医学遗传学课件：第十一章生化遗传病

1、第十一章 生化遗传病,包括分子病(molecular disease)和先天性代谢缺陷(inborn error of metabolism) 分子病：血红蛋白病、血浆蛋白病、受体病、膜转运蛋白病等。 先天性代谢缺陷又称为遗传性酶病，主要指代谢过程中酶缺陷所导致的疾病。 生化遗传病绝大多数属于常染色体隐性遗传，少部分为X连锁隐性遗传，极少部分为常染色体显性遗传。,本章内容提示,分子病（molecular disease) 血红蛋白病（hemoglobinpathy） 血红蛋白类型（HbF, HbA2 ,HbA)及发育变化 遗传控制：类链 （排列、定位） 类链 （排列、定位） 异常血红蛋白病及分

2、子基础 地中海贫血： 地贫（基因型，临床症状，分子基础） 地贫（基因型，临床症状，分子基础）,分子病 Molecular disease 由遗传性基因突变或获得性基因突变使蛋白质的分子结构或合成的量异常直接引起机体功能障碍的一类疾病称为分子病。1949年Pauling L对镰状细胞贫血病患者的血红蛋白HbS电泳分析，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。分子病的种类：依据蛋白质功能可将其分为 1、运输蛋白病 2、凝血及抗凝因子缺乏症 3、免疫球蛋白病 4、膜转运蛋白病 5、受体蛋白病 6、胶原蛋白病,血红蛋白病Hemoglobinopathy： 由于珠蛋白分子结构异常或合成量

3、异常所引起的疾病。 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，是研究人类分子病的最好模型。 原因： 1）红细胞取材方便，来源丰富 2）血红蛋白浓度高，不需纯化 3）网织红细胞含有、珠蛋白mRNA，便于克隆其cDNA 4）血红蛋白异常引起的疾病种类很多,(一) 血红蛋白概述 -Hb的组成、结构及类型,正常Hb的组成 是一种结合蛋白： 血红素 珠蛋白 （Heme) (globin) 每个Hb单体是由 一条珠蛋白肽链 和一个血红素组成的。 个Hb单体 一个球形四聚体,1、,第一节 血红蛋白病与珠蛋白生成障碍性贫血,一、血红蛋白的分子结构极其遗传控制,血红蛋白 链,血红蛋白的一、二级结

4、构：氨基酸排列顺序及多肽链螺旋 类链：（、 ）141个氨基酸 类链:（、）146个氨基酸,血红蛋白链， 螺旋结构。,三级结构,四级结构,（二） 血红蛋白基因,排列紧密，有共同起源，含有假基因 7个基因，定位于16p13 5- - - 1 - 2 -2 -1- - 3 6个基因，定位11p15 5-2 - G- A-1 - - -3 -3,珠蛋白基因特点,珠蛋白Gene 簇,珠蛋白Gene簇,1、珠蛋白基因簇,16p13.33-p13.11,2、珠蛋白基因簇,1115.5,（三）血 红 蛋 白 类 型,人类正常血红蛋白的组成和发育变化,（四）Hb发育演变与遗传控制, 胚胎早期先合成和Hb Gow

5、er（ 2 2 ） 同时或稍后合成和Hb Gower （ 2 2 ） Hb Portland （ 2 2 ） 12周时和逐渐消失， 链迅速增加， 开始合成，HbF为主（ 2 2 ）。 妊娠末期和出生不久， 链迅速降低， 链迅速增加，HbA为主（ 2 2 ）。,Hb发育演变,0 2 4 6 8 Birth 2 4 6 8 Months,人类正常血红蛋白的组成和发育变化,（五）、珠蛋白基因结构及表达,珠蛋白基因： IVS1由117bp组成，位于31和32密码子之间， IVS2由149或140bp组成，位于99和100密码子之间。 珠蛋白基因： IVS1含130bp，位于30和31密码之间， IVS

