疾病的分子机制

2019/12/20第一节基因病概述第二节单基因病的发病机制第三节多基因病的分子基础第三章疾病的分子机制•细胞生命现象的物质基础是各种生命活动所必需的分子，尤其是生物大分子。•任何病因引起的细胞损害都源于它们破坏这些生物大分子的结构和功能，表现为基因结构和表达的异常，蛋白质结构和功能的异常，细胞间信息传递紊乱，细胞识别功能障碍等。2019/12/20•分子病（moleculardisease)：由于DNA遗传变异引起的一类以蛋白质分子（如酶蛋白、结构或功能蛋白、受体蛋白等）异常为特征的疾病。•基因病(genedisease)：由基因本身突变、缺失或其表达调控障碍引起的疾病。包括单基因及多基因病。2019/12/20一、基因病分类1.单基因病2.多基因病3.获得性基因病第一节基因病概述单基因病•由单个基因缺陷引发的疾病；•目前已发现六千多种；•多数为显性遗传（地中海贫血、家族性肠息肉等）；•有些为隐性遗传（苯丙酮尿症、侏儒症、白化病、先天聋哑等）；•有的致病基因位于性染色体上（杜兴氏症、血友病、蚕豆病等）。2019/12/20•恶性肿瘤、高血压、冠心病、糖尿病、哮喘、骨质疏松症、原发性癫痫、风湿病、免疫性疾病等，对人来健康危害较大，已成为导致死亡的主要因素；•主要涉及两个以上基因的结构或表达调控的改变；（或等同或主次）•多基因病的发生也受生活方式、饮食结构、自然环境、年龄等多种环境因素影响；•发病机制非常复杂，已成为当前医学研究领域的热点；2019/12/20多基因病•由病原微生物感染引起的，不会遗传；•大多数是病原微生物基因与人体基因相互作用的结果，如AIDs，病毒性肝炎等。2019/12/20获得性基因病二、基因突变突变（mutation）是指遗传物质发生的可遗传的变异。突变热点（hotspotsofmutation）:DNA分子上某些碱基发生突变的频率高于平均数。•基因突变可以发生在个体发育和体细胞或生殖细胞周期的任何阶段。•体细胞发生突变，这种变异只在体细胞中传递。•生殖细胞发生突变，显性：通过受精卵直接遗传给后代并在子代中表现出来；隐性：效应被其等位基因所遮盖。•2019/12/20第一节基因病概述2019/12/20第一节基因病概述基因突变类型染色体错误配和不等交换碱基置换突变移码突变和整码突变（一）碱基置换突变嘌呤-嘌呤嘧啶-嘧啶嘌呤-嘧啶•自然界中转换突变多于颠换突变。2019/12/20第一节基因病概述转换（transition）颠覆（transversion）DNA┄GCA┄┄GCG┄┄GCC┄转录转录mRNA┄CGU┄┄CGC┄┄CGG┄翻译翻译翻译多肽链┄精氨酸┄┄精氨酸┄┄精氨酸┄TransversionA←GTransitionG→C由于碱基置换，导致氨基酸的影响，可产生如下后果：1.同义突变（same-senseorsynonymousmutation）不影响所编码的氨基酸。其存在能减轻碱基置换给生物机体带来的不利影响。DNA┄ACG┄┄ATG┄┄AAG┄转录转录转录mRNA┄UGC┄┄UAC┄┄UUC┄翻译翻译翻译多肽链┄半胱氨酸┄┄酪氨酸┄┄苯丙氨酸┄TransitionC←TTransversionT→A如果错义突变不影响蛋白质或酶的生物活性，不出现明显的表型改变（效应），称为中性突变（Neutralmutation）。2.错义突变(missensemutation)一个氨基酸被另一个氨基酸取代，产生异常蛋白质，或部分降低活性的酶，有的不影响酶或蛋白质的活性。3.无义突变(non-sensemutation)单个碱基置换导致终止密码子提前出现。合成的肽链缩短，蛋白质大多失活。4.终止密码突变（terminationcodonmutation）终止密码突变为编码氨基酸的密码子，形成延长的异常肽链。2019/12/20单纯6谷→缬，产生HbS病，造成死亡。第6位谷→缬，第73位天冬氨酸→天冬酰胺；HbHarlem临床症状较轻，其原因是73突变抑制了6突变的有害效应。