疾病产生的分子基础

1、第八章 疾病产生的分子基础,第一节 基因结构与表达异常与疾病,人类疾病如白血病、恶性肿瘤、糖尿病、神经退行性疾病、心脑血管、高血压等的发生和发展都涉及到有关蛋白质及其复合物的结构、功能和相互作用异常,人体内蛋白质分子结构和功能的异常是疾病的发生和发展的主要原因,基因结构与表达异常与疾病,细胞微环境的变化，包括基因甲基化的变异以及各种特定基因表达的异常都和疾病发生有关。越来越多的证据显示基因表达的异常将导致各种疾病的发生，尤其是肿瘤形成,基因结构与表达异常与疾病,人的基因组中有相当一部分基因，甚至染色体片段，在精子或卵细胞形成过程中，会因某种结构修饰而不能表达，称为基因印迹（geneticimp

2、rinting）。这种在生物进化中形成的、有规律而又受控的基因失活是机体中基因表达调节的一种重要方式。基因印迹的异常往往会导致多种遗传性疾病,一、基因结构与表达异常与疾病发生,1基因结构改变,2细胞间信号异常,3细胞内因素,一) 基因突变的多种类型,点突变是单个碱基的改变 缺失是一个或多个核苷酸的丢失 插入是一个或多个核苷酸的增加 倒位是一段核苷酸序列方向倒转 基因突变还分为配子突变与体细胞突变 动态突变指串联重复拷贝数随世代的传递而改变,基因突变,由于体内外各种因素改变了某基因特定的DNA序列碱基组成和排列顺序，导致DNA一级结构发生改变，改变了基因结构；其分子机制可以是替换、插入或缺失，因

3、而产生不同的突变类型,基因突变的类型,点突变:单个碱基的改变 在基因一级结构的某个位点上，一种碱基被另一种碱基取代,分为： 转换 （transition） 颠换 （transversion,基因突变的类型,缺失（delelation）是一个或多个核苷酸的丢失：在基因一级结构中某个位点上，一个核苷酸或一段核苷酸序列丢失造成的基因结构改变,3. 插入（insertion,基因突变的类型,倒位是一段核苷酸序列方向倒转：基因内部的DNA序列重组，使一段DNA序列的方向倒转。 配子突变与体细胞突变 动态突变指串联重复拷贝数随世代的传递而改变（dynamic mutation,碱基置换突变 (substi

4、tution mutation,二) 不同的基因突变引起不同的遗传效应,a. 同义突变 (consense mutation,b. 错义突变 (missense mutation,c. 无义突变 (nonsense mutation,d. 终止密码子突变或延长突变,e. 起始密码子突变(initiation codon mutation,f. 非编码序列点突变 (point mutation in noncoding sequence,同义突变(same sense mutation)：密码子发生改变, 但所编码的氨基酸不变,例如：CUU CUC CUG 亮氨酸,错义突变（missense m

5、utation）指DNA改变后mRNA中相应密码子发生改变，编码另一种氨基酸，使蛋白质中的氨基酸发生改变,错义突变结果产生异常蛋白质和酶。但也有不少基因由于错义突变产生部分降低活性和异质组分的酶，不完全抑制了催化反应，这种基因称为漏出基因（leaky gene）。有些错义突变不影响蛋白质或酶的生物活性，不表现出明显的表型效应,由于一对或几对碱基对的改变而使决定某一氨基酸的密码子变成一个终止密码子的基因突变叫无义突变 (nonsense mutation),亮氨酸的密码子UUA，中间的U变为A这样一个碱基变化就会成为（终止密码子）UAA,酪氨酸的密码子是UAC，置换突变使UAC变为密码子UAG后

