第十四章 基因与疾病 DNA结构改变导致分子病发生的基本原理

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1 第十四章 基因与疾病 DNA结构改变导致分子病发生的基本原理
第十四章 基因与疾病 DNA结构改变导致分子病发生的基本原理 在自然界有许多因素可以引起DNA结构的改变，虽然细胞内具有修复DNA损伤的功能，但并非所有的损伤都能被修复。一些未能修复的损伤有可能形成DNA的突变。 突变是一种遗传状态，是可以通过复制而遗传的DNA结构的永久性改变。 突变如果发生在结构基因中，将使基因编码的蛋白质发生结构改变，失去原有功能，导致分子病的发生。

2 一、DNA一级结构变异的分子机制 第一节 基因结构异常的分子机制 DNA一级结构改变的主要原因 引起DNA一级结构改变的原因主要有两类：
第一节 基因结构异常的分子机制 一、DNA一级结构变异的分子机制 DNA一级结构改变的主要原因 引起DNA一级结构改变的原因主要有两类： 一类是复制时碱基的偶然性错配，由此引起的突变称为自发性突变（spontaneous mutation）。这种突变频率极低，约为10-9，即每合成109核苷酸可能会有一次碱基与模板不相配的错误。 另一类是体内代谢过程中产生的自由基由某些环境因素引起的DNA一级结构改变，由此引起的突变称为诱发突变（induced mutagenesis）。

3 （一）诱发因素 能引起突变的理化因素或物质称为诱变剂（mutagen），主要有以下一些类型：
1、碱基和核苷酸类似物，如5-氟尿嘧啶（5-Fu）、6-巯基嘌呤（6-MP）等。 2、烷化剂，如氮芥、环磷酰胺。 3、抗生素类，如放线菌素D、丝裂霉素、博来霉素 等。 4、染色剂，如吖啶黄、二氨基吖啶等。 5、亚硝酸盐。 6、电离辐射和紫外线照射。

4 （二）诱变剂的作用机制 1、碱基类似物诱发突变
碱基和核苷酸类似物，如5-氟尿嘧啶（5-Fu）、6-巯基嘌呤（6-MP），能取代正常的碱基而掺入到DNA当中去，并通过互变异构引起复制错误，或掺入到RNA影响RNA的转录和翻译。 2、烷化剂引起染色体损伤 烷化剂，如氮芥和环磷酰胺的分子有一个或多个活性烷基，可使DNA分子中的鸟嘌呤N7烷化后除去，留下缺失碱基后的空隙。 3、抗生素类，使DNA失去模板作用 抗生素类，如放线菌素D、丝裂霉素和博来霉素能与DNA上脱氧鸟苷形成复合物，使DNA失去模板作用，抑制DNA聚合酶。

5 4、染色剂与双螺旋结合，引起DNA变构 染色剂，如吖啶黄和二氨基吖啶，通过与双螺旋结合引起DNA变构，并激活修复性核酸内切酶，影响DNA复制和转录。 5、亚硝酸盐可以除去DNA分子碱基上的氨基基团 亚硝酸盐可以除去DNA中任何一个带有氨基基团的碱基上氨基基团，使DNA上碱基脱氨，则C、A、G变成U、H（次黄嘌呤）、X（黄嘌呤），导致复制转录中碱基配对错误。 6、电离辐射和紫外线照射 电离辐射和紫外线照射引起两个相邻碱基之间发生二聚化，尤其是相邻胸腺嘧啶之间形成T-T交联，阻碍复制与转录。

6 二、突变类型及其遗传效应 （一）突变类型 根据DNA分子的改变，突变可以分为四类
1、点突变 DNA大分子一个碱基的变异，又可以分为转换和颠换两种，嘌呤取代嘌呤，嘧啶取代嘧啶称为转换（transition），有4种转换形式，即A→G、G→A、T→C、C→T。嘌呤取代嘧啶或嘧啶取代嘌呤称为颠换（transversion），有8种颠换形式。 2、缺失 一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。 3、插入 一个原来没有的碱基或一段原来没有的核苷酸链插入DNA大分子中间。 4、倒位 DNA链内重组，使其中一段方向反置。

