医学遗传学-人类疾病的生化与分子遗传学

人类疾病的生化与分子遗传学

医学院医学遗传系12学习目标1.熟悉分子病的概念2.掌握血红蛋白病和苯丙酮尿症的分子基础3.了解遗传性酶病发病的基本原理22生化与分子遗传学

用生物化学和分子生物学的原理和方法研究生物的遗传物质与遗传性状之间的关系，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。对单基因病进行生化与分子遗传学研究，不仅可以认识遗传性疾病的分子病理学机制，还能以此作为基础，建立基因诊断的方案，为最终实现对遗传性疾病的基因治疗打下基础。32单基因遗传病分子病（moleculardisease)：由于基因突变导致蛋白质分子质和（或）量异常，从而引起机体功能障碍的一类疾病。先天性代谢差错(inbornerrorofmetabolism)：由于基因突变造成催化机体代谢反应的某种酶的结构、功能和数量变化，从而引起机体代谢途径严重阻断的一类疾病。根据突变基因编码的蛋白质功能不同，可分为Pauling(1949)Garrod(1899)42莱纳斯·卡尔·鲍林（LinusCarlPauling）

1954年因在化学键方面的工作取得诺贝尔化学奖

1962年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖莱纳斯·卡尔·鲍林（LinusCarlPauling）（1901－1994）是美国著名化学家美国加州理工学院DNA双螺旋的贡献：1、最早认定DNA分子具有螺旋结构2、用模型构建方法（搭建模型）提出DNA三股螺旋模型。52英国剑桥大学国王学院的富兰克林与威尔金斯

剑桥大学卡文迪什实验室的沃森与克里克

1962年，沃森和克里克与维尔金斯(Wilkins)一起获得诺贝尔奖。6272分子病可分为：

血红蛋白病血浆蛋白病

胶原蛋白病受体蛋白病膜转运载体蛋白病

大多为AR，少数为XR，极少数为AD

先天性代谢差错可分为：氨基酸代谢病糖代谢病脂类代谢病82血红蛋白病血红蛋白病（Hemoglobinopathy）是指珠蛋白基因突变导致珠蛋白分子结构或合成量异常所引起的疾病。在我国的发生率很高，为0.24%～0.33%，以云南、贵州、广东、广西和新疆等地最高主要类型：异常血红蛋白病珠蛋白生成障碍性贫血（地中海贫血）92血红蛋白的组成

血红蛋白（Hemoglobin,HB）是由珠蛋白（globin）和血红素（Heme）辅基组成的。血红蛋白分子由四个亚单位构成四聚体，每个亚单位由一条珠蛋白肽链和一个血红素辅基构成。构成亚单位×4珠蛋白肽链血红素辅基血红蛋白组成102珠蛋白的基因结构

1.珠蛋白(肽链)可分为两类：

由两类链和两条类链加上4个血红素辅基组成四聚体。

类链，141aa：

类链，146aa：β

G

A

2.类链和类链由两个不同的基因簇编码。112122-珠蛋白基因簇

-珠蛋白基因簇位于16p13.3，总长度30kb。合成141个氨基酸残基的类-珠蛋白肽链。1和2为胎儿和成年型基因

为胚胎型基因117bp149bp142bp132-珠蛋白基因簇-珠蛋白基因簇位于11p15.5，总长度60kb。合成含146个氨基酸残基的类-珠蛋白肽链。136-甘氨酸136-丙氨酸和为成年型基因

G和A为胎儿型基因基因为胚胎型基因130bp850bp142血红蛋白的阶段性发育

正常人体从胚胎、胎儿到成人，有6种血红蛋白，由不同的类链和类链组成。-珠蛋白基因-珠蛋白基因152血红蛋白发育阶段特异性变化成人期：HbA(2

2)HbA2(2

2)微量HbF(22)胎儿期：HbF(22)胚胎期：HbGowerI(22)HbGowerII(22)HbProtland(22)162异常血红蛋白病

异常血红蛋白病（AbnormalHemoglobin）：是指珠蛋白基因突变导致珠蛋白肽链结构和功能发生异常所引起的疾病。镰状细胞贫血症（HbS）不稳定血红蛋白病血红蛋白M病（HbM）氧亲和力改变的异常血红蛋白病172镰状细胞贫血症镰状细胞贫血症（Sicklecellanemia）是由于链第6位谷氨酸被缬氨酸取代，成为HbS，导致电荷改变，在脱氧情况下HbS聚合，使细胞镰变。发病率：在非州和北美州黑种人群中达1/500遗传方式：AR

