代谢性疾病的分子生物学.ppt

代谢性疾病的分子生物学,辛灵彪xinlingbiao基础医学院生物化学与分子生物学系2019-05-28,掌握：1.代谢性疾病的概念；代谢性疾病的共同特点2.糖尿病的概念及分类；I型糖尿病和II型糖尿病的特点及相关基因3.引起肥胖症的因素及相关基因4.痛风的概念及发病机理5.引起氨基酸代谢性疾病的原因；苯丙酮尿症和酪氨酸血症的机理6.骨质疏松症的定义及发病机理理解：代谢性疾病的分类及各疾病相关的分子机制重点难点：各疾病相关的分子机制,2,本章教学重点,代谢性疾病的定义,代谢性疾病（metabolicdisease）：简称代谢病，是指营养物质进入机体后在体内合成和分解代谢过程中某一环节出现障碍时，某些代谢物质如糖、脂肪、蛋白质（氨基酸）、嘌呤、嘧啶、铜等堆积或缺乏而引起的疾病。引起代谢性疾病的原因包括代谢障碍和代谢旺盛。,代谢性疾病的分类,一、根据病因分类代谢性疾病分为先天性和后天性两种类型1）先天性（遗传性）代谢缺陷，是由基因突变引起蛋白质结构和功能紊乱、酶活性改变导致的细胞和器官功能异常。2）后天性（获得性）代谢疾病，是由环境因素引起，或者遗传因素和环境因素相互作用引起。这类疾病多由体内一个或多个代谢过程异常改变导致内环境紊乱而引起。,二、根据中间代谢的主要途径分类,1）蛋白质代谢障碍2）糖代谢障碍3）脂类代谢障碍4）水、电解质代谢障碍5）无机元素代谢障碍6）其他代谢障碍,代谢性疾病的共同特点,1）糖、蛋白质、脂肪及水、矿物质等代谢障碍，常常是互相影响和联系的，有时会造成恶性循环。2）各种代谢病均可影响全身各组织、器官。3）代谢病临床表现的轻重，取决于代谢紊乱的程度和对重要器官组织结构与功能破坏的程度。4）许多代谢病可影响智力、生长发育和精神状态。5）代谢病的诊断主要根据症状、体征和实验室检查全面分析。家族史的调查是诊断遗传性代谢病的重要一环。6）代谢病大多缺少根治方法，多采用替代疗法或对症治疗。,第二节糖尿病的分子生物学,定义：糖尿病（diabetesmellitus，DM）是由环境因素和遗传易感性共同作用而引起的一种以糖代谢紊乱为主要特征的代谢性疾病。据世界卫生组织统计，全球目前超过1.5亿DM患者，到2025年这一数字将翻倍。DM成为继心脑血管疾病及肿瘤之后，严重危害人类健康的第三大非传染性疾病。,糖尿病的病因至今仍未完全明了，但是随着分子生物学的进步，动物模型和遗传性DM的致病基因分析技术和理论的发展，DM发生和发展的分子机制研究取得了一定的进展。目前认为，遗传因素和环境因素共同作用参与DM发病过程。DM分为四种类型：I型糖尿病、II型糖尿病、妊娠糖尿病和其它特殊类型的糖尿病。,I型糖尿病,I型糖尿病（T1DM）确切的病因及发病机制尚不十分清楚，多发生在儿童和青少年，也可发生于各种年龄。目前普遍认为T1MD是由于遗传因素以及环境因素中病毒、化学物质所致的胰岛细胞自身免疫反应性损伤而引起的，表现为胰岛素绝对缺乏，故又称胰岛素依赖性糖尿病（insulin-dependentdiabetesmellitu，IDDM）。,引起I型糖尿病的遗传因素,1）家族史：T1MD有一定的家族聚集性。2）HLA与T1MD：HLA位于人染色体上的6q21，为一组密切连锁的基因群，分为三区，即HLA-I，HLA-II和HLA-III，每个区还包含多个基因座和基因位点。,HLA分区及其功能,3）易感基因：迄今为止确定的T1MD易感基因有18个，分别分布在不同的染色体上，IDDM1和IDDM2是其中两个重要的T1MD易感基因位点。