7 （二）突变的遗传效应 1、遗传密码的改变 从DNA碱基序列改变多少可以分成单点突变和多点突变。
从对阅读框的影响来看，如果插入或缺失1个或2个碱基，可以改变阅读框架，这种突变往往是致死的。如果缺失或插入3个碱基，则阅读框架不变，其产物常常有活性或有部分活性。 从对遗传信息改变来看，点突变中碱基替代突变可以分成同义突变、错义突变和无义突变。 （1）同义突变（same sense mutation）是指没有改变产物氨基酸序列的密码子变化，不影响蛋白质表型。 （2）错义突变（missense mutation）则引起了产物氨基酸序列的改变。 （3）无义突变（nonsense mutation）是指某个碱基改变使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子。无义突变还可以由移框突变、插入突变和缺失突变造成。

8 2、对mRNA剪接的影响 如果点突变发生在内含子的剪接位点，可以产生两种影响 （1）使原有的剪接位点消失； （2）产生新的剪接位点。 无论是哪一种形式，都可以导致mRNA的错误剪接，产生异常的mRNA。最终产生异常的表达产物。数个碱基缺失，片断缺失均有可能造成剪接位点的缺失。 3、蛋白质肽链中的片断缺失 （1）无义突变和DNA片断的缺失都可以导致肽链中的片断缺失，致使基因编码的蛋白质失去原有的功能。 （2）移码突变不仅使翻译后的肽链中氨基酸序列发生改变，而且也导致肽链中的大片断缺失。因为移码使阅读框发生改变后，在结构基因中往往出现多个终止密码子，无法翻译出全长的肽链。

9 一、血红蛋白变异的分子基础 异常血红蛋白病的基本概念
第二节 基因结构变异与异常血红蛋白病 异常血红蛋白病的基本概念 由于基因突变导致血红蛋白肽链中氨基酸异常而形成的异常血红蛋白而引起的疾病称之为异常血红蛋白病（abnormal hemoglobin syndrome）。 一、血红蛋白变异的分子基础 血红蛋白变异的分子基础 组成血红蛋白（Hb）的珠蛋白肽链中，无论是α链还是β链结构发生异常，均可导致异常血红蛋白病。珠蛋白结构变异的类型非常多，主要包括下述几种类型：

10 1、单个碱基替代 目前发现的异常Hb中，绝大多数属于肽链上单个氨基酸替代，因相应密码子发生单个碱基替代。如HbS的β链第6位的谷氨酸被缬氨酸替代（β6谷→缬），相应密码子由GAA→GUA。
2、密码子的缺失与插入 有些异常的Hb，缺失或嵌入某些氨基酸，如在我国江西发现的HbLeiden即在第6或第7位缺失了一个谷氨酸；HbGrady（Dakaar）则是在α链第119位后面添加了3个氨基酸（苯丙-苏-脯）。 3、移码突变 移玛突变是由于珠蛋白基因中发生1、2个碱基丢失或嵌入，致使后面的阅读框依次移位，导致重新编码，产生异常肽链，如HbWayne（缺失一个碱基）和HbTaR（嵌入2个碱基）。

11 4、终止密码突变 由于珠蛋白基因上终止密码子发生突变，珠蛋白链合成不在正常位置终止，而继续合成至新的终止密码子为止，因此生成了延长的异常珠蛋白链。如HbConstant’Spring，即因珠蛋白基因第142的终止密码子突变，其α链不是正常的141个氨基酸，而延长为172个氨基酸。 5、融合基因 某些异常Hb的珠蛋白链由两种不同的肽链联结而成。如HbLepore的非α链由δ与β链连接而成，其N端象δ链，C端象β链，称为δβ链。与此相反，另一种融合链的异常Hb即Hb反-Lepore，其N端象β链，C端象δ链，称为βδ链。由于染色体的错误连合与不等交换，形成了融合基因δβ与βδ，合成了融合链的异常血红蛋白。 血红蛋白的结构变异导致Hb功能的改变，其中以氧亲和力改变最多，尤其以氧亲和力增高为多，其次使Hb不稳定。其他功能变化较为少见。