6、翻译便到此停止,当DNA分子中一个终止密码发生突变，成为编码氨基酸的密码子时，多肽链的合成将继续进行下去，肽链延长直到遇到下一个终止密码子时方停止，因而形成了延长的异常肽链，这种突变称为终止密码突变（termination codon mutation）或延长突变（elongtion mutation,当基因内部不同位置上的不同碱基发生了两次突变，其中一次抑制了另一次突变的遗传效应，这种突变称为抑制基因突变（suppressor gene mutation,如单纯6谷氨酸缬氨酸，则可产生HbS病，往往造成死亡。但Hb Harlem临床表现却较轻，即73的突变抑制了6突变的有害效应,2) 缺失或

7、插入突变(deletion or insertion mutation) a. 密码子缺失或插入(codon deletion or codon insertion) b. 移码突变(frame-shift mutation) c. 整基因或大片段缺失 (deletion of a whole gene or a large segment) (3) 融合突变(fusion mutation) 细胞减数分裂时同源染色体不等交换而致基因间错位配对， 产生两种含不同等位基因的染色体,移码突变(frame-shift mutation)：指DNA链上插入或丢失1个、2个甚至多个碱基（但不是三联体密码

8、子及其倍数），在读码时，由于原来的密码子移位，导致在插入或丢失碱基部位以后的编码都发生了相应改变。移码突变造成的肽链延长或缩短，取决于移码终止密码子推后或提前出现,4) 基因突变影响 hnRNA 的剪接,基因突变发生在 hnRNA 的一级结构上特定的剪接位点上，导致 hnRNA 的剪接错误，产生异常的 mRNA，最终产生异常的蛋白表达产物，改变生物性状,三) 结构基因改变导致蛋白质变化引起疾病,1. 血红蛋白病 (hemoglobinopathy)： 血红蛋白(hemoglobin, Hb)的结构特点 珠蛋白(globin)基因的时、空特异性表达,血红蛋白结构,血红蛋白是由4条肽链（两个和两个

9、链）组成的。每条肽链都类似于肌红蛋白的肽链，都结合一个血红素,血红蛋白的脱氧（T）和氧合（R）构象在氧的亲和性方面有很大区别。由于结构上的相互作用是与它的三级和四级结构有关，所以血红蛋白在结合氧的过程中显示出别构效应和协同性,血红蛋白分子一级结构上的轻微差别就可能导致功能上的很大不同，正常成年人血红蛋白中的链的第六位的谷氨酸残基被缬氨酸取代就会导致镰刀形细胞贫血病的异常血红蛋白HbS 的生成,血红蛋白病镰刀形细胞贫血症,1) 人-珠蛋白基因簇及珠蛋白基因结构,2) 人-珠蛋白基因簇及珠蛋白基因结构,血红蛋白病类型,异常血红蛋白: 珠蛋白结构(质)变异，导致贫血,地中海贫血: 珠蛋白合成(量)减

10、少，又称珠蛋白合成障碍性贫血,四) 常见单基因病,疾病名称 发病频率( ) 遗传方式 致病基因 典型症状 血友病A 0.1 X连锁 凝血因子 不规则出血 血友病B 0.03 X连锁 凝血因子 不规则出血 杜氏肌营养不良 0.3 X连锁 肌营养因子 肌萎缩 贝氏肌营养不良 0.05 X连锁 肌营养因子 肌萎缩 脆性X综合征 0.5 X连锁 FMR1 智力障碍 舞蹈病 0.5 常染色体显性 舞蹈病因子 痴呆 神经纤维 0.4 常染色体显性 NF-1,2 癌变 珠蛋白生成障碍性贫血 0.05 常染色体隐性 珠蛋白基因簇 贫血 镰刀细胞贫血 0.1 常染色体隐性 珠蛋白基因 贫血, 局部缺血 苯丙酮酸

