《生物化学》教学课件：基因与疾病-2014-5

1、基因与疾病 Genes and diseases,一种正常表型 正常基因型 一种异常表型 异常基因型,一、人类所有疾病均可视为基因病,疾病是典型的异常表型；在逻辑上，可推定每种疾病都存在与其异常表型相对应的基因型。,第一节 概述,基因病可分为: 单基因病 (monogenic disease): 由一种基因所引致。 多基因病 (polygenic disease): 由数目不等、作用不同 的若干种基因相互协作而引起。 获得性基因病(acquired genetic disease): 是由外源性 病原体携带其致病基因或毒力基因侵入人体细胞后所 引起。 一种基因可参与不同的发病过程，不同基因的相

2、互作 用可参与同一种发病过程，表现出疾病发生的基因机制的复杂性和异质性。,等位基因和基因型 位于一对同源染色体的同一位置（基因型）上、控制相对性状的两个不同形式的基因叫等位基因。 一个基因由于突变（包括中性突变）可形成2个以上的等位基因，不同的等位基因可产生不同的遗传特征的变化，同时控制相对性状的显、隐性关系和遗传效应。如由突变形成的多种等位基因可产生多种异常表型。,在个体中，等位基因的某个形式（显性的）可以比其他形式（隐性的）表达得多。基因多态性造成等位基因多样化，可能是人类在进化过程中抵御不良环境因素的一种适应性表现，对维持种群的生存和延续具有重要的生物学意义，如HLA每一对等位基因均为共

3、显性，从而大大增加了人群中某些基因表现型的多样化。 在特定情况下，存在等位基因排斥现象，即二倍体细胞中某一基因的两个等位基因中只有一个表达，另一个失效。例如B细胞2个H链位点和2个L链位点中分别只有1个得到表达，故在浆细胞中只能合成一种类型的H链和L链。 一对相同的等位基因称纯合等位基因，一对不同的等位基因称杂合等位基因。生物体特定的等位基因组则称为基因型。基因型是产生表型的遗传学基础。在同一种群中可因出现少数突变而产生新的基因型。,指由于基因与环境因素相互作用所引起的在细胞、器官和整体水平可检测到和可观察到的特征或性状; 具有同种基因型的生物在不同环境条件下可表现出不同的表型; 具有相同基因

4、型的生物和细胞可因基因表达谱和表达程度不同而呈现不同的表型; 此外，具有不同基因型的生物若带有同一个显性基因，也可表现出相同的表型。,表型/表现型,疾病基因参与疾病发生过程，并非完全是基因本身特性所致，而是其基因型在一定的遗传背景和环境因素影响下进行的，其复杂的相互作用所形成的结果表明了该基因型在个体对特定疾病的遗传易感性程度（遗传度）。,二、疾病基因与遗传易感性有关,（一）疾病基因的遗传易感性程度与遗传方式有 关联性,若遗传易感性程度达到100，表明该基因型在发病过程中起主要作用，亦即遗传因素起决定性作用，单基因遗传病属于这种情况。 若遗传易感性程度低于100，大于50，表明该基因型在发病过

5、程中起重要作用，但环境因素也在其中起到重要作用。 若遗传易感性程度低于50，则表明环境因素在发病过程中起的作用比遗传因素（基因型）为大。多基因遗传病属后两种情况。,部分多基因疾病的遗传易感性程度（参考值）,疾病基因所具有的遗传易感性程度与遗传方式有重要的关联性。这决定了从遗传学角度看，疾病基因遗传的并不是疾病本身，而是是对疾病的易感性。疾病基因与遗传方式相配合，构成不同类型的基因病。,已知的基因病有5种遗传方式，形成5大类遗传病: 染色体病 单基因遗传病: 单基因遗传病达6000多种，涉及位于常染色体和性染色体上致病基因的显性、隐性或交叉遗传等方式，这些遗传方式符合孟德尔遗传定律，引起质量性状

6、改变，致病基因与疾病的因果关系明确。 多基因遗传病: 多基因遗传病的性状受许多基因控制，其中每个基因的作用都比较微弱，称之为微效基因，无显性、隐性遗传之分，但它们的综合作用可产生共显性的效应，即数量性状。 线粒体病: 遗传方式比较复杂。,体细胞遗传病: 遗传方式比较复杂。 例如肿瘤，一般认为散发性肿瘤主要是由于体细胞中特定基因改变而引起体细胞突变所致。体细胞特定基因改变可遗传给下一代体细胞，但不能在亲代个体与子代个体之间遗传。这一类肿瘤也存在遗传易感基因，但其对肿瘤形成的贡献度都很低，它们与环境因素相互作用产生的综合效应在肿瘤形成中发挥了一定作用。对于某些家族性肿瘤，其发生可能由主效基因所决定

7、，主效基因按照孟德尔遗传方式起作用。质量性状比较容易采用孟德尔遗传的分析方法来分析，而数量性状难以采用通常的遗传分析方法进行分析，需采用适宜的遗传统计学方法进行分析。,酶（enzyme） 调节蛋白（modulator protein） 受体（receptor） 转录因子（transcription factor） 细胞内基质（intracellular matrix） 细胞外基质（extracellular matrix） 跨膜转运体（transmembrane transporter） 离子通道（channel） 细胞信号转导分子（cell signaling） 激素（hormone） 细胞

