疾病的分子生物学

第九章疾病的分子生物学2022/11/141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疾病的分子生物学人类疾病如白血病、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2022/11/143疾病的分子生物学基因结构的改变；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2022/11/144疾病的分子生物学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

2022/11/145疾病的分子生物学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2022/11/146疾病的分子生物学一、基因突变的类型点突变是单个碱基的替换缺失是一个或多个核苷酸的丢失插入是一个或多个核苷酸的增加倒位是一段核苷酸序列染色体位置的改变基因突变还分为配子突变与体细胞突变动态突变指串联重复拷贝数随世代的传递而改变2022/11/147疾病的分子生物学脆性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2022/11/148疾病的分子生物学脆性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)2022/11/149疾病的分子生物学（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)2022/11/1410疾病的分子生物学1.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。2022/11/1411疾病的分子生物学2.无义突变(nonsensemutation)UUA(亮氨酸)UAAUAC(酪氨酸)UAGUAG、UGA、UAA终止密码子2022/11/1412疾病的分子生物学3.同义突变(synonymousmutation)：密码子发生改变,所编码的氨基酸不变。例如：CUU

CUC

CUG→亮氨酸2022/11/1413疾病的分子生物学4.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2022/11/1414疾病的分子生物学（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。2022/11/1415疾病的分子生物学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2022/11/1416疾病的分子生物学CFTRproteinMSD1MSD2Pre-mRNAATGTGACOOHNH2PlasmaticmembraneNormalsplicingAberrantsplicingmRNACFTRExonsCFTRexon9aberrantsplicing2022/11/1417疾病的分子生物学三、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。2022/11/1418疾病的分子生物学镰刀形细胞贫血症2022/11/1419疾病的分子生物学疾病的分子生物学20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2022/11/14疾病的分子生物学单基因病的特点：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。2022/11/14疾病的分子生物学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

疾病的分子生物学一、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。2022/11/14疾病的分子生物学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疾病的分子生物学【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。ChromosemeXXq28qp

G6PD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

疾病的分子生物学（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。2022/11/14疾病的分子生物学二、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2022/11/14疾病的分子生物学二、血红蛋白病（一）血红蛋白分子及其基因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。2022/11/14疾病的分子生物学二、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疾病的分子生物学人α-珠蛋白基因簇及α珠蛋白基因结构疾病的分子生物学人β-珠蛋白基因簇及β珠蛋白基因结构

疾病的分子生物学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。疾病的分子生物学二、血红蛋白病（二）血红蛋白变异性疾病不稳定血红蛋白引起的贫血过快氧化造成的高铁血红蛋白血症（HbM）伴有红细胞增多的异常血红蛋白病镰状细胞病

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。

疾病的分子生物学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。疾病的分子生物学【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）疾病的分子生物学▲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Hb疾病的分子生物学

Hb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↑疾病的分子生物学

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HbS<40%、RBC寿命正常，但严重低氧时

RBC会发生镰状化。疾病的分子生物学疾病的分子生物学二、血红蛋白病（三）Hb表达减少或缺失-地中海贫血（MediteraneanAnemia）2022/11/14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。疾病的分子生物学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+

东南亚疾病的分子生物学基因突变类型异常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-地贫疾病的分子生物学三、其他基因缺陷导致的疾病（一）肌营养不良症（Duchennemusculardystrophy,DMD）杜兴氏症；DMD我国发生率1/3500，致病基因DMD已定位于Xp21.2-21.3，包含100个外显子，覆盖2300kb，编码3685aa肌营养素：dystrophin，在横纹肌、平滑肌、心肌细胞中表达，是细胞膜内侧膜蛋白。具有4个结构域；65%患者由于DMD基因缺失引起，提示大型基因容易受到染色体重排的影响而失活；程度较轻的贝克氏肌营养不良（BMD），也由于DMD基因片段缺失引起，但由于缺失未能造成下游基因读码框的改变，保留了下游蛋白质的部分功能。发病率可能近1/30000。疾病的分子生物学DMD于学龄前发病（多5~6岁），患儿由于肌肉萎缩、无力而导致行走困难，走路呈鸭行步态，腰椎前凸，从卧位站立过程中出现高尔斯氏征。多数伴肌肉假性肥大（并非肌肉发达,而是有脂肪组织浸润），尤以腓肠肌突出，亦可见翼状肩胛。患儿一般12岁前下肢瘫痪，心肌受损，20岁左右因心肌功能和呼吸能力丧失而死亡。BMD发病较晚，在约20岁发病，临床表现与DMD相似，但病程缓慢，心肌很少受损，一般可以生育并活到高龄。疾病的分子生物学三、其他基因缺陷导致的疾病（二）囊性纤维化（cysticfibrosis）

