分子病-血红蛋白病讲课用2010级课件

1、人类疾病的分子遗传学人类疾病的分子遗传学: : 血红蛋白病血红蛋白病内容提示内容提示分子病（分子病（molecular disease)molecular disease)血红蛋白病（血红蛋白病（hemoglobinpathyhemoglobinpathy）血红蛋白类型（血红蛋白类型（hbfhbf, hba, hba2 2 ,hba ,hba) )及发育变化及发育变化遗传控制：类遗传控制：类 链链 （排列、定位）（排列、定位） 类类 链链 （排列、定位）（排列、定位）异常血红蛋白病及分子基础异常血红蛋白病及分子基础地中海贫血：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

2、状，分子基础） 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）分子病分子病 molecular diseasemolecular disease genegene突变导致蛋白质分子质和量异常，从而引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。起机体功能障碍的一类疾病，称为分子病。19491949年年pauling lpauling l对镰状细胞贫血病患者的血红蛋白对镰状细胞贫血病患者的血红蛋白hbshbs电电泳分析，推论其泳动异常是分子结构改变所致，从而提泳分析，推论其泳动异常是分子结构改变所致，从而提出分子病的概念。出分子病的概念。分子病的

3、种类分子病的种类：依据蛋白质功能可将其分为：依据蛋白质功能可将其分为 1 1、运输蛋白病、运输蛋白病 2 2、凝血及抗凝因子缺乏症、凝血及抗凝因子缺乏症 3 3、免疫球蛋白病、免疫球蛋白病 4 4、膜转运蛋白病、膜转运蛋白病 5 5、受体蛋白病、受体蛋白病 6 6、胶原蛋白病、胶原蛋白病血红蛋白病血红蛋白病hemoglobinopathyhemoglobinopathy： 由于由于珠蛋白珠蛋白分子结构异常或合成量异常分子结构异常或合成量异常所引起的疾所引起的疾病。病。是常见的遗传病之一，从分子结构到发病机理研究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，是研究人类的均较清楚，是研究

4、人类分子病分子病的最好模型。的最好模型。原因：原因： 1 1）红细胞取材方便，来源丰富）红细胞取材方便，来源丰富 2 2）血红蛋白浓度高，不需纯化）血红蛋白浓度高，不需纯化 3 3）网织红细胞含有）网织红细胞含有、珠蛋白珠蛋白mrnamrna，便于克隆其，便于克隆其cdnacdna 4 4）血红蛋白异常引起的疾病种类很多）血红蛋白异常引起的疾病种类很多人类疾病的分子遗传学 血红蛋白病第一节第一节 血红蛋白概述血红蛋白概述第二节第二节 血红蛋白基因血红蛋白基因第三节第三节 hbhb病的类型和分子基础病的类型和分子基础 第一节第一节 血红蛋白概述血红蛋白概述 -hbhb的组成、结构及类型的组成、结

5、构及类型正常正常hbhb的组成的组成 是一种是一种结合蛋白：结合蛋白： 血红素血红素 珠蛋白珠蛋白 （heme) (globinheme) (globin) )每个每个hbhb单体是由单体是由 一条珠蛋白肽链一条珠蛋白肽链 和一个血红和一个血红素组成的。素组成的。 个个hbhb单体单体 一个球形四聚体一个球形四聚体 一一血红蛋白链血红蛋白的一、血红蛋白的一、二级结构：二级结构：氨基酸排列顺序氨基酸排列顺序及多肽链螺旋及多肽链螺旋类类链：（链：（、 ）141141个氨基个氨基酸酸类类链链: :（、）146146个氨基酸个氨基酸血红蛋白链， 螺旋结构。二二血红蛋白的结构血红蛋白的结构三级结构三级结

6、构四级结构四级结构二二血红蛋白的结构血红蛋白的结构血红蛋白的类型血红蛋白的类型成人成人hbhb ：hbhb a a 2 2 2 2 979798% 98% hbhb a a2 2 2 2 2 2 2 23 3 % % 胎儿胎儿hbhb： hbhb f f 2 2 2 2 2 2g g2 2 2 2a a2 2胚胎胚胎hbhb： hbhb gower gower 2 2 2 2 2 2g g2 2 2 2a a2 2 ( (妊娠妊娠1212周内周内) ) hb hb gower gower 2 2 2 2 hbhb portland portland 2 2 2 2 三三第二节第二节 血红蛋白基

