Transcript 第十章人类生化遗传病
第十章 第十一章 第十二章 第十三章 人类生化遗传病 表观遗传学 基因操作、定位与克隆 人类基因组计划 2007级、2008级七年制遗传课件 吉林大学白求恩医学院 赵佳 2020年4月28日 第十章 分子病——基因突变 酶蛋白病——基因突变 第一节 人类生化遗传病 Pr质、量异常 酶质、量异常 功能障碍 代谢紊乱 分子病 1949年，Pauling提出 １ • Linus Pauling 1954年荣获诺贝尔化学奖， 1962年荣获了诺贝尔和平奖 功能分类： （1）运输性蛋白病——血红蛋白病 （2）凝血与抗凝血因子缺乏症——血友病 （3）免疫蛋白缺陷病——无丙球蛋白血症 （4）膜转运蛋白病——球形细胞增多症 （5）受体蛋白病——家族性高胆固醇血症 （6）胶原蛋白病——Marfan综合症、 成骨不全 １ 一、血红蛋白病（hemoglobinopathy） 珠蛋白分子结构、合成量的异常 WHO：1.5亿人携带致病基因 28000万个血红蛋白分子/细胞 2 （一）正常血红蛋白分子的结构及发育变化 1、正常血红蛋白的分子结构： 6类Hb—复合蛋白质（1对α-141aa； 1对非α-146aa） 四聚体 珠蛋白肽链： α 类——α、 ζ （原始α；zita ） 非α 类—— β、Gγ（甘136）、 Aγ （丙136）、 单体 （4个） δ（Delta）、 ε（原始β ） 血红素辅基 3 What is Hemoglobin? 血红素（hoem、heme） 血红蛋白 （Hemoglobin） 珠蛋白 （globin） 4 2、血红蛋白的发育变化——协调平衡交替消长 正常血红蛋白的组成和发育变化 发育阶段 血红蛋白类型 分子组成 胚胎 Hb Gower I Hb Gower II HbPortland ζ 2ε2 α2ε2 ζ 2 γ 2 （ζ 2 Gγ 2 ， ζ 2 Aγ 2 ） 胎儿 HbF （8周，16周，出生） α 2 γ 2 （ α 2 Gγ 2 ， α 2 Aγ 2 ） 成人 HbA 97% HbA2 2% HbF （少量） α 2β 2 α 2δ 2 5 （二） 人类珠蛋白基因及其表达 紧密连锁 ； 进化、重复形成； 排列次序与发育表达次序一致 1、α珠蛋白基因簇（αglobin gene cluster） 11p15.5 16p13.33-p13.11 假基因：Ψζ1 ；Ψα2 ；Ψα1 ； θ 4 2、β珠蛋白基因簇（β globin gene cluster） 11p15.5 假基因： Ψβ 7 3、珠蛋白基因的表达（组织特异性、时间特异性） β基因的表达α基因的2倍，平衡 第11号染色体β基因的表达 第 16 号 染 色 体 α 基 因 的 表 达 胚胎期 胎儿期 （卵黄囊） （胎儿肝脾） Hb Gower I ζ 2 ε2 Hb Gower II HbF α2 ε2 α 2γ 2 HbPortland ζ 2γ 2 成人期 （骨髓） HbA α 2β 2 HbA2 α 2δ 2 8 (三) 血红蛋白病的分类 异常血红蛋白病——珠蛋白分子结构异常 地中海贫血——珠蛋白链合成速率降低 1、异常血红蛋白病（异常血红蛋白综合症） 1949年，Pauling 发现 HbS； 1004种（40%致病） 9 （1）异常血红蛋白病的类型 A、镰状细胞贫血：黑人，我国南方也有发现。 