医学遗传学人类疾病的生化和遗传学

1、本章内容提示本章内容提示 分子病（分子病（molecular disease)molecular disease) 血红蛋白病（血红蛋白病（hemoglobinopathyhemoglobinopathy） 血红蛋白类型（血红蛋白类型（HbF, HbAHbF, HbA2 2 ,HbA) ,HbA)及发育变化及发育变化 遗传控制：类遗传控制：类 链链 （排列、定位）（排列、定位） 类类 链链 （排列、定位）（排列、定位） 异常血红蛋白病及分子基础异常血红蛋白病及分子基础 地中海贫血：地中海贫血： 地贫（基因型，临床症状，分子基础）地贫（基因型，临床症状，分子基础） 地贫（基因型，临床症状，分子基

2、础）地贫（基因型，临床症状，分子基础） 分子病分子病 （Molecular diseaseMolecular disease） 基因突变导致蛋白质分子质和量异常，从而引基因突变导致蛋白质分子质和量异常，从而引 起机体功能障碍的一类疾病，称为分子病。起机体功能障碍的一类疾病，称为分子病。 19491949年年Pauling LPauling L对镰状细胞贫血病患者的血红蛋白对镰状细胞贫血病患者的血红蛋白HbSHbS电电 泳分析，推论其泳动异常是分子结构改变所致，从而提泳分析，推论其泳动异常是分子结构改变所致，从而提 出分子病的概念。出分子病的概念。 血红蛋白病 第一节第一节 血红蛋白概述血红蛋白

3、概述 第二节第二节 血红蛋白基因血红蛋白基因 第三节第三节 血红蛋白病的类型和分子基础血红蛋白病的类型和分子基础 血红蛋白病（血红蛋白病（HemoglobinopathyHemoglobinopathy）： 由于由于珠蛋白珠蛋白分子结构异常或合成量异常分子结构异常或合成量异常所引起的疾病。所引起的疾病。 是常见的遗传病之一，从分子结构到发病机理研究的是常见的遗传病之一，从分子结构到发病机理研究的 均较清楚，是研究人类均较清楚，是研究人类分子病分子病的最好模型。的最好模型。 原因：原因： 1 1）红细胞取材方便，来源丰富）红细胞取材方便，来源丰富 2 2）血红蛋白浓度高，不需纯化）血红蛋白浓度高

4、，不需纯化 3 3）网织红细胞含有）网织红细胞含有、珠蛋白珠蛋白mRNAmRNA，便于克隆其，便于克隆其cDNAcDNA 4 4）血红蛋白异常引起的疾病种类很多）血红蛋白异常引起的疾病种类很多 第一节第一节 血红蛋白概述血红蛋白概述 -HbHb的组成、结构及类型的组成、结构及类型 正常正常HbHb的组成的组成 是一种是一种结合蛋白：结合蛋白： 血红素血红素 珠蛋白珠蛋白 （Heme) (globinHeme) (globin) ) 每个每个HbHb单体是由单体是由 一条珠蛋白肽链一条珠蛋白肽链 和一个血红和一个血红 素组成的。素组成的。 个个HbHb单体单体 一个球形四聚体一个球形四聚体 一一

5、 血红蛋白 链 一级结构： 氨基酸排列顺序 类链：（、 ） 141个氨基酸 类链:（、） 146个氨基酸 二级结构： 肽链盘曲成的空间螺旋 螺旋、 折叠片层 血红蛋白链， 螺旋结构。 二二 血红蛋白的结构血红蛋白的结构 三级结构：三级结构： 整条多肽链的三整条多肽链的三 维结构维结构 四级结构：四级结构： 四聚体四聚体 二二 血红蛋白的结构血红蛋白的结构 血红蛋白的类型血红蛋白的类型 成人成人Hb Hb ：HbHb A A 2 2 2 2 97 9798% 98% Hb Hb A A2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 % % 胎儿胎儿HbHb： Hb F Hb F 2 2 2 2 （2 2

6、G G2 2 2 2A A2 2） 胚胎胚胎HbHb： Hb Gower Hb Gower 2 2 2 2 （ 2 2G G2 2 2 2A A2 2 ） ） ( (妊娠妊娠1212周内周内) ) Hb Gower Hb Gower 2 2 2 2 Hb Portland Hb Portland 2 2 2 2 三三 第二节第二节血红蛋白基因血红蛋白基因 排列紧密，有共同起源，含有假基因排列紧密，有共同起源，含有假基因 7 7个基因，定位于个基因，定位于16p1316p13 5 5-2-2 1 -1 - 2 2- - 1 1 - -2 2 - -1 1-1 - 3-1 - 3 7 7个基因，定

7、位个基因，定位11p1511p15 5-5-2 2 - - G G- - A A-1 1 - - -3 - - -3 -3 珠蛋白基因特点珠蛋白基因特点 珠蛋白珠蛋白Gene Gene 簇簇 珠蛋白珠蛋白GeneGene簇簇 珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇 16p13.33-p13.11 11 15.5 二、二、HbHb发育演变与遗传控制发育演变与遗传控制 胚胎早期先合成胚胎早期先合成 和和 Hb GowerHb Gower（ 2 2 2 2 ） 同时或稍后合成同时或稍后合成 和和 Hb Hb Gower Gower （ 2 2 2 2 ） Hb PortlandHb Portland （ 2 2

