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1、第五章 人类疾病的分子遗传学 - 血红蛋白病,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
2、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,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
3、基因 第三节 Hb病的类型和分子基础,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
4、2A2 (妊娠12周内) Hb Gower 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,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
5、 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,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、 IV
6、S2）,1 31 32 99 100 141,1 30 31 104 105 146,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 -3 Transcription Processing 5-Cap- -polyAAAAA mRNA Translation,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
7、（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
8、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,镰状 细 胞 病,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）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
9、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,二、不稳定血红蛋白病,三、血 红 蛋 白 病 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： 紫绀和继发性红细胞增多, 遗传方式：AD,四、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,异常血红蛋白病的分子基础 珠
10、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,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
11、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 139 140 141 142 143 Hb A Lys Tyr Arg （ 终止） 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
12、-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，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
13、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
14、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,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,-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
15、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：GT 0 地贫 （2）移码突变 密码子71/72：+A 密码子41/42：TCTT 0 地贫 （3
16、）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,请注意： 下次课我们将学习,人类疾病的生化与分子遗传学-代谢病,