临床症状182192镰状细胞贫血症-临床症状结晶化的血红蛋白硬度大，造成红细胞膜损伤→膜破裂→溶血性贫血。镰化的红细胞造成血管阻塞→各种阻塞性反应症状。202阻塞导致腿、脚溃疡X线显示阻塞性导致的手水肿212♣

纯合子（SS）症状严重，可产生血管阻塞而引起如腹部疼痛、脑血栓等，有严重溶血性贫血及肝脾肿大等。♣杂合子（

AS）无临床症状，但在氧分压低时可引起红细胞镰变，称镰形红细胞性状(sicklecelltrait)。222不稳定血红蛋白病不稳定血红蛋白病（Unstablehemoglobinopathy）是由于珠蛋白或珠蛋白基因突变改变了珠蛋白上的氨基酸顺序，导致分子结构不稳定的血红蛋白病。不稳定的血红蛋白易降解为单体，血红素易脱落，失去血红素的珠蛋白链容易沉淀，形成不溶性的变性珠蛋白小体（Heinzbody），附着于细胞膜使之失去可塑性，不容易通过脾脏而被破坏，产生溶血。已知的不稳定血红蛋白有130余种遗传方式：AD

HbBristol67缬氨酸天冬氨酸，主要症状：先天性溶血性贫血、黄疸和脾肿大。232血红蛋白M病血红蛋白M病（HemoglobinMsyndrome,HbM），又称为HbM遗传性高铁血红蛋白症：是由于异常的血红蛋白分子中，与血红素Fe原子连接的组氨酸或邻近的氨基酸发生了置换，占据了血红素Fe原子的配基位置，使Fe2+变成稳定的Fe3+呈稳定的高铁状态，丧失了血红素与氧结合的能力，导致组织缺氧。临床上常出现紫绀并导致继发性红细胞增多。已知的不稳定血红蛋白有130余种遗传方式：AD

HbMBoston58组氨酸酪氨酸，主要症状：发绀并导致继发性红细胞增多。组氨酸242氧亲和力改变的异常血红蛋白病是由于肽链上氨基酸替代而使血红蛋白分子与氧的亲和力增高或降低，导致运输氧功能改变。

HbRainer145酪氨酸半胱氨酸，与氧亲和力增高，输送给组织的氧量减少，导致红细胞增多症。

HbKansas102天冬酰胺苏氨酸，与氧亲和力降低，则使动脉血的氧饱和度下降，严重者可引起紫绀症状。252异常血红蛋白的分子基础基因突变→氨基酸组成（结构）改变→血红蛋白功能改变。基因突变类型：单个碱基置换移码突变整码突变不等交换262单个碱基置换碱基置换：指血红蛋白基因的某个碱基发生转换或颠换。单个碱基置换的结果：

①错义突变：肽链中单个氨基酸被另一氨基酸取代。②无义突变：使可读密码成为终止密码（UAA、UAG或UGA），肽链变短。③终止密码突变：使终止密码成为可读密码，肽链延长。272错义突变HbSβ6（GAGGTG）谷缬HbCβ26（GAG

AAG）谷赖RFLP(RestrictionFragmentLengthPolymorphism,限制性内切酶片段长度多态性)282无义突变终止密码突变正常Hbβ链AAGUAU

CACUAA赖酪组（终止）HbMckees-RockAAGUAA144145146147无义突变与终止密码突变292移码突变HbCranston144145146147A

