1、第五章 人类疾病的分子遗传学 - 血红蛋白病,本章内容提示,分子病（molecular disease)血红蛋白病（hemoglobinopathy）血红蛋白类型（HbF, HbA2 ,HbA)及发育变化遗传控制：类链 （排列、定位） 类链 （排列、定位）异常血红蛋白病及分子基础地中海贫血： 地贫（基因型，临床症状，分子基础） 地贫（基因型，临床症状，分子基础）,分子病 （Molecular disease） 基因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。1949年Pauling L对镰状细胞贫血病患者的血红蛋白HbS电泳分析，推论其泳动异常是分子结构改变所致，
2、从而提出分子病的概念。,血红蛋白病,第一节 血红蛋白概述第二节 血红蛋白基因第三节 血红蛋白病的类型和分子基础,血红蛋白病（Hemoglobinopathy）： 由于珠蛋白分子结构异常或合成量异常所引起的疾病。是常见的遗传病之一，从分子结构到发病机理研究的均较清楚，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、珠蛋白mRNA，便于克隆其cDNA 4）血红蛋白异常引起的疾病种类很多,第一节 血红蛋白概述 -Hb的组成、结构及类型,正常Hb的组成 是一种结合蛋白： 血红素 珠蛋白 （Heme) (globin)每个Hb单体是由
3、一条珠蛋白肽链 和一个血红素组成的。 个Hb单体 一个球形四聚体,一,血红蛋白链,一级结构：氨基酸排列顺序 类链：（、 ） 141个氨基酸 类链:（、） 146个氨基酸二级结构：肽链盘曲成的空间螺旋 螺旋、 折叠片层,血红蛋白链， 螺旋结构。,三级结构：整条多肽链的三维结构,四级结构：四聚体,血红蛋白的类型,成人Hb ：Hb A 22 9798% Hb A2 22 23 % 胎儿Hb： Hb F 22 （2G2 2A2）胚胎Hb： Hb Gower 22 （ 2G2 2A2 ） (妊娠12周内) Hb Gower 22 Hb Portland 22,三,第二节 血红蛋白基因,排列紧密，有共同起
4、源，含有假基因 7个基因，定位于16p13 5-2 1 - 2- 1 -2 -1-1 - 3 7个基因，定位11p15 5-2 - G- A-1 - - -3-3,珠蛋白基因特点,珠蛋白Gene 簇,珠蛋白Gene簇,珠蛋白基因簇,16p13.33-p13.11,1115.5,珠蛋白基因簇:,二、Hb发育演变与遗传控制, 胚胎早期先合成和Hb Gower（ 2 2 ） 同时或稍后合成和Hb Gower （ 2 2 ） Hb Portland （ 2 2 ） 12周时和逐渐消失， 链迅速增加， 开始合成，HbF为主（ 2 2 ）。 妊娠末期和出生不久， 链迅速降低， 链迅速增加，HbA为主（ 2
5、 2 ）。,Hb发育演变,血 红 蛋 白 类 型,三、珠蛋白基因结构及表达,珠蛋白基因： IVS1由117bp组成，位于31和32密码子之间， IVS2由149(1)或142bp (2)组成，位于99和100密码子之间。珠蛋白基因： IVS1含130bp，位于30和31密码之间， IVS2大约含850bp，位于104和105密码子之间。,基因结构: 非常相似，均为3个外显子，2个内含子(IVS1、 IVS2）,1 31 32 99 100 141,1 30 31 104 105 146,珠蛋白基因结构,珠蛋白基因结构,珠蛋白基因表达,E1 E2 E35 -3 Transcription Pro
