基因突变和疾病

1015（三）生物因素病毒（如流感病毒、麻疹病毒、风疹病毒等）是诱发突变最常见的生物因素。病毒感染细胞后通过把全部或部分基因组整合进入宿主染色体诱发基因突变或通过病毒信息表达而诱发基因突变。早期胚胎的体细胞对病毒感染尤为敏感，故妊娠早期病毒感染常常引起体细胞突变而导致胎儿畸形。除病毒外，某些真菌和细菌所产生的毒素或代谢产物也能诱发突变，如黄曲霉毒素就有致突变作用并可引起癌变。第二节基因突变的特征、类型和意义一基因突变的特征（一）多向性基因突变的方向是多样的，即同一基因可独立发生多次突变构成复等位基因（multiplegene）。例如，人类的ABO血型就是由Ia、Ib、i三种基因构成的复等位基因所决定的，即由一个i基因经两次不同的突变分别形成Ia、Ib而构成，从而在人类存在IaIa、IbIb、ii、lAlB、lAi、lBi六种基因型及A、B、AB和O型四种不同的ABO血型的表现型。基因突变的方向也是可逆的。例如，显性基因A可以突变为隐性基因a（正突变），此隐性基因a又可突变为显性基因A而恢复原来状态（回复突变）。因此，突变并非基因物质的丧失，而是发生了化学变化。（二）有害性生物在长期进化过程中，形成了遗传基础的均衡系统，任何基因突变均将扰乱了原有遗传基础的均衡，从而引起个体正常生命活动出现异常如生长发育缺陷，也可引起人类多种遗传病的发生，人类肿瘤也与体细胞突变有关。基因突变的有害性是相对的，突变也为基因获得新的、更好的功能提供了机会。（三）重复性基因突变在一个群体中可多次重复地发生。即同种生物中相同基因的突变可以在不同个体中重复出现，例如，人的白化基因突变可以在不同个体重复出现。各种基因在一定的群体中都有一定的自然突变率。据统计，人类基因的自然突变率为10-4〜10-6/生殖细胞/代，即每一万个到百万个生殖细胞中，就有一个基因发生突变。（四）随机性不同个体、不同细胞或不同基因，其突变的发生都是随机的，即具有相等的突变机会，符合正态分布的特点。许多实验证明，在同一个细胞中同时有两个基因发生突变的概率，等于这两个基因分别发生突变概率的乘积，说明对不同的基因来说，其突变是随机的。二基因突变的类型（一）根据发生的原因分为：.自发突变（spontaneousmutation）指未受诱变剂作用而自发出现的突变，属于遗传物质在复制过程中随机发生的误差，人类单基因病大多为自发突变的结果。.诱发突变（inducedmutation）指有明确诱变剂（物理、化学和生物等因素）作用而诱发的突变。目前认为，人类肿瘤的发生与多次诱发突变的积累有关。（二）根据突变的细胞不同分为：.生殖细胞突变（germcellmutation）指发生于生殖细胞并通过受精卵直接传给子代的突变。如在第一代中就得到表现的突变为显性突变；如果突变基因的遗传效应被其等位基因所掩盖而在子代中不表现出来为隐性突变。生殖细胞在减数分裂时对诱变剂比较敏感，其突变率高于体细胞的突变率。.体细胞突变(somaticmutation)指在体细胞中发生和传递的突变。由于体细胞突变不影响生殖细胞，故该突变基因不会传递给子代，但突变的细胞会形成一团基因型与体内其他细胞不同的细胞群，故可引起疾病。目前认为体细胞突变是肿瘤发生的重要机制，肿瘤是一种体细胞遗传病。(三)根据碱基改变分为：.碱基置换突变(basesubstitutionmutation)指DNA复制时因碱基互相取代导致错误配对所引起的突变。