医学遗传学第10章生化遗传学理论和方法研究

1、医学遗传学 第10章 生化遗传学理论和方法研究 是指用生物化学的原理和方法研究生物的遗传物质与遗传性状之间的代谢关系，从而阐明基因的基本功能及其表达过程的一个遗传学分支学科。 生化遗传学可为某些先天性代谢缺陷和分子病的治疗提供理论基础。 人体内蛋白质（包括酶）的合成是由结构基因控制的。结构基因的碱基顺序 相应多肽链的氨基酸种类和排列顺序。改变异常蛋白质分子变化小遗传差异变化大疾病分子病（molecular diseases)： 是指由于基因突变而造成的蛋白质分子的结构和数量异常引起的疾病。先天性代谢缺陷 （inborn errors of metabolism）： 通常指由于基因突变而造成的酶

2、蛋白结构或数量的异常所引起的疾病，又称遗传性酶病或先天性代谢病。 第一节 血红蛋白疾病血红蛋白疾病：由血红蛋白分子合成异常引起的疾病。包括血红蛋白病：珠蛋白肽链结构异常。 如：镰形细胞贫血症、高铁血红蛋白症 地中海贫血：珠蛋白肽链合成速度降低。也称珠蛋白生成障碍性贫血。一、血红蛋白的分子结构与珠蛋白基因（一）血红蛋白分子的结构及发育变化 血红蛋白（Hb）: 红细胞携带、运输氧气和二氧化碳的载体。由珠蛋白和血红素辅基组成。 每个血红蛋白分子由四条珠蛋白肽链构成。每一条肽链和一个血红素结合，构成一个血红蛋白亚单位，四个亚单位聚合成一个血红蛋白的四聚体。人类正常血红蛋白的组成和发育变化血红蛋白是一种

3、复合蛋白，由四个亚单位构成四聚体。珠蛋白肽链有7种：、 、G、A、正常血红蛋白的四聚体由1对链和1对非链组成。正常成人红细胞中有三种血红蛋白：HbA(22，约97%)，HbA2（22，约2%），HbF(2 G2和2 A2，约1% )正常人体血红蛋白发育变化发育阶段血红蛋白（Hb）分子结构胚胎胎儿成年人（8周）Gower 1Gower 2PortlandFAA22222 2G2 ， 2A22G2 ，2A22 2 2 2从胚胎到成人珠蛋白表达变化 6 12 18 24 36 出生 6 12 18 24 30 (Wk)5040302010%珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇（二）珠蛋白基因2-LCR（ 位点控

4、制区）1211（二）珠蛋白基因珠蛋白基因簇：定位于16p13.33，由6个相关的基 因组成。基因簇排列先后与发育过程的表达顺序有关。每条16号染色体有2个基因，正常二倍体细胞有4个，每个基因表达的珠蛋白数量相同。珠蛋白基因簇：定位于11p15.5。每条11号染色体只有一个基因，正常二倍体细胞有两个基因。-LCR（ 位点控制区） G A 每个二倍体细胞内基因和基因数量之比是2：1，正常人体中珠蛋白和珠蛋白的分子数量相等，正好构成HbA(22)，说明基因的表达效率是基因的两倍。国际血红蛋白信息中心(IHIC) 1998年的资料表明，全世界发现的异常血红蛋白已超过 750 种。A Syllabus

5、of Human Hemoglobin Variants (1998) 2nd Edition, by Titus H.J. Huisman et al.异常血红蛋白病血红蛋白病二、异常血红蛋白（一）镰形细胞贫血症： AR 因珠蛋白基因的第6位密码子由正常的GAG变成了GTG,使其编码的链N端第6位的谷氨酸被缬氨酸所取代，形成HbS。 Hb由原来带负电的极性谷氨酸变为不带电的非极性疏水缬氨酸，使Hb的溶解度下降，在氧分压低时，HbS聚合成棒状凝胶结构，使红细胞变成镰刀状。Beta chain 6GluVal镰状细胞贫血HbS镰状细胞贫血发病机制一个基因缺陷会导致多种症状（二）血红蛋白M病（AD

6、）正常：珠蛋白（组氨酸）+ Fe2+ + O2 基因突变替代Fe3+高铁血红蛋白三、地中海贫血又称珠蛋白生成障碍性贫血 由于珠蛋白合成减少或不能合成所致，出现肽连数量的不平衡，导致溶血性贫血。主要分为型和型: 0 , +; 0 , + （一） 地中海贫血(AD)按照缺失的基因数目不同分为4种：1、Bart胎儿水肿症（-/-) 大部分珠蛋白为4，对氧亲和力很高，致使组织严重缺氧，胎儿水肿。一般为流产或出生不久死亡。2、Hb H病（-/-+）患者发育早期部分珠蛋白为4，晚期部分为4，对氧亲和力很高，中度贫血。3、标准型地中海贫血（-/+）（-+/-+）轻度贫血。如果（-/+） （-/+）将有可能生