8、外转运体（extracellular transporter） 免疫球蛋白（immunoglobulins） 其它 未确定基因产物功能者,（二）14类基因对单基因遗传病发生贡献率不同,根据对1000多个单基因遗传病致病基因的归纳统计，按其表达产物的功能来划分，共包括14个大类基因：,1. 未知基因 2. 酶基因 3. 调节蛋白基因 4. 受体基因 5. 转录因子基因 6. 细胞内基质基因 7. 细胞外基质基因 8. 跨膜转运体基因 9. 离子通道基因 10. 其它 11. 细胞信号转导分子基因 12. 激素基因 13. 细胞外转运体基因 14. 免疫球蛋白基因,疾病基因对疾病发生的贡献率,n

9、= 923,正常基因称为野生型基因：具有野生型基因的细胞或个体称为野生型（wild type）。 基因突变（gene mutation）：携带突变基因的各种类型的细胞或个体称为突变体或突变（mutant）。,三、基因突变可能诱发疾病,（一）基因突变指基因内各种类型的结构改变,基因突变来源于： 自发突变（spontaneous mutation）: 自发突变来自DNA复制、基因转录和DNA损伤修复等过程中的碱基错配、缺失或重复等，发生频率很低（10-1010-9），是引起人类单基因遗传病的重要病因性突变。 诱发突变（induced mutation）: 诱发突变由诱变剂所引起，诱变剂包括化学的、

10、物理的和生物的诱变剂。 不论何种突变，都具有随机性、低频性和可逆性等共同的特性。基因突变在多数情况下产生有害效应，但在某些情况下也表现出有利的表型，同时还满足了进化的需要。, 产生疾病表型，引起单基因遗传性疾病； 引起致死突变，如死胎和自然流产； 产生遗传易感性，参与复杂性状疾病发病过程； 增强某些表型特征，如血红蛋白S基因突变杂合子比之正 常的血红蛋白A纯合子具有抗恶性疟疾的能力； 造成正常人群的遗传异质性和个体差异，例如不同的血清蛋白谱、ABO血型、HLA类型和同工酶谱等，可对输血配型、同种异体器官移植排斥反应、对药物与毒物的不同反应性以及对病原体的敏感性等表现型产生差异； 作为基因多态性

11、的标记，不产生可察觉的效应。,（二）基因突变可以影响野生型表型,若突变基因发生在体细胞，这种突变的效应可在增殖的体细胞中遗传，但不能在个体代间遗传。 生殖细胞在减数分裂期对环境因素具有较高的敏感性，其基因突变发生率比体细胞高，如果突变基因为显性遗传，其效应可通过受精卵而直接遗传给后代并立即在子代中表现出来，如果突变基因为隐性遗传，其效应受到正常等位基因的掩盖作用，只在承受了两个突变等位基因的子代个体中表现出来。,（三）基因突变的生物学效应随不同遗传 方式而表现不同,很多复杂性状疾病具有家族聚集性和一定的遗传倾向，但遗传模式复杂、不明，外显率低，不符合孟德尔遗传规律。 这类疾病的易感基因也会发生

12、不同类型的基因突变，这些突变中多数与疾病易感性相关，少数可产生类似单基因病的特殊类型复杂疾病。 如2型糖尿病中已鉴定出几种特殊类型，命名为MODY，各由特定基因的点突变所引起。,基因中某种突变在人群中发生频率1，属于基因多态性，该突变为中性突变。基因多态性本身可能与某些疾病的易感性相关，也可作为遗传标记，用于在基因组范围内定位和鉴定疾病基因。 如果在人群中，基因突变频率1，则不属于多态性，有可能是致病突变，欲确认其是否为致病突变，至少需具备2个方面基本的证据： 在人群中确认只在病患者个体中出现该突变， 是在病患者家系中，只有患病者才出现该突变。,（四）基因突变与疾病关系,1致病突变与基因多态性

13、有别,目前已发现人类基因组DNA的突变有数万种，归纳成以下几种主要类型： 碱基置换（点突变） : 60 缺失: 约22 插入/重复 复合重组 这几种主要类型的突变成为单基因遗传病的主要致病突变。单基因遗传病通常发病率较低或很低，但只要临床上确认先证者并有完整的家系样本和资料，采用连锁分析和现代分子遗传学方法，可以鉴定其致病基因。,2单基因遗传病与主要基因突变有关,95以上,由于涉及突变和候选易感基因数量较多，每个基因对疾病发生的贡献率又小，故筛查、鉴定和克隆此类疾病的易感基因难度较大。到目前为止，大致上经过了3个阶段： 候选基因筛查策略（candidate gene strategy）； 基因

14、组定位扫描（genome-wide scanning）； 基因组关联研究（genome-wide association study, GWAS） 目前国际上多基因疾病如冠心病、高血压、糖尿病、癌症、精神神经性疾病、骨质疏松症，肥胖等进行了GWAS分析， 鉴定出众多候选的疾病易感基因。,3. 多基因病涉及突变和候选易感基因数量较多,“常见病常见变异体”（common disease - common variant）模型：每种疾病都存在共同的基因变异体，而且这些基因变异体在远祖时期遗传下来。 按照这一理论模型，采用常规的遗传分析方法即可找到有明确疾病表型的基因变异体，而事实上，有许多疾病采用常

