疾病的分子機制

2023/2/5第一節(jié)基因病概述第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制第三節(jié)多基因病的分子基礎第三章疾病的分子機制細胞生命現(xiàn)象的物質基礎是各種生命活動所必需的分子，尤其是生物大分子。任何病因引起的細胞損害都源于它們破壞這些生物大分子的結構和功能，表現(xiàn)為基因結構和表達的異常，蛋白質結構和功能的異常，細胞間信息傳遞紊亂，細胞識別功能障礙等。2023/2/5分子?。╩oleculardisease)：由于DNA遺傳變異引起的一類以蛋白質分子（如酶蛋白、結構或功能蛋白、受體蛋白等）異常為特征的疾病?；虿?genedisease)：由基因本身突變、缺失或其表達調控障礙引起的疾病。包括單基因及多基因病。2023/2/5一、基因病分類單基因病多基因病獲得性基因病第一節(jié)基因病概述單基因病由單個基因缺陷引發(fā)的疾??；目前已發(fā)現(xiàn)六千多種；多數(shù)為顯性遺傳（地中海貧血、家族性腸息肉等）；有些為隱性遺傳（苯丙酮尿癥、侏儒癥、白化病、先天聾啞等）；有的致病基因位于性染色體上（杜興氏癥、血友病、蠶豆病等）。2023/2/5惡性腫瘤、高血壓、冠心病、糖尿病、哮喘、骨質疏松癥、原發(fā)性癲癇、風濕病、免疫性疾病等，對人來健康危害較大，已成為導致死亡的主要因素；主要涉及兩個以上基因的結構或表達調控的改變；（或等同或主次）多基因病的發(fā)生也受生活方式、飲食結構、自然環(huán)境、年齡等多種環(huán)境因素影響；發(fā)病機制非常復雜，已成為當前醫(yī)學研究領域的熱點；2023/2/5多基因病由病原微生物感染引起的，不會遺傳；大多數(shù)是病原微生物基因與人體基因相互作用的結果，如AIDs，病毒性肝炎等。2023/2/5獲得性基因病二、基因突變突變（mutation）是指遺傳物質發(fā)生的可遺傳的變異。突變熱點（hotspotsofmutation）:DNA分子上某些堿基發(fā)生突變的頻率高于平均數(shù)?；?/p>

突變可以發(fā)生在個體發(fā)育和體細胞或生殖細胞周期的任何階段。體細胞發(fā)生突變，這種變異只在體細胞中傳遞。生殖細胞發(fā)生突變，顯性：通過受精卵直接遺傳給后代并在子代中表現(xiàn)出來；隱性：效應被其等位基因所遮蓋。

2023/2/5第一節(jié)基因病概述2023/2/5第一節(jié)基因病概述基因突變類型染色體錯誤配和不等交換堿基置換突變移碼突變和整碼突變（一）堿基置換突變嘌呤-嘌呤嘧啶-嘧啶嘌呤-嘧啶自然界中轉換突變多于顛換突變。2023/2/5第一節(jié)基因病概述轉換（transition）顛覆（transversion）

DNA┄GCA

┄┄GCG

┄

┄GCC

┄

轉錄轉錄

mRNA┄CGU┄

┄CGC┄┄CGG┄

翻譯翻譯翻譯多肽鏈┄精氨酸┄┄精氨酸┄┄精氨酸┄TransversionA←GTransition

G→C由于堿基置換，導致氨基酸的影響，可產生如下后果：同義突變（same-senseorsynonymousmutation）不影響所編碼的氨基酸。其存在能減輕堿基置換給生物機體帶來的不利影響。

DNA┄ACG

┄┄ATG┄

┄AAG┄

轉錄轉錄轉錄

mRNA┄UGC┄

┄UAC┄┄UUC┄

翻譯翻譯翻譯多肽鏈┄半胱氨酸┄┄酪氨酸┄┄苯丙氨酸┄TransitionC←TTransversionT→A

如果錯義突變不影響蛋白質或酶的生物活性，不出現(xiàn)明顯的表型改變（效應），稱為中性突變（Neutralmutation）。2.錯義突變

(missensemutation)一個氨基酸被另一個氨基酸取代，產生異常蛋白質，或部分降低活性的酶，有的不影響酶或蛋白質的活性。3.無義突變

(non-sensemutation)

單個堿基置換導致終止密碼子提前出現(xiàn)。合成的肽鏈縮短，蛋白質大多失活。4.終止密碼突變（terminationcodonmutation）終止密碼突變?yōu)榫幋a氨基酸的密碼子，形成延長的異常肽鏈。2023/2/5

