第五章人类疾病的生化和遗传学1血红蛋白病

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1、第五章第五章 人类疾病的分子遗传学人类疾病的分子遗传学 -血红蛋白病血红蛋白病本章内容提示本章内容提示 分子病（分子病（molecular disease)molecular disease)血红蛋白病（血红蛋白病（hemoglobinpathyhemoglobinpathy）血红蛋白类型（血红蛋白类型（HbF,HbAHbF,HbA2 2,HbA),HbA)及发育变化及发育变化 遗传控制：类遗传控制：类 链链 （排列、定位）（排列、定位）类类 链链 （排列、定位）（排列、定位）异常血红蛋白病及分子基础异常血红蛋白病及分子基础 地中海贫血：地中海贫血：地贫（基因型，临床症状，分子基础）地贫（基因

2、型，临床症状，分子基础）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）分子病分子病 （Molecular diseaseMolecular disease）基因突变导致蛋白质分子质和量异常，从而引基因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。起机体功能障碍的一类疾病，称为分子病。19491949年年Pauling LPauling L对镰状细胞贫血病患者的血红蛋白对镰状细胞贫血病患者的血红蛋白HbSHbS电电泳分析，推论其泳动异常是分子结构改变所致，从而提泳分析，推论其泳动异常是分子结构改变所致，从而提出分子病的概念。出分子病的概念。血红蛋

3、白病第一节第一节 血红蛋白概述血红蛋白概述第二节第二节 血红蛋白基因血红蛋白基因第三节第三节 血红蛋白病的类型和分子基础血红蛋白病的类型和分子基础 血红蛋白病（血红蛋白病（HemoglobinopathyHemoglobinopathy）：由于由于珠蛋白珠蛋白分子结构异常或合成量异常分子结构异常或合成量异常所引起的疾病。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，是研究人类均较清楚，是研究人类分子病分子病的最好模型。的最好模型。原因：原因：1 1）红细胞取材方便，来源丰富）红细胞取材方便，来源丰富 2 2）血红蛋白浓度高，

4、不需纯化）血红蛋白浓度高，不需纯化 3 3）网织红细胞含有）网织红细胞含有、珠蛋白珠蛋白mRNAmRNA，便于克隆其，便于克隆其cDNAcDNA 4 4）血红蛋白异常引起的疾病种类很多）血红蛋白异常引起的疾病种类很多 第一节第一节 血红蛋白概述血红蛋白概述 -HbHb的组成、结构及类型的组成、结构及类型正常正常HbHb的组成的组成 是一种是一种结合蛋白：结合蛋白：血红素血红素 珠蛋白珠蛋白 （Heme)(globinHeme)(globin)每个每个HbHb单体是由单体是由 一条珠蛋白肽链一条珠蛋白肽链 和一个血红和一个血红素组成的。素组成的。个个HbHb单体单体 一个球形四聚体一个球形四聚体

5、 一一血红蛋白链一级结构：氨基酸排列顺序 类链：（、）141个氨基酸 类链:（、）146个氨基酸二级结构：肽链盘曲成的空间螺旋 螺旋、折叠片层血红蛋白链，螺旋结构。二二血红蛋白的结构血红蛋白的结构三级结构：三级结构：整条多肽链的三整条多肽链的三维结构维结构四级结构：四级结构：四聚体四聚体二二血红蛋白的结构血红蛋白的结构血红蛋白的类型血红蛋白的类型 成人成人Hb Hb：HbHb A A 2 2 2 2 979798%98%HbHb A A2 2 2 2 2 2 2 23 3%胎儿胎儿HbHb：Hb F Hb F 2 2 2 2 （2 2G G2 2 2 2A A2 2）胚胎胚胎HbHb：Hb G

6、ower Hb Gower 2 2 2 2 （2 2G G2 2 2 2A A2 2）(妊娠妊娠1212周内周内)Hb Gower Hb Gower 2 2 2 2 Hb Portland Hb Portland 2 2 2 2 三三第二节第二节 血红蛋白基因血红蛋白基因 排列紧密，有共同起源，含有假基因排列紧密，有共同起源，含有假基因 7 7个基因，定位于个基因，定位于16p1316p13 5-5-1 1-2 2 -2 2-1 1-3-3 6 6个基因，定位个基因，定位11p1511p15 5-5-2 2-G G-A A-1 1-3-3-3 珠蛋白基因特点珠蛋白基因特点珠蛋白珠蛋白Gene

