第10章 生化遺傳學(xué)

第十章生化遺傳學(xué)

（biochemicalgenetics)醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)教研室?guī)熑缫?/p>

生化遺傳學(xué)（biochemicalgenetics）：是用生物化學(xué)的原理和方法研究生物的遺傳物質(zhì)與遺傳性狀之間的代謝關(guān)系，從而闡明基因的基本功能及其表達(dá)過程的一個遺傳學(xué)分支學(xué)科。生化遺傳學(xué)可為某些先天性代謝缺陷和分子病的治療提供理論基礎(chǔ)。

分子?。╩oleculardiseases)：是指由于基因突變而造成的蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和數(shù)量異常引起的疾病。先天性代謝缺陷（inbornerrorsofmetabolism）：

通常指由于基因突變而造成的酶蛋白結(jié)構(gòu)或數(shù)量的異常所引起的疾病，又稱遺傳性酶病或先天性代謝病。

第一節(jié)血紅蛋白病第一節(jié)血紅蛋白病一、血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)與珠蛋白基因（一）血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)及發(fā)育變化

1．血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)血紅蛋白（hemoglobin，Hb）是一種復(fù)合蛋白，由珠蛋白和血紅素輔基組成。每個血紅蛋白分子是由4個亞單位構(gòu)成的四聚體。每個亞單位由l條珠蛋白肽鏈和1個血紅素輔基構(gòu)成。

每個亞單位

1個血紅素(heme)輔基1條珠蛋白(globin)肽鏈α：141個氨基酸

β：146個氨基酸

δ

Gγ：在第136位上為甘氨酸者

γ

Aγ：為丙氨酸者ε

ζ

四聚體

4個血紅素輔基

4條珠蛋白肽鏈

2條α鏈(α或ζ)

2條非α鏈(β或ε、δ、Gγ、Aγ)

四個這樣形成的血紅蛋白分子就有這幾種類型：

HbGowerl(ζ2ε2)HbGower2(α2ε2)

HbPortland(ζ2γ2)

HbF（α2Gγ2和α2Aγ2）

HbA(α2β2)HbA2(α2δ2)

胚胎血紅蛋白

成人紅細(xì)胞中血紅蛋白

2．血紅蛋白的發(fā)育變化在人體發(fā)育的不同階段，血紅蛋白的組成彼此各不相同，上述各種血紅蛋白先后出現(xiàn)，并且有規(guī)律地相互更替，其合成呈現(xiàn)嚴(yán)格的消長過程。（二）珠蛋白基因人體中珠蛋白是由珠蛋白基因家族編碼的，珠蛋白基因家族包括兩個珠蛋白基因簇，即：

α珠蛋白基因簇β珠蛋白基因簇

1．α珠蛋白基因簇定位于16p13.33，組成及排列順序為：5′-ζ2-ψζl-ψαl-α2-αl-θ-3′總長度為30kb。每條16號染色體有2個α基因，正常的二倍體細(xì)胞有4個α基因。

α珠蛋白基因簇的排列順序與發(fā)育過程中表達(dá)順序相一致。2．β珠蛋白基因簇β珠蛋白基因簇定位于11p15.5，組成和排列順序是：5′-ε-Gγ-Aγ-ψβl-δ-β-3′總長度為60kb。每條11號染色體只有1個β基因，正常的二倍體細(xì)胞有2個β基因。β珠蛋白基因簇的排列先后也與發(fā)育過程的表達(dá)順序相關(guān)。3．珠蛋白基因結(jié)構(gòu)各種珠蛋白基因均含有3個外顯子（E）和2個內(nèi)含子（I）。α珠蛋白基因的I1位于31位和32位密碼子之間，由117bp組成；I2位于99位和100位密碼子之間，含140bp。β珠蛋白基因的I1位于30位和31位密碼子之間，為130bp；而I2位于104位和105位密碼子之間，約850bp。二、異常血紅蛋白

異常血紅蛋白（abnormalhemoglobin）指由于珠蛋白基因上堿基發(fā)生改變，再由相應(yīng)的mRNA上編碼氨基酸的密碼子變異而產(chǎn)生的血紅蛋白。這些變異如果使血紅蛋白分子的功能、溶解度和穩(wěn)定性發(fā)生異常，就會導(dǎo)致血紅蛋白病的發(fā)生。最常見而且最具臨床意義的血紅蛋白變異型是鐮狀細(xì)胞血紅蛋白（HbS）、血紅蛋白M病、血紅蛋白H病和不穩(wěn)定血紅蛋白病等。