6、2大约含850bp，位于104和105密码子之间。,基因结构: 非常相似，均为3个外显子，2个内含子(IVS1、 IVS2）,基因结构：,1 31 32 99 100 141,基因结构,1 30 31 104 105 146,二、血红蛋白变异体与血红蛋白病（一）血红蛋白变异体,异常血红蛋白病的分子基础 珠蛋白基因突变 主要类型： （1）单个碱基置换 （2）移码突变 （3）密码子的缺失和插入 （4）融合基因,一）单个碱基的替代（占90%） 1、错义突变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。例： HbS,2、无义突变 原密码子终止密码肽链合成提前终止 例：Hb Mckee

7、s-Rock 145,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） Hb McKees-Rock Lys （终止）,3、终止密码突变终止密码编码氨基酸的密码，导致肽链异常延长。例： Hb Constant Spring 142,DNA 139 140 141 142 143 Hb A AAA UAC CGU UAA GCU Hb Constant-Spring AAA UAC CGU CAA GCU,PROTEIN 139

8、 140 141 142 143 Hb A Lys Tyr Arg （ 终止） Hb Constant-Spring Lys Tyr Arg Gln Ala-172,二）整码突变 密码子的三个碱基同时缺失或插入,例： Hb Gun Hill 89AGUGAGCUGCACUGUGACAAGCUGCAC GUG 98 -丝谷亮组半胱门冬赖亮组缬-,-丝谷亮组缬-(91-95缺失，后面氨基酸顺序不变）,三） 移码突变 在正常密码子中插入或缺失一个或几个碱基,导致该位点后面编码的氨基酸种类顺序改变. 例： loss 正常Hb 137-ACC UCC AAA UAC CGU UAA 苏-丝-赖-酪-精-

9、 终 Hb Wayne ACC UCA AAU ACC GUU AAG 苏-丝-冬胺-苏-缬- 赖,插入AG,四）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. 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。 下图中的Hb Lepore是由、链连接而成，称而反Lepore是由、链连接而成，称链,（二）血红蛋白病,异常Hb病： 基因突变导致珠蛋白结构改变 例如：镰状细胞贫血 地中海贫血： 基因突变导致珠蛋白肽链合成缺乏 或合成量异常 如、地贫,一）异 常 血 红 蛋 白 病,由于珠蛋白基因突变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。,主要类型： （1）镰状

10、细胞病 （2）不稳定血红蛋白病 （3）血红蛋白M病 （4）氧亲和力改变的血红蛋白病,1、镰 状 细 胞 病, 遗传方式：AR,形成原因： 链第6位谷氨酸被缬氨酸取代，形成Hb S。在缺氧情况下，HbS聚合形成长棒状聚合物，使细胞镰变变形能力低引起血粘度增高，导致溶血、贫血、血管梗阻性继发症状。, HbSHbS 镰状细胞病 HbAHbS 镰形细胞性状 HbAHbA 正常人,临床症状： 血管阻塞的继发症状：一过性剧痛（腹痛、关节痛）,脑血管意外 急性大面积组织损伤：心梗，肺、肾脏损伤； 慢性溶血性贫血 患者多在成年以前死亡 诊断：血涂片亚硫酸钠“镰变试验”阳性 电泳：有一“”区带,AD（不完全显性

11、）现已发现90余种。 分子机制：肽链上与血红素紧密结合的氨基酸发生替代或缺失，损伤了肽链的立体结构，使其与血红素的结合能力减弱，形成不稳定的异常血红蛋白易氧化在红细胞内聚集沉淀，形成Heinz小体，红细胞变形能力降低，通过微循环时容易被脾窦滞留破坏，从而导致血管内外溶血。 代表疾病：Hb Bristol 形成原因：链第67位缬氨酸被天冬氨酸取代 临床症状：先天性溶血性贫血、黄疸、脾肿大,2、不稳定血红蛋白病,3、血 红 蛋 白 M 病 （遗传性高铁血红蛋白病）, 形成原因： 肽链中与血红素铁原子连接的组氨酸发生替代，导致部分铁原子呈稳定的高铁状态，影响Hb正常带氧功能, 临床表现： 紫绀和继发