11、尿 0.1 常染色体隐性 苯丙氨酸羟基化酶 无苯丙酮酸代谢能力 囊性纤维化 0.4 常染色体隐性 CFTR 进行性肺损伤及其他,基因突变类型 异常Hb 氨基酸变化 临床特征 错义突变 Hb Shuangfeng 27GluLys(GAGAAG) 不稳定Hb病 Hb S 6GluVal(GAGGUG) 镰刀型细胞贫血 Hb Bibba 136LeuPro(CUGCCA 不稳定Hb病 无义突变 Hb Mckees Rocks 145Tyr终止(UAUUAA) 不稳定Hb病 终止密码突变 Hb Constant Spring 142UAACAA- - -地贫 (延长：142Gln- -173UAA)

12、 密码子缺失 Hb Gun Hill 9195缺失 不稳定Hb病 密码子插入 Hb Grady 118与119间插入3个氨基酸 无明显症状 移码突变 Hb Tak 147UAAACU AA- 不稳定Hb病 -158UAA(Thr) 融合突变 Hb Lepore-Boston 87(Gln)-116(His) -地贫 Hb Kenya 81(Leu)-86(Ala) -地贫,囊性纤维化病(cystic fibrosis, CF,囊 性 纤 维 化 病,囊性纤维化跨膜传导调节蛋白(CFTCR)的基因突变所致，产生缺陷型蛋白，致使使氯离子的转运障碍，黏液在呼吸道黏膜内淤滞，黏膜形成囊性增生，造成呼吸

13、道堵塞；因反复感染，导致患者呼吸衰竭而死亡,Gene therapy of CF,将重组CFTCR基因cDNA-病毒载体，用涂布鼻腔、或喷雾吸入气管及肺部等方法，转入患者呼吸道上皮细胞中，获得正常CFTCR基因的表达，纠正Cl转运缺陷，减少黏液分泌,五)细胞间信号异常导致基因表达异常引起疾病,人体各细胞间通过激素、神经递质、旁分泌信号等保持细胞间的联系，调节彼此的代谢。基因表达也受到细胞间信号的调控。 AFP 接受异常的细胞增殖信号成为肝癌发生的重要因素。 粉尘刺激 肺支气管上皮、肺泡巨噬细胞 分泌TGF-1 成纤维细胞 促细胞分裂和ECM 蛋白基因表达 ECM 增加 矽肺发生,六）细胞内因素

14、导致基因表达异常引起疾病,异常的细胞内信号 高血糖 DAG PKC ACE Ang,病原生物基因的体内表达,异常的DNA甲基化 hCG5转录起始区低甲基化非滋养层细胞hCG 受体结合 cAMP Tumor,第二节 癌基因和抑癌基因,一、癌基因,癌基因的分类,病毒癌基因 ：(virus oncogene, v-onc) DNA病毒、RNA病毒（逆转录病毒） 细胞转化基因：(cellular-oncogene, c-onc,一) 逆转录病毒致癌基因,Rous于1911年首先发现鸡肉瘤病毒（后称劳斯肉瘤病毒RSV），研究证明它是一种逆转录病毒，在接种给鸡后诱发肉瘤,1966年，85岁的劳斯获得诺贝尔

15、奖,1、逆转录病毒颗粒结构,2、逆转录病毒基因组结构,产生p60src蛋白质，磷酸化蛋白。靶蛋白磷酸化,3、逆转录病毒的复制,4、逆转录病毒癌基因（v-onc)的起源,目 录,断裂基因,完整的没有断裂的可读框,二) 细胞转化基因,细胞转化基因实质上就是由一类原癌基因突变而来 。当原癌基因在某些外界因素（如放射线、化学致癌物等）的作用下，发生数量和结构上的微细变化，形成了致癌性的细胞转化基因，从而使正常细胞转化为肿瘤细胞,原癌基因是细胞内与细胞增殖相关的正常基因，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

