Transcript 9基因和疾病
基因与疾病 Gene and diseases 第一节 基因结构异常的分子机制突变 一、DNA一级结构变异的分子机制 自发突变（spontaneous mutation）： 在自然条件下，未经人工处理发生的突变 诱发突变（induced mutation）： 为经人工处理而发生的突变 １．自发突变 突变频率很低： 10-9 Base tautomerization（同分异构化） A:T--- A:C--- G: C About 1 in 104 Spontaneous deamination（去氨基） 腺嘌呤同分异构化 自发脱氨基 Three of the four bases have exocyclic amino groups Adenine Guanine Cytosine hypoxanthine xanthine uracil ２．诱发突变的因素及其作用机制 诱变剂（mutagen）：能诱发基因突变的 各种内外环境因素 化学因素：碱基和核苷酸类似物： 5-Fu, 6-MP 烷化剂：CTX 抗生素类：放线菌素D 染色剂：EB 亚硝酸盐：脱氨基 物理因素：电离辐射和紫外线 化学因素 碱基类似物 某些碱基类似物可以取代碱基而插入DNA分子引 起突变 。 5-BU引起的DNA碱基对的改变 5-BU与腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）均可配对。如果5-BU取代T 以后一直保持与A配对，所产生的影响并不大；若与G配对，经 一次复制后，就可以使原来的A-T对变换成G-C对 烷化剂 具有高度诱变活性的烷化剂，可将烷基（CH3-、 C2H5-等）引入多核苷酸链上的任何位置，被其 烷基化的核苷酸将产生错误配对而引起突变。 染色剂 吖啶类和焦宁类等扁平分子构型的芳香族化合物 可以嵌入DNA的核苷酸序列中，导致碱基插入或 丢失的移码突变。 亚硝酸或含亚硝基化合物 可使碱基脱去氨基（-NH2）而产生结构改变， 从而引起碱基错误配对。 图中A被其脱去氨基后可变成次黄嘌呤（H），H不能 再与T配对，而变为与C配对，经DNA复制后，可形成 T-A→C-G的转换 物理因素 紫外线 紫外线的照射可使DNA顺序中相邻的嘧啶类碱基 结合成嘧啶二聚体，最常见的为胸腺嘧啶二聚体 (TT）。在复制或转录进行时，该处碱基配对发 生错误，引起新合成的DNA或RNA链的碱基改变。 电离辐射 射线直接击中DNA链，DNA分子吸收能量后引起 DNA链和染色体的断裂，片段发生重排，引起染 色体结构畸变 。 UV damage 二、突变类型及其遗传学效应 基因突变的一般特性 多向性:同一基因座上的基因可独立发生多次不 同的突变而形成复等位基因 可逆性:突变方向可逆,可以是正突变，也可以是 回复突变 有害性:突变会导致人类许多疾病的发生 稀有性:在自然状态下发生突变的频率很低 随机性: 可重复性: 基因突变的类型 两大类－静态突变和动态突变。 静态突变（static mutation）:在一定条件下生 物各世代中以相对稳定的频率发生的基因突变,可 分为点突变和片段突变 。 动态突变: (dynamic mutation):指在遗传病遗 传中,上下代以及同代不同细胞间遗传物质的加速 定向突变。一些遗传病的发生可能是脱氧三核苷 酸串联重复拷贝数大大增加所致，由于这种变化 随着世代的传递而不断扩大、扩增, 故被认为是 一种动态的突变. 15种人类遗传病 静态突变 ：点突变和片段突变 点突变（point mutation）: DNA链中一个 或一对碱基发生的改变。 两种形式：碱基替换和移码突变。 碱基替换（base substitution）: DNA链中碱基之间互相替换，从而使被替换 部位的三联体密码意义发生改变。 转换（transition）:嘌呤被嘌呤取代，嘧 啶被嘧啶取代 颠换（transvertion）:嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌 呤取代 移码突变（frame-shift mutation） 由于基因组DNA链中插入或缺失1个或几 个碱基对，从而使自插入或缺失的那一 点以下的三联体密码的组合发生改变， 进而使其编码的氨基酸种类和序列发生 变化。 碱基对插入和（或）缺失的数目和方式不同， 对其后的密码组合的改变的影响程度不同。 