1、人类疾病的分子遗传学: 血红蛋白病,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 Gene突变导致蛋白质分子质和量异常，从而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
2、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cDNA4）血红蛋白异常引起的疾病种类很多,人类疾病的分子遗传学 血红蛋白病,第一节 血红蛋白概述 第二节 血红蛋白基因 第三节 Hb病的类型和分
3、子基础,第一节 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,一,血红蛋白 链,血红蛋白的一、二级结构： 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,血红蛋白的类型,成人Hb ：Hb A 22 9798% Hb A2 22 23 % 胎儿Hb： Hb F 22 2G2 2A2 胚胎Hb： Hb Gower 22 2G2 2A2(妊娠12周内) Hb Go
4、wer 22 Hb Portland 22,三,血 红 蛋 白 类 型,第二节 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16p135- - - 1 - 2 -2 -1- - 36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,珠蛋白基因簇,16p13.33-p13.11,1115.5,珠蛋白基因簇:,二、Hb发育演变与遗传控制, 胚胎早期先合成和Hb Gower（ 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
5、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,Gower,基因,Gower,Portland,F,转录 翻译,Hb发育遗传控制,三、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，IVS2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）,1 31 32 99 100 141,1 30 3
6、1 104 105 146,珠蛋白基因结构,珠蛋白基因结构,珠蛋白基因表达,E1 E2 E3 5 -3TranscriptionProcessing5-Cap- -polyAAAAA mRNATranslation,珠蛋白基因表达特点,发育阶段特异性 53顺次表达、关闭 合成场所特异性卵黄囊、胎肝、骨髓 表达数量协调性类、类链维持1：1的比例 总之，珠蛋白基因的表达具有时空特异性、精确的协调性,第三节 Hb病的类型和分子基础,人类珠蛋白基因的组织特异性强，仅在RBC 及前体中才有大量表达。由珠蛋白基因突变引起珠蛋白质量畸变（异常Hb病）和数量畸变（地中海贫血）所致的疾病统称血红蛋白病,血红蛋白
7、病分类,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,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,一、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H
8、bAHbA 正常人,在已发现的结构异常血红蛋白中仅约40%表现出一定的功能障碍。异常血红蛋白有临床表现者才称为异常血红蛋白病(或综合征)。主要有两类。 镰形细胞贫血(sicklecell anemia) 又称HbS病是最早阐明发病机理的分子病。这是因链珠蛋白基因结构改变而致的一种疾病，呈常染色体隐性遗传。患者的红细胞在缺氧的情况下变成镰刀形，因而得名。发病的分子基础是链基因的一个碱基对GAG(A)变为GTG(A)，致使血红蛋白的链N端第6位的谷氨酸被缬氨酸取代形成HbS，谷氨酸为带负电荷的极性亲水氨基酸，而缬氨酸为不带电荷的非极性疏水氨基酸，这种位于血红蛋白表面的氨基酸的电荷改变，可使血红蛋白
9、的溶解度大大降低，当氧分压低时(如血液流至毛细血管处)，HbS会形成棒状凝胶结构，使红细胞扭曲成镰刀状，红细胞的变形性降低可引起溶血。,另一方面，红细胞的镰形病变使血粘度增高，阻塞毛细血管，引起组织器官缺血缺氧，导致脾肿大，和一过性剧痛(肌肉骨骼痛、腹痛，即镰形细胞痛性危象)；急性大面积组织损伤可发生在心、脑、肺、股骨头、视网膜等处，导致这些器官永久性功能丧失。HbS纯合体为镰形细胞贫血；杂合体表现为镰形细胞性状，大部分无症状，但偶有表现为轻度慢性贫血。,HbS病到目前为止尚无有效治疗，患者多在成年前死亡。因此检出杂合子，避免杂合子结婚是杜绝患儿出生的关键。近年来，各种DNA诊断手段几乎都是在
10、HbS的研究中首先取得突破。如后面将要介绍的限制性内切酶法、寡核苷酸探针分子杂交法、斑点杂交法和PCR技术等 。,下图,一个基因缺陷会导致多种症状,镰状 细 胞 病,镰刀状贫血症,由于红血球不正常带来严重后果。 问题在于血红蛋白 - 链 一个谷氨酸残基变成了缬氨酸残基。,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,镰刀形红细胞,有意思的是在非洲大陆某些地区镰刀状贫血症发病率高，携带者也多。这些地区恰恰又是一种恶性疟疾流行地区。分析表明，
