疾病的分子生物学.ppt

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1、2023/3/29,1,第九章 疾病的分子生物学,遗传病,基因病,染色体病,单基因病,多基因病,指生殖细胞或受精卵的遗传物质发生突变或畸变所引起的疾病。,多基因病是一种异质性疾病，是遗传因素和环境因素相互作用而形成的一种特殊生命过程，伴组织器官形态、代谢和功能的改变。,2023/3/29,3,人类疾病如白血病、恶性肿瘤、糖尿病、神经退行性疾病、心脑血管、高血压等发生和发展都涉及到有关蛋白质及其复合物的结构、功能和相互作用异常。疾病本质是蛋白质功能紊乱，是各种原因引起蛋白质质和量的改变。,基因结构与表达异常与疾病,2023/3/29,4,基因结构的改变；受细胞调节因素或其它因素影响使基 因表达发

2、生改变；外来的致病基因；蛋白质翻译后加工及降解发生变化。,疾病产生的分子机制,2023/3/29,5,第一节 基因结构改变与疾病 一、基因突变 二、基因突变的遗传学效应 三、结构基因变异导致的疾病,2023/3/29,6,自发性,复制错误碱基脱落或部分脱落活性氧族,物理因素,紫外线电离辐射,化学因素,烷化剂碱基类似物修饰剂,DNA,DNA突变的原因,病原生物基因的整合,2023/3/29,7,一、基因突变的类型,点突变是单个碱基的替换缺失是一个或多个核苷酸的丢失插入是一个或多个核苷酸的增加倒位是一段核苷酸序列染色体位置的改变基因突变还分为配子突变与体细胞突变动态突变指串联重复拷贝数随世代的传递

3、 而改变,2023/3/29,8,脆性X综合症,强直性肌营养不良 3非翻译区CTG拷贝 数过度增加；,Huntington舞蹈病 编码区CAG拷贝数过 度增加；,Friedreich共济失调症 内含子CAA拷贝数过 度增加。,CCG拷贝数过度增加,2023/3/29,9,脆性X综合征,“CCG”重复发生在FMR1（脆性X智力低下基因1）的5非翻译区，拷贝数不稳定。850拷贝(正常人)52200拷贝(携带者)2001000拷贝(患者),2023/3/29,10,（一）遗传密码突变,二、基因突变的遗传学效应,1.错义突变(missense mutation),2.无义突变(nonsense mut

4、ation),3.同义突变(consense mutation),4.移码突变(frame-shift mutation),2023/3/29,11,1.错义突变（missense mutation）指DNA改变后mRNA中相应密码子发生改变,编码另一种氨基酸,使蛋白质中的氨基酸发生改变。,有些错义突变不影响蛋白质或酶的生物活性,不表现出明显的表型效应。,2023/3/29,12,2.无义突变(nonsense mutation),UUA(亮氨酸)UAA,UAC(酪氨酸)UAG,UAG、UGA、UAA终止密码子,2023/3/29,13,3.同义突变(synonymous mutation)：

5、密码子发生改变,所编码的氨基酸不变。,例如：CUU CUC CUG 亮氨酸,2023/3/29,14,4.移码突变,一个或多个（非三个）碱基发生缺失或插入引起阅读框变化,2023/3/29,15,（二）基因突变影响 hnRNA 剪接,基因突变发生在 hnRNA 一级结构上特定的剪接位点，形成新的剪接位点或使正常剪接位点消失，导致 hnRNA 剪接错误，产生异常的 mRNA，最终产生异常的蛋白表达产物，导致疾病发生。,2023/3/29,16,真核生物基因的剪接位点：由内含子的5端“GT”和3端“AG”，及内含子和外显子内的其它调控元件共同决定。,EXON1,EXON2,hnRNA,Splici

