医学分子遗传学第4章 单基因病的分子遗传学课件

1、第四章 单基因病的分子遗传学 第一节 血红蛋白遗传病 第二节 血友病(略）第三节 抗胰蛋白酶缺乏症(略） 近年来，随着DNA重组技术的发展，已经揭示了一些单基因病在DNA水平上的基本缺陷，其中研究得较为深入的是血红蛋白病和其他少数几种遗传病。尽管他们只占人类全部遗传病的很小一部分，但我们能以这些病作为模型，从而动察整个单基因病中带有普遍意义的基本分子缺陷。对单基因病进行分子遗传学研究，不仅可以使我们认识遗传病的分子病理学机制，而且还能使我们认识遗传病的分子病理学机制，而且还能使我们以此作为建立基因诊断的方案，为最终实现对遗传病的基因治疗打下基础。第一节 血红蛋白遗传病血红蛋白病常作为分子病的例

2、证说明其发生的遗传特点及其发生机制。分子病是指蛋白质分子的结构和数量异常引起的疾病。蛋白质分子的合成受控于基因，是由DNA分子上的碱基顺序决定的。如果DNA分子的碱基顺序发生改变(基因突变)，即遗传信息发生改变，则由它编码的蛋白质就发生相应的变化，由此引起一系列病理变化，从而发生疾病。血红蛋白（hemoglobin，Hb）是存在于红细胞中具有重要生理功能的蛋白质。血红蛋白分子合成异常引起的疾病称血红蛋白疾病（hemoglobinopathy），习惯上分为血红蛋白病和地中海贫血两大类。血红蛋白病表现为血红蛋白分子的珠蛋白肽链结构异常，如果发生在重要功能部位的氨基酸替代，将影响到血红蛋白的溶解度、

3、稳定性等生物学功能；地中海贫血的特征是珠蛋白肽链合成速度的降低，导致链和非链合成的不平衡，在临床上表现为溶血性贫血。近年来，分子遗传学研究表明，不管是血红蛋白病还是地中海贫血，其分子基础是共同的，都是珠蛋白基因的突变或缺陷所致。 一、血红蛋白的分子结构与珠蛋白基因 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,Hb）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。 珠蛋白肽链有7种：、G、A、 。 正常血红蛋白的四聚体均由l 对链(或)和l 对 非链(.或、G、A)组成

4、。 链由141个氨基酸组成，链则由146个氨基酸组成。 共形成6类血红蛋白（表）: 1 2 1 5 316pter-p13.31 31 32 99 100 141Hemoglobin Alpha Chain11p15.5 G A 1 5 3Hemoglobin Beta Chain1 30 31 104 105 146DevelopmentalStageHemoglobinHemoglobin CompositionEmbryoHb Gower12 2 Hb Gower2 2 2 Hb Portland2G 2 2A 2 FetusHb F2G 2 2A 2 AdultHb A22 Hb A2

5、22 Development of Hemoglobin 发育阶段 血红蛋白类型 分子组成 胚胎 Hb Gower1 22 Hb Gower2 22 Hb Portland 2 G2 2A2 胎儿 Hb F 2 G2 2A2 1% 成人 Hb A 22 97% Hb A2 22 2% 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-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

6、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。 4珠蛋白基因的表达 珠蛋白基因的表达过程也就是

7、珠蛋白肽链的合成过程。 细胞核内: 转录 珠蛋白基因核mRNA前体 剪接加工 mRNA前体成熟的mRNA 剪接加工包括：5 端加帽（5 m7Gppp）； 3 端加尾poly(A) ；切除内含子，拼接外显子 细胞质内： 翻译 成熟的mRNA 珠蛋白肽链 二、血红蛋白病的类型血红蛋白病的定义： 血红蛋白分子合成异常引起的疾病称血红蛋白病。分类：习惯上分为两大类： 异常血红蛋白病：珠蛋白肽链结构异常 地中海贫血：珠蛋白肽链合成速度的降低分子基础：都是珠蛋白基因的突变或缺陷所致。 异常血红蛋白病 定义：是指由于珠蛋白基因上碱基发生改变，导致相应的mRNA上编码氨基酸的密码子发生变异。这些变异如果使血红