原因： HbA（ β链6位GAG 谷aa） HbS（ β链6位GTG 缬aa） 电荷改变，溶解度下降，脱氧下，形成棒状 聚合物，红细胞镰刀状，血黏度增高，血管 栓塞，组织局部缺氧、坏死，痛性危象；变 形性降低，易塞挤破裂，溶血性贫血。 10 HbS HbS纯合子—— 早期死亡，预后不佳 HbA HbS杂合子—— 大部分无临床症状。 细胞镰状；轻慢贫血 AR遗传， 11p15.5 （ β链） 11 HbS 镰型细胞贫血 12 B、血红蛋白M病（ Hb M病）： 高铁血红蛋白血症；AD遗传 Fe原子特定的组aa连接（ α87， 作用（ α58， β92） β63） 密码子碱基置换，组aa被替代 Fe2+ Fe3+ 丧失与氧结合能力 组织供氧不足，紫绀、 继发性红细胞增多。 13 C、不稳定血红蛋白病： 80种以上，不完全显性遗传 Heinz小体——不稳定血红蛋白，自发、氧化剂 作用变性为变性珠蛋白小体。 Hb Bristol不稳定血红蛋白病 （先天性Heinz小体溶血性贫血）：AD HbA（ β链67位缬aa） Hb Bristol （ β链67位天冬aa） 变性形成Heinz小体，黏附膜上，阳离子通 透性增加，变形性降低；导致先天性溶血性贫 血、黄疸、脾大。 14 D、氧亲和力改变的血红蛋白病： 氨基酸替代，与氧亲和力增高、降低 Hb Yakima —— β99天冬aa变为组aa， 与氧亲和力增高，组织氧减少，红细胞增多症。 Hb Kansas —— β102天冬酰胺变为苏aa， 氧亲和力降低，动脉血氧饱和度下降， 患者紫绀。 15 （2）异常血红蛋白病的分子机制：基因突变 ①、置换突变：单个碱基替换，错义突变 镰状细胞贫血——β基因第6位密码子 GAG β链6位谷aa GTG β链6位缬aa 中国人 HbE——β基因第26位密码子 GAG β链26位谷aa AAG β链26位赖aa 16 • 无义突变——提前终止肽链合成 • Hb Mckees-Rock, β链144aa • TAT β链145位酪aa TAA 终止密码 • 终止密码突变——延长的异常珠蛋白链 • Hb Constant Spring病， α链172aa • TAA • α链142位终止密码 CAA 谷氨酰胺 17 ②、移码突变： 1或2个碱基的缺失或插入， 其后碱基依次位移重新编码。 Hb Wagne ——α基因第138位丝aa密码子 TCC(丝氨酸）丢失1个C， 第142位终止密码TAA变为可读密码 AAG（赖氨酸），翻译至147位终止。 α链146aa 18 ③、整码突变： 三联体密码子的缺失或插入， 只是突变区减少或增加相应aa 。 Hb Gum病——β链第91位--第95位5个aa 缺失 Hb Grady ——α链第117-119位 插入苯丙aa -苏aa-脯aa 19 ④. 融合突变 • 融合基因（fusion gene):染色体联会错 配、不等交换导致两种不同基因片段拼 接而成。 • 2种不同的肽链连接成异常的珠蛋白链 。 20 21 • Hb Lepore的β链是δβgene编码，由δ和β链融 合而成，其肽链的N端同δ链，C端同β链，所以 叫做δβ链。 • Hb anti-lepore的β链是βδgene产物，其N端同 β链，C端同δ链，叫βδ链 。 22 2、地中海贫血（thalassemia） 地贫、珠蛋白生成性障碍性贫血 ——合成速率降低， α链非α链数量不平衡 （1）地中海贫血的类型：合成速率降低， 减缺的珠蛋白链 α地贫， β地贫。 