IDDM1包含HLA区域与T1MD关联的一组连锁位点，主要是HLA-DRB1、DQA1和DQB1，它们对T1DM的易感和保护性强弱不等，约占全部T1MD易感因素的40%以上。IDDM2是仅次于IDDM1的T1DM易感基因位点。它位于第11号染色体的胰岛素基因区，含有胰岛素基因5调控区转录起始位点前5个变数串联重复序列（VNTR）。根据串联重复单位的数目可将VNTR分为I类、II类和III类等位基因。I类短VNTR与T1DM的易感性有关，III类长VNTR与T1DM的保护性有关。,引起I型糖尿病的环境因素,与T1MD发病有关的环境因素主要有病毒感染、化学物质、饮食因素和自身免疫等，以病毒感染最为重要。（1）病毒感染：目前已经证实与T1MD有关的病毒包括风疹病毒、腮腺炎病毒、柯萨奇病毒、脑心肌炎病毒和巨细胞病毒等。病毒感染可直接损伤胰岛细胞或使细胞发生微细变化、数量逐渐减少。病毒感染还可以损伤胰岛细胞而暴露其抗原成分、启动自身免疫反应，这是病毒感染导致细胞损伤的主要机制。（2）化学毒性物质和饮食因素：链脲佐菌素、四氧嘧啶处理能够形成DM动物模型，灭鼠药吡甲硝苯脲可造成人类DM。这两种情况属于非自身免疫性胰岛细胞损伤（急性损伤）或自身免疫性胰岛细胞损伤（小剂量、慢性损伤）。母乳喂养时间短或者缺乏母乳喂养的儿童T1DM发病率增高，认为是血清中存在的与牛乳制品有关的抗体可能参与细胞损伤过程。,（3）自身免疫：目前认为T1MD是T细胞介导的自身免疫性疾病。在遗传的基础上，病毒感染或其他环境因素启动了自身免疫过程，造成胰岛细胞破坏或T1DM的发生。体液免疫和细胞免疫特别是两者相互作用的结果在T1DM发生发展中具有重要意义。,遗传易感性,病毒、化学物质,进行性胰岛细胞功能丧失,ICA，GADA，IAA,启动自身免疫反应,I型糖尿病,I型糖尿病的发病机制,II型糖尿病,II型糖尿病多在35-40岁之后发病，占DM患者90%以上，又称成人发病型糖尿病（maturity-onsetdiabetesoftheyoung，MODY）或非胰岛依赖性糖尿病（non-insulindependentdiabetesmellitus，NIDDM）。该型患者体内产生胰岛素的能力并非完全丧失，甚至胰岛素产生过多，但胰岛素的作用效果极差，因此这类患者主要是胰岛素相对缺乏，可通过刺激体内胰岛素分泌的方法进行治疗。II型糖尿病的基本特征是胰岛素抵抗、胰岛细胞功能缺陷（胰岛素分泌不足），导致基因突变与II型糖尿病的发生相关。,（一）胰岛素抵抗相关基因1.葡萄糖转运蛋白（glucosetransporter，GLUT）葡萄糖转运蛋白是细胞转运葡萄糖的重要载体，目前已发现有GLUT1-5五种，其中GLUT4与胰岛素抵抗密切相关。格列美脲可以改善GLUT4介导的胰岛素抵抗作用。,GLUT4,GLUT4,GLUT4,葡萄糖,葡萄糖,P,格列美脲,（+）,（+）,（-）,（-）,低密度微体,图1,图2,2.胰岛素受体胰岛素与其受体结合后，激活酪氨酸激酶，使酪氨酸残基磷酸化，从而传递胰岛素的多种生物学效应。编码胰岛素受体的基因突变会造成不同部位的受体和受体后胰岛素抵抗，导致伴有许多糖尿病的遗传综合征。,胰岛素,Tyr,IRS-1,IRS-1,Tyr,Tyr,生物学效应,P,P,P,ATP,ADP,Tyr：酪氨酸IRS：胰岛素受体底物,细胞膜,3.糖原合成酶是糖原合成的限速酶。胰岛素对糖原合成酶的活化障碍是II型糖尿病胰岛素抵抗的主要原因。该基因变异可提高人群对II型糖尿病易感性。4.载脂蛋白C-III（apoliporoteinC-III，apoC-III）是调节血浆三酰甘油浓度的重要物质。