疾病的分子生物学

2020/9/171第九章疾病的分子生物学遗传病基因病染色体病单基因病多基因病指生殖细胞或受精卵的遗传物质发生突变或畸变所引起的疾病。多基因病是一种异质性疾病，是遗传因素和环境因素相互作用而形成的一种特殊生命过程，伴组织器官形态、代谢和功能的改变。遗传因素环境因素染色体病苯酮尿症糖尿病（少年型）消化性溃疡强性传染病维C缺乏症唇裂腭裂强直性脊椎炎高血压病结核病2020/9/173人类疾病如白血病、恶性肿瘤、糖尿病、神经退行性疾病、心脑血管、高血压等发生和发展都涉及到有关蛋白质及其复合物的结构、功能和相互作用异常。疾病本质是蛋白质功能紊乱，是各种原因引起蛋白质质和量的改变。基因结构与表达异常与疾病2020/9/174基因结构的改变；受细胞调节因素或其它因素影响使基因表达发生改变；外来的致病基因；蛋白质翻译后加工及降解发生变化。疾病产生的分子机制2020/9/175第一节基因结构改变与疾病一、基因突变二、基因突变的遗传学效应三、结构基因变异导致的疾病2020/9/176自发性复制错误碱基脱落或部分脱落活性氧族物理因素紫外线电离辐射化学因素烷化剂碱基类似物修饰剂DNADNA突变的原因病原生物基因的整合2020/9/177一、基因突变的类型1.点突变是单个碱基的替换2.缺失是一个或多个核苷酸的丢失3.插入是一个或多个核苷酸的增加4.倒位是一段核苷酸序列染色体位置的改变5.基因突变还分为配子突变与体细胞突变6.动态突变指串联重复拷贝数随世代的传递而改变2020/9/178脆性X综合症强直性肌营养不良3´非翻译区CTG拷贝数过度增加；Huntington舞蹈病编码区CAG拷贝数过度增加；Friedreich共济失调症内含子CAA拷贝数过度增加。CCG拷贝数过度增加2020/9/179脆性X综合征“CCG”重复发生在FMR1（脆性X智力低下基因1）的5´非翻译区，拷贝数不稳定。8~50拷贝(正常人)52~200拷贝(携带者)200~1000拷贝(患者)2020/9/1710（一）遗传密码突变二、基因突变的遗传学效应1.错义突变(missensemutation)2.无义突变(nonsensemutation)3.同义突变(consensemutation)4.移码突变(frame-shiftmutation)2020/9/17111.错义突变（missensemutation）指DNA改变后mRNA中相应密码子发生改变,编码另一种氨基酸,使蛋白质中的氨基酸发生改变。有些错义突变不影响蛋白质或酶的生物活性,不表现出明显的表型效应。2020/9/17122.无义突变(nonsensemutation)UUA(亮氨酸)UAAUAC(酪氨酸)UAGUAG、UGA、UAA终止密码子2020/9/17133.同义突变(synonymousmutation)：密码子发生改变,所编码的氨基酸不变。例如：CUUCUCCUG→亮氨酸2020/9/17144.移码突变一个或多个（非三个）碱基发生缺失或插入引起阅读框变化2020/9/1715（二）基因突变影响hnRNA剪接基因突变发生在hnRNA一级结构上特定的剪接位点，形成新的剪接位点或使正常剪接位点消失，导致hnRNA剪接错误，产生异常的mRNA，最终产生异常的蛋白表达产物，导致疾病发生。2020/9/1716真核生物基因的剪接位点：由内含子的5′端“GT”和3′端“AG”，及内含子和外显子内的其它调控元件共同决定。EXON1INTRON1EXON2EXON1EXON2EXON1INTRON1EXON2hnRNASplicing?是否2020/9/1717CFTRproteinMSD1MSD2Pre-mRNAATGTGACOOHNH2PlasmaticmembraneNormalsplicingAberrantsplicingmRNACFTRExonsCFTRexon9aberrantsplicing2020/9/1718三、结构基因变异导致的疾病结构基因变异导致蛋白质的一级结构改变，进而改变蛋白质的理化性质。