16、成肿瘤,1、原癌基因,原癌基因的特点: 广泛存在于生物界中； 基因序列高度保守； 作用通过其产物蛋白质来体现； 正常情况下表达水平很低; 被激活后，形成致癌性的细胞转化基因,原癌基因的分类,根据原癌基因产物在细胞中的位置，可分为： 与膜结合的蛋白，如src基因产物； 可溶性蛋白，如mos基因产物； 核蛋白，如myc基因产物,根据原癌基因表达产物的功能，可分为： 蛋白激酶类，如Src家族（酪氨酸蛋白激酶类） 生长因子类 生长因子受体类 GTP结合蛋白类，如Ras家族 核蛋白类（DNA结合蛋白），如Myc家族 未知功能类,原癌基因：单拷贝、正常情况下低水平表达或根本不表达癌基因？ 当原癌基因的结构

17、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,碱基缺失或单碱基突变,基因扩增,染色体重排,蛋白质活性大大提高,蛋白质未变化，但总量大大提高,增强子功能使癌基因高效表达,与强启动子基因相融合，提高癌基因表达效率,原癌基因,2、原癌基因的激活机制,1）点突变,2）LTR（long terminal repeat)插入,强启动子,3）基因重排（rearrange,4）缺失（Deletion,一些原癌基因5上游存在负调控序列，该序列的缺失或突变，则丧失抑制癌基因表达的能力。 Brukitt淋巴瘤中 c-myc因负调控序列缺失或LTR插入而增强表达,5）基因扩增,蛋白质结构未

18、变化，但总量大大提高,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,3、基因互作与癌基因表达,1）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。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,基因领域：基因与基因之间的间隔距离 基因领域效应：同一DNA链上两个具有相同转录方向的基因间隔小于一定长度时，影响有效转录所必需的染色质结构的形成，从而使这两个基因中的一个或两个均不能转录或转录活性显著降低,0.3kb - 5kb，最佳间隔距离与两个基因的总长度成正相关,

19、2）原癌基因终产物对基因表达的调控,某种原癌基因产物对另一种原癌基因表达的调控作用； 某种原癌基因产物对自身表达的反馈调控作用,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，解除此途径对外源刺激信号的需求,3）抑癌基因产物对原癌基因的调控,4）外源信号对原癌基因表达的影响,三、抑癌基因,抑癌基因(tumor suppressor gene ) /隐性癌基因：是一种抑制细胞生长和肿瘤形

20、成的基因。如：Rb抑癌基因、抑癌基因p53,抑癌基因的作用：抑制细胞增殖；促进细胞分化；和抑制细胞迁移。 抑癌基因的突变是隐性的。 抑癌基因的产物主要包括： 转录调节因子：如Rb、p53；负调控转录因子：如WT；周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CKI），如p21； ras GTP酶活化蛋白：如NF-1； DNA修复因子：如BRCA1、BRCA2；磷酸脂酶：如PTEN；细胞粘附分子：如DCC,抑癌基因,抑癌基因与原癌基因在生物学上有以下几点差异： 在功能上，抑癌基因起负调控作用，而原癌基因起正调控作用； 在遗传方式上，原癌基因是显性的，而抑癌基因在细胞水平上是隐性的， 在突变发生的细胞类型上，抑癌基

21、因突变可以发生在体细胞中，也可能发生在生殖细胞中并通过生殖细胞得到遗传。原癌基因突变只发生在体细胞中,确定抑癌基因在理论上需要满足的三个基本条件,1、在恶性肿瘤相应的正常组织该基因必须 正常表达。 2、在恶性肿瘤中，该基因有功能失活或结 构改变或表达缺陷。 3、将这种基因的野生型导入基因异常的肿 瘤细胞中，可部分或完全改变其恶性表 现,常见的抑癌基因有Rb基因，p53基因，p16基因等。 其中，Rb基因编码P105Rb转录因子，p53基因编码P53转录因子，p16基因编码一种P16蛋白,常见的抑癌基因,抑癌基因的类型,抑癌基因的作用机制,Rb基因,Rb（retinoblastoma gene）