(一)鐮形細(xì)胞貧血癥（sicklecellanemia）

遺傳方式：常染色體隱性(AR)遺傳。分子機制：患者β珠蛋白基因的第6位密碼子由正常的GAG變成了GTG（A→T），使其編碼的β珠蛋白N端第6位氨基酸由正常的谷氨酸變成了纈氨酸，形成HbS。分子表面電荷改變→疏水區(qū)域，導(dǎo)致溶解度下降→HbS聚合形成凝膠化的棒狀結(jié)構(gòu)→紅細(xì)胞變成鐮刀狀→血粘性增加→栓塞→痛性危象。同時，變形能力降低→擠壓時易破裂→溶血性貧血。雜合子（HbAHbS）不表現(xiàn)臨床癥狀，但在氧分壓低時可引起部分細(xì)胞鐮變。紅細(xì)胞鐮刀狀改變正常紅細(xì)胞形狀(二)血紅蛋白M病（高鐵血紅蛋白癥）遺傳方式：呈AD遺傳。發(fā)病機制：正常血紅蛋白（HbA）血紅素中的鐵原子與珠蛋白鏈上特定的組氨酸連接（α87組，β92組）和作用（α58組，β63組），保證二價鐵離子（Fe2+）的穩(wěn)定，以便結(jié)合氧。

由于基因突變使上述某個氨基酸發(fā)生替代，導(dǎo)致部分血紅素的二價鐵離子（Fe2+）變成高價鐵離子（Fe3+），形成高鐵血紅蛋白，影響攜氧能力，使組織細(xì)胞供氧不足，產(chǎn)生發(fā)紺癥狀。三、地中海貧血（thalassemia）

患者由于某種或某些珠蛋白鏈合成速率降低，造成一些肽鏈缺乏，另一些肽鏈相對過多，出現(xiàn)肽鏈數(shù)量的不平衡，導(dǎo)致溶血性貧血，稱為地中海貧血。

類型：按照合成速率降低的珠蛋白鏈類型，可以把地中海貧血區(qū)分為多種不同的類型：α地中海貧血：α珠蛋白鏈合成減少β地中海貧血：β鏈合成減少γ地中海貧血：γ鏈合成減少δβ地中海貧血：δ和β鏈合成減少以此類推（一）α地中海貧血（α-thalassemia）按照α珠蛋白鏈合成速率降低的程度，α地中海貧血又可以區(qū)分為不同的類型：

名稱基因型缺失基因

α鏈的合成胎兒水腫綜合征α0/α0--/--

0%HbH病α+/α0α-/--

25%標(biāo)準(zhǔn)型α地貧αA/α0αα/--50%α+/α+

α-/α-靜止型α地貧αA/α+αα/α-75%正常αA/αAαα/αα100%1.Bart’s胎兒水腫綜合征發(fā)病機制：基因型：α0/α0；基因缺失：--/--患兒發(fā)病于胎兒期，由于不能合成α鏈，γ鏈便聚合為γ四聚體（γ4），稱為Bart

Hb。HbBart’s（γ4）具有很高的氧親合力，在氧分壓低的組織中，不易釋放出氧，造成組織缺氧。臨床癥狀：這種胎兒全身水腫，肝脾腫大，四肢短小，腹部因有腹水而隆起，故名Bart’s胎兒水腫綜合征，多于妊娠30～40周時死亡或早產(chǎn)，且早產(chǎn)兒于產(chǎn)后半小時內(nèi)即死亡。2.HbH病

發(fā)病機制：基因型：α0/α+；基因缺失：--/-α由于4個α-珠蛋白基因中有3個缺失或缺陷，使α鏈的合成受到嚴(yán)重影響，大量的β-珠蛋白鏈過剩而聚合為β四聚體—HbH（β4）。

HbH的氧親合力高，在正常的生理條件下不易釋放出氧。

HbH不穩(wěn)定，易解體生成游離的β鏈，沉淀聚積，形成H包涵體，附著于紅細(xì)胞膜上，使紅細(xì)胞膜受損，導(dǎo)致慢性溶血性貧血。臨床癥狀：1周歲左右便出現(xiàn)HbH病的臨床癥狀：患兒有貧血，多數(shù)患者伴有肝脾腫大及輕度黃疸。少數(shù)患者病情較重，并有骨骼變化及特殊貧血面容。感染和服用氧化性藥物及妊娠均可使貧血加重。

3.標(biāo)準(zhǔn)型α地中海貧血發(fā)病機制：基因型：αA/α0；基因缺失：--/αα或基因型：α+/α+；基因缺失：-α/-α

均缺失2個α基因。由于能合成相當(dāng)量的α珠蛋白鏈，所以僅表現(xiàn)出輕度溶血性貧血或無癥狀。4.靜止型α地中海貧血基因型：αA/α+；基因缺失：-α/αα缺失1個α基因由于只有一個基因缺失或突變，故臨床上無癥狀。（二）β地中海貧血（β-thalassemia）按照β珠蛋白鏈合成速率降低的程度，可以區(qū)分為：

