人类疾病的分子遗传学

1第八章生化遗传病第一节血红蛋白病第二节血友病第三节酶蛋白病第四节受体蛋白病第五节膜转运蛋白病21902年,Garrod对尿黑酸尿症的开拓性的研究开辟了生化遗传学这一领域，并提出了先天代谢缺陷（inbornerrorsmetabolism）这一概念。1941年,Beadle和Tatum提出一个基因一个酶的概念,明确了机体的所有生化过程都是在遗传控制下进行的,每个生化反应受控于一个特定的基因,一个基因突变只改变细胞的某一步生化反应的能力,从而确立了生化遗传学这一领域.1949年,Pauling等通过对镰状细胞贫血的研究,提出分子病(moleculardisease)的概念.3人们在研究分子病的实践中发现,血红蛋白病是常见的遗传病之一，从其分子结构到发病机理研究的较为清楚，是研究人类分子病的最好模型。原因：1）红细胞取材方便，来源丰富。2）血红蛋白浓度高，不需纯化。3）网织红细胞含有α-、β-珠蛋白mRNA，便于克隆α、β珠蛋白cDNA。4）血红蛋白异常引起的疾病种类多，因此对其研究透彻。4分子病Moleculardisease：Gene突变导致蛋白质分子质和量异常，从而引起机体功能障碍的一类疾病，称为分子病。血红蛋白病Hemoglobinopathy：是指由于珠蛋白分子结构或合成量异常所引起的疾病。5第一节、血红蛋白病6一、血红蛋白概述正常Hb的组成、结构及类型结合蛋白：血红素＋珠蛋白（Heme)(globin)一条肽链＋一分子血红素→Hb单体４个Hb单体→球形四聚体7Hb一、二级结构氨基酸按照一定顺序形成多肽链类α链：（α、γ）141个氨基酸8Hb一、二级结构氨基酸按照一定顺序形成多肽链、α螺旋类β链：（β、δ、γ、ε）146个氨基酸9Hb：三、四级结构肽链+血红素→Hb单体→四聚体10二、血红蛋白基因1、珠蛋白基因定位类α珠蛋白Gene定位——16p13。类β珠蛋白Gene定位——11p15。2、珠蛋白基因排列有共同起源，排列紧密，含有假基因。α珠蛋白Gene5个基因5`-ζ-ψζ-ψα1-α2-α1-3`β珠蛋白Gene簇6个基因5`-ε-γG-γA-ψβ1-δ-β-3`11类珠蛋白基因簇:16p1321ψ21基因有两个:2、1每个正常个体：212112/12类珠蛋白基因簇:11p15GAψ112三、Hb的发育演变与遗传控制Hb发育演变与遗传控制的特点⑴胚胎早期先合成和→HbGowerⅠ同时或稍后合成和→GowerⅡ、Portland⑵12周时和逐渐消失，链迅速增加，开始合成，HbF为主。⑶妊娠末期和出生不久，链迅速降低，链迅速增加，HbA为主。1314珠蛋白基因在不同发育阶段表达珠蛋白基因排列与表达顺序相关。11chr胚胎胎儿成人16chr5`---ε--------Gγ----Aγ------δ-------β---3`5`HbGower1HbPortland胚胎ζζ2ε2ζ2Gγ2ζ2Aγ2胎儿α2HbGower1IHbFHbA2HbAα2ε2α2Gγ2α2δ2α2β2α2Aγ2成人α13`152121GA1胚胎Hb胎儿Hb成人HbHb类型珠蛋白链GowerⅠHb22基因2222222222GowerⅡPortlandＦＡ２Ａ转录翻译16Hb类型：成人Hb：HbA2297～98%HbA2222～3%HbF22＜1%胎儿Hb：HbF22胚胎Hb：HbGowerⅠ22(妊娠12周内）HbGowerⅡ22HbPortland2217四、α、β珠蛋白基因结构及表达1、基因结构3个外显子，2个内含子，结构相似，功能相关。1313299100αgeneE1INVE2INVE313031104105βgene182、基因表达E1E2E35`——------3`TranscriptionProcessing5`-Cap------polyAAAAAmRNATranslation19五、Hb病的类型和分子基础人类珠蛋白基因的组织特异性强，仅在RBC及前体中才有大量表达。这些Gene突变引起质量畸变（异常Hb病）和数量畸变（地中海贫血），所致的疾病统称血红蛋白病（Hemoglobinopathies）Hb病的分类：•异常Hb病：基因突变导致珠蛋白结构改变---HbS•地中海贫血：基因突变导致珠蛋白肽链合成缺乏或合成量异常-α、β地贫20一）基因突变致珠蛋白异常----质变异常血红蛋白病的分子基础特定的基因座突变→蛋白结构、分子功能特性改变→提供了认识遗传病分子基础的途径。1949，Pauling-------分子病的概念。随后’Ingram--------证实氨基酸替换。21（一）单个碱基的替代（90%）1、错义突变：是由于单个核苷酸的改变导致由特定3碱基密码子编码的氨基酸的改变。