類疾病的生化和分子遺傳學(xué)

1、1人類疾病的生化和分子遺傳學(xué)人類疾病的生化和分子遺傳學(xué) 先天性代謝病2本章內(nèi)容提示本章內(nèi)容提示先天代謝病的類型先天代謝病的類型幾種疾病發(fā)病分子機(jī)制、疾病相關(guān)幾種疾病發(fā)病分子機(jī)制、疾病相關(guān)基因定位、疾病的遺傳方式?；蚨ㄎ弧⒓膊〉倪z傳方式。 氨基酸代謝?。喊被岽x?。喊谆“谆?PKUPKU 糖代謝病：糖代謝?。喊肴樘茄Y半乳糖血癥 糖原貯積癥糖原貯積癥 嘌呤代謝病：嘌呤代謝?。鹤詺菝簿C合征自毀容貌綜合征 受體蛋白?。菏荏w蛋白?。杭易逍愿吣懝檀佳Y家族性高膽固醇血癥319081908年年，GarrodGarrod A A在皇家倫敦醫(yī)學(xué)院發(fā)表了題在皇家倫敦醫(yī)學(xué)院發(fā)表了題為為“先天性代謝缺陷先

2、天性代謝缺陷”的著名報(bào)告，他公布了的著名報(bào)告，他公布了四種人類罕見疾?。核姆N人類罕見疾病： 尿黑酸尿癥尿黑酸尿癥 戊糖尿癥戊糖尿癥 胱氨酸尿癥胱氨酸尿癥 白化病白化病 GarrodGarrod 對對尿黑酸尿癥尿黑酸尿癥的開拓性的研究開辟了的開拓性的研究開辟了生化遺傳學(xué)這一領(lǐng)域生化遺傳學(xué)這一領(lǐng)域一、一、“先天代謝缺陷先天代謝缺陷”概念提概念提出出4 尿黑酸尿癥尿黑酸尿癥臨床特征臨床特征：黑尿、大關(guān)節(jié)、脊柱椎間盤：黑尿、大關(guān)節(jié)、脊柱椎間盤 退行性關(guān)節(jié)炎退行性關(guān)節(jié)炎褐黃病。褐黃病。 上腭出現(xiàn)蘭色或黑色的色素斑，上腭出現(xiàn)蘭色或黑色的色素斑， 眼鞏膜、肋軟骨出現(xiàn)黑色沉淀眼鞏膜、肋軟骨出現(xiàn)黑色沉淀（內(nèi)源性

3、尿黑酸自身氧化形成的產(chǎn)物沉淀所致內(nèi)源性尿黑酸自身氧化形成的產(chǎn)物沉淀所致）5臨床癥狀新生兒和兒童期：新生兒和兒童期： 尿黑酸尿是唯一的特點(diǎn)；尿黑酸尿是唯一的特點(diǎn)；成人期：成人期： 除了尿黑酸尿以外，由于尿黑酸除了尿黑酸尿以外，由于尿黑酸增多，并在結(jié)締組織中沉著，而導(dǎo)致褐增多，并在結(jié)締組織中沉著，而導(dǎo)致褐黃?。S?。╫chronosisochronosis），），如果累及關(guān)節(jié)的如果累及關(guān)節(jié)的話則進(jìn)展為褐黃病性關(guān)節(jié)炎話則進(jìn)展為褐黃病性關(guān)節(jié)炎（ochronoticochronotic arthritis arthritis）。）。6推測病因推測病因 代謝代謝 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化正常人：正常人：苯丙苯丙Aa、色色

4、Aa尿黑酸尿黑酸 另一代謝產(chǎn)物另一代謝產(chǎn)物 不蓄積不蓄積尿黑酸患者尿黑酸患者：苯丙苯丙Aa、色色Aa 尿黑酸尿黑酸/另一代謝產(chǎn)物另一代謝產(chǎn)物 大量貯積，尿中排出大量貯積，尿中排出7實(shí)驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)分析 尿黑酸患者尿黑酸患者 服食尿黑酸服食尿黑酸尿中定尿中定 量排出量排出 高蛋白飲食（含苯丙高蛋白飲食（含苯丙Aa、 色色Aa）內(nèi)源性尿黑酸內(nèi)源性尿黑酸 受試者受試者 正常人正常人 服食尿黑酸服食尿黑酸不排出不排出 高蛋白飲食（含苯高蛋白飲食（含苯Aa、 色色Aa）無尿黑酸檢出無尿黑酸檢出8證實(shí)病因證實(shí)病因尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶 缺乏缺乏 假設(shè)假設(shè)5050年后被證實(shí)：患者的肝臟中檢測不到尿黑年后被證實(shí)

