课件：疾病产生的分子基础本科生.ppt

第十一章 疾病产生的分子基础,1,汤立军 教授,中南大学生命科学学院 分子生物学研究中心,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。 疾病的本质是蛋白质功能紊乱，基本原理是各种原因引起蛋白质质和量的改变。,2,3,1.基因结构的改变； 2.受细胞调节因素或其它因素影响使基因的表达发生改变； 3.外来的致病基因； 4.蛋白质翻译后加工及蛋白质降解发生变化。,蛋白质功能紊乱的原因各不相同，具有不同分子机制。,第一节 基因结构改变与疾病 第二节 细胞间信号异常与疾病 第三节 细胞内因素与疾病 第四节 翻译后加工运输障碍与疾病 第五节 蛋白质降解异常与疾病 第六节 病原微生物基因引起的疾病 第七节 疾病分子机制的研究策略,4,5,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 四、调控序列变异导致基因表达水平变化,一、基因突变的多种类型,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,6,例脆性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。 850拷贝 (正常人) 52200拷贝 (携带者) 2001000拷贝 (患者),7,8,强直性肌营养不良 DMPK基因3非翻译区CTG三核苷酸序列异常重复扩增超过100（正常人为5 40），重复数目与症状严重性相关 ； Huntington舞蹈病 huntington基因内的CAG三核苷酸序列异常重复扩增，亨廷顿病患者35100个或更多（正常人为1130）； Friedreich共济失调症 内含子CAA拷贝数过度 增加。,9,1.碱基置换突变 (substitution mutation),二、不同的基因突变引起不同的遗传效应,a.错义突变 (missense mutation),b.无义突变 (nonsense mutation),c.同义突变 (consense mutation),a. 错义突变（missense mutation）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。,10,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。,b.无义突变 (nonsense mutation),11,亮氨酸的密码子UUA，中间的U变为A这样一个碱基变化就会成为（终止密码子）UAA。,酪氨酸的密码子是UAC，置换突变使UAC变为密码子UAG后翻译便终止。,UAG、UGA、UAA 终止密码子,c.同义突变(synonymous mutation)：密码子发生改变, 但所编码的氨基酸不变。,12,例如：CUU CUC CUG 亮氨酸,13,2. 缺失或插入突变(deletion or insertion mutation) a.密码子缺失或插入 b.移码突变(frame-shift mutation) c.整基因或大片段缺失,14,a.密码子缺失或插入,CTG ACT CCT GAG GAG AAG TCT Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser,CTG ACT GAG GAG AAG TCT Leu Thr Glu Glu Lys Ser,CTG ACT CC G GAG AAG TCT Leu Thr Pro Glu Lys Ser,C CT CCT GAG GAG AAG TCT Pro Pro Glu Glu Lys Ser,15,b.移码突变,CTG ACT CCT GAG GAG AAG TCT Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser,TG ACT CCT GAG GAG AAG TCT,TGA CTC CTG AGG AGA AGT CT,CT ACT CCT GAG GAG AAG TCT CTA CTC CTG AGG AGA AGT CT Leu Leu Leu Arg Arg Ser,插入或缺失带来的无义突变,CTG ACT CCT GAG GAG AAG TCT Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser,16,3.融合突变(fusion mutation) 细胞减数分裂时同源染色体不等交换而致基因间错位配对, 产生两种含不同等位基因的染色体。,17,18,19,白血病中部分常见的融合基因,20,4.基因突变影响 hnRNA 的剪接,基因突变发生在 hnRNA 的一级结构上特定的剪接位点上，形成新的剪接位点或使正常剪接位点消失，导致 hnRNA 的剪接错误，产生异常的 mRNA，最终产生异常的蛋白表达产物，改变生物性状。,21,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。,22,例：家族性孤立性生长激素缺乏型遗传病 由于GH-1基因的EXON上第5nt由GA，破坏一个ESE，使EXON被跳过，而最终造成编码蛋白缩短，影响功能。,23,转入了人缺陷型 的GH-1基因,利用RNAi使导入基因沉默,2007年,24,三 结构基因改变导致蛋白质变化引起疾病,结构基因发生改变会改变蛋白质的一级结构，进而改变蛋白质的理化性质。,25,26,1.