8、蛋白分子的结构、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，称为异常血红蛋白病。 全世界总共发现657种异常血红蛋白。 Sickle cell disease (HbS)Missense MutationSickle Cell DiseaseSickle Cell DiseaseSickle Cell DiseaseSickle cell anemia (HbS): code 57Mst: CCTNAGGA: CCTGAGGAGS: CCTGTGGAGSickle Cell DiseaseSickle Cell DiseaseBenin CAR Senegal Asian Mst：

9、CCTNAGG G A 1 5 3Sickle Cell DiseaseSickle Cell DiseaseSickle Cell DiseaseO2HbAHbSSickle Cell DiseaseSickle Cell DiseaseSickle Cell DiseaseSickle Cell Disease 2血红蛋白M病（高铁血红蛋白症） 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。 血红蛋白M（HbM）病的发病机制： 是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

10、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。 遗传学： 血红蛋白M病呈AD遗传。 地中海贫血（thalassemia） 定义： 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 主要类型 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 1地中海贫血（- thalassemia） 按照珠蛋白链合

11、成速率降低的程度，地中海贫血又可以区分为不同的类型： 0地中海贫血：如果同一条16号染色体上的两个-珠蛋白基因均不能表达，使链的合成完全缺乏，称为0地中海贫血（地中海贫血1）； +地中海贫血：如果只有一个珠蛋白基因表达，使链部分合成，称为+地中海贫血（地中海贫血2）。 由这两种地中海贫血基因可以组合成各种不同的综合征： ThalassemiaThalassemia is inherited anemia caused by decreased synthetic rate of hemoglobin. 地中海贫血的类型名称 基因型 缺失基因 链的合成 胎儿水肿综合征 0/ 0 -/- 0%Hb

12、H病 +/ 0 -/- 25%标准型地贫 A/ 0 /- 50% +/ + -/ - 静止型地贫 A/ + / - 75%正常 A/ A / 100% 巴氏胎儿水肿综合征 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Hb Barts。Hb Barts（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Hb Barts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。 Hb H病 发病机制 ：基因

13、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Hb H（4）。 Hb H的氧亲合力高，在正常的生理条件下不易释放出氧。 Hb H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Hb H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。 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：+ /

14、+ ；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。 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。 2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 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

15、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（22）。 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”。 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。 轻型地中海贫血 基因型：主要是+/A、0/A或0/A等。 患者的HbA2（22）和HbF（22）可代偿性增高。 无任何临床症状。 三、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

16、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。 地中海贫血的分子机制主要包括两类：缺失型非缺失型 地中海贫血的分子机制： 绝大多数是由于点突变（包括单个碱基的取代，个别碱基的插入或缺失）所致。 这些点突变分别导致： 转录受阻 mRNA前体剪接加工错误 翻译无效 合成不稳定的珠蛋白链 1. 单个碱基替代 如HbS 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。 例如：Hb Wayne 链有146个氨基酸 137 138 139 140 141 142 143 Hb

17、A ACC UCC AAA UAC CGU UAA GCU 苏 丝 赖 酪 精 终止Hb W ACC UCA AAU ACC GUU AAG CUG 146 苏 丝 门冬胺 苏 缬 赖 亮缺失 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。 112 113 114 115 116 117 118 112 113 114 115 116 117 118 4. 无义突变 是指突变使编码氨基酸的密码子终止密码子，因此蛋白质链的合成便提前终止。 例如：H

18、b Mckees-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：Hb Constant Spring 链有172个氨基酸 140 141 142 143 144 HbA UAC CGU UAA GCU GGA 酪 精 终止Hb C S UAC CGU CAA GCU GGA172 酪 精 谷酰胺 丙 甘 该突变基因转录的mRNA不稳定 。 6. 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l2l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l2l基因，缺失的长度尚未准确定出，但至少缺少17.