一种嘌呤或嘧啶分别换成另一种嘌呤或嘧啶称为转换(transition)；例如，异常血红蛋白HbC就是由于B-珠蛋白基因的第6位三联体GAA变为AAA,转发后mRNA中的密码子相应发生改变，翻译后的多肽链中谷氨酸变为赖氨酸所致。如果一种嘌呤或嘧啶分别被一种嘧啶或嘌呤取代称为颠换(transversion)。例如，异常血红蛋白HbS就是由于B-蛋白基因的第6位三联体GAG变为GTG,转录后mRNA的密码子由GAG变为GUG,翻译后的多肽链中谷氨酸变为缬氨酸所致。碱基置换改变了密码子的组成，可能会出现4种不同的效应：(1)同义突变(cosensemutation)指碱基置换后，密码子虽发生改变，但其编码的氨基酸并未改变，并不影响蛋白质的功能，不发生表型的变化，即改变前后的密码子为同义密码子。(2)错义突变(missensemutation)指碱基置换后的密码子为另一种氨基酸的编码，导致氨基酸组成发生改变，产生异常的蛋白质。例如，珠蛋白生成障碍性贫血就是由于外显子1第26个密码子由GAG错义突变为AAG,使生成的多肽链中第26位氨基酸由谷氨酸变为赖氨酸所致。(3)无义突变(nonsensemutation指碱基置换后，使原来编码某一个氨基酸的密码子变为终止密码子，使多肽链合成提前终止，使蛋白质失去活性。例如，异常血红蛋白HbMcKees-Rock就是由于B-珠蛋白第145位编码中TAT变为TAA,经转录后UAU变为UAA(终止密码子),翻译时多肽链合成提前终止，成为缩短的B链之故。(4)终止密码突变：指碱基置换后使原终止密码子变成编码某一个氨基酸的密码子，从而形成延长的异常多肽链。.碱基插入性和缺失性突变在DNA编码序列中插入或缺失一个或几个碱基对(3个或3n个除外)，从而使插入或缺失点以下的DNA编码框架全部改变，这种基因突变称为移码突变frameshiftmutation)。其结果导致插入或缺失以下部分翻译出的氨基酸种类和顺序也发生改变。如果在DNA编码序列中插入或缺失某些碱基对的片段，称为片断突变，其结果导致蛋白质改变更加复杂。例如，假肥大型肌营养不良症的基因就有几个kb的缺失，从而导致严重的遗传病。一般来说，在一定条件下，基因突变在各世代中能保持相对稳定的突变率，即静态突变。长期以来，人们认为单基因遗传病是点突变引起的。近年来发现，由于脱氧三核苷酸串联重复扩增，也可引起单基因疾病，而且这种串联重复的拷贝数可随世代的递增而呈累加效应，称为动态突变(dynamicmutation)。例如，脆性x综合症就是由于三核苷酸(CCG)n重复序列的拷贝数增加所致。尽管自然界中诱变因素很多，基因突变经常发生，但DNA分子能表现出高度的稳定性，这是由于细胞内具有三种DNA修复系统：①光修复(photo-repair):通过波长为300〜600nm的可见光照射，激活光修复酶(photolyase),将紫外线照射后产生的嘧啶二聚体分解为原来的非聚合状态，使DNA恢复正常构型。②切除修复(excisionrepair)：通过特异的内切核酸酶识别DNA损伤部位，再在外切核酸酶的作用下切除损伤的单链片断。在DNA聚合酶的作用下，以损伤处相对应的互补链为模板，合成新的DNA单链片段来填补切除后的空隙。然后在DNA连接酶的作用下将新合成的单链片断与原有的单链以磷酸二酯键相接完成修复过程。③复制后修复(postreplicationrepair)：又称重组修复。当DNA分子损伤面较大，复制的新子链会出现缺口，此时，通过重组蛋白的作用，完整的母链与有缺口的子链发生重组，母链的核苷酸片段填补子链上的缺口。