apoC-III启动子变异引起单基因水平上的胰岛素抵抗，但胰岛素可下调apoC-III基因转录，而起到抑制apoC-III过度表达的作用。,（二）胰岛细胞功能缺陷相关基因,1.葡萄糖激酶存在于人的胰岛细胞和肝细胞中，是葡萄糖感受器的重要组成部分，调节细胞胰岛素的分泌和血糖浓度的关系。葡萄糖激酶基因突变通过损伤细胞对葡萄糖感受功能而导致胰岛素分泌不足。2.葡萄糖转运蛋白2（GLUT2）GLUT2在细胞内外葡萄糖快速平衡中起重要作用。血糖浓度升高促进GLUT2对葡萄糖的转运功能，继而刺激胰岛素释放。GLUT2基因突变和翻译错误可导致GLUT2数量减少或活性降低，从而降低肝葡萄糖摄取和增加肝糖输出（肝胰岛素抵抗），同时降低细胞胰岛素的分泌。,3.线粒体缺陷线粒体RNA（mtRNA）单基因突变的母系遗传常伴有听力丧失的DM、胰岛素基因突变和胰岛素受体基因突变所导致的DM等。,4.胰岛素原加工障碍胰岛素原在胰岛细胞颗粒中，在激素原转化酶2和3以及羧基酶H作用下，脱去与胰岛素连接处C肽分子两侧的两个氨基酸残基，分解成胰岛素和C肽。该加工过程障碍可导致胰岛素生成减少及胰高血糖素血症。,5.胰高血糖素受体胰高血糖素受体基因的胞内区Gly40突变为Ser40也是II型糖尿病原因之一。突变后的胰高血糖素受体与胰高血糖素亲和力较野生型降低，从而使肝糖输出降低，并参与介导胰岛素分泌的下调。6.磺脲类受体（sulfonylureareceptor，SUR）属于ATP结合蛋白家族，位于人染色体11p15.1，在调节胰岛素分泌、中枢神经递质释放和保护心脑缺血损伤中起着重要作用。目前已发现SUR有SUR1和SUR2两个亚型，其中SUR1基因多态性与II型糖尿病的遗传易感性有关。,第三节肥胖症的分子生物学,肥胖症（obesity）是由多因素引起的一系列进食调控和能量代谢紊乱，导致体内脂肪过度储存的一种慢性代谢疾病，与高血压、高血脂、冠心病、糖尿病密切相关。有关肥胖症的研究也日益受到重视。环境因素是肥胖症十分重要的诱因，但是在既定环境下遗传因素对于肥胖发生起着至关重要的作用。目前已确认的肥胖相关基因有300多种。,主要的几种肥胖相关基因,一、瘦素及其受体1.瘦素（leptin）瘦素是由肥胖基因（obesegene，ob基因）编码、脂肪细胞分泌的蛋白质类激素，相对分子量约为16kD，是脂肪组织调节机体脂肪库大小信号通路的一个关键分子。瘦素功能紊乱与肥胖关系密切。,小鼠中敲除ob/ob基因,食物摄入增多能量消耗减少,肥胖和糖尿病,2.瘦素受体（leptinreceptor，Lep-R）瘦素作为一种蛋白质类内分泌因子，其作用是通过靶细胞膜上的Lep-R及相应的信号转导体系而实现。Lep-R是单跨膜受体，属I类细胞因子受体家族，主要分布在下丘脑中。瘦素既可以通过中枢神经系统调节能量代谢。也可以有广泛的外周作用，可以通过胰腺、肝、骨骼肌等发挥作用。肥胖症患者Lep-R基因存在多部位的多态性和基因变异。,瘦素,ob基因,下丘脑,血管,脂肪细胞,瘦素,生物学效应（如食欲减退等）,瘦素的中枢神经系统调节,Lep-R主要通过激活JAK/STAT通路调节靶基因的表达而发挥生理作用。其介导的信号传导途径是是瘦素与其受体结合引起受体二聚化，使与受体结合的JAK相互靠近并发生交互磷酸化而使受体胞质内段的特定酪氨酸残基磷酸化，为STAT提供锚定位点。STAT与Lep-R胞内段结合后，在JAK的催化下发生酪氨酸位点的磷酸化而被活化，活化的STAT与Lep-R分离并发生同源或者异源的STAT二聚化，并转位至细胞核内，与靶基因启动子中的STAT反应元件结合，启动和调节瘦素控制的后续基因的转录。