基因突變的細(xì)胞分子生物學(xué)效應(yīng)

1、第四章基因突變的細(xì)胞分子生物學(xué)效應(yīng)細(xì)胞是機體正常生命活動的基本單位，也是機體疾病發(fā)生的病理生理基礎(chǔ)。人類疾病的發(fā)生，正是在各種內(nèi)外環(huán)境致病因素作用下，造成機體組織細(xì)胞內(nèi)正常代謝機能紊亂，以至發(fā)生細(xì)胞病變的綜合表現(xiàn)。基因是細(xì)胞內(nèi)遺傳信息的物質(zhì)載體；蛋白質(zhì)是基因功能的主要體現(xiàn)者。亦即，細(xì)胞的一切生命活動現(xiàn)象，最終體現(xiàn)為蛋白質(zhì)的各種結(jié)構(gòu)特征和功能活動狀況。因此，在以遺傳因素為主導(dǎo)因素或主要病因的疾病中，基因突變的直接細(xì)胞分子生物學(xué)效應(yīng)，就是改變了由其所編碼的多肽鏈的質(zhì)量或數(shù)量，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的功能結(jié)構(gòu)異常。而細(xì)胞生理活動的異常及機體遺傳性狀的改變，則是蛋白質(zhì)功能結(jié)構(gòu)異常的結(jié)果。Physiological

2、,Genetic,andDevelopmentalHomeostasisAlogicofdiseasemustbebasedonrelationshipsbetweenphysiological,genetic,anddevelopmentalhomeostasisandonprevalentcultures.Susceptibility,madeupofaccumulatingeffectsofgenesandexperiences,becomesadiseasewhoseformdependsonthespecificityofthegenesandexperiencesaswellaso

3、ntheindividualityofontogeny.Theseelements,whichcanbeseentocomprehendWaddingtonsthreetimeframesthepresent,thelifetime,andthebiologicalpast,inanarrangementthatallowsthephysiciantoanalyzeeachcaseaccordingtotheindividualarrayofconstituents,whichistosay,totheindividualityofthecase,whichitselfshouldhelpin

4、thechoiceoftreatment.Isitnotalsoplausiblethatsoindividualananalysisofapatientsdiseasemustleadthedoctortoobservethespecificityofthepatientasaperson?第一節(jié)基因突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能異常基因突變對蛋白質(zhì)所產(chǎn)生的影響可表現(xiàn)在以下幾個方面：直接影響了相關(guān)功能蛋白質(zhì)的生物合成；導(dǎo)致蛋白質(zhì)產(chǎn)生異常的功能效應(yīng)；導(dǎo)致組織細(xì)胞蛋白質(zhì)表達(dá)類型的改變；涉及到蛋白質(zhì)的分子細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)與相應(yīng)臨床表型之間的關(guān)系。通過對這些機制的認(rèn)識，將有助于較為深入地理解基因突變導(dǎo)致遺傳病發(fā)生

5、的分子細(xì)胞生物學(xué)途徑。一、突變導(dǎo)致生成異常蛋白基因突變是蛋白質(zhì)突變的根本原因；而突變蛋白(mutantprotein)的形成，則是基因突變的結(jié)果和表現(xiàn)形式?；蛲蛔冇绊懻５鞍缀铣?，導(dǎo)致細(xì)胞功能損害并引起機體疾病發(fā)生的兩種基本的機制是：突變影響、干擾了RNA的正常轉(zhuǎn)錄以及轉(zhuǎn)錄后的修飾、剪輯；或直接改變了被編碼的多肽鏈中氨基酸的組成和順序，從而使其正常功能喪失，即所謂的原發(fā)性損害(primaryabnormalities)；突變并不直接影響或改變某一條多肽鏈正常的氨基酸組成序列，而是通過干擾該多肽鏈的翻譯合成過程；或翻譯后的修飾、加工；甚至通過對蛋白質(zhì)各種輔助因子的影響，間接地導(dǎo)致某一蛋白質(zhì)功能