AAGUAUCACUAAGCUCGCUUUCUUGCUGUCCAAUUUCUAUUALysTyrHis终止Cr

AAGAGUAUCACUAAGCUCGCUUUCUUGCUGUCCAAUUUCUAUUAALysSerIleThrLysLeuAlaPheLeuLeuSerAsnPheTyr终止144145146147148149150151152153154155156157158移码突变：指基因缺失或插入1或2个碱基时，导致突变部位以后的密码子框架变化，重新组合成新的三联密码而发生移码。302整码突变HbGunHill整码突变：指基因中缺失或插入3或3的倍数个碱基，致肽链丢失或增加氨基酸残基。312不等交换HbLepore和-珠蛋白基因彼此大约90%同源，如果在减数分裂时它们发生错误地排列，会产生不等交换，形成融合基因（fusiongene）。不等交换是两种非同源基因的部分片段拼接而成的基因。减数分裂时同源染色体之间错位配对引发不等交换。322珠蛋白生成障碍性贫血珠蛋白生成障碍性贫血（Thalassemia）是由于正常的珠蛋白基因突变导致某种珠蛋白合成减少或缺失，造成珠蛋白生成量失去平衡所起的溶血性贫血，也称为地中海贫血。类链类链不平衡地中海贫血（地贫）与异常血红蛋白病的区别？332地中海贫血分类

1.按照合成速率降低的珠蛋白类型分为：

α地中海贫血:α链缺少β地中海贫血:β链缺少γ地中海贫血:γ链缺少δ地中海贫血:δ链缺少2.按照珠蛋白合成速率降低的程度分为：完全缺失型(α0或β0)：α或β链完全缺如。部分缺失型(α+或β+)：α或β链减少。342352–地中海贫血–地中海贫血（-thalassemia）是由于-珠蛋白基因簇的缺失或缺陷使链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。362372HbBart’s胎儿水肿综合征♣

HbBart’s胎儿水肿综合征（HbBart’sHydropsfetalissyndrome）：两条16号染色体上的4个基因全部缺失或缺陷，基因型为0地贫纯合子（--/--），属重度地贫。♣患者完全不能合成链，故不能形成胎儿HbF（22），60%以上为相对过多的链形成的HbBart’s（4），其余为HbPortland（22）。382HbBart’s的氧亲合力非常高，使氧不能释放到组织中，因组织缺氧致胎儿严重水肿，引起胎儿宫内死亡或新生儿死亡。患儿为常染色体显性纯合子，父母均为a0地贫杂合子(--/++)。HbBart’s胎儿水肿综合症392血红蛋白H病♣血红蛋白H病（HbHdisease）：有3个基因缺失或缺陷，基因型是0/+地贫双重杂合子（-/--），属中度地贫。♣患者仅能合成少量的链，相对过多的链形成的HbH（4）。HbH沉淀积聚形成包涵体，导致中度溶血性贫血，患者有黄疸和肝脾肿大。♣亲代多为a0地贫杂合子（--/）和a+地贫杂合子（-/++）。402标准型地中海贫血♣标准型地中海贫血：有2个基因缺失或缺陷，基因型是a0地贫杂合子（--/）和a+地贫纯合子（-/-），属轻度地贫。♣我国南方最多见的是a0地贫杂合子（--/）。412静止型地中海贫血♣静止型地中海贫血：仅1个基因缺失或缺陷，基因型是a+地贫杂合子（-/++），无临床症状。422–地中海贫血的分子基础-珠蛋白基因缺失东南亚缺失型：缺失长度约为20kb，1、2基因都已缺失，完全不能合成α链。0地贫右侧缺失型：缺失长度约为3.7kb，缺失2基因的3’端和1基因的5’端，形成有1的3’端和α2的5’端构成的融合基因。+地贫左侧缺失型：缺失长度约为4.2kb，整个2基因缺失，但1基因保持完整，缺失片段的长度为4.2kb。+地贫432-珠蛋白基因点突变引起α–地中海贫血的点突变较少，已明确的有40多种。442–地中海贫血–地中海贫血（-thalassemia）是由于-珠蛋白基因的缺失或缺陷使链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。轻型地中海贫血中间型地中海贫血重型地中海贫血452重型地中海贫血♣重型地中海贫血，又称为Cooley贫血：基因型为0地贫纯合子（0/0）、0地贫纯合子（0/0）、0/+地贫双重杂合子（0/+）。♣患者几乎不能合成链，故极少或无HbA（22），而链的合成相对增加，使HbF（22）升高。462HbF较HbA的氧亲合力高，使氧不能释放到组织中，致使组织缺氧，缺氧的组织促使红细胞生成素大量分泌，刺激骨髓的造血功能，使红骨髓大量增生，骨质受侵蚀致骨质疏松，可出现“珠蛋白生成障碍性贫血面容”并发生肝脾肿大。472治疗患者珠蛋白肽链缺乏，肽链过剩沉降到红细胞膜上→细胞膜变脆→严重溶血反应，患者必须定期输血以维持生存。50％于35岁前死于传统输血导致铁过量急性中毒。应用铁螯合剂(去铁胺等)治疗铁中毒延长生命。482轻型地中海贫血♣轻型地中海贫血：基因型为0地贫杂合子（0/A）、0地贫杂合子（0/A）、+地贫杂合子（+/A）。♣患者尚能合成相当数量的链，故症状较轻，多无贫血或轻度贫血，约半数病例有轻中度脾肿大。♣HbA2比例增高（可达4%8%），也可有HbF（22）升高。492中间型地中海贫血♣中间型地中海贫血：基因型为+地贫纯合子（+/+）。♣患者症状介于重型与轻型地中海贫血之间。502地中海贫血的分子基础90%是珠球蛋白点突变或一至几个碱基的增加或缺失。①无功能mRNA突变型