23 1） α地中海贫血(α-thalassemia ) • 是由于α链的合成减少或完全缺乏引起的 Hb病。 • 16p13.33-p13.11 • 表现为16号染色体上1个到4个αgene的缺 失或机能障碍。 24 α地中海贫血的类型 名称 基因型 缺失基因 α链的合成 症状 Hb Bart’s（ γ4） 胎儿水肿综合症 α0 / α0 - -/- - 0 Hb H（ β 4）病 α＋ / α0 α-/- - 25% 溶血性贫血 标准型（轻型） αA / α0 α＋ / α＋ αα/- α-/α- 50% 无症状 αA / α＋ αα/α- α地贫 静止型α地贫 正常 αA / αA αα/αα 死胎；死产 新生儿死亡 50% 75% 100% 无症状 正常 25 Hb Bart′s胎儿水肿综合征 • α链合成完全缺乏，不能形成胎儿血红 蛋白即HbF（α2γ2），结果多余的γ链聚合 成γ四聚体（γ4），导致Hb Bart′s。 • Hb Bart′s有很高的氧亲和力，因而释 放给组织的氧比较少，致使组织严重缺氧， 这种胎儿全身严重水肿，肝脾肿大，四肢短 小，腹部因腹水而隆起，引起自发性流产、 死胎或新生儿死亡。 26 27 HbH病 • 是4个αgene中有3个缺失或机能障碍，基 因型为α0/α＋或（--/-α），β链相对过多，形成 β四聚体（β4），导致HbH。 • HbH是一种不稳定的血红蛋白，它含有 较多的羟基，易被氧化，导致β4解体成游离 的β单链。导致一种溶血性贫血。 28 2） • • • • • β地中海贫血 β-thalassemia 是指β链的合成减少或完全缺乏引起的Hb病。 全世界1.5亿人携带 β地贫基因 ① 重型β地中海贫血 是β珠蛋白突变基因纯合体。 β链几乎不能合成，或合成量很少，以至没 有HbA或HbA量很低，γ链的合成相对增加， 使HbF升高可达50%～90%。 29 “过剩”的α链沉淀红细胞膜上，导致严重的 溶血性贫血。 •特殊的地中海贫血面容，包括头大额隆，颅 骨突起，扁鼻梁，眼距宽，眼睑浮肿。 •常需要输血维持生命，通常在20岁前死亡。 •AD遗传；两广、四川；发病率 2.19%-5.1% 30 ② 轻型β地中海贫血 • 是β珠蛋白突变基因与正常基因的杂合子。 • 可合成β珠蛋白链， • 一般无任何临床症状，或有轻度贫血。 31 （2）地中海贫血的分子机制： 缺失型——基因缺失（主要原因） α地贫 减数分裂错配和不等交换 非缺失型—基因突变 不能合成正常的α珠蛋白链 β地贫——β珠蛋白基因点突变 编码序列、5′端转录调控序列、内含子剪接 信号序列、3′端多聚腺苷酸附加信号序列 转录、翻译障碍；产物加工缺陷 32 二、 血友病 （一）血友病A（甲型） 第VIII因子缺乏症； 抗血友病球蛋白 （ antihemophilic globulin ， AHG）缺乏症。 患者：易出血；皮肤、关节、肌肉累及形成 血肿，关节畸形；颅血致死。 XR——Xq28，1/10000（男性发病率）， 家族史，新突变占20%-30%。 33 第VIII因子基因： 巨大，26外显子（9kb）， 25内含子（177kb），2351aa； 点突变 ；插入 ； 小缺失 ；大缺失 34 35 （二）血友病B（乙型） PTC （ 血浆凝血活酶 第IX因子缺乏症 ）缺乏症； 患者：似A型，出血较轻（无出血）。 发病率低。 