医学遗传学：第4章 疾病的基因结构与表达异常

2023/4/19GeneMutationandDisease1疾病的基因结构与表达异常第四章Gene：

thefundamentalunit

oflife-form

forcarrying、

transmitting

andexpressing

geneticinformation

2023/4/19GeneMutationandDisease2GENOME：GENe+chromosOME

sumtotalofcodingandnon-codingsequences生物体遗传信息的总和2023/4/19GeneMutationandDisease3TheHumanGenome2023/4/19GeneMutationandDisease4基因组不稳定性第一节2023/4/19GeneMutationandDisease5基因组不稳定性：基因组的可遗传性改变生物细胞基因组微卫星不稳定性DNA损伤染色体不稳定性脆性位点与姐妹染色单体交换表观遗传变异基因组结构异常

可遗传性改变遗传因素环境有害因子2023/4/19GeneMutationandDisease6基因组不稳定性产生原因遗传因素：基因组不稳定综合征（DNA复制和修复过程中的关键分子突变）共济失调性毛细血管扩张症(ATM蛋白激酶编码基因突变)着色性干皮病

基因组高度不稳定，常有同源14号染色体易位、14与7、8号或x染色体相互易位2023/4/19GeneMutationandDisease7环境因素：细胞内代谢产物和外界理化因子遗传毒性genotoxicity对DNA直接或间接损伤致突变、致畸和致癌基因组不稳定性产生原因遗传外毒性epigenetictoxicity表观遗传修饰的改变如组蛋白的乙酰化胞嘧啶的甲基化。内活性氧分子DNA自发损伤外紫外线、电离辐射、烷化剂碱基类似物、修饰剂影响DNA甲基化的化学试剂2023/4/19GeneMutationandDisease8基因组不稳定性发生的分子机制1、DNA损伤与修复

—基因组不稳定性的分子基础2、维持稳定性的反式作用蛋白因子促进不稳定性的顺式作用元件

—在基因组不稳定性中起关键作用3、中心体/纺锤体异常

—染色体不稳定性形成的主要原因4、端粒/端粒酶异常，表观遗传学修饰改变

—可引起基因组不稳定性2023/4/19GeneMutationandDisease9脆性位点与疾病：脆性X智力低下基因FRM1动态突变致编码的FMRP蛋白异常可引起FragileXsyndromeFRM1的5’UTR区脆性位点(CGG)n重复序列：正常n=6-50前突变n=50-200全突变n>200(CGG)n重复数目变异

正常前突变全突变PUR-α基因组不稳定性与人类疾病2023/4/19GeneMutationandDisease10基因组不稳定导致BCL-2基因过表达与肿瘤发生着丝粒

端粒缺失片段miR-15a/miR-16-1基因组不稳定性与人类疾病1、14号与18号染色体易位使BCL-2易位到免疫球蛋白重链基因增强子下游而过表达2、13q14.3位点染色体片段易位和丢失可致具有抑癌功能的miR-15a、miR-16-1缺失或下调，导致BCL-2过表达B细胞淋巴瘤/白血病-2基因

(BCL-2)

是重要的凋亡抑制基因2023/4/19GeneMutationandDisease11基因突变与疾病第二节2023/4/19GeneMutationandDisease12

－theheritablepermanentalterationsofgeneticmaterial(DNA)causedbyinternalorexternalfactors.

Mutationsaffectinggermcellsaretransmittedtotheprogenyandmaygiverisetoinheriteddiseases.Mutationsinsomaticcellsarenottransmittedtotheprogenybutareimportantinthecausationofcancersandsomecongenitalmalformations.Gene

Mutation

2023/4/19GeneMutationandDisease131、CausesofGeneMutation

①spontaneousinjury

②Physicalinjury

③Chemicalinjury

④Biologicalinjuryvirusalkylatingagent,baseanalogultraviolet,ionizationradiationbasemispairingduringDNAreplicationspontaneouschemicalalteration2023/4/19GeneMutationandDisease14

2、Typesofgenemutation

(accordingtomolecularmechnisms)

①BaseSubstitution②DeletionorInsertion③GeneRearrangement④DynamicMutation

2023/4/19GeneMutationandDisease15ATCATTCACTATCTTTCACT转换ATCATTCACTATTATTCACT颠换ATCATTCACTATCATCACT缺失ATCATTCACTATCATTTCACT插入ATC-GTT-CAC-GCCATC-GTT-CAT-GCC同义突变

