课件：多基因病的分子遗传学.ppt

多基因病的 分子遗传学 唐吟宇,主要内容： 第一节 多基因病的一般特征 第二节 多基因病的研究方法（重点难点） 第三节 糖尿病的分子遗传学,第一节 多基因病的一般特征,一 特征 1、病种多: 如高血压、冠心病、动脉粥样硬化、哮喘、高脂蛋白血症、糖尿病、胃及十二指肠溃疡、精神分裂症、风湿病、癫痫、甲亢、 唇裂、腭裂、先天性心脏病等。,2、发病率高 （群体发病率）： 家庭复发风险比较： 单基因遗传病：25%50%， 多基因遗传病：1%10%。 群体发病率比较： 单基因病：低于1/10000， 多基因病：超过1/1000，有些1%10%。,3、危害性大 （直接危害人类的生存与健康） 4、病因复杂 ( 遗传因素和环境因素） 5、微效性 6、累加作用 7、对其研究具有前沿性,多基因病是复杂疾病，遗传因素有以下特点： 1）参与发病的遗传因素多于一个，每个基因通过对中间 性状的影响直接或间接地促进疾病的发生； 2）每个基因参与发病的程度不同，大多数基因的作用较小， 但也可由一个或几个基因呈主基因效应； 3）每个基因只赋予个体某种程度的易患性，但每个基因的 作用不足以致病，也并非致病所需，需要多个基因累加 起来才会致病； 4）各基因参与发病的机制可能是，各自对不同的代谢途径 产生影响，疾病的最终发生是各基因在不同途径作用的 综合结果； 5）各基因致病效应的累积加上环境因素的作用构成了个体的 疾病易患性，当易患性超过一定阈值时即可导致疾病的发生。,二 概念（易患性与发病阈值） 1、 易患性（liability) 人群中易患性变异：呈正态分布。 2、发病阈值（threshold)： 易患性达到或超过一定的限度后就 会发病，该限度的易患性即发病值。,群体的易患性平均值： 从该群体的发病率作出估计，即群体 发病率是测量易患性平均值的依据。,3、 遗传度 (heritability) 多基因病的易患性由遗传因素 和环境因素共同引起，其中遗传因素 所起作用的相对大小称为遗传度（heritability）。,遗传度提供的其他信息： 若通过患者同胞发病率计算的遗传 度高于其他亲属发病率计算的遗传度， 或者遗传度超过100%，则提示单基因 遗传病的可能性。,三 复发风险的一般规律 1、 遗传度高低； 2 、患者亲属级别：一级亲属的发病率 为群体发病率的开方值; 3、 家庭中患者数量; 4 、患者病情严重程度； 5、 近亲婚配； 6、 性别。,第二节 多基因病的研究方法 当前对多基因病的研究，主要是 寻找疾病的主基因，或易感基因， 并试图阐明其遗传机制。 主要方法： 关联分析 (association study) 连锁分析 (linkage analysis) 基因组筛查 (genomic scanning) 候选基因研究 (candidate gene study),一、关联分析 (association study) 比较患者组与对照组某遗传标 记出现的频率，从而判断遗传标记 与疾病关系的研究方法。,关联分析，选择与疾病代谢有关的蛋白或酶的 基因作为候选基因，在其位置已知的情况下， 首先选取该基因内部或附近的多态性位点作为遗传标记。 然后进行病例-对照研究，比较病例组与对照组在 遗传标记位点等位基因出现的频率，如果遗传标记 位点的频率在病例组和对照组有显著差异，则该标记 与疾病关联。 对于复杂性状的多基因病，关联分析较连锁分析 更为有效。因为关联分析研究对象是病人和正常人， 无需家系资料；且更容易找出只有微弱效应的基因； 即使显示关联的标记不是造成疾病的变异，但很可能 与变异连锁。因此关联分析更适合于多基因遗传模式。,若差异极为显著，则遗传标记与疾病关联。 表明有三种可能： 1、遗传标记与致病基因座不在一 条染色体上； 2、 遗传标记与致病基因座在一 条染色体上； 3、遗传标记本身即致病基因座（与 疾病的发生机理有直接的关系）。 遗传标记主要是微卫星DNA（STR）和 单核苷酸多态性（SNP）。,二、连锁分析 (linkage analysis) 连锁分析是分析两基因在染色体上相互关系的方法，通常是应用已知位点的遗传标记，在患者家系中进行分析，从而确定该致病基因在染色体上的粗略位置。,连锁分析，是确定两个遗传标记或者更多遗传标记 之间的物理关系，以确定致病基因的位置。它根据生殖 细胞减数分裂时，染色体发生交换和重组的原理，如果 标记与特定基因位于不同的染色体，那么向子代传递时， 它们将会发生自由分离；反之，如果标记与特定基因位于 同一染色体且相距较近，在传递过程中，它们将不会发生 自由分离，而呈现共分离的现象（行为一致）。