医学分子遗传学第4章-单基因病的分子遗传学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,近年来，随着DNA重组技术的发展，已经揭示了一些单基因病在DNA水平上的基本缺陷，其中研究得较为深入的是,血红蛋白病和其他少数几种遗传病,。,尽管他们只占人类全部遗传病的很小一部分，但我们能以这些病,作为模型,，从而动察整个单基因病中带有普遍意义的基本分子缺陷。,对单基因病进行分子遗传学研究，不仅可以使我们认识遗传病的分子病理学机制，而且还能使我们认识遗传病的分子病理学机制，而且还能使我们以此作为,建立基因诊断的方案,，为最终实现对遗传病的,基因治疗,打下基础,。,第一节 血红蛋白遗传病,血红蛋白病常作为,分子病的例证,说明其发生的遗传特点及其发生机制。,分子病是指,蛋白质分子的结构和数量异常引起的疾病,。,蛋白质分子的合成受控于基因，是由DNA分子上的碱基顺序决定的。如果DNA分子的碱基顺序发生改变(基因突变)，即遗传信息发生改变，则由它编码的蛋白质就发生相应的变化，由此引起一系列病理变化，从而发生疾病,。,血红蛋白（hemoglobin，Hb）是存在于红细胞中具有重要生理功能的蛋白质。,血红蛋白分子合成异常引起的疾病称,血红蛋白疾病,（hemoglobinopathy），习惯上分为,血红蛋白病,和,地中海贫血,两大类。,一、血红蛋白的分子结构与珠蛋白基因,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。,珠蛋白肽链有,7,种：,、,、,、,G,、,A,、,、,。,正常血红蛋白的四聚体均由,l,对,链,(,或,),和,l,对,非,链,(,.,或,、,、,G,、,A,),组成。,链由,141,个氨基酸组成，,链则由,146,个氨基酸组成。,共形成,6,类血红蛋白（表）,:,Structure of Hemoglobin,1,2,1,5 3,16pter-p13.3,1 31 32 99 100 141,Hemoglobin Alpha Chain,11p15.5,G,A,1,5 3,Hemoglobin Beta Chain,1 30 31 104 105 146,0 2 4 6 8 Birth 2 4 6 8,Months,100,80,60,40,20,Percentage of,globin synthesis(%),Development of Hemoglobin,Developmental,Stage,Hemoglobin,Hemoglobin Composition,Embryo,Hb Gower1,2,2,Hb Gower2,2,2,Hb Portland,2,G,2,2,A,2,Fetus,Hb F,2,G,2,2,A,2,Adult,Hb A,2,2,Hb A,2,2,2,Development of Hemoglobin,发育阶段 血红蛋白类型 分子组成,胚胎 Hb Gower1 ,2,2,Hb Gower2 ,2,2,Hb Portland ,2,G,2,2,A,2,胎儿 Hb F ,2,G,2,2,A,2,1%,成人 Hb A ,2,2,97%,Hb A,2,2,2,2%,2血红蛋白的发育演变,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,。,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：,珠蛋白基因簇,珠蛋白基因簇,1珠蛋白基因簇,定位于16p13.33，组成及排列顺序为：,5-,2,-,l,-,l,-,2,-,l,-,l,-3,总长度为30kb。每条16号染色体有2个基因，正常的二倍体细胞有4个基因。,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珠蛋白基因簇,珠蛋白基因簇定位于11p15.5，组成和排列顺序是,：,5-,G,-,A,-,l,-3,总长度为60kb。每条11号染色体只有1个基因，正常的二倍体细胞有2个基因。,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）,。,珠蛋白基因,的I,1,位于31位和32位密码子之间，由117bp组成；I,2,位于99位和100位密码子之间，含140bp。,珠蛋白基因,的I,1,位于30位和31位密码子之间，为130bp；而I,2,位于104位和105位密码子之间，约850bp,。,4珠蛋白基因的表达,珠蛋白基因的表达过程也就是珠蛋白肽链的合成过程,。,细胞核内:,转录,珠蛋白基因,核,mRNA,前体,剪接加工,mRNA,前体,成熟的,mRNA,剪接加工包括：,5,端加帽（,5,m,7,Gppp,）；,3,端加尾,poly(A),；,切除内含子，拼接外显子,细胞质内,：,翻译,成熟的mRNA,珠蛋白肽链,二、血红蛋白病的类型,血红蛋白病的定义：,血红蛋白分子合成异常引起的疾病称血红蛋白病,。,分类：,习惯上分为两大类,：,异常血红蛋白病：珠蛋白肽链,结构,异常,地中海贫血,：,珠蛋白肽链合成,速度,的降低,分子基础：,都是珠蛋白基因的突变或缺陷所致,。