12、性红细胞增多, 遗传方式：AD,4、氧亲和力改变的血红蛋白病, 形成原因： 由于珠蛋白基因突变致Hb肽链上氨基酸发生置换，致使Hb分子与氧的亲和力增高或降低，运输氧功能改变。, 临床表现： 红细胞增多症和紫绀,二）地中海贫血 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。 珠蛋白基因缺失/突变导致某种珠蛋白链合成障碍造成链和链合成数量不平衡，引起的溶血性贫血称为地中海贫血。,地中海贫血由于珠蛋白基因的缺失或缺 陷使链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。 特点：b 都表现为低色素性贫血,地中海贫血由于珠蛋白基因的缺失或缺陷

13、使链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。,地中海贫血,1、地中海贫血,每条16号染色体上有两个Gene缺失程度不同，链合成部分或完全受到抑制，导致不同类型的地贫。 若一条染色体上缺失一个基因（）为+地贫，链合成减少。 若一条染色体上两个基因均缺失（ ）为0地贫，链不能合成。,胎 儿 水 肿,地贫的分子基础,依基因缺陷程度分为： Gene缺失型（缺失1个基因） 非Gene缺失型（点突变）：无义突变、移码突变、终止密码突变、剪接突变等 结果 1 生成无功能或稳定性降低的mRNA 无义突变 移码突变 终止密码突变 起始密码突变 2 RNA加工突变 3 产生不稳定Hb,2、 -地中海贫血,珠蛋白Gene

14、 突变或缺失珠蛋白链合成速 率下 降溶血性贫血 0 地贫：链完全不能合成 + 地贫：链可部分合成,-地中海贫血临床分类,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,总 结, 异常血红蛋白病和地中海贫血有共同的分子基础 突变、缺失, 基因缺失是引起地中海贫血的主要原因, 基因突变是引起地中海贫血的主要原因,1908年，Garrod A在皇家伦敦医学院发表了题为“先天性代谢缺陷”的著名报告，他公布了四种人类罕见疾病： 尿黑酸尿症 戊糖尿症 胱氨酸尿症 白化病

15、 Garrod 对尿黑酸尿症的开拓性的研究开辟了生化遗传学这一领域,“先天代谢缺陷”概念提出,第三节 酶蛋白病,先天代谢缺陷产生机制,1、 酶活性异常的遗传基础 1）结构基因突变酶结构改变，稳定性降低，酶动力学改变。 2）调节基因突变酶合成速率下降，催化活性降低， 3）翻译后修饰加工障碍酶催化中心不完善，活性下降。,代谢异常机理,Gene AB BC C/D transcribtion mRNA translatin Enzyme（酶） S(底物 ） A B C D E F 代谢旁路开放,先天代谢缺陷代表疾病,氨基酸代谢病： PKU 白化病 糖代谢病：半乳糖血症 糖原贮积症 嘌呤代谢病：自毁容

16、貌综合征 受体蛋白病：家族性高胆固醇血症,发病环节：酶缺乏导致旁路代谢产物增多 遗传方式：AR 缺乏的酶：苯丙氨酸羟化酶 遗传基因定位： PAH基因 12q24.1 全长90Kb，13个外显子，12个内含子。 目前已发现近200种错义突变,一、氨基酸代谢病 （一）苯丙酮尿症 (PKU)（AR）,临床症状： 本病经典型以智能发育不全为主要特征 。 旁路代谢产物苯丙酮酸苯乳酸苯乙酸 从汗液尿液排出，毛发、皮肤和尿有特殊气味 黑色素生成减少，患者毛发和皮肤颜色浅 神经递质生成受影响，患儿智力低下。 治疗：低苯丙氨酸饮食 早期治疗以避免神经系统损伤， 减少智力损害 生化手段可作新生儿筛查,恶性苯丙酮尿

17、症：,二氢蝶呤还原酶的缺乏使苯丙氨酸在体内积累，导致恶性苯丙酮尿症。,苯丙氨酸 酪氨酸 多巴 儿茶酚胺,苯丙酮酸,苯乙酸 苯乳酸,尿黑酸,乙酰乙酸,黑色素,甲状腺素,苯丙氨酸、酪氨酸代谢,（二）尿黑酸尿症,临床特征：黑尿、大关节、脊柱椎间盘 退行性关节炎褐黄病。 上腭出现兰色或黑色的色素斑， 眼巩膜、肋软骨出现黑色沉淀 （内源性尿黑酸自身氧化形成的产物沉淀所致）,临床症状：,新生儿和儿童期： 尿黑酸尿是唯一的特点； 成人期： 除了尿黑酸尿以外，由于尿黑酸增多，并在结缔组织中沉着，而导致褐黄病（ochronosis），如果累及关节的话则进展为褐黄病性关节炎（ochronotic arthriti