HbHarlem是β链5.抑制基因突变（suppressorgenemutation）在基因内部不同位置上的不同碱基发生了两次突变，其中一次抑制了另一次突变的遗传效应。（HbHarlem单纯6位Glu-Val可导致HbS病，致死。而73位天冬氨酸-天冬酰胺，抑制了6位突变的有害效应。）（二）移码突变（frame-shiftmutation）DNA链上插入或丢失1个、2个甚至多个碱基，导致编码发生相应的改变。这种移码造成的肽链可能延长或缩短。如果DNA链的密码子之间插入或丢失一个或几个密码子，合成的肽链增加或减少一个或几个氨基酸，其他氨基酸顺序不变，称为整码突变（codonmutation）。2019/12/20第一节基因病概述（三）染色体错误配对不等交换减数分裂期间，同源染色体间的同源部分发生联会和交换，如果联会时配对不精确，会发生不等交换，造成一部分基因缺失和部分基因重复。这种突变常用于解释大段核苷酸的丢失和重复。2019/12/20第一节基因病概述2019/12/2020世纪初到80年代，由于技术限制，生物大分子缺陷所导致的疾病的早期研究成果基本上来自于对单基因罕见遗传性疾病的研究，这些研究为常见病的分子机制的研究打下了坚实的理论基础，并开发和积累了相应的技术能力。这些疾病中最常见的包括：代谢酶类缺陷血红蛋白病其他基因缺陷导致的疾病第二节单基因病的发病机制单基因病的特点：•易于通过生化手段分析•常具有组织特异性•易于推断其可能的致病蛋白的特点•遗传单纯性使得研究在缺少技术储备的条件下可以获得重要成果。2019/12/20第二节单基因病的发病机制常见单基因病疾病名称发病频率(‰)遗传方式致病基因典型症状血友病A0.1X连锁凝血因子Ⅷ不规则出血血友病B0.03X连锁凝血因子Ⅸ不规则出血杜氏肌营养不良0.3X连锁肌营养因子肌萎缩贝氏肌营养不良0.05X连锁肌营养因子肌萎缩脆性X综合征0.5X连锁FMR1智力障碍舞蹈病0.5常染色体显性舞蹈病因子痴呆神经纤维0.4常染色体显性NF-1,2癌变珠蛋白生成障碍性贫血0.05常染色体隐性珠蛋白基因簇贫血镰刀细胞贫血0.1常染色体隐性β珠蛋白基因贫血,局部缺血苯丙酮酸尿0.1常染色体隐性苯丙氨酸羟基化酶无苯丙酮酸代谢能力囊性纤维化0.4常染色体隐性CFTR进行性肺损伤及其他一、代谢酶类缺陷（一）苯丙酮尿症1934年发现，患儿智力低下，尿中含有大量苯丙酮酸，认为可能与苯丙氨酸代谢酶类缺陷有关。1953年，证明是由于苯丙氨酸羟化酶缺陷引起。苯丙氨酸羟化酶基因被克隆，发现酶缺陷的主要原因是基因的错义突变、缺失、剪接突变。治疗：早期可通过控制苯丙氨酸的摄入量来缓解。2019/12/20第二节单基因病的发病机制蛋白质苯丙氨酸酪氨酸3、4-二羟苯丙氨酸黑色素苯丙酮酸苯丙酮尿苯丙氨酸羟化酶缺乏（苯丙酮尿症）肾酪氨酸酶缺乏（白化病）苯丙氨酸代谢图解发育障碍【Clinicsymptom】杂合子患者，正常情况下体症并不明显，但在某些诱导因子（氧化剂类药物或感染）作用时，溶血出现加剧。属于X性连锁遗传病。ChromosemeXXq28qpG6PD位于Xq28，基因占有18.5kb的区域，编码的成熟mRNA长度2269bp，翻译出的肽链约59KD。【Mechanism】基因的点突变G6PD缺陷溶血一、代谢酶类缺陷（二）葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺陷第二节单基因病的发病机制一、代谢酶类缺陷（二）葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺陷G6PD缺陷有400余种变异，其中56种的确切位点已知，大多数涉及氨基酸替代并引起酶活的部分丧失。氨基端突变症状较轻，羧基端突变酶活丧失较多。如果这个重要的代谢酶活性完全丧失，个体将不可能正常发育到出生。2019/12/20第二节单基因病的发病机制二、血红蛋白病是一类典型的单基因突变作为病因最好的例证。作为病例其有利之处在于：基因及其基因位点明确。