15、规的遗传分析方法找不到与疾病表型相关的基因变异体。,4鉴定致病或与疾病相关的基因变异体是关键,“常见病稀有变异体”（common disease - rare variant）模型：不少疾病的基因变异体不是由其祖先遗传而来，而是在较近时期突变而来。 可见，根据后一种理论模型，单纯采用常规的遗传分析方法难以奏效，而必须采用多方面的分析手段，特别是随着基因组深度测序技术和基因组信息学的深入发展，为鉴定致病的或与疾病相关的基因变异体（特别是稀有突变体）提供了有力的手段。,除了上述主要类型基因突变外，还发现了下列变异体： 稀有变异体是基因序列小的改变（重复或缺失）。Gardner综合征（表现为软组织、

16、骨骼、脏器发育异常和畸形）和精神分裂症等疾病均存在比正常人高数倍的稀有变异体。 拷贝数变异（copy number variations, CNVs）也可称拷贝数多态性（copy number polymorphisms, CNPS），是指从1000bp到106bp范围内的缺失、插入、重复和复杂多位点的变异。人类基因组中，涉及CNVs的基因约占12。人与人之间CNVs差异加上其他变异所造成的差异，使得彼此基因组DNA的差异可能高达10。,2006年11月，第一代人类基因组拷贝数变异图谱绘制完成。 目前在人类基因组中已发现4000多个CNVs，其中300400 个CNVs 具有致病危险性，有的则

17、与某些表型特性有关，例如-谷氨酰基转移酶基因中含有的CNVs与食物中毒素的解毒有关，水通道蛋白7（aquaporin 7）基因所含CNVs 与出汗及耐力跑有关。 现已发现，许多复杂性状疾病如精神分裂症、肿瘤、艾滋病、老年性痴呆和牛皮癣等等，其发病易感性与特定基因的CNVs 密切相关。,概念：不同基因型决定相同表型的现象称为遗传异质性。 无论单基因遗传病或多基因遗传病，都存在遗传异质性。 由于同一群体的不同个体或同一物种的不同群体存在不同 的基因型，故在物种、群体和个体水平上也存在遗传异质 性。 造成遗传异质性的原因是基因多态性或突变、表观遗传、 遗传模式、环境因素、生活方式与习惯以及修饰基因等

18、的 综合作用。,遗传异质性,基因突变对表型的影响大致上通过以下两种主要途径而实现： （一）影响其产物组成和结构 （二）影响其表达的量,四、基因突变改变表达产物的 “质”和“量”引起疾病,碱基置换若发生在密码子上，有可能改变其相对应的氨基酸类型，产生所谓错义突变： 如果被改变的氨基酸位于多肽链的关键部分，如活性中心、催化中心或分子结合部位，则有可能改变这一产物的生物学活性和作用。 如果由于基因突变在本来不是终止密码处产生终止密码，即所谓无义突变，会使基因表达产生的多肽链缩短，失去或大大减弱肽链的功能。,（一）基因突变改变表达产物组成和结构,当基因中不同的碱基发生了两次突变，其中一次抑制了另一次的

19、遗传效应，则最终表现出来的效应很弱或无突变效应发生，这类突变即所谓抑制型基因突变（suppressor gene mutation）。 如果由于突变在原来终止密码处产生非终止密码，变成编码氨基酸密码，叫做终止密码突变（termination codon mutation），则其表达产物多肽链会延长，也会失去或大大减弱正常多肽链的功能。 当基因核苷酸序列插入或丢失1个、2个或不构成三联体密码或其倍数的多个碱基后，在插入或丢失部位后面的三联体密码会发生移码，称为移码突变（frame-shift mutation），造成其表达的多肽链截短或延长，从而丧失或大大减弱正常多肽链的功能。,当基因中密码子之

20、间插入或丢失1个或几个密码子，其产物中此插入或丢失部位前后的氨基酸顺序无变化，只是在该部位增加或减少1个或几个氨基酸，这种密码子插入或丢失对其功能的影响需视具体情形而定。 如果基因突变发生在外显子与内含子交界处的剪切位点（splicing site），基因转录时会产生剪切方式的改变，从而产生异常产物。 生殖细胞在减数分裂期间由于同源染色体在重组时可能因配对不精确而产生不等交换，造成一部分基因缺失和一部分基因重复，这不单是单个基因发生改变，还涉及染色体水平上多种基因的改变。,有不少疾病基因本身并无突变发生，但调控基因发生了突变，其产物通过改变疾病基因的表达程度而引起相应表型的改变。 如某些酶基因

21、表达缺失或过量引起的遗传性疾病就是这种情况。这种情况下，表达水平的改变可能引起相应的表型改变。 至于调控基因突变所致或疾病基因本身突变所致的疾病基因表达改变是如何引起相应表型改变的，其中的分子遗传机制十分复杂，特别对于多基因疾病更是如此。,(二) 基因突变改变基因表达水平,研究基因与疾病关系主要目的在于： 确定致病基因或疾病易感基因； 阐明这些基因的功能和在疾病发生发展中的作用机制； 指导临床诊断、治疗和预后的实践。 从遗传-环境-表型的复杂关系中归纳出一些有规律性和特征性的性质，如突变类型、修饰基因、表观遗传、多基因作用、基因组不稳定性等等，为临床诊断提供可靠指标，为疾病治疗特别是个体化治疗