8、2 2 ） 1212周时周时 和和 逐渐消失，逐渐消失， 链迅速增加，链迅速增加， 开始合成，开始合成，HbFHbF为主（为主（ 2 2 2 2 ）。 ）。 妊娠末期和出生不久，妊娠末期和出生不久， 链迅速降低，链迅速降低， 链迅速增加，链迅速增加，HbAHbA为主（为主（ 2 2 2 2 ）。）。 三、三、珠蛋白基因结构及表达珠蛋白基因结构及表达 珠蛋白基因：珠蛋白基因： IVS1IVS1由由117bp117bp组成，位于组成，位于3131和和3232密码子之间，密码子之间， IVS2IVS2由由149(149( 1)1)或或142bp 142bp ( 2)组成，位于组成，位于9999和和1

9、00100密码子之间。密码子之间。 珠蛋白基因：珠蛋白基因： IVS1IVS1含含130bp130bp，位于，位于3030和和3131密码之间，密码之间， IVS2IVS2大约含大约含850bp850bp，位于，位于104104和和105105密码子之间。密码子之间。 基因结构基因结构: : 非常相似，均为非常相似，均为3 3个外显子，个外显子，2 2个内含子个内含子( (IVS1、IVS2） 1 31 32 99 100 141 1 30 31 104 105 146 珠蛋白基因结构珠蛋白基因结构 珠蛋白基因结构珠蛋白基因结构 珠蛋白基因表达珠蛋白基因表达 E1 E2 E3 5 -3 Tra

10、nscription Processing 5-Cap- -polyAAAAA mRNA Translation 珠蛋白基因表达特点珠蛋白基因表达特点 发育阶段特异性发育阶段特异性 5533顺次表达、关闭顺次表达、关闭 合成场所特异性合成场所特异性 卵黄囊、胎肝、骨髓卵黄囊、胎肝、骨髓 表达数量协调性表达数量协调性 类类 、类、类 链维持链维持1 1：1 1的比例的比例 总之，珠蛋白基因的表达具有时空特异性、总之，珠蛋白基因的表达具有时空特异性、 精确的协调性精确的协调性 第三节第三节 HbHb病的类型和分子基础病的类型和分子基础 人类珠蛋白基因的组织特异性强，仅在人类珠蛋白基因的组织特异性强

11、，仅在RBCRBC及前体中及前体中 才有大量表达。才有大量表达。 由珠蛋白基因突变引起珠蛋白由珠蛋白基因突变引起珠蛋白 质量畸变质量畸变（异常（异常HbHb病）病）和和 数量畸变数量畸变（地中海贫血）（地中海贫血） 所致的疾病统称所致的疾病统称血红蛋白病血红蛋白病 血红蛋白病分类 异常异常HbHb病：病： 基因突变导致珠蛋白结构改变基因突变导致珠蛋白结构改变 例如：镰状细胞贫血例如：镰状细胞贫血 地中海贫血：地中海贫血： 基因突变导致珠蛋白肽链合成缺乏基因突变导致珠蛋白肽链合成缺乏 或合成量异常或合成量异常 如如、地贫地贫 异异 常常 血血 红红 蛋蛋 白白 病病 由于由于珠蛋白基因突变珠蛋白

12、基因突变导致珠蛋白肽链结构异常，如导致珠蛋白肽链结构异常，如 有临床表现者称为异常血红蛋白病。有临床表现者称为异常血红蛋白病。 主要类型主要类型： （1）镰状细胞病）镰状细胞病 （2）不稳定血红蛋白病）不稳定血红蛋白病 （3）血红蛋白）血红蛋白M病病 （4）氧亲和力改变的血红蛋白病）氧亲和力改变的血红蛋白病 一、镰一、镰 状状 细细 胞胞 病病 遗传方式遗传方式：ARAR 形成原因形成原因： 链第链第6 6位谷氨酸被缬氨酸取代，形成位谷氨酸被缬氨酸取代，形成HbSHbS。 在缺氧情况下，在缺氧情况下，HbSHbS聚合形成长棒状聚合物，使细聚合形成长棒状聚合物，使细 胞镰变胞镰变, ,变形能力低

13、变形能力低引起血粘度增高，导致引起血粘度增高，导致溶血、溶血、 贫血、贫血、血管梗阻性继发症状。血管梗阻性继发症状。 Hb HbS SHbHbS S 镰状细胞病镰状细胞病 HbHbA AHbHbS S 镰形细胞性状镰形细胞性状 HbHbA AHbHbA A 正常人正常人 镰状镰状 细细 胞胞 病病 v临床症状临床症状： v血管阻塞的继发症状：一过性剧痛（腹痛、关节血管阻塞的继发症状：一过性剧痛（腹痛、关节 痛）痛）, ,脑血管意外脑血管意外 v急性大面积组织损伤：心梗，肺、肾脏损伤；急性大面积组织损伤：心梗，肺、肾脏损伤； v慢性溶血性贫血慢性溶血性贫血 患者多在成年以前死亡患者多在成年以前死