血红蛋白(hemoglobin,Hb)其分子所涉及到的两个主要基因座位上，至少已证明有超过500种不同类型的基因突变，其中90%以上属于单核苷酸突变。这些突变引起了许多完全不同的表型：镰状细胞贫血、高铁血红蛋白血症珠蛋白生成障碍性贫血2019/12/20第二节单基因病的发病机制二、血红蛋白病（一）血红蛋白分子及其基因2019/12/20第二节单基因病的发病机制血红蛋白珠蛋白血红素2×α链2×β链有功能的血红蛋白分子：将氧气从肺泡带到各种组织。二、血红蛋白病（一）血红蛋白分子及其基因2019/12/20第二节单基因病的发病机制α基因簇，16pter→p13.2α-LCR（α位点控制区）Ψζ1ζ2Ψα2Ψα1α2α1θβ基因簇，11pter→p15.4β-LCR（β位点控制区）εGγAγψβδβ人α-珠蛋白基因簇及α珠蛋白基因结构人β-珠蛋白基因簇及β珠蛋白基因结构α基因结构：1313299100141β基因结构13031104105146从胚胎到成人珠蛋白表达变化612182436出生612182430(Wk)5040302010%αβγζεδ人类的血红蛋白在个体发育的不同时期具有多种组成形式。二、血红蛋白病（二）血红蛋白变异性疾病1.不稳定血红蛋白引起的贫血2.过快氧化造成的高铁血红蛋白血症（HbM）3.伴有红细胞增多的异常血红蛋白病4.镰状细胞病2019/12/20第二节单基因病的发病机制在血红素结合区域或构象维持的关键氨基酸残基，以及亚单位结合位点发生氨基酸替代的基因突变，导致Hb对氧的亲和力改变。珠蛋白的血红素口袋血红素红细胞过早的被网状内皮系统清除贫血Anemia1.不稳定Hb引起的贫血（AnemiainducedbyinstabilityofHb）无血红素的珠蛋白在红细胞内沉积轻者重者直接引起溶血任何基因突变，如果造成血红素口袋周围的氨基酸替代或缺失，影响血红素和珠蛋白的结合能力，都可能造成该变化。已有100多种不稳定Hb被鉴定，其中3/4发生在珠蛋白β基因。2.高铁血红蛋白血症（Methemoglobinemia,HbM）【Clinicdisease】先天性家族性紫绀【Mechanism】由于血红素口袋周围的氨基酸残基被替代，产生多出一个配位键，使血红素中Fe2+过快变成Fe3+，处于脱氧状态而不能结合氧。▲1种珠蛋白突变β链Val→Glu谷氨酸的游离羧基+Fe2+结合Fe3+高铁Hb▲6种珠蛋白突变His→Tyr酪氨酸侧链羟基+Fe2+稳定的配位键失去携氧功能Fe3+高铁HbHb构象变化和对氧亲合力↑能引起Hb氧亲和力高的基因突变有50多种，常见基因突变类型：▲位于α1β2（或α2β1）亚基接触面的氨基残基发生了取代；▲β珠蛋白肽链羧基端和2，3-磷酸甘油酸结合位点发生了氨基酸取代；▲血红素口袋四周的氨基酸被取代。3.伴有红细胞增多的异常血红蛋白病（Abnormalhemoglobinsyndromewitherythrocytosis）Hb对氧亲合力↑氧离曲线左移Hb释放氧↓组织缺氧代偿性RBC增多症RBC生成↑4.镰状红细胞贫血（Sicklecellanemia）珠蛋白第6位Glu→Val，产生HbS。相对缺氧▲纯合子HbSHbS形成束状结构合并为纤维束RBC膜变形成为镰状腹痛和肌肉、骨骼疼痛、病变组织坏死脾脏血液的粘滞度↑、低氧程度↑镰状RBC破坏▲杂合子HbSRBC内HbS40%、RBC寿命正常，但严重低氧时RBC会发生镰状化。二、血红蛋白病（三）Hb表达减少或缺失-地中海贫血（MediteraneanAnemia）2019/12/20第二节单基因病的发病机制珠蛋白基因合成产物的减少，称为α+和β+地中海贫血；珠蛋白产物的完全缺失，称为α0和β0地中海贫血。β地中海贫血发生的分子机制类型机制表型易患群体缺失融合蛋白HbLepore:7K缺失→融合蛋白β0,βLepore意大利珠蛋白基因缺失619bp缺失β0印度RNA合成缺失RNA剪接缺失内含子1剪接受位异常AG→GGβ0非洲启动子突