疾病与人类健康课件PPT课件.ppt

1 第九章疾病与人类健康 9 1肿瘤与癌症9 2人免疫缺损病毒 HIV9 3乙型肝炎病毒 HBV9 4人禽流感的分子机制9 5严重急性呼吸综合征的分子机制9 6基因治疗 2 疾病的发生其实都直接或间接与基因有关 人类疾病都是 基因病 可将人类疾病分为三大类 经典单基因病主要病因是某个基因位点上产生了缺陷等位基因 多基因病病的发生涉及多个基因及调控这些基因表达的环境因子之间的相互作用 获得性基因病由病原微生物感染引起的传染病 病原基因组与人类基因组相互作用的结果 都涉及基因结构与表达模式的改变 3 9 1肿瘤与癌症 癌 cancer 是一群不受生长调控而繁殖的细胞 也称恶性肿瘤 癌是由肿瘤细胞经过一系列突变转化而来的 20世纪50年代以来 肿瘤医学的研究成就 癌基因的发现及其研究的深入 染色体畸变与致癌基因表达相互关系的揭示 抑癌基因的发现及表达调控 细胞癌变的分子基础是基因突变 DNA的变化和不正常活动导致了细胞癌变 4 图 9 1 肿瘤组织示意图 5 癌基因 oncogene 可分为两大类 一类是病毒癌基因 viraloncogene v onc 编码病毒癌基因的主要有DNA病毒和RNA病毒 第二类是细胞转化基因可能就是存在于人体正常细胞中的原癌基因的突变产物 广泛存在于生物界 有相当高的保守性 属于 看家基因 正常表达时对细胞的生长和分化有调控的作用 6 9 1 1反转录病毒致癌基因1910年 Rous就发现带有肉瘤病毒 一种反转录病毒 的鸡肉瘤无细胞滤液能在鸡体内诱发新的肉瘤 这种病毒的基因组是由单链RNA组成的 一般只有6 9kb 7 8 图 9 3 反转录基因结构示意图 9 整合的反转录病毒DNA分子称为原病毒 provirus 它能指导病毒mRNA的合成 并利用宿主细胞中的蛋白质合成机器 翻译生成病毒外壳蛋白等 最后组装成病毒颗粒 已经在各种反转录病毒中发现了许多致癌基因 它们感染后诱导宿主产生肿瘤的主要原因是激活特定基因表达 破坏宿主细胞本身固有的平衡 导致细胞发生转化 10 1急性转化型和非急性转化型根据反转录病毒转化细胞的能力 将其分为两大类 一类为急性转化型 另一类则称为非急性转化型 11 v onc基因的起源反转录病毒基因组中所带有的onc基因并非来自病毒本身而是这些病毒在感染动物或人体之后获得的细胞原癌基因 各种脊椎动物染色体DNA上都有与src相类似的DNA序列 说明它是正常细胞所固有的 是调控细胞生长和增殖的正常细胞基因 原癌基因是细胞内与细胞增殖相关的基因 是维持机体正常生命活动所必须的 在进化上高等保守 当原癌基因的结构或调控区发生变异 基因产物增多或活性增强时 使细胞过度增殖 从而形成肿瘤 12 图 8 5 劳斯氏肉瘤病毒基因结构及c src原癌基因的转变 13 14 15 目前已鉴定超过100个癌基因 最常见的是ras与myc基因家族 C myc的表达可能使细胞获得了通过生长控制点的潜能 c ras加强了这种作用的潜能 两者表达的协同作用是细胞分裂的必要步骤 16 9 1 2原癌基因 细胞转化基因 产物及分类病毒感染会诱发细胞癌变外 非病毒因子 如放射性物质化学试剂亚硝酸 烷化剂等 也能诱导细胞转化 通过某种激活机制改变了细胞内原有的遗传信息 使细胞发生恶性转化 充分说明内源基因在细胞转化中的地位 引起细胞恶性转化的因子仍然是DNA 化学诱变后的细胞中同样存在着决定细胞命运的致癌基因 17 18 根据原癌基因产物在细胞中的位置 可将其分为3类 第一类 与膜结合的蛋白 主要有erbB neu fms mas src基因产物 第二类 可溶性蛋白 包括mas sis fps基因产物 第三类 核蛋白 包括myc ets jun 和myb等基因产物 19 根据蛋白功能 常被分为6类 即蛋白激酶类 生长因子类 生长因子受体类 