,异常血红蛋白病,定义：,是指由于珠蛋白,基因,上碱基发生改变，导致相应的,mRNA,上编码氨基酸的密码子发生变异。这些变异如果使,血红蛋白,分子的结构、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，称为异常血红蛋白病。,全世界总共发现,657种,异常血红蛋白。,1镰形细胞贫血症（sickle cell anemia）,是因,珠蛋白基因,缺陷所引起的一种疾病，呈,AR,遗传。,发病机制：,Sickle cell disease(HbS),Missense Mutation,Sickle Cell Disease,Sickle Cell Disease,Sickle Cell Disease,Sickle cell anemia(HbS):code 57,Mst,:,CCTNAGG,A,:CCTG,A,GGAG,S,:CCTG,T,GGAG,Sickle Cell Disease,Sickle Cell Disease,Benin,CAR,Senegal,Asian,Mst,：,CCTNAGG,G,A,1,5 3,Sickle Cell Disease,Sickle Cell Disease,Sickle Cell Disease,O,2,HbA,HbS,Sickle Cell Disease,Sickle Cell Disease,Sickle Cell Disease,Sickle Cell Disease,2血红蛋白M病（高铁血红蛋白症）,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（,87组,，,92组,）和作用（,58组,，,63组,），保证二价铁离子（Fe,2+,）的稳定，以便结合氧。,血红蛋白M（HbM）病的发病机制,：,是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（Fe,2+,）变成高价铁离子（Fe,3+,）,，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。,遗传学：,血红蛋白M病呈,AD,遗传。,地中海贫血（thalassemia）,定义：,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：,地中海贫血：珠蛋白链合成减少,地中海贫血：链合成减少 主要类型,地中海贫血：链合成减少,地中海贫血：和链合成减少,以此类推,1地中海贫血（-thalassemia）,按照,珠蛋白链,合成速率降低的程度,，地中海贫血又可以区分为不同的,类型：,0,地中海贫血：,如果同一条16号染色体上的两个-珠蛋白基因均不能表达，使链的合成完全缺乏，称为,0,地中海贫血,（,地中海贫血1,）；,+,地中海贫血：,如果只有一个珠蛋白基因表达，使链部分合成，称为,+,地中海贫血,（,地中海贫血2,）。,由这两种地中海贫血基因可以组合成各种不同的综合征：,Thalassemia,Thalassemia,is,inherited anemia caused by decreased synthetic rate of hemoglobin.,地中海贫血的类型,名称 基因型 缺失基因,链的合成,胎儿水肿综合征,0,/,0,-/,-,0%,HbH病,+,/,0,-/,-,25%,标准型地贫,A,/,0,/-50%,+,/,+,-/,-,静止型地贫,A,/,+,/,-,75%,正常,A/,A,/,100%,巴氏胎儿水肿综合征,发病机制：,基因型：,0,/,0,；,基因缺失：,-/-,患儿发病于胎儿期，由于不能合成链，,链便聚合为四聚体（4），称为Hb Barts,。Hb Barts（4）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Hb Barts胎儿水肿综合征，多于妊娠30-40星期时死亡或早产，且早产儿于产后半小时内即死亡。,Hb H病,发病机制：,基因型：,0,/,+,；,基因缺失：,-/-,由于4个-珠蛋白基因中有3个缺失或缺陷，使链的合成受到严重影响，,大量的-珠蛋白链过剩而聚合为四聚体Hb H（4）,。,Hb H的氧亲合力高,，在正常的生理条件下不易释放出氧。,Hb H不稳定,，易解体生成游离的链，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,Hb H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。,标准型地中海贫血,发病机制,：,基因型：,A,/,0,；,基因缺失：,-/,或,基因型：,+,/,+,；,基因缺失：,-/-,均缺失2个基因。,由于能合成相当量的珠蛋白链，所以仅表现出轻度溶血性贫血或无症状。,静止型地中海贫血,基因型：,A,/,+,；,基因缺失：,-/,缺失1个基因,由于只有一个基因缺失或突变，故临床上无症状。