医学分子遗传学第4章 单基因病的分子遗传学

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、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α链和非α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。全世界至少有1.5亿人携带血红蛋白病或地中海贫血的基因，他们主要分布于非洲、地中海地区和东南亚人群中。血红蛋白病在我国的总发生率为0.24%～0.33%，以云南、贵州、广东、广西和新疆等地最高，而α地中海贫血和β地中海贫血的发生率分别为2.64%和0.66%，它们多见于华南、西南和华东地区。

一、血红蛋白的分子结构与珠蛋白基因

㈠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：α、β、δ、Gγ、Aγ、ε、ζ。

正常血红蛋白的四聚体均由l对α链(α或ζ)和l对非α链(β.或ε、δ、Gγ、Aγ)组成。

α链由141个氨基酸组成，β链则由146个氨基酸组成。共形成6类血红蛋白（表）:StructureofHemoglobin

1

2

1

5‘3’16pter-p13.31313299100141HemoglobinAlphaChain11p15.5

εG

A

ψ

1δβ5’3’HemoglobinBetaChain1303110410514602468Birth2468Months10080604020Percentageofglobinsynthesis(%)DevelopmentofHemoglobinδζεαγβαDevelopmentalStageHemoglobinHemoglobinCompositionEmbryoHbGower1

2

2

HbGower2

2

2

HbPortland

2G

2

2A

2

FetusHbF

2G

2

2A

2

AdultHbA

2

2

HbA2

2

2

DevelopmentofHemoglobin

发育阶段血红蛋白类型分子组成

胚胎HbGower1ζ2ε2HbGower2α2ε2HbPortlandζ2Gγ2ζ2Aγ2

胎儿HbFα2Gγ2α2Aγ21%

成人HbAα2β297%HbA2α2δ2

2%

2．血红蛋白的发育演变

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。

㈡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：

α珠蛋白基因簇β珠蛋白基因簇

1．α珠蛋白基因簇

定位于16p13.33，组成及排列顺序为：

5′-ζ2-ψζl-ψαl-α2-αl-θl-3′

总长度为30kb。每条16号染色体有2个α基因，正常的二倍体细胞有4个α基因。α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．β珠蛋白基因簇

β珠蛋白基因簇定位于11p15.5，组成和排列顺序是：

5′-ε-Gγ-Aγ-ψβl-δ-β-3′

总长度为60kb。每条11号染色体只有1个β基因，正常的二倍体细胞有2个β基因。β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）。

α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。

β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。㈠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。

1．镰形细胞贫血症（sicklecellanemia）

是因β珠蛋白基因缺陷所引起的一种疾病，呈AR遗传。

发病机制：Sicklecelldisease(HbS)MissenseMutationSickleCellDiseaseSickleCellDiseaseSickleCellDiseaseSicklecellanemia(HbS):code5~7MstⅡ:CCTNAGG

A:CCTGAGGAG

S:CCTGTGGAGSickleCellDiseaseSickleCellDiseaseBenin

－

－－－

＋

＋

－－CAR

－

＋－－

－

＋

＋＋Senegal

－

＋－＋

＋

＋

＋＋Asian

＋

＋－＋

＋

＋

＋－MstⅡ：CCTNAGG

εG

A

ψ

1δβ5’3’SickleCellDiseaseSickleCellDiseaseSickleCellDiseaseO2HbAHbSSickleCellDiseaseSickleCellDiseaseSickleCellDiseaseSickleCellDisease

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（α87组，β92组）和作用（α58组，β63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。㈡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：α地中海贫血：α珠蛋白链合成减少β地中海贫血：β链合成减少主要类型γ地中海贫血：γ链合成减少δβ地中海贫血：δ和β链合成减少

以此类推

1．α地中海贫血（α-thalassemia）

按照α珠蛋白链合成速率降低的程度，α地中海贫血又可以区分为不同的类型：

α0地中海贫血：如果同一条16号染色体上的两个α-珠蛋白基因均不能表达，使α链的合成完全缺乏，称为α0地中海贫血（α地中海贫血1）；

α+地中海贫血：如果只有一个α珠蛋白基因表达，使α链部分合成，称为α+地中海贫血（α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：

ThalassemiaThalassemiaisinheritedanemiacausedbydecreasedsyntheticrateofhemoglobin.

α地中海贫血的类型————————————————————————名称基因型缺失基因

α链的合成————————————————————————胎儿水肿综合征α0/α0--/--

0%HbH病α+/α0α-/--

25%标准型α地贫αA/α0αα/--50%α+/α+

α-/α-静止型α地贫αA/α+αα/α-75%正常αA/αAαα/αα100%————————————————————————⑴巴氏胎儿水肿综合征

发病机制：

基因型：α0/α0

；基因缺失：--/--

患儿发病于胎儿期，由于不能合成α链，γ链便聚合为γ四聚体（γ4），称为HbBart’s。HbBart’s（γ4）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HbBart’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。⑵HbH病

发病机制：基因型：α0/α+；基因缺失：--/-α

由于4个α-珠蛋白基因中有3个缺失或缺陷，使α链的合成受到严重影响，大量的β-珠蛋白链过剩而聚合为β四聚体——HbH（β4）。

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β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。

⑶标准型α地中海贫血

发病机制：

基因型：αA/α0

；基因缺失：--/αα

或基因型：α+/α+；基因缺失：-α/-α均缺失2个α基因。由于能合成相当量的α珠蛋白链，所以仅表现出轻度溶血性贫血或无症状。

⑷静止型α地中海贫血

基因型：α