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第九章生化遗传学 biochemicalgenetics 生化遗传学 biochemicalgenetics 是指用生物化学的原理和方法研究生物的遗传物质与遗传性状之间的代谢关系 从而阐明基因的基本功能及其表达过程的一个遗传学分支学科 生化遗传学可为某些先天性代谢缺陷和分子病的治疗提供理论基础 分子病 moleculardiseases 是指由于基因突变而造成的蛋白质分子的结构和数量异常引起的疾病 先天性代谢缺陷 inbornerrorsofmetabolism 通常指由于基因突变而造成的酶蛋白结构或数量的异常所引起的疾病 又称遗传性酶病或先天性代谢病 第一节血红蛋白病一 血红蛋白的分子结构与珠蛋白基因 一 血红蛋白的分子结构及发育变化1 血红蛋白的分子结构血红蛋白 hemoglobin 是一种复合蛋白 由珠蛋白和血红素辅基组成 每个血红蛋白分子是由4个亚单位构成的四聚体 每个亚单位由l条珠蛋白肽链和1个血红素辅基构成 每个亚单位 1个血红素 heme 辅基 1条珠蛋白 globin 肽链 141个氨基酸 146个氨基酸 G 在第136位上为甘氨酸者 A 为丙氨酸者 四聚体 4个血红素辅基 4条珠蛋白肽链 2条 链 或 2条非 链 或 G A 四个 这样形成的血红蛋白分子就有这几种类型 HbGowerl 2 2 HbGower2 2 2 HbPortland 2 2 HbF 2G 2和 2A 2 HbA 2 2 HbA2 2 2 胚胎血红蛋白 成人红细胞中血红蛋白 2 血红蛋白的发育变化在人体发育的不同阶段 血红蛋白的组成彼此各不相同 上述各种血红蛋白先后出现 并且有规律地相互更替 其合成呈现严格的消长过程 二 珠蛋白基因人体中珠蛋白是由珠蛋白基因家族编码的 珠蛋白基因家族包括两个珠蛋白基因簇 即 珠蛋白基因簇 珠蛋白基因簇 1 珠蛋白基因簇定位于16p13 33 组成及排列顺序为 5 2 l l 2 l 3 总长度为30kb 每条16号染色体有2个 基因 正常的二倍体细胞有4个 基因 珠蛋白基因簇的排列顺序与发育过程中表达顺序相一致 2 珠蛋白基因簇 珠蛋白基因簇定位于11p15 5 组成和排列顺序是 5 G A l 3 总长度为60kb 每条11号染色体只有1个 基因 正常的二倍体细胞有2个 基因 珠蛋白基因簇的排列先后也与发育过程的表达顺序相关 3 珠蛋白基因结构各种珠蛋白基因均含有3个外显子 E 和2个内含子 I 珠蛋白基因的I1位于31位和32位密码子之间 由117bp组成 I2位于99位和100位密码子之间 含140bp 珠蛋白基因的I1位于30位和31位密码子之间 为130bp 而I2位于104位和105位密码子之间 约850bp 二 异常血红蛋白 异常血红蛋白 abnormalhemoglobin 指由于珠蛋白基因上碱基发生改变 再由相应的mRNA上编码氨基酸的密码子变异而产生的血红蛋白 这些变异如果使血红蛋白分子的功能 溶解度和稳定性发生异常 就会导致血红蛋白病的发生 最常见而且最具临床意义的血红蛋白变异型是镰状细胞血红蛋白 HbS 血红蛋白M病 血红蛋白H病和不稳定血红蛋白病等 一 镰形细胞贫血症 sicklecellanemia 遗传方式 常染色体隐性 AR 遗传 分子机制 患者 珠蛋白基因的第6位密码子由正常的GAG变成了GTG A T 使其编码的 珠蛋白N端第6位氨基酸由正常的谷氨酸变成了缬氨酸 形成HbS 分子表面电荷改变 疏水区域 导致溶解度下降 HbS聚合形成凝胶化的棒状结构 红细胞变成镰刀状 血粘性增加 栓塞 痛性危象 同时 