7、Gene 簇簇 珠蛋白珠蛋白GeneGene簇簇 珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇16p13.33-p13.1111 15.5二、二、HbHb发育演变与遗传控制发育演变与遗传控制 胚胎早期先合成胚胎早期先合成 和和 Hb GowerHb Gower（2 2 2 2 ）同时或稍后合成同时或稍后合成 和和 Hb Hb Gower Gower（2 2 2 2 ）Hb PortlandHb Portland （2 2 2 2 ）1212周时周时 和和 逐渐消失，逐渐消失，链迅速增加，链迅速增加，开始合成，开始合成，HbFHbF为主（为主（2 2 2 2 ）。）。妊娠末期和出生不久，妊娠末期和出生不久，链迅速降

8、低，链迅速降低，链迅速增加，链迅速增加，HbAHbA为主（为主（2 2 2 2 ）。）。2 1 2 1 G A 1 胚胎Hb 胎儿Hb 成人HbHbHb类型类型珠蛋白链珠蛋白链 GowerHb 22基因基因2222222222Gower PortlandF转录翻译三、三、珠蛋白基因结构及表达珠蛋白基因结构及表达 珠蛋白基因：珠蛋白基因：IVS1IVS1由由117bp117bp组成，位于组成，位于3131和和3232密码子之间，密码子之间，IVS2IVS2由由149149或或140bp140bp组成，位于组成，位于9999和和100100密码子之间。密码子之间。珠蛋白基因：珠蛋白基因：IVS1I

9、VS1含含130bp130bp，位于，位于3030和和3131密码之间，密码之间，IVS2IVS2大约含大约含850bp850bp，位于，位于104104和和105105密码子之间。密码子之间。基因结构基因结构:非常相似，均为非常相似，均为3 3个外显子，个外显子，2 2个内含子个内含子(IVS1、IVS2）1 31 32 99 100 1411 30 31 104 105 146珠蛋白基因结构珠蛋白基因结构珠蛋白基因结构珠蛋白基因结构珠蛋白基因表达珠蛋白基因表达 E1 E2 E35 -3 Transcription Processing 5-Cap-polyAAAAA mRNA Transl

10、ation 珠蛋白基因表达特点珠蛋白基因表达特点 发育阶段特异性发育阶段特异性 5533顺次表达、关闭顺次表达、关闭 合成场所特异性合成场所特异性 卵黄囊、胎肝、骨髓卵黄囊、胎肝、骨髓 表达数量协调性表达数量协调性 类类、类、类 链维持链维持1 1：1 1的比例的比例 总之，珠蛋白基因的表达具有时空特异性、总之，珠蛋白基因的表达具有时空特异性、精确的协调性精确的协调性第三节第三节 HbHb病的类型和分子基础病的类型和分子基础 人类珠蛋白基因的组织特异性强，仅在人类珠蛋白基因的组织特异性强，仅在RBCRBC及前体中及前体中才有大量表达。才有大量表达。由珠蛋白基因突变引起珠蛋白由珠蛋白基因突变引起

11、珠蛋白 质量畸变质量畸变（异常（异常HbHb病）病）和和 数量畸变数量畸变（地中海贫血）（地中海贫血）所致的疾病统称所致的疾病统称血红蛋白病血红蛋白病血红蛋白病分类 异常异常HbHb病：病：基因突变导致珠蛋白结构改变基因突变导致珠蛋白结构改变 例如：镰状细胞贫血例如：镰状细胞贫血 地中海贫血：地中海贫血：基因突变导致珠蛋白肽链合成缺乏基因突变导致珠蛋白肽链合成缺乏 或合成量异常或合成量异常 如如、地贫地贫异异 常常 血血 红红 蛋蛋 白白 病病 由于由于珠蛋白基因突变珠蛋白基因突变导致珠蛋白肽链结构异常，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。如有临床表现者称为异常血红蛋白病