14、亡 诊断：诊断：血涂片亚硫酸钠血涂片亚硫酸钠“镰变试验镰变试验”阳阳 性性 电泳：有一电泳：有一“”区带区带 S S A A ADAD（不完全显性）（不完全显性）现已发现现已发现9090余种。余种。 分子机制分子机制：肽链上与血红素紧密结合的氨基酸发生：肽链上与血红素紧密结合的氨基酸发生 替代或缺失，损伤了肽链的立体结构，使其与血红替代或缺失，损伤了肽链的立体结构，使其与血红 素的结合能力减弱，形成不稳定的异常血红蛋白素的结合能力减弱，形成不稳定的异常血红蛋白, , 易氧化在红细胞内聚集沉淀，形成易氧化在红细胞内聚集沉淀，形成HeinzHeinz小体，红小体，红 细胞变形能力降低，通过微循环时

15、容易被脾窦滞留细胞变形能力降低，通过微循环时容易被脾窦滞留 破坏，从而导致血管内外溶血。破坏，从而导致血管内外溶血。 代表疾病代表疾病：Hb BristolHb Bristol 形成原因：形成原因： 链第链第6767位缬氨酸被天冬氨酸取代位缬氨酸被天冬氨酸取代 临床症状：先天性溶血性贫血、黄疸、脾肿大临床症状：先天性溶血性贫血、黄疸、脾肿大 二、不稳定血红蛋白病二、不稳定血红蛋白病 三、血三、血 红红 蛋蛋 白白 病病 M 病病 （遗传性高铁血红蛋白病）（遗传性高铁血红蛋白病） 形成原因形成原因： 肽链中与血红素铁原子连接的组氨酸发生肽链中与血红素铁原子连接的组氨酸发生 替代，导致部分铁原子呈

16、稳定的高铁状态，影响替代，导致部分铁原子呈稳定的高铁状态，影响 HbHb正常带氧功能正常带氧功能 临床表现临床表现： 紫绀和继发性红细胞增多紫绀和继发性红细胞增多 遗传方式遗传方式：ADAD 四、氧亲和力改变的血红蛋白病四、氧亲和力改变的血红蛋白病 形成原因形成原因： 由于珠蛋白基因突变致由于珠蛋白基因突变致HbHb肽链上氨基酸发生肽链上氨基酸发生 置换，致使置换，致使HbHb分子与氧的亲和力增高或降低，运分子与氧的亲和力增高或降低，运 输氧功能改变。输氧功能改变。 临床表现临床表现： 红细胞增多症和紫绀红细胞增多症和紫绀 异常血红蛋白病的分子基础异常血红蛋白病的分子基础 珠蛋白基因突珠蛋白基

17、因突 变变 主要类型：主要类型： （1）单个碱基置换）单个碱基置换 （2）移码突变）移码突变 （3）密码子的缺失和插入）密码子的缺失和插入 （4）融合基因）融合基因 一）一）单个碱基的替代单个碱基的替代（占（占90%90%） 1 1、错义突变错义突变 是由于单个核苷酸的改变导致由特定三联体是由于单个核苷酸的改变导致由特定三联体 密码子编码的氨基酸的改变。密码子编码的氨基酸的改变。 例例： HbSHbS 无义突变无义突变 Hb Mckees-RockHb Mckees-Rock 145145 DNA 144 145 146 147 Hb A AAG UAU UCG UAA Hb McKees-R

18、ock AAG UAA PROTEIN 144 145 146 147 Hb A Lys Tyr His （终止（终止） Hb McKees-Rock Lys （终止）（终止） 3 3、终止密码突变、终止密码突变 终止密码终止密码编码氨基酸的密码，导致肽链异常延长。编码氨基酸的密码，导致肽链异常延长。 例： Hb Constant SpringHb Constant Spring 142 142 DNA 139 140 141 142 143 Hb A AAA UAC CGU UAA GCU Hb Constant-Spring AAA UAC CGU CAA GCU PROTEIN 139

19、140 141 142 143 Hb A Lys TyrArg （终止）（终止） Hb Constant-Spring Lys TyrArg Gln Ala-172 二）二） 移码突变移码突变 在正常密码子中插入或缺失一个或几个在正常密码子中插入或缺失一个或几个 碱基碱基, ,导致该位点后面编码的氨基酸种类导致该位点后面编码的氨基酸种类 顺序改变顺序改变. . 例：例： 正常正常HbHb 137-137-ACC UCACC UCC C AAA UAC CGU UAA AAA UAC CGU UAA 苏苏-丝丝-赖赖-酪酪-精精- - 终终 Hb Wayne Hb Wayne ACC UCA A

20、AU ACC GUU AAGACC UCA AAU ACC GUU AAG 苏苏-丝丝-冬胺冬胺-苏苏-缬缬- - 赖赖 三）三）整码突变整码突变 密码子的三个碱基同时缺失或插入密码子的三个碱基同时缺失或插入 89AGUGAGCUGCACUGUGACAAGCUGCAC GUG 98 -丝谷亮组半胱门冬赖亮组缬- AGUGAGCUGCAC GUG 89 90 96 97 9889 90 96 97 98 -丝谷亮组缬-(-(91-9591-95缺失，后面氨基酸缺失，后面氨基酸 顺序不变）顺序不变） 四）四）融合基因融合基因 由两种不同的肽链联接而成的异常血红蛋白肽链由两种不同的肽链联接而成的异常