6、ng?,是,否,2023/3/29,17,CFTR exon9 aberrant splicing,2023/3/29,18,三、结构基因变异导致的疾病,结构基因变异导致蛋白质的一级结构改变，进而改变蛋白质的理化性质。,2023/3/29,19,镰刀形细胞贫血症,2023/3/29,20世纪初到80年代，由于技术限制，生物大分子缺陷所导致的疾病的早期研究成果基本上来自于对单基因罕见遗传性疾病的研究，这些研究为常见病的分子机制的研究打下了坚实的理论基础，并开发和积累了相应的技术能力。这些疾病中最常见的包括：代谢酶类缺陷 血红蛋白病 其他基因缺陷导致的疾病,第二节 单基因病的发病机制,单基因病的特

7、点：易于通过生化手段分析常具有组织特异性易于推断其可能的致病蛋白的特点遗传单纯性使得研究在缺少技术储备的条件下可以获得重要成果。,2023/3/29,常见单基因病,疾病名称 发病频率()遗传方式 致病基因 典型症状血友病A 0.1 X连锁 凝血因子 不规则出血血友病B 0.03 X连锁 凝血因子 不规则出血杜氏肌营养不良 0.3 X连锁 肌营养因子 肌萎缩贝氏肌营养不良 0.05 X连锁 肌营养因子 肌萎缩脆性X综合征 0.5 X连锁 FMR1 智力障碍舞蹈病 0.5 常染色体显性 舞蹈病因子 痴呆神经纤维 0.4 常染色体显性 NF-1,2 癌变珠蛋白生成障碍性贫血 0.05 常染色体隐性

8、珠蛋白基因簇 贫血镰刀细胞贫血 0.1 常染色体隐性 珠蛋白基因 贫血,局部缺血苯丙酮酸尿 0.1 常染色体隐性 苯丙氨酸羟基化酶 无苯丙酮酸代谢能力囊性纤维化 0.4 常染色体隐性 CFTR 进行性肺损伤及其他,一、代谢酶类缺陷（一）苯丙酮尿症 1934年发现，患儿智力低下，尿中含有大量苯丙酮酸，认为可能与苯丙氨酸代谢酶类缺陷有关。1953年，证明是由于苯丙氨酸羟化酶缺陷引起。苯丙氨酸羟化酶基因被克隆，发现酶缺陷的主要原因是基因的错义突变、缺失、剪接突变。治疗：早期可通过控制苯丙氨酸的摄入量来缓解。,2023/3/29,蛋白质,苯丙氨酸,酪氨酸,3、4-二羟苯丙氨酸,黑色素,苯丙酮酸,苯丙酮

9、尿,苯丙氨酸羟化酶缺乏（苯丙酮尿症）,肾,酪氨酸酶缺乏（白化病）,苯丙氨酸代谢图解,发育障碍,【临床表现】杂合子患者，正常情况下体症并不明显，但在某些诱导因子（氧化剂类药物或感染）作用时，溶血出现加剧。属于X伴性连锁遗传病。,（二）葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺陷,（二）葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺陷G6PD缺陷有400余种变异，其中56种的确切位点已知，大多数涉及氨基酸替代并引起酶活的部分丧失。氨基端突变症状较轻，羧基端突变酶活丧失较多。如果这个重要的代谢酶活性完全丧失，个体将不可能正常发育到出生。,2023/3/29,二、血红蛋白病 是一类典型的单基因突变作为病因最好的例证。

10、血红蛋白(hemoglobin,Hb)其分子所涉及到的两个主要基因座位上，至少已证明有超过500种不同类型的基因突变，其中90%以上属于单核苷酸突变。这些突变引起了许多完全不同的表型：镰状细胞贫血、高铁血红蛋白血症珠蛋白生成障碍性贫血,2023/3/29,二、血红蛋白病（一）血红蛋白分子及其基因,2023/3/29,有功能的血红蛋白分子：将氧气从肺泡带到各种组织。,二、血红蛋白病（一）血红蛋白分子及其基因,基因簇，16pterp13.2,基因簇，11pterp15.4,-LCR（位点控制区）,G A,人-珠蛋白基因簇及珠蛋白基因结构,人-珠蛋白基因簇及珠蛋白基因结构,从胚胎到成人珠蛋白表达变化