12、。主要类型主要类型：（1）镰状细胞病）镰状细胞病 （2）不稳定血红蛋白病）不稳定血红蛋白病 （3）血红蛋白）血红蛋白M病病 （4）氧亲和力改变的血红蛋白病）氧亲和力改变的血红蛋白病一、镰一、镰 状状 细细 胞胞 病病 遗传方式遗传方式：ARAR 形成原因形成原因：链第链第6 6位谷氨酸被缬氨酸取代，形成位谷氨酸被缬氨酸取代，形成HbSHbS。在缺氧情况下，在缺氧情况下，HbSHbS聚合形成长棒状聚合物，使细聚合形成长棒状聚合物，使细胞镰变胞镰变,变形能力低变形能力低引起血粘度增高，导致引起血粘度增高，导致溶血、溶血、贫血、贫血、血管梗阻性继发症状。血管梗阻性继发症状。Hb HbS SHbHbS

13、 S 镰状细胞病镰状细胞病 HbHbA AHbHbS S 镰形细胞性状镰形细胞性状 HbHbA AHbHbA A 正常人正常人镰状镰状 细细 胞胞 病病临床症状临床症状：血管阻塞的继发症状：一过性剧痛（腹痛、关节血管阻塞的继发症状：一过性剧痛（腹痛、关节痛）痛）,脑血管意外脑血管意外急性大面积组织损伤：心梗，肺、肾脏损伤；急性大面积组织损伤：心梗，肺、肾脏损伤；慢性溶血性贫血慢性溶血性贫血 患者多在成年以前死亡患者多在成年以前死亡 诊断：诊断：血涂片亚硫酸钠血涂片亚硫酸钠“镰变试验镰变试验”阳阳性性 电泳：有一电泳：有一“”区带区带S S A A ADAD（不完全显性）（不完全显性）现已发现现

14、已发现9090余种。余种。分子机制分子机制：肽链上与血红素紧密结合的氨基酸发生：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，形成易氧化在红细胞内聚集沉淀，形成HeinzHeinz小体，红小体，红细胞变形能力降低，通过微循环时容易被脾窦滞留细胞变形能力降低，通过微循环时容易被脾窦滞留破坏，从而导致血管内外溶血。破坏，从而导致血管内外溶血。代表疾病代表疾病：Hb BristolHb Bristol 形成原因：形

15、成原因：链第链第6767位缬氨酸被天冬氨酸取代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、不稳定血红蛋白病二、不稳定血红蛋白病三、血三、血 红红 蛋蛋 白白 病病 M 病病（遗传性高铁血红蛋白病）（遗传性高铁血红蛋白病）形成原因形成原因：肽链中与血红素铁原子连接的组氨酸发生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，影响替代，导致部分铁原子呈稳定的高铁状态，影响HbHb正常带氧功能正常带氧功能 临床表现临床表现：紫绀和继发性红细胞增多紫绀和继发性红细胞增多 遗传方式遗传方式：ADAD四、氧亲和力改变的

16、血红蛋白病四、氧亲和力改变的血红蛋白病 形成原因形成原因：由于珠蛋白基因突变致由于珠蛋白基因突变致HbHb肽链上氨基酸发生肽链上氨基酸发生置换，致使置换，致使HbHb分子与氧的亲和力增高或降低，运分子与氧的亲和力增高或降低，运输氧功能改变。输氧功能改变。临床表现临床表现：红细胞增多症和紫绀红细胞增多症和紫绀异常血红蛋白病的分子基础异常血红蛋白病的分子基础 珠蛋白基因突珠蛋白基因突变变 主要类型：主要类型：（1）单个碱基置换）单个碱基置换 （2）移码突变）移码突变 （3）密码子的缺失和插入）密码子的缺失和插入 （4）融合基因）融合基因一）一）单个碱基的替代单个碱基的替代（占（占90%90%）1

17、1、错义突变错义突变是由于单个核苷酸的改变导致由特定三联体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。密码子编码的氨基酸的改变。例例：HbSHbS无义突变无义突变Hb Mckees-RockHb Mckees-Rock 145145 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（终止）Hb McKees-Rock Lys （终止）（终止）3 3、终止密码突变、终止密码突变终止密码终止密码编码氨基酸的密码，

18、导致肽链异常延长。编码氨基酸的密码，导致肽链异常延长。例：Hb Constant SpringHb Constant Spring 142142 DNA 139 140 141 142 143Hb A AAA UAC CGU UAA GCUHb Constant-Spring AAA UAC CGU CAA GCU PROTEIN 139 140 141 142 143Hb A Lys TyrArg（终止）（终止）Hb Constant-Spring Lys TyrArg Gln Ala-172二）二）移码突变移码突变 在正常密码子中插入或缺失一个或几在正常密码子中插入或缺失一个或几个碱基个碱