21、血红蛋白肽链. . 产生原因：减数分裂时同源染色错误配对使不同珠蛋产生原因：减数分裂时同源染色错误配对使不同珠蛋 白基因之间发生不等交换。白基因之间发生不等交换。 下图中的下图中的Hb LeporeHb Lepore是由是由、链连接而成，称链连接而成，称； 而而反反LeporeLepore是由是由、链连接而成，称链连接而成，称链链 G A 含重复片段的 染色体Anti- Lepore 缺失染色体 Hb Lepore 二、地中海贫血二、地中海贫血 珠蛋白链合成数量不平衡珠蛋白链合成数量不平衡 最初发现在地中海地区居住的人群发病率特别高而得名，最初发现在地中海地区居住的人群发病率特别高而得名， 实

22、际上世界各地都有发生，非洲和东南亚也比较常见。实际上世界各地都有发生，非洲和东南亚也比较常见。 珠蛋白基因珠蛋白基因缺失缺失/ /突变突变导致某种珠蛋白链合成障导致某种珠蛋白链合成障 碍造成碍造成链和链和链合成链合成数量不平衡数量不平衡，引起的溶血，引起的溶血 性贫血称为性贫血称为地中海贫血。地中海贫血。 地中海贫血地中海贫血由于由于 珠蛋白基因的缺失或缺珠蛋白基因的缺失或缺 陷使陷使 链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。 特点：特点：b b 都表现为低色素性贫血都表现为低色素性贫血 地中海贫血地中海贫血由于由于 珠蛋白基因的缺失或缺陷珠蛋白基因的缺失或缺陷

23、 使使 链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。 地中海贫血地中海贫血 地地 中中 海海 贫贫 血血 地中海贫血地中海贫血 每条每条1616号染色体上有两个号染色体上有两个GeneGene缺失程度不缺失程度不 同，同，链合成部分或完全受到抑制，导致不同类型的链合成部分或完全受到抑制，导致不同类型的 地贫。地贫。 若一条染色体上缺失一个若一条染色体上缺失一个基因基因（）为为 + +地贫地贫，链合成减少。链合成减少。 若一条染色体上两个若一条染色体上两个基因均缺失基因均缺失（ ） 为为0 0地贫地贫，链不能合成。链不能合成。 临床类型临床类型类类 型型症症 状状 正

24、常人正常人 静止型静止型 + +地贫杂合子地贫杂合子无症状无症状 轻轻 型型 （标准型）（标准型） 0 0地贫杂合子地贫杂合子 轻度贫血轻度贫血 + +地贫纯合子地贫纯合子 血红蛋白血红蛋白H H病病 0 0地贫和地贫和 + +地地 贫双重杂合子贫双重杂合子 溶血性贫血溶血性贫血 Hb BartHb Barts s胎胎 儿水肿综合征儿水肿综合征 0 0地贫纯合子地贫纯合子胎儿水肿胎儿水肿 胎胎儿儿水水肿肿 地贫的分子基础地贫的分子基础 依依基因缺陷程度分为：基因缺陷程度分为： 1 1 GeneGene缺失型（缺失型（缺失缺失1 1个个基因基因） 2 2 非非GeneGene缺失型（点突变）：缺

25、失型（点突变）：无义突无义突 变、移码突变、终止密码突变、剪接变、移码突变、终止密码突变、剪接 突变等突变等 结果结果 1 1 生成无功能或稳定性降低的生成无功能或稳定性降低的mRNAmRNA 无义突变无义突变 移码突变移码突变 终止密码突变终止密码突变 起始密码突变起始密码突变 2 2 RNARNA加工突变加工突变 3 3 产生不稳定产生不稳定HbHb 地中海贫血地中海贫血 珠蛋白珠蛋白Gene Gene 突变或缺失突变或缺失珠蛋白链合成速珠蛋白链合成速 率下降率下降溶血性贫血溶血性贫血 0 0 地贫地贫：链完全不能合成链完全不能合成 + + 地贫 地贫：链可部分合成链可部分合成 -地中海贫

26、血临床分类地中海贫血临床分类 临临 床床 类类 型型基基 因因 型型基基 因因 产产 物物临临 床床 表表 现现 重型重型 地贫地贫 + +/ / + +、 0 0/ / 0 0 0 0/ /0 0、 + +/ / 0 0 链几乎不能合成链几乎不能合成 链合成相对增加链合成相对增加 Hb FHb F和和Hb AHb A2 2增高增高 地中海贫血面容地中海贫血面容 溶血性贫血（需溶血性贫血（需 输血）输血） 轻型轻型 地贫地贫 + +/ / A A、 0 0/ / A A 0 0/ / A A 能合成适量的能合成适量的 链链 贫血不明显或轻贫血不明显或轻 度贫血度贫血 中间型中间型 地贫地贫 +

27、 +/ /+ + 链部分合成链部分合成 介于重型和轻型介于重型和轻型 之间（不需输血）之间（不需输血） 遗传性胎儿遗传性胎儿 血红蛋白持血红蛋白持 续增多症续增多症 缺失或突变缺失或突变 链和链和 链合成受抑制链合成受抑制 链合成明显增加链合成明显增加 成人成人Hb FHb F持续增持续增 加，无症状加，无症状 患儿颅骨及面颊部骨骼增大，头颅 变大，额部隆起，颧高，鼻梁塌陷， 两眼距离增宽，眼睑浮肿，形成地 中海贫血的特殊面容。 X线颅骨照片可见颅骨内外板变薄， 板障增宽，在骨皮质间出现垂直短发 样骨刺 -地中海贫血的分子基础地中海贫血的分子基础 地中海贫血已发现地中海贫血已发现100100多