利用这个 原理，如发现某个标记物与疾病存在（很强的）连锁关系， 则可将疾病相关基因确定在和该遗传标记（非随机）共同 传递的区域。该方法的好处是它将致病基因限定在一个小 的范围内，以便进一步寻找引起疾病的突变。不足之处是， 不能直接发现致病基因，且很难收集到合适的大家系。 所以在探索多基因病相关基因的应用中受到一定限制。,三、基因组筛查 (genomic scanning) 是指在不需要事先了解该基因位置、生物学功 能、致病机制的情况下，利用高密度的多态性标记，通 过全基因组扫描，划定与疾病相关的易感区域，再在此 区域内选择适当的多态性标记精细扫描，然后根据连锁 分析的方法，评价疾病与标记物的相关性，从而定位与 疾病相关的染色体区域或致病基因。,其流程如下： 1、家系收集及基因组DNA提取； 2、微卫星标记或SNP标记的选择； 3、标记的引物合成和PCR扩增； 4、电泳检测（基因分型）； 5、等位片段分析（通过电脑）； 6、基因组扫描综合分析：计算LODS值（两基因 非随机出现的概率与随机出现的概率之比， 再取对数），若某个标记的LODS值大于3 （比值大于103），即可肯定标记与致病基因 连锁，进而将致病基因定位在标记所在区域内。,全基因组筛查：选择并使用覆盖23条 染色体上的、密度适当的遗传标记，结合家系 进行分析； 部分基因组筛查：选择并使用覆盖 某一条染色体或其部分区段上的、密度适当 的遗传标记，结合家系进行分析。,四、 候选基因研究(candidate gene study) 基于对代谢途径的认识(已知代谢途径）， 选择关键酶的基因,作为疾病的候选基因, 研究 其编码顺序或非编码顺序与疾病的关系。 即 研究患者中该基因的编码序列是否有基因突变； 非编码序列是否有多态性位点基因与调控关联 或与调控连锁。 确认或排除候选基因是否致病基因。 进而可能克隆疾病基因，用于基因诊断或 药物生产。,综上所述，目前对于多基因病易感基因的研究，主要有两种方法： 1、候选基因策略的关联分析； 2、全基因组扫描的连锁分析。,比较：对于多基因病而言，关联分析可能 比连锁分析更有效。因为关联分析相对于连锁分 析更易找到只有很微小效应的基因。而且不需要 很难找到的家系。 结论： 关联分析更适合于多基因遗 传的模式。,对几种方法作选择时需要考虑的因素： 家系、样本数、经费、已有资源、 研究时间、疾病等。,第三节 糖尿病的分子遗传学 糖尿病（diabetes mellitus，DM)，乃多基因病复杂性 的代表。是继肿瘤、心血管疾病之后第3位严重威胁 人类健康的重大疾病。全世界约有1. 5亿多患者，其研究 已经成为世界性的难题。 可分为： 胰岛素依赖性糖尿病（IDDM） I 型糖尿病 T1DM 非胰岛素依赖性糖尿病（NIDDM）II型糖尿病 T2DM 占 90% 发病率：城市近10%； 农村3%。,糖尿病，其遗传机制的复杂性历来 是遗传学家头痛的问题。 from headache to nightmare.,一、当前研究方法： 1、候选基因法 确定一个或数个在糖代谢中起重要作用的酶的基因， 在群体或家系中研究这个基因与发病的关系。 研究患者中该基因的编码序列是否有突变；非 编码序列是否有多态性位点与基因调控关联或连锁 （不平衡）。以确认是否致病基因。,候选基因有： 醛糖还原酶基因（AR）、 血管紧张素转换酶基因（ACE）、 血管紧张素原基因（AGT）、 一氧化氮合成酶基因（NOS）、 葡萄糖激酶基因（GCK）、 胰岛素基因、 胰岛素受体基因等。,2、遗传标记排除作图法（连锁分析法） 寻找与糖尿病发病相关的分子遗传学标记。 通常对糖尿病家系进行连锁分析，确定或排除 某一区段与糖尿病的尚未知的致病基因连锁。 这是对未知代谢途径研究的有效方法。 以上两种方法，既有区别，也有联系。,I 型糖尿病相关基因位点比较肯定， 主要有：IDDM115。 II 型糖尿病相关基因位点正在进行大量 研究，现已报道的阳性重复位点主要有： 20q12-13 、1q21-23 、 12p13、7q21 等。,二、主要候选基因或基因位点 （一） HLA II类抗原基因与 T1DM 的关联 1、HLA基因谱 HLA是多基因家族中的超基因，位于6号染色体短 臂。见示意图。,复等位基因数： II类基因区有4个亚区，每个亚区的等位基因数 分别是：DP区6个、D区26个、DQ区9个、DR区20个。 一条染色体上的每个亚区内都各有多个、链 基因，基因产物为糖蛋白。