重组后原来母链中的缺口可以通过DNA聚合酶的作用，以对侧子链为模板，合成单链DNA片段来填补，然后在连接酶作用下，以磷酸二酯键使新片段与旧链相连接而完成修复过程。三基因突变的意义基因突变可引起人类疾病，但其有害性是相对的，从生物进化的角度来看，突变也有其积极的意义。（一）突变是生物进化、分化的分子基础基因突变是生物界中普遍存在的现象，没有遗传物质的突变，就没有生物的进化。当突变的基因使机体能更好地适应环境或有更优势的竞争力，带有这种突变基因的个体就会在自然选择中更加优化，生存率就会提高，平均寿命就会延长。例如，一个B-淋巴细胞克隆只能产生一种针对特定抗原的免疫球蛋白，但编码相应免疫球蛋白的基因是在漫长的进化过程中由外来的新抗原诱发基因突变而获得的。带有这种突变基因的细胞发生克隆扩增（clonalexpansion）,从而使机体获得了产生新的免疫球蛋白的能力。有些突变只有基因型改变而没有明显的表型改变。多态性（poly-mophism）就是用来描述个体之间基因型差别的现象。法医学上的个体识别、亲子鉴定、器官移植的配型等均要采用DNA多态性分析技术。（二）突变是某些疾病的病变基础突变基因改变了原有的结构与功能，导致原有的遗传性状发生改变，其中一部分基因突变可导致遗传病或具有遗传倾向的病甚至肿瘤。如血友病是凝血因子基因的突变、地中海贫血是珠蛋白的基因突变等。具有遗传倾向的高血压病、糖尿病、溃疡病等系多基因变异与环境因素共同作用的结果。肿瘤是体细胞基因突变的结果。尚需指出，一种基因突变愈有害，选择对它的作用就愈强，适合度（即生物生存和生育并把基因传给后代的能力)也就愈低，这类突变基因很少传给后代。例如，先天性鳞皮病患儿多在胚胎期死亡，先天性肌弛缓患儿多在1岁内死亡。血友病、苯丙酮尿症等虽能活到生育年龄，但生育力比正常人低很多。因此，这种基因的频率就很低，不会增加群体的遗传负荷。亦有许多突变基因不会引起疾病，因为不同基因的产物在功能上可能互相代偿。致病基因与疾病表型也并非完全对应，同一基因的不同突变可以引起不同疾病表型，同一疾病表型也可能由不同基因突变所引起。有些遗传病对生存和生育影响不大；有些遗传病到生育年龄时才发病，这类突变基因能传给子代。特别是隐性基因突变后，往往以携带者形式在群体中散布，增加群体的遗传负荷，使遗传病发病率增加。因此，控制环境条件，把基因突变的有害性控制在最低限度，对于降低群体遗传病的发病率，具有实际意义。总之，低水平的突变率在进化进程中可以保证种群中优化基因和致病基因之间的平衡。它即是生物进化的源泉，也是某些疾病的基础。第三节基因突变与基因病基因病(genedisease)是指基因突变或其表达调控障碍引起的疾病，包括单基因病和多基因病。据统计，人类单基因病已达6457种，平均年增170种。约有15％~20％的人受多基因病所累，基因突变及其表达调控障碍在疾病发生中具有重要作用。一、单基因病单基因指的是决定某遗传性状的一对等位基因；单基因遗传指某种性状的遗传主要受一对等位基因的控制。单基因病(monogenicdisease)是由于单基因突变而发生的疾病。等位基因基本上按照孟德尔定律进行传递，所以，单基因病的传递方式按孟德尔定律传至后代。根据突变基因所在位点和性状的不同而分为下列三种类型：(一)常染色体显性遗传病常染色体显性遗传病(autosomaldominantdisorder,AD)的致病基因位于1~22号常染色体上，等位基因之一发生突变，遗传方式是显性的。此类患者的异常性状表达程度可不尽相同。