GTP结合蛋白类 核蛋白类和功能未知类 原癌基因产物的一个共同特征是它们都能诱发一系列与细胞生长分化有关的基因表达 从而改变细胞的表型 20 9 1 3原癌基因的表达调控原癌基因在正常细胞中通常以单拷贝形式存在 只有低水平的表达或根本不表达 很多情况下 原癌基因的结构发生了点突变或插入 重排 缺失及扩增等 改变其转录活性 21 22 点突变虽然原癌基因活化导致癌变的原因多种多样 但点突变可能是最常见的机制 ras基因编码一个相对分子量为2 1 104癌蛋白 P21 某些部位发生单个氨基酸替代足以引起蛋白质构想的改变 并使细胞获得转化活性 23 24 LTR插入LTR是逆转录病毒基因组两端的长末端重复序列 longtermialrepeat 结构中含有强的启动子序列 当LTR插入原癌基因启动子区域或邻近部位后 可从根本上改变基因的正常调控规律 25 26 基因重排大多数类型的人肿瘤中存在染色体数目和结构异常现象 说明存在原癌基因重排的可能 淋巴瘤的Ig基因与c myc基因重排 Ig基因的5 端启动子发挥作用 使原来不表达的c myc大量表达非受体型酪氨酸蛋白激酶abl的移位重排 与bcr基因融合 表达量大为提高 导致细胞分裂失控 发生癌变 27 28 缺失原癌基因5 端上游区存在负调控序列 一旦该序列发生缺失或丧失抑制基因表达 基因扩增 使每个细胞中基因拷贝数增加 从而直接增加可用的转录模板数以增加基因表达 29 9 1 4基因互作与癌基因表达染色体构象对原癌基因表达的影响基因表达不仅取决于基因本身及其相邻区域的一级结构 也取决于其空间构象 即基因在染色体上的空间排列和染色质的结构 30 基因领域 geneterritory 当两个基因相距太近时 往往不易形成有利于高效转录的空间结构 因此 基因与基因间的间隔距离被定义为基因领域 基因领域效应 C myc基因受基因领域效应的影响 表达受抑制 31 原癌基因终产物对基因表达的影响某种原癌基因产物对另一种原癌基因表达的调控作用 包括某种原癌基因产物对自身表达的反馈调控作用两大类 32 癌基因产物通过介质传递生长刺激信号的部位有3处 癌基因产物本身模拟了生长因子 因而与相应的受体作用 以自分泌的方式刺激细胞生长 癌基因产物模拟了已结合配体的生长因子受体 从而在无外源生长因子时提供了促进细胞分裂的信号 癌基因产物作用于细胞内生长控制途径 解除了此途径对外源刺激信号的需求 33 抑癌基因产物对原癌基因的调控因为抑癌基因产物能抑制细胞的恶性增殖 所以它也是被认为是一种隐性癌基因 P53 Rb 34 外源信号对原癌基因表达的影响细胞外信号作用于靶细胞后 通过细胞膜受体系统或其它直接途径被传递至细胞内 再通过多种蛋白激酶的活化 对转录因子进行修饰 然引发一系列基因的转录激活 35 36 9 2人免疫缺损病毒 HIV 人免疫缺损病毒 HIV 俗称艾滋病 AIDS 病毒 诱发人类获得性免疫缺损综合征 该病毒在分类上属反转录病毒科 Retroviridae 慢病毒属中的灵长类免疫缺损病毒亚属 1983年 法国巴斯德研究所的Montaginer和美国国家卫生研究所癌症研究所Gallo等人首次证实HIV是艾兹病的原因 37 表 9 4 反转录病毒科主要成员 38 9 2 1HIV病毒粒子的形态结构和传染艾兹病病毒粒子是一种直径约为100nm的球状病毒 粒子外包被着由两层脂质组成的脂膜 这种结合有许多糖蛋白分子 主要是gp40和gp120 的膜脂源于宿主细胞的外膜 蛋白质p24和p18组成其核心 内有基因组RNA链 链上附着有反转录酶 其功能是催化病毒RNA的反转录 39 图 9 12 HIV 病毒粒子结构模型图 40 HIV依靠血液 血液制品以及人体分泌液 如乳汁和精液等进行传播 它主要感染T4淋巴细胞及其他类型如B淋巴细胞和单形核细胞等 HIV感染后可引起明显病变 形成多核巨细胞 