最小变化是在DNA链上增加或减少一个遗传密 码导致合成的多肽链多或少一个氨基酸，若大 范围改变密码组合则会引起的整条多肽链的氨 基酸种类及序列的变化。 通常是导致一条或几条多肽链丧失活性或根本 不能合成，严重影响细胞或机体的正常生命活 动。 片段突变 片段突变是DNA链中某些小片段的碱基序列 发生改变，包括： 缺失、插入、倒位 突变的遗传学效应 如果碱基替换影响的是密码子 同义突变、无义突变、错义突变和终止密码突 变等遗传学效应 如果影响的是非密码子区域 无明确的遗传学效应 改变调控序列从而影响基因表达的调控 改变外显子-内含子接头处的序列从而影响外 显子的加工拼接 蛋白质肽链的片段缺失 遗传密码的改变 同义突变（same sense mutation） 碱基被替换之后，产生了新的密码子，但新旧密 码子同义，所编码的氨基酸种类保持不变，因此 同义突变并不产生突变效应 。 无义突变（non-sense mutation） 碱基替换使编码氨基酸的密码变成终止密码UAA、 UAG或UGA。 错义突变（missense mutation） 碱基替换使编码某种氨基酸的密码子变成编 码另一种氨基酸的密码子，从而使多肽链的氨 基酸种类和序列发生改变。 终止密码突变（terminator codon mutation） DNA分子中的某一个终止密码突变为编码氨基 酸的密码，从而使多肽链的合成至此仍继续下 去，直至下一个终止密码为止，形成超长的异 常多肽链。 影响非密码子区域的突变 无明确的遗传学效应 调控序列突变：使蛋白质合成的速度或效率发 生改变，进而影响着这些蛋白质的功能，并引 起疾病。 内含子与外显子剪辑位点突变：GU-AG中的任 一碱基发生置换而导致剪辑和加工异常，不能 形成正确的mRNA分子。 第二节 基因结构变异与 异常血红蛋白病 血红蛋白病(hemoglobin syndrome) 异常血红蛋白病 （abnormal hemoglobin syndrome） 地中海贫血（thalassemia) HbF---α2γ2 HbA ---α2β2 血红蛋白结构 一、血红蛋白变异的分子基础 珠蛋白基因突变→肽链 （类α链、类β链）结构异常 大多是氨基酸替代 突变类型 点突变 错义突变：HBS---β链N端6Glu→Val） 无义突变：Hb Mckees Rorks变异型---β 链145UAU→UAA，C端少了2aa’） 终止密码子突变：Hb constant spring---α 链UAA→GAA，3，多31aa’ 移码突变 碱基缺失(Hb Wayne)或插入（Hb Takβ链第147 UAA前插入2个AC） 密码子缺失和插入 组成某个密码子的碱基同时缺失或插入一个或多 个密码子→肽链缺少或增加了部分氨基酸→结构 和功能异常 Hb Leiden—第6位缺glu Hb Grady—α链第119位后多3aa’ 融合突变 Hb Lepore 变异型，基因δ和β发生错误联合和 不等交换→δ链N端和β链的C端部分融合→δβ 链） 异常血红蛋白的主要遗传效应 血红蛋白对氧亲和力改变 血红蛋白稳定性改变 种类：不稳定Hb病 多聚Hb病 血红蛋白M病 伴有RBC增多症的异常Hb病 （１）不稳定血红蛋白病 成因： 与heme接触的氨基酸发生置换：疏水 α螺旋段氨基酸发生替代 α1β1接触面氨基酸发生替代 氨基酸缺失 亲水 结果： Hb降解为单体，血红素游离， 珠蛋白易沉 淀 Heinz body 附着于RBC膜上 水进入Heme口袋 氧化成高铁Hb (2) 多聚Hb---HbS β珠蛋白第6位Val被Glu替代，产生HbS。低氧条 件下，这种特殊的突变影响血红蛋白的溶解度和 结晶。镰状细胞贫血病人从其双亲遗传得到异常 基因，并且缺乏HbA。相对低度缺氧时，这种病 人的HbS聚合成高分子量的丝状物，形成纤维束。 这些异常血红蛋白结晶时红细胞膜变形成为特异 的镰状 镰刀型贫血症(HbS，AR) 。 (3) 血红蛋白Ｍ病（Hb M) 病因：血红素的铁处于高铁状态 (4)伴有RBC增多的异常Hb病 病因：Hb亲和力增高 第三节 基因结构异常与地中海贫血 α珠蛋白生成障碍性贫血 (α-thalassemia) β珠蛋白生成障碍性贫血 (β-thalassemia) 发病率高，无有效治疗 预防：产前诊断 α-thalassemia (常染色体不完全显性) 最常见发病率最高的单基因遗传病 一条16号染色体上缺失一个α基因---α+地贫 缺失两个α基因---0地贫 两种α地贫基因可组成不同的综合症： Hb Bart’s胎儿水肿综合症（α0/α0） 血红蛋白H病（α0/α+） 标准型（轻型）α地中海贫血（α0/αA 或 α+/α+ ） 静止型α地中海贫血（α+/αA ） α地中海贫血的分子机制 缺失型 非缺失型 缺失型 α+ 地贫： 缺失α2基因（左侧缺失，非洲） 缺失α2基因的3’端和α1基因的5’端 （右侧缺失） α0 地贫： 缺失区域包括ζ 、ψζ、 ψα1、α2 及α1基因 非缺失型 包括剪接接头缺失型、高度不稳定 α链变异型、移码突变、无义突变、 mRNA加尾信号突变型、终止密码突 变 β-Thalassemia AR 完全不能合成β 链----β0地贫 能部分合成β 链（约为正常的5% 30%）----β+ 地贫 两种β地贫基因可组成不同的综合症 重型β 地中海贫血（β0 /β0 及 β0/β+ ）：严重溶血性贫血 轻型β 地中海贫血（β0 /βA及 β+ /βA ）：轻度贫血 中间型β 地中海贫血（β+/β+及β+/ δβ+ ）：表型介于重型和轻型之间 β 地中海贫血的分子机制： (单个碱基取代、个别碱基插入或缺失） 无功能mRNA突变型 RNA加工障碍突变型 转录调控区突变型 RNA裂解信号突变型 第四节 基因结构变异与血友病甲 血友病是（hemophilia）一组遗传性出血性疾病，它是由于 血液中某些凝血因子的缺乏而导致的严重凝血功能障碍。 分类： 血友病甲 (凝血因子Ⅷ缺乏症，血友病A)、 血友病乙 (凝血因子Ⅸ缺乏或Christmas病，血友病B) 血友病丙(凝血因子Ⅺ缺乏症)。 甲、乙为性连锁隐性遗传，丙为常染色体不完全隐性遗传。 A和B两型血友病发病率较高，病情较重，缺乏有效的治疗方 法，一般依靠输血和血制品进行替代治疗， 容易感染肝炎病 毒和艾滋病病毒. 血友病甲 血友病甲是由于凝血因子Ⅷ 缺陷所致的X 性连锁遗传缺陷所致的X性连锁遗传性出血 疾病，在男性中发病率为六千之一， 约占 血友病总数的85%， 其临床症状与血友病 乙一样，不能区分. 凝血因子Ⅷ基因的结构 FⅧ定位于 Xq28，与 G-6-PD基因接近。 1984年，美国Genetech.Inc. 克隆了人的Ⅷ因子 基因。基因F Ⅷ总长度达186kb，由26个外显子及 25个内含子组成。F Ⅷ cDNA长9Kb编码2351aa’， 其中包括N端19个疏水氨基酸组成的信号肽。 凝血因子Ⅷ的蛋白结构特征 成熟的凝血因子Ⅷ(简称F Ⅷ)，去除了N端 19个疏水氨基酸组成的信号肽，成为一条 含有2332aa’的多肽链，MW为330KD，可分为 3类，即A区、B区和C区。A区有3个，每个 由330-380aa’; B区只有1个，含有925aa’； C区有2个，每个C区有160aa’，这些区域以 A1-A2-B-A3-C1-C2顺序排列。 血友病A-凝血因子VIII缺乏 Ⅷ因子功能 FⅧ由肝脏合成，生理功能是在内源凝血系统中， 在Ca2+及磷脂的存在下，以辅酶的形式参与FIXa 对FX的激活，在血液中，FⅧ与Von Willebrand factor(VWF) 形成复合物，含量为0.1g/ml， t1/2为10hr。 当Ⅷ因子被激活时，B区被酶切除，两个A区被钙 离子结合在一起而形成有活性的FⅧa，A2区域对 F Ⅷ功能最重要; B区在FⅧ激活时切除，对FⅧ的功能不是必需的。 临床表型： 重 节 型：出生后即发病，“自发性”肌肉、关 出血 中间型：发病年龄较早，出血倾向较明显 轻 型：发病年龄较晚，无自主性出血，关节、 肌肉出血较少 凝血因子Ⅷ的基因突变 许多突变并非从上辈遗传，而是由于出现新的突 变形成。 这些突变是自发的、随机的。约有1/2-1/3的血友 病患者没有家族史。这种类型的突变称之为散发 性突变。 基因缺陷常系2代以内和新发生的突变所致.许多 血友病家族均有其特有的突变类型，但也有些突 变在基因的某些部位反复发生。 国外对白种人已有大规模检测FVIII突变数据库建 立。国内也有相关单位作相关工作，但由于报道 例数零散，不足以全面了解中国人的突变种类。 绝大数轻、中型HA的遗传缺陷明确，但约1/2重型 HA的分子机制不明。 