22、提供新靶点和新思路，为疾病预测、预防和预后提供依据。,第二节 人类单基因疾病 Human monogenic diseases,人类单基因疾病性状相关的基因位于细胞核染色体上，按孟德尔遗传模式传递，主要分为： 常染色体显性遗传疾病 常染色体隐性遗传疾病 性连锁遗传疾病 这些类型单基因遗传疾病其致病基因及其突变情况各异，基因型与表型的关系也表现出复杂性，发病的分子机制更是复杂多样。,一种性状或遗传病的基因位于常染色体上且其表现为显性者，该基因称为显性基因，与其对应的性状或遗传病则叫常染色体显性遗传。 常染色体显性遗传疾病在家系中呈垂直传递模型，患者双亲之一常是患者，患者的同胞中约有1/2发病，男

23、女发病机会均等，双亲无病时，子女中一般不出现患者。,一、常染色体显性遗传疾病呈高度异质性 和复杂性,（一）常染色体显性遗传疾病在家系中呈垂直传递,但有些情况需注意：如引起该类单基因遗传病的致病基因突变形式多样，不同突变形式及相同突变形式在同一家系内患者表现出不同的遗传效应即外显率和表现度。 有的致病基因的突变会影响生育，患者通常活不到生育年龄，这类疾病家系往往具有各自独立的致病基因突变，如Duchenne氏肌肉萎缩症。 常染色体显性遗传病还存在基因前突变作用。此外，还要考虑环境因素的作用和基因修饰等参与的作用和影响。,现已确定很多常染色体显性遗传病与3类基因缺陷有关，这就是： 动态突变 单一基

24、因突变 多种突变组合,（二）常染色体显性遗传病有3类基因缺陷,已发现的动态突变至少有14种，其突变形式有 三联体重复 十二苷酸串联重复 十三苷酸串联重复 三联体重复的位置可能不同，可出现在外显子、内含子、3非翻译区或5非翻译区。以三联体重复序列发生动态突变为例，解释其发病机制有如下3种情况:,1动态突变发生的串联重复序列扩增数不稳定,（1）三联体重复次数扩增使突变的等位基因产生异常蛋白，从而阻碍了正常等位基因产物蛋白的功能发挥。例如，通常IT15基因外显子1中存在三联体重复序列(CAG)n，正常人n=736，而亨廷顿舞蹈病（Huntingtons disease，HD）n=37102，在传代过

25、程中n数进一步扩大，是遗传早现的分子基础。,(2) 三联体密码重复次数扩增使正常基因失活或功能受损。例如，Friedreich共济失调症（fridreichs ataxia，FRDA）患者STM7基因（编码4-磷脂酰肌醇蛋白激酶类产物）18内含子(GAA)n存在扩增（正常人n722；患者n2011186， 平均为n816188），导致基因失活而无减数分裂或体细胞分裂，扩增的(GAA)n还可发生进一步扩增或缩减的变化。,(3) 三联体密码重复次数扩增影响RNA生物合成或RNA剪接，从而造成RNA缺陷或干扰RNA功能。例如，强直性肌营养不良症1（myotonic dystrophy 1，DM1）D

26、MPK基因3非翻译区存在 (CTG) n扩增（正常人n=540；患者n50数千），n越大起病越早，病情越严重。据此可进行DM症状发作前的诊断。,2常染色体显性遗传病基因异常呈现复杂性, 除了个别疾病由致病基因单位点突变所致外，绝大多数疾病的致病基因都发生不同位点、不同类型的突变； 有些疾病其致病基因不止一个，它们的突变位点和类型 也不同； 存在前突变现象； 产生突变的机制复杂。,（1）基因突变表现为高度异质性：,主要有： 自发突变； 环境因素诱发突变； 前突变作用； 转座效应，即在基因内或基因旁存在转座子，转座子迁移将产生基因缺失或重复等突变；“二次突变”，某些基因在胚胎期发生了突变，出生后再

27、次受到“打击”而发生突变。“二次突变”与某些肿瘤发生密切相关，基因在有丝分裂过程中发生姐妹染色单体不等交换而产生缺失或重复突变。, 除了个别疾病外，绝大多数疾病表现为复杂的基因型与表型的关系：有的表型由单一基因型（单一突变型）所决定，有的表型由复合或双重突变型所决定。 疾病的严重程度既可与某一单一突变型发生与否有关，也可与双重或复合突变有关；既可与单一类型突变数量有关，也可与不同类型突变的数量有关；既可与经受一次突变有关，也可与经受二次突变有关。 一种基因突变型可决定一种表型，也可决定不同的表型，其决定程度可相同，也可不同。 不少疾病表现为综合征（复合表型），其参与的基因型及其相互作用极其复杂