5、：患者的肝臟中檢測不到尿黑 酸氧化酶，此酶負(fù)責(zé)尿黑酸進(jìn)一步代謝。酸氧化酶，此酶負(fù)責(zé)尿黑酸進(jìn)一步代謝。 苯丙苯丙AaAa 苯丙苯丙AaAa羥化酶羥化酶 酪酪AaAa 酪酪AaAa氨基轉(zhuǎn)移酶氨基轉(zhuǎn)移酶 p- p-羥基苯丙酮酸羥基苯丙酮酸 p-p-羥基苯丙酮酸氧化酶羥基苯丙酮酸氧化酶 尿黑酸尿黑酸 尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶 延胡索酸延胡索酸+ +乙酰乙酸乙酰乙酸9尿黑酸癥遺傳學(xué)分析尿黑酸癥遺傳學(xué)分析尿黑酸尿癥呈現(xiàn)尿黑酸尿癥呈現(xiàn)家族分布家族分布：1717個(gè)尿黑酸尿癥個(gè)尿黑酸尿癥家庭中有家庭中有8 8個(gè)父母是一級表兄妹。一級表兄個(gè)父母是一級表兄妹。一級表兄妹婚配為一種罕見的隱性性狀的表現(xiàn)提供了妹婚配為一

6、種罕見的隱性性狀的表現(xiàn)提供了條件條件是第一種被確認(rèn)的是第一種被確認(rèn)的常染色體隱性遺傳病。常染色體隱性遺傳病。正常等位基因是未受累個(gè)體特異的酶產(chǎn)物所正常等位基因是未受累個(gè)體特異的酶產(chǎn)物所必需的，這是關(guān)于基因通過編碼的酶施加其必需的，這是關(guān)于基因通過編碼的酶施加其影響最初的線索。所以影響最初的線索。所以GarrodGarrod的工作預(yù)言了的工作預(yù)言了“一個(gè)基因一種酶一個(gè)基因一種酶”的假說的假說。10二、先天代謝缺陷產(chǎn)生機(jī)制二、先天代謝缺陷產(chǎn)生機(jī)制 1 1、 酶活性異常的遺傳基礎(chǔ)酶活性異常的遺傳基礎(chǔ)1 1）結(jié)構(gòu)基因突變結(jié)構(gòu)基因突變酶結(jié)構(gòu)改變，穩(wěn)定酶結(jié)構(gòu)改變，穩(wěn)定性降低，酶動(dòng)力學(xué)改變。性降低，酶動(dòng)力學(xué)

7、改變。2 2）調(diào)節(jié)基因突變調(diào)節(jié)基因突變酶合成速率下降，酶合成速率下降，催化活性降低，催化活性降低，3 3）翻譯后修飾加工障礙翻譯后修飾加工障礙酶催化中心酶催化中心不完善，活性下降。不完善，活性下降。11代謝異常機(jī)理代謝異常機(jī)理 Gene AB BC C/D transcribtionmRNA translatin EnzymeS(底物底物 ） A B C D E F 代謝旁路開放12二、先天代謝缺陷代表疾病二、先天代謝缺陷代表疾病氨基酸代謝病氨基酸代謝?。?PKU PKU 白化病白化病糖代謝病糖代謝?。喊肴樘茄Y半乳糖血癥 糖原貯積癥糖原貯積癥嘌呤代謝?。亨堰蚀x?。鹤詺菝簿C合征自毀容貌綜合

8、征受體蛋白病受體蛋白病：家族性高膽固醇血癥家族性高膽固醇血癥13 苯丙酮尿癥發(fā)病環(huán)節(jié)：發(fā)病環(huán)節(jié)：酶缺乏導(dǎo)致旁路代謝產(chǎn)物增多酶缺乏導(dǎo)致旁路代謝產(chǎn)物增多遺傳方式：AR缺乏的酶：苯丙氨酸羥化酶遺傳基因定位： PAHPAH基因基因 12q24.1 全長90Kb，13個(gè)外顯子，12個(gè)內(nèi)含子。 目前已發(fā)現(xiàn)近200種錯(cuò)義突變14臨臨床癥狀床癥狀： 本病經(jīng)典型以本病經(jīng)典型以智能發(fā)育不全智能發(fā)育不全為主要特征為主要特征 。 旁路代謝產(chǎn)物苯丙酮酸旁路代謝產(chǎn)物苯丙酮酸苯乳酸苯乳酸苯乙酸苯乙酸 從汗液尿液排出，從汗液尿液排出，毛發(fā)、皮膚和尿有特殊毛發(fā)、皮膚和尿有特殊氣味氣味 黑色素生成減少，黑色素生成減少，患者毛發(fā)和

9、皮膚顏色淺患者毛發(fā)和皮膚顏色淺 神經(jīng)遞質(zhì)生成受影響，神經(jīng)遞質(zhì)生成受影響，患