变形能力降低 挤压时易破裂 溶血性贫血 图8 4 杂合子 HbAHbS 不表现临床症状 但在氧分压低时可引起部分细胞镰变 二 血红蛋白M病 高铁血红蛋白症 遗传方式 呈AD遗传 发病机制 正常血红蛋白 HbA 血红素中的铁原子与珠蛋白链上特定的组氨酸连接 87组 92组 和作用 58组 63组 保证二价铁离子 Fe2 的稳定 以便结合氧 由于基因突变使上述某个氨基酸发生替代 导致部分血红素的二价铁离子 Fe2 变成高价铁离子 Fe3 形成高铁血红蛋白 影响携氧能力 使组织细胞供氧不足 产生发绀症状 三 地中海贫血 thalassemia 患者由于某种或某些珠蛋白链合成速率降低 造成一些肽链缺乏 另一些肽链相对过多 出现肽链数量的不平衡 导致溶血性贫血 称为地中海贫血 类型 按照合成速率降低的珠蛋白链类型 可以把地中海贫血区分为多种不同的类型 地中海贫血 珠蛋白链合成减少 地中海贫血 链合成减少 地中海贫血 链合成减少 地中海贫血 和 链合成减少以此类推 一 地中海贫血 thalassemia 按照 珠蛋白链合成速率降低的程度 地中海贫血又可以区分为不同的类型 名称基因型缺失基因 链的合成胎儿水肿综合征 0 0 0 HbH病 0 25 标准型 地贫 A 0 50 静止型 地贫 A 75 正常 A A 100 1 Bart s胎儿水肿综合征发病机制 基因型 0 0 基因缺失 患儿发病于胎儿期 由于不能合成 链 链便聚合为 四聚体 4 称为BartHb HbBart s 4 具有很高的氧亲合力 在氧分压低的组织中 不易释放出氧 造成组织缺氧 临床症状 这种胎儿全身水肿 肝脾肿大 四肢短小 腹部因有腹水而隆起 故名Bart s胎儿水肿综合征 多于妊娠30 40星期时死亡或早产 且早产儿于产后半小时内即死亡 2 HbH病发病机制 基因型 0 基因缺失 由于4个 珠蛋白基因中有3个缺失或缺陷 使 链的合成受到严重影响 大量的 珠蛋白链过剩而聚合为 四聚体 HbH 4 HbH的氧亲合力高 在正常的生理条件下不易释放出氧 HbH不稳定 易解体生成游离的 链 沉淀聚积 形成H包涵体 附着于红细胞膜上 使红细胞膜受损 导致慢性溶血性贫血 临床症状 1周岁左右便出现HbH病的临床症状 患儿有贫血 多数患者伴有肝脾肿大及轻度黄疸 少数患者病情较重 并有骨骼变化及特殊贫血面容 感染和服用氧化性药物及妊娠均可使贫血加重 3 标准型 地中海贫血发病机制 基因型 A 0 基因缺失 或基因型 基因缺失 均缺失2个 基因 由于能合成相当量的 珠蛋白链 所以仅表现出轻度溶血性贫血或无症状 4 静止型 地中海贫血基因型 A 基因缺失 缺失1个 基因由于只有一个基因缺失或突变 故临床上无症状 二 地中海贫血 thalassemia 按照 珠蛋白链合成速率降低的程度 可以区分为 0地中海贫血 完全不能合成 链 地中海贫血 能部分合成 链临床上根据患者溶血性贫血的严重程度 将 地中海贫血分为 重型中间型轻型 1 重型 地中海贫血基因型 可能是 0 0 0 0或 0 发病机制 患者不能合成 链 或合成量很少 结果 链便大大 过剩 而沉降到红细胞膜上 改变膜的性能 引发严重的溶血反应 同时它们可与代偿性表达的 链组合成HbF 2 2 临床特征 患儿出生后几个月便可出现溶血反应 由于组织缺氧 促进红细胞生成素分泌 刺激骨髓增生 骨质受损变得疏松 可出现鼻塌眼肿 上颌前突 头大额隆等特殊的 地中海贫血面容 2 中间型 地中海贫血基因型 通常为 高F 高F 或 病人的症状介于重型和轻型之间 故称为中间型 3 轻型 地中海贫血基因型 主要是 A 0 A或 0 A等 患者的HbA2 2 2 和HbF 2 2 可代偿性增高 