第九章生化遺傳學(xué)

（biochemicalgenetics)第09章生化遺傳學(xué)

生化遺傳學(xué)（biochemicalgenetics）：是指用生物化學(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(guò)程的一個(gè)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)。第09章生化遺傳學(xué)分子病（moleculardiseases)：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(chēng)遺傳性酶病或先天性代謝病。

第09章生化遺傳學(xué)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）是一種復(fù)合蛋白，由珠蛋白和血紅素輔基組成。每個(gè)血紅蛋白分子是由4個(gè)亞單位構(gòu)成的四聚體。每個(gè)亞單位由l條珠蛋白肽鏈和1個(gè)血紅素輔基構(gòu)成。

第09章生化遺傳學(xué)每個(gè)亞單位

1個(gè)血紅素(heme)輔基1條珠蛋白(globin)肽鏈α：141個(gè)氨基酸

β：146個(gè)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(gè)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(gè)第09章生化遺傳學(xué)這樣形成的血紅蛋白分子就有這幾種類(lèi)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

第09章生化遺傳學(xué)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(zhǎng)過(guò)程。第09章生化遺傳學(xué)第09章生化遺傳學(xué)（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(gè)珠蛋白基因簇，即：α珠蛋白基因簇β珠蛋白基因簇

第09章生化遺傳學(xué)1．α珠蛋白基因簇定位于16p13.33，組成及排列順序?yàn)椋?′-ζ2-ψζl-ψαl-α2-αl-θ-3′總長(zhǎng)度為30kb。每條16號(hào)染色體有2個(gè)α基因，正常的二倍體細(xì)胞有4個(gè)α基因。α珠蛋白基因簇的排列順序與發(fā)育過(guò)程中表達(dá)順序相一致。第09章生化遺傳學(xué)第09章生化遺傳學(xué)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(zhǎng)度為60kb。每條11號(hào)染色體只有1個(gè)β基因，正常的二倍體細(xì)胞有2個(gè)β基因。β珠蛋白基因簇的排列先后也與發(fā)育過(guò)程的表達(dá)順序相關(guān)。第09章生化遺傳學(xué)第09章生化遺傳學(xué)3．珠蛋白基因結(jié)構(gòu)

各種珠蛋白基因均含有3個(gè)外顯子（E）和2個(gè)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。第09章生化遺傳學(xué)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(huì)導(dǎo)致血紅蛋白病的發(fā)生。最常見(jiàn)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。第09章生化遺傳學(xué)

(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(jī)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。第09章生化遺傳學(xué)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(shí)，變形能力降低→擠壓時(shí)易破裂→溶血性貧血（圖8-4）。雜合子（HbAHbS）不表現(xiàn)臨床癥狀，但在氧分壓低時(shí)可引起部分細(xì)胞鐮變。第09章生化遺傳學(xué)第09章生化遺傳學(xué)(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(jī)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(jià)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(gè)氨基酸發(fā)生替代，導(dǎo)致部分血紅素的二價(jià)鐵離子（Fe2+）變成高價(jià)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。

第09章生化遺傳學(xué)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(duì)過(guò)多，出現(xiàn)肽鏈數(shù)量的不平衡，導(dǎo)致溶血性貧血，稱(chēng)為地中海貧血。

第09章生化遺傳學(xué)類(lèi)型：按照合成速率降低的珠蛋白鏈類(lèi)型，可以把地中海貧血區(qū)分為多種不同的類(lèi)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(lèi)推第09章生化遺傳學(xué)（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(lèi)型：

名稱(chēng)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%第09章生化遺傳學(xué)1.Bart’s胎兒水腫綜合征發(fā)病機(jī)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(chēng)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。第09章生化遺傳學(xué)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星期時(shí)死亡或早產(chǎn)，且早產(chǎn)兒于產(chǎn)后半小時(shí)內(nèi)即死亡。第09章生化遺傳學(xué)2.HbH病發(fā)病機(jī)制：基因型：α0/α+；基因缺失：--/-α由于4個(gè)α-珠蛋白基因中有3個(gè)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(guò)剩而聚合為β四聚體——HbH（β4）。HbH的氧親合力高，在正常的生理?xiàng)l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。第09章生化遺傳學(xué)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。第09章生化遺傳學(xué)3.標(biāo)準(zhǔn)型α地中海貧血發(fā)病機(jī)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(gè)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(wú)癥狀。第09章生化遺傳學(xué)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(gè)α基因由于只有一個(gè)基因缺失或突變，故臨床上無(wú)癥狀。第09章生化遺傳學(xué)（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：重型中間型輕型第09章生化遺傳學(xué)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(jī)制：患者不能合成β鏈，或合成量很少，結(jié)果α鏈便大大“過(guò)剩”而沉降到紅細(xì)胞膜上，改變膜的性能，引發(fā)嚴(yán)重的溶血反應(yīng)，同時(shí)它們可與代償性表達(dá)的γ鏈組合成HbF（α2γ2）。