單純

6谷→纈，產生HbS病，造成死亡。

第6位谷→纈，第73位天冬氨酸→天冬酰胺；

HbHarlem臨床癥狀較輕，其原因是73突變抑制了6

突變的有害效應。HbHarlem是β鏈5.抑制基因突變（suppressorgenemutation）在基因內部不同位置上的不同堿基發(fā)生了兩次突變，其中一次抑制了另一次突變的遺傳效應。（HbHarlem單純6位Glu-Val可導致HbS病，致死。而73位天冬氨酸-天冬酰胺，抑制了6位突變的有害效應。）（二）移碼突變（frame-shiftmutation）DNA鏈上插入或丟失1個、2個甚至多個堿基，導致編碼發(fā)生相應的改變。這種移碼造成的肽鏈可能延長或縮短。如果DNA鏈的密碼子之間插入或丟失一個或幾個密碼子，合成的肽鏈增加或減少一個或幾個氨基酸，其他氨基酸順序不變，稱為整碼突變（codonmutation）。2023/2/5第一節(jié)基因病概述（三）染色體錯誤配對不等交換減數(shù)分裂期間，同源染色體間的同源部分發(fā)生聯(lián)會和交換，如果聯(lián)會時配對不精確，會發(fā)生不等交換，造成一部分基因缺失和部分基因重復。這種突變常用于解釋大段核苷酸的丟失和重復。2023/2/5第一節(jié)基因病概述2023/2/520世紀初到80年代，由于技術限制，生物大分子缺陷所導致的疾病的早期研究成果基本上來自于對單基因罕見遺傳性疾病的研究，這些研究為常見病的分子機制的研究打下了堅實的理論基礎，并開發(fā)和積累了相應的技術能力。這些疾病中最常見的包括：

代謝酶類缺陷血紅蛋白病其他基因缺陷導致的疾病第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制單基因病的特點：易于通過生化手段分析常具有組織特異性易于推斷其可能的致病蛋白的特點遺傳單純性使得研究在缺少技術儲備的條件下可以獲得重要成果。2023/2/5第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制常見單基因病疾病名稱發(fā)病頻率(‰)遺傳方式致病基因典型癥狀血友病A0.1X連鎖凝血因子Ⅷ不規(guī)則出血血友病B0.03X連鎖凝血因子Ⅸ不規(guī)則出血杜氏肌營養(yǎng)不良0.3X連鎖肌營養(yǎng)因子肌萎縮貝氏肌營養(yǎng)不良0.05X連鎖肌營養(yǎng)因子肌萎縮脆性X綜合征0.5X連鎖FMR1智力障礙舞蹈病0.5常染色體顯性舞蹈病因子癡呆神經纖維0.4常染色體顯性NF-1,2癌變珠蛋白生成障礙性貧血0.05常染色體隱性珠蛋白基因簇貧血鐮刀細胞貧血0.1常染色體隱性β珠蛋白基因貧血,局部缺血苯丙酮酸尿0.1常染色體隱性苯丙氨酸羥基化酶無苯丙酮酸代謝能力囊性纖維化0.4常染色體隱性CFTR進行性肺損傷及其他

一、代謝酶類缺陷（一）苯丙酮尿癥1934年發(fā)現(xiàn)，患兒智力低下，尿中含有大量苯丙酮酸，認為可能與苯丙氨酸代謝酶類缺陷有關。1953年，證明是由于苯丙氨酸羥化酶缺陷引起。苯丙氨酸羥化酶基因被克隆，發(fā)現(xiàn)酶缺陷的主要原因是基因的錯義突變、缺失、剪接突變。治療：早期可通過控制苯丙氨酸的攝入量來緩解。2023/2/5第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制蛋白質苯丙氨酸酪氨酸3、4-二羥苯丙氨酸黑色素苯丙酮酸苯丙酮尿苯丙氨酸羥化酶缺乏（苯丙酮尿癥）腎酪氨酸酶缺乏（白化病）

苯丙氨酸代謝圖解發(fā)育障礙【Clinicsymptom】

雜合子患者，正常情況下體癥并不明顯，但在某些誘導因子（氧化劑類藥物或感染）作用時，溶血出現(xiàn)加劇。屬于X性連鎖遺傳病。

Chromoseme

XXq28qp

G6PD位于Xq28，基因占有18.5kb的區(qū)域，編碼的成熟mRNA長度2269bp，翻譯出的肽鏈約59KD?！綧echanism】

基因的點突變G6PD缺陷溶血一、代謝酶類缺陷（二）葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD）缺陷

