人类疾病的生化和分子遗传学 先天性代谢病

本章内容提示 先天代谢病的类型 几种疾病发病分子机制、疾病相关基因定位、疾病的遗传方式。 氨基酸代谢病：白化病 PKU 糖代谢病：半乳糖血症 糖原贮积症 嘌呤代谢病：自毁容貌综合征 受体蛋白病：家族性高胆固醇血症

一、“先天代谢缺陷”概念提出 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 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

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 arthritis）。

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→ 尿黑酸患者：苯丙Aa、色Aa ↓ 尿黑酸↑—//→另一代谢产物 　 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 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  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 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。

二、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 S(底物 ） A↑ B↑ C↑ D↓ E F 代谢旁路开放

二、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：自毁容貌综合征 糖代谢病：半乳糖血症 糖原贮积症 嘌呤代谢病：自毁容貌综合征 受体蛋白病：家族性高胆固醇血症

苯丙酮尿症 ☆ 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

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

苯丙氨酸、酪氨酸代谢 黑色素 苯丙氨酸 酪氨酸 多巴 儿茶酚胺 甲状腺素 苯丙酮酸 尿黑酸 苯乙酸 苯乳酸 乙酰乙酸

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

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

半乳糖血症（Galactosemia） #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

半乳糖血症（Galactosemia） 半乳糖 半乳糖-1-磷酸+2-磷酸尿苷葡萄糖 2-磷酸尿苷半乳糖 葡萄糖-1-磷酸 半乳糖醇 半乳糖 半乳糖-1-磷酸+2-磷酸尿苷葡萄糖 2-磷酸尿苷半乳糖 葡萄糖-1-磷酸 半乳糖醇 葡萄糖-6-磷酸 E1：半乳糖激酶 E2：半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶

半乳糖血症分类 分型 缺陷酶 基因定位 临床表现 Ⅰ型 （经典型） 半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶 9q13 低血糖，肝硬化，智力障碍，白内障。 Ⅱ型 半乳糖激酶 17q21-q22 主要表现为青年型白内障。肝脾大，可有黄疸，智力正常或迟缓。 Ⅲ型 半乳糖尿苷-2-磷酸-4-异构酶 1p36-p35 可无临床症状或类似经典型

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。 3 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。 3. 几个月后，智力发育障碍，蛋白尿，氨基酸尿，白内障。

糖原贮积症Ⅰ（ von Gierke病） 缺乏的酶：葡萄糖-6-磷酸酶 遗传方式：AR 基因定位：17q21 葡萄糖-6-磷酸酶 糖原 葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 葡萄糖 缺乏的酶：葡萄糖-6-磷酸酶 遗传方式：AR 基因定位：17q21

临床表现： ⑴ 肝糖原合成过多，引起患儿肝肿大 ⑵ 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 ⑶动用脂肪供能可以出现酮血症。 ⑷ G-6-P无氧酵解生成大量乳酸，导致酸中毒。

缺乏的酶：次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶 嘌呤代谢病 自毁容貌综合征(Lesch-Nyhan syndrome, LNS) 缺乏的酶：次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶 (HGPRT) 遗传方式：X连锁隐性遗传。 基因定位：Xq26-q27。 主要的突变类型有：核苷酸取代、插入、缺失和移码突变，可在DNA水平上作产前诊断。

代谢途径

发病机理 HGPRT催化5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)上的磷酸核糖基转移到鸟嘌呤和次黄嘌呤上，使之成为鸟苷酸和次黄苷酸，而它们又可反馈抑制嘌呤前体5-磷酸核糖-1-胺的生成。 此酶如缺乏，则鸟苷酸和次黄苷酸合成减少，嘌呤合成加快，致使尿酸增高，代谢紊乱而致病。

临床表现： 1、高尿酸血症和高 尿酸尿症 2、痛风性关节炎 3、智力迟钝，大 脑瘫痪 4、舞蹈样动作， 自残行为

家族性高胆固醇血症（FH） 遗传方式：常染色体显性遗传病， 发病率：1/500 临床特点：血清胆固醇增高（300 ~600 mg/dl，正常人230），低密度脂蛋白（LDL）胆固醇增高（＞200mg/dl）。大约50%的患者出现伸肌腱的胆固醇沉积（黄色瘤） 发病机理：低密度脂蛋白受体缺陷