6、cessing 5-Cap- -polyAAAAA mRNA Translation,珠蛋白基因表达特点,发育阶段特异性 53顺次表达、关闭合成场所特异性 卵黄囊、胎肝、骨髓表达数量协调性 类、类链维持1：1的比例 总之，珠蛋白基因的表达具有时空特异性、精确的协调性,第三节 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。 由珠蛋白基因突变引起珠蛋白 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,血红蛋白病分类,异常Hb病： 基因突变导致珠蛋白结构改变 例如：镰状细胞贫血地中海贫血： 基因突变导致珠蛋白肽链合成缺乏 或合成量异
7、常 如、地贫,异 常 血 红 蛋 白 病,由于珠蛋白基因突变导致珠蛋白肽链结构异常，如有临床表现者称为异常血红蛋白病。,主要类型： （1）镰状细胞病 （2）不稳定血红蛋白病 （3）血红蛋白M病 （4）氧亲和力改变的血红蛋白病,一、镰 状 细 胞 病, 遗传方式：AR,形成原因：链第6位谷氨酸被缬氨酸取代，形成HbS。在缺氧情况下，HbS聚合形成长棒状聚合物，使细胞镰变,变形能力低引起血粘度增高，导致溶血、贫血、血管梗阻性继发症状。, HbSHbS 镰状细胞病 HbAHbS 镰形细胞性状 HbAHbA 正常人,镰状 细 胞 病,临床症状：血管阻塞的继发症状：一过性剧痛（腹痛、关节痛）,脑血管意外
8、急性大面积组织损伤：心梗，肺、肾脏损伤；慢性溶血性贫血 患者多在成年以前死亡 诊断：血涂片亚硫酸钠“镰变试验”阳性 电泳：有一“”区带,AD（不完全显性）现已发现90余种。分子机制：肽链上与血红素紧密结合的氨基酸发生替代或缺失，损伤了肽链的立体结构，使其与血红素的结合能力减弱，形成不稳定的异常血红蛋白,易氧化在红细胞内聚集沉淀，形成Heinz小体，红细胞变形能力降低，通过微循环时容易被脾窦滞留破坏，从而导致血管内外溶血。代表疾病：Hb Bristol 形成原因：链第67位缬氨酸被天冬氨酸取代 临床症状：先天性溶血性贫血、黄疸、脾肿大,二、不稳定血红蛋白病,三、血 红 蛋 白 病 M 病（遗传性
9、高铁血红蛋白病）, 形成原因： 肽链中与血红素铁原子连接的组氨酸发生替代，导致部分铁原子呈稳定的高铁状态，影响Hb正常带氧功能, 临床表现： 紫绀和继发性红细胞增多, 遗传方式：AD,四、氧亲和力改变的血红蛋白病, 形成原因： 由于珠蛋白基因突变致Hb肽链上氨基酸发生置换，致使Hb分子与氧的亲和力增高或降低，运输氧功能改变。, 临床表现： 红细胞增多症和紫绀,异常血红蛋白病的分子基础 珠蛋白基因突变, 主要类型： （1）单个碱基置换 （2）移码突变 （3）密码子的缺失和插入 （4）融合基因,一）单个碱基的替代（占90%） 1、错义突变是由于单个核苷酸的改变导致由特定三联体密码子编码的氨基酸的改
10、变。例： HbS,2、无义突变 原密码子终止密码肽链合成提前终止 例：Hb Mckees-Rock 145,DNA 144 145 146 147 Hb A AAG UAU UCG UAA Hb McKees-Rock AAG UAA,PROTEIN 144 145 146 147 Hb A Lys Tyr His （终止） Hb McKees-Rock Lys （终止）,3、终止密码突变终止密码编码氨基酸的密码，导致肽链异常延长。例： Hb Constant Spring 142,DNA 139 140 141 142 143Hb A AAA UAC CGU UAA GCUHb Consta