19、基,导致该位点后面编码的氨基酸种导致该位点后面编码的氨基酸种类顺序改变类顺序改变.例：例：正常正常HbHb 137-137-ACC UCACC UCC C AAA UAC CGU UAA AAA UAC CGU UAA 苏苏-丝丝-赖赖-酪酪-精精-终终Hb Wayne Hb Wayne ACC UCA AAU ACC GUU AAGACC UCA AAU ACC GUU AAG 苏苏-丝丝-冬胺冬胺-苏苏-缬缬-赖赖三）三）整码突变整码突变密码子的三个碱基同时缺失或插入密码子的三个碱基同时缺失或插入89AGUGAGCUGCACUGUGACAAGCUGCAC GUG 98-丝谷亮组半胱门冬赖亮

20、组缬-AGUGAGCUGCAC GUG 89 90 96 97 9889 90 96 97 98-丝谷亮组缬-(-(91-9591-95缺失，后面氨基酸缺失，后面氨基酸顺序不变）顺序不变）四）四）融合基因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不同珠蛋产生原因：减数分裂时同源染色错误配对使不同珠蛋白基因之间发生不等交换。白基因之间发生不等交换。下图中的下图中的Hb LeporeHb Lepore是由是由、链连接而成，称链连接而成，称；而而反反LeporeLepore是由是由、链连接而成，称链连接而成，称

21、链链G A 含重复片段的染色体Anti-Lepore缺失染色体Hb Lepore二、地中海贫血二、地中海贫血 珠蛋白链合成数量不平衡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，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。实际上世界各地都有发生，非洲和东南亚也比较常见。珠蛋白基因珠蛋白基因缺失缺失/突变突变导致某种珠蛋白链合成障导致某种珠蛋白链合成障碍造成碍造成链和链和链合成链合成数量不平衡数量不平衡，引起的溶血，引起的溶血性贫血称为性贫血称为地中海贫血。地中海贫血。地中海贫血地中海贫血由于由于 珠蛋白基因的缺失或

22、缺珠蛋白基因的缺失或缺 陷使陷使 链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。特点：特点：b b 都表现为低色素性贫血都表现为低色素性贫血地中海贫血地中海贫血由于由于 珠蛋白基因的缺失或缺陷珠蛋白基因的缺失或缺陷使使 链的合成受到抑制而引起的溶血性贫血。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地 中中 海海 贫贫 血血地中海贫血地中海贫血 每条每条1616号染色体上有两个号染色体上有两个GeneGene缺失程度不缺失程度不同，同，链合成部分或完全受到抑制，导致不同类型的链合成部分或完全受到抑制，导致不同类型的地贫。地贫。若一条染色体上缺失一个若一条

23、染色体上缺失一个基因基因（）为为+地贫地贫，链合成减少。链合成减少。若一条染色体上两个若一条染色体上两个基因均缺失基因均缺失（）为为0 0地贫地贫，链不能合成。链不能合成。临床类型临床类型类类 型型症症 状状正常人正常人静止型静止型+地贫杂合子地贫杂合子无症状无症状轻轻 型型（标准型）（标准型）0 0地贫杂合子地贫杂合子轻度贫血轻度贫血+地贫纯合子地贫纯合子血红蛋白血红蛋白H H病病 0 0地贫和地贫和+地地贫双重杂合子贫双重杂合子溶血性贫血溶血性贫血Hb BartsHb Barts胎胎儿水肿综合征儿水肿综合征 0 0地贫纯合子地贫纯合子胎儿水肿胎儿水肿胎胎 儿儿 水水 肿肿 地贫的分子基础地

24、贫的分子基础 依依基因缺陷程度分为：基因缺陷程度分为：1 1 GeneGene缺失型（缺失型（缺失缺失1 1个个基因基因）2 2 非非GeneGene缺失型（点突变）：缺失型（点突变）：无义突无义突变、移码突变、终止密码突变、剪接变、移码突变、终止密码突变、剪接突变等突变等结果结果 1 1 生成无功能或稳定性降低的生成无功能或稳定性降低的mRNAmRNA 无义突变无义突变 移码突变移码突变 终止密码突变终止密码突变 起始密码突变起始密码突变 2 2 RNARNA加工突变加工突变 3 3 产生不稳定产生不稳定HbHb地中海贫血地中海贫血 珠蛋白珠蛋白Gene Gene 突变或缺失突变或缺失珠蛋白