XR——Xq27.1-q27.2； 第IX因子基因：8外，7内，415aa 36 （三）血友病C（丙型） PTA （plasma thromboplastin antecedent:血浆促 凝血酶原激酶前体）缺乏症； 第XI因子缺乏症 患者：较A、B型血友病轻。发病率较低。 AR——4q35； 长23kb；15个外显子 37 三、胶原蛋白病（collagen disease） 发生方式：1、原胶原基因转录和翻译过程的 缺陷。 2、翻译后各种修饰酶缺陷。 分布与化学组成：含量最丰富，蛋白总量20% - 30%，不溶性纤维形蛋白质，与弹性 蛋白、糖蛋白以及蛋白聚糖共同构成 细胞外基质，组织器官的支架。 38 胶原的结构： 三条长原胶原蛋白分子的多肽链构成三 聚体螺旋结构原胶原分子;原胶原分子组合 成原纤维，原纤维黏合成胶原纤维。原胶原 蛋白分子1000个氨基酸残基，而且每条肽链 都存在规律的三肽重复顺序，即甘氨酸-脯氨 酸-羟脯氨酸结构。三肽重复顺序对胶原纤 维的正常组装和分子的稳定性很重要。 39 原胶原和胶原分子结构图解 胶原的结构图 40 胶原的不同类型 胶原型 分子组成 组织分布 所致疾病 I α1（I）2个 α2（I）1个 皮肤、肌腱 韧带 成骨不全 II α1（II）3个 透明软骨、 玻璃体 软骨 发育不全 III α1（III）3个 结缔组织、 血管壁、胎盘 Ehlers-Danlos 综合征 41 （一）Marfan综合征（Marfan syndrome，MS） 蜘蛛指（趾）综合征（arachnodactyly） 全身性结缔组织病，累及骨骼、心血管系统、 眼，不规则AD，发病率1/60000。 临床特征：晶体脱位；主动脉中层坏死，使主 动脉内膜撕裂，导致主动脉穿破，或发生夹层 主动脉瘤----致死原因。身高体瘦，肢长，两臂 伸长的长度大于身高，手指细长呈蜘蛛指（趾） 样。 42 遗传机制： 原纤蛋白基因（FBN1）突变，15q21.1, 200kb,65个外显子,64个内含子。点突变或缺失。 如：239位密码子， G C 精氨酸 脯氨酸 重型MS 1049位密码子， G C 半胱氨酸 丝氨酸 轻型MS 43 （二）成骨不全（Osteogenesis imperfecta，OI） I型胶原异常引起的遗传异质性疾病。全身 性结缔组织遗传病，累及骨、肌腱、韧带、筋 膜、巩膜及牙的胶原蛋白病。分为I、II、III、 IV型。 1、 I型成骨不全（OI I，蓝色巩膜综合征） 2个α1（I）和1个α2（I）构成I型胶原。患者 α1（I）基因外显子存在缺失、插入，I型胶原 成熟缺陷，其链合成减半。绝大多数AD，活 婴1/30000，17q21.31-q22。 骨质疏松、反复骨折造成多处畸形，蓝色 巩膜，传导性耳聋，牙畸形。重型者体矮。 44 2、 II型成骨不全（OI II） 先天性致死型成骨不全 绝大多数属AD，多数为新发生的突变。 新生儿1/60000， 17q21.31-q22 。 比OI I更严重，在子宫内因骨质疏松、 发脆引起四肢、肋骨骨折，四肢弯曲、缩短 和胸廓狭窄、变形。前额高、钩形鼻、颅间 有颅间缝，多死于宫内或出生后不久死亡。 点突变引起α1（I）链上甘氨酸变化。 