囊性纤维化跨膜传导调节蛋白(CFTCR)的基因突变所致，产生缺陷型蛋白，致使氯离子的转运障碍，黏液在呼吸道黏膜内淤滞，黏膜形成囊性增生，造成呼吸道堵塞；因反复感染，导致患者呼吸衰竭而死亡。疾病的分子生物学将重组CFTCR基因cDNA-病毒载体，用涂布鼻腔、或喷雾吸入气管及肺部等方法，转入患者呼吸道上皮细胞中，获得正常CFTCR基因的表达，纠正Cl＋转运缺陷，减少黏液分泌。GenetherapyofCF疾病的分子生物学三、其他基因缺陷导致的疾病（三）亨廷顿病（Huntington’sdisease）舞蹈病，以缓慢起病、进展的舞蹈病、痴呆为特征。患病率约为5/10万。影响纹状体和大脑皮质；常染色体显性遗传病；典型在30－50岁才出现症状；本病目前尚无法治愈，通常在起病后10－20年死亡。4号染色体短臂4p16.3的Huntingtin基因突变所致，基因产物为CAG三核苷酸重复扩增产生Huntingtin蛋白；正常人为11－34个CAG重复序列，HD为40个以上。疾病的分子生物学

血友病(Hemophilia)是一组遗传性凝血活酶生成障碍引起的出血性疾病。包括血友病A、血友病B、血友病C；前两者为X连锁隐性遗传，后者为常染色体不完全隐性遗传。

发病率5～10/10万，出生婴儿发生率1/5000，血友病A占85%

我国发病率2.7／10万，血友病A占80%第三节血友病疾病的分子生物学病因及遗传规律

血友病A血友病BFⅧ:C基因位于Xq28FⅨ基因位于Xq27

基因缺陷

FⅧ:C/FⅨ合成障碍内源性凝血活酶生成障碍出血

50疾病的分子生物学维多利亚女王这就是历史上著名的血友病A家系，其第一代致病基因携带者为19世纪英国的维多利亚女王，致病基因通过通婚而传到欧洲多个国家的皇室成员，因此，血友病A又被称为“皇室病”。疾病的分子生物学病因及遗传规律因为男性只含一个致病基因(XhY)即患血友病（A，B），而女性只含一个致病基因(XHXh)并不患病而只是携带致病基因，她必须同时含有两个致病基因(XhXh)才会患血友病（A，B）52疾病的分子生物学病因及遗传规律X性连隐性遗传性疾病男性患病，女性传递53疾病的分子生物学遗传规律54疾病的分子生物学血热炽感关节肿大关节变形疾病的分子生物学临床表现

重型FⅧ:C活性＜1％；肌肉关节自发性出血，血肿中型FⅧ:C活性1％-5%；小手术后可严重出血，偶有自发性出血轻型FⅧ:C活性5％-25％；手术或轻度外伤大出血56疾病的分子生物学第四节糖尿病

diabetesmellitus公元前2世纪“黄帝内经”已有“消渴”的认识1665年，小便多的病，希腊人又叫Diabetes（弯弯的泉水）1675年，英国William发现尿甜，加Mellitus（甜蜜）1889年，德国Mollium观察胰消化功能时，切除狗胰腺，其尿招惹成群苍蝇，该病与胰腺有关。1921年，加拿大Banting于多伦多在胰腺提取了一种激素，导致该病的明确。

57疾病的分子生物学lobalPrGojectionsfortheDiabetesEpidemic:2003–2025(millions)25.039.759%10.419.788%38.244.216%1.11.759%13.626.998%World2003=189million2025=324million增加72％81.8156.191%北美中美南美非洲欧洲亚州18.235.997%中东大洋洲疾病的分子生物学世界糖尿病患者人数排名和发展趋势1

2345678910印度中国美国俄联邦日本巴西印度尼西亚巴基斯坦墨西哥Ukraine所有其他国家19.416.0

13.98.96.34.94.54.33.83.649.7印度中国美国巴基斯坦印度尼西亚俄联邦墨西哥巴西埃及日本所有其他国家57.237.621.914.512.412.211.711.68.88.5103.6排名国家国家1995

(百万)2025

(百万)KingH,etal.DiabetesCare1998;21:1414–31.疾病的分子生物学

中国：糖尿病患病率IGT患病率

1980年：0.67%

1994年：2.51%2.5%

1996年：3.21%4.76%

2000年：6%

2002年：10.6%10.9%（改标准）

2008年：9.74％15.5％

2010年：10％(18岁以上)

