原理是一样的。它必须朝着一个特定的方向。

想象一下你正在制造一台读取DNA的机器。这是一台简单的计算机，所以它一次只能读取一个核苷酸。它沿着链向下扫描，从5 '读取到3 '，读取每个核苷酸的名称，像这样:

A c t t g A A t g c A t c

等等......它必须朝这个方向走，因为反向(从3 '读到5 ')将是完全不同的东西:

C t a C g t a a g t t C a

不同的“字母”，不同的意思。

DNA不只是在细胞中随机漂浮。它被包装成高度有组织的结构，紧紧地包裹在一种叫做组蛋白就像串在绳子上的珠子一样，这样大量的遗传物质就可以装进细胞核的狭小空间里。

如果没有线轴，你的DNA链大约有两米长。然而它们的空间只有千分之一毫米。

这种蛋白质- dna复合物叫做染色质，它构成了你的身体染色体．

图2.26:染色体结构

我们的染色体在空间中的折叠方式，以及在细胞核中的物理组织方式，可以显著影响基因的表达方式。

例如:

• 因素被称为增强剂它们增加了特定基因被转录的可能性，这些基因需要被定位在它们作用的区域附近。
• 的大部分表观遗传学(我们将在下面简要介绍)，或基因表达的调节，与之相关组蛋白修饰或者改变DNA包裹的组蛋白的物理结构。

索尔克生物研究所最近的突破性研究刚刚揭示了我们现在能够看到染色质在活细胞中是如何组织的。(以前，我们必须把细胞拆开才能看到这一点，所以我们无法看到染色质在“野外”是如何工作的。)

这项研究揭示了染色质被挤进细胞核的方式——它的形状和密度——影响着它的功能。

这意味着:

• 分子的形状很重要。形状影响着分子的工作方式，以及它们如何与其他分子相互作用。
• 因此，基因表达不仅与我们拥有的基因有关，还与它们的位置有关。
• 商业基因检测可以告诉我们一些我们拥有的特定基因，但不能告诉我们它们的物理组织方式。我们无法从商业测试中了解我们基因的地理位置，这意味着我们无法了解这些基因是如何表达的。

蛋白质是如何由基因构成的?

分子生物学的中心法则

所有这些加起来就是有时被称为分子生物学的中心法则: DNA到RNA到蛋白质。

• DNA是由三个核苷酸组成的密码子．
• 这些DNA密码子转录对于“中间”分子，信使核糖核酸．(我们将在一分钟内更详细地讨论这个问题。)
• 信使rna被读取，每个信使rna密码子被读取翻译变成一个氨基酸。
• 氨基酸结合在一起形成蛋白质。

因此，DNA的工作是存储信息来制造蛋白质。

所有的分子生物学都围绕着这个基本原理。

图2.27:DNA到RNA再到蛋白质

基因表达和蛋白质制造

制造蛋白质一般有两个步骤。它们合在一起叫做基因的表达。

1. RNA合成(转录):利用DNA的指令制造RNA。在这一步，双链DNA像拉链一样被“拉开”酶被称为聚合酶形成互补的RNA链。
2. 蛋白质合成(翻译):利用RNA的指令制造蛋白质。

RNA有很多功能，有几种类型，我们一会儿会讲到。

现在，我们将关注信使RNA (mRNA)。信使rna是DNA和蛋白质之间的中介。

在很长一段时间里，科学家们认为一个基因编码一个mRNA，然后编码一个蛋白质:如果你有100个基因，你会产生100个不同的mRNA，然后是100个不同的蛋白质。这样的话，如果你知道所有的基因，你就会知道所有的蛋白质。

实际情况要复杂得多。(警告:我们会经常提到这一点。比如，很多。)

RNA拼接

一个基因可以编码许多相关的蛋白质RNA拼接．

RNA剪接就像制作不同的电影剪辑——想想导演的剪辑，不同的结局，20周年纪念版剪辑，还有what-have-you-done-to-my-favorite-movie ? ?削减。

有些削减可能很小。有些可以完全改变电影(即表达的蛋白质)。

图2.28:DNA到RNA到剪接到蛋白质

现在，想象一下你的电影也充满了广告。你要看电影的片段。这很烦人。所以，想象一下，你重新剪辑电影，去掉广告，把所有的电影片段粘在一起，这样你就得到了一个不间断的完整长片。

你可以想想内含子(有时被称为“干预序列)作为广告。记住，内含子并不编码蛋白质。

你可以想想外显子(有时被称为“表达序列，就像电影本身一样。由于外显子编码蛋白质，从遗传学角度讲，它们就像是将要发生的事情的“故事”。

就像电影中去掉了恼人和无用的广告一样，mRNA被拼接后，所有的内含子都被去掉，只剩下表达序列外显子。

现在，有时会有一个小问题:我们的编辑很优秀，但并不完美。

所以，当我们的“mRNA电影”在RNA剪接过程中被“重新切割”时:

• 我们最终可能会得到一个完美的、没有商业广告的原版电影。只是一些漂亮的外显子粘在一起，不间断地，忠实地复制序列。
• 或者，如果发生了替代拼接，我们可能会从我们的电影中丢失一些场景。一些外显子可能会被切除。

图2.29:RNA剪接

在细胞核内外运送信使rna

记住，DNA和RNA主要存在于细胞核中。(在第六章我们会讲到另一种DNA，线粒体DNA)

在mRNA被用来编码蛋白质之前，它必须清除更多的障碍。进入mRNA输出。

• 信使rna需要离开细胞核核糖体的蛋白质制造工厂细胞质．
• 它还需要防止自身崩溃。如果它被分解(降级)，那么它就不能被使用。

你不希望RNA随机地逃离细胞核，就像你不希望给前任或老板的酒后短信在凌晨三点从你的手机里消失一样。

因此，你需要调节mRNA的降解和稳定性，这样它才能进入核糖体并被翻译成蛋白质。

核出口涉及到核转运受体通过a来陪伴信使rna核孔，这意味着试图将mRNA从细胞核中提取出来可能会成为一个瓶颈。

图2:30:RNA在核孔中的运动

一旦前体mRNA长大并成为成熟mRNA(通过剪接和一些附件保持稳定)，它就会被选择并移出细胞核。

成熟的mRNA有一堆额外的核苷酸卡在一端(3 ' poly-A尾巴)，这有点像鞋带上的塑料末端，可以防止鞋带磨损。在mRNA的另一端(5 '端)，它有一个帽(7-甲基鸟苷帽)。

帽和尾巴保护mRNA不被分解并保持其稳定。mRNA越稳定，它能制造的蛋白质就越多。

其他类型的RNA

除了pre-mRNA和mRNA，我们还需要其他几种类型的RNA来制造蛋白质。

• 转运RNA (tRNA)。tRNAs是携带特定氨基酸到核糖体的RNA分子。它们将mRNA密码子与各自的氨基酸相匹配。
• 核糖体RNA (rRNA)核糖核酸是一种RNA酶，它将核糖体中的氨基酸连接在一起，形成多肽链．记住,核糖体是信使rna被读取并与携带氨基酸的tRNA匹配的地方，然后这些氨基酸被组装成蛋白质。

其他rna，比如小核RNA (snRNA)，微rna (microRNA的),小干扰RNA (siRNA)-调节蛋白质的生成量和类型。

没有考试。

只需记住:

这可比“一个基因，一个蛋白质”复杂多了。

控制基因表达:从DNA到蛋白质

从DNA到蛋白质有5个步骤，通过信使rna的产生、加工和运输来控制。

1. 转录:从DNA合成RNA
2. RNA加工:RNA剪接
3. RNA出口:从细胞核中输出信使rna
4. 翻译:从信使rna合成蛋白质
5. 翻译后的处理:去除不需要的或有害的mRNA，这可能发生在蛋白质制造之前(有点像质量控制机制)

你的身体不会不断地从DNA中制造RNA。这是一个非常规范的过程。只有特定的基因在特定的时间被转录。

基因有三个控制区:

• 启动子
• 增强剂
• 结束符

所有基因的启动子和终止子(基本上是启动子和终止子)都是相似的。

但增强子区域不同。它们的变异使它们能够以某种特异性匹配转录因子，允许系统通过转录因子的存在和不存在来激活和失活某些基因的转录。

突变是如何发生的?

把核苷酸对想象成配对的袜子。理想情况下，洗完衣服后，你把所有的袜子都妥善分类并配对。有时候，这种情况会发生。有时候,不是。

有时你会弄丢或不匹配袜子——可能是一只袜子，可能是一双袜子，也可能是几双。有时候你甚至还能买到新袜子……甚至不是你的袜子．

同样的情况也会发生在DNA的核苷酸对上。这被称为突变-某种类型的核苷酸配对序列的永久性改变。这可能以几种不同的方式发生，原因也不同。

抗氧化剂和活性氧的例子

你可能听说过“抗氧化剂”这个词(例如，作为“超级食物”或维生素C和E的成分)。

但是为什么我们首先需要抗氧化剂呢?