28、。,（2）基因型与表型关系也显示高度复杂性, 表观基因型和环境因素在基因型和表型的关系中起重要作用。 表观基因型即基因修饰型，不涉及基因序列改变。有些基因突变会引起其表现型的改变，从而影响其表达功能或产物的生物学功能。 CpG中的C发生甲基化是最常见的表观基因型，涉及这一序列的突变易引起表观基因型改变，如动态突变中当CGG三联体扩增到一定阈值就会引起基因发生甲基化，关闭基因表达。 环境因素在基因型与表型关系中的作用就更复杂，已成为目前重要的研究前沿。,一种性状或遗传病的基因位于常染色体上且其作用是隐性的，称为常染色体隐性遗传，当两个隐性等位基因处于纯合状态时便表现出常染色体隐性遗传病。 与常染

29、色体显性遗传病不同，该类遗传病表现水平而非垂直的遗传模式，在临床上表现为以下特点：患者父母无临床症状，外观正常，但都是致病基因的携带者；患者的兄弟姐妹中有1/4罹病，男女患病机会均等；家族中不出现连续几代患病；近亲结婚其子代患病率大大升高。,二、常染色体隐性遗传病突变基因及表型 也呈高度异质性和复杂性,（一）常染色体隐性遗传病呈非垂直传递,通过这类单基因遗传病综合分析，发现它们的致病基因的突变及其遗传效应同样具有高度的异质性和复杂性，这里不多赘述。,（二）常染色体隐性遗传病表现为高度异质性和复杂性,（三）常染色体隐性遗传病与进化、环境 及基因合作不平衡有关,在北欧发病率甚高的囊性纤维化（CF）

30、，其杂合体能抵御由霍乱杆菌和伤寒杆菌的毒素引起的痢疾，原因是CF基因携带者当受到毒素侵袭后体液和氯离子流失程度大大减少，避免了脱水及由此引起的危险后果。 地中海贫血和镰刀状细胞贫血症都属于红细胞中血红蛋白成分紊乱症，致使红细胞形态变异变小，颜色变白，这些变异红细胞不适合疟原虫寄生，使携带地中海贫血症和镰刀状细胞贫血症基因的个体能抵御疟疾的发生。 上列疾病基因携带者由于抵御某些特定严重疾病侵袭和生存之需要，从而造成了致病基因变异在进化上的优势。,1. 有些常染色体隐性遗传病的发生与进化有关,从遗传学角度看，是否有致病基因的存在就会发展成临床上的遗传病，需视具体条件而定，这个条件就是环境因素和其它

31、遗传因素。 所谓前疾病（predisease）系指存在特定基因突变的个体在环境和其它遗传因素影响下而有发病危险的状态和阶段。,2. 常染色体隐性遗传病发生 尚与环境因素和其他遗传因素有关,例如患遗传性血色病的男女发病比例为3：1，原因是性别在其中产生了重要的影响，月经中流失的血液为女性提供了保护机制，故在绝经期前，即使存在致病基因，在临床上罹患该病的可能性也很小。携带血色病致病基因、但尚未在临床上表现出血色病的个体属于遗传性血色病（hereditary haemochromatosis），临床上表现出血色病者则称为临床型血色病（clinical haemochromatosis）。 在遗传因素

32、方面，研究表明，HLA-H的Cys282 Tyr 突变纯合体的临床性血色病的几率很低。 由此可见，“前疾病”不仅仅存在于常染色体隐性遗传病，也存在于其他类型单基因病和多基因病中。由“前疾病”到临床上疾病的发生，存在概率性，有的概率可高达100，有的则很低。,例如地中海贫血就是由于一种或几种珠蛋白基因的缺失或突变使肽链合成障碍导致类与类珠蛋白不平衡所致。 正常血红蛋白由4条珠蛋白肽链聚合而成四聚体，其中包含2条珠蛋白链和2条珠蛋白链。珠蛋白包括、和等，珠蛋白包括、和等，分别由和珠蛋白基因蔟在发育的不同阶段所表达，故其肽链种类随珠蛋白基因蔟在发育的不同阶段而有所差异。,3. 某些疾病与基因间合作失

33、平衡有关,三、X-连锁遗传病是 由X染色体上的基因突变引起,男性只有1条X染色体，若其上存在1个隐性致病基因即可患病。女性因有2条X染色体，只有当2条染色体上同时带有隐性致病基因才会发病。,（一）X-连锁隐性遗传病由X-染色体的隐性致病基因引起,这类疾病的特点是： 男性患病几率远高于女性； 男性患病和健康女性结婚，子女不出现同样疾病，但女儿都是致病基因携带者； 女性患病与正常男性结婚，其儿子都患病，女儿都是致病基因携带者； 携带致病基因的女性与正常男性结婚，其女儿中1/2为携带者，儿子中1/2是病人； 近亲结婚者其子女中患病几率增加。 血友病、葡萄糖6-磷酸脱氢酶缺乏症和杜氏肌营养不良症等等均