第09章生化遺傳學(xué)臨床特征：患兒出生后幾個(gè)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”。第09章生化遺傳學(xué)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(chēng)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。患者的HbA2（α2δ2）和HbF（α2γ2）可代償性增高。無(wú)任何臨床癥狀。第09章生化遺傳學(xué)四、血紅蛋白病發(fā)生的分子機(jī)制無(wú)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(jī)制：絕大多數(shù)是由于單個(gè)堿基的替代；少數(shù)是移碼突變或融合基因形成融合肽鏈。

第09章生化遺傳學(xué)㈠點(diǎn)突變1.單個(gè)堿基替代：這是血紅蛋白疾病最常見(jiàn)的一種突變類(lèi)型，見(jiàn)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(gè)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。第09章生化遺傳學(xué)…137138139140141142143…HbA…ACCUCCAAAUACCGUUAAGCU…

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

…蘇絲

門(mén)冬胺蘇纈賴亮…例如：HbWayne，138位絲氨酸密碼子TCC丟失1個(gè)C，結(jié)果142位UAA→AAG（賴氨酸），α鏈有146個(gè)氨基酸。第09章生化遺傳學(xué)3.密碼子的缺失和嵌入是密碼子的三個(gè)堿基同時(shí)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，其它部分氨基酸序列完全正常。發(fā)生原因：減數(shù)分裂時(shí)，同源染色體發(fā)生錯(cuò)配和不等交換。

第09章生化遺傳學(xué)4.無(wú)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(gè)氨基酸殘基。第09章生化遺傳學(xué)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(zhǎng)的異常珠蛋白鏈。例如：HbConstantSpringα鏈有172個(gè)氨基酸第09章生化遺傳學(xué)…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)定第09章生化遺傳學(xué)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(lèi)型：

α+地中海貧血αo地中海貧血第09章生化遺傳學(xué)α+地中海貧血有兩種類(lèi)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。第09章生化遺傳學(xué)αo地貧包括4種類(lèi)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(wú)功能；②缺失涉及ψζ﹑ψαl﹑α2﹑αl基因，缺失的長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)功能,缺失長(zhǎng)度為5.2kb。第09章生化遺傳學(xué)第09章生化遺傳學(xué)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(chēng)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(xiāo)端與δ鏈相同，C端與β鏈相同，稱(chēng)δ-β鏈。Hb反-Lepore（anti-Lepore）：其N(xiāo)端與β鏈相同，C端與δ鏈相同，稱(chēng)為β-δ鏈。第09章生化遺傳學(xué)形成機(jī)制：是由于減數(shù)分裂時(shí)染色體的錯(cuò)配和不等交換，結(jié)果產(chǎn)生兩種不同的染色體。δβ第09章生化遺傳學(xué)

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(chēng)遺傳性酶病或先天性代謝病。第二節(jié)先天性代謝病第09章生化遺傳學(xué)一、先天性代謝缺陷的規(guī)律從分子水平上看，先天性代謝缺陷可能有兩種原因：一是由于編碼酶蛋白的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變，引起酶蛋白結(jié)構(gòu)異常或缺失；二是基因的調(diào)控系統(tǒng)發(fā)生異常，使之合成過(guò)少或過(guò)多的酶，引起代謝紊亂。絕大多數(shù)先天性代謝缺陷為AR遺傳病，也有少數(shù)為XR遺傳病。第09章生化遺傳學(xué)先天性代謝病的發(fā)病機(jī)理人的機(jī)體內(nèi)一般代謝過(guò)程如圖所示。

第09章生化遺傳學(xué)二、糖代謝缺陷㈠半乳糖血癥（galactosemia）半乳糖血癥主要表現(xiàn)為患兒對(duì)乳糖不耐受，嬰兒哺乳后嘔吐、腹瀉，繼而出現(xiàn)白內(nèi)障、肝硬化、黃疸、腹水和智力低下等。發(fā)病率約為1/50000。半乳糖血癥表現(xiàn)為AR遺傳。缺陷基因定位于9p13。該基因的錯(cuò)義突變（如谷氨酰胺188→精氨酸）是造成酶活性下降的主要原因。