6、的失常。相對于原發(fā)性損害機制，其被稱之為繼發(fā)性損害(secondaryabnormalities)(表4-1)。表4-1突變與疾病的關(guān)系突變涉及的步驟原發(fā)損害病例繼發(fā)性損害病例核苷酸序列轉(zhuǎn)錄、RNA剪地中海貧血、HPFH轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)急性間隙性卟啉切癥mRNA翻譯地中海貧血翻譯的調(diào)節(jié)急性間隙性卟啉癥Ehlers-Danlos綜多肽多肽鏈折疊LDL受體突變2型翻譯后修飾合征三維空間構(gòu)象亞單位聚合、膠原形成缺陷亞單位聚合和亞細(xì)Zellweger綜合亞細(xì)胞定位胞定位的調(diào)節(jié)征、I細(xì)胞病生物學(xué)功能蛋白質(zhì)降解Tay-Sachs病蛋白質(zhì)降解的調(diào)節(jié)未知基因突變影響功能蛋白質(zhì)的正常生物合成1.通過原發(fā)性損害機制造成

7、對蛋白質(zhì)合成的影響原發(fā)性損害機制對蛋白質(zhì)合成的影響，其表現(xiàn)形式之一是：突變造成了某些蛋白質(zhì)合成的異常減少。例如，0-地中海貧血癥的部分原因，就是由于突變減少了正常0-珠蛋白的合成所致。這可能與這些基因轉(zhuǎn)錄形成的mRNA相對穩(wěn)定性下降有關(guān)。與之相反，其另一種表現(xiàn)形式則是：突變使得某些蛋白質(zhì)的合成異常增加。如遺傳性胎兒血紅蛋白持續(xù)癥(HPFH；OMIM#142470)即是如此所致。這可能是因為在特定的發(fā)育時段，表達(dá)了不該表達(dá)的基因。2.通過繼發(fā)性損害機制造成對蛋白質(zhì)合成的影響其主要表現(xiàn)形式是突變改變了mRNA和蛋白質(zhì)的合成速率。通常情況下，決定某種蛋白質(zhì)合成速度和效率的并非編碼該蛋白質(zhì)的基因本身，

8、而是對該基因的表達(dá)具有調(diào)節(jié)作用的順式作用元件(cis-actingelement)和反式作用因子(trans-actingfactor)或其他相關(guān)因素。如果這些調(diào)節(jié)因子或因素發(fā)生改變，同樣地能夠影響這些蛋白質(zhì)的正常功能。急性間隙性卟啉癥(acuteintermittentporphyria,AIP；OMIM#176000)是一種AD遺傳病。其相關(guān)基因定位于11q23.3。90%的個體表型可正常，僅10%的個體表現(xiàn)間隙性發(fā)作的臨床癥狀。正常情況下氨基Y-酮戊酸(6-aminolevulincacid,ALA)合成酶催化甘氨酸與琥珀酰CoA生成ALA,再轉(zhuǎn)化為膽色素原(porphobilinoge

9、n,PBG)；后者可在PBG脫氨酶作用下逐級合成血紅素(heme)(圖牛1)。圖4-1血紅素的合成與急性間隙性卟啉癥的發(fā)生AIP患者由于缺乏PBG脫氨酶，使細(xì)胞內(nèi)的ALA及膽色素原不能正常轉(zhuǎn)化為血紅素，導(dǎo)致其血紅素含量下降；而血紅素下降，則反饋性地調(diào)節(jié)ALA合成酶表達(dá)增強；ALA合成酶增加的結(jié)果，又促使了ALA和膽色素原的大量合成和嚴(yán)重積聚，以致疾病的發(fā)生。該病可被某些物質(zhì)或藥物所誘發(fā)。即當(dāng)服用這些藥物后，由于肝臟中以血紅素為輔基的氧化反應(yīng)參與了藥物的代謝，使因?qū)ρt素的消耗需求增加而含量減少，致ALA合成增加。故而往往會呈現(xiàn)為服藥后癥狀的出現(xiàn)或癥狀加重的間隙性發(fā)作。由此可見，AIP雖然是由于

10、ALA合成酶合成增加直接所致，但其根本原因卻是PBG脫氨酶缺陷間接作用的結(jié)果。（二）基因突變引起功能蛋白正常結(jié)構(gòu)的改變1.基因突變對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的原發(fā)性損害蛋白質(zhì)多肽鏈中特定的氨基酸組成序列及在此基礎(chǔ)之上形成的三維立體構(gòu)象，是蛋白質(zhì)行使其正常生理功能的基本前提，也是反映蛋白質(zhì)功能狀態(tài)的兩個最基本的特征。如果基因突變使其一發(fā)生了改變，都可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)正常功能的異?；驌p害。最常見的形式是：構(gòu)成球蛋白分子非極性疏水區(qū)內(nèi)的1個或1個以上的非極性或疏水性氨基酸，被極性或親水性氨基酸所取代；或者在該區(qū)域有極性或親水性氨基酸的插入，使得結(jié)構(gòu)原本較為緊密的疏水區(qū)形成間隙，導(dǎo)致相應(yīng)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的下降，引起功能的改