28、种突变类型，包括点突变和多种突变类型，包括点突变和 基因缺失。基因缺失。 绝大多数绝大多数 地中海贫血是由于地中海贫血是由于 基因发生点突变所致，突基因发生点突变所致，突 变涉及基因内及旁侧序列。变涉及基因内及旁侧序列。 （1 1）编码区突变）编码区突变 （2 2）非编码区突变）非编码区突变 （3 3）启动子区突变）启动子区突变 （4 4）RNARNA裂解信号突变裂解信号突变 （5 5）加帽位点单个碱基突变）加帽位点单个碱基突变 编码区突变编码区突变 mRNA稳定性降低或形成无功能稳定性降低或形成无功能mRNA （1）无义突变）无义突变 密码子密码子17：AC 密码子密码子43：GT0地贫地贫

29、 （2）移码突变）移码突变 密码子密码子71/72：+A 密码子密码子41/42：TCTT0地贫地贫 （3）起始密码突变）起始密码突变 ATGAGG0地贫地贫 内含子内含子I I G GTTA AT T丧失一个剪切信号。丧失一个剪切信号。 新的切点产生新的切点产生 同义突变同义突变激活激活I I和和 ExonExon隐蔽裂解位点隐蔽裂解位点 如：如：G GGTGTAGAGT T 产生新的剪切点产生新的剪切点 非编码区突变非编码区突变 影响影响mRNA剪切、加工过程剪切、加工过程 GTAT GGTAGTGGTAGT，激活隐蔽剪切位点，激活隐蔽剪切位点 启动子区突变启动子区突变 降低降低mRNA的

30、转录效率的转录效率 -28-28位位AG AG 突变破坏了突变破坏了TATA BoxTATA Box。 RNA裂解信号突变裂解信号突变 不能准确裂解和加不能准确裂解和加polyA 珠蛋白基因珠蛋白基因3侧翼序列中侧翼序列中 AATAAAAACAAA 加帽位点单个碱基突变加帽位点单个碱基突变 不能准确裂解和加不能准确裂解和加polyA 加帽位点发生加帽位点发生AC颠换，影响转录效颠换，影响转录效 率。通常是率。通常是mRNA的第一个核苷酸。的第一个核苷酸。 总 结 异常血红蛋白病和地中海贫血有异常血红蛋白病和地中海贫血有共同的分子基础共同的分子基础 突变、缺失突变、缺失 基因缺失基因缺失是引起是

31、引起 地中海贫血的主要原因地中海贫血的主要原因 基因突变基因突变是引起是引起 地中海贫血的主要原因地中海贫血的主要原因 人类疾病的生化和分子遗传学人类疾病的生化和分子遗传学 先天性代谢病 本章内容提示本章内容提示 先天代谢病的类型先天代谢病的类型 几种疾病发病分子机制、疾病相关几种疾病发病分子机制、疾病相关 基因定位、疾病的遗传方式基因定位、疾病的遗传方式 氨基酸代谢病：氨基酸代谢病：白化病白化病 PKUPKU 糖代谢病：糖代谢病：半乳糖血症半乳糖血症 糖原贮积症糖原贮积症 嘌呤代谢病：嘌呤代谢病：自毁容貌综合征自毁容貌综合征 受体蛋白病：受体蛋白病：家族性高胆固醇血症家族性高胆固醇血症 19

32、081908年年，GarrodGarrod A A在皇家伦敦医学院发表了题在皇家伦敦医学院发表了题 为为“先天性代谢缺陷先天性代谢缺陷”的著名报告，他公布了的著名报告，他公布了 四种人类罕见疾病：四种人类罕见疾病： 尿黑酸尿症尿黑酸尿症 戊糖尿症戊糖尿症 胱氨酸尿症胱氨酸尿症 白化病白化病 Garrod Garrod 对对尿黑酸尿症尿黑酸尿症的开拓性的研究开辟了的开拓性的研究开辟了 生化遗传学这一领域生化遗传学这一领域 一、一、“先天代谢缺陷先天代谢缺陷”概念提概念提 出出 尿黑酸尿症尿黑酸尿症 临床特征临床特征：黑尿、大关节、脊柱椎间盘：黑尿、大关节、脊柱椎间盘 退行性关节炎退行性关节炎褐黄

33、病。褐黄病。 上腭出现兰色或黑色的色素斑，上腭出现兰色或黑色的色素斑， 眼巩膜、肋软骨出现黑色沉淀眼巩膜、肋软骨出现黑色沉淀 （内源性尿黑酸自身氧化形成的产物沉淀所致） 临床症状 新生儿和儿童期： 尿黑酸尿是唯一的特点； 成人期： 除了尿黑酸尿以外，由于尿黑酸 增多，并在结缔组织中沉着，而导致褐黄 病（ochronosis），如果累及关节的话则 进展为褐黄病性关节炎（ochronotic arthritis）。 推测病因推测病因 代谢代谢 转化转化 正常人：正常人：苯丙苯丙Aa、酪酪Aa尿黑酸尿黑酸 另一代谢产物另一代谢产物 不蓄积不蓄积 尿黑酸患者尿黑酸患者：苯丙苯丙Aa、酪酪Aa 尿黑酸尿