45 四、受体蛋白病（receptor protein disease） ——受体蛋白遗传性缺陷 受体蛋白——膜、质、核特殊功能蛋白质 信号分子（配体）——调节功能 激素（多肽类、固醇类）；神经递质； 前列腺素；免疫因子；脂蛋白等 基因突变 质、量改变 致病 46 家族性高胆固醇血症 （familial hypercholesterolemia，FH） 遗传性高脂蛋白血症II型 临床症状：早发性冠心病、黄色瘤、动脉粥样硬化、 角膜环（老人环）早现、心肌梗死。 AD不完全显性；杂合子发病（1/500）； 纯合子患者严重，儿童期冠心病， 5-30岁——心绞痛、心肌梗死、猝死。 47 低密度脂蛋白受体（low density lipoprotein receptor，LDLR） LDLR——19p13.1-p13.2，45kb，18外显子， 突变和缺失 受体缺陷 细胞内生物合成 获得胆固醇 的两种途径 血浆中LDL携带 48 家族性高胆固醇血症发病机理： Goldstein和Brown（20世纪70年代） —— LDL膜受体缺陷，不能与血浆LDL结合， 携带胆固醇的LDL无法进入细胞，不能被溶酶体水解 在细胞中释放游离的胆固醇，无法抑制HMG CoA 还原酶活性，减少胆固醇合成的反馈抑制减弱， 细胞内胆固醇合成增加； 血浆中LDL携带胆固醇增加； 细胞内胆固醇减少；细胞外堆积 黄色瘤、动脉硬化 血管壁沉积 冠心病、心肌梗死 49 低密度脂蛋白受体作用示意图 β- 羟基- β- 甲基戊二酰辅酶A还原酶 （HMG CoA reductase） 50 第二节 酶蛋白病 （enzyme protein disease） 先天性代谢缺陷，遗传性代谢病——代谢紊乱 基因突变 酶蛋白结构异常或缺失 数量增加或减少 • 绝大多数遗传性酶病是由于酶活性降低所致， 只有少数表现为酶的活性增高。 • 遗传方式以常染色体隐性遗传多见，AD和XR 较少。 51 一、酶蛋白病的发病机制 S1 底物 E 1-2 S2 E 2-3 中间产物 S3 中间产物 S6 E 3-P P 终产物 S7 E 2-3缺乏 肾排出、降解 S2 血、尿浓度增加 无毒、无危害——尿黑酸尿症 （氧化酶缺乏） 有毒性、致病——半乳糖血症（中间产物贮留）； E缺乏 糖原贮积症（代谢底物堆积） E缺乏 终产物P缺乏——白化病（黑色素缺乏） E缺乏 旁路代谢产物增多（PKU） 52 二、 酶蛋白病的举例 （一）苯丙酮尿症（phenylketonuria，PKU） ——氨基酸代谢病 苯丙氨酸羟化酶 （phenylalanine hydroxylase，PAH）缺乏， 智力低下。 Folling（1934）——尿含苯丙酮酸，命名。 Jervis（1953）——发现PAH缺乏， 血苯丙氨酸常人17-100倍。 AR，发病率1/16500，杂合子频率1/65 53 苯丙氨酸羟化酶 PAH——12q24.1，90kb，13个外显子， 12个内含子， 突变类型180多种， 20种点突变（中国人）， 如外显子7第111位密码子 CGA（精aa） TGA （终止密码） 54 苯丙氨酸及酪氨酸代谢图解 5-HT 肤、发、眼色浅 神经递质 谷aa 5-羟色胺 脱羧酶 脱羧酶 γ-氨基 丁酸 （鼠臭味 或霉味） 5-羟色胺 （5-HT） （影响 脑功能） 智障、痴呆 55 PKU的饮食疗法 • 出生PKU筛查。原则是尽早停乳（出生后三个 月内），给患儿低苯丙氨酸水解蛋白，禁荤食、 乳类和豆类。饮食控制至少坚持到6岁，甚至 终生维持这种低苯丙氨酸饮食。 治疗时间 早期（3周内）， 神经系统、智力正常。 