2020/9/1719镰刀形细胞贫血症2020/9/1720世纪初到80年代，由于技术限制，生物大分子缺陷所导致的疾病的早期研究成果基本上来自于对单基因罕见遗传性疾病的研究，这些研究为常见病的分子机制的研究打下了坚实的理论基础，并开发和积累了相应的技术能力。这些疾病中最常见的包括：代谢酶类缺陷血红蛋白病其他基因缺陷导致的疾病第二节单基因病的发病机制单基因病的特点：易于通过生化手段分析常具有组织特异性易于推断其可能的致病蛋白的特点遗传单纯性使得研究在缺少技术储备的条件下可以获得重要成果。2020/9/17常见单基因病疾病名称发病频率(‰)遗传方式致病基因典型症状血友病A0.1X连锁凝血因子Ⅷ不规则出血血友病B0.03X连锁凝血因子Ⅸ不规则出血杜氏肌营养不良0.3X连锁肌营养因子肌萎缩贝氏肌营养不良0.05X连锁肌营养因子肌萎缩脆性X综合征0.5X连锁FMR1智力障碍舞蹈病0.5常染色体显性舞蹈病因子痴呆神经纤维0.4常染色体显性NF-1,2癌变珠蛋白生成障碍性贫血0.05常染色体隐性珠蛋白基因簇贫血镰刀细胞贫血0.1常染色体隐性β珠蛋白基因贫血,局部缺血苯丙酮酸尿0.1常染色体隐性苯丙氨酸羟基化酶无苯丙酮酸代谢能力囊性纤维化0.4常染色体隐性CFTR进行性肺损伤及其他一、代谢酶类缺陷（一）苯丙酮尿症1934年发现，患儿智力低下，尿中含有大量苯丙酮酸，认为可能与苯丙氨酸代谢酶类缺陷有关。1953年，证明是由于苯丙氨酸羟化酶缺陷引起。苯丙氨酸羟化酶基因被克隆，发现酶缺陷的主要原因是基因的错义突变、缺失、剪接突变。治疗：早期可通过控制苯丙氨酸的摄入量来缓解。2020/9/17蛋白质苯丙氨酸酪氨酸3、4-二羟苯丙氨酸黑色素苯丙酮酸苯丙酮尿苯丙氨酸羟化酶缺乏（苯丙酮尿症）肾酪氨酸酶缺乏（白化病）苯丙氨酸代谢图解发育障碍【临床表现】杂合子患者，正常情况下体症并不明显，但在某些诱导因子（氧化剂类药物或感染）作用时，溶血出现加剧。属于X伴性连锁遗传病。ChromosemeXXq28qpG6PD位于Xq28，基因占有18.5kb的区域，编码的成熟mRNA长度2269bp，翻译出的肽链约59KD。【发病机制】基因的点突变G6PD缺陷溶血（二）葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺陷（二）葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺陷G6PD缺陷有400余种变异，其中56种的确切位点已知，大多数涉及氨基酸替代并引起酶活的部分丧失。氨基端突变症状较轻，羧基端突变酶活丧失较多。如果这个重要的代谢酶活性完全丧失，个体将不可能正常发育到出生。2020/9/17二、血红蛋白病是一类典型的单基因突变作为病因最好的例证。血红蛋白(hemoglobin,Hb)其分子所涉及到的两个主要基因座位上，至少已证明有超过500种不同类型的基因突变，其中90%以上属于单核苷酸突变。这些突变引起了许多完全不同的表型：镰状细胞贫血、高铁血红蛋白血症珠蛋白生成障碍性贫血2020/9/17二、血红蛋白病（一）血红蛋白分子及其基因2020/9/17血红蛋白珠蛋白血红素2×α链2×β链有功能的血红蛋白分子：将氧气从肺泡带到各种组织。二、血红蛋白病（一）血红蛋白分子及其基因α基因簇，16pter→p13.2α-LCR（α位点控制区）Ψζ1ζ2Ψα2Ψα1α2α1θβ基因簇，11pter→p15.4β-LCR（β位点控制区）εGγAγψβδβ人α-珠蛋白基因簇及α珠蛋白基因结构人β-珠蛋白基因簇及β珠蛋白基因结构从胚胎到成人珠蛋白表达变化612182436出生612182430(Wk)5040302010%αβγζεδ人类的血红蛋白在个体发育的不同时期具有多种组成形式。二、血红蛋白病（二）血红蛋白变异性疾病1.不稳定血红蛋白引起的贫血2.过快氧化造成的高铁血红蛋白血症（HbM）3.伴有红细胞增多的异常血红蛋白病4.