,2地中海贫血（-thalassemia）,按照,珠蛋白链,合成速率降低的程度,，可以区分为：,0,地中海贫血：完全不能合成链,+,地中海贫血：能部分合成链,临床上根据患者,溶血性贫血的严重程度,，将地中海贫血分为：,重型,中间型,轻型,重型地中海贫血,基因型：,可能是,0,/,0,、,+,/,+,、,0,/,0,或,0,/,+,。,发病机制：,患者不能合成链，或合成量很少，结果,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链组合成HbF（,2,2,）。,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”。,中间型地中海贫血,基因型：,通常为,+,（高F）/,+,（高F）,或,+,/,+,病人的,症状,介于重型和轻型之间，故称为中间型。,轻型地中海贫血,基因型：,主要是,+,/,A,、,0,/,A,或,0,/,A,等。,患者的HbA,2,（,2,2,）和HbF（,2,2,）可代偿性增高。,无任何临床症状。,三、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。,地中海贫血,的分子机制主要包括两类：,缺失型,非缺失型,地中海贫血,的分子机制：,绝大多数是由于,点突变,（包括单个碱基的取代，个别碱基的插入或缺失）所致。,这些点突变分别导致,：,转录受阻,mRNA前体剪接加工错误,翻译无效,合成不稳定的珠蛋白链,1.单个碱基替代,如HbS,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。,例如：Hb Wayne,链有,146个,氨基酸,137,138,139 140 141 142 143,HbA,ACC UC,C,AAA UAC,CGU UAA GCU,苏 丝 赖 酪 精,终止,Hb W,ACC UC,A,AAU ACC GUU AAG CUG,146,苏 丝,门冬胺 苏 缬 赖 亮,缺失,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，其它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。,112 113 114 115 116 117 118,112 113 114 115 116 117 118,4.无义突变,是,指突变使编码氨基酸的,密码子,终止密码子,，因此蛋白质链的合成便提前终止。,例如：Hb Mckees-Rock，,其链只有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：Hb Constant Spring,链有172个氨基酸,140 141 142 143 144,HbA,UAC CGU,U,AA GCU GGA,酪 精 终止,Hb C S,UAC CGU,C,AA,GCU GGA,172,酪 精 谷酰胺 丙 甘,该突变基因转录的mRNA不稳定,。,6.基因缺失,是地中海贫血形成的主要原因,。,缺失型地中海贫血包括两种类型：,+,地中海贫血,地中海贫血,+,地中海贫血有两种类型的缺失：,左侧缺失,仅缺失,2,基因。,右侧缺失,缺失了,2,基因的3,端和,l,基,因5,端，形成了由,l,基因的3,端和,2,基因的5,端构成的融合,基因。,地贫包括4种类型的基因缺失:,缺失区包括,l,2,l,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,l,基因无功能；,缺失涉及,l,2,l,基因，缺失的长度尚未准确定出，但至少缺少,17.4kb,；,缺失涉及l2l基因,缺失长度缺少,17.5kb,；,缺失仅涉及2l基因5端片段,残余的l基因无功能,缺失长度为,5.2kb,。,7.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Hb Lepore,：,其链结构正常，但非链是由和链连接而成，其N端与链相同，C端与链相同，称,-链,。,Hb反-Lepore,（anti-Lepore）：其N端与链相同，C端与链相同，称为,-链,。,形成机制：,是由于减数分裂时染色体的,错配和不等交换,，结果产生两种不同的染色体,。,Lepore,Anti Lepore,Fusion Gene,Hb Lepore,Difference of beta&delta chain,一、血红蛋白的分子结构与珠蛋白基因,血红蛋白分子的结构及发育变化,1血红蛋白的分子结构,2血红蛋白的发育演变,珠蛋白基因,1珠蛋白基因簇,2珠蛋白基因簇,3珠蛋白基因的结构,4珠蛋白基因的表达,小结,二、血红蛋白病的类型,异常血红蛋白病,1镰形细胞贫血症,2血红蛋白M病,地中海贫血,1地中海贫血,2地中海贫血,三、血红蛋白病发生的分子机制,1.单个碱基替代,2.移码突变,3.密码子的缺失和嵌入,4.无义突变,5.终止密码子突变,6.基因缺失,7.融合基因,谢谢,谢 谢！,G,A,1,5 3,Fusion Gene,Hb Lepore,Difference of beta&delta chain,