,瘦素,靶基因表达,Lep-R,核膜,P,P,P,P,P,P,JAK,STAT,STAT,STAT3结合位点,细胞膜,二、过氧化物酶体增殖物激活受体,过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisomeproliferator-activatedreceptor，PPAR）是调节目标基因表达的核内受体转录因子超家族成员。根据结构的不同，PPAR可分为、和三种类型，其中PPAR作为脂肪细胞分化过程中的关键因子，近年来备受关注。人PPAR主要在脂肪组织中表达，在肌肉组织中基本不表达。PPAR的配体与其结合能使其激活，激活的PPAR与视黄醛受体（retinoidX，RXR）形成异二聚体，再结合于PPAR特异反应元件（PPRE），激活下游靶基因的表达。,含有PPRE结构的基因包括乙酰辅酶A合成酶、脂蛋白脂肪酶（LPL）、胰岛素受体底物-2（IRS-2）、瘦素以及TNF-等。,PPAR,PPAR,LRH-1,RXR,PPRE,脂肪细胞,脂联素,LRH-RE,血浆脂联素,糖尿病动脉粥样硬化,脂联素启动子,PPAR的信号转导途径,PPAR配体,PPAR,RXR,PPRE:PPAR特异反应元件RXR:视黄醛受体,PPAR通过调节相关基因的表达，在脂肪形成、糖脂代谢，以及在免疫系统中发挥重要作用，并与多种疾病如糖尿病、肥胖症、高血压、癌症的发生发展有关。目前的研究已证实PPAR是脂肪生成的重要转录因子，PPAR的过度活化可能参与了肥胖症的发生。PPAR激活剂可以促进成纤维细胞定向分化为脂肪细胞。相反，抑制内源性PPAR的活化可以完全阻断噻唑烷二酮诱导的前脂肪细胞分化。此外，PPAR活性增强的突变体Pro115Gln可引起患者严重的肥胖；相反，常见的PPAR突变体Pro12Ala因其活性低于野生型，从而使肥胖症和II型糖尿病的发病风险显著降低。,三、FTO基因,FTO是迄今为止研究发现的与单纯性肥胖症相关性最强的基因。FTO基因位于大鼠的许多周围及中枢神经系统组织中表达，特别是脑干中与进食相关的核团里（孤束核、视上核、室旁核等）有大量FTO基因表达。动物实验也证实大鼠弓状核FTO的表达受禁食或进食的调节，提示FTO可能在能量的稳态调节中起重要作用。,四、microRNA,定义：microRNA（miRNA）是近年来在真核生物体内发现的一类长度约20nt的内源性非编码单链小RNA，通过与靶标mRNA不完全互补配对，发挥降解靶mRNA或抑制靶mRNA翻译的作用。随着miRNA研究的深入，miRNA与脂肪分化、肥胖症的关联性已成为miRNA研究的重要方向之一。目前发现了许多与脂肪细胞分化、肥胖症相关的miRNA，如miR-143，miR-17-92cluster，let-7家族，miR-27a、27b，miR-378等。主要有以下几种：miR-143let-7家族miR27a、27bmiR-378,五、3-肾上腺素能受体,3-肾上腺素能受体（3-adrenergicreceptor，3-AR）主要由内脏脂肪组织细胞分泌，有促进脂肪分解和运送游离脂肪酸到门静脉的作用。刺激3-AR能明显增加能量消耗，棕色脂肪组织产热增多、白色脂肪组织脂质分解加强。人3-AR的Trp64Arg突变与中心性肥胖密切相关，突变频率与性别、体内激素水平相关。肥胖症是一种需要长期防治的慢性疾病，干预和预防肥胖症是降低心脑血管疾病的发病率和死亡率，延长人均寿命的重点工作之一。