第10章 生化遗传学

第十章生化遗传学

（biochemicalgenetics)医学细胞生物学与遗传学教研室师如意

生化遗传学（biochemicalgenetics）：是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。

分子病（moleculardiseases)：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（inbornerrorsofmetabolism）：

通常指由于基因突变而造成的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。

第一节血红蛋白病第一节血红蛋白病一、血红蛋白的分子结构与珠蛋白基因（一）血红蛋白的分子结构及发育变化

1．血红蛋白的分子结构血红蛋白（hemoglobin，Hb）是一种复合蛋白，由珠蛋白和血红素辅基组成。每个血红蛋白分子是由4个亚单位构成的四聚体。每个亚单位由l条珠蛋白肽链和1个血红素辅基构成。

每个亚单位

1个血红素(heme)辅基1条珠蛋白(globin)肽链α：141个氨基酸

β：146个氨基酸

δ

Gγ：在第136位上为甘氨酸者

γ

Aγ：为丙氨酸者ε

ζ

四聚体

4个血红素辅基

4条珠蛋白肽链

2条α链(α或ζ)

2条非α链(β或ε、δ、Gγ、Aγ)

四个这样形成的血红蛋白分子就有这几种类型：

HbGowerl(ζ2ε2)HbGower2(α2ε2)

HbPortland(ζ2γ2)

HbF（α2Gγ2和α2Aγ2）

HbA(α2β2)HbA2(α2δ2)

胚胎血红蛋白

成人红细胞中血红蛋白

2．血红蛋白的发育变化在人体发育的不同阶段，血红蛋白的组成彼此各不相同，上述各种血红蛋白先后出现，并且有规律地相互更替，其合成呈现严格的消长过程。（二）珠蛋白基因人体中珠蛋白是由珠蛋白基因家族编码的，珠蛋白基因家族包括两个珠蛋白基因簇，即：

α珠蛋白基因簇β珠蛋白基因簇

1．α珠蛋白基因簇定位于16p13.33，组成及排列顺序为：5′-ζ2-ψζl-ψαl-α2-αl-θ-3′总长度为30kb。每条16号染色体有2个α基因，正常的二倍体细胞有4个α基因。

α珠蛋白基因簇的排列顺序与发育过程中表达顺序相一致。2．β珠蛋白基因簇β珠蛋白基因簇定位于11p15.5，组成和排列顺序是：5′-ε-Gγ-Aγ-ψβl-δ-β-3′总长度为60kb。每条11号染色体只有1个β基因，正常的二倍体细胞有2个β基因。β珠蛋白基因簇的排列先后也与发育过程的表达顺序相关。3．珠蛋白基因结构各种珠蛋白基因均含有3个外显子（E）和2个内含子（I）。α珠蛋白基因的I1位于31位和32位密码子之间，由117bp组成；I2位于99位和100位密码子之间，含140bp。β珠蛋白基因的I1位于30位和31位密码子之间，为130bp；而I2位于104位和105位密码子之间，约850bp。二、异常血红蛋白

异常血红蛋白（abnormalhemoglobin）指由于珠蛋白基因上碱基发生改变，再由相应的mRNA上编码氨基酸的密码子变异而产生的血红蛋白。这些变异如果使血红蛋白分子的功能、溶解度和稳定性发生异常，就会导致血红蛋白病的发生。最常见而且最具临床意义的血红蛋白变异型是镰状细胞血红蛋白（HbS）、血红蛋白M病、血红蛋白H病和不稳定血红蛋白病等。

(一)镰形细胞贫血症（sicklecellanemia）

遗传方式：常染色体隐性(AR)遗传。分子机制：患者β珠蛋白基因的第6位密码子由正常的GAG变成了GTG（A→T），使其编码的β珠蛋白N端第6位氨基酸由正常的谷氨酸变成了缬氨酸，形成HbS。分子表面电荷改变→疏水区域，导致溶解度下降→HbS聚合形成凝胶化的棒状结构→红细胞变成镰刀状→血粘性增加→栓塞→痛性危象。同时，变形能力降低→挤压时易破裂→溶血性贫血。杂合子（HbAHbS）不表现临床症状，但在氧分压低时可引起部分细胞镰变。红细胞镰刀状改变正常红细胞形状(二)血红蛋白M病（高铁血红蛋白症）遗传方式：呈AD遗传。发病机制：正常血红蛋白（HbA）血红素中的铁原子与珠蛋白链上特定的组氨酸连接（α87组，β92组）和作用（α58组，β63组），保证二价铁离子（Fe2+）的稳定，以便结合氧。