分别由各亚区、基因 合成和链，再形成非共价二聚体。,2、HLA-DR 和 HLA-DQ 与 T1DM 的关联 （1）DR3、DR4、DRw6 DRw8与 T1DM 关联。 （2）DQ基因区与 T1DM 的相关性比DR基因区更强。 例如，0.2%的美国人为 T1DM 所困，而携带DR3 和DR4的白人发病率是正常人的20倍。,（3）DQ 基因可能决定 T1DM 的易感性和耐受性。 （4）可能有某单倍型的几个位点共同参与了 T1DM 的易感性。,（二）其它1型糖尿病的易感位点 IDDM2 胰岛素基因 IDDM3 15q26 IDDM4 D11S1253-1374 IDDM5 6q25与雌激素受体基因连锁 IDDM6 18S478 IDDM7 2q31(谷氨酸脱羧酶抗体基因） IDDM8 6q25-27 IDDM9 IDDM10 D10S193-588 IDDM11 14q24.3-q31D14S67与糖尿病连锁 IDDM12 D2S272(2q33)（细胞毒素相关因子） IDDM13 D2S164（2q24) IDDM15 6q21(与HLA连锁）,虽已报道15个易感位点，但还会有新 位点发现。还需要进行研究以便确认或排 除。还需进一步精细定位，进而克隆易感 基因，阐明易感基因的生物学功能。,（三）胰岛素基因 人胰岛素基因位于11p15, 由1355bp组成，包 括3个外显子和2个内含子。5侧翼区是调节顺 序，启动子位于第一个外显子上游25bp处，第 一外显子上游168bp258bp之间的顺序为增强 子。该基因区称为IDDM2。,胰岛素是最为保守的生物大分子之一，哺乳 类动物之间的胰岛素基因结构差异很小。 人胰岛素基因突变很少发生在编码区，因此， 胰岛素基因突变不是糖尿病的主要病因。,在胰岛素基因5侧翼区，在距转录起始点363bp 处，有一个高度变异区（INS 5HVR），其重复单位 为14bp(ACAGGGGTGTGGGG),可将其作为一个 遗传标记。按此HVR的长度，可将其分为三型等位基因 型等位基因：小于600bp 重复40多次 型等位基因：600-1600bp 重复80多次 型等位基因：1600-2470bp 重复160多次,三型基因按孟德尔方式传递，人群中存 在六种基因型： / / / / / / 在欧美（高加索人种），糖尿病患者 型等位基因的频率显著高于对照。,（四）胰岛素受体基因 胰岛素作用于靶细胞需要胰岛素受体与 之结合。胰岛素受体是一种质膜糖蛋白， 它由连接胰岛素的两个亚单位和具有 酪氨酸激酶活性的两个亚单位组成。,胰岛素受体基因突变使受体与胰岛素的 结合性降低，产生靶细胞抵抗胰岛素的现象， 这主要是 T2DM 的特征。 总之，胰岛素受体基因突变可导致糖尿病， 但基因的保守性，决定其也不是糖尿病的主要原因。,（五）葡萄糖激酶（GCK）基因 GCK存在于肝脏和胰岛的细胞，GCK对 血糖的调节如下图：,血糖（-）,血糖（+）,细胞葡萄糖 感受器 （胰岛GCK）,胰岛素（+）,肝葡萄糖感受器（+） （肝GCK）,如果GCK活性降低，正常代谢平衡出现 紊乱，则导致血糖增高，引起糖尿病。,1、GCK基因结构及多态性 GCK基因定位于7p13,由12个外显子，11 个内含子组成。这12个外显子从5向3方向 依次命名为1B、1H、1C、2、3、4、5、6、7、 8、9、10，其中1B仅出现在胰岛细胞，而 1H和1C仅出现于肝细胞，其他外显子在两种 组织内相同。,这种组织特异性是由基因的特异 启动子所决定的，即组织不同启动子 不同，在GCK基因的不同部位转录， 形成各自特异的GCKmRNA。,在GCK基因区3端处，发现3个 （GC）n、2个（GA）n 不连续串联重复 序列，即GCK微卫星DNA多态性标志之一， 称为GCK-1。,现发现GCK-1含有七个等位基因，将含195bp的 等位基因命名为Z，其他六种分别为Z+2、Z+4、 Z+6、Z+8、Z+10、Z-15。它们的不同之处就在于上 述不连续双核苷酸重复序列长度不同，如Z+2含 197bp,Z-15含180bp,依此类推。,2、GCK基因与 T2DM 的关联 美国黑人Z+4等位基因与 T2DM 关联， 可看成该人群 T2DM 的遗传标记。 毛里求斯人Z+2等位基因与 T2DM 关联。 白人、印第安人Z等位基因与 T2DM 负关联。,3、GCK基因突变与MODY型糖尿病 目前已知，GCK基因突变是MODY的病因一：GCK基 因第七外显子发生无意义突变（Glu-279-AM),即 谷氨酸-提前终止，或发生错义突变（Gly-2