11、,6 12 18 24 36 出生 6 12 18 24 30(Wk),人类的血红蛋白在个体发育的不同时期具有多种组成形式。,二、血红蛋白病（二）血红蛋白变异性疾病不稳定血红蛋白引起的贫血过快氧化造成的高铁血红蛋白血症（HbM）伴有红细胞增多的异常血红蛋白病镰状细胞病,在血红素结合区域或构象维持的关键氨基酸残基，以及亚单位结合位点发生氨基酸替代的基因突变，导致Hb对氧的亲和力改变。,珠蛋白的血红素口袋,血红素,1.不稳定Hb引起的贫血（Anemia induced by instability of Hb）,无血红素的珠蛋白在红细胞内沉积 轻者 重者 直接引起溶血,任何基因突变，如果造成血红素

12、口袋周围的氨基酸替代或缺失，影响血红素和珠蛋白的结合能力，都可能造成该变化。已有100多种不稳定Hb被鉴定，其中3/4发生在珠蛋白基因。,【临床表现】先天性家族性紫绀【发病机制】由于血红素口袋周围的氨基酸残基被替代，产生多出一个配位键，使血红素中Fe2+过快变成Fe3+，处于脱氧状态而不能结合氧。,2.高铁血红蛋白血症（Methemoglobinemia,HbM）,Hb构象变化和对氧亲合力,能引起Hb氧亲和力高的基因突变有50多种，常见基因突变类型：位于12（或21）亚基接触面的氨基残基发生了取代；珠蛋白肽链羧基端和2，3-磷酸甘油酸结合位点发生了氨基酸取代；血红素口袋四周的氨基酸被取代。,3

13、.伴有红细胞增多的异常血红蛋白病（Abnormal hemoglobin syndrome with erythrocytosis）Hb对氧亲合力 氧离曲线左移 Hb释放氧 组织缺氧 代偿性RBC增多症 RBC生成,二、血红蛋白病（三）Hb表达 减少或缺失-地中海贫血（Mediteranean Anemia）,2023/3/29,珠蛋白基因合成产物的减少，称为+和+地中海贫血；珠蛋白产物的完全缺失，称为0和0地中海贫血。,地中海贫血发生的分子机制 类 型 机 制 表 型 易患群体 缺失 融合蛋白 Hb Lepore:7K缺失融合蛋白 0,Lepore 意大利 珠蛋白基因缺失 619bp缺失 0

14、 印度 RNA合成缺失 RNA剪接缺失 内含子1剪接受位异常AGGG 0 非洲 启动子突变 ATA框突变：ATAAGTAA+日本 RNA加帽位点异常 RNA加帽位点突变：AC+亚洲 多A信号缺陷 AATAAAAACAAA+非洲 无功能RNA 无义突变 密码子39：CAGUAG 0 地中海 密码子16的单bp缺失：UGG GGC AAG 移码突变 GUG AAGUGG GCA AGG UGA（终止）0 印度 改变剪接的编码区突变 中性突变 密码子24：GGUGGA+非洲 错义突变 密码子26：GAGAAG+东南亚,基因突变类型 异常Hb 氨基酸变化 临床特征 错义突变 Hb Shuangfeng

15、 27GluLys(GAGAAG)不稳定Hb病 Hb S 6GluVal(GAGGUG)镰刀型细胞贫血 Hb Bibba 136LeuPro(CUGCCA 不稳定Hb病 无义突变 Hb Mckees Rocks 145Tyr终止(UAUUAA)不稳定Hb病 终止密码突变 Hb Constant Spring 142UAACAA-地贫(延长：142Gln-173UAA)密码子缺失 Hb Gun Hill 9195缺失 不稳定Hb病 密码子插入 Hb Grady 118与119间插入3个氨基酸 无明显症状 移码突变 Hb Tak 147UAAACU AA-不稳定Hb病-158UAA(Thr)融合突

