§3 基因疾病与基因诊断

人类的大多数疾病都与基因有关，基因诊断是从20世纪末才逐渐发展起来的诊断方法。基因诊断是运用基因诊断技术对与基因相关的疾病进行诊断，现已应用于肿瘤、遗传性疾病、传染病和个体识别等许多方面，且具有强大的潜在发展空间，必将在临床上发挥重要的作用。

名词解释

（一）染色体

染色体是细胞核中载有遗传信息的物质，在显微镜下呈圆柱状或杆状，主要由DNA和蛋白质组成，在细胞发生有丝分裂时期容易被碱性染料（如甲紫和醋酸洋红）着色，因此而得名。

人体的体细胞染色体数目为23对，其中22对为男女所共有，称为常染色体；另外一对为决定性别的染色体，男女不同，称为性染色体，男性为XY，女性为XX。在生殖细胞中，男性生殖细胞染色体的组成：22条常染色体+X或Y。女性生殖细胞染色体的组成：22条常染色体+X。（图3-1）

（二）生殖细胞

生殖细胞又称配子，是多细胞生物体内能繁殖后代的细胞的总称，包括从原始生殖细胞直到最终已分化的生殖细胞（精子和卵细胞）。生殖细胞均为单倍体细胞，其中包含一条性染色体。生殖细胞遗传信息的改变会延存至下代。物种主要依靠生殖细胞而延续和繁衍。（图3-2）

（三）体细胞

体细胞是一个相对于生殖细胞的概念，它携带的遗传信息不会像生殖细胞那样遗传给下一代。高等生物的细胞，除了精子和卵细胞之外，差不多都是体细胞。体细胞最终都会死亡，体细胞遗传信息的改变不会对下一代产生影响。体细胞的染色体数是经减数分裂得出的生殖细胞的2倍。例如，人类体细胞是双倍体（具有两套完整的染色体组），而精子、卵细胞则是单倍体（具有一套完整的染色体组）。在人类个体的体细胞中，通常含有来自亲代的1～22对体染色体，再加上来自母亲的X染色体，以及来自父亲的X或Y染色体，总共是46个（23对）染色体。（图3-3、图3-4）

（四）脱氧核糖核酸（DNA）

DNA又称去氧核糖核酸，是一种生物大分子，可组成遗传指令，引导生物发育与生命机能运作。主要功能是信息储存。其中包含的指令，是建构细胞内其他的化合物如蛋白质与核糖核酸所需。带有蛋白质编码的DNA片段称为基因（图3-5）。

（五）核糖核酸（RNA）

RNA存在于生物细胞中的遗传信息载体。RNA是由核糖核苷酸经磷酸二酯键缩合而成长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸、核糖和碱基构成。（图3-6）

（六）基因

带有遗传讯息的DNA片段称为基因，基因是产生一条多肽链或功能RNA所需的全部核苷酸序列。基因支持着生命的基本构造和性能，储存着生命的种族、血型、孕育、生长、凋亡等过程的全部信息。生物体的生、长、衰、病、老、死等一切生命现象都与基因有关，它也是决定生命健康的内在因素。（图3-7）

（七）基因突变

基因组DNA分子发生的突然的、可遗传的变异现象称为基因突变。基因虽然十分稳定，但在一定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式，就是在一个位点上，突然出现了一个新基因，代替了原有基因，这个基因称为突变基因，于是后代的表现中也就突然地出现祖先从未有的新性状。基因突变与肿瘤、流行性感冒（简称流感）、畸形等多种疾病的发生与发展密切相关。（图3-8）

（八）人类基因组计划

人类基因组计划于1990年正式启动，是由美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与的人类科学史上一项伟大工程。按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内约2.5万个基因的30亿个碱基对的密码全部解开，同时绘制出人类基因的图谱。截止到2003年人类基因组计划的测序工作已经完成，被认为是人类基因组计划成功的里程碑。（图3-9）

基因疾病及其分类

人类的绝大多数疾病都与基因有关，基因遗传、基因变异和外源基因入侵是引起基因疾病根本原因；基因改变引起各种表型改变，从而引起疾病的临床表现。

（一）按致病基因来源分类

1.内源基因的变异：由于先天遗传和后天内、外环境因素的影响，人类的基因结构及表达的各个环节都可发生变异，从而导致疾病。内源基因的变异分为基因结构突变和表达异常。

2.外源基因的入侵：各种病原体感染人体后，病原体特异的基因被带入人体，并在体内增殖，从而引起各种疾病。

3.遗传致病基因：遗传致病基因可导致显性或隐性遗传疾病，并可遗传给后代。（图3-10）

（二）按致病基因的数量分类

按致病基因的数量，基因疾病可分为单基因疾病和多基因疾病。

1.单基因疾病：一个基因的异常引起的疾病，从母亲或者父亲那里继承的突变基因相关。

2.多基因疾病：疾病的发生与多个基因有关，常见疾病如心血管疾病、糖尿病、大多数癌症、老年性痴呆等。

基因诊断及其特点

基因诊断是指利用现代生物学和分子遗传学的技术和方法，直接检测受检者的某一特定基因的结构（DNA水平）及其功能表达水平（RNA水平）是否正常，从而对相应的疾病作出诊断的方法。