11、nt-Spring AAA UAC CGU CAA GCU,PROTEIN 139 140 141 142 143Hb A Lys TyrArg （终止） Hb Constant-Spring Lys TyrArg Gln Ala-172,二） 移码突变 在正常密码子中插入或缺失一个或几个碱基,导致该位点后面编码的氨基酸种类顺序改变.例： 正常Hb 137-ACC UCC AAA UAC CGU UAA 苏-丝-赖-酪-精- 终Hb Wayne ACC UCA AAU ACC GUU AAG 苏-丝-冬胺-苏-缬- 赖,三）整码突变密码子的三个碱基同时缺失或插入,例： Hb Gun Hill
12、89AGUGAGCUGCACUGUGACAAGCUGCAC GUG 98-丝谷亮组半胱门冬赖亮组缬-,-丝谷亮组缬-(91-95缺失，后面氨基酸顺序不变）,四）融合基因由两种不同的肽链联接而成的异常血红蛋白肽链.产生原因：减数分裂时同源染色错误配对使不同珠蛋白基因之间发生不等交换。下图中的Hb Lepore是由、链连接而成，称；而反Lepore是由、链连接而成，称链,二、地中海贫血 珠蛋白链合成数量不平衡,最初发现在地中海地区居住的人群发病率特别高而得名，实际上世界各地都有发生，非洲和东南亚也比较常见。珠蛋白基因缺失/突变导致某种珠蛋白链合成障碍造成链和链合成数量不平衡，引起的溶血性贫血称为地
13、中海贫血。,地中海贫血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。特点：b 都表现为低色素性贫血,地中海贫血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。,地中海贫血,地 中 海 贫 血,地中海贫血,每条16号染色体上有两个Gene缺失程度不同，链合成部分或完全受到抑制，导致不同类型的地贫。 若一条染色体上缺失一个基因（）为+地贫，链合成减少。若一条染色体上两个基因均缺失（ ）为0地贫，链不能合成。,胎 儿 水 肿,地贫的分子基础,依基因缺陷程度分为：Gene缺失型（缺失1个基因）非Gene缺失型（点突变）：无义突变、移码突变、终止密码突变、剪接突变等结
14、果 1 生成无功能或稳定性降低的mRNA 无义突变 移码突变 终止密码突变 起始密码突变 2 RNA加工突变 3 产生不稳定Hb,地中海贫血,珠蛋白Gene 突变或缺失珠蛋白链合成速率下降溶血性贫血 0 地贫：链完全不能合成 + 地贫：链可部分合成,-地中海贫血临床分类,患儿颅骨及面颊部骨骼增大，头颅变大，额部隆起，颧高，鼻梁塌陷，两眼距离增宽，眼睑浮肿，形成地中海贫血的特殊面容。,X线颅骨照片可见颅骨内外板变薄，板障增宽，在骨皮质间出现垂直短发样骨刺,-地中海贫血的分子基础, 地中海贫血已发现100多种突变类型，包括点突变和 基因缺失。, 绝大多数地中海贫血是由于基因发生点突变所致，突 变涉
15、及基因内及旁侧序列。,（1）编码区突变（2）非编码区突变（3）启动子区突变（4）RNA裂解信号突变（5）加帽位点单个碱基突变,编码区突变 mRNA稳定性降低或形成无功能mRNA,（1）无义突变 密码子17：AC 密码子43：GT 0地贫（2）移码突变 密码子71/72：+A 密码子41/42：TCTT 0地贫（3）起始密码突变 ATGAGG 0地贫, 内含子I GTAT丧失一个剪切信号。 新的切点产生 同义突变激活I和 Exon隐蔽裂解位点 如：GGTAGT 产生新的剪切点,非编码区突变 影响mRNA剪切、加工过程,GTAT,GGTAGT，激活隐蔽剪切位点,启动子区突变 降低mRNA的转录效率