11、變。這不僅涉及到蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)肽鏈中氨基酸組成的異常，而且，也牽扯到蛋白質(zhì)次級結(jié)構(gòu)的變化。研究表明，20以上的血紅蛋白病屬于這一類突變。此類突變往往發(fā)生于直接為蛋白質(zhì)編碼的結(jié)構(gòu)基因。2.基因突變對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的繼發(fā)性損害絕大多數(shù)蛋白質(zhì)在它們翻譯合成的過程中或翻譯合成后，還須經(jīng)過一定形式的加工、修飾，才能滿足其功能的需要。而許多疾病的發(fā)生，卻正是因為蛋白質(zhì)的修飾、加工過程缺陷，繼發(fā)性地改變和損害了蛋白質(zhì)的正常結(jié)構(gòu)所引起。例如Ehlers-Danlos綜合征II型（OMIM#130010）是由于賴氨酸羥化酶的繼發(fā)性結(jié)構(gòu)缺陷，使得正常膠原分子上的賴氨酸不能被羥化而造成膠原分子間的連接障礙，無法滿足細(xì)胞

12、組織間膠原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的需要，最終引起結(jié)締組織的結(jié)構(gòu)改變和功能紊亂所致。（三）基因突變影響蛋白質(zhì)的正常亞細(xì)胞定位細(xì)胞內(nèi)各類蛋白質(zhì)合成后，只有經(jīng)過準(zhǔn)確的修飾加工，正確的折疊，形成特定的空間構(gòu)象或結(jié)構(gòu)形式，被定向地轉(zhuǎn)運到其特定的空間位置，才能發(fā)揮、行使它們各自的正常生理功能。這其中的任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生障礙，都可能導(dǎo)致蛋白功能的異常。1.影響蛋白質(zhì)細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運的原發(fā)性缺陷蛋白質(zhì)的細(xì)胞內(nèi)定位,是由其多肽鏈的氨基酸組成序列所決定的。例如，一些由細(xì)胞核基因編碼的線粒體蛋白,在其多肽鏈氨基端,均含有一段可被線粒體膜受體識別的特殊氨基酸序列，稱為導(dǎo)肽(leadersequence或targetingsequenc

13、e)。這是線粒體蛋白轉(zhuǎn)運所必需的。如果導(dǎo)肽序列的編碼基因DNA發(fā)生突變，就會導(dǎo)致相應(yīng)的核編碼線粒體蛋白的線粒體導(dǎo)入障礙，從而影響到線粒體的正常功能。甲基丙二酸尿癥(methylmalonicaciduria；OMIM#251000)是一種常染色體隱性遺傳病。該病是由于機體內(nèi)甲基丙二酰輔酶A羧基變位酶(methylmalonylCoAmutase)缺乏，使得甲基丙酰CoA不能夠轉(zhuǎn)變?yōu)殓牾oA，造成甲基丙二酸(methylmalonicacid，MMA)在線粒體內(nèi)的堆積所致。然而，究其根本，則是因為MMA-CoA變位酶氨基端導(dǎo)肽序列的氨基酸殘基組成出現(xiàn)錯誤使該酶不能進(jìn)入線粒體所致(圖4-2)。

14、圖4-2MMA-CoA變位酶與琥珀酰CoA的合成2.影響蛋白質(zhì)細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運的繼發(fā)性缺陷與上述核編碼線粒體蛋白的定位機制不同，另一類型的蛋白質(zhì)定位，是由蛋白質(zhì)翻譯、合成后的修飾所決定。如溶酶體內(nèi)的酸性水解酶就是通過這一機制實現(xiàn)其胞內(nèi)轉(zhuǎn)運定位的。正常情況下，酸性水解酶在合成后通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的轉(zhuǎn)運過程中，首先經(jīng)過糖基化作用，形成帶有甘露糖的糖蛋白；該糖蛋白再經(jīng)磷酸化而形成6-磷酸-甘露糖(M-6P)；M-6-P殘基進(jìn)而與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的M-6-P受體結(jié)合，并以出芽的形式形成胞內(nèi)囊泡；胞內(nèi)囊泡與溶酶體融合后釋放酸性水解酶進(jìn)入溶酶體。由此可見，酸性水解酶的糖基化及磷酸化是其實現(xiàn)正常轉(zhuǎn)運定位的關(guān)鍵步驟。但是，在某些