目前，有关肥胖症的遗传病因研究仍在探索阶段，其治疗在目前阶段并不令人满意。相信随着分子生物学技术和遗传学以及统计学方法的发展，肥胖相关基因及机制将日益明确，这对肥胖症的诊断、治疗具有重要意义。,第四节痛风的分子生物学,痛风（gout）是长期嘌呤代谢障碍和（或）尿酸排泄减少所致血尿酸增高的一组临床综合征。好发于男性、绝经期女性，40-50岁为发病高峰期。高尿酸血症是痛风发病的先决条件，与痛风发生密切相关。,尿酸是一种极性分子，不能自由通过细胞膜。一些尿酸盐转运蛋白参与肾近曲小管对尿酸盐的主动分泌和重吸收，其基于突变可能是高尿酸血症导致痛风的重要机制。1.人尿酸盐阴离子交换器1（humanurateanionexchange1，hURAT1）是有机阴离子转运体家族中的一员，由SLC22A12基因编码。hURAT1是痛风发生的抑制因子，具有转运尿酸盐的功能，主要参与肾近曲小管岁尿酸盐的重吸收，促进尿酸和抗尿酸药物的排泄。其基因G774A突变可导致低尿酸血症。此外，杂合子G774A突变的患者血清尿酸水平明显低于正常健康人。因此，hURAT1可能是今后开发治疗痛风和高尿酸血症药物的新靶点。,尿酸分子结构,2.人尿酸盐转运体（humanuratetransportor，hUAT）基因位于人染色体17p11.217p12，其编码产物有3种亚型。hUAT是贯穿于细胞脂质双分子层的高度选择性离子通道，能结合尿酸，是细胞转运尿酸盐的主要作用点，具有将尿酸由细胞内运至细胞外，在近端小管将尿酸分泌入近曲肾小管腔的作用。hUAT的mRNA在肠道表达较为丰富，肠道中的hUAT可能发挥与在肾相似的分泌功能，因此，可以说hUAT在调节全身尿酸盐的稳态中起着重要作用。3.人有机阴离子转运体1（huamanorganicaniontransportor1，hOAT1）由SLC22A6基因编码，该基因位于11q13.111q3.2。hOAT的基因突变可能和家族性青年性痛风肾病（familialjuvenilegoutynephropathy，FJGN）有关。,4.人有机阴离子转运体3（huamanorganicaniontransportor3，hOAT3）由SLC22A8基因编码，该基因位于11q11.7，由536个氨基酸组成，12个跨膜区。SLC22A8基因编码序列的改变可能使hOAT3功能丧失，推测其功能的丧失可能与肾高尿酸血症有关。5.多药抵抗蛋白4（multidrugresistanceprotein4，MRP4）是一种ATP依赖性单向流出泵。MRP4表达于肝细胞基底外侧膜，推测他可能调节尿酸由肝细胞进入血液，而这种机制是否与尿酸排泄如肠道的机制相同，目前尚不清楚。,第五节氨基酸代谢性疾病的分子生物学,氨基酸代谢是生命活动的重要基础之一。全身组织细胞都能进行氨基酸代谢，包括脱氨、脱羧、氨代谢和氧化分解等代谢过程。氨基酸代谢过程异常可导致氨基酸代谢性疾病即氨基酸代谢病（aminoacidopathy）或称氨基酸尿症（aminoaciduria）。,引起氨基酸代谢病的主要原因有：1）某些酶的缺乏和降低2）氨基酸转运障碍,氨基酸代谢病往往是先天的，除个别情况外，氨基酸病均为常染色体隐性遗传，与DNA分子突变有关，又称为先天性遗传代谢病。本节主要介绍最重要的两种氨基酸代谢病：苯丙酮尿症酪氨酸血症,定义：苯丙酮尿症（phenylketonuria，PKU）是一种常见的氨基酸代谢病，是由于苯丙氨酸代谢途径中的酶缺陷，使得苯丙氨酸不能转变为酪氨酸，导致苯丙氨酸及其酮酸蓄积并从尿中大量排出。