7、出Bart胎儿水肿症患儿。4、静止型地中海贫血（-+/+）无临床症状。（二） 地中海贫血 (AR)1.重型地中海贫血（ 0 / 0 等）重型，出生时正常，半周岁发病，过剩的珠蛋白沉淀为包含体。特殊的“地中海贫血面容”。2、中间型地中海贫血（ + / +等） 3、轻型地中海贫血（ + / A等 ）轻度贫血，无明显临床症状。地中海贫血（- thalassemia） 按照珠蛋白链合成速率降低的程度，地中海贫血又可以区分为不同的类型： 名称 基因型 缺失基因 链的合成 胎儿水肿综合征 0/ 0 -/- 0%HbH病 +/ 0 -/- 25%标准型地贫 A/ 0 /- 50% +/ + -/- 静止型地

8、贫 A/ + /- 75%正常 A/ A / 100%染色体上的2个等位基因突变点相同者称纯合子;等位基因的突变不同者称“双重杂合子”;同源的染色体上只有1个突变者称“杂合子”。 四、血红蛋白病发生的分子机制(一)点突变1、单个碱基替换： HbS6(谷缬），AU HbG20(谷谷胺），GC单碱基置换除导致氨基酸替代外，也可能因终止密码的提前出现或延迟出现，而导致肽链延长或缩短。2、密码子缺失或插入： （赖 缬)Hb Lyon 15 16 17 18 19 20 21 15 16 19 20 21整码突变指密码子的三个碱基同时缺失或插入。3.无义突变 突变使正常密码子变为终止密码子，蛋白质链的合

9、成提前终止。4.终止密码子突变 终止密码子的DNA 序列发生改变，蛋白链的合成不在正常位置终止而是继续合成至新的终止密码子。5.移码突变： Hb tak146147位 CAC-UAACAC-ACU-AA （终止） （苏） 肽链由146aa变成157aa。移码突变有可能导致肽链的延长或缩短。 (二)基因缺失与融合基因：1.基因缺失+地中海贫血有两种类型的缺失： 左侧缺失 仅缺失2 基因。 右侧缺失 缺失了2 基因的3 端和l基因5 端，形成了由l 基因的3 端和2基因的5 端构成的融合基因。 2.融合基因融合基因是由于减数分裂中同源染色体不等交换所致，产生了重复和缺失。含重复片段的染色体Hb M

10、iyada; Hb P(Congo)Anti-Lepore缺失染色体Hb LeporeG A 融合基因融合基因：某些异常血红蛋白肽链由两种不同的肽链连接而成。Hb Lepore：非链由、链连接而成 LeporeAnti Lepore第二节 先天性代谢病 先天性代谢缺陷是指由于基因突变，造成的蛋白质分子（一般指酶蛋白）结构或数量的异常所引起的疾病。又称遗传性酶病或先天性代谢病。由于基因变异导致代谢酶的改变而引起的疾病。一、先天性代谢缺陷的规律特征：（一）酶缺陷与酶活性（二）底物堆积和产物缺乏（三）底物分子的大小与性质决定了病理损 害的范围（四）临床表型与酶缺陷的关系原因：一、由于编码酶蛋白的结构

11、基因发生突变，引起酶蛋白结构异常或缺失； 二、基因的调控系统发生异常，使之合成过少或过多的酶，引起代谢紊乱。绝大多数先天性代谢缺陷为AR遗传病，也有少数为XR遗传病。二、糖代谢缺陷（一）半乳糖血症（AR）半乳糖-1-磷酸尿苷转移酶基因缺陷使该酶缺乏，导致：累积1-磷酸半乳糖脑智力障碍肝肝硬化肾蛋白尿、氨基酸尿半乳糖半乳糖醇白内障血低血糖半乳糖血症具三种亚型：I; II; III半乳糖半乳糖酸半乳糖醇半乳糖-1-磷酸葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸半乳糖激酶半乳糖-1-磷酸尿苷转移酶*磷酸葡萄糖变位酶尿苷二磷酸半乳糖-4-表异构酶I型II型III型9p1317q241p35-36半乳糖代谢途径*

12、具有多态性（二）糖原累积症（GSD） 由于酶的缺陷，使糖原在肝脏和肌肉中的代谢缺陷所致。（11型）GSD I型：缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，糖原降解代谢受阻，血糖下降；另糖酵解增强，产生大量丙酮酸和乳酸，造成乳酸性酸中毒。三、氨基酸代谢缺陷(一)苯丙酮尿症（PKU）（AR） 因患者尿中排泄大量的苯丙酮酸而得名，是我国法定的在新生儿期普查的3个病种之一。 患者肝脏内苯丙氨酸羟化酶（PAH）缺乏，苯丙氨酸不能转变为酪氨酸而在体内积聚，并在转氨酶作用下形成苯丙酮酸等代谢旁路产物由汗液、尿液排出，更多的产物积聚在血液和脑脊液中，影响大脑发育。 主要症状：智力发育障碍，易激动，好动，肌张力高，共济失调，小便