15、病理情況下，由于催化甘露糖磷酸化的酶缺陷，結(jié)果使得酸性水解酶不能夠正常進(jìn)入溶酶體，而經(jīng)由非正常途徑釋放積聚于細(xì)胞中。溶酶體酸性水解酶涉及到多種物質(zhì)的分解代謝。其異常分泌，必然地會導(dǎo)致嚴(yán)重的細(xì)胞生物學(xué)損傷效應(yīng)。此類患者可有骨骼發(fā)育異常、生長遲緩和智力低下等多種臨床體征表現(xiàn)。體外培養(yǎng)的患者細(xì)胞中會看到異常的溶酶體或包涵體(inclusionbody),故稱之為包涵體細(xì)胞(inclusion-cell,I-cells)。包涵體細(xì)胞病又簡稱為I-細(xì)胞病。突變影響功能性輔基基團或輔助因子與蛋白質(zhì)結(jié)合或解離的突變許多蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的獲得,必須依賴于同某些非蛋白輔助基團(prostheticgroup)或

16、輔助因子(cofactor)的結(jié)合或解離。例如，珠蛋白只有在和血紅素結(jié)合后,才能形成具有氣體攜帶功能的血紅蛋白。因此,凡是影響到多肽鏈與輔助基團或輔助因子結(jié)合解離的突變；或使輔助基團與輔助因子的形成、轉(zhuǎn)運過程發(fā)生缺陷的突變,都可能成為遺傳病發(fā)生的分子病理學(xué)機制。影響輔助因子與蛋白質(zhì)結(jié)合/解離的原發(fā)性突變常染色體隱性遺傳病同型胱氨酸尿癥(homocystinuria,OMIM#220100),是由胱硫醚合成酶(cystathioninesynthase)缺陷引起的一種氨基酸代謝病。該癥患者臨床上表現(xiàn)為多器官損害。其分子病理學(xué)機制，是由于基因缺陷而致胱硫醚合成酶與其輔助因子磷酸吡哆醛(pyrido

17、xalphosphate)的結(jié)合障礙(圖4-3)。大劑量的吡哆醛(維生素B6)對該病具有一定的治療作用。圖4-3胱硫醚合成酶缺陷與同型胱氨酸尿癥2.影響輔助因子與蛋白質(zhì)結(jié)合/解離的繼發(fā)性突變某些情況下,那些可催化蛋白質(zhì)分子輔助基團或輔助因子合成、轉(zhuǎn)運的酶缺陷；或者催化蛋白質(zhì)與其輔助基團及輔助因子結(jié)合/解離的酶缺陷,也會影響到蛋白質(zhì)功能活性的獲得,從而表現(xiàn)為一種繼發(fā)性的功能損害。（五）突變影響蛋白質(zhì)分子與其功能性亞基及其他因子之間結(jié)構(gòu)組成關(guān)系的突變影響蛋白質(zhì)各組成亞單位之間相互組裝的原發(fā)性突變對于那些由2個以上亞單位組成的蛋白質(zhì)來說，其分子構(gòu)象的改變，往往會影響到亞單位之間的相互聚合，使之不能形

18、成正常的功能結(jié)構(gòu)復(fù)合體。例如，proa（）和r（）基因的突變，會致使它們聚合形成型膠原的組裝受阻，造成骨發(fā)育不良，引發(fā)多種臨床病理癥狀。導(dǎo)致組裝后復(fù)合蛋白功能結(jié)構(gòu)失常的繼發(fā)性突變某些多肽鏈（亞單位）的遺傳缺陷，或許并不直接影響蛋白質(zhì)功的聚合與組裝，但是在組裝后卻會造成復(fù)合蛋白整體功能結(jié)構(gòu)的異常而導(dǎo)致疾病的發(fā)生，從而表現(xiàn)為繼發(fā)性的突變損傷效應(yīng)。較為典型的例證如Zellweger綜合征（OMIM#214100）。其已經(jīng)基本確認(rèn)的相關(guān)易感基因分布于包括1q22；2p15；6q23q24；7q21-q22在內(nèi)的染色體區(qū)帶。二、突變導(dǎo)致蛋白產(chǎn)生的異常功能效應(yīng)影響蛋白質(zhì)功能而產(chǎn)生多種不同分子細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)