增速远超预期！估算：糖尿病现患者9240万，糖尿病前期1.482亿！疾病的分子生物学

糖尿病是由多种病因引起以慢性高血糖为特征的代谢性疾病，由于胰岛素分泌或作用的缺陷，或两者同时存在，引起糖、蛋白、脂肪、水和电解质等一系列代谢紊乱。久病可引起多系统损害，病情严重或应激时可发生急性代谢紊乱。疾病的分子生物学病因

遗传环境因素自身免疫胰岛素分泌缺陷胰岛素作用缺陷疾病的分子生物学糖尿病分类

糖尿病病因学分类（1997，ADA建议）（一）1型糖尿病（B细胞破坏，胰岛素绝对不足）

1.免疫介导（急发型、缓发型）

2.特发性（二）２型糖尿病（胰岛素分泌不足伴胰岛素抵抗）疾病的分子生物学Ⅰ型糖尿病

Ⅰ型糖尿病(IDDM)为儿童及青少年最常见的内分泌疾病，一旦发病需终生注射胰岛素．其急慢性并发症是儿童及其成年后致死和致残的主要原因。不同国家Ⅰ型糖尿病的患病率有较大的不同，Ⅰ型糖尿病大约占总糖尿病患者的5%至10%，大多数糖尿病患者为Ⅱ型糖尿病。疾病的分子生物学Ⅱ型糖尿病90～95%为Ⅱ型糖尿病。胰岛素抵抗

胰腺代偿分泌使血糖水平维持在较为正常的范围内。失代偿后，胰岛素分泌模式开始出现异常，进餐后更加明显，使葡萄糖在血液中蓄积，血糖水平超出正常范围，引起Ⅱ型糖尿病。

体重增加、体育活动减少，Ⅱ型糖尿病中的这种情况会进行性加重。

疾病的分子生物学2型糖尿病相关基因1.胰岛素基因1.1胰岛素分子上的某一个氨基酸被代替，而此氨基酸对胰岛素的生物活性起关键性作用1.2胰岛素原转换为胰岛素的过程中，正常的咸基残端被裂开。B52突变（苯丙氨酸亮氨酸）INS一级结构改变----受体结合障碍。65位（精氨酸非咸性氨基酸）蛋白酶识别点消失INS加工障碍胰岛素原在C肽和B链之间断裂妨碍受体识别疾病的分子生物学2型糖尿病相关基因2.胰岛素受体基因12345678910111213142122胰岛素结合区富含半胱氨酸区域选择性可剪切外显子前受体胯加工区酷氨酸激酶信号肽外显子胰岛素受体基因结构图疾病的分子生物学2型糖尿病相关基因3.葡萄糖激酶基因1b1c2378910ExonGCK结构示意图4561a有研究表明，在少年起病成年型病人中发现了葡萄糖激酶（GCK）基因的改变及该酶活性下降。血糖增高GCK表达葡萄糖6-磷酸葡萄糖胰岛素分泌肝糖元合成疾病的分子生物学2型糖尿病相关基因4.糖原合成酶基因在周围组织对葡萄糖的非氧化摄取、合成糖原的过程中，糖原合成酶（GSY）基因产物起到重要作用。这一过程的受阻可引起周围组织对胰岛素的抵抗，常伴高血压，并常有明显的家族遗传倾向。在2型糖尿病患者GSY基因中发现了双核苷酸复序列多态性（TG）。它位于19号染色体载脂蛋白C-2及富含组氨酸的钙结合蛋白基因之间，拥有10个等位基因，杂合度0.82，在2型糖尿病发病及胰岛素抵抗中的作用机制尚待进一步研究。疾病的分子生物学2型糖尿病相关基因5.载脂蛋白基因群糖尿病患者多合并有血脂和脂蛋白成分的异常，是引起糖尿病血管病变的一个重要危险因素。载脂蛋白（Apo）在脂类代谢中起重要作用，目前国际上已从分子生物学领域对Apo基因多态性进行分析，发现了2型糖尿病与ApoA1、C3、B等基因相关联。研究最为深入的当属Apo-B。疾病的分子生物学2型糖尿病相关基因6.线粒体tRNA基因线粒体（mt)基因突变糖尿病是1992年以来发现的以母系遗传、血糖升高，多数伴耳聋为主要特征的特殊类型的糖尿病，占2型糖尿病发病率的0.5%~1.0%。疾病的分子生物学

1型糖尿病

2型糖尿病

遗传易感HLA有关联

强

环境

病毒感染

危险因素自身免疫ICA、IAA、GAD65

未发现

机制

胰岛素绝对不足

胰岛素抵抗、分泌缺陷胰腺病理

残存10%B细胞

残存30%B细胞以上

胰岛素

低

释放延迟；高；低

年龄

青少年

成年人

症状