34、属该类疾病。,这类病由位于X染色体上的显性致病基因所引起。 由于女性2条X染色体中任何1条具有显性致病基因都将致病，故女性发病率显著高于男性，患者双亲中必有1人患同样的病。 该类疾病可以连续几代遗传，但患者的正常子女不会有致病基因再传给后代。 女性患者和正常男性结婚，子女各有1/2患病几率。 男性患者和正常女性结婚，其女儿都可能是患者，儿子则都不患病。 这类疾病有脆性X综合征和肯尼迪氏遗传病等等。,（二）X-连锁显性遗传病 由X染色体的显性致病基因引起,X-连锁遗传病由于与X染色体上的基因突变有关，因此与常染色体遗传病相比，最显著的特点是性别差异对发病几率及病情严重程度存在直接相关性。 男性的

35、情况相对比较简单，由于只有1条X染色体，其致病基因会完全表现出X连锁遗传病的表型，病情严重程度与突变数量、部位和类型有关。 但携带有致病基因的女性所表现出来的临床症状的严重程度与突变的数量、部位和类型等有关。,（三）X-连锁遗传病基因突变特点存在性别差异,第三节 多基因复杂性状疾病 Polygenic diseases,指那些性状复杂、遗传方式不确定、由多基因和多因素参与作用而产生的疾病。这类疾病发生的分子遗传机制和病理生理过程比单基因遗传病复杂得多。,一、多基因复杂性状疾病, 微效基因: 不具有典型的孟德尔遗传模式，而具有复杂的遗传方式，异质性高，外显率低（除家族性疾病外），其遗传变异呈连续

36、状态，不同个体间只有量的差异，故所表现出来的性状为数量性状。数量性状由多基因控制，又称多基因性状，这些基因没有显性与隐性之分，而是共显性。个体基因作用微小，但累积和整合会显示出可观的综合效应。 环境因素（自然环境和社会环境）对疾病发生具有重要的影响。自然环境包括化学的、物理的和生物的因素。社会环境包括生活方式、饮食习惯、营养状况、心理和社会的因素。这些因素通过与多基因的相互作用和/或表观遗传作用而决定最终的表型和遗传效应。,特点：, 多基因复杂性状疾病在临床上大多表现为严重的、散发的、慢性的、退行的病变，如癌症、心脑血管病、糖尿病、精神性疾病、慢性退行性疾病和某些先天性疾病等等，鉴定其易感基因

37、（susceptibility gene）或数量性状基因座（quantitative trait locus, QTL），并搞清其发病的分子遗传机制十分困难。 多基因复杂性疾病在遗传模式上表现出来的复杂多样性的综合因素中，基因组DNA和基因的遗传变异效应和表观遗传效应，起到重要的作用。遗传变异效应除由上面已讨论过的各种类型变异引起基因表达和功能下降、缺失或改变外，还与线粒体DNA（mtDNA）突变，基因组印记以及涉及基因胚系突变与体细胞遗传突变等相关。,按照孟德尔遗传理论，来源于父母双方的等位基因应具有同等的表达状态和效应。事实上，迄今已发现几十种等位基因并不如此，这种现象叫做基因印记（gen

38、e imprinting）或基因组印记（genomic imprinting），统称为印记（imprinting）。因此，可以把印记定义为来源于父系和母系的等位基因、染色体或其片段具有不同的表达状态和效应。 印记是在生殖细胞系的形成期产生的。 在体细胞中，由于印记的存在，2个等位基因的表达出现差异。简单地说，印记就是在基因或基因组上作上记号，作上记号的基因叫印记基因。,（一）印记基因的等位基因失活导致印记相关疾病,目前已知的印记有： 表观遗传修饰（包括基因中CpG的甲基化、组蛋白甲基化或乙酰化等）； 缺失； 非整倍体； 单亲双体：所谓单亲双体，是指一条染色体的2个拷贝皆来自于父母中的一方。,印

39、记具有以下主要特点： 1. 可遗传性，在生殖细胞中产生的印记在细胞分裂过程中一直被保留着，后代可从双亲遗传印记。 2. 印记基因在基因组中以非随机方式分布。 3. 有些印记基因聚集成蔟。印记基因蔟由一个印记调控元件通过甲基化、染色体折叠、小RNA或顺式表达调控等方式调控它们的表达。 4. 印记基因是失活的，即其表达和效应是缺失的。这意味着，如果存在印记的话，2个等位基因中必有1个是失活的。由于印记基因是失活的，故其发生任何突变不会影响表型，也不会致病。而另一个有活性的等位基因一旦发生突变失活，形成2个等位基因都失活的状态，会发生疾病，统称印记相关疾病。,印记相关疾病涉及许多复杂性状疾病，如表观

40、遗传修饰与肿瘤的关系等已成为目前热点研究领域。 由缺失和单亲双体产生的印记相关疾病是典型的此类疾病。 在染色体15q11q13的区域中存在某些印记基因，若缺失其中父系基因SNRPN、NDN、MAGEL2及由小核RNA控制的基因蔟，其表达活性失活，会引起普拉达威力综合征，而当缺失其中母系基因UBE3A，则会产生安吉曼综合征，这表明，这两种综合征具有不同的印记基因。普拉达威力综合征患者15号染色体的2个拷贝均来自母系，形成单亲双体，因其中一个拷贝存在印记基因，另一拷贝父系基因缺失而发病。,在恶性肿瘤形成过程中，某些与抑制肿瘤发生有关的基因（抑癌基因）先后发生两次突变（主要为缺失突变），使2个等位基