16、变 Hb Lepore-Boston 87(Gln)-116(His)-地贫 Hb Kenya 81(Leu)-86(Ala)-地贫,三、其他基因缺陷导致的疾病（一）肌营养不良症（Duchenne muscular dystrophy,DMD）,杜兴氏症；DMD我国发生率1/3500，致病基因DMD已定位于Xp21.2-21.3，包含100个外显子，覆盖2300kb，编码3685aa肌营养素：dystrophin，在横纹肌、平滑肌、心肌细胞中表达，是细胞膜内侧膜蛋白。具有4个结构域；65%患者由于DMD基因缺失引起，提示大型基因容易受到染色体重排的影响而失活；程度较轻的贝克氏肌营养不良（BMD

17、），也由于DMD基因片段缺失引起，但由于缺失未能造成下游基因读码框的改变，保留了下游蛋白质的部分功能。发病率可能近1/30000。,DMD于学龄前发病（多56岁），患儿由于肌肉萎缩、无力而导致行走困难，走路呈鸭行步态，腰椎前凸，从卧位站立过程中出现高尔斯氏征。多数伴肌肉假性肥大（并非肌肉发达,而是有脂肪组织浸润），尤以腓肠肌突出，亦可见翼状肩胛。患儿一般12岁前下肢瘫痪，心肌受损，20岁左右因心肌功能和呼吸能力丧失而死亡。BMD发病较晚，在约20岁发病，临床表现与DMD相似，但病程缓慢，心肌很少受损，一般可以生育并活到高龄。,三、其他基因缺陷导致的疾病（二）囊性纤维化（cystic fibro

18、sis）,囊性纤维化跨膜传导调节蛋白(CFTCR)的基因突变所致，产生缺陷型蛋白，致使氯离子的转运障碍，黏液在呼吸道黏膜内淤滞，黏膜形成囊性增生，造成呼吸道堵塞；因反复感染，导致患者呼吸衰竭而死亡。,将重组CFTCR基因cDNA-病毒载体，用涂布鼻腔、或喷雾吸入气管及肺部等方法，转入患者呼吸道上皮细胞中，获得正常CFTCR基因的表达，纠正Cl转运缺陷，减少黏液分泌。,Gene therapy of CF,三、其他基因缺陷导致的疾病（三）亨廷顿病（Huntingtons disease）,舞蹈病，以缓慢起病、进展的舞蹈病、痴呆为特征。患病率约为5/10万。影响纹状体和大脑皮质；常染色体显性遗传病

19、；典型在3050岁才出现症状；本病目前尚无法治愈，通常在起病后1020年死亡。4号染色体短臂4p16.3的Huntingtin基因突变所致，基因产物为CAG三核苷酸重复扩增产生Huntingtin蛋白；正常人为1134个CAG重复序列，HD为40个以上。,血友病(Hemophilia)是一组遗传性凝血活酶生成障碍引起的出血性疾病。包括血友病A、血友病B、血友病C；前两者为X连锁隐性遗传，后者为常染色体不完全隐性遗传。发病率510/10万，出生婴儿发生率1/5000，血友病 A 占85%我国发病率 2.710万，血友病 A 占80%,第三节 血友病,50,病因及遗传规律,血友病A 血友病B F:

20、C基因位于Xq28 F基因位于Xq27 基因缺陷 F:C/F合成障碍 内源性凝血活酶生成障碍 出血,维多利亚女王,这就是历史上著名的血友病A家系，其第一代致病基因携带者为19世纪英国的维多利亚女王，致病基因通过通婚而传到欧洲多个国家的皇室成员，因此，血友病A又被称为“皇室病”。,52,病因及遗传规律,因为男性只含一个致病基因(XhY)即患血友病（A，B），而女性只含一个致病基因(XHXh)并不患病而只是携带致病基因，她必须同时含有两个致病基因(XhXh)才会患血友病（A，B）,53,病因及遗传规律,X性连隐性遗传性疾病 男性患病，女性传递,54,遗传规律,血热炽感,关节肿大,关节变形,56,临