7、因血红蛋白基因 排列紧密，有共同起源，含有假基因排列紧密，有共同起源，含有假基因 7 7个基因，定位于个基因，定位于16p1316p13 5-5- - - - 1 1 - - 2 2 -2 2 -1 1- - 3- - 3 6 6个基因，定位个基因，定位11p1511p15 5-5-2 2 - - g g- - a a-1 1 - - -3- - -3-3 珠蛋白基因特点珠蛋白基因特点珠蛋白珠蛋白gene gene 簇簇 珠蛋白珠蛋白genegene簇簇 珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇16p13.33-p13.1111 15.5二、二、hbhb发育演变与遗传控制发育演变与遗传控制 胚胎早期先合成胚胎

8、早期先合成 和和 hbhb gower gower（ 2 2 2 2 ） 同时或稍后合成同时或稍后合成 和和 hbhb gower gower （ 2 2 2 2 ） hbhb portland portland （ 2 2 2 2 ） 1212周时周时 和和 逐渐消失，逐渐消失， 链迅速增加，链迅速增加， 开始合成，开始合成，hbfhbf为主（为主（ 2 2 2 2 ）。）。 妊娠末期和出生不久，妊娠末期和出生不久， 链迅速降低，链迅速降低， 链迅速增加，链迅速增加，hbahba为主（为主（ 2 2 2 2 ）。）。2 1 2 1 g a 1 胚胎hb 胎儿hb 成人hbhbhb类型类型珠蛋

9、白链珠蛋白链 gowerhb 22基因基因2222222222gower portlandf转录翻译三、三、珠蛋白基因结构及表达珠蛋白基因结构及表达 珠蛋白基因：珠蛋白基因： ivs1ivs1由由117bp117bp组成，位于组成，位于3131和和3232密码子之间，密码子之间， ivs2ivs2由由149149或或140bp140bp组成，位于组成，位于9999和和100100密码子之间。密码子之间。珠蛋白基因：珠蛋白基因： ivs1ivs1含含130bp130bp，位于，位于3030和和3131密码之间，密码之间， ivs2ivs2大约含大约含850bp850bp，位于，位于104104和

10、和105105密码子之间。密码子之间。 基因结构基因结构: : 非常相似，均为非常相似，均为3 3个外显子，个外显子，2 2个内含子个内含子( (ivs1、 ivs2）1 31 32 99 100 1411 30 31 104 105 146珠蛋白基因结构珠蛋白基因结构珠蛋白基因结构珠蛋白基因结构珠蛋白基因表达珠蛋白基因表达 e1 e2 e35 -3 transcription processing 5-cap- -polyaaaaa mrna translation 珠蛋白基因表达特点珠蛋白基因表达特点发育阶段特异性发育阶段特异性 5533顺次表达、关闭顺次表达、关闭合成场所特异性合成场所特

11、异性 卵黄囊、胎肝、骨髓卵黄囊、胎肝、骨髓表达数量协调性表达数量协调性 类类 、类、类 链维持链维持1 1：1 1的比例的比例 总之，珠蛋白基因的表达具有时空特异总之，珠蛋白基因的表达具有时空特异性、精确的协调性性、精确的协调性第三节第三节 hbhb病的类型和分子基础病的类型和分子基础 人类珠蛋白基因的组织特异性强，仅在人类珠蛋白基因的组织特异性强，仅在rbc rbc 及前体及前体中才有大量表达。中才有大量表达。 由珠蛋白基因突变引起珠蛋白质量畸变由珠蛋白基因突变引起珠蛋白质量畸变（异（异常常hbhb病）病）和数量畸变和数量畸变（地中海贫血）（地中海贫血）所致的疾所致的疾病统称病统称血红蛋白病