②mRNA加工障碍突变型③转录调控区突变型

④RNA裂解信号突变型图9-14由不同突变引起的β

地中海贫血

512无功能mRNA突变型编码区的无义突变产生截短的而且没有功能的蛋白；移码突变使生成的mRNA稳定性降低或形成无功能的mRNA，因而不能合成正常的链。多产生0-地贫。如：链第17位密码子(AAG～TAG)，使mRNA翻译提前终上。522mRNA加工障碍突变型使第1内含子中的19个核苷酸仍保留在加工后的RNA中，从而合其后的编码区产生移码突，不能产生正常的蛋白质。产生重型+-地贫532542

HbE(β26Glu—>Lys)病是东南亚的一种特征性异常血红蛋白病。60%40%

βE基因：GGTGGTAAGGCC

正常β基因：GGTGGTGAGGCC

密码子26上的A可激活隐蔽的剪接供体位点552转录调控区突变型主要发生于-珠蛋白基因5’端侧翼序列的启动子区。影响转录效率，对珠蛋白合成的损害一般温和，表型为+-地贫。

RNA裂解信号突变型RNA加工过程中的加“帽”和加“尾”对于维持mRNA的有效翻译起关键作用。引起+-地贫。如：美国黑人中发现的多聚腺苷酸化信号AATAAA—>AACAAA56220世纪初英国医生

Garrod最早研究了尿黑酸尿症、白化症、胱氨酸尿症和戊糖尿症—先天性代谢差错(inbornerrorsofmetabolism)。至今已发现数千种由于遗传性酶缺乏所引起的先天性代谢病，大多是AR遗传病，少数是XR遗传病。先天性代谢差错572先天性代谢缺陷的规律酶蛋白的基因突变致酶结构异常(质量)基因调控系统突变致酶数量异常(数量)先天性代谢缺陷遗传性酶缺乏代谢紊乱582酶缺陷与酶活性:

50%酶活性能维持正常代谢5922.底物堆积和产物缺乏—病理损害原因3.病理损害范围—取决于底物分子的多少和性质（局部或全身性）。4.临床表型与酶缺陷的关系—基因多效性和遗传异质性。EAB602♣