Ile-Val-His-AlaIle-Val-His-AlaATC-GTT-CAC-GCCATC-GTT-CTC-GCC错义突变Ile-Val-His-AlaIle-Val-Leu-AlaATC-GTT-CAG-GCCATC-GTT-TAG-GCC无义突变

Ile-Val-Tyr-AlaIle-Val-stop①BaseSubstitution2023/4/19GeneMutationandDisease16NormalUAC-AGU-CCU-ACA-GAA-AAC-GCUTyrSerProThrGluAsnAla1baseUAC-AGU-CCU-ACA-GAA-AAC-GCUinsertedTyr3baseUAC-AGU-CCU-ACA-GAA-AAC-GCUinsertedTyrProThrGluAsnAla1baseUAC-AGU-CCU-ACA-GAA-AAC-GCUdeletedTyr3baseUAC-AGUCCU-ACA-GAA-AAC-GCUdeletedTyrThrGluAsnAlaArgSerTyrArgLysArgAArgAspAAAThrValLeuGlnLysThr①DeletionorInsertionMayleadtoframeshiftmutation2023/4/19GeneMutationandDisease17相互易位费城染色体新的嵌合基因BCR-ABL强氨酸激酶活性9q34与22q11交换③

GeneRearrangement改变多种蛋白质氨酸磷酸化水平扰乱信号转导抑制凋亡2023/4/19GeneMutationandDisease18

Inheriteddiseasesdisplayincreasingseverityand/oranearlierageofonsetwitheachsubsequentgeneration.75years63years44years

unstabletandemrepeatofthree

nucleotides

(triplet),whichmayleadtothephenotypebecomeprogressivelyworseinlatergenerations,werethebasisofthemutationinsuchinheriteddisease.④

Dynamicmutation2023/4/19GeneMutationandDisease19……AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-TCA……，（CAG重复10次）……AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-TCA……，（CAG重复16次）……AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-TCA……（CAG重复25次）……AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-TCA……，（CAG重复12次）F1代F2代F3代F4代④

Dynamicmutation2023/4/19GeneMutationandDisease20DisorderLocation

RepeatNormalrangeDisease

range

ofgene

sequencerepeatno

repeatno

FRAXXq27.3CCG**6~60pre-mutation60~200fullmutation200~2000HD4p16.3CAG*9~34pre-mutation36~121DM19q13.3CTG***5~37pre-mutation35~80fullmutation80~2000*encoderegion，**5’untranslateregion，***3’UTRFRAX:FragileXsyndrome,HD:HuntingtondiseaseDM:MyotonicdystrophyDisorderscausedbydynamicmutation④

Dynamicmutation2023/4/19GeneMutationandDisease21连接蛋白基因GJB3基因突变可导致神经性耳聋或角化病2个神经性耳聋家系-中国科学家在本土克隆的第一个疾病基因(1998年)IIIIIIIVIIIIII

123412

123456712345WT/WTWT/WTE183K/WTE183K/WTWT/WTWT/WTWT/WTWT/WTR180X/WTR180X/WTR180X/WT38y49y52y56y46y50y43y49y46y51y43y1R180X/WT23yE183K/WT3y

123WT/WTE183K/WTWT/WT32y27y32y3、GeneMutationandDiseaseMutationsingermcellsaretheprimarycauseof

monogenic

inheriteddiseases2023/4/19GeneMutationandDisease22例：癌基因RAS突变：抑癌基因TP53突变失活态激活态上游刺激信号与GEF对Ras的激活释放出下游信号Ras的突变阻断此步骤GTP水解与GAP对Ras的灭活3、GeneMutationandDisease(2)Keyroleofmutationsofsomaticcells

intumorigenesis2023/4/19GeneMutationandDisease23ExogenousFactorsEndogenousFactorsNormalCellsProto-oncogene(sis/ras/myc)ActivationAnti-oncogene(rb/p53)InactivationMutatorgeneDNA-repairGeneApoptosisAnti-apoptosisTumorCellscarcinogenradiationvieusgeneticdefectsCellProliferationDifferentiation&ApoptosisImpediment2023/4/19GeneMutationandDisease243、GeneMutationandDisease(3)Genemutationisbasisofgeneticheterogeneity例1：PTEN基因突变，可以导致多种肿瘤的发生机制：突变的位点具有很大异质性，加之该蛋白功能本身就比较多样和复杂，从而对PTEN蛋白的功能产生不同的影响遗传异质性:

单个基因的突变导致多种不同疾病表型一致的个体或患有同种疾病的个体具有不同的基因型2023/4/19GeneMutationandDisease253、GeneMutationandDisease(3)Genemutationisbasisofgeneticheterogeneity例2：视网膜色素(retinitispigmentosa,RP)变性的遗传方式可为常染色体显性、隐性，也可为x或Y染色体连锁涉及多条染色体的多条基因机制：这些突变涉及的不同蛋白质通过不同途径干扰视细胞与色素上皮细胞的相互作用‘导致光电转化途径异常遗传异质性:

单个基因的突变导致多种不同疾病表型一致的个体或患有同种疾病的个体具有不同的基因型2023/4/19GeneMutationandDisease26遗传多态性与疾病第三节2023/4/19GeneMutationandDisease27一、遗传多态性与自然选择特定人群中染色体的同一位点存在两种或两种以上遗传多态性不连续的变异型或基因型每种基因型比例至少超过1%。在特定人群中稳定传递

自然选择一定的条件下特定人群中Hardy-Weinberg平衡定律

特定染色体位点的基因型频率在世代传递中可以保持不变2023/4/19GeneMutationandDisease28三代遗传标志

(多态性研究工具)一、遗传多态性与自然选择DNApolymorphismmarksystem:①限制性酶切片断长度多态性

RestrictionFragmentLengthPolymorphysm(RFLP)②短串联重复序列(微卫星)多态性

ShortTandemRepeats(STR)③单核苷酸多态性

Singlenucleotidepolymorphysms(SNPs)2023/4/19GeneMutationandDisease29研究复杂疾病的重要工具实现个体化医疗的主要依据二、遗传多态性的分类染色体多态性酶多态性抗原多态性DNA多态性2023/4/19GeneMutationandDisease30染色体形态的微小变异

（大小、形态、着色等）细胞遗传学检测染色体多态性对不孕症和遗传病诊治有重要价值染色体多态性2023/4/19GeneMutationandDisease31抗原多态性免疫系统的关键已发现200多种白细胞抗原人白细胞分化抗原（HLA）已识别出224个基因座位每个座位有多个等位基因型

已发现270种

红细胞血型抗原ABO\Rh\MN等抗原血型

AAABBBHHOABABAHABHB2023/4/19GeneMutationandDisease32酶多态性同工酶—

能催化同一种化学反应但分子结构和组成不同的一组酶

同工酶谱对于了解酶在细胞内的各种代谢途径中的作用、疾病诊断和个体化医疗方面均有重要价值2023/4/19GeneMutationandDisease33单核苷酸多态性(SNP)复杂疾病研究的“锐器”DNA多态性DNA多态性是人类个体差异的决定因素拷贝数目变异(CNV)神经母细胞瘤细胞与正常细胞基因组在CNV上差异明显2023/4/19GeneMutationandDisease34基因表达与调控异常第四节2023/4/19GeneMutationandDisease35基因表达：细胞将DNA序列中的遗传信息经转来和翻译，合成具有生物活性的蛋白质分子发挥生物学效应的过程

时间特异性

—需要严格按特定时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育、生理或病理需要

空间特异性

—在不同阶段同一基因在不同细胞或组织器官中表达水平不同一、基因的表达与调控异常2023/4/19GeneMutationandDisease36（一）基因表达异常导致蛋白质“量”的紊乱一、基因的表达与调控异常血红蛋白珠蛋白基因表达受到精确严密的时空特异性调控2023/4/19GeneMutationandDisease37Hb=heme+4chainofglobin[2a-type(a,x);2b-type(b,g,d,e

)]

Embryo

HbGower1(a2e2

)HbGower2(x2e2)

HbPortland(x2g2)Fetus

HbF(a2g2)Adult

HbA1(a2b2)

HbA2(a2d2)Hemoglobinopathy一、基因的表达与调控异常2023/4/19GeneMutationandDisease38TypePhenotypeCrucialabnormalityAbnormalHBstructurevariantsinglebasemutationofglobin