12、血红蛋白病血红蛋白病分类异常异常hbhb病：病： 基因突变导致珠蛋白结构改变基因突变导致珠蛋白结构改变 例如：镰状细胞贫血例如：镰状细胞贫血地中海贫血：地中海贫血： 基因突变导致珠蛋白肽链合成缺乏基因突变导致珠蛋白肽链合成缺乏 或合成量异常或合成量异常 如如、地贫地贫异异 常常 血血 红红 蛋蛋 白白 病病 由于由于珠蛋白基因突变珠蛋白基因突变导致珠蛋白肽链结构异常，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。如有临床表现者称为异常血红蛋白病。主要类型主要类型： （1）镰状细胞病）镰状细胞病 （2）不稳定血红蛋白病）不稳定血红蛋白病 （3）血红蛋白）血红蛋白m病病 （4）氧亲和力

13、改变的血红蛋白病）氧亲和力改变的血红蛋白病一、镰一、镰 状状 细细 胞胞 病病 遗传方式遗传方式：arar 形成原因形成原因： 链第链第6 6位谷氨酸被缬氨酸取代，形成位谷氨酸被缬氨酸取代，形成hbhb s s。在缺。在缺氧情况下，氧情况下，hbshbs聚合形成长棒状聚合物，使细胞镰聚合形成长棒状聚合物，使细胞镰变变变形能力低变形能力低引起血粘度增高，导致引起血粘度增高，导致溶血、贫血、溶血、贫血、血管梗阻性继发症状。血管梗阻性继发症状。 hbhbs shbhbs s 镰状细胞病镰状细胞病 hbhba ahbhbs s 镰形细胞性状镰形细胞性状 hbhba ahbhba a 正常人正常人 镰形

14、细胞贫血镰形细胞贫血( (sicklesicklecell anemiacell anemia) ) 又称又称hbshbs病是最早阐明发病机理的分子病。这是因病是最早阐明发病机理的分子病。这是因链珠蛋链珠蛋白基因结构改变而致的一种疾病，呈常染色体隐性遗传。白基因结构改变而致的一种疾病，呈常染色体隐性遗传。患者的红细胞在缺氧的情况下变成镰刀形，因而得名。患者的红细胞在缺氧的情况下变成镰刀形，因而得名。发病的分子基础是发病的分子基础是链基因的一个碱基对链基因的一个碱基对gag(a)gag(a)变为变为gtg(a)gtg(a)，致使血红蛋白的，致使血红蛋白的链链n n端第端第6 6位的谷氨酸被缬位的

15、谷氨酸被缬氨酸取代形成氨酸取代形成hbshbs，一个基因缺陷会导致多种症状镰状镰状 细细 胞胞 病病镰刀状贫血症 由于红血球不正常带来严重后果。问题在于血红蛋白 - 链 一个谷氨酸残基变成了缬氨酸残基。v临床症状临床症状：v血管阻塞的继发症状：一过性剧痛（腹痛、关节血管阻塞的继发症状：一过性剧痛（腹痛、关节痛）痛）, ,脑血管意外脑血管意外v急性大面积组织损伤：心梗，肺、肾脏损伤；急性大面积组织损伤：心梗，肺、肾脏损伤；v慢性溶血性贫血慢性溶血性贫血 患者多在成年以前死亡患者多在成年以前死亡 诊断：诊断：血涂片亚硫酸钠血涂片亚硫酸钠“镰变试验镰变试验”阳阳性性 电泳：有一电泳：有一“”区带区带

16、s s a a 镰刀形红细胞镰刀形红细胞 有意思的是在非洲大陆某些地区镰刀状贫血症发病率高，携带者也多。这些地区恰恰又是一种恶性疟疾流行地区。分析表明，镰刀状贫血症缺陷基因携带者比正常人对恶性疟疾有抗性。 正常红血球 镰刀状红血球血红蛋白 -链上 谷氨酸变成缬氨酸镰刀状贫血病 的 分子机理镰刀状贫血病基因高频地区恶性疟疾流行地区异常血红蛋白病的分子基础异常血红蛋白病的分子基础 珠蛋白基因突珠蛋白基因突变变 主要类型：主要类型： （1）单个碱基置换）单个碱基置换 （2）移码突变）移码突变 （3）密码子的缺失和插入）密码子的缺失和插入 （4）融合基因）融合基因一）一）单个碱基的替代单个碱基的替代（