11、镰刀状贫血症缺陷基因携带者比正常人对恶性疟疾有抗性。,图四,下图,正常红血球 镰刀状红血球,血红蛋白 -链上 谷氨酸变成缬氨酸,镰刀状贫血病 的分子机理,返回,返回,镰刀状贫血病基因高频地区,恶性疟疾流行地区,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 Mckees-Rock 145,DNA144 145 146 147 Hb A AAG
12、 UAU UCG UAA Hb McKees-Rock AAG UAA,PROTEIN144 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,DNA139 140 141 142 143 Hb A AAA UAC CGU UAA GCU Hb Constant-Spring AAA UAC CGU CAA GCU,PROTEIN139 140 141 142 143 Hb A Lys Tyr Arg （ 终止）
13、Hb Constant-Spring Lys Tyr Arg Gln Ala-172,二） 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- 终 Hb Wayne ACC UCA AAU ACC GUU AAG苏-丝-冬胺-苏-缬- 赖,插入AG,三）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
14、，后面氨基酸顺序不变）,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、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
15、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。,地中海贫血,地 中 海 贫 血,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。,地中海贫血(thalassemia) 地中海贫血是由于珠蛋白基因的缺失或缺陷，使某种珠蛋白肽链的合成受到抑制所引起的溶血性贫血症。根据受影响的珠蛋白的不同，主要可分为地中海贫血(简称地贫)和地中海贫血(简称地贫)。 (1)地中海贫血 地贫主要是由于珠蛋白基因的缺失，使珠蛋白肽链合成受到抑制而引
16、起的溶血性贫血。如果在1条16号染色体上的2个基因的缺失称为地中海贫血1(简称地贫1)；如果只有1个基因缺失称为地中海贫血2(简称地贫2)。临床上根据基因缺失的数目不同，可分为四型。,Hb Bart胎儿水肿综合征 4个基因全部缺失，胎儿链完全不能合成，导致链聚合成4。由于4首次发现于St Bartholomew医院，故命名为Hb Bart。4对氧的亲合力高，造成组织缺氧，故胎儿在子宫内常因发生严重水肿而死亡。本病在地贫高发区时有发生。据广西区人民医院报告，该院妇产科围产期死亡胎儿总数的26.3%是Hb Bart胎儿水肿综合征。 HbH病 4个基因中有3个缺失，只有少量链合成，链相对过剩而自行聚
17、合成4，即HbH。HbH具有较高的氧亲和力，使组织供氧不足。另外HbH不稳定，容易解聚沉淀而破坏红细胞，导致轻度至中度贫血，黄疸和肝脾肿大。,轻型(标准型) 4个基因有2个缺失，本型患者可能产生轻度贫血。 静止型 4个基因中只有1个基因缺失，本型无症状。,胎 儿 水 肿,地中海贫血,珠蛋白Gene 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,Gower,基因,Gower,Portland,F,转录 翻译,Hb发育遗传控制,地贫基因的遗传缺陷,地贫多为基因的点突变所致。有些点突变使链完全不能生成，称0地贫；有些突变仅使链生成减少，称+地贫。据此可
18、将地贫分为：+/0/；+/+；+/0；0/0；,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,-地中海贫血的分子基础, 地中海贫血已发现100多种突变类型，包括点突变和基因缺失。, 绝大多数地中海贫血是由于基因发生点突变所致，突变涉及基因内及侧翼序列。,（1）编码区突变 （2）非编码区突变 （3）启动子区突变 （4）RNA裂解信号突变 （5）加帽位点单个碱基突变,编码区突变mRNA稳定性降低或形成无功能mRNA,（1）无义突变密码子17：AC密码子43：G
19、T 0 地贫 （2）移码突变密码子71/72：+A密码子41/42：TCTT 0 地贫 （3）起始密码突变ATGAGG 0 地贫, 内含子I GTAT丧失一个剪切信号。 新的切点产生 同义突变激活I和 Exon隐蔽裂解位点如：GGTAGT 产生新的剪切点,非编码区突变影响mRNA剪切、加工过程,GTAT,GGTAGT，激活隐蔽剪切位点,启动子区突变降低mRNA的转录效率,-28位AG 突变破坏了TATA Box。,RNA裂解信号突变不能准确裂解和加polyA,珠蛋白基因 3侧翼序列中AATAAAAACAAA,加帽位点单个碱基突变不能准确裂解和加polyA,加帽位点发生AC颠换，影响转录效率。通常是mRNA的第一个核苷酸。,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,