12 二、不稳定血红蛋白病 不稳定血红蛋白的基本概念
由于珠蛋白的基因突变，使珠蛋白肽链上的氨基酸发生替代或缺失，可导致分子结构不稳定。迄今发现的不稳定血红蛋白已有170多种。由于氨基酸发生置换或缺失的位置和种类不同，导致不稳定程度也不同，所表现的临床症状也不同。

13 不稳定血红蛋白病的分子病理基础 不稳定血红蛋白的成因可归纳为以下几种： 1、与血红素接触的氨基酸发生了置换，影响“血红素口袋”的疏水性，从而降低血红蛋白的稳定性。 2、α螺旋段上的氨基酸发生了替代，使正常α螺旋段发生改变从而使整个血红蛋白分子变得不稳定。 3、α1β1接触面上的氨基酸发生置换，使α1β1接触面的稳定性减弱，从而使Hb分子降低为单体。 4、氨基酸缺失，如果缺失的氨基酸在关键位置，会使Hb变得很不稳定。 不稳定血红蛋白易被降解成单体，此时血红素被脱下。游离血红素进入体内分解代谢，失去血红素珠蛋白则易附着红细胞膜上，不易通过脾窦的微循环，易在脾内被吞噬、破坏，从而发生溶血性贫血。 不稳定血红蛋白病是常染色体共显性遗传的。也有少量无家族史的不稳定血红蛋白患者，可能是自发性突变。

14 三、血红蛋白M病 血红蛋白M病的基本概念 血红蛋白M病（hemoglobin M syndrome）是由于血红素中的铁离子处于高铁状态，该病患者血中含有高铁血红蛋白（HbM）。 血红蛋白M病的分子病理基础 当珠蛋白基因发生点突变，使α87，β92或α58，β63的组氨酸被酪氨酸取代时，酪氨酸酚侧链上的羧基（-OH）能与Fe2+形成稳定的配位键，使铁处于高铁Fe3+状态，形成高铁血红蛋白。氧亲和力下降，以致失去带氧功能，产生紫绀。

15 四、伴有红细胞增多症的异常血红蛋白病 伴有红细胞增多症的异常血红蛋白病的基本概念
由于氨基酸置换使氧亲和力提高，导致红细胞增多，称为伴有红细胞增多症的异常血红蛋白病（abnormal hemoglobin syndrome with erythrocytosis）。血红蛋白的氧亲和力升高后，氧和血红蛋白的组织中不易释放出氧，造成组织缺氧。这样刺激机体产生红细胞生成刺激素，形成代偿性的红细胞增多症。

16 血红蛋白氧亲和力升高的分子病理基础 引起血红蛋白氧亲和力升高的情况有下面几种： 1、位于α1β2接触面上的氨基酸发生取代使氧和血红蛋白不能脱氧，会使Hb氧亲和力增高，引起代偿性红细胞增多症，这种情况最为多见。 2、位于珠蛋白肽链羧基端的氨基酸间不能形成盐桥，Hb脱氧状态不稳定，易变成氧和Hb，使氧亲和力升高。 3、氨基酸取代影响链与2，3-二磷酸甘油酸的结合，则使氧合状态占优势，使Hb的氧亲和力提高。 4、“血红素口袋”四周的氨基酸被取代，氧易进入袋中，有利于氧与血红蛋白结合，使血红蛋白亲和力升高。这种取代同时也会降低血红蛋白的稳定性。