16、,-28位AG 突变破坏了TATA Box。,RNA裂解信号突变 不能准确裂解和加polyA,珠蛋白基因 3侧翼序列中AATAAAAACAAA,加帽位点单个碱基突变 不能准确裂解和加polyA,加帽位点发生AC颠换，影响转录效率。通常是mRNA的第一个核苷酸。,总 结, 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, 基因缺失是引起地中海贫血的主要原因, 基因突变是引起地中海贫血的主要原因,人类疾病的生化和分子遗传学,先天性代谢病,本章内容提示,先天代谢病的类型几种疾病发病分子机制、疾病相关基因定位、疾病的遗传方式 氨基酸代谢病：白化病 PKU 糖代谢病：半乳糖血症 糖原贮积症 嘌呤
17、代谢病：自毁容貌综合征 受体蛋白病：家族性高胆固醇血症,1908年，Garrod A在皇家伦敦医学院发表了题为“先天性代谢缺陷”的著名报告，他公布了四种人类罕见疾病： 尿黑酸尿症 戊糖尿症 胱氨酸尿症 白化病 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,一、“先天代谢缺陷”概念提出,尿黑酸尿症,临床特征：黑尿、大关节、脊柱椎间盘 退行性关节炎褐黄病。 上腭出现兰色或黑色的色素斑， 眼巩膜、肋软骨出现黑色沉淀（内源性尿黑酸自身氧化形成的产物沉淀所致）,临床症状,新生儿和儿童期： 尿黑酸尿是唯一的特点；成人期： 除了尿黑酸尿以外，由于尿黑酸增多，并在结缔组织中沉着，而导致褐黄
18、病（ochronosis），如果累及关节的话则进展为褐黄病性关节炎（ochronotic arthritis）。,推测病因,代谢 转化正常人：苯丙Aa、酪Aa尿黑酸 另一代谢产物 不蓄积尿黑酸患者：苯丙Aa、酪Aa 尿黑酸/另一代谢产物 大量贮积，尿中排出,实验分析,尿黑酸患者 服食尿黑酸尿中定 量排出 高蛋白饮食（含苯丙Aa、 酪Aa）内源性尿黑酸 受试者 正常人 服食尿黑酸不排出 高蛋白饮食（含苯Aa、 酪Aa）无尿黑酸检出,证实病因尿黑酸氧化酶 缺乏,假设50年后被证实：患者的肝脏中检测不到尿黑 酸氧化酶，此酶负责尿黑酸进一步代谢。 苯丙Aa 苯丙Aa羟化酶 酪Aa 酪Aa氨基转移酶 p
19、-羟基苯丙酮酸 p-羟基苯丙酮酸氧化酶 尿黑酸 尿黑酸氧化酶 延胡索酸+乙酰乙酸,尿黑酸症遗传学分析,尿黑酸尿症呈现家族分布：17个尿黑酸尿症家庭中有8个父母是一级表兄妹。一级表兄妹婚配为一种罕见的隐性性状的表现提供了条件是第一种被确认的常染色体隐性遗传病。正常等位基因是未受累个体特异的酶产物所必需的，这是关于基因通过编码的酶施加其影响最初的线索。所以Garrod的工作预言了“一个基因一种酶”的假说。,二、先天代谢缺陷产生机制,1、 酶活性异常的遗传基础1）结构基因突变酶结构改变，稳定性降低，酶动力学改变。2）调节基因突变酶合成速率下降，催化活性降低，3）翻译后修饰加工障碍酶催化中心不完善，活
20、性下降。,代谢异常机理,Gene AB BC C/D transcribtionmRNA translatin EnzymeS(底物 ） A B C D E F 代谢旁路开放,二、先天代谢缺陷代表疾病,氨基酸代谢病： PKU 白化病糖代谢病：半乳糖血症 糖原贮积症嘌呤代谢病：自毁容貌综合征受体蛋白病：家族性高胆固醇血症,苯丙酮尿症,发病环节：酶缺乏导致旁路代谢产物增多遗传方式：AR缺乏的酶：苯丙氨酸羟化酶遗传基因定位： PAH基因 12q24.1 全长90Kb，13个外显子，12个内含子。 目前已发现近200种错义突变,临床症状： 本病经典型以智能发育不全为主要特征 。 旁路代谢产物苯丙酮酸苯