19、的突變表現(xiàn)形式，主要地可歸納為：導(dǎo)致功能丟失的突變、造成功能增強的突變和產(chǎn)生新特征的突變（圖4-4）。茲依次分別簡述如下：圖4-4影響蛋白質(zhì)功能而產(chǎn)生多種分子細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的突變（一）功能丟失突變功能丟失的突變（loss-of-functionmutation）是一種最常見的突變表現(xiàn)形式。無論是由編碼序列區(qū)域，還是調(diào)節(jié)序列區(qū)域的突變，大多都會導(dǎo)致蛋白質(zhì)正常功能的喪失。同時，由于喪失正常功能的突變蛋白穩(wěn)定性的降低，也使得相關(guān)蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的含量相應(yīng)地下降。（二）功能增強突變功能增強突變（gain-of-functionmutation）是因突變所產(chǎn)生的蛋白活性異常增強而導(dǎo)致的細(xì)胞生理、生化表型改

20、變現(xiàn)象。盡管與功能丟失突變相對而言，該類突變較為鮮見，但是卻也同樣是造成細(xì)胞正常生理、生化過程紊亂，并最終導(dǎo)致疾病發(fā)生的原因之一。VonWillebrand病(OMIM#193400)是一種AD遺傳病，與之相關(guān)的vonWillebrand因子(vonWillebrandfactor,vWF)的編碼基因(12p13.3)存在多種突變形式。其多數(shù)并無異常的表型改變，但是,約有1/120左右的個體，會出現(xiàn)損傷后出血不止的臨床病理癥狀。臨床病理分析表明，此類患者體內(nèi)vWF活性異常增高，使與血小板的結(jié)合能力相應(yīng)地增強。當(dāng)機體損傷出血時，血小板會因與vWF的強力結(jié)合而難以解離出來，以致不能夠接觸、依附于血

21、管內(nèi)皮而發(fā)揮其止血功能。突變導(dǎo)致蛋白功能異常增強，其可能的原因有二：一是質(zhì)變效應(yīng)；二是量變效應(yīng)。前者是由于突變造成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變所致；后者則是因為調(diào)節(jié)序列區(qū)域突變，使蛋白合成數(shù)量增加的結(jié)果。新特征形成突變形成新特征突變(novelpropertymutation)是使蛋白質(zhì)形成新的異常特性的突變類型。例如鐮狀紅細(xì)胞貧血癥，其0-珠蛋白鏈基因點突變導(dǎo)致的異常血紅蛋白，也具有一定的氧合運輸功能。但是，在氧分壓較低或缺氧的情況下，就會表現(xiàn)出相互聚集的特性，并因此而造成紅細(xì)胞的鐮狀變形損傷，以致發(fā)生溶血性貧血。此類突變亦較為罕見。三、突變導(dǎo)致組織細(xì)胞蛋白表達(dá)類型的改變總體而言，蛋白質(zhì)可被相對地劃分為

22、兩類，即持家蛋白(housekeepingprotein)和奢侈蛋白(luxuryprotein)。持家蛋白產(chǎn)生、存在于幾乎所有的組織細(xì)胞類型之中，為細(xì)胞一般正常結(jié)構(gòu)和最基本的生命活動的維系所必需。例如，核酸聚合酶蛋白、核糖體蛋白、細(xì)胞骨架蛋白等等。而奢侈蛋白則僅僅表達(dá)、存在于某些特定的組織細(xì)胞類型，是特異組織細(xì)胞類型分化及特殊生理功能的標(biāo)志。活躍地表達(dá)、合成于網(wǎng)織紅細(xì)胞中的a、0家族珠蛋白；B淋巴細(xì)胞中的免疫球蛋白（immunoglobulin,Ig）等等即屬此類。基因突變往往可能導(dǎo)致正常組織細(xì)胞蛋白表達(dá)類型的改變，繼而引起細(xì)胞功能特性的異常,甚至發(fā)生病理改變。（一）奢侈蛋白突變具有組織特異

23、性的奢侈蛋白的突變,不僅可引起其原發(fā)細(xì)胞組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及生理功能異常和細(xì)胞功能特性的喪失,而且也能夠累及其他細(xì)胞組織的正常結(jié)構(gòu)或生理功能。更有甚者,奢侈蛋白的突變還可在不影響其原發(fā)組織細(xì)胞一般結(jié)構(gòu)或生理功能的情況下而造成對其他細(xì)胞組織的損害。苯丙酮尿癥即為最典型的例證：患者肝、腎中苯丙氨酸羥化酶的缺陷,造成的后果則是病人智力的低下。（二）持家蛋白突變持家蛋白對于維持細(xì)胞一般正常的結(jié)構(gòu)和生命活動是不可或缺的。其一旦發(fā)生普遍性的突變,勢必會對機體產(chǎn)生極其嚴(yán)重的全面性影響和危害,甚至?xí)哂兄滤佬孕?yīng)。但是,常見的持家蛋白突變,則往往只引發(fā)局限的臨床效應(yīng)。其所累及的通常也僅僅是那些該類蛋白起特殊作用,