第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制一、代謝酶類缺陷（二）葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD）缺陷G6PD缺陷有400余種變異，其中56種的確切位點已知，大多數(shù)涉及氨基酸替代并引起酶活的部分喪失。氨基端突變癥狀較輕，羧基端突變酶活喪失較多。如果這個重要的代謝酶活性完全喪失，個體將不可能正常發(fā)育到出生。2023/2/5第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制二、血紅蛋白病是一類典型的單基因突變作為病因最好的例證。作為病例其有利之處在于：基因及其基因位點明確。血紅蛋白(hemoglobin,Hb)其分子所涉及到的兩個主要基因座位上，至少已證明有超過500種不同類型的基因突變，其中90%以上屬于單核苷酸突變。這些突變引起了許多完全不同的表型：鐮狀細胞貧血、高鐵血紅蛋白血癥珠蛋白生成障礙性貧血2023/2/5第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制二、血紅蛋白?。ㄒ唬┭t蛋白分子及其基因2023/2/5第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制血紅蛋白珠蛋白血紅素2×α鏈2×β鏈有功能的血紅蛋白分子：將氧氣從肺泡帶到各種組織。二、血紅蛋白病（一）血紅蛋白分子及其基因2023/2/5第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制α基因簇，16pter→p13.2α-LCR（α位點控制區(qū)）Ψζ1ζ2Ψα2Ψα1α2α1θβ基因簇，11pter→p15.4β-LCR（β位點控制區(qū)）εGγ

Aγ

ψβδβ人α-珠蛋白基因簇及α珠蛋白基因結構人β-珠蛋白基因簇及β珠蛋白基因結構

α基因結構：1313299100141β基因結構13031104105146從胚胎到成人珠蛋白表達變化

612182436出生612182430(Wk)5040302010%αβγζεδ人類的血紅蛋白在個體發(fā)育的不同時期具有多種組成形式。二、血紅蛋白?。ǘ┭t蛋白變異性疾病不穩(wěn)定血紅蛋白引起的貧血過快氧化造成的高鐵血紅蛋白血癥（HbM）伴有紅細胞增多的異常血紅蛋白病鐮狀細胞病2023/2/5第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制在血紅素結合區(qū)域或構象維持的關鍵氨基酸殘基，以及亞單位結合位點發(fā)生氨基酸替代的基因突變，導致Hb對氧的親和力改變。

珠蛋白的血紅素口袋血紅素紅細胞過早的被網狀內皮系統(tǒng)清除貧血Anemia1.

不穩(wěn)定Hb引起的貧血（AnemiainducedbyinstabilityofHb）無血紅素的珠蛋白在紅細胞內沉積輕者重者直接引起溶血任何基因突變，如果造成血紅素口袋周圍的氨基酸替代或缺失，影響血紅素和珠蛋白的結合能力，都可能造成該變化。已有100多種不穩(wěn)定Hb被鑒定，其中3/4發(fā)生在珠蛋白β基因。

2.高鐵血紅蛋白血癥（Methemoglobinemia,HbM）

【Clinicdisease】

先天性家族性紫紺

【Mechanism】

由于血紅素口袋周圍的氨基酸殘基被替代，產生多出一個配位鍵，使血紅素中Fe2+過快變成Fe3+，處于脫氧狀態(tài)而不能結合氧?！?種珠蛋白突變β鏈Val→Glu

谷氨酸的游離羧基+Fe2+結合

Fe3+高鐵Hb

▲6種珠蛋白突變His→Tyr

酪氨酸側鏈羥基+Fe2+穩(wěn)定的配位鍵失去攜氧功能Fe3+高鐵Hb

Hb構象變化和對氧親合力↑

能引起Hb氧親和力高的基因突變有50多種，常見基因突變類型：▲位于α1β2（或α2β1）亞基接觸面的氨基殘基發(fā)生了取代；▲β珠蛋白肽鏈羧基端和2，3-磷酸甘油酸結合位點發(fā)生了氨基酸取代；▲血紅素口袋四周的氨基酸被取代。3.伴有紅細胞增多的異常血紅蛋白?。ˋbnormalhemoglobinsyndromewitherythrocytosis）