基因诊断具有以下特点：

1.针对性强：基因诊断是直接检测受检者的某些特定基因正常与否，属于“病因诊断”，故针对性强。

2.特异性强：基因诊断是针对特定基因进行诊断，分子杂交选用特定基因序列作探针，因此特异性强。

3.灵敏度高：基因诊断所用的PCR等技术具有快速基因复制和放大效应，能显著提高基因诊断的灵敏度，从而达到早期诊断的目的。

4.适应范围广：基因诊断应用范围已从原先局限的遗传性疾病扩大到感染性疾病、肿瘤、心血管疾病等领域，今后必将进一步扩大。

基因的诊断依据

基因的诊断依据包括临床表现和实验室检测。通过不同的实验室检测方法，可对受检者体内存在的基因、蛋白质等进行检测和分析，从而为疾病的诊断提供依据。

（一）临床表现

临床表现是疾病诊断的重要依据，如遗传病、肿瘤、艾滋病、流感等与基因相关的疾病，会表现出具有各自特点的症状和体征，并可据此作出初步临床诊断。

（二）实验室检测

实验室检测技术包括细胞学检查、生物化学检查、免疫学检查和基因检测。

基因检测的分类

基因检测可分为诊断性基因检测、预测性基因检测和个体化用药基因检测（图3-11）。

基因检测标本

（一）标本种类

临床上可用于基因诊断的样品可以是任何有核细胞，包括血液、组织块、羊水和绒毛、精液、毛发、唾液和尿液等。应用聚合酶链反应（PCR）技术，样本可微量化到一个细胞。（图3-12）

1.外周血细胞。

2.活检标本、石蜡包埋的组织块。

3.沉淀细胞（唾液、痰液、尿液）。

4.羊水细胞、绒毛细胞、进入母体循环的胎儿细胞。

（二）标本采集与应用

基因检测标本可通过手术切除、刷检、脱落细胞采集（图3-13）等多种方法取得，标本按一定程序处理后即可进行基因检测。

基因检测方法

（一）基因检测流程

基因检测应按以下流程进行（图3-14）。

（二）基因检测步骤

基因检测应按以下程序和步骤进行（图3-15）。

基因诊断检测技术

基因诊断中常用的技术包括核酸杂交技术、聚合酶链反应（PCR）技术、DNA序列测定和DNA芯片技术。基因诊断，除上述基因检测技术外，还不可或缺地需要人类基因组测序、基因探针制作、基因芯片制作、基因观测技术和计算机分析等多方面的技术支撑。

（一）核酸分子杂交技术

1.核酸分子杂交原理：核酸分子杂交技术是其他各种基因诊断技术的基础，其原理是核酸变性和复性理论，即双链的核酸分子在某些理化因素作用下双链解开，而在条件恢复后又可依碱基配对规律复原形成双链结构。杂交通常在一支持膜上进行，因此又称核酸印迹杂交。核酸分子杂交程序图示如下（图3-16）。

2.核酸分子杂交方法：用已知序列核酸片段作为探针，经放射性或非放射性物质（地高辛、荧光素等）标记后，再与未知的目的核酸片段进行杂交反应；分离已杂交和未杂交的标记核酸链，通过标记信号的检测就可以对未知的目的核酸链进行定性、定量分析（图3-17、图3-18）。

（二）聚合酶链反应（PCR）

21世纪基因分析和基因工程技术有了革命性的突破，这主要归功于聚合酶链反应（polymerase chain reaction, PCR）的发展和应用。PCR是一种快速的DNA复制方法，应用PCR技术可以使特定的基因或DNA片段在短短的2～3小时体外扩增数十万至百万倍。扩增的片段可以直接通过电泳观察，也可用于进一步的分析。这样，少量的单拷贝基因不需通过同位素提高其敏感性来观察，而是通过扩增至百万倍后直接观察到，而且原先需要1～2周才能作出的诊断可以缩短至数小时。（图3-19）

（三）核酸序列分析法

核酸序列分析法是最确切的基因诊断分析法，它通过测定碱基排列序列而发现DNA的具体变异情况。核酸序列分析法，是建立在人类基因组计划的大规模核酸序列测序和计算机分析技术基础之上的基因诊断方法之一。（图3-20）