并导致细胞死亡 HIV病毒可以通过所感染细胞扩散到全身 已在淋巴细胞 脑 胸腺 脾等组织发现了该病毒 不同毒株在试管内感染细胞的能力差异很大 说明自然界广泛存在着突变株 41 9 2 2HIV基因组及其编码的蛋白9 2 2 1HIV基因组结构HIV基因组由两条单链正链RNA组成 每个RNA基因组约为9 7kb 在RNA5 端有一帽子结构 m7G5 GmpNp 3 端有poly A 尾巴 HIV的主要基因结构和组织形式与其他反转录病毒相同 均由5 末端LTR 结构蛋白编码区 gag 蛋白酶编码区 pro 具有多种酶活性的蛋白编码区 pol 外膜蛋白 env 和 3 末端LTR组成 42 43 9 2 3HIV的复制HIV主要侵染人体的T淋巴细胞及巨噬细胞 并通过病毒膜蛋白gp120与细胞表面的CD4受体蛋白结合 CD4分子含有两个免疫球蛋白结构域 它在人体内所结合的正常配体是II型MHC抗原 HIV与受体结合后 病毒核心蛋白和两条RNA链进入细胞 反转录酶以病毒RNA为模板合成单链DNA 并由宿主细胞DNA聚合酶合成双链DNA 原病毒 经环化后进入细胞核并整合到染色体上 病毒核酸随细胞的分裂而传至子代细胞 可长期潜伏 44 过程如下 原病毒整合到宿主染色体上 无症状 原病毒利用宿主细胞的转录合成系统转录产生病毒mRNA 其中一部分编码病毒蛋白 基因组RNA组装成新的病毒颗粒 从寄主细胞中释放出来侵染其他健康细胞 寄主细胞瓦解死亡 45 46 在复制和表达量非常高的情况下可立即杀死细胞 低水平复制和表达时仅造成细胞功能失常 而不复制 不表达时病毒基因组以DNA形式与染色体整合 与宿主长期共存 这就是艾兹病在临床上的潜伏期长短不一 病程快慢不一的主要原因 HIV前病毒整合是随机的 并不要求特定的DNA序列 因而可以整合到染色体上的任何部位 47 9 2 4HIV 基因的表达调控与大多数反转录病毒相比 HIV的最大特点就是含有许多调控基因 这些基因编码相应的调控蛋白 它们在病毒RNA的转录 转录后加工 蛋白质翻译包装以及病毒颗粒的释放等各个过程中发挥重要作用 48 1LTR序列 包括调控单位 核心转录单位和反式激活因子应答元件 49 2参与HIV复制的调控蛋白Tat蛋白 转录激活因子 与TAR结合Rev蛋白 重要的反式激活因子 调控RNA的剪切和运输 与RRE结合增加env的翻译 Nef蛋白 负调控因子和磷酸化蛋白 Vpr Vpu Vif蛋白 50 51 9 2 5HIV的感染HIV初次感染人体后 立即大量复制和扩散 感染者血清中出现HIV抗原 从外周血细胞 脑脊液和骨髓细胞中均能分离出HIV 这是HIV原发感染的急性期 大约70 以上的原发感染后2 4周内出现急性感染症状 包括发热 咽炎 淋巴肿大 关节疼 中枢及外周神经系统病变 皮肤斑丘疹 黏膜溃疡等 持续1 2周后进入HIV感染的无症状潜伏期 52 9 2 6艾滋病的治疗及预防 除抗爱滋病药物的研制外 多种用于预防爱滋病的疫苗包括传统的减毒疫苗 灭活疫苗 重组病毒载体活疫苗 基因工程亚单位疫苗及合成寡肽疫苗等已经上市 53 54 9 3乙型肝炎病毒 HBV 病毒性肝炎是严重威胁人类健康的世界性传染 引起肝炎的病毒通称肝炎病毒 hepatitisvirus 已经知道有甲肝病毒 HAV 乙型肝炎病毒 HBV 丙肝病毒 HCV 丁肝病毒 HEV DENG5种病毒 55 9 3 1肝炎病毒的分类地位及病毒粒子结构1986年 国际病毒委员正式将乙肝病毒定为噬肝DNA病毒科成员 1990年又将该科病毒分为正噬肝病毒属和禽噬肝病毒属 乙肝病毒是正噬肝属的成员 HBV完整粒子的直径为42nm 称为Dane颗粒 由外膜和核衣壳组成 有很强的感染性 56 57 9 3 2乙型肝炎基因组及其所编码的主要蛋白9 3 2 1基因组结构乙肝病毒的基因组是一个有部分单链区的环状双链DNA分子 