34、黑酸/另一代谢产物另一代谢产物 大量贮积，尿中排出大量贮积，尿中排出 实验分析实验分析 尿黑酸患者尿黑酸患者 服食尿黑酸服食尿黑酸尿中定尿中定 量排出量排出 高蛋白饮食（含苯丙高蛋白饮食（含苯丙Aa、 酪酪Aa）内源性尿黑酸内源性尿黑酸 受试者受试者 正常人正常人 服食尿黑酸服食尿黑酸不排出不排出 高蛋白饮食（含苯高蛋白饮食（含苯Aa、 酪酪Aa）无尿黑酸检出无尿黑酸检出 证实病因尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶 缺乏缺乏 假设假设5050年后被证实：患者的肝脏中检测不到尿黑年后被证实：患者的肝脏中检测不到尿黑 酸氧化酶，此酶负责尿黑酸进一步代谢。酸氧化酶，此酶负责尿黑酸进一步代谢。 苯丙苯丙Aa A

35、a 苯丙苯丙AaAa羟化酶羟化酶 酪酪AaAa 酪酪AaAa氨基转移酶氨基转移酶 p- p-羟基苯丙酮酸羟基苯丙酮酸 p-p-羟基苯丙酮酸氧化酶羟基苯丙酮酸氧化酶 尿黑酸尿黑酸 尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶 延胡索酸延胡索酸+ +乙酰乙酸乙酰乙酸 尿黑酸症遗传学分析尿黑酸症遗传学分析 尿黑酸尿症呈现尿黑酸尿症呈现家族分布家族分布：1717个尿黑酸尿症个尿黑酸尿症 家庭中有家庭中有8 8个父母是一级表兄妹。一级表兄个父母是一级表兄妹。一级表兄 妹婚配为一种罕见的隐性性状的表现提供了妹婚配为一种罕见的隐性性状的表现提供了 条件条件 是第一种被确认的是第一种被确认的常染色体隐性遗传病。常染色体隐性遗传病

36、。 正常等位基因是未受累个体特异的酶产物所正常等位基因是未受累个体特异的酶产物所 必需的，这是关于基因通过编码的酶施加其必需的，这是关于基因通过编码的酶施加其 影响最初的线索。所以影响最初的线索。所以GarrodGarrod的工作预言了的工作预言了 “一个基因一种酶一个基因一种酶”的假说的假说。 二、先天代谢缺陷产生机制二、先天代谢缺陷产生机制 1 1、 酶活性异常的遗传基础酶活性异常的遗传基础 1 1）结构基因突变结构基因突变酶结构改变，稳酶结构改变，稳 定性降低，酶动力学改变。定性降低，酶动力学改变。 2 2）调节基因突变调节基因突变酶合成速率下降，酶合成速率下降， 催化活性降低，催化活性

37、降低， 3 3）翻译后修饰加工障碍翻译后修饰加工障碍酶催化中酶催化中 心不完善，活性下降。心不完善，活性下降。 代谢异常机理代谢异常机理 Gene AB BC C/D transcribtion mRNA translatin Enzyme S(底物底物 ） A B C D E F 代谢旁路开放 二、先天代谢缺陷代表疾病二、先天代谢缺陷代表疾病 氨基酸代谢病氨基酸代谢病： PKU PKU 白化病白化病 糖代谢病糖代谢病：半乳糖血症半乳糖血症 糖原贮积症糖原贮积症 嘌呤代谢病：嘌呤代谢病：自毁容貌综合征自毁容貌综合征 受体蛋白病受体蛋白病：家族性高胆固醇血症家族性高胆固醇血症 苯丙酮尿症 发病环

38、节：发病环节：酶缺乏导致旁路代谢产物增多酶缺乏导致旁路代谢产物增多 遗传方式：AR 缺乏的酶：苯丙氨酸羟化酶 遗传基因定位： PAHPAH基因基因 12q24.1 全长90Kb，13个外显子，12个内含子。 目前已发现近200种错义突变 临临床症状床症状： 本病经典型以智能发育不全为主要特征 。 旁路代谢产物苯丙酮酸苯乳酸苯乙酸 从汗液尿液排出，毛发、皮肤和尿有特殊气 味 黑色素生成减少，患者毛发和皮肤颜色浅 神经递质生成受影响，患儿智力低下。 治疗治疗：低苯丙氨酸饮食：低苯丙氨酸饮食 早期治疗以避免神经系统损伤，早期治疗以避免神经系统损伤， 减少智力损害减少智力损害 生化手段可作新生儿筛查生

39、化手段可作新生儿筛查 苯丙氨酸苯丙氨酸 酪氨酸酪氨酸 多巴多巴 儿茶酚胺儿茶酚胺 苯丙酮酸苯丙酮酸 苯乙酸苯乙酸 苯乳酸苯乳酸 尿黑酸尿黑酸 乙酰乙酸乙酰乙酸 黑色素黑色素 甲状腺素甲状腺素 苯丙氨酸、酪氨酸代谢苯丙氨酸、酪氨酸代谢 白化病AlbinismAlbinism 发病环节：酶缺乏导致代谢终产物缺乏 遗传方式：AR 缺乏的酶：酪氨酸酶，导致终产物黑色 素缺乏 遗传基因OCA1定位：11q14-q21 临临床症状床症状： 皮肤呈白色，头发呈银白或淡黄色 虹膜及瞳孔呈淡红色，视网膜无色素 视物模糊，眼球震颤，羞明 易患皮肤癌 白化病白化病 Albinism Albinism 半乳糖血症半乳