第09章生化遺傳學(xué)代謝途徑：乳糖葡萄糖半乳糖1-磷酸半乳糖1-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖半乳糖-1-磷酸尿苷轉(zhuǎn)移酶半乳糖醇醛糖還原酶半乳糖-1-磷酸尿苷轉(zhuǎn)移酶（9p13），基因錯(cuò)義突變(如谷氨酰胺188→精氨酸)造成酶活性下降。第09章生化遺傳學(xué)㈡糖原累積癥糖原累積癥（glycogenstoragedisease，GSD）是一類(lèi)較罕見(jiàn)的遺傳代謝病。由于酶的缺陷，使糖原在肝臟及肌肉中的代謝缺陷所致。根據(jù)所缺的酶不同，可將糖原累積癥分為11型。每種酶影響不同的組織,多數(shù)為AR遺傳。以GSDI型為最常見(jiàn).第09章生化遺傳學(xué)㈠苯丙酮尿癥苯丙酮尿癥（phenylketonuria，PKU）為一種嚴(yán)重的AR遺傳性氨基酸代謝病。1934年首次發(fā)現(xiàn)，因患者尿中排泄大量的苯丙酮酸而得名。我國(guó)發(fā)病率約為1/16500。PKU患者由于肝臟內(nèi)苯丙氨酸羥化酶（PAH）缺乏，苯丙氨酸不能轉(zhuǎn)變?yōu)槔野彼岫隗w內(nèi)累積，并導(dǎo)致血液和尿液中苯丙氨酸及其衍生物排出增多。

三、氨基酸代謝缺陷第09章生化遺傳學(xué)代謝途徑：第09章生化遺傳學(xué)遺傳學(xué)：PKU為AR遺傳，PAH基因定位于12q22-q24，cDNA長(zhǎng)90kb，含13個(gè)外顯子，12個(gè)內(nèi)含子。該基因主要在肝臟中表達(dá)。目前，已發(fā)現(xiàn)216種PAH基因突變，其中60%為錯(cuò)義突變，其余為缺失﹑插入和移碼突變等。第09章生化遺傳學(xué)㈡白化病白化病（albinism）是Garrod20世紀(jì)初開(kāi)始研究的遺傳代謝病之一，發(fā)病率為1/10000～1/20000。可分眼皮膚白化病Ⅰ型、眼皮膚白化病Ⅱ型和眼白化病三大類(lèi)。第09章生化遺傳學(xué)1.代謝途徑：酪氨酸→多巴→多巴醌→黑色素→黑色素蛋白2.酶缺乏：酪氨酸酶3.結(jié)果：不能形成黑色素4.臨床表現(xiàn)：全身皮膚、毛發(fā)、眼缺乏黑色素，故皮膚白皙，頭發(fā)呈淡黃色或白色，視網(wǎng)膜無(wú)黑色素，虹膜和瞳孔呈淡紅色，羞明。AR，發(fā)病率為1/10000～1/20000。第09章生化遺傳學(xué)四、核酸代謝缺陷核酸代謝缺陷常見(jiàn)的有次黃嘌呤鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶缺陷、著色性干皮病和痛風(fēng)癥等。次黃嘌呤鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（hypoxanthineguaninephosphoribosyltransferase，HGPRT）缺陷癥是一種由于HGPRT缺陷所致的疾病，故又稱(chēng)為HGPRT缺陷癥。第09章生化遺傳學(xué)第09章生化遺傳學(xué)HGPRT缺乏癥呈XR遺傳，該基因定位于Xq26-q27.2,長(zhǎng)約44kb，由9個(gè)外顯子組成。在3、5和、11號(hào)染色體上發(fā)現(xiàn)有3個(gè)擬基因。已檢出突變型20多種。患者體液內(nèi)尿酸濃度增高，出現(xiàn)高尿酸血癥和尿酸尿。患者智力發(fā)育不全，舞蹈樣動(dòng)作和強(qiáng)迫性自殘行為，并伴有高尿酸血癥、尿酸尿、血尿、尿道結(jié)石、痛風(fēng)等等。第09章生化遺傳學(xué)第三節(jié)血友病

血友病（hemophilia）是一組遺傳性凝血功能障礙的出血性疾病，包括血友病A、血友病B及血友病C。本組疾病在先天性出血性疾病中最為常見(jiàn)，尤其是血友病A，發(fā)病人數(shù)約占先天性出血性疾病的85%，而血友病丙較為少見(jiàn)。第09章生化遺傳學(xué)一、血友病A

血友病A是由于血漿中凝血因子Ⅷ（FⅧ）缺乏所致的X連鎖遺傳的凝血缺陷疾病。該病分布的地區(qū)和民族比較廣泛，在男性中發(fā)病率為1/6000，約占血友病總數(shù)的85%，其臨床癥狀與血友病B一樣，不能區(qū)分。血友病A在臨床上主要表現(xiàn)為反復(fù)自發(fā)性或輕微損傷后出血不止和出血引起的壓迫癥狀和并發(fā)癥。

第09章生化遺傳學(xué)FⅧ是一個(gè)復(fù)合分子，包括抗血友病