Hb對氧親合力↑氧離曲線左移Hb釋放氧↓組織缺氧代償性RBC增多癥RBC生成↑

4.鐮狀紅細胞貧血（Sicklecellanemia）

珠蛋白第6位Glu

→Val，產生HbS。

相對缺氧

▲純合子HbS

HbS形成束狀結構合并為纖維束

RBC膜變形成為鐮狀腹痛和肌肉、骨骼疼痛、病變組織壞死脾臟

血液的粘滯度↑、低氧程度↑鐮狀RBC破壞

▲雜合子HbSRBC內HbS<40%、RBC壽命正常，但嚴重低氧時

RBC會發(fā)生鐮狀化。二、血紅蛋白病（三）Hb表達減少或缺失-地中海貧血（MediteraneanAnemia）2023/2/5第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制珠蛋白基因合成產物的減少，稱為α+和β+地中海貧血；珠蛋白產物的完全缺失，稱為α0和β0地中海貧血。β地中海貧血發(fā)生的分子機制類型機制表型易患群體缺失融合蛋白

HbLepore:7K缺失→融合蛋白β0,βLepore意大利珠蛋白基因缺失619bp缺失β0

印度

RNA合成缺失

RNA剪接缺失內含子1剪接受位異常AG→GGβ0

非洲啟動子突變ATA框突變：ATAA→GTAAβ+

日本

RNA加帽位點異常

RNA加帽位點突變：A→Cβ+

亞洲多A信號缺陷AATAAA→AACAAAβ+

非洲無功能RNA

無義突變密碼子39：CAG→UAGβ0

地中海密碼子16的單bp缺失：UGGGGCAAG

移碼突變GUGAAG→UGGGCAAGGUGA（終止）β0

印度改變剪接的編碼區(qū)突變中性突變密碼子24：GGU→GGAβ+

非洲錯義突變密碼子26：GAG→AAGβ+

東南亞基因突變類型異常Hb

氨基酸變化臨床特征

錯義突變

Hb

Shuangfengα27Glu→Lys(GAG→AAG)不穩(wěn)定Hb病

HbSβ6Glu→Val(GAG→GUG)鐮刀型細胞貧血

Hb

Bibbaα136Leu→Pro(CUG→CCA不穩(wěn)定Hb病

無義突變

Hb

MckeesRocksβ145Tyr→終止(UAU→UAA)不穩(wěn)定Hb病

終止密碼突變

HbConstantSpringα142UAA→CAA------α-地貧(延長：142Gln------173UAA)

密碼子缺失

HbGunHillβ91～95缺失不穩(wěn)定Hb病

密碼子插入

HbGradyα118與119間插入3個氨基酸無明顯癥狀

移碼突變

Hb

Takβ147UAA→ACUAA---不穩(wěn)定Hb病---158UAA(Thr)

融合突變

Hb

Lepore-Bostonδ87(Gln)-β116(His)β-地貧

HbKenyaγ81(Leu)-β86(Ala)β-地貧三、其他基因缺陷導致的疾病（一）肌營養(yǎng)不良癥（Duchennemusculardystrophy,DMD）2023/2/5第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制杜興氏癥；DMD我國發(fā)生率1/3500，致病基因DMD已定位于Xp21.2-21.3，包含100個外顯子，覆蓋2300kb，編碼3685aa肌營養(yǎng)素：dystrophin，在橫紋肌、平滑肌、心肌細胞中表達，是細胞膜內側膜蛋白。具有4個結構域；65%患者由于DMD基因缺失引起，提示大型基因容易受到染色體重排的影響而失活；程度較輕的貝克氏肌營養(yǎng)不良（BMD），也由于DMD基因片段缺失引起，但由于缺失未能造成下游基因讀碼框的改變，保留了下游蛋白質的部分功能。發(fā)病率可能近1/30000。DMD于學齡前發(fā)病（多5~6歲），患兒由于肌肉萎縮、無力而導致行走困難，走路呈鴨行步態(tài)，腰椎前凸，從臥位站立過程中出現(xiàn)高爾斯氏征。多數(shù)伴肌肉假性肥大（并非肌肉發(fā)達,而是有脂肪組織浸潤），尤以腓腸肌突出，亦可見翼狀肩胛。患兒一般12歲前下肢癱瘓，心肌受損，20歲左右因心肌功能和呼吸能力喪失而死亡。BMD發(fā)病較晚，在約20歲發(fā)病，臨床表現(xiàn)與DMD相似，但病程緩慢，心肌很少受損，一般可以生育并活到高齡。三、其他基因缺陷導致的疾?。ǘ┠倚岳w維化（cysticfibrosis）第二節(jié)單基因病的發(fā)病機制

囊性纖維化跨膜傳導調節(jié)蛋白(CFTCR)的基因突變所致，產生缺陷型蛋白，致使氯離子的轉運障礙，黏液在呼吸道黏膜內淤滯，