6月以后，智力低下。 4-5岁，严重智力低下， 减轻癫痫发作和行为异常。 56 （二） 白化病（albinism） ——氨基酸代谢病 • 由遗传决定的黑色素（melanin）形成障碍引 起的疾病。遗传异质性。 • 酪氨酸 酶缺乏 • 白化病I型：酪氨酸 酪氨酸 酶缺乏 黑色素前体 黑色素 酪氨酸 透过酶缺乏 • 白化病II型：酪氨酸 色素细胞 黑色素 57 特征：全身白化，肤—白皙，易灼伤，癌变； 发—淡黄；眼睛—视网膜无色素，虹膜 瞳孔呈淡红色， 羞明，模糊，震颤。 AR，发病率：1/20000-1/10000 ， 酪氨酸酶(tyrosinase,TYR) ： 11q14-q21，50kb，外显子5个， 内含子4个， 点突变20余种。 58 59 （三）半乳糖血症（galactosemia）——糖类代谢病 特征：乳类不耐受——哺乳后呕吐，腹泻；肝硬化， 黄疸，腹水，白内障，智力低下，AR。 经典型（I型）：半乳糖-1-磷酸尿苷转移酶 （galactose transferase, GALT） 缺乏；发病率1/50000； GALT——9P13；点突变。 如：第188位密码子 CAA （谷氨酰胺） CGA （精aa） 60 II型：半乳糖激酶缺乏；肝、脾大； 黄疸有（无）；白内障；血（半乳糖高）； 尿（半乳糖、半乳糖醇）。病症较轻。 基因——17q24。 III型：半乳糖尿苷2-磷酸-4-表异构酶缺乏； 可无症状或类似经典型半乳糖血症。 基因——1p36-p35。 发病率<1/100000（II、III型）。 61 病程：出生时——正常； 进乳几天后——呕吐、拒食、倦怠、 腹泻、失重。（母乳喂养重于牛奶喂养）； 一周后——肝肿大、腹水、黄疸； 1-2月后——白内障； 几个月后——智力低下，死于肝功能 衰竭或感染。 新生儿筛查，限食半乳糖成分。 62 半乳糖代谢途径 血含 量高 半乳糖-1-磷酸 尿苷转移酶 缺乏（患半 乳糖血症I型） 半乳糖激酶 缺乏（患半 乳糖血症II型） 半乳糖 醛糖 还原酶 半乳糖醇 毒性：晶状体渗 透压；白内障。 半乳糖 1-磷酸 63 + 积累致病： 肝-肝硬化 脑-智力低下 肾、肠-aa 吸收障碍 2-磷酸尿苷 葡萄糖 2-磷酸尿苷 半乳糖 + 半乳糖尿苷 2-磷酸-4-表 在中枢神经系 异构酶缺乏 统形成脑苷酯 （患半乳糖 血症III型） 1-磷酸 己糖 葡萄糖 1-磷酸 葡萄糖 6-磷酸 糖原 酵解 低血 糖症 64 （四） 糖原贮积症——糖原代谢病 临床症状：损害——肝脏；肌肉；心脏； 肾脏；神经系统。 缺陷酶、表征——13类型（严重性、预后） 糖原贮积症I型（von Gierke病）——葡萄糖-6-磷酸酶； 严重。 糖原贮积症VI型（Hers病）——肝磷酸化酶；较轻 65 病程：1岁发病，矮小（生长发育差），肝、 肾肿大，低血糖、惊厥，乳酸性酸中毒。 并发症——高脂血症、高乳酸血症、 酮尿症、高尿酸血症。 特点：AR，1/200000， 葡萄糖-6-磷酸酶（GSD1）——17q21， 12.5kb，5个外显子，4个内含子。 66 肝糖原代谢途径（主要步骤） 肝糖原 积聚——肝肿大 空腹低血糖 脂肪——酮血症 葡萄糖 -1-磷酸 葡萄糖 -6-磷酸 葡萄糖-6-磷酸酶 缺乏（患von Gierke病） 己糖激酶 葡萄糖 （供组织 利用） 无氧酵糖解 磷酸戊糖 乳酸（过量，导致酸中毒） 尿酸（高尿酸血症） 脂肪（高脂血症） 67 68