40、糖血症（GalactosemiaGalactosemia） # #发病环节：酶缺乏导致发病环节：酶缺乏导致代谢中间产物堆积代谢中间产物堆积 和排出和排出 # #遗传方式：遗传方式：ARAR # #临床表现：临床表现： 婴儿哺乳后呕吐、腹泻、婴儿哺乳后呕吐、腹泻、 对乳类不耐受，继而出现肝硬化、对乳类不耐受，继而出现肝硬化、 白内障、智力低下等症状白内障、智力低下等症状 半乳糖血症（半乳糖血症（Galactosemia） 半乳糖半乳糖 半乳糖半乳糖-1-磷酸磷酸+2-磷酸尿苷葡萄糖磷酸尿苷葡萄糖 2-磷酸尿苷半乳糖磷酸尿苷半乳糖 葡萄糖葡萄糖-1-1-磷酸磷酸 E1 E2 半乳糖醇半乳糖醇 葡萄

41、糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸 E1：半乳糖激酶半乳糖激酶 E2：半乳糖半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶磷酸尿苷酰转移酶 半乳糖血症分类半乳糖血症分类 分型缺陷酶基因定位 临床表现 型 （经典型） 半乳糖-1-磷酸 尿苷酰转移酶 9q13低血糖，肝硬化， 智力障碍，白内障。 型半乳糖激酶17q21-q22 主要表现为青年型 白内障。肝脾大， 可有黄疸，智力正 常或迟缓。 型半乳糖尿苷-2- 磷酸-4-异构酶 1p36-p35可无临床症状或类 似经典型 1. 1. 喂乳后喂乳后几天出现几天出现呕吐呕吐、 拒食、腹泻、失重。拒食、腹泻、失重。 2. 2. 一周后，肝脏损害症状：一周后，肝脏损害症状： 黄疸

42、、肝肿大、腹水黄疸、肝肿大、腹水。 3. 3. 几个月后，智力发育障几个月后，智力发育障 碍，蛋白尿，氨基酸尿，碍，蛋白尿，氨基酸尿， 白内障白内障。 糖原贮积症（ von Gierke病） 缺乏的酶：葡萄糖-6-磷酸酶 遗传方式：AR 基因定位：17q21 糖原 葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸酶 临床表现临床表现： 肝糖原合成过多，引起患儿肝糖原合成过多，引起患儿肝肿大肝肿大 G-6-Pase G-6-Pase缺乏，缺乏， 葡萄糖供应不足，易发生葡萄糖供应不足，易发生低低 血糖血糖，长期可致患儿发育不良，消瘦，身，长期可致患儿发育不良，消瘦，身 体矮小体矮小 动

43、用脂肪供能可以出现动用脂肪供能可以出现酮血症酮血症。 G-6-P G-6-P无氧酵解生成大量乳酸，导致无氧酵解生成大量乳酸，导致酸中酸中 毒毒。 嘌呤代谢病嘌呤代谢病 自毁容貌综合征自毁容貌综合征( (Lesch-Nyhan Lesch-Nyhan syndrome, syndrome, LNSLNS) ) 缺乏的酶：次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶 (HGPRT) 遗传方式：X X连锁隐性遗传。连锁隐性遗传。 基因定位：基因定位：Xq26-q27Xq26-q27。 主要的突变类型有：主要的突变类型有：核苷酸取代、插入、缺失和核苷酸取代、插入、缺失和 移码突变，可在移码突变，可在DNADNA水平

44、上作产前诊断水平上作产前诊断。 代谢途径代谢途径 发病机理 HGPRT催化5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)上的 磷酸核糖基转移到鸟嘌呤和次黄嘌呤上，使 之成为鸟苷酸和次黄苷酸，而它们又可反馈 抑制嘌呤前体5-磷酸核糖-1-胺的生成。 此 酶如缺乏，则鸟苷酸和次黄苷酸合成减少， 嘌呤合成加快，致使尿酸增高，代谢紊乱而 致病。 临床表现临床表现： 1 1、高尿酸血症和高、高尿酸血症和高 尿酸尿症尿酸尿症 2 2、痛风性关节炎、痛风性关节炎 3 3、智力迟钝，大、智力迟钝，大 脑瘫痪脑瘫痪 4 4、舞蹈样动作，、舞蹈样动作， 自残行为自残行为 家族性高胆固醇血症（家族性高胆固醇血症（FHFH）

45、遗传方式遗传方式：常染色体（不完全）显性遗传病常染色体（不完全）显性遗传病 发病率：发病率：1/5001/500 临床特点临床特点：血清胆固醇增高（血清胆固醇增高（300 600 300 600 mg/dlmg/dl， 正常人正常人230230），低密度脂蛋白（），低密度脂蛋白（LDLLDL）胆固醇增高胆固醇增高 （200200mg/dlmg/dl）。）。大约大约50%50%的患者出现伸肌腱的胆的患者出现伸肌腱的胆 固醇沉积（黄色瘤）固醇沉积（黄色瘤） 发病机理发病机理：低密度脂蛋白受体缺陷：低密度脂蛋白受体缺陷 1 1、胆固醇调节、胆固醇调节 正常人 LDLLDL受体与受体与LDLLDL颗粒