杂合子可以完全表现出与显性纯合子相同的性状，这种情况为完全显性(completedominance)，大多数常染色体显性遗传病属于此类。在某些情况下，显性基因性状表达极其轻微，甚至临床不能查出，这种情况称为失显。由于某种原因杂合子的显性基因不表现相应的性状，在系谱中可以出现隔代遗传的现象。称为不规则显性(irregulardominance)。如杂合子的表现型介于纯合子显性与纯合子隐性之间，其临床表现较纯合子轻，称为不完全显性(incompletedominance)。一对等位基因，彼此之间无显隐关系，杂合时，两种基因分别表达其基因产物，形成相应的表型，称为共显性(codominance)。由于致病基因位于常染色体上，故男女发病机会均等。患者的双亲等中往往有一个为患者，但绝大多数为杂合体，子代中有1/2机率发病，并可出现连续遗传现象。目前，已发现的常染色体显性遗传病有2400多种，较常见的有遗传性球形红细胞增多症、多发性家族性结肠息肉症、a-珠蛋白生成障碍性贫血、多囊肾等。(二)常染色体隐性遗传病常染色体隐性遗传病(autosomalrecessivedisorder,AR)的致病基因位于常染色体上，基因性状是隐性的，即只有隐性基因为纯合子时才可显示症状。此种遗传病双亲均为致病基因携带者，子女中有1/4的风险为患者，男女发病机会均等，多为散发或隔代遗传，多见于近亲婚配的子女。目前已发现常染色体隐性遗传病有1500多种，较常见的有镰形红细胞贫血，B-珠蛋白生成障碍性贫血、苯丙酮尿症、白化病、先天性聋哑、高度近视、肝豆状核变性等。(三)性连锁遗传病性连锁遗传病（sex-linkeddisorder）的致病基因位于性染色体上，它随着性染色体而传递给子代。X连锁隐性遗传较多见。致病基因位于X染色体上，性状是隐性的杂合时并不发病。由于男性只有一条X染色体，尽管致病基因是隐性的，也会出现相应的遗传性状或遗传病；而女性存在两条X染色体，当她只有一个隐性致病基因时，则不会发病，而是携带者。只有当女性是致病基因的纯合子时才会发病。故此类疾病男性多见，且多是患父通过女儿遗传给外孙。常见有色盲、血友病、葡萄糖-6-磷酸酶缺乏症等。性连锁显性遗传致病基因位于X染色体上，性状是显性的，故男女均可发病。由于女性有两条X染色体，任何一条有致病基因均可发病。男性只有一条X染色体，故女性发病率为男性的2倍。此类疾病有抗维生素D佝偻病、遗传性肾炎等。Y连锁遗传较少见。致病基因位于Y染色体上，故系全男性遗传。如Y染色体上性别决定区基因点突变或缺失，将导致睾丸发育不全。二、多基因病一些遗传性状或遗传病的遗传基础不是一对基因，而是受多对基因控制，每对基因彼此之间没有显性与隐性的区分，而是共显性。这些基因对该遗传性状形成的作用较小（微效基因），但多对基因累加起来，可以形成一个明显的表型效应，即累积效应。上述遗传性状形成，除受微效基因的影响外，也受环境的影响。这种性状的遗传方式称为多基因遗传，由这种方式传递的疾病为多基因病（polygenicdisease）。多基因病的发病受遗传和环境因素双重影响，其中遗传因素所起作用大小称为遗传率或遗传度，一般用百分率来表示。凡遗传度＞60%，表明遗传率高，环境作用小，此类疾病不易控制。如精神分裂症、先天性巨结肠、唇裂、腭裂等。有的遗传率不足40％，如消化性溃疡（遗传率37%），说明环境因素在发病中具有重要作用，易于控制。常见的多基因病（遗传率）有精神分裂症（80％）、支气管哮喘（80％）、青少年型糖尿病（75％）、冠心病（65％）、高血压病（62％）、消化性溃疡（37％）、各型先天性心脏病（35％）等。