21、床表现,重型 F:C活性 1；肌肉关节自发性出血，血肿中型 F:C活性 1-5%；小手术后可严重出血，偶有自发性出血轻型 F:C活性 5-25；手术或轻度外伤大出血,57,第四节 糖 尿 病diabetes mellitus,公元前2世纪“黄帝内经”已有“消渴”的认识1665年，小便多的病，希腊人又叫Diabetes（弯弯的泉水）1675年，英国William发现尿甜，加Mellitus（甜蜜）1889年，德国Mollium观察胰消化功能时，切除狗胰腺，其尿招惹成群苍蝇，该病与胰腺有关。1921年，加拿大Banting于多伦多在胰腺提取了一种激素，导致该病的明确。,lobal PrGoject

22、ions for the Diabetes Epidemic:20032025(millions),25.039.759%,10.419.788%,38.244.216%,1.11.7 59%,13.626.998%,World2003=189 million2025=324 million增加 72,81.8156.1 91%,北美,中美南美,非洲,欧洲,亚州,18.235.997%,中东,大洋洲,世界糖尿病患者人数排名和发展趋势,King H,et al.Diabetes Care 1998;21:141431.,中国：糖尿病患病率 IGT患病率 1980年：0.67%1994年：2.51

23、%2.5%1996年：3.21%4.76%2000年：6%2002年：10.6%10.9%（改标准）2008年：9.74 15.5 2010年：10(18岁以上),增速远超预期！,估算：糖尿病现患者9240万，糖尿病前期1.482亿！,糖尿病是由多种病因引起以慢性高血糖为特征的代谢性疾病，由于胰岛素分泌或作用的缺陷，或两者同时存在，引起糖、蛋白、脂肪、水和电解质等一系列代谢紊乱。久病可引起多系统损害，病情严重或应激时可发生急性代谢紊乱。,病因,遗传环境因素自身免疫,胰岛素分泌缺陷,胰岛素作用缺陷,糖尿病分类,糖尿病病因学分类（1997，ADA建议）（一）1 型糖尿病（B细胞破坏，胰岛素绝对不足

24、）1.免疫介导（急发型、缓发型）2.特发性（二）型糖尿病（胰岛素分泌不足伴胰岛素抵抗）,型糖尿病,型糖尿病(IDDM)为儿童及青少年最常见的内分泌疾病，一旦发病需终生注射胰岛素其急慢性并发症是儿童及其成年后致死和致残的主要原因。不同国家型糖尿病的患病率有较大的不同，型糖尿病大约占总糖尿病患者的5%至10%，大多数糖尿病患者为型糖尿病。,型糖尿病 9095%为型糖尿病。胰岛素抵抗 胰腺代偿分泌使血糖水平维持在较为正常的范围内。失代偿后，胰岛素分泌模式开始出现异常，进餐后更加明显，使葡萄糖在血液中蓄积，血糖水平超出正常范围，引起 型糖尿病。体重增加、体育活动减少，型糖尿病中的这种情况会进行性加重。

25、,2型糖尿病相关基因,1.胰岛素基因,1.1胰岛素分子上的某一个氨基酸被代替，而此氨基酸对胰岛素的生物活性起关键性作用,1.2胰岛素原转换为胰岛素的过程中，正常的咸基残端被裂开。,B52突变（苯丙氨酸 亮氨酸）INS一级结构改变-受体结合障碍。,65位（精氨酸 非咸性氨基酸）蛋白酶识别点消失 INS加工障碍胰岛素原在C肽和B链之间断裂 妨碍受体识别,2型糖尿病相关基因,2.胰岛素受体基因,2型糖尿病相关基因,3.葡萄糖激酶基因,有研究表明，在少年起病成年型病人中发现了葡萄糖激酶（GCK）基因的改变及该酶活性下降。,血糖增高,GCK表达,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,胰岛素分泌,肝糖元合成,2型糖尿病