1、胆固醇调节 正常人—— 2）胆固醇酯化和储存增加 LDL受体与LDL颗粒结合→内在化→ LDL颗粒中胆固醇降解为游离胆固醇→细胞内游离胆固醇的氧化衍生物启动调节过程： 1） HMG-CoA还原酶↓↓，胆固醇合成↓ 2）胆固醇酯化和储存增加 3） LDL受体合成减少，对外源胆固醇摄取减少

患者：LDL受体合成减少引起细胞对外源性胆固醇的摄取减少

2、LDL受体 ◎基因定位：19chr上，长约45kb，18个外显子， mRNA 5.3kb ◎对基因的分析表明： 配体结合区，由5个Exon编码（2~6个外显子） EGF前体同源区，由8个Exon编码。 糖基化部分，由1个Exon编码。 跨膜区，由第16个Exon和17Exon的部分编码。 胞浆内的尾部，由Exon17剩于的部分和E18的一部 分编码。 ◎LDL受体在内质网合成，再经过高尔基复合体时糖基化，分子量为160kDa，是插入C膜的整合膜蛋白。  

LDL 受体结构

3、LDL受体的突变 在家族性高胆固醇血症中，鉴定了150 种不同的突变，并发现有多种突变和高度的等位基因异质性。 多数突变为受体基因不同等位基因杂合子---既复合杂合子。

LDL受体基因突变可分为5个功能类型： 1、突变发生在启动子区，不产生mRNA和蛋白； 2、突变阻断新生的LDL受体蛋白从ER转运到GO； 3、突变编码的受体可以到达C的表面，但不能与正常地结合配体； 4、突变编码的受体可以到达C的表面，也能与正常地结合LDL，但不能集中在网络蛋白包被小窝。 5、再循环缺陷型突变，突变编码的受体可以结合并内在化LDL。但不能释放内含体中的受体，和回到C的表面。 基于上述的研究，从DNA水平对FH进行筛查和产前诊断已成为可能。

G-6-PD 朝鲜战争期间，美国士兵使用伯氨基喹啉来预防疟疾，约10%的黑人士兵发生溶血，少数白人士兵（地中海血统）也发生严重的溶血性贫血。 从此建立了药物遗传学 这里，我们主要探讨 G6PD的遗传性缺陷

G6PD 基因：定位于X染色体，全长19kb， 含13个外显子，编码514个氨基酸的蛋白。 药物+Hb H2O2 GSSG +NADPH GSH px GSH +NADP GR G6PD 6-磷酸葡萄糖酸 6-磷酸葡萄糖

突变类型 5 376 A→G 126 天冬酰氨 天冬氨酸 4 202 G→A 68 缬氨酸 蛋氨酸 6 563 C→T 188 丝氨酸 外显子 突变位置 突变类型 Aa位置 Aa替代 5 376 A→G 126　 天冬酰氨 天冬氨酸 4 202 G→A 　 68 缬氨酸 蛋氨酸 6 563 C→T 188 丝氨酸 苯丙氨酸 突变导致电泳迁移率改变（E5）和酶活性降低（E4和E6）。

●G6PD的突变型是因为在淀粉凝胶中的电泳迁移率不同而被发现。突变型的G6PD活性下降。 G6PD-B：野生型， G6PD-A：突变型， G6PD-A-：二次突变。 ●酶活性 G6PD-B＞G6PD-A＞G6PD-A-。 后者酶活性是前二者的15%。 ●电泳迁移率： G6PD-A＞G6PD-A-- ＞G6PD-B。

DNA水平：报道了60多种独立突变， 范围:包括几乎整个编码区 性质：错义突变，多为编码链或非编码链中CpG二核苷 酸发生C→T转换突变。 蛋白水平：已报道400多种等位突变型， 其中许多是多态。 G6PD缺乏症很常见，几乎分布世界各地。

本节要求掌握： 几种常见代谢病 什么病、缺什么酶、何种遗传方式？ 氨基酸代谢病：白化病 PKU 糖代谢病：半乳糖血症 糖原贮积症 糖代谢病：半乳糖血症 糖原贮积症 嘌呤代谢病：自毁容貌综合征 受体蛋白病：家族性高胆固醇血症 什么病、缺什么酶、何种遗传方式？