根据酶缺乏所影响的代谢物质不同，先天性代谢病可分为：氨基酸代谢缺陷√糖代谢缺陷脂类代谢缺陷√核酸代谢缺陷卟啉代谢缺陷尿素循环缺陷612♣

定义：指与氨基酸分解代谢过程有关的酶先天性缺乏而致氨基酸代谢缺陷导致的疾病。

苯丙酮尿症尿黑酸尿症眼皮肤白化症氨基酸代谢缺陷622(一)苯丙酮尿症♣

苯丙酮尿症(PKU)：由于缺乏苯丙氨酸羟化酶(phenylalaninehydroxylase)致使苯丙氨酸在体内累积造成的疾病。♣我国的群体发病率约1/16500。智力低下的儿童中约0.5~1.0%患此病。632苯丙氨酸(phenylalanine)是人体必需氨基酸，被用于制造黑色素、甲状腺素和肾上腺素等。代谢过程中的每一步酶缺乏均可引起相关的疾病。苯丙氨酸正常代谢途径642①蛋白质↓↑苯丙氨酸↓苯丙酮酸↙↘苯乙酸苯乳酸(在PKU患者尿中)蛋白质↓↑酪氨酸↓尿黑酸乙酰乙酸CO2

+H2O↓②③多巴黑色素儿茶酚胺甲状腺素①苯丙氨酸羟化酶-苯丙酮尿症；②尿黑酸氧化酶-尿黑酸尿症；③酪氨酸酶-白化病652♣

经典型苯丙酮尿症是由于肝脏中苯丙氨酸羟化酶缺乏，使苯丙氨酸不能转变成酪氨酸而在体内累积，患者血清中苯丙氨酸浓度可高达50~l00mg/100ml(正常1~3mg)。过量的苯丙氨酸使旁路代谢活跃，产生苯丙酮酸、苯乳酸、苯乙酸等。代谢障碍6621.智力发育障碍:患儿出生后3～4个月逐渐出现症状，未予治疗者85％将发展到白痴水平。2.神经系统症状：半数左右患儿有锥体外系损害症状：易激动，好动，肌张力高，共济失调，震颤，惊厥，多数有脑电图异常。3.肤色：皮肤、毛发和眼睛颜色变浅。4.体味：小便有特殊的臭味(霉臭或鼠臭)。临床症状672♣

肤色：过量的苯丙氨酸抑制酪氨酸脱羧酶的活性，影响去甲肾上腺素和肾上腺素的合成，减少了黑色素的合成，使患者的毛发和肤色较浅。发病机理♣

体味：旁路代谢产物由尿液和汗液排出，使患儿的

头发、皮肤和尿均有特殊的气味（霉臭或鼠臭味）。682♣智力：苯丙氨酸竞争性地抑制色氨酸的羟化作用，旁路代谢产物也抑制5-羟色胺脱羧酶的活性，影响色氨酸正常代谢。旁路代谢产物堆积还抑制L-谷氨酸脱羧酶的活性，使-氨基丁酸生成减少。5-羟色胺和-氨基丁酸减少，导致脑发育障碍。692♣本症为常染色体隐性遗传。♣苯丙氨酸羟化酶基因定位于12q24.1，长约90kb，有13个外显子。基因突变常涉及核苷酸取代和缺失。遗传基础702PKU-基因突变的部分类型712♣

如能早期明确诊断，给予患儿以低苯丙氨酸饮食，可使智力发育正常。且低苯丙氨酸饮食应终生维持，因有证据表明成年患者终止低苯丙氨酸饮食后仍可出现智力损害。诊断与治疗♣

【新生儿筛查】一般采集出生后3天的新生儿末梢血，滴于滤纸片上进行实验室检测。若苯丙氨酸的浓度≥240μmol/L者视为初筛阳性。722♣

如果给予低苯丙氨酸饮食也不能改善神经系统症状者，则称之为恶性苯丙酮尿症。♣可用人工合成四氢生物蝶呤单一治疗，或配合左旋多巴、5-羟色胺及脱羧抑制剂联合治疗，效果良好。7321.尿黑酸尿症(alca