26、相关基因,4.糖原合成酶基因,在周围组织对葡萄糖的非氧化摄取、合成糖原的过程中，糖原合成酶（GSY）基因产物起到重要作用。这一过程的受阻可引起周围组织对胰岛素的抵抗，常伴高血压，并常有明显的家族遗传倾向。,在2型糖尿病患者GSY基因中发现了双核苷酸复序列多态性（TG）。它位于19号染色体载脂蛋白C-2及富含组氨酸的钙结合蛋白基因之间，拥有10个等位基因，杂合度0.82，在2型糖尿病发病及胰岛素抵抗中的作用机制尚待进一步研究。,2型糖尿病相关基因,5.载脂蛋白基因群,糖尿病患者多合并有血脂和脂蛋白成分的异常，是引起糖尿病血管病变的一个重要危险因素。载脂蛋白（Apo）在脂类代谢中起重要作用，目前国

27、际上已从分子生物学领域对Apo基因多态性进行分析，发现了2型糖尿病与ApoA1、C3、B等基因相关联。研究最为深入的当属Apo-B。,2型糖尿病相关基因,6.线粒体tRNA基因,线粒体（mt)基因突变糖尿病是1992年以来发现的以母系遗传、血糖升高，多数伴耳聋为主要特征的特殊类型的糖尿病，占2型糖尿病发病率的0.5%1.0%。,Hepatitis B virus-生物学性状有包膜DNA趋肝性血清中三种形态,感染者血清中HBV电镜图,大球形颗粒(Dane 颗粒),小球形颗粒和 管形颗粒,第五节 乙型肝炎,Dane颗粒:具有感染性的完整的HBV颗粒小球形颗粒:中空颗粒，不含病毒DNA，无感染性管形

28、颗粒:小球型颗粒聚合而成,HBV的基因结构与功能,dsDNA，3200bp，不完全双链DNA 含4个ORF：S区、C区、P区、X区,2023/3/29,76,HBV的复制,HBV复制周期示意图,传染源:病人、无症状携带者传播途径：血液或血制品传播:血液和血制品、注射、外科或牙科手术、共用剃刀或牙刷等母婴传播:胎盘传播、围产期传播、哺乳传播性接触及密切接触传播：唾液、阴道分泌物、精液等,HBV的致病性与免疫性,HBV-抗原抗体检测“乙肝两对半”,2023/3/29,79,第六节 艾滋病,HIV的致病特点和机理,HIV感染和致病的主要特点是能选择性地侵犯表达CD4分子的细胞，引起以CD4+细胞缺陷

29、和功能障碍为中心的严重免疫缺陷。CD4+细胞主要是Th（CD4+T）细胞，也包括单核-巨噬细胞、树突状细胞、神经胶质细胞、皮肤的朗格汉斯细胞及肠道粘膜的杯状、柱状上皮细胞等少量表达CD4分子的细胞。,HIV形态结构,包膜基质核壳,2023/3/29,80,HIV生活周期,吸附穿入脱壳生物合成组装成熟和释放,82,HIV基因组复制与基因表达,HIV-1通过gp120与靶细胞表面CD4分子和趋化因子受体结合,（1）CD4+细胞受损；（2）HIV干扰T细胞的抗原识别；（3）HIV诱导的自身免疫应答；（4）HIV超抗原成分的致病作用；（5）HIV的播散；（6）HIV的其它病理作用。,HIV的主要致病机

30、制：,病毒在细胞内增殖干扰细胞的正常代谢；,子代病毒出芽释放 导致细胞被破坏；,细胞融合,被感染的CD4+细胞gp120 阳性,未感染的CD4+细胞gp120 阴性,融合形成多核巨细胞，其寿命明显缩短；,gp120,CD4,HIV诱导细胞凋亡；,凋亡小体,受染CD4+细胞,特异性细胞毒效应,筛查方法酶联免疫吸附试验（ELISA）化学发光或免疫荧光试验（CLIA）：采用发光或荧光底物，用发光或荧光仪测定结果。快速检测（RT）及其它检测试验(1)明胶颗粒凝集试验(PA)(2)斑点EIA和斑点免疫胶体金（或胶体硒）快速试验(3)免疫层析试验,HIV感染检测,HIV抗体筛查检测流程图,Thanks!,