17 第三节 基因结构变异与地中海贫血 地中海贫血的基本概念
第三节 基因结构变异与地中海贫血 地中海贫血的基本概念 珠蛋白肽链合成受到抑制可引起的溶血性贫血，称地中海贫血（thalassemia）（简称地贫），分为α-地贫和β-地贫。

18 一、α-地中海贫血 α-地中海贫血的基本概念
α-地中海贫血（简称α-地贫）是由于α珠蛋白肽链（简称α链）的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。是世界上最常见且发生率最高的一种单基因遗传病。 α-地中海贫血的分子病理基础： α珠蛋白基因的缺失或功能障碍使α珠蛋白合成减少或不能合成，导致α-地贫。人基因组中有两个α2基因和两个α1基因，基因缺失或变异可出现较复杂的组合。 从单倍体考虑，两个α基因可以是两个都缺失，也可以是一个缺失。 从双倍体考虑，缺失则有杂合子和纯合子之分。α+杂合子（-α/αα），表现为“静止型” α-地贫，无贫血症状。αo杂合子（--/αα）与α+杂合子（-α/-α）的α珠蛋白合成轻度减少，贫血症状较轻。 α-纯合子（--/--）使α珠蛋白完全缺失，γ珠蛋白链则自身合成HbBart's（γ4）。 非缺失型α-地贫已发现有多种类型的变异。有两种非缺失型α-地贫的基因突变影响RNA的加工。有数种非缺失型α-地贫的基因突变影响mRNA翻译。有四种非缺失型α-地贫的基因影响翻译后珠蛋白肽链的稳定性。

19 二、β-地中海贫血 β-地中海贫血的基本概念
β-地中海贫血（简称β-地贫）是因β珠蛋白肽链的合成明显减少或完全不能合成所致，根据珠蛋白链合成受到抑制的情况，又可分为βo地贫和β+地贫等。前者完全不能合成β链，后者尚能部分合成β链。β类地贫主要包括β-地贫，δβ-地贫，HPFH和Hb-epone等。 β-地中海贫血的分子病理基础 β珠蛋白基因的突变型约有100余种。突变对基因表达的影响大致可分为下列六种类型： 1、转录水平降低； 2、mRNA剪接异常； 3、翻译缺失； 4、RNA修饰缺陷； 5、生成不稳定的β珠蛋白； 6、基因缺陷引起的βo地贫。

20 第四节 基因结构变异与血友病甲 血友病甲的基本概念
第四节 基因结构变异与血友病甲 血友病甲的基本概念 血友病甲或所谓“经典” 血友病是一种X染色体连锁的出血性疾病，其临床表现主要是“自发性”出血，但实际上出血仍与创伤有关，只是创伤轻微而不易察觉。血友病甲是最常见的遗传性出血性疾病，其病因是因子Ⅷ活性缺乏，其分子病理基础是由于因子Ⅷ基因的缺陷。

21 一、因子VIII的基因 二、因子VIII基因的缺陷 血友病甲的分子病理基础是因子Ⅷ基因缺陷，包括基因缺失、插入突变、点突变和基因重排。
因子Ⅷ的基因结构 二、因子VIII基因的缺陷 因子Ⅷ基因缺陷 血友病甲的分子病理基础是因子Ⅷ基因缺陷，包括基因缺失、插入突变、点突变和基因重排。

22 一、因子IX的基因 二、因子IX基因的缺陷
第五节 基因结构变异与血友病乙 血友病乙的基本概念 血友病乙是一种性染色体连锁遗传性出血性疾病，是由于因子Ⅸ缺乏所致，其原因是因子Ⅸ基因的缺陷。 一、因子IX的基因 因子IX的基因结构 二、因子IX基因的缺陷 因子IX基因缺陷 因子IX基因缺陷包括基因缺失、基因插入RNA剪接部位突变、无义突变和错义突变。