22、是第一个被克隆的抑癌基因。 1986年，美国的三个实验室分别独立的克隆了该基因。 Rb基因，全长约200kb，含27个外显子，26个内含子，外显子大小不同短的31bp，长的有19kb，转录的mRNA有4.7kb,编码928个氨基酸，分子量是105-110kD的核内磷酸化蛋白。Rb具有DNA结合活性，表明其能够参与某些基因的调节,Rb基因的生物学活性,Rb基因的磷酸化状态是Rb基因调节细胞生长分化的主要形式。调节Rb功能最主要的磷酸化事件在G1和S期交界处。磷酸化的Rb与细胞内蛋白结合形成复合物的能力丧失。如，Rb在非磷酸化状态下可以与E2F结合，并抑制其活化基因表达的功能。磷酸化的Rb不能与E

23、2F结合。E2F与DP1蛋白形成异二聚体活化一系列由G1期进入S期所必需的基因的表达,Rb基因的作用机制,Rb基因的失活主要与视网膜母细胞瘤的发生相关。 Rb基因的表达产物为P105Rb，在细胞内存在低磷酸化型（活性型）和高磷酸化型（非活性型）两种类型。 不同类型的P105Rb对转录因子E2F有不同的亲和力,低磷酸化型的P105Rb可与转录因子E2F结合形成复合物，从而阻止E2F启动某些在细胞增殖过程中起主要作用的基因的转录，如c-myc基因等。 高磷酸化型的P105Rb则可促使其与E2F转录因子分离，从而使其呈现活性，细胞即由G1期进入S期。 Rb基因失活后，其表达产物不能与E2F形成复合物

24、，E2F处于持续激活状态，导致细胞增殖,Rb bind with E2F transcription factor,Rb基因异常与肿瘤,Rb基因异常主要表现为等位基因缺失和基因突变。 最初，在视网膜母细胞瘤中发现，后来在多种肿瘤中均发现该基因的异常。其基因异常多发生在13-17外显子上。 在小细胞肺癌中，异常为50%， 骨肉瘤47%， 乳腺癌32,二次突变假说 1971年，Knudson在研究视网膜母细胞瘤时提出了“二次突变”假说。假说认为，在有遗传倾向的的病人体内所有干细胞和体细胞都存在一种突变，在此基础上，任一视网膜母细胞若再出现第二次突变，即可导致肿瘤发生,二次突变”假说的意义,1、为解

25、决遗传性和体细胞突变通过何种机 制在肿瘤发生过程中起作用提供了思路。 2、肿瘤细胞发生过程中隐性遗传性决定因 素与体细胞表型连接起来,RB gene,p53 基因,是tumor suppressor gene 一明珠，Pubmed有超过3万篇论文， 篇篇内容不同。临床上， 超过50%的肿瘤其p53有异常。 1979年， 发现SV40转化的细胞中与SV40-large T抗原结合， 而被误认为癌基因，直到1989年，才被证实为抑癌基因,p53基因的结构,p53基因全长20kb，定位于人类染色体17p13.1，由11个外显子组成，编码393个氨基酸组成的53kd的核内磷酸化蛋白，具有蛋白质-DNA

26、和蛋白质-蛋白质结合的功能,N,C,100-300 AA DNA结合域,调节domain 301-393,1-99,p53 protein,p53基因生物学特性,p53 是细胞生长周期中的负调节因子，与细胞周期的调控、DNA修复、细胞分化、细胞凋亡等重要的生物学功能有关,p53 基因分型,p53 基因分为野生型和突变型，它的表达产物也分为野生型和突变型 野生型p53极不稳定，半衰期仅为数分钟，并具有反式激活功能和光谱的抑制肿瘤的功能。 突变型p53具有癌基因的功能，促进癌细胞的恶性转化,p53 基因可以调节细胞周期过程中起关键作用的基因，包括可调节CDK活性的p21基因和DNA损伤导致细胞生长受阻相关的GADD45基因。p53在G1/S期起作用，决定是否启动DNA合成，而在另外的一些情况确决定细胞是否凋亡,p53基因的表达产物是分子量为53