21、乳酸苯乙酸 从汗液尿液排出，毛发、皮肤和尿有特殊气味 黑色素生成减少，患者毛发和皮肤颜色浅 神经递质生成受影响，患儿智力低下。 治疗：低苯丙氨酸饮食 早期治疗以避免神经系统损伤， 减少智力损害 生化手段可作新生儿筛查,苯丙氨酸 酪氨酸 多巴 儿茶酚胺,苯丙酮酸,苯乙酸 苯乳酸,尿黑酸,乙酰乙酸,黑色素,甲状腺素,苯丙氨酸、酪氨酸代谢,白化病Albinism,发病环节：酶缺乏导致代谢终产物缺乏遗传方式：AR缺乏的酶：酪氨酸酶，导致终产物黑色素缺乏遗传基因OCA1定位：11q14-q21,临床症状： 皮肤呈白色，头发呈银白或淡黄色 虹膜及瞳孔呈淡红色，视网膜无色素 视物模糊，眼球震颤，羞明 易患皮
22、肤癌,白化病 Albinism,半乳糖血症（Galactosemia）,#发病环节：酶缺乏导致代谢中间产物堆积和排出 #遗传方式：AR#临床表现： 婴儿哺乳后呕吐、腹泻、 对乳类不耐受，继而出现肝硬化、 白内障、智力低下等症状,半乳糖血症（Galactosemia）,半乳糖 半乳糖-1-磷酸+2-磷酸尿苷葡萄糖 2-磷酸尿苷半乳糖,葡萄糖-1-磷酸,E1,E2,半乳糖醇,葡萄糖-6-磷酸,E1：半乳糖激酶 E2：半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶,半乳糖血症分类,1. 喂乳后几天出现呕吐、拒食、腹泻、失重。2. 一周后，肝脏损害症状：黄疸、肝肿大、腹水。3. 几个月后，智力发育障碍，蛋白尿，氨基酸尿
23、，白内障。,糖原贮积症（ von Gierke病）,缺乏的酶：葡萄糖-6-磷酸酶遗传方式：AR基因定位：17q21,糖原 葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸酶,临床表现： 肝糖原合成过多，引起患儿肝肿大 G-6-Pase缺乏， 葡萄糖供应不足，易发生低血糖，长期可致患儿发育不良，消瘦，身体矮小动用脂肪供能可以出现酮血症。 G-6-P无氧酵解生成大量乳酸，导致酸中毒。,嘌呤代谢病自毁容貌综合征(Lesch-Nyhan syndrome, LNS),缺乏的酶：次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶 (HGPRT)遗传方式：X连锁隐性遗传。基因定位：Xq26-q27。主要的突变类型
24、有：核苷酸取代、插入、缺失和移码突变，可在DNA水平上作产前诊断。,代谢途径,发病机理 HGPRT催化5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)上的磷酸核糖基转移到鸟嘌呤和次黄嘌呤上，使之成为鸟苷酸和次黄苷酸，而它们又可反馈抑制嘌呤前体5-磷酸核糖-1-胺的生成。 此酶如缺乏，则鸟苷酸和次黄苷酸合成减少，嘌呤合成加快，致使尿酸增高，代谢紊乱而致病。,临床表现：1、高尿酸血症和高 尿酸尿症2、痛风性关节炎3、智力迟钝，大 脑瘫痪4、舞蹈样动作， 自残行为,家族性高胆固醇血症（FH）,遗传方式：常染色体（不完全）显性遗传病发病率：1/500临床特点：血清胆固醇增高（300 600 mg/dl，正常人23