ThalassemiaunbalancesynthesisrelativedeficiencyofglobinorlackofmRNAHPFHHbFincreaseinadultHPFH=HereditarypersistenceofHbF(a2g2)Hemoglobinopathy一、基因的表达与调控异常2023/4/19GeneMutationandDisease39(1)StructurevariantofglobinsicklecellanemiaSicklecellanemiaisformedbypointmutation(GAGtoGTG)leadingtoreplacementofglutamicacidbyvalineinthe6thaminoacidofthenormalb-globin(bAtobS)

bAchainGAGbSchainGTGHemoglobinopathy一、基因的表达与调控异常2023/4/19GeneMutationandDisease40(b4-inclusion)(a4-sediment)normal(2)Unbalancesynthesis

ofglobin

thalassemia

Mostofa-thalassemiasresultsfromdeletionsofoneormoreofa-globingene.b-thalassemiasiscausedbyvariouspointmutationsinvolvingb-globingene.Hemoglobinopathy一、基因的表达与调控异常2023/4/19GeneMutationandDisease41一、基因的表达与调控异常高度有序多级调控1、基因组DNA水平调控染色体部分丢失或扩增导致基因拷贝数变化（二）基因表达调控是多层次的复杂过程由顺式和反式作用因子相互作用完成2、转录水平的调控3、转录水平的调控mRNA前体的选择性剪接4、蛋白质翻译水平的调控5、蛋白质翻译后水平的调控mRNA5’端帽子结构，非翻译区序列蛋白前体剪切加工、定向运输定位、程序性降解2023/4/19GeneMutationandDisease42二、表观遗传学与基因表达

基因组两类遗传信息

DNA提供的信息提供所有蛋白质的全部核苷酸序列表观遗传学信息提供何时何地如何应用信息的指令基因的新含义

不仅是带有传统遗传学信息的DNA序列而且也保含表观遗传学的修饰信息，确保基因表达在时间和空间上的有序性。（一）表观遗传学修饰也可调控基因表达水平2023/4/19GeneMutationandDisease43（二）DNA高甲基化抑制基因的表达（三）组蛋白高乙酰化能增强基因表达富含CpG位点的区域称为CpG岛，大多位于基因的启动子及第一外显子区域。一般启动子序列的高度甲基化可抑制转录因子的识别，而去甲基化则可诱导基因重新活化和表达。乙酰化主要发生于组蛋白H3和H4，能降低其与DNA链的亲和性，促进各种转录调控因子与DNA结合。甲基化和乙酰化往往同时发生，DNA甲基化区域常伴随组蛋白去乙酰化，共同抑制基因表达，反之亦然。二、表观遗传学与基因表达2023/4/19GeneMutationandDisease44基因正常表达所需表观遗传学条件：启动子区域DNA低甲基化和组蛋白高乙酰化（四）表观遗传学修饰异常与疾病表观遗传异常是癌症、遗传病等的常见发病原因之一。许多致癌物并不引起基因变异，而能诱发甲基化异常。二、表观遗传学与基因表达2023/4/19GeneMutationandDisease45①TATA盒的任一碱基突变可致基因转录效率减少70-80%③位于-90bp的CACCC是红系特异性蛋白结合位点，该处突变将影响启动子与特异蛋白的结合转录起始位点CACCC元件CAAT盒TATA盒

CACCCCACCCGGCCAATCATATAA三、基因转录调控序列-105bp-90bp-30bpβ珠蛋白基因启动子区域的调控序列变化导致b-地中海贫血-70bpDNA调控序列主要指顺式作用元件(启动子、增强子、沉默字等)，调控基因的转录起始和转录速率。转录调控序列结构与功能功能改变是基因表达异常的重要机制2023/4/19GeneMutationandDisease46四、转录因子信号受体细胞浆核膜细胞核蛋白质细胞功能改变

RE靶基因核DNARNA聚合酶共激活子蛋白酶体降解核糖体NF-kBI-kBa核转录因子NF-kB参与转录调控的机制NF-kB过度活跃与多种炎症疾病有关，其持续抑制则可致免疫功能缺陷。

NF-kB表达异常还与多种肿瘤发生有关2023/4/19GeneMutationandDisease47

miRNAs(microRNAs)：endogenous,small,noncodingRNAsthatcontrolgeneexpressionbycombiningtheirtargetmRNAsfordegradationand/ortranslationalrepression.

miRNAsareinvolvedinalmostallcellularfunctions.

AnyabnormalitiesinmiRNAbiogenesismightresultinanabnormalexpressionofthetargetgene,whichhavebeenfoundtobeassociatedwithcancers,

cardiovascular

diseases

andavarietyof

otherdiseases五、microRNA与基因表达调控（一）microRNA是非编码小RNA，广泛参与基因表达调控，与疾病发生关系密切2023/4/19GeneMutationandDisease48（二）microRNA的生物合成及作用机制五、microRNA与基因表达调控细胞核转录Drosha处理出核细胞浆Dicer处理RISCRISCPri-miRNAPre-miRNAPre-miRNA靶mRNA的翻译被抑制转录RISC(RNA-inducedsilencingcomplex),which

maynegativelyregulatesthe

stability

and