46、结合颗粒结合内在化内在化 LDLLDL颗粒颗粒 中胆固醇降解为游离胆固醇中胆固醇降解为游离胆固醇细胞内游离胆固细胞内游离胆固 醇的氧化衍生物启动调节过程：醇的氧化衍生物启动调节过程： 1 1） HMG-CoAHMG-CoA还原酶还原酶，胆固醇合成，胆固醇合成 2 2）胆固醇酯化和储存增加胆固醇酯化和储存增加 3 3） LDLLDL受体合成减少，对外源胆固醇摄取减少受体合成减少，对外源胆固醇摄取减少 患者：患者：LDLLDL受体合成减少引起细胞对外受体合成减少引起细胞对外 源性胆固醇的摄取减少源性胆固醇的摄取减少 2、LDL受体 基因定位：19chr上，长约45kb，18个外显子， mRNA 5

47、.3kb 对基因的分析表明： 配体结合区配体结合区，由5个Exon编码（26个外显子） EGFEGF前体同源区前体同源区，由8个Exon编码。 糖基化部分糖基化部分，由1个Exon编码。 跨膜区跨膜区，由第16个Exon和17Exon的部分编码。 胞浆内的尾部胞浆内的尾部，由Exon17剩于的部分和E18的一部 分编码。 LDL受体在内质网合成，再经过高尔基复合体时 糖基化，分子量为160kDa，是插入C膜的整合膜蛋 白。 L L D D L L 受受 体体 结结 构构 3 3、LDLLDL受体的突变受体的突变 在家族性高胆固醇血症中，鉴定了在家族性高胆固醇血症中，鉴定了150 150 种种

48、不同的突变，并发现有多种突变和高度不同的突变，并发现有多种突变和高度 的等位基因异质性。的等位基因异质性。 多数突变为受体基因不同等位基因杂合多数突变为受体基因不同等位基因杂合 子子-既复合既复合杂合子杂合子。 LDLLDL受体基因突变可分为受体基因突变可分为5 5个功能类型个功能类型： 1 1、突变发生在、突变发生在启动子区启动子区，不产生，不产生mRNAmRNA和蛋白；和蛋白； 2 2、突变阻断新生的、突变阻断新生的LDLLDL受体蛋白从受体蛋白从ERER转运转运到到GOGO； 3 3、突变编码的受体可以到达突变编码的受体可以到达C C的表面，但不能与的表面，但不能与正正 常地结合配体常地

49、结合配体； 4 4、突变编码的受体可以到达、突变编码的受体可以到达C C的表面，也能与正常的表面，也能与正常 地结合地结合LDLLDL，但但不能集中不能集中在网络蛋白包被小窝。在网络蛋白包被小窝。 5 5、再循环缺陷型突变，突变编码的受体可以结合并、再循环缺陷型突变，突变编码的受体可以结合并 内在化内在化LDLLDL。但但不能释放不能释放内含体中的受体，和回到内含体中的受体，和回到C C 的表面。的表面。 基于上述的研究，从基于上述的研究，从DNADNA水平对水平对FHFH进行筛查和产进行筛查和产 前诊断已成为可能。前诊断已成为可能。 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸脱氢酶（磷酸脱氢酶（G-6-PD

50、G-6-PD）缺乏症）缺乏症 朝鲜战争期间，美国士兵使用伯氨基喹啉朝鲜战争期间，美国士兵使用伯氨基喹啉 来预防疟疾，约来预防疟疾，约10%10%的黑人士兵发生溶血，的黑人士兵发生溶血， 少数白人士兵（地中海血统）也发生严重少数白人士兵（地中海血统）也发生严重 的溶血性贫血。的溶血性贫血。 后来发现这种药物诱发贫血的基础是后来发现这种药物诱发贫血的基础是 G6PDG6PD的遗传性缺陷。的遗传性缺陷。 从此建立了药物遗传学从此建立了药物遗传学 这里，我们主要探讨这里，我们主要探讨 G6PDG6PD的遗传性缺陷的遗传性缺陷 G6PD G6PD 基因：定位于基因：定位于X X染色体，全长染色体，全长1

51、919kbkb， 含含1313个外显子，编码个外显子，编码514514个氨基酸的蛋白。个氨基酸的蛋白。 药物+Hb H2O2 GSSG +NADPH GSH +NADP G6PD GSH px GR 6-磷酸葡萄糖酸6-磷酸葡萄糖 突变类型突变类型 外显子 突变位置 突变类型 Aa位置 Aa替代 5 376 AG 126 天冬酰氨 天冬氨酸 4 202 GA 68 缬氨酸 蛋氨酸 6 563 CT 188 丝氨酸 苯丙氨酸 突变导致电泳迁移率改变（E5）和酶活性降低（E4和E6）。 G6PD的突变型是因为在淀粉凝胶中的电泳迁移 率不同而被发现。突变型的G6PD活性下降。 G6PD-B：野生型， G6PD-A：突变型， G6PD-A-：二次突变。 酶活性酶活性 G6PD-BG6PD-AG6PD-A-。 后者酶活性是前二者的15%。 电泳迁移率电泳迁移率： G6PD-AG6PD-A- G6PD-B。 DNADNA水平：报道了水平：报道了6060多种独立突变，多种独立突变， 范围范围: :包括几乎整个编码区包括几乎整个编码区 性质性质：错义突变错义突变，多为编码链或非编码，多为编码链或非编码 链中链中CpGCpG二核苷二核苷 酸发生酸发生CTCT转换突变。转换突变。 蛋白水平：已报道蛋白水平：已报道400400多种等位突变型，多种等位突变