17、占（占90%90%） 1 1、错义突变错义突变是由于单个核苷酸的改变导致由特定三联体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变。密码子编码的氨基酸的改变。例例： hbshbs无义突变无义突变hb mckeeshb mckees-rock-rock 145145 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（终止） hb mckees-rock lys （终止）（终止）3 3、终止密码突变、终止密码突变终止

18、密码终止密码编码氨基酸的密码，导致肽链异常延长。编码氨基酸的密码，导致肽链异常延长。例： hbhb constant spring constant spring 142142 dna 139 140 141 142 143hb a aaa uac cgu uaa gcuhb constant-spring aaa uac cgu caa gcu protein 139 140 141 142 143hb a lys tyr arg （ 终止）终止） hb constant-spring lys tyr arg gln ala-172二）二） 移码突变移码突变 在正常密码子中插入或缺失一个或几

19、在正常密码子中插入或缺失一个或几个碱基个碱基, ,导致该位点后面编码的氨基酸种导致该位点后面编码的氨基酸种类顺序改变类顺序改变. .例：例： loss loss 正常正常hbhb 137-137-acc ucacc ucc c aaa uac cgu uaa aaa uac cgu uaa 苏苏-丝丝-赖赖-酪酪-精精- - 终终hbhb wayne wayne acc uca aau acc guu aagacc uca aau acc guu aag 苏苏-丝丝-冬胺冬胺-苏苏-缬缬- - 赖赖插入ag三）三）整码突变整码突变密码子的三个碱基同时缺失或插入密码子的三个碱基同时缺失或插入89

20、agugagcugcacugugacaagcugcac gug 98-丝谷亮组半胱门冬赖亮组缬- agugagcugcac gug 89 90 96 97 9889 90 96 97 98-丝谷亮组缬-(-(91-9591-95缺失，后面氨基酸缺失，后面氨基酸顺序不变）顺序不变）四）四）融合基因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，使基因之产生原因：减数分裂时同源染色错误配对，使基因之间发生不等交换。间发生不等交换。下图中的下图中的hb leporehb lepore是由是由、链连接而成，称链连接

21、而成，称而而反反leporelepore是由是由、链连接而成，称链连接而成，称链链g a 含重复片段的染色体anti-lepore缺失染色体hb lepore二、地中海贫血二、地中海贫血 珠蛋白链合成数量不平衡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。亚也比较常见。珠蛋白基因珠蛋白基因缺失缺失/ /突变突变导致某种珠蛋白链合成障导致某种珠蛋白链合成障碍造成碍造成链和链和链合成链合成数量不平衡数量不平衡，引起的溶血，引起的溶血性贫血称为

22、性贫血称为地中海贫血。地中海贫血。 地中海贫血地中海贫血由于由于 珠蛋白基因的缺失或缺珠蛋白基因的缺失或缺 陷使陷使 链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。特点：特点：b b 都表现为低色素性贫血都表现为低色素性贫血地中海贫血地中海贫血由于由于 珠蛋白基因的缺失或缺陷珠蛋白基因的缺失或缺陷使使 链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。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地 中中 海海 贫贫 血血地中海贫血地中海贫血 每条每条1616号染色体上有两个号染色体上有两个genegene缺失程度不缺失程度不同，同，链合成部分或完全受到抑制，导致不同类

23、型的链合成部分或完全受到抑制，导致不同类型的地贫。地贫。 若一条染色体上缺失一个若一条染色体上缺失一个基因基因（）为为+ +地贫地贫，链合成减少。链合成减少。若一条染色体上两个若一条染色体上两个基因均缺失基因均缺失（ ）为为0 0地贫地贫，链不能合成。链不能合成。地中海贫血地中海贫血( (thalassemiathalassemia) ) 地中海贫血是由于地中海贫血是由于珠蛋白基因的缺失或缺陷，使某种珠蛋白肽链的珠蛋白基因的缺失或缺陷，使某种珠蛋白肽链的合成受到抑制所引起的溶血性贫血症。合成受到抑制所引起的溶血性贫血症。根据受影根据受影响的珠蛋白的不同，主要可分为响的珠蛋白的不同，主要可分为地