24、或?qū)υ擃惓旨业鞍拙哂心撤N特殊功能依賴性的組織細(xì)胞。例如,精氨酸琥珀酸合成酶與精氨酸琥珀酸裂解酶,普遍地表達(dá)于幾乎所有的細(xì)胞,參與精氨酸的合成代謝,是為一類持家蛋白。但由于它們在肝組織中的高水平表達(dá),催化肝內(nèi)的尿素循環(huán)代謝,故又表現(xiàn)出一定的組織特異性。這兩種持家酶蛋白缺陷的直接生理生化效應(yīng),往往是導(dǎo)致尿素循環(huán)代謝障礙,而不是影響精氨酸的合成代謝過程。四、突變蛋白的分子細(xì)胞病理學(xué)效應(yīng)與相應(yīng)臨床表型之間的關(guān)系（一）同一基因的不同突變產(chǎn)生不同的臨床表型同一基因座上的同一個基因,如果發(fā)生不同的突變形式,往往會產(chǎn)生不同的臨床表型而表現(xiàn)為遺傳的異質(zhì)性。例如，發(fā)生在0-珠蛋白基因座上的0-珠蛋白基因的不同突變

25、，可引起完全不同的臨床效應(yīng)。其可有正常、疾病、死亡等多種臨床表現(xiàn)形式。這是由基因突變類型所涉及的蛋白質(zhì)功能位置所決定的。(二)基因突變引發(fā)未能預(yù)測的臨床效應(yīng)盡管遺傳疾病的發(fā)生是在一定條件下基因有害突變的必然結(jié)果。然而，在很多情況下，我們卻又無法估計和預(yù)測到某一基因突變是否能夠，或者應(yīng)該還是不應(yīng)該引起這樣或那樣的生理生化異常及與之相應(yīng)的臨床表型效應(yīng)。即便像血紅蛋白病、自殘綜合征(self-mutilationsyndrome或Lesch-Nyhansyndrome)等這樣一些單基因遺傳病，盡管現(xiàn)代醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)已經(jīng)初步闡明了它們發(fā)生的分子遺傳學(xué)機制，可是迄今為止，人們卻依然還不能夠解釋：為什么HbA

26、突變?yōu)镠bS后，即會發(fā)生血紅蛋白在脫(缺)氧狀態(tài)下的聚合；也不能夠理解：患者因次黃嘌呤鳥嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶(hypoxanthineguaninephosphosibosyltransferase，HGPRT)的遺傳性缺陷所引起的體內(nèi)代謝紊亂，為什么卻會在臨床上表現(xiàn)出強迫性自殘這樣的異常行為。等等諸如此類的問題，也都是有待現(xiàn)代醫(yī)學(xué)進(jìn)一步深入研究的課題。第二節(jié)基因突變引起性狀改變的分子生物學(xué)機制“中心法則”是對現(xiàn)代分子遺傳學(xué)理論研究成果的高度概括。它扼要地闡明了核酸、蛋白質(zhì)兩類生物大分子之間的相互關(guān)系及細(xì)胞內(nèi)遺傳信息的傳遞、表達(dá)過程。DNA分子中儲存、蘊藏的遺傳信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，得以傳遞到

27、肽鏈中去。而后者再進(jìn)一步形成具有生物功能活性的蛋白質(zhì)，并最終表現(xiàn)為細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能性狀。這種信息語言的轉(zhuǎn)換和表達(dá)過程，不但是基因控制正常遺傳性狀發(fā)育最基本的分子生物學(xué)機制，也是基因突變引起各種性狀異常和臨床疾病發(fā)生的基本機制。一、基因突變引起酶分子的異常酶是生物有機體內(nèi)具有特殊生物催化活性的催化劑。人體細(xì)胞中的每一步生化代謝反應(yīng)，幾乎都需要某種專一性酶的催化才能進(jìn)行和完成。酶又是基因表達(dá)的產(chǎn)物，由結(jié)構(gòu)基因突變所引起的酶分子組成與結(jié)構(gòu)的改變，或由調(diào)節(jié)基因突變所導(dǎo)致的酶合成異常，都有可能造成相關(guān)代謝過程的障礙或代謝程序的紊亂。如果這種基因突變發(fā)生于生殖細(xì)胞或受精卵中，就有可能傳遞個后代個體，從而產(chǎn)