β0地中海貧血：完全不能合成β鏈β+地中海貧血：能部分合成β鏈

臨床上根據(jù)患者溶血性貧血的嚴(yán)重程度，將β地中海貧血分為：重型中間型輕型1.重型β地中海貧血基因型：可能是β0/β0、β+/β+、δβ0/δβ0

或β0/β+。發(fā)病機制：患者不能合成β鏈，或合成量很少，結(jié)果α鏈便大大“過?！倍两档郊t細(xì)胞膜上，改變膜的性能，引發(fā)嚴(yán)重的溶血反應(yīng)，同時它們可與代償性表達(dá)的γ鏈組合成HbF（α2γ2）。

臨床特征：患兒出生后幾個月便可出現(xiàn)溶血反應(yīng)。由于組織缺氧，促進(jìn)紅細(xì)胞生成素分泌，刺激骨髓增生，骨質(zhì)受損變得疏松，可出現(xiàn)鼻塌眼腫、上頜前突、頭大額隆等特殊的“地中海貧血面容”。2.中間型β地中海貧血

基因型：通常為β+（高F）/β+（高F）或β+/δβ+病人的癥狀介于重型和輕型之間，故稱為中間型。3.輕型β地中海貧血

基因型：主要是β+/βA、β0/βA或δβ0/βA等?；颊叩腍bA2（α2δ2）和HbF（α2γ2）可代償性增高。無任何臨床癥狀。四、血紅蛋白病發(fā)生的分子機制

無論是異常血紅蛋白病還是地中海貧血，都是由珠蛋白基因突變所致。異常血紅蛋白病的分子機制：絕大多數(shù)是由于單個堿基的替代；少數(shù)是移碼突變或融合基因形成融合肽鏈。

㈠點突變

1.單個堿基替代：這是血紅蛋白疾病最常見的一種突變類型，見于絕大多數(shù)血紅蛋白病和β地中海貧血。

2.移碼突變：由于珠蛋白基因中發(fā)生1、2個堿基的丟失或嵌入，致使后面的堿基排列依次位移，導(dǎo)致重新編碼，使珠蛋白肽鏈的結(jié)構(gòu)或合成速率改變?！?37138139140141142143…HbA…ACCUCCAAAUACCGUUAAGCU…

…蘇絲賴?yán)揖K止HbW…ACCUCAAAUACCGUUAAGCUG…146

…蘇絲

門冬胺蘇纈賴亮…

例如：HbWayne，138位絲氨酸密碼子TCC丟失1個C，結(jié)果142位UAA→AAG（賴氨酸），α鏈有146個氨基酸。3.密碼子的缺失和嵌入是密碼子的三個堿基同時缺失或嵌入。它和移碼突變不同：除了突變區(qū)缺失或嵌入部分氨基酸外，其他部分氨基酸序列完全正常。發(fā)生原因：減數(shù)分裂時，同源染色體發(fā)生錯配和不等交換。

4.無義突變是指突變使編碼氨基酸的密碼子變?yōu)榻K止密碼子，因此蛋白質(zhì)鏈的合成便提前終止。例如：HbMckees-Rock，其β鏈只有144個氨基酸殘基。5.終止密碼子突變由于終止密碼子（UAA，UAG或UGA）的DNA序列發(fā)生突變，珠蛋白鏈的合成就不在正常的位置上終止，而繼續(xù)合成至新的終止密碼子，因此生成了延長的異常珠蛋白鏈。例如：HbConstantSpringα鏈有172個氨基酸…140141142143144…HbA…UACCGUUAAGCUGGA……酪精終止HbCS…UACCGUCAAGCUGGA…172

…酪精谷酰胺丙甘…該突變基因轉(zhuǎn)錄的mRNA不穩(wěn)定㈡基因缺失和融合基因1.基因缺失

是α地中海貧血形成的主要原因。缺失型α地中海貧血包括兩種類型：

α+地中海貧血αo地中海貧血α+地中海貧血有兩種類型的缺失：左側(cè)缺失—僅缺失α2基因。右側(cè)缺失—缺失了α2基因的3′端和αl基因5′端，形成了由αl

基因的3′端和α2基因的5′端構(gòu)成的融合基因。αo地貧包括4種類型的基因缺失:

(1)缺失區(qū)包括ζ﹑ψζ﹑ψαl﹑α2﹑αl基因的5′端非編碼區(qū)及第1至第56氨基酸密碼子在內(nèi)共約25kb的片段，殘余的αl基因無功能；

(2)缺失涉及ψζ﹑ψαl﹑α2﹑αl基因，缺失的長度尚未準(zhǔn)確定出，但至少缺少17.4kb；(3)缺失涉及ψαl﹑α2﹑αl基因,缺失長度缺少17.5kb；

(4)缺失僅涉及α2﹑αl基因5′端片段,殘余的αl基因無功能,缺失長度為5.2kb。

2.融合基因由兩種不同基因局部片段拼接而成的DNA片段稱為融合基因，可編碼融合蛋白。例如HbLepore：其α鏈結(jié)構(gòu)正常，但非α鏈?zhǔn)怯搔暮挺骆溸B接而成，其N端與δ鏈相同，C端與β鏈