蛋白质结构变化引起的疾病 （1） 血红蛋白病 (hemoglobinopathy),血红蛋白结构,血红蛋白是由4条肽链（两个和两个链）组成的。每条肽链都类似于肌红蛋白的肽链，都结合一个血红素。,27,28,血红蛋白病镰刀形细胞贫血症,29,30,血红蛋白病分子基础,2019/4/19,31,可编辑,32,血红蛋白病分子基础,33,（2）家族性高胆固醇血症 一种常染色体显性遗传疾病，其特征为低密度脂蛋白（LDL）-胆固醇水平明显升高，可出现黄色瘤和动脉硬化症。 病因：肝脏表面特异性的LDL-受体数目减少或缺乏，导致肝脏对血循环中LDL-胆固醇的清除能力下降，进而引起血循环中LDL-胆固醇水平升高。,34,LDL 受体基因变异，导致其编码蛋白结构异常，功能下降或完全丧失。 配体结合结构域，由LDL受体蛋白N端292个氨基酸残基组成，富含半胱氨酸。该结构中有7个由40个氨基酸残基组成的重复序列(天冬-半胱-X-天冬-甘-丝-天冬-谷)，每个重复序列中含有6个半胱氨酸残基，全部42个半胱氨酸。,35,36,2.蛋白质合成量变化引起的疾病,37,人珠蛋白基因簇及珠蛋白基因结构,38,珠蛋白基因的表达在时空上受到遗传因素的精确调控，表现为以下特点： 组织特异性 发育阶段特异性 协同性,39,-地贫基因缺失类型,1,2,正常,基本 正常,+,轻度 贫血, + +,轻度 贫血,0,高度贫血, + 0,Hb Barts 综合征, 0 0,珠蛋白结构基因突变抑制珠蛋白合成使珠蛋白量减少甚至完全缺失,引起-地贫,40,第17位赖氨酸密码子AAG (Lys) TAG, 发生无义突变,引起0地贫; 珠蛋白基因的编码顺序内插入或缺失1、或个核苷酸，会使突变点以后的读码框遭到破坏，往往造成-珠蛋白肽链合成提前终止，而引起0地贫。,41,四、调控序列变异导致基因表达水平变化,顺式作用元件的基因突变，会降低珠蛋白基因的转录，使珠蛋白合成减少，引起+-地贫。,TATA盒：-32（CA)、-30(TC)、-29(AG)、-28(AG)。 CAAT盒：-101、-92、-88、-87、-86等位点的点突变。,42,启动子和外显子1之间大于10kb的缺失; 另一种是启动子和外显子1之间大于6kb的缺失。 两种突变都使LDL受体基因的表达能力完全丧失。,LDL受体启动子变异,43,一些内含子的变异也会影响蛋白质的合成，使体内相应蛋白质含量减少或缺失。 Apo B100 基因内含子的第一个碱基会发生GT突变，突变基因转录后生产的hnRNA，会影响Apo B100 mRNA的正常剪切。,第二节 细胞间信号异常导致基因 表达异常引起疾病,人体各细胞间通过激素、神经递质、旁分泌信号等保持细胞间的联系，调节彼此的代谢。基因表达也受到细胞间信号的调控。,44,45,AFP 接受异常细胞增殖信号成为肝癌发生的重要因素,胚胎发育过程中, AFP增强子激活,而沉寂子处于抑制状态。 胎儿出生后, AFP沉寂子处于活化状态,阻碍增强子的启动效应。 在异常细胞增殖信号的作用下, c-myc、c-fos、c-jun等癌基因表达异常增加,其表达产物与 AFP基因顺式作用元件结合,激活 AFP基因表达。,46,粉尘刺激 肺支气管上皮、肺泡巨噬细胞 分泌TGF-1 成纤维细胞 促细胞分裂和ECM 蛋白基因表达 ECM 增加 矽肺发生,尘肺是由于长期吸入大量含游离二氧化硅粉尘引起的以肺纤维化为主要病变的疾病,第三节 细胞内因素导致基因 表达异常引起疾病,异常的细胞内信号 持续高血糖引起的糖尿病心肌病 高血糖 DAG PKC ACE Ang 心肌重塑、心肌肥大。,47,48,异常的DNA甲基化（不同的DNA甲基化模式形成不同的表观遗传特征） hCG5转录起始区低甲基化非滋养层细胞hCG 受体结合 cAMP Tumor ,49,Proteins complexed with DNA allow for more “open” structure; can be transcribed.,Methylation leads to change in chromatin structure; more condensed state is transcriptionally inactivegenes are “off ” ,50,第四节 翻译后加工运输障碍与疾病,51,白化 Albinism,52,酪氨酸酶与型泛素性白化病,酪氨酸酶催化结构域点突变可以使酪氨酸酶的活性降低甚至消失,黑色素合成减少或不能合成,导致型泛素性白化病; 酪氨酸酶催化结构域以外的点突变也能导致色素缺失,蛋白质不能正确折叠.没有正常折叠的酪氨酸酶不能从内质网输出而滞留在内质网,无法完成其成熟及运输过程。,53,蛋白转运异常,酪氨酸酶,P蛋白,高尔基体,黑色素体,P蛋白基因突变,黑色素合成障碍 引起型泛发性 白化病,内质网,酪氨酸酶与型泛素性白化病,54,第五节 蛋白质降解异常与疾病,蛋白的降解,55,蛋白质降解途径 溶酶体途径，降解细胞吞入的胞外蛋白质 泛素-蛋白酶体途径，降解胞内泛素化的蛋白质 泛素(ubiquitin, Ub) E1(特异性泛素激活酶) E2(泛素结合酶), E3(泛素连接酶) 蛋白酶体(proteasome),56,57,泛素-蛋白酶体系统活性被异常抑制或激活均可导致机体紊乱。,2004 年诺贝尔化学奖,阿龙切哈诺沃(Aaron Ciechanover),阿夫拉姆赫什科(Avram Hershko),欧文罗斯(Irwin Rose),58,高血脂:载脂蛋白的过度降解,泛素-蛋白酶体系统在维持正常载脂蛋白含量中起到重要的作用，该系统功能障碍，会导致载