28、生相應(yīng)的先天性代謝缺陷(inbornerrorsofmetabolism)或遺傳性酶病(hereditaryenzymopathy)。結(jié)構(gòu)基因突變引起的酶蛋白結(jié)構(gòu)異常酶有單體酶與復(fù)合酶之分。前者，僅由酶蛋白組成；后者，除酶蛋白之外，尚含有某種輔助基團或輔助因子。但無論是何種類型，其催化活性都是建立在與其催化功能相適應(yīng)的特定三維空間構(gòu)象基礎(chǔ)之上的。所有結(jié)構(gòu)基因的突變，除同義突變一般不致引起酶蛋白結(jié)構(gòu)之異常外，其他突變形式都有可能造成酶分子特定立體構(gòu)象不同程度的改變?？臻g構(gòu)象變化引起的酶活性失常，主要地表現(xiàn)為以下幾種形式：酶的功能活性完全喪失；尚具有一定的功能活性，但其穩(wěn)定性降低，因此，極易被降解

29、而失去活性；酶與其作用底物的親和性降低，以致不能迅速、有效地與之結(jié)合，造成代謝反應(yīng)的延滯；酶蛋白與輔助因子的親和性下降，影響了酶的正?；钚?。調(diào)節(jié)基因突變引起的酶蛋白合成異常基因是一個可調(diào)控的遺傳功能表達(dá)單位。每一個結(jié)構(gòu)基因的構(gòu)成，除過其轉(zhuǎn)錄序列之外，都還含有側(cè)翼的非轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列。此類調(diào)控序列突變，或者使基因轉(zhuǎn)錄的啟動障礙，不能進(jìn)行mRNA的合成;或者造成轉(zhuǎn)錄速率下降，影響mRNA合成產(chǎn)量。這些最終都導(dǎo)致了同樣的遺傳學(xué)效應(yīng)，亦即因為酶蛋白的缺失，或酶蛋白合成量的不足而引發(fā)的代謝缺陷。二、酶分子異常引起的代謝缺陷人體細(xì)胞內(nèi)的絕大多數(shù)生理活動過程，都是建立在一系列相互聯(lián)系的級聯(lián)生化反應(yīng)基礎(chǔ)之上的。而

30、在這些級聯(lián)的生化反應(yīng)中，其每一步幾乎都是在特定的酶或酶系的催化下實現(xiàn)和完成的。因此，酶是實現(xiàn)機體細(xì)胞內(nèi)各種生命活動過程最為直接、極其關(guān)鍵的重要因素之一。（一）酶與代謝反應(yīng)的關(guān)系如圖4-5所示，作為某種代謝反應(yīng)的原初底物A,在細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)TA（通常也是一種酶或具有酶活性的膜功能結(jié)構(gòu)蛋白）的A作用下進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，然后在酶EAB的催化下，轉(zhuǎn)變?yōu)槌跫壌x產(chǎn)物B；ABB又在酶Ebc、ECD的催化作用下依次轉(zhuǎn)化為其代謝的次級中間產(chǎn)物CBCCD和代謝的終產(chǎn)物DoA物質(zhì)的代謝除了沿上述A-B-C-D這一主要途徑進(jìn)行之外；一定條件下，還可能在其他相應(yīng)酶類的作用下沿著A-F-G這一次要的代謝旁路而進(jìn)行。由此可

31、以看出，每一個代謝過程的反應(yīng)途徑，以及由此所產(chǎn)生的各種中間代謝產(chǎn)物的最終去向，均和參與催化該代謝反應(yīng)的酶密切相關(guān)。換句話說，即在一定條件下,酶能夠決定體內(nèi)代謝反應(yīng)的類型和反應(yīng)的途徑及去向。同時，從圖4-5還可以看出，在體內(nèi)復(fù)雜的代謝反應(yīng)過程中，各參與代謝過程的物質(zhì)，往往表現(xiàn)出作為反應(yīng)底物和反應(yīng)產(chǎn)物雙重屬性，以及彼此之間互為底物與產(chǎn)物的交錯關(guān)系。而這種屬性與相互關(guān)系，又構(gòu)成了體內(nèi)普遍存在的反饋調(diào)節(jié)機制的基礎(chǔ)。圖4-5酶與代謝反應(yīng)的關(guān)系（二）酶缺陷對代謝反應(yīng)的影響1.酶缺陷造成代謝底物缺乏絕大多數(shù)非脂溶性或極性的小分子物質(zhì)（如葡萄糖、氨基酸等），都必須依賴于膜轉(zhuǎn)運酶的作用，才能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)作為某種代