FVIII倒位患者约占重型血友病甲的一半，而其他 患者为多种突变，且不像地贫那样有热点突变， 多数散乱，且地域分布比较广， 发现的突变种类有: 突变431种，其中单碱基置 换261种（61%），缺失突变147种（34%），插入 突变23种（5%）。 突变类型与临床情况相关，倒位和无义突变及缺 失为重型，且缺失型易产生FVIII抑制物。错义突 变导致轻中型血友病甲。 点突变 Gitschier等人调查了92例血友病A病人和80例 正常人的Ⅷ因子基因，在外显子上2个无义点突 变和内含子上1个点突变。 第24,26exon发生无义突变，产生的蛋白质仅比 正常F Ⅷ少26aa’，但无活性。 在第2 intron中由于TaqI位点丢失(亦为 TCGA→TTGA转换)；导致mRNA的剪切异常 在基因F Ⅷ的同一密码子上可发生不同方向的点 突变而产生轻重不同的血友病。第2307位氨基酸 精氨酸的密码子由于C→T转换变成终止密码使翻 译提前终止，结果导致严重的血友病，病人血液 中检测不到有活性的F Ⅷ。而当C→T转换发生在 另一条链的相应位置上时，即出现G→A转换，使 精氨酸变成谷氨酰胺。该血友病患者病情较轻。 倒位突变 Lakich等于1992年证实这近半数重型HA是 由于F Ⅷ基因内含子22倒位这一共同分子 缺陷引起的。内含子22倒位与F Ⅷ相关基 因A(F8A)有关。 其他突变 缺失突变：任何部位均可缺失，长度从2bp 到210kb以上， 插入突变：FVIII外显子14处插入了L1重复 序列。 基因重排：基因重排引起血友病A较少见， 有报道1例因子Ⅷ外显子重排成 1-4, 9-7,14-16……，不能正 常合成FⅧ。 血友病B（ Hemophilia B ，XR） 血友病B由于凝血因子Ⅸ缺乏或其凝血功能降低 所致，凝血因子IX(简称F IX)是一种Mr为56kD 的糖蛋白,主要由肝细胞产生。 FIX最初产物可称之为FIX前体，它由461aa’组 成，按其功能不同可将其分为信号肽(从-46至18共29个残基、前导肽(从-17至-1，共17个残 基)和成熟蛋白(从+1至+415，共415个残基)三 个部分。 凝血因子IX 基因结构 1982年，英国牛津大学的Brownlee克隆 FIX定为Xq26.3-q27.1。这个座位与HPRT、 Hanter综合征、脆性X、色盲、G6PD以及凝 血因子FVIII的基因相邻。 人基因F IX约为33.5kb，由8个外显子和7 个内含子以及侧翼顺序中的调控区,mRNA 2802nt 。 凝血因子IX基因的点突变 血友病B主要是由于编码F IX蛋白的基因结构发生 异常而导致血液中F IX的量、结构和生物学特性 改变的结果。 在目前所研究过的血友病B病例中，几乎都能在F IX基因的结构中找到异常的证据。 突变的类型 在基因F IX内，各种类型的突变均可发生，突变 的位置也分布于整个基因，血友病B的表型在不同 个体之间的差异很大。 缺失: 缺失可以从1个核苷酸到整个基因全部缺失。 可以分为全部缺失、部分缺失和小缺失。 小缺失指在50bp以下的的缺失。 重型血友病B。 插入: 插入突变差异可从1bp到数kb，造成移码突 变等。 错义突变: 在基因F IX中，已发现的氨基酸错义 突变导致氨基酸置换位点已有200处以上 突变热点 CpG顺序:约50％ C→T或A， CpG顺序中的脱氧胞嘧啶在甲基化酶的作用 下，绝大部分被转变为5-甲基化胞嘧啶(80 ％-90％)。由于5-甲基化胞嘧啶很不稳定， 在脱氨酶的作用下，容易转变为T，由于细 胞内不存在对这种突变进行修复的机制， 从而使得这种突变被积累下来，故其频率 比其他非CpG顺序中突变频率要高得多。 FIX基因突变的效应 1.量的变化 指血液中F IX蛋白的浓度改变，但其结构和功能是 正常的。导致FIX减少的原因主要是由于基因F IX的 调控区发生突变所致，如FIX Legden。 2.蛋白复合物形成异常 血液中的F IX是以酶原形式存在的。在活化过程中， 需要与一些辅助因子相结合成为一种复合物后，才 能被活化。如果F IX本身在其结构上有异常，使得 它与某些辅助因子的结合发生异常，而导致其活性 的改变。 3. 活化异常 在F IX的活化过程中，一个关键步骤就是要从分 子中切去一段活性肽。一些突变型使得相关的肽 键不能被切开。 4.催化活性异常 F IX的催化活性与其活性中心，尤其是催化位点 的构象直接有关。当与之有关的氨基酸残基发生 改变时，其构象也随之发生相应的变化，从而导 致催化活性的异常。