由于基因突变使上述某个氨基酸发生替代，导致部分血红素的二价铁离子（Fe2+）变成高价铁离子（Fe3+），形成高铁血红蛋白，影响携氧能力，使组织细胞供氧不足，产生发绀症状。三、地中海贫血（thalassemia）

患者由于某种或某些珠蛋白链合成速率降低，造成一些肽链缺乏，另一些肽链相对过多，出现肽链数量的不平衡，导致溶血性贫血，称为地中海贫血。

类型：按照合成速率降低的珠蛋白链类型，可以把地中海贫血区分为多种不同的类型：α地中海贫血：α珠蛋白链合成减少β地中海贫血：β链合成减少γ地中海贫血：γ链合成减少δβ地中海贫血：δ和β链合成减少以此类推（一）α地中海贫血（α-thalassemia）按照α珠蛋白链合成速率降低的程度，α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

α链的合成胎儿水肿综合征α0/α0--/--

0%HbH病α+/α0α-/--

25%标准型α地贫αA/α0αα/--50%α+/α+

α-/α-静止型α地贫αA/α+αα/α-75%正常αA/αAαα/αα100%1.Bart’s胎儿水肿综合征发病机制：基因型：α0/α0；基因缺失：--/--患儿发病于胎儿期，由于不能合成α链，γ链便聚合为γ四聚体（γ4），称为Bart

Hb。HbBart’s（γ4）具有很高的氧亲合力，在氧分压低的组织中，不易释放出氧，造成组织缺氧。临床症状：这种胎儿全身水肿，肝脾肿大，四肢短小，腹部因有腹水而隆起，故名Bart’s胎儿水肿综合征，多于妊娠30～40周时死亡或早产，且早产儿于产后半小时内即死亡。2.HbH病

发病机制：基因型：α0/α+；基因缺失：--/-α由于4个α-珠蛋白基因中有3个缺失或缺陷，使α链的合成受到严重影响，大量的β-珠蛋白链过剩而聚合为β四聚体—HbH（β4）。

HbH的氧亲合力高，在正常的生理条件下不易释放出氧。

HbH不稳定，易解体生成游离的β链，沉淀聚积，形成H包涵体，附着于红细胞膜上，使红细胞膜受损，导致慢性溶血性贫血。临床症状：1周岁左右便出现HbH病的临床症状：患儿有贫血，多数患者伴有肝脾肿大及轻度黄疸。少数患者病情较重，并有骨骼变化及特殊贫血面容。感染和服用氧化性药物及妊娠均可使贫血加重。

3.标准型α地中海贫血发病机制：基因型：αA/α0；基因缺失：--/αα或基因型：α+/α+；基因缺失：-α/-α

均缺失2个α基因。由于能合成相当量的α珠蛋白链，所以仅表现出轻度溶血性贫血或无症状。4.静止型α地中海贫血基因型：αA/α+；基因缺失：-α/αα缺失1个α基因由于只有一个基因缺失或突变，故临床上无症状。（二）β地中海贫血（β-thalassemia）按照β珠蛋白链合成速率降低的程度，可以区分为：

β0地中海贫血：完全不能合成β链β+地中海贫血：能部分合成β链

临床上根据患者溶血性贫血的严重程度，将β地中海贫血分为：重型中间型轻型1.重型β地中海贫血基因型：可能是β0/β0、β+/β+、δβ0/δβ0

或β0/β+。发病机制：患者不能合成β链，或合成量很少，结果α链便大大“过剩”而沉降到红细胞膜上，改变膜的性能，引发严重的溶血反应，同时它们可与代偿性表达的γ链组合成HbF（α2γ2）。