41、因全部失活，最终引起肿瘤； 这一现象最早在视网膜母细胞瘤的研究中被发现，该病40为家族性遗传，60为散发。 家族性遗传患者在胚胎形成时就存在胚系突变，从父母 遗传了第一次突变，使1个等位基因失活。 出生后体细胞（视网膜细胞）由于受到环境因素的作用 而发生第二次独立突变，致使另一个等位基因也失活， 散发患者第一次突变发生在体细胞，第二次独立突变也 发生在同一个体细胞，致使2个等位基因都失活。,（二）胚系遗传与体细胞遗传与二次突变有关,表观遗传：指不改变基因而影响基因表达和表型的遗传修饰，不改变基因序列也即不改变基因型。 表观遗传学（epigenetics）：是研究遗传修饰影响基因表达和表型的机制

42、、遗传方式与发育/疾病发生的关系，以及应用技术的一门分支学科。,（三）表观遗传影响疾病发生,1表观遗传与表观遗传学,常染色质和核小体的修饰 解体的染色质活化过程 基因组DNA与组蛋白的重新装配 不同凝聚态异染色质结构 核心组蛋白的修饰（包括乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化、sumo化和生物素化） 基因组DNA 甲基化 依赖于ATP的染色质重塑复合物形成等,表观遗传学主要研究方向：,表观遗传的特点有： 可遗传性； 可引起基因沉默，但其作用机制与由基因突变引起基因沉默不同，具有一定的可逆性； 表观遗传可以影响遗传学过程； 目前已知DNA甲基化和组蛋白修饰是细胞中最重要的表观遗传修饰。二者可以协作共同

43、调节基因转录。,DNA甲基化位点主要是5-CpG-3中胞嘧啶C5； CpG在基因组中分布不均匀，主要存在于重复序列与 CpG岛中。CpG岛主要存在于管家基因和组织特异性表达基因的启动子区。,2DNA甲基化造成基因沉默,母性细胞X染色体上的基因。其CpG岛被甲基化后，变为失活状态；印记基因；胚系特异基因；组织特异基因。,正常情况下，除了基因组中重复序列通常为高甲基化外，至少有4类基因启动子区CpG岛是被甲基化的:,DNA甲基化具有以下规律： 在胚胎发育的不同阶段其甲基化图谱（patterns）不同。受精卵丝状分裂期，基因组DNA呈去甲基化状态，受精卵植入着床后，通过从头甲基化途径使呈高甲基状态，

44、胚胎发育后期不再发生从头甲基化作用。如果发生程序错误，可以致病。 一般而言， CpG岛甲基化会造成基因沉默。 DNA甲基化作用与环境因素有密切关系。缺少甲基来源或保持甲基化转移酶活性必要营养素（如叶酸和维生素）的饮食，会使基因组范围甲基化水平降低，激活某些有害基因过表达，引起基因组不稳定性，进而影响表型。例如，衰老作为环境因素影响过程，基因组水平的甲基化作用呈衰减状态，但某些与生长分化相关的基因CpG岛甲基化作用呈进行性增长。,癌症是多基因复杂性状疾病之一。与正常细胞相比，癌细胞在生物学性质上发生了以下重要改变：,二、癌症发生发展机制涉及多基因多因素, 基因组不稳定性 不受控制的生长增殖 不分

45、化或分化不良 细胞凋亡程序失控 具有转移迁徒能力,一类与基因组稳定性相关，称为看管基因（caretaker gene），它们负责监管整个基因组的突变率。发生突变后不直接诱发肿瘤，但会使其他基因如抑癌基因或癌基因突变率增高，加速肿瘤形成。 另一类与控制细胞生长、分化、凋亡、迁移有关的基因，称为看门基因（gatekeeping gene），其功能是保持细胞代谢的平衡和细胞生长与死亡的平衡。癌基因、抑癌基因、细胞周期相关基因、细胞凋亡相关基因等等均属此类基因。当多个基因发生突变失活后其综合效应可诱发肿瘤的形成。,与肿瘤发生发展相关的基因大体上可分2类：,（一）基因组不稳定性与肿瘤发生相关,在基因组层

46、次上，肿瘤细胞的主要特征之一是基因组不稳定性。 基因组不稳定性可发生在不同水平从单核苷酸、微卫星、基因、染色体结构性成分直至整条染色体。 基因组不稳定性表现为各种类型异常，如单核苷酸突变，微卫星不稳定性，基因组拷贝数增加或减少，基因扩增、重排和缺失，染色体杂合性丢失（LOH）和纯合性丢失，以及表基因组效应(epigenomic effect)等。,基因组不稳定性涉及的基因组结构的改变和基因表达谱改变，都具有量效效应、空间效应和时间效应，这是造成肿瘤复杂的表型和很高异质性的原因所在。 如果对肿瘤的多基因变化进行综合分析，找出具有特异性的量效关系、时空关系的变化规律，即可解决有针对性的预测、诊断、