无任何临床症状 四 血红蛋白病发生的分子机制无论是异常血红蛋白病还是地中海贫血 都是由珠蛋白基因突变所致 异常血红蛋白病的分子机制 绝大多数是由于单个碱基的替代 少数是移码突变或融合基因形成融合肽链 点突变1 单个碱基替代 这是血红蛋白疾病最常见的一种突变类型 见于绝大多数血红蛋白病和 地中海贫血 2 移码突变 由于珠蛋白基因中发生1 2个碱基的丢失或嵌入 致使后面的碱基排列依次位移 导致重新编码 使珠蛋白肽链的结构或合成速率改变 137138139140141142143 HbA ACCUCCAAAUACCGUUAAGCU 苏丝赖酪精终止HbW ACCUCAAAUACCGUUAAGCUG 146 苏丝门冬胺苏缬赖亮 例如 HbWayne 138位丝氨酸密码子TCC丢失1个C 结果142位UAA AAG 赖氨酸 链有146个氨基酸 3 密码子的缺失和嵌入是密码子的三个碱基同时缺失或嵌入 它和移码突变不同 除了突变区缺失或嵌入部分氨基酸外 其它部分氨基酸序列完全正常 发生原因 减数分裂时 同源染色体发生错配和不等交换 4 无义突变是指突变使编码氨基酸的密码子变为终止密码子 因此蛋白质链的合成便提前终止 例如 HbMckees Rock 其 链只有144个氨基酸残基 5 终止密码子突变由于终止密码子 UAA UAG或UGA 的DNA序列发生突变 珠蛋白链的合成就不在正常的位置上终止 而继续合成至新的终止密码子 因此生成了延长的异常珠蛋白链 例如 HbConstantSpring 链有172个氨基酸 140141142143144 HbA UACCGUUAAGCUGGA 酪精终止HbCS UACCGUCAAGCUGGA 172 酪精谷酰胺丙甘 该突变基因转录的mRNA不稳定 基因缺失和融合基因 1 基因缺失是 地中海贫血形成的主要原因 缺失型 地中海贫血包括两种类型 地中海贫血 地中海贫血 地中海贫血有两种类型的缺失 左侧缺失 仅缺失 2基因 右侧缺失 缺失了 2基因的3 端和 l基因5 端 形成了由 l基因的3 端和 2基因的5 端构成的融合基因 地贫包括4种类型的基因缺失 缺失区包括 l 2 l基因的5 端非编码区及第1至第56氨基酸密码子在内共约25kb的片段 残余的 l基因无功能 缺失涉及 l 2 l基因 缺失的长度尚未准确定出 但至少缺少17 4kb 缺失涉及 l 2 l基因 缺失长度缺少17 5kb 缺失仅涉及 2 l基因5 端片段 残余的 l基因无功能 缺失长度为5 2kb 2 融合基因由两种不同基因局部片段拼接而成的DNA片段称为融合基因 可编码融合蛋白 例如HbLepore 其 链结构正常 但非 链是由 和 链连接而成 其N端与 链相同 C端与 链相同 称 链 Hb反 Lepore anti Lepore 其N端与 链相同 C端与 链相同 称为 链 形成机制 是由于减数分裂时染色体的错配和不等交换 结果产生两种不同的染色体 先天性代谢缺陷 inbornerrorsofmetabolism 通常指由于基因突变而造成的酶蛋白结构或数量的异常所引起的疾病 又称遗传性酶病或先天性代谢病 第二节先天性代谢病 一 先天性代谢缺陷的规律从分子水平上看 先天性代谢缺陷可能有两种原因 一是由于编码酶蛋白的结构基因发生突变 引起酶蛋白结构异常或缺失 二是基因的调控系统发生异常 使之合成过少或过多的酶 引起代谢紊乱 绝大多数先天性代谢缺陷为AR遗传病 也有少数为XR遗传病 先天性代谢病的发病机理 人的机体内一般代谢过程如图所示 二 糖代谢缺陷 半乳糖血症 galactosemia 半乳糖血症主要表现为患儿对乳糖不耐受 婴儿哺乳后呕吐 腹泻 继而出现白内障 肝硬化 黄疸 腹水和智力低下等 