两条单链长度不一样 短链是长链的50 80 左右 短链3 末端随不同来源毒株而有不同的缺失 所以位置可变 产生了部分环状结构 基因组依靠正链5 端约240bp的粘性末端与负链缺口部位的互补维持了环状结构 58 图 8 18 HBV基因组结构 ayw株 59 不同亚型中核苷酸水平的变异约为10 左右 同亚型中的变异约为2 左右 最高可达11 5 HBV基因组的多态性是该病毒高变异率的分子基础 其生物学意义是近年来HBV研究中的热点之一 60 8 3 3HBV的复制乙肝病毒基因组虽为双链DNA 但其复制并不通过半保留复制方式 而是通过反转录途径 病毒感染宿主后 首先脱掉外壳进入细胞质 基因组DNA进入细胞核 经DNA聚合酶修复正链缺失部分 形成共价闭环状双链DNA作为转录模板 此后 该环状DNA在感染细胞核中大量扩增 成为HBV基因组复制时的独特现象 61 其次 HBV基因组在宿主RNA聚合酶作用下开始转录 产生各种mRNA第三步 前基因组中的部分RNA被包装到核心颗粒中并进行反转录 62 63 64 第四步 在DNA聚合酶作用下合成正链 合成自DR1处开始 再经过跳跃转位至DR2 这一过程称为 引物易位 65 9 4人禽流感的分子机制 人禽流感是人类感染AIV后引起的以呼吸道症状为主的临床综合征 禽流感病毒粒子呈球形 基因组为多个负链RNA片段组成 66 67 流感病毒启动转录时 病毒内切核酸酶将宿主细胞mRNA5 端帽子结构切下作为病毒RNA聚合酶的引物 转录产生6个单顺反子的mRNA 并翻译成3种聚合酶 68 69 禽流感病毒感染人类的机制 病毒基因组分为多个片段 极易发生基因的交换 重组并发生变异HA受体结合位点的突变导致禽流感病毒易于感染人了细胞PB2蛋白 复制酶 第627位氨基酸的点突变 谷氨酸变为赖氨酸 导致人禽流感病毒复制能力增强NS1 非结构蛋白 第92位氨基酸的突变导致人禽流感病毒致病力增强 70 9 5SARS的分子机制 71 冠状病毒是最大的RNA病毒 基因组为单链正链RNA 全长27 30kb 其5 端有甲基化帽状结构 3 端有不少于50个的polyA 与真核生物mRNA非常相似 72 73 生活周期包括病毒侵染 复制和组装及分泌几个阶段 病毒遗传物质以内吞方式进入靶细胞 基因组被释放到细胞质基质中 转录和复制在细胞质基质中进行 翻译出以RNA为模板的RNA聚合酶以基因组RNA为模板合成负链RNA以负链转录生成新的病毒基因组 同时产生不同的mRNA 大部分为多顺反子 74 75 9 6基因治疗 人类疾病的发生 是人体细胞中自身基因的改变或由外源病原体的基因产物与人体基因相互作用的结果 因此 长期以来 科学家设想人类能否最终运用遗传物质 无论是人类自身的或是外源遗传物质来治疗疾病 纠正人体本身基因结构或功能上的错乱 阻止病菌的侵染 杀灭病变的细胞或抑制外源病原体遗传物质的复制 保证人体健康 76 9 4 1基因治疗的历史沿革1990年 科学家第一次用反转录病毒为载体 把腺苷脱氨酶基因 ADA 导入来自病人自身的T淋巴细胞 经扩增后输回患者体内 获得成功 标志着基因治疗时代的开始 77 9 4 1 1基因治疗的前景分析基因治疗是将具有治疗价值的基因 即 治疗基因 装配于带有在人体细胞中表达所必备元件的载体中 导入人体细胞 直接进行表达 进行基因治疗时毋须对表达产物进行分离纯化 因为人细胞本身可以完成这个过程 78 可大大降低治疗成本 因为基因治疗不需要基因工程中耗资最大的器材与材料费用 显著降低了工业化的成本 基因工程的 目的基因 主要是分泌蛋白 而非分泌蛋白往往不能有效地排出细胞而不能应用于基因工程 但基因治疗不受上述限制 具有治疗作用 理论上均可应用于基因治疗 因此 基因治疗具有更大的潜力 79 基因治疗则必须将基因直接导入人体细胞 不仅在技术上具有很大难度 而且