临床主要表现为智力低下、惊厥发作和色素减少。本病属于常染色体隐性遗传病。分子遗传学研究证实苯丙氨酸羟化酶基因突变导致肝苯丙氨酸羟化酶缺乏是PKU发生的根本原因。此外，苯丙氨酸羟化酶的辅酶四氢生物蝶呤缺乏，导致苯丙氨酸不能正常转化为酪氨酸，从而苯丙氨酸在体内异常蓄积也可导致PKU。,一苯丙酮尿症,（一）苯丙氨酸羟化酶苯丙氨酸羟化酶（phenylalaninehydroxylase，PAH）基因位于染色体12q24.1，PAH单体含有451个氨基酸残基。四个单体聚合成有功能的PAH。,苯丙氨酸羟化酶的空间结构,PAH单体（亚基）由三部分构成：有伸缩性的N末端调节区（1-110残基）螺旋富集的催化区（111-410残基）寡单体区（411-452残基），包括C末端的四聚体结合区（428-452残基）PAH每个亚基的改变都会引起酶结构与功能的改变。研究证实，PAH基因的突变一部分会导致蛋白质严重结构受损，另一部分会导致蛋白质催化中心的破坏，但是大部分突变是导致蛋白质的折叠不正确，使蛋白质极度不稳定，加速了蛋白质的降解。,催化区,四聚体结合区（428-452残基）,Fe2+,酶活性位点突变调控区和催化区关键结构突变调控区和催化区交界处突变N末端调控序列突变二聚体或四聚体交接处突变,根据突变残基的位置将PAH基因突变分为5类：,（二）四氢生物蝶呤缺乏症,四氢生物蝶呤缺乏症，简称BH4缺乏症，是一种罕见常染色体隐性遗传病，是高苯丙氨酸血症的一种亚型，与苯丙酮尿症同属于高苯丙氨酸血症（HPA）。主要对人的神经系统造成损害，患者可出现智力低下、运动障碍及癫痫等症状。本病及早诊断及治疗尤为重要，一般在三个月内即开始治疗的患儿，预后均较好。BH4缺乏症的新生儿出生时大多表现正常，除了血苯丙氨酸增高外，无任何临床表现，往往被误认为经典型PKU而给予低血苯丙氨酸饮食治疗。患儿出生3-4月后出现神经系统症状，并逐渐出现比如特殊体（全身和尿液有特殊鼠臭味）；头发由黑变黄，虹膜颜色变浅，皮肤白，常伴有湿疹；精神、运动发育落后。,二、酪氨酸血症,酪氨酸血症（hereditarytyrosinemia）又称先天性酪氨酸血症，是由于酪氨酸代谢的终末酶延胡索酰乙酰乙酸水解酶（fumarylacetoacetatehydroxylase，FAH）缺陷，导致体内酪氨酸及其代谢产物琥珀酰丙酮、4-羟基苯乳酸及4-羟基丙酮酸等蓄积而引起酪氨酸代谢异常的一种常染色体隐性遗传性临床综合征。,动物模型实验证明延胡索酰乙酰乙酸主要在细胞内蓄积，对细胞内许多生化过程产生不良影响：促进线粒体中细胞色素C释放，增加氧化应激，加速细胞凋亡；加速细胞内谷胱甘肽的消耗，使细胞抗氧化能力下降，造成细胞损伤；而琥珀酰丙酮和琥珀酰乙酰乙酸被释放到细胞外，还可造成其它多个器官损伤，主要是肾小管功能损害；琥珀酰丙酮可抑制红细胞卟胆原合成酶的活性，致使血红素合成障碍，血及尿中-氨基乙酰丙酸（-ALA）增多，患者发生类卟啉症性神经危象。FAH主要在肝及肾小管细胞中表达，因此该病主要累及肝和肾。,第六节骨质疏松症的分子生物学,骨质疏松症（osteoporosis，OP）是一种以骨量减少和骨微结构破坏为特征，导致骨强度下降、脆性增加和易于骨折的骨代谢性疾病。OP可分为原发性和继发性两大类原发性又分为绝经后OP和老年性OP两型。继发性由各种原发疾病引起目前认为激素水平、细胞因子、营养状况、生活习惯、遗传基因、药物和疾病、运动和制动等因素与OP的发生有关。,Backgroundofboneremodeling,EndocrRev.2016Apr