在正常的新陈代谢过程中，我们创造了所谓的活性氧(ROS)．ROS是不稳定的含氧分子，是细胞呼吸作用的正常副产物。氧化损伤在细胞代谢过程中自然发生，有人估计每个细胞每天发生1万次。

通常，我们的细胞能够用自身的抗氧化系统来平衡氧化损伤。

然而，在环境压力下(如暴露于毒素)，ROS可以比细胞清除它们的速度更快地积累。这可以通过化学修饰核苷酸来引起突变，使其成为稍微不同的分子。

突变的类型和原因

周围有大量ROS是突变的原因之一。

氧化变化的发生还有许多其他方式，例如:

• 暴露于电离辐射(如x射线或放射性物质);
• 某些类型的化学品(如重金属或农药);
• 紫外线(两种核苷酸——胞嘧啶和胸腺嘧啶——对紫外线特别敏感);而且
• DNA复制/复制过程中的自发(和未纠正的)错误。

突变可以影响任何东西，从单个核苷酸到染色体的大规模改变。它们可以改变基因的结构和功能。

小的突变有时会产生大的影响，改变蛋白质的氨基酸组成:

• 替换突变:在密码子中，一个核苷酸与另一个核苷酸交换(例如，a与G或C交换)
  对于T)，它们可以是:
  • 沉默突变编码相同或足够相似的氨基酸(例如，CCA和CCT都产生脯氨酸)
  • 错义突变，它编码不同的氨基酸(例如，CCA产生脯氨酸，但CTA产生亮氨酸)。
  • 无意义突变，它们产生停止密码子并可以截断蛋白质(例如，TAC产生酪氨酸，而TAA发出“停止”信号)。这意味着一个细胞核糖体(蛋白质制造工厂)会在蛋白质拥有所有氨基酸之前停止生产蛋白质。因此，这会影响蛋白质的工作方式。

• 移码突变:有时，DNA复制过程可以插入或删除一个或多个核苷酸，这意味着整个阅读框已经发生了变化。框架之后的一切现在可能都是无意义的，或者该基因可能只是缺少了一些氨基酸。
  • 插入，顾名思义，在DNA中添加一个或多个额外的核苷酸。
  • 删除从DNA中去除一个或多个核苷酸。

图2.31:插入和删除

可以影响一个或多个完整基因的更重要的突变包括:

• 放大或重复或一个染色体的多个基因或区域的副本。
• 删除染色体的大部分，导致这些区域的一些基因丢失。
• 将先前分离的DNA块聚集在一起，这可能意味着不同的基因聚集在一起形成新的基因(称为基因重组)融合基因)．一个例子是日本血统的人肠道细菌中独特的海藻消化酶，研究人员推测这可能最初来自生活在海藻上的海洋细菌的基因。这种DNA从单细胞生物(如细菌)到多细胞生物(如人类)的“跳跃”被称为水平基因转移．
• 染色体易位这种情况发生在不相关的染色体交换部分时。
• 终端和间质删除这种情况发生在从单个染色体上去除一段DNA时。大量的缺失对生物体来说可能是严重的，甚至是灾难性的。二氏综合征它影响正常生长、发育和代谢的许多方面，是间质缺失的结果。
• 染色体倒置它们“翻转”了染色体片段的顺序。这些突变通常是良性的。
• 杂合度丧失或者从你从父母那里遗传的(可能不同的)一对基因中丢失一个等位基因，这样你就只能得到一个“正常”等位基因。

图2.32:其他突变

有时突变有可观察到的影响，有时没有。

例如:

• 基因可以部分或完全“失活”。这些被称为丧失突变,或灭活突变．例如，在雄激素不敏感综合征(AIS)在美国，一种突变使雄激素受体失活，并可能导致染色体为XY的人在生理上发育为女性。
• 基因的影响会越来越强。如果我们在基因组中有多余的基因副本(拷贝数变异，简称CNV)时，会有更多的基因副本被转录，效果会更明显。
• 基因可以改变它们的功能。例如，HBB的6号密码子突变，β-球蛋白基因(将氨基酸代码从谷氨酸转变为缬氨酸)可能意味着血红蛋白不能携带那么多的氧气。你可能知道这种突变就是镰状细胞性贫血。
• 有时候突变是有帮助的，可能会在我们的环境中给我们带来某种优势。有时它们是有害的。有时它们根本没有明显的效果。
• 在一种环境中赋予我们优势的基因突变(例如在食物稀缺且需要付出大量努力才能获得的情况下储存能量的能力)可能不会在另一种环境中赋予我们优势(例如，现在食物丰富、廉价且能量密集)。

然而，有时突变会杀死一个有机体。这些被称为致命的突变．虽然有一些例外，但如果你活到了成年，你很可能逃过了大多数主要的致命突变。

修复DNA损伤

身体如何达到我们之前提到的高保真度?通过精确地发现并快速修复一些更常见的突变。

就像工厂生产的质量保证过程一样，我们的身体在细胞周期的各个“检查点”仔细检查DNA损伤和质量。

如果“QA测试人员”发现损坏，他们(理想情况下)会停止“生产线”，暂停细胞分裂，并修复问题。

事实上，考虑到我们的基因组有这么多组成部分，我们的基因复制过程的有效性和效率是相当惊人的——精确到每10个主要错误中只有一个¹⁰(或10,000,000,000)核苷酸。试试找一家有这种精度的工厂吧!