32、謝活動的原初反應(yīng)底物而引發(fā)相應(yīng)的代謝反應(yīng)。一旦與之相關(guān)的膜轉(zhuǎn)運酶缺陷或異常，就造成代謝底物的缺乏而阻礙和影響整個代謝過程的發(fā)生，最終引發(fā)一系列的疾病癥狀。例如，呈常染色體隱性遺傳的色氨酸加氧酶缺乏癥（OMIM#191070）,由于患者腸粘膜上皮組織細(xì)胞膜上缺乏轉(zhuǎn)運色氨酸的色氨酸加氧酶，使色氨酸不能被吸收。如圖4-6所示，作為多種代謝的原初反應(yīng)底物，其轉(zhuǎn)運障礙，使得細(xì)胞內(nèi)煙酰胺、5-羥色胺等重要物質(zhì)不能得以正常地合成，從而導(dǎo)致整個機體的生理活動紊亂。該類病人主要表現(xiàn)為：反復(fù)發(fā)作的小腦運動失調(diào)；皮膚粗糙、色素沉積、表皮潰爛等臨床癥狀。圖4-6色氨酸代謝示意圖2.酶缺陷導(dǎo)致代謝底（產(chǎn)）物堆積酶缺陷導(dǎo)

33、致的代謝產(chǎn)物堆積，可能造成兩種情況的發(fā)生。（1）堆積產(chǎn)物對機體的直接危害例如半乳糖血癥（galactosemia，OMIM#230400），就是因為患者體內(nèi)半乳糖-1-磷酸尿苷酰轉(zhuǎn)移酶（GPUT）的缺乏，導(dǎo)致代謝的中間產(chǎn)物半乳糖與半乳糖-1-磷酸在血液中的大量堆積所致。該病新生兒的發(fā)病率約為1/600001/400000；患兒可有哺乳后嘔吐、腹瀉，繼而拒乳等胃腸道癥狀。隨著病情的發(fā)展、加重，還會出現(xiàn)黃疸、肝硬化、腹水和智力低下等肝、腦損害癥狀。圖4-7示半乳糖的體內(nèi)代謝途徑。圖4-7半乳糖的體內(nèi)代謝途徑（2）堆積底（產(chǎn)）物激發(fā)代謝旁路開放有些時候，催化主要代謝途徑的酶缺陷所形成的堆積底（產(chǎn)）物

34、，其本身也許并不造成對機體的直接危害。但是，卻會導(dǎo)致某些代謝旁路的激活，使得反應(yīng)沿次要的途徑進(jìn)行，結(jié)果形成某些代謝副產(chǎn)物的堆積，并因此而引發(fā)相應(yīng)的疾病。從圖4-8所示苯丙氨酸的不同代謝途徑可了解到苯丙酮尿癥(phenylketonuria，PKU；OMIM#261600)的發(fā)生機制：由于患者體內(nèi)苯丙氨酸羥化酶的缺乏，使得苯丙氨酸不能進(jìn)入酪氨酸轉(zhuǎn)化的這一主要代謝途徑被正常分解利用，結(jié)果導(dǎo)致其代謝旁路的開放，轉(zhuǎn)而形成了苯丙酮酸；因為苯丙酮酸堆積對神經(jīng)系統(tǒng)的毒性作用，影響了病人智力的正常發(fā)育，表現(xiàn)為智力低下的臨床癥狀。圖4-8苯丙氨酸的代謝途徑1苯丙酮尿癥；2尿黑酸尿癥；3白化病酶缺陷導(dǎo)致代謝終產(chǎn)物缺乏在機體細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)代謝級聯(lián)反應(yīng)中，酶的缺陷出現(xiàn)在其整個過程的任何一個環(huán)節(jié)或步驟，都可能導(dǎo)致正常反應(yīng)途徑受阻或中斷，造成某些必需代謝終產(chǎn)物的缺乏，并因此而引起機體疾病的發(fā)生。例如，白化病是因為患者上皮組織黑色素細(xì)胞內(nèi)酪氨酸酶的缺乏，使得酪氨酸氧化受阻，不能產(chǎn)生其正常的代謝終產(chǎn)物黑色素所致。該病為常染色體隱性遺傳，群體發(fā)病率約為1/10000