24、中海贫血地中海贫血( (简称简称地贫地贫) )和和地中海贫血地中海贫血( (简称简称地贫地贫) )。 (1)(1)地中海贫血地中海贫血 地贫主要是由于地贫主要是由于珠珠蛋白基因的缺失，使蛋白基因的缺失，使珠蛋白肽链合成受到抑制珠蛋白肽链合成受到抑制而引起的溶血性贫血。而引起的溶血性贫血。如果在如果在1 1条条1616号染色体上号染色体上的的2 2个个基因的缺失称为基因的缺失称为地中海贫血地中海贫血1 1( (简称简称地贫地贫1 1) )；如果只有；如果只有1 1个个基因缺失称为基因缺失称为地中海地中海贫血贫血2 2( (简称简称地贫地贫2 2) )。临床上根据。临床上根据基因缺失的基因缺失的数

25、目不同，可分为四型。数目不同，可分为四型。 hb barthb bart胎儿水肿综合征胎儿水肿综合征 4 4个个基因全部缺失，基因全部缺失，胎儿胎儿链完全不能合成，导致链完全不能合成，导致链聚合成链聚合成4 4。由于。由于4 4首次发现于首次发现于st bartholomewst bartholomew医院，故命名为医院，故命名为hbhb bart bart。4 4对氧的亲合力高，造成组织缺氧，故胎儿在子宫内对氧的亲合力高，造成组织缺氧，故胎儿在子宫内常因发生严重水肿而死亡。本病在常因发生严重水肿而死亡。本病在地贫高发区时有发地贫高发区时有发生。据广西区人民医院报告，该院妇产科围产期死亡胎生。

26、据广西区人民医院报告，该院妇产科围产期死亡胎儿总数的儿总数的26.3%26.3%是是hb barthb bart胎儿水肿综合征。胎儿水肿综合征。 hbhhbh病病 4 4个个基因中有基因中有3 3个缺失，只有少量个缺失，只有少量链链合成，合成，链相对过剩而自行聚合成链相对过剩而自行聚合成4 4，即，即hbhhbh。hbhhbh具具有较高的氧亲和力，使组织供氧不足。另外有较高的氧亲和力，使组织供氧不足。另外hbhhbh不稳定，不稳定，容易解聚沉淀而破坏红细胞，导致轻度至中度贫血，黄容易解聚沉淀而破坏红细胞，导致轻度至中度贫血，黄疸和肝脾肿大。疸和肝脾肿大。 轻型轻型( (标准型标准型) ) 4

27、4个个基因有基因有2 2个缺失个缺失，本型患者可能产生轻度贫血。本型患者可能产生轻度贫血。 静止型静止型 4 4个个基因中只有基因中只有1 1个基因缺失个基因缺失，本型无症状。本型无症状。 临床类型临床类型类类 型型症症 状状正常人正常人静止型静止型 + +地贫杂合子地贫杂合子无症状无症状轻轻 型型（标准型）（标准型） 0 0地贫杂合子地贫杂合子轻度贫血轻度贫血 + +地贫纯合子地贫纯合子血红蛋白血红蛋白h h病病 0 0地贫和地贫和 + +地地贫双重杂合子贫双重杂合子溶血性贫血溶血性贫血hbhb barts barts胎胎儿水肿综合征儿水肿综合征 0 0地贫纯合子地贫纯合子胎儿水肿胎儿水肿胎

28、胎 儿儿 水水 肿肿 地中海贫血地中海贫血 珠蛋白珠蛋白gene gene 突变或缺失突变或缺失珠蛋白链合成速珠蛋白链合成速率下率下 降降溶血性贫血溶血性贫血 0 0 地贫地贫：链完全不能合成链完全不能合成 + + 地贫地贫：链可部分合成链可部分合成2 1 2 1 g a 1 胚胎hb 胎儿hb 成人hbhbhb类型类型珠蛋白链珠蛋白链 gowerhb 22基因基因2222222222gower portlandf转录翻译地贫基因的遗传缺陷地贫基因的遗传缺陷地贫多为地贫多为基因的点突变所致。有些点突变使基因的点突变所致。有些点突变使链链完全不能生成，称完全不能生成，称0 0地贫；有些突变仅使地贫；有些突变仅使链生成链生成减少，称减少，称+ +地贫。据此可将地贫。据此可将地贫分为：地贫分为： + +/ 0 0/； + +/+ +； + +/0 0； 0 0/0 0；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的分子基础 地中海贫血已发现地中海贫