我们的身体可以通过以下几种方式修复DNA损伤:

• 错配修复(MMR)当一组基因“注意到”DNA复制和重组中的错误时，就会发生这种情况。
  • 我们知道有7种DNA MMR蛋白(MLH1, MLH3, MSH2, MSH3, MSH6, PMS1和PMS2)在一个有序的过程中发现和修复东西。
  • 当MMR没有正确发生时，我们可能会得到所谓的微卫星不稳定性这意味着小的、可变的、高度突变的DNA块(又名微卫星)最终成为我们遗传物质的一部分。MSI与许多癌症有关。
• 基底切除修复(BER)而且核苷酸切除修复在复制过程中，修复损伤和物理损伤会导致DNA错配或断裂。BER / NER不足与癌症和神经退行性变有关。
• 非同源端连接(NHEJ)而且同源重组修复是修复双链病变或断裂的过程。你可以把双链断裂想象成你的DNA“梯子”在轨道之间被切断。这些都是最危险的DNA损伤类型。一个双链断裂就足以杀死一个细胞或破坏其基因组的完整性。
• 翻译合成(TLS)DNA聚合酶让未修复的损伤通过DNA复制的过程，随后被修复。

有时，关键突变不是发生在构成身体结构的特定基因上，而是发生在发现和修复错误的基因上。因此，遗传性疾病的发生是因为没有一个足够强大的“修复团队”。

你可以花一辈子的时间研究遗传学的细节。(见鬼，我们很难把这个“基础”章节控制在1万字以内。)

但如果你只是想掌握基因检测的基础知识，你不需要知道所有的细节。

只需要大致了解一下:

突变和变异是复杂的。

有时突变会在有机体繁殖之前将其淘汰。或者，即使生物体成功繁殖，突变也不会传递给它的后代。

有时突变并不影响繁殖过程(例如，它只影响60岁以上的人，或者它给了你一个滑稽的鼻子，但还是有人爱你)。

通常，基因突变和变异是可以遗传的，因此，它们会影响我们的健康、营养和健康。

在基因研究的早期，科学家们经常想知道单个基因是否会导致特定的疾病。例如，是否存在一种“癌症基因”?

我们现在知道，大多数疾病是多种因素共同作用的结果。

例如，乳腺癌易感基因1而且BRCA2基因变异在乳腺癌和卵巢癌的发展中起着重要作用。许多其他基因也有，比如参与DNA修复的基因。

图2.33:乳腺癌相关基因

不同类型的卵巢癌

这些变异不仅影响特定类型卵巢癌的起源，还影响其位置、临床进展和结果。

癌症等疾病不仅仅是一种“东西”。

它们是复杂的遗传和环境相互作用的结果。

我们将在整篇文章中强调这一点:

就像大多数偏好、健康风险和遗传特征一样，有许多复杂的、相互关联的因素。

几乎从来没有一个单一的基因必然会导致一个既定的结果。

我们分享的任何基因数据都只是进一步探索的线索。

表观遗传学:环境很重要。

你曾经遇到过不同的同卵双胞胎吗?不同的性格，不同的习惯，甚至不同的身体特征——尽管基因相同?

研究比较了同卵双胞胎中的一个锻炼或吃得有营养，而另一个不锻炼或吃得有营养时的情况。例如，一项研究比较了10对双胞胎。每对双胞胎中有一人定期锻炼;另一个是久坐不动的。

研究人员发现，更活跃的双胞胎更苗条，新陈代谢也更健康。与基因相同但不活跃的人相比，他们大脑中的灰质也更多。其他研究也发现了类似的结果。

为什么两个拥有相同基因蓝图的人不能完全复制彼此?

答案是表观遗传学即我们的基因是否正常表达了．

我们的环境(比如我们吃什么，我们周围的东西，我们的运动习惯，我们小时候发生的事情等等)会影响基因表达。

这有很多方式可以发生，比如组蛋白修饰。你会记得组蛋白是组成DNA包裹的一部分的蛋白质，它可以影响DNA部分被激活或抑制的方式。

对表观遗传学的全面讨论很酷，但超出了本书的范围。

这里只需要大致了解一下:

• 基因表达不仅仅依赖于我们在受孕时得到的基因蓝图。
• 仅仅知道我们的遗传密码(我们的基因型)并不足以完全理解它的含义，或者它如何塑造我们的表型(例如，我们的健康状况、患病风险、我们的身体特征，如身高等)。
• 许多其他因素也会影响特定基因的表达方式和是否表达。

接下来是什么

现在你已经掌握了一些基本知识，我们将探索基因测试是如何工作的，以及它们在寻找什么。