25、链合成速珠蛋白链合成速率下率下 降降溶血性贫血溶血性贫血 0 0 地贫地贫：链完全不能合成链完全不能合成 +地贫地贫：链可部分合成链可部分合成-地中海贫血临床分类地中海贫血临床分类临临 床床 类类 型型基基 因因 型型基基 因因 产产 物物临临 床床 表表 现现重型重型 地贫地贫+/+、0 0/0 0 0 0/0 0、+/0 0 链几乎不能合成链几乎不能合成 链合成相对增加链合成相对增加Hb FHb F和和Hb AHb A2 2增高增高地中海贫血面容地中海贫血面容溶血性贫血（需溶血性贫血（需输血）输血）轻型轻型 地贫地贫+/A A、0 0/A A0 0/A A能合成适量的能合成适量的 链链贫血

26、不明显或轻贫血不明显或轻度贫血度贫血中间型中间型 地贫地贫+/+链部分合成链部分合成介于重型和轻型介于重型和轻型之间（不需输血）之间（不需输血）遗传性胎儿遗传性胎儿血红蛋白持血红蛋白持续增多症续增多症 链和链和 链合成受抑制链合成受抑制 链合成明显增加链合成明显增加成人成人Hb FHb F持续增持续增加，无症状加，无症状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的分子基础 地中海贫血已发现地中海贫血已发现100100多种突变

27、类型，包括点突变和多种突变类型，包括点突变和 基因缺失。基因缺失。绝大多数绝大多数 地中海贫血是由于地中海贫血是由于 基因发生点突变所致，突基因发生点突变所致，突 变涉及基因内及侧翼序列。变涉及基因内及侧翼序列。（1 1）编码区突变）编码区突变（2 2）非编码区突变）非编码区突变（3 3）启动子区突变）启动子区突变（4 4）RNARNA裂解信号突变裂解信号突变（5 5）加帽位点单个碱基突变）加帽位点单个碱基突变编码区突变编码区突变 mRNA稳定性降低或形成无功能稳定性降低或形成无功能mRNA（1）无义突变）无义突变 密码子密码子17：AC 密码子密码子43：GT 0地贫地贫（2）移码突变）移码

28、突变 密码子密码子71/72：+A 密码子密码子41/42：TCTT 0地贫地贫（3）起始密码突变）起始密码突变 ATGAGG 0地贫地贫 内含子内含子I I G GTTA AT T丧失一个剪切信号。丧失一个剪切信号。新的切点产生新的切点产生 同义突变同义突变激活激活II和和 ExonExon隐蔽裂解位点隐蔽裂解位点 如：如：G GGTGTAGAGT T 产生新的剪切点产生新的剪切点非编码区突变非编码区突变 影响影响mRNA剪切、加工过程剪切、加工过程GTATGGTAGTGGTAGT，激活隐蔽剪切位点，激活隐蔽剪切位点启动子区突变启动子区突变 降低降低mRNA的转录效率的转录效率-28-28位

29、位AG AG 突变破坏了突变破坏了TATA BoxTATA Box。RNA裂解信号突变裂解信号突变 不能准确裂解和加不能准确裂解和加polyA珠蛋白基因珠蛋白基因 3侧翼序列中侧翼序列中AATAAAAACAAA加帽位点单个碱基突变加帽位点单个碱基突变 不能准确裂解和加不能准确裂解和加polyA加帽位点发生加帽位点发生AC颠换，影响转录效颠换，影响转录效率。通常是率。通常是mRNA的第一个核苷酸。的第一个核苷酸。总 结 异常血红蛋白病和地中海贫血有异常血红蛋白病和地中海贫血有共同的分子基础共同的分子基础 突变、缺失突变、缺失 基因缺失基因缺失是引起是引起 地中海贫血的主要原因地中海贫血的主要原因 基因突变基因突变是引起是引起 地中海贫血的主要原因地中海贫血的主要原因