镰状细胞病在血红素结合区域或构象维持的关键氨基酸残基，以及亚单位结合位点发生氨基酸替代的基因突变，导致Hb对氧的亲和力改变。珠蛋白的血红素口袋血红素红细胞过早的被网状内皮系统清除贫血Anemia1.不稳定Hb引起的贫血（AnemiainducedbyinstabilityofHb）无血红素的珠蛋白在红细胞内沉积轻者重者直接引起溶血任何基因突变，如果造成血红素口袋周围的氨基酸替代或缺失，影响血红素和珠蛋白的结合能力，都可能造成该变化。已有100多种不稳定Hb被鉴定，其中3/4发生在珠蛋白β基因。【临床表现】先天性家族性紫绀【发病机制】由于血红素口袋周围的氨基酸残基被替代，产生多出一个配位键，使血红素中Fe2+过快变成Fe3+，处于脱氧状态而不能结合氧。2.高铁血红蛋白血症（Methemoglobinemia,HbM）▲1种珠蛋白突变β链Val→Glu谷氨酸的游离羧基+Fe2+结合Fe3+高铁Hb▲6种珠蛋白突变His→Tyr酪氨酸侧链羟基+Fe2+稳定的配位键失去携氧功能Fe3+高铁HbHb构象变化和对氧亲合力↑能引起Hb氧亲和力高的基因突变有50多种，常见基因突变类型：▲位于α1β2（或α2β1）亚基接触面的氨基残基发生了取代；▲β珠蛋白肽链羧基端和2，3-磷酸甘油酸结合位点发生了氨基酸取代；▲血红素口袋四周的氨基酸被取代。3.伴有红细胞增多的异常血红蛋白病（Abnormalhemoglobinsyndromewitherythrocytosis）Hb对氧亲合力↑氧离曲线左移Hb释放氧↓组织缺氧代偿性RBC增多症RBC生成↑4.镰状红细胞贫血（Sicklecellanemia）珠蛋白第6位Glu→Val，产生HbS。相对缺氧▲纯合子HbSHbS形成束状结构合并为纤维束RBC膜变形成为镰状腹痛和肌肉、骨骼疼痛、病变组织坏死脾脏血液的粘滞度↑、低氧程度↑镰状RBC破坏▲杂合子HbSRBC内HbS40%、RBC寿命正常，但严重低氧时RBC会发生镰状化。二、血红蛋白病（三）Hb表达减少或缺失-地中海贫血（MediteraneanAnemia）2020/9/17珠蛋白基因合成产物的减少，称为α+和β+地中海贫血；珠蛋白产物的完全缺失，称为α0和β0地中海贫血。β地中海贫血发生的分子机制类型机制表型易患群体缺失融合蛋白HbLepore:7K缺失→融合蛋白β0,βLepore意大利珠蛋白基因缺失619bp缺失β0印度RNA合成缺失RNA剪接缺失内含子1剪接受位异常AG→GGβ0非洲启动子突变ATA框突变：ATAA→GTAAβ+日本RNA加帽位点异常RNA加帽位点突变：A→Cβ+亚洲多A信号缺陷AATAAA→AACAAAβ+非洲无功能RNA无义突变密码子39：CAG→UAGβ0地中海密码子16的单bp缺失：UGGGGCAAG移码突变GUGAAG→UGGGCAAGGUGA（终止）β0印度改变剪接的编码区突变中性突变密码子24：GGU→GGAβ+非洲错义突变密码子26：GAG→AAGβ+东南亚基因突变类型异常Hb氨基酸变化临床特征错义突变HbShuangfengα27Glu→Lys(GAG→AAG)不稳定Hb病HbSβ6Glu→Val(GAG→GUG)镰刀型细胞贫血HbBibbaα136Leu→Pro(CUG→CCA不稳定Hb病无义突变HbMckeesRocksβ145Tyr→终止(UAU→UAA)不稳定Hb病终止密码突变HbConstantSpringα142UAA→CAA------α-地贫(延长：142Gln------173UAA)密码子缺失HbGunHillβ91～95缺失不稳定Hb病密码子插入HbGradyα118与119间插入3个氨基酸无明显症状移码突变HbTakβ147UAA→ACUAA---不稳定Hb病---158UAA(Thr)融合突变HbLepore-Bostonδ87(Gln)-β116(His)β-地贫HbKenyaγ81(Leu)-β86(Ala)β-地贫三、其他基因缺陷导致的疾病（一）肌营养不良症（Du