发病率约为1 50000 半乳糖血症表现为AR遗传 缺陷基因定位于9p13 该基因的错义突变 如谷氨酰胺188 精氨酸 是造成酶活性下降的主要原因 代谢途径 乳糖 葡萄糖 半乳糖 1 磷酸半乳糖 1 磷酸葡萄糖 6 磷酸葡萄糖 半乳糖 1 磷酸尿苷转移酶 半乳糖醇 醛糖还原酶 半乳糖 1 磷酸尿苷转移酶 9p13 基因错义突变 如谷氨酰胺188 精氨酸 造成酶活性下降 糖原累积症糖原累积症 glycogenstoragedisease GSD 是一类较罕见的遗传代谢病 由于酶的缺陷 使糖原在肝脏及肌肉中的代谢缺陷所致 根据所缺的酶不同 可将糖原累积症分为11型 每种酶影响不同的组织 多数为AR遗传 以GSDI型为最常见 苯丙酮尿症苯丙酮尿症 phenylketonuria PKU 为一种严重的AR遗传性氨基酸代谢病 1934年首次发现 因患者尿中排泄大量的苯丙酮酸而得名 我国发病率约为1 16500 PKU患者由于肝脏内苯丙氨酸羟化酶 PAH 缺乏 苯丙氨酸不能转变为酪氨酸而在体内累积 并导致血液和尿液中苯丙氨酸及其衍生物排出增多 三 氨基酸代谢缺陷 代谢途径 遗传学 PKU为AR遗传 PAH基因定位于12q22 q24 cDNA长90kb 含13个外显子 12个内含子 该基因主要在肝脏中表达 目前 已发现216种PAH基因突变 其中60 为错义突变 其余为缺失 插入和移码突变等 白化病白化病 albinism 是Garrod20世纪初开始研究的遗传代谢病之一 发病率为1 10000 1 20000 可分眼皮肤白化病 型 眼皮肤白化病 型和眼白化病三大类 1 代谢途径 酪氨酸 多巴 多巴醌 黑色素 黑色素蛋白2 酶缺乏 酪氨酸酶3 结果 不能形成黑色素4 临床表现 全身皮肤 毛发 眼缺乏黑色素 故皮肤白皙 头发呈淡黄色或白色 视网膜无黑色素 虹膜和瞳孔呈淡红色 羞明 AR 发病率为1 10000 1 20000 四 核酸代谢缺陷 核酸代谢缺陷常见的有次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶缺陷 着色性干皮病和痛风症等 次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 hypoxanthineguaninephosphoribosyltransferase HGPRT 缺陷症是一种由于HGPRT缺陷所致的疾病 故又称为HGPRT缺陷症 HGPRT缺乏症呈XR遗传 该基因定位于Xq26 q27 2 长约44kb 由9个外显子组成 在3 5和 11号染色体上发现有3个拟基因 已检出突变型20多种 患者体液内尿酸浓度增高 出现高尿酸血症和尿酸尿 患者智力发育不全 舞蹈样动作和强迫性自残行为 并伴有高尿酸血症 尿酸尿 血尿 尿道结石 痛风等等 第三节血友病 血友病 hemophilia 是一组遗传性凝血功能障碍的出血性疾病 包括血友病A 血友病B及血友病C 本组疾病在先天性出血性疾病中最为常见 尤其是血友病A 发病人数约占先天性出血性疾病的85 而血友病丙较为少见 一 血友病A 血友病A是由于血浆中凝血因子 F 缺乏所致的X连锁遗传的凝血缺陷疾病 该病分布的地区和民族比较广泛 在男性中发病率为1 6000 约占血友病总数的85 其临床症状与血友病B一样 不能区分 血友病A在临床上主要表现为反复自发性或轻微损伤后出血不止和出血引起的压迫症状和并发症 F 是一个复合分子 包括抗血友病球蛋白 因子相关抗原和促血小板粘附血管因子3种成分 血友病A是因抗血友病球蛋白遗传性缺乏所致 F 基因位于Xq28 长约186kb 几乎占X染色体的0 1 含有26个外显子