25、0），低密度脂蛋白（LDL）胆固醇增高（200mg/dl）。大约50%的患者出现伸肌腱的胆固醇沉积（黄色瘤）发病机理：低密度脂蛋白受体缺陷,1、胆固醇调节,正常人LDL受体与LDL颗粒结合内在化 LDL颗粒中胆固醇降解为游离胆固醇细胞内游离胆固醇的氧化衍生物启动调节过程： 1） HMG-CoA还原酶，胆固醇合成 2）胆固醇酯化和储存增加 3） LDL受体合成减少，对外源胆固醇摄取减少,患者：LDL受体合成减少引起细胞对外源性胆固醇的摄取减少,2、LDL受体,基因定位：19chr上，长约45kb，18个外显子， mRNA 5.3kb对基因的分析表明：配体结合区，由5个Exon编码（26个外显子）
26、EGF前体同源区，由8个Exon编码。糖基化部分，由1个Exon编码。跨膜区，由第16个Exon和17Exon的部分编码。胞浆内的尾部，由Exon17剩于的部分和E18的一部 分编码。 LDL受体在内质网合成，再经过高尔基复合体时糖基化，分子量为160kDa，是插入C膜的整合膜蛋白。,LDL受体结构,3、LDL受体的突变,在家族性高胆固醇血症中，鉴定了150 种不同的突变，并发现有多种突变和高度的等位基因异质性。多数突变为受体基因不同等位基因杂合子-既复合杂合子。,LDL受体基因突变可分为5个功能类型：,1、突变发生在启动子区，不产生mRNA和蛋白；2、突变阻断新生的LDL受体蛋白从ER转运到
27、GO；3、突变编码的受体可以到达C的表面，但不能与正常地结合配体；4、突变编码的受体可以到达C的表面，也能与正常地结合LDL，但不能集中在网络蛋白包被小窝。5、再循环缺陷型突变，突变编码的受体可以结合并内在化LDL。但不能释放内含体中的受体，和回到C的表面。 基于上述的研究，从DNA水平对FH进行筛查和产前诊断已成为可能。,葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G-6-PD）缺乏症,朝鲜战争期间，美国士兵使用伯氨基喹啉来预防疟疾，约10%的黑人士兵发生溶血，少数白人士兵（地中海血统）也发生严重的溶血性贫血。后来发现这种药物诱发贫血的基础是G6PD的遗传性缺陷。从此建立了药物遗传学这里，我们主要探讨 G6PD
28、的遗传性缺陷,G6PD 基因：定位于X染色体，全长19kb， 含13个外显子，编码514个氨基酸的蛋白。,药物+Hb,H2O2,GSSG +NADPH,GSH +NADP,G6PD,GSH px,GR,6-磷酸葡萄糖酸,6-磷酸葡萄糖,突变类型,外显子 突变位置 突变类型 Aa位置 Aa替代 5 376 AG 126 天冬酰氨 天冬氨酸 4 202 GA 68 缬氨酸 蛋氨酸 6 563 CT 188 丝氨酸 苯丙氨酸突变导致电泳迁移率改变（E5）和酶活性降低（E4和E6）。,G6PD的突变型是因为在淀粉凝胶中的电泳迁移率不同而被发现。突变型的G6PD活性下降。G6PD-B：野生型，G6PD-A：突变型，G6PD-A-：二次突变。酶活性 G6PD-BG6PD-AG6PD-A-。后者酶活性是前二者的15%。电泳迁移率： G6PD-AG6PD-A- G6PD-B。,DNA水平：报道了60多种独立突变， 范围:包括几乎整个编码区 性质：错义突变，多为编码链或非编码链中CpG二核苷 酸发生CT转换突变。蛋白水平：已报道400多种等位突变型， 其中许多是多态。G6PD缺乏症很常见，几乎分布世界各地。,本节要求掌握：,几种常见代谢病氨基酸代谢病：白化病 PKU 糖代谢病：半乳糖血症 糖原贮积症嘌呤代谢病：自毁容貌综合征受体蛋白病：家族性高胆固醇血症什么病、缺什么酶、何种遗传方式？,