临床特征：患儿出生后几个月便可出现溶血反应。由于组织缺氧，促进红细胞生成素分泌，刺激骨髓增生，骨质受损变得疏松，可出现鼻塌眼肿、上颌前突、头大额隆等特殊的“地中海贫血面容”。2.中间型β地中海贫血

基因型：通常为β+（高F）/β+（高F）或β+/δβ+病人的症状介于重型和轻型之间，故称为中间型。3.轻型β地中海贫血

基因型：主要是β+/βA、β0/βA或δβ0/βA等。患者的HbA2（α2δ2）和HbF（α2γ2）可代偿性增高。无任何临床症状。四、血红蛋白病发生的分子机制

无论是异常血红蛋白病还是地中海贫血，都是由珠蛋白基因突变所致。异常血红蛋白病的分子机制：绝大多数是由于单个碱基的替代；少数是移码突变或融合基因形成融合肽链。

㈠点突变

1.单个碱基替代：这是血红蛋白疾病最常见的一种突变类型，见于绝大多数血红蛋白病和β地中海贫血。

2.移码突变：由于珠蛋白基因中发生1、2个碱基的丢失或嵌入，致使后面的碱基排列依次位移，导致重新编码，使珠蛋白肽链的结构或合成速率改变。…137138139140141142143…HbA…ACCUCCAAAUACCGUUAAGCU…

…苏丝赖酪精终止HbW…ACCUCAAAUACCGUUAAGCUG…146

…苏丝

门冬胺苏缬赖亮…

例如：HbWayne，138位丝氨酸密码子TCC丢失1个C，结果142位UAA→AAG（赖氨酸），α链有146个氨基酸。3.密码子的缺失和嵌入是密码子的三个碱基同时缺失或嵌入。它和移码突变不同：除了突变区缺失或嵌入部分氨基酸外，其他部分氨基酸序列完全正常。发生原因：减数分裂时，同源染色体发生错配和不等交换。

4.无义突变是指突变使编码氨基酸的密码子变为终止密码子，因此蛋白质链的合成便提前终止。例如：HbMckees-Rock，其β链只有144个氨基酸残基。5.终止密码子突变由于终止密码子（UAA，UAG或UGA）的DNA序列发生突变，珠蛋白链的合成就不在正常的位置上终止，而继续合成至新的终止密码子，因此生成了延长的异常珠蛋白链。例如：HbConstantSpringα链有172个氨基酸…140141142143144…HbA…UACCGUUAAGCUGGA……酪精终止HbCS…UACCGUCAAGCUGGA…172

…酪精谷酰胺丙甘…该突变基因转录的mRNA不稳定㈡基因缺失和融合基因1.基因缺失

是α地中海贫血形成的主要原因。缺失型α地中海贫血包括两种类型：

α+地中海贫血αº地中海贫血α+地中海贫血有两种类型的缺失：左侧缺失—仅缺失α2基因。右侧缺失—缺失了α2基因的3´端和αl基因5´端，形成了由αl

基因的3´端和α2基因的5´端构成的融合基因。αº地贫包括4种类型的基因缺失:

(1)缺失区包括ζ﹑ψζ﹑ψαl﹑α2﹑αl基因的5′端非编码区及第1至第56氨基酸密码子在内共约25kb的片段，残余的αl基因无功能；

(2)缺失涉及ψζ﹑ψαl﹑α2﹑αl基因，缺失的长度尚未准确定出，但至少缺少17.4kb；(3)缺失涉及ψαl﹑α2﹑αl基因,缺失长度缺少17.5kb；

(4)缺失仅涉及α2﹑αl基因5′端片段,残余的αl基因无功能,缺失长度为5.2kb。

2.融合基因由两种不同基因局部片段拼接而成的DNA片段称为融合基因，可编码融合蛋白。例如HbLepore：其α链结构正常，但非α链是由δ和β链连接而成，其N端与δ链相同，C端与β链