47、治疗、预后以及药物研制等问题。,基因组不稳定性会造成一些基因激活而另一些基因失活，呈现出各种基因表达谱的变化。 所有参与肿瘤发生发展过程的基因是构成细胞癌变和肿瘤发生发展的易感性要素，故称为肿瘤易感基因。 目前已知有2类肿瘤易感基因：主效基因和微效基因。,（二）肿瘤易感基因突变是肿瘤发生的要素,这类易感基因多半是由对家族性癌胚系遗传突变的分析所得。在胚系遗传改变中，最引入注意的是某些等位基因发生种系特异性改变而变为具有高外显率的癌易感基因，从而在家族中形成癌的高发率和遗传性。 目前发现的这类癌易感基因有视网膜母细胞瘤的RB1、乳腺癌的BRCA1和BRCA2、结肠癌的APC、-联蛋白（-cate

48、nin）、Cowden综合征的PTEN、von Hippel Lindeu综合征的VHL以及50多种肿瘤的TP53等。 这些基因数量少，外显率高，危险度高。,1. 主效基因,体细胞突变是散发癌发生的基础，其特点是发生可遗传的基因组不稳定性。 主要有2种类型: 结构（序列）异常改变，如单核苷酸突变、微卫星不稳定性、基因组拷贝数增加或减少，基因扩增、重排和缺失，染色体杂合性丢失（LOH）和纯合性丢失； 表观遗传或表基因组效应。,2. 微效基因,一般而言，体细胞突变所形成的肿瘤易感基因属于低外显率、低危险度，与散发癌发生相关，它们与环境因素作用紧密相关，涉及不同的信号转导途径和不同类型的基因。,其中

49、有2种途径: 通过有丝分裂过程中的染色体重组，成为肿瘤易感纯合子。在这种情况下，体细胞无需发生新的突变。 体细胞发生新的突变，使具有抗性的基因缺失，而具有易感的基因扩增，成为肿瘤易感杂合子。,（三）肿瘤发生发展与胚系/体细胞 遗传改变有关,除了胚系特异性突变可成为高外显率、高危险度的肿瘤易感基因外，胚系也可通过体细胞传递低外显率、低危险度的肿瘤易感基因信息。,抑癌基因的失活是细胞癌变和肿瘤形成的关键性因素之一。经典的“二次打击”学说认为，正常胚系如在胚胎期发生1个抑癌等位基因突变失活，另一等位基因在出生后发生杂合性丢失（LOH），则2个抑癌等位基因均失活。,若胚系中有1个抑癌等位基因业已存在突

50、变，则在胚胎期或出生后更易发生另一抑癌等位基因的LOH或突变。,分子表型（molecular phenotype）包括等位基因、基因型、单倍型、基因组合（genes set）、转录组谱、蛋白组谱和各种分子作用谱。 目前，科学家们正在探索肿瘤发生发展过程是否存在特异性分子表型；分子表型是否与肿瘤的不同临床表型或不同阶段状态相对应，是否与肿瘤对环境因素和治疗的不同反应性相对应，这些问题对于肿瘤的早诊、分型、治疗和预防至关重要。,（四）分子表型与临床表型有关,部分分子表型及其临床意义,即5甲基胞嘧啶含量明显降低（降低幅度为20% 60）。低甲基化作用主要发生在卫星序列、重复序列、中心粒区域和原癌基因

51、中，其后果是引起染色体不稳定性和非整倍体，转座子激活和原癌基因激活。,（五）肿瘤发生表观遗传学及表观基因组学变化,肿瘤基因组DNA呈现全面的低甲基化特征,但这种升高不是平均或随机分布，而是因基因而异，形成局部高甲基化。因此，肿瘤甲基化图谱呈多样性。这一特征在直肠癌、膀胱癌、前列腺癌、结肠癌、肺癌、乳腺癌，睾丸癌、脑瘤、白血病中均已有报告。,2. 肿瘤细胞基因组范围内CpG岛的甲基化程度升高,在家族性乳腺癌和直肠癌中，不发生突变的抑癌基因经常发生CpG岛高甲基化作用，而在发生了突变的抑癌基因CpG岛不发生甲基化作用。据此认为，CpG岛甲基化作用在肿瘤发生中属于第 2 次打击。 在散发性乳腺癌和直

52、肠癌中，抑癌基因CpG岛甲基化作用在总体水平上与家族性癌差不多，但在不同抑癌基因中发生的频率不同，因此认为在散发癌中，抑癌基因CpG岛甲基化作用既可作为第 1 次打击，也可作为第 2 次打击。,3. 抑癌基因因CpG岛呈现高甲基化而失活,4. 肿瘤发生过程中抑癌基因CpG岛甲基化具有一定特异性,即在癌发生发展中基因组范围或抑癌基因CpG岛甲基化图谱不是随机变化的。CpG岛的特异性甲基化序列图谱可作为分子标签表明肿瘤的某种生物学特性及临床表型。,最典型的例子是儿童肿瘤。在儿童肿瘤细胞染色体11p15的H19/IGF-2座位是印迹基因所在处，由于印迹基因IGF-2原先甲基化等位基因发生去甲基化，致使双等位基因表达，基因印迹丢失，其效果是过表达，并引起转化抑制RNA（H19）的丢失。,5. 在肿瘤细胞中，经常可见基因印迹的丢失,典型例子是急性早幼粒细胞白血病（acute promyel