（四）基因芯片技术

基因芯片又称DNA芯片或DNA微阵列。基因芯片技术的基础仍然是利用核酸分子杂交原理，首先是指将大量寡核苷酸分子固定于支持物（玻璃片等）上，然后与标记的待检样品进行杂交，通过激光共聚焦荧光扫描系统检测杂交信号的强弱，再用特定的软件对荧光信号进行综合分析，从而判断样品中靶分子的数量，获取待测样品的大量基因序列信息或表达信息。基因芯片技术具有微型化、集约化和标准化的特点，按其用途可分为表达芯片、诊断芯片（检测与疾病相关的基因）、指纹图谱芯片（进行基因个体识别）、测序芯片（进行基因组比对）、毒理芯片（进行药物筛选）等，具有无限广阔的应用前景。（图3-21）

基因诊断的医学应用

（一）诊断感染性疾病

每种病原体都有各自特异的遗传物质，可以是DNA，也可以是RNA，每种病原生物都有各自种属特异的基因。一般侵入体内的病原生物可通过显微镜检查进行诊断。但是，直接检测病原生物的遗传物质可以大大提高诊断的敏感性。由于基因碱基配对原理的基因诊断可直接检测病原微生物的遗传物质，所以诊断的特异性也大为提高。目前，基因诊断已在病毒性肝炎、艾滋病等传染病的诊断中发挥了不可替代的作用。例如，HIV基因检测原理就是利用核酸检测的方法，直接检测HIV的DNA和RNA，该法已被应用于HIV感染早期诊断及艾滋病的治疗中。

（二）诊断遗传性疾病

遗传病是指遗传物质（基因）的异常和突变所导致的疾病，因此遗传病的诊断最本质和最直接的是检测出异常的基因。

从受精卵开始，每个人的基因组就已确定。因此，对遗传病高危妊娠妇女，基因诊断可以在胎儿出生前进行，甚至早在胚胎着床前进行，这对于减少遗传病儿的出生具有重要价值，也是目前对大多数尚没有理想治疗方法的遗传病最有效的预防措施。对于已经出生的遗传病病人，特别是如亨廷顿病等某些成年期才发病的病人，由于基因诊断可以在症状出现之前进行，因而能及早采取措施，避免疾病基因遗传给后代。（图3-22、表3-1）

（三）诊断恶性肿瘤

现在已经发现，恶性肿瘤细胞是由受伤的基因激活的，环境污染物、微生物、某些食品或药品等可能是造成基因损伤的根源。随着癌基因的发现和促癌基因与抑癌基因研究的进展，癌症是一类基因性疾病的理论已经成立。基因诊断癌症是根据DNA杂交原理，探测某种基因的存在与否、有无变异，区别变异基因属良性或恶性，从而达到诊断癌症的目的。基因诊断癌症准确率高，甚至对某些人表现出患癌倾向性都能作出预测。（图3-23～图3-25）

肿瘤的发生涉及多个基因、多种因素，发生过程呈多阶段性，发生的分子机制十分复杂，因此对不同的肿瘤要采用不同的基因诊断策略。

（四）器官组织移植配型

器官移植（包括骨髓移植）的主要难题是如何解决机体对移植物的排斥反应。理想的方法是进行术前组织配型。基因诊断技术能够分析和显示基因型，更好地完成组织配型，从而提高了器官移植的成功率。

（五）DNA指纹图谱的医学应用

人与人之间的某些DNA序列特征具有高度的个体特异性和终生稳定性，正如人的指纹一般，故称为DNA指纹。DNA指纹具有完全的个体特异性，其个体识别能力足以与手指指纹相媲美，因而得名。DNA指纹的图像在X线胶片中呈一系列条纹，很像商品上的条形码，每根条带代表一个基因片断。不同个体的差异，表现在谱带密度强弱、条带位置和条带数目上的差异。具有高度个体特异性的DNA指纹图谱，已成为目前最具吸引力的遗传标记，可用于个体识别、亲子鉴定和法医物证等诸多领域。（图3-26、图3-27）

基因诊断的发展趋势

基因检测目前多用于一种疾病的诊断，如珠蛋白生成障碍性贫血（地中海贫血）、艾滋病、乳腺癌的诊断等；今后基因检测将朝着对一类疾病如癌症、心血管疾病的检测和整体基因检测的方向发展（图3-28）。

在后基因组时代，我们可以提前预知自己会患什么样的疾病，并进行针对性的预防，远离疾病，人类的寿命将提高到120岁，甚至150岁。专家预测在今后的20～30年每个人都将拥有属于自己的基因身份证。