18、s）。,推测病因,代谢 转化 正常人：苯丙Aa、色Aa尿黑酸 另一代谢产物 不蓄积 尿黑酸患者：苯丙Aa、色Aa 尿黑酸/另一代谢产物 大量贮积，尿中排出,实验分析,尿黑酸患者 服食尿黑酸尿中定 量排出 高蛋白饮食（含苯丙Aa、 色Aa）内源性尿黑酸 受试者 正常人 服食尿黑酸不排出 高蛋白饮食（含苯Aa、 色Aa）无尿黑酸检出,证实病因尿黑酸氧化酶 缺乏,假设50年后被证实：患者的肝脏中检测不到尿黑 酸氧化酶，此酶负责尿黑酸进一步代谢。 苯丙Aa 苯丙Aa羟化酶 酪Aa 酪Aa氨基转移酶 p-羟基苯丙酮酸 p-羟基苯丙酮酸氧化酶 尿黑酸 尿黑酸氧化酶 延胡索酸+乙酰乙酸,尿黑酸症遗传学分析,

19、尿黑酸尿症呈现家族分布：17个尿黑酸尿症家庭中有8个父母是一级表兄妹。一级表兄妹婚配为一种罕见的隐性性状的表现提供了条件 是第一种被确认的常染色体隐性遗传病。 正常等位基因是未受累个体特异的酶产物所必需的，这是关于基因通过编码的酶施加其影响最初的线索。所以Garrod的工作预言了“一个基因一种酶”的假说。,（三）白化病Albinism,发病环节：酶缺乏导致代谢终产物缺乏 遗传方式：AR 缺乏的酶：酪氨酸酶，导致终产物黑色素缺乏 遗传基因OCA1定位：11q14-q21 I型酪氨酸酶阴性。 II型酪氨酸酶阳性。能合成褐黑色素，不能合成真黑色素，病因不明。 两个白化病人婚配可能生出正常儿，因为一个

20、是I型，另一个为II型： aaBBAAbbAaBb II型：15q11.2-q12 型：9p23 型：5p13.3,临床症状： 皮肤呈白色，头发呈银白或淡黄色 虹膜及瞳孔呈淡红色，视网膜无色素 视物模糊，眼球震颤，羞明 易患皮肤癌,白化病 Albinism,#发病环节：酶缺乏导致代谢中间产物堆积和排出 #遗传方式：AR #临床表现： 婴儿哺乳后呕吐、腹泻、 对乳类不耐受，继而出现肝硬化、 白内障、智力低下等症状,二、糖代谢病 （一）半乳糖血症（Galactosemia）具三种亚型：I; II; III,1. 喂乳后几天出现呕吐、拒食、腹泻、失重。2. 一周后，肝脏损害症状：黄疸、肝肿大、腹水。

21、3. 几个月后，智力发育障碍，蛋白尿，氨基酸尿，白内障。,半乳糖代谢途径,*具有多态性,半乳糖血症分类,半乳糖-1-磷酸尿苷转移酶编码基因具有多态性：G+; GD; GI; GR; GG，各种等位基因的组合酶活性不同。,（二） 糖原贮积症型,缺乏的酶：葡萄糖-6-磷酸酶 遗传方式：AR 基因定位：17q21,糖原 葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸酶,临床表现： 肝糖原合成过多，引起患儿肝肿大 G-6-Pase缺乏， 葡萄糖供应不足，易发生低血糖，长期可致患儿发育不良，消瘦，身体矮小 动用脂肪供能可以出现酮血症。 G-6-P无氧酵解生成大量乳酸，导致酸中毒。,三、嘌呤代谢病 自毁容貌综合征(Lesch-Nyh