例：HbS（镰形细胞贫血症）谷氨酸缬氨酸6GAA→GUA22缬氨酸替代谷氨酸---缺氧---异常Hb聚合--红细胞镰变---C膜脆性增加--微循环阻塞---RBC裂解---贫血临床症状：骨严重受损；内脏器官损伤：心脏、肺脏、肾脏损伤；脑血管意外；严重的慢性溶血性贫血等患者多在成年期死亡诊断：①血涂片“镰变试验”阳性②电泳：有一“Ｓ”区带SＡ23正常RBC镰状RBC2425SicklecellanemiaDiagnosis:hemoglobinelectrophoresisHbAHbsHbC/A226272、无义突变：原密码子→终止密码例：HbMckees-Rock145AAGUAUCACUAA赖----酪----组----终止AAGUAACACUAA赖---终止28例：HbConstantSpring142CGUUAA→CGUCAAGCU--UAA173精----终止精---谷胺---丙-------谷3、终止密码突变：终止密码→编码氨基酸密码，肽连延长。29（二）移码突变：增加或减少一或几个碱基对例：HbWayne137-ACCUCCAAAUACCGUUAA苏---丝----赖----酪-----精---终--ACCUCAAAUACCGUUAAG苏---丝---冬胺---苏----缬----赖---30（三）整码突变：增加或减少一或多个密码子：例HbGumHiu89AGUGAGCUGCACUGUGACAAGCUGCACGUG-----丝—谷—亮—组—半胱—门冬—赖—亮—组—缬---919598AGUGAGCUGCACGUG8990969798----丝—谷—亮—组—缬----31（四）融合基因：由两个不同的基因联接而成32二）地中海贫血——珠蛋白链不平衡----数量畸变地中海贫血最初发现在地中海地区居住的人们发病率特别高，此后地中海一词就延续下来，实际上在世界各地都有发生。珠蛋白基因缺失/突变导致某种珠蛋白链合成速率降低，造成α链和非α链合成不均衡，引起溶血性贫血，称为地中海贫血。33β链合成减少/缺如——β地中海贫血简称β地贫。β链合成减少/缺如→α链合成→过剩→α四聚体特点：ＨbＡ↓都表现为低色素性贫血α链合成减少/缺如——α地中海贫血，简称α地贫。α链合成减少/缺如→β链合成→过剩→β四聚体地中海贫血34（一）、α地中海贫血1α地中海贫血的特点大多数地贫是由于αGene不同程度缺失或功能障碍，导致不同类型的地贫。每条染色体上有两个αGene——16p13α2α1α2α1缺失一个α基因——为α+地贫，α链合成减少。缺失两个α基因——为α0地贫，α链不能合成。35地中海贫血（地贫）正常人：2１／2１2121地贫的类型：纯合子杂合子(o地贫)(＋地贫)–／––／––／––––／36α地贫的临床类型见于Gene缺失程度不同，临床症状表现不同，地贫分为四类：Gene缺失Gene型类型产物临床症状4--/--α0地贫无α链，γ4HbBarts胎儿水肿纯合子（严重缺氧、贫血、心衰）3--/-αα0α+α链↓，β4HbH溶血性贫血杂合子2--/ααα0αAα链↓，代偿轻型，轻或无症状杂合子合成-α/-αα+纯合子1-α/ααα+αA代偿合成α链静止型无症状杂合子3738392、α地贫的分子基础依αGene改变：Gene缺失型（缺失1～４Gene），不等交换。非缺失型：突变、无义突变、移码突变、终止密码突变。40（二）、β地中海贫血β珠蛋白Gene突变或缺失降或缺如→β珠蛋白链合成速率下降→溶血性贫血β0地贫：β链完全不能合成β地中海贫血β+地贫：β链部分合成41临床类型Gene型Gene产物症状重型β地贫β+/β+β0/β0纯合子β0/β+杂合子β链无or↓HbA无or↓γ链合成↑，HbF，HbA2↑溶血性贫血（依赖输血）地贫面容（颜面颅骨变形）肝脾显著增大轻型β+/βAβ0/βA杂合子β链部分合成HbF↑HbA2↑轻度溶血性贫血中间型β+/β+变异纯合子合成较多的β链症状介于重和轻之间（不需输血）1、临床类型主要有四种类型胎儿RBC持续增多症缺失/突变δ、β和γ链合成增加成人HbF增加，无症状4243442、β地中海贫分子基础Gene→突变→转录→翻译，障碍，转录产物加工缺陷。迄今已发现的100余种突变类型，多数为点突变，少数为缺失。突变通常发生在下列区域：451/编码区突变使生成的mRNA稳定性降低，形成无功能的mRNA，从而不能合成β链。如：⑴无义突变：密码子17（A→C），43（G→T），β0地贫⑵移码突变：41/42（-TCTT），71/72（+A），β0地贫⑶起始密码突变：ATG→AGG，β0地贫462/非编码区突变：影响mRNA剪切、加工过程，形成异常的mRNA，如：⑴内含子IGT→AT丧失一个剪切信号。⑵新的切点产生同义突变→激活→I和Exon隐蔽裂解位点如：GGT→AGT产生新的剪切点473/启动子区突变降低mRNA的转录效率→β+地贫。突变破坏了TATABox。例：-28位A→G4/RNA裂解信号β珠蛋白Gene3侧翼序列中保守序列AATAAA→AACAAA，不能准确裂解和加polyA。5/加帽位点单个突变干扰加帽过程，影响转录效率。通常是mRNA的第一个核苷酸。48综上所述：①异常血红蛋白病和地中海贫血有共同的分子基础（突变、缺失）；Gene缺失是引起α地贫的主要原因突变是引起β地贫的主要因素。