13、和汗液有特殊“鼠尿味”等。因为脑发育受阻，严重脑力呆滞，智商 050 。 黑色素合成减少，患者的眼睛、毛发和肤色较浅； 5-羟色胺合成减少，影响大脑发育。 遗传学： PKU为AR遗传，PAH基因定位于12q22-q24，cDNA长90kb，含13个外显子， 12个内含子。该基因主要在肝脏中表达。 目前，已发现216种PAH基因突变，其中60%为错义突变，其余为缺失插入和移码突变等。 （二）白化病（AR） 黑色素细胞的酪氨酸酶缺乏，使酪氨酸不能转化为黑色素而导致白化。分4大类： 眼皮肤白化病型：基因定位于11q14 - q21，长50kb，有5个外显子和4个内含子。 眼皮肤白化病型：基因定位于1

14、5q11.2 - q12。最常见类型。 眼皮肤白化病型：基因定位于9p23 眼白化病：基因定位于，多为XR遗传。 白化病发病以点突变为主。 眼皮肤白化病型：基因定位于（三）尿黑酸尿症(AR) 尿黑酸氧化酶缺乏，大量尿黑酸产生。在结缔组织中沉积，导致褐黄病，发展为关节炎。苯丙氨酸酪氨酸黑色素苯丙酮酸苯丙氨酸羟化酶酪氨酸酶对羟苯丙酮酸尿黑酸尿黑酸氧化酶白化病苯丙酮尿症黑尿症苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病四、核酸代谢缺陷次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶缺陷症 （自毁容貌综合症）： HGPRT缺乏，导致体内尿酸增多。 HGPRT缺乏症呈XR遗传，该基因定位于Xq26-q27.2,长约44kb，由9个外显

15、子组成。在3、5和、11号染色体上发现有3个拟基因。已检出突变型20多种。 患者体液内尿酸浓度增高，出现高尿酸血症和尿酸尿。患者智力发育不全，舞蹈样动作和强迫性自残行为，并伴有高尿酸血症、尿酸尿、血尿、尿道结石、痛风等等。第三节 血友病 是一组遗传性凝血功能障碍的出血性疾病，包括血友病A、血友病B、血友病C。又称血浆蛋白病。一、血友病A（XR）凝血因子缺乏症，自发性、反复出血不止。基因位于Xq28二、血友病B（XR）凝血因子IX功能丧失，基因位于Xq26-q27。血凝机制：包括一系列蛋白水解酶活化过程的级联反应。涉及十个左右凝血因子。其中凝血因子 和 位于染色体上。血友病正是因为这两个因子之一

16、的基因发生突变，所以血友病是基因位于 X染色体的隐性基因遗传病。血友病A患者皮下出血第四节 胶原蛋白病也称结缔组织遗传病一、如成骨不全：（ AD ） 一组表现为骨质疏松、脆性症的遗传异质性疾病，有多种类型。COL1 A1基因定位：7COL1 A2基因定位：17COL1 A1基因突变：甘178 半胱 二、Ehlers-Danlos综合征 Ehlers-Danlos综合征（Ehlers-Danlos syndrome，EDS）又称皮肤弹力过度、弹性皮肤和印度橡皮样皮肤。典型的Ehlers-Danlos综合征症状是皮肤可过度伸展，柔软脆弱易碎。皮肤受伤后愈合差，形成特殊的“香烟纸”疤。关节亦可过度伸

17、展，导致髋、肩、肘、膝或锁骨关节易于脱位和受伤。 型Ehlers-Danlos综合征的分子病因可能是编码型胶原纤维1链的基因COL 5A发生了突变。Ehlers-Danlos综合征复 习 题1 血红蛋白病的主要的发生机制。2 a地中海贫血等分子病的主要的发生机制。3举例说明先天性代谢缺陷病的发生机制。4分子病和先天性代谢缺陷病的主要临床症状。5.简述镰形细胞贫血症发生的机制名词解释：地中海贫血（tha1assemia）;融合基因血红蛋白疾病（hemoglobinopathy）分子病（molecular disease）先天性代谢缺陷病（inborn errors of metabolism）群体遗传学复习思考题一、名词解释：基因频率、基因型频率、遗传平衡定律二、问答题1、调查某地区半乳糖血症，该病为AR遗传病，群体发病率为0.000 001，试求致病基因频率和各基因型频率。2、视网膜母细胞瘤属于AD遗 传病，群体发病率为1/10 0