多基因病有如下特点：.发病有家族聚集倾向，患者亲属的发病率高于群体发病率。.随着亲属级别的降低，发病风险也相应降低。.多基因病再现率随妊娠次数及疾病严重程度而相应增高。.发病率有种族（民族）差异，这表明不同种族（或民族）的基因库是不同的。值得指出的是，基因突变与肿瘤有密切关系，肿瘤也属于基因病范畴。除少数肿瘤（如家族性结肠息肉症、神经纤维瘤病、恶性黑色素瘤）属于单基因病外，绝大多数肿瘤属于多基因病范畴。涉及多种基因（包括癌基因、抑癌基因、凋亡调节基因、DNA修复基因的改变（参阅病理学第五章）。第四节基因诊断与治疗的病理生理基础随着现代分子生物学研究的不断深入，对基因病发病机制、诊断及防治的研究已达到分子水平，从基因水平诊断和防治疾病已成为现代医学的重要课题。一、基因诊断的病理生理基础基因诊断（genediagnosis）就是利用现代分子生物学和分子遗传学的技术方法，直接检测基因结构及其表达水平是否正常，从而对疾病作出诊断的方法。基因诊断的检测目的物是DNA或RNA,前者反映基因的存在状态，后者反映基因的表达状态。传统的诊断方法主要以疾病的表型改变为依据，生物个体的表型性状是基因在一定条件下的体现，基因的改变可导致各种表型的改变而出现疾病。近年来随着分子生物学技术的飞速发展，使开展基因诊断成为可能。基因诊断的特点：①以基因作为检测目标，属于病因诊断，针对性强。②分子杂交技术选用特定基因序列作为探针，特异性强。③采用分子杂交和聚合酶链反应（PCR）技术，灵敏度高。④诊断范围广。检测的基因可为内源基因（即机体自身的基因）和外源基因（如病毒、细菌等），前者用于诊断基因有无病变，后者用于诊断有无病原体感染。基因诊断的常用技术方法有核酸分子杂交、PCR和DNA芯片技术等。基因诊断常用于：①用于遗传病诊断，基因诊断最早用于遗传病的诊断，如血红蛋白病、苯丙酮尿症、脆性X综合症、家族性高胆固醇血症、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏症等，基因诊断对遗传病的早期防治和优生有实际意义。②用于肿瘤诊断，肿瘤的发生发展均与基因的变化密切相关，基因结构和表达的异常是肿瘤病变的主要因素之一。基因诊断除用于细胞癌变机制的研究外，在临床应用方面也显示了潜在的价值，如对肿瘤进行早期诊断和鉴别诊断、肿瘤分级、分期及预后的判断、指导抗癌药物的应用及疗效评价、高危人群及易感人群中肿瘤的筛查及患癌危险性预测等。③用于诊断感染性疾病，由于基因诊断具有高度敏感性和特异性，可广泛应用于病毒、细菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体以及寄生虫感染的诊断。不仅可以检出正在生长繁殖的病原体,而且也能检出潜伏的病原体。对那些不容易培养的病原体（如立克次体）也可用基因诊断进行检测。④在器官移植组织配型中的应用，基因诊断技术能够分析和显示基因型，故能更好地完成器官移植术前的组织配型，能大大地提高器官移植的成功率。⑤在法医学中的应用，主要是针对人类DNA遗传差异进行个体识别和亲子鉴定，DNA指纹个体识别率很高，用于个体识别和亲子鉴定具有很强的特异性。DNA指纹技术还可用于犯罪物证的检验。有时犯罪物证的量甚少，不足以用来进行DNA指纹分析，PCR技术的应用有效地解决量少的问题，对于犯罪现场中遗留的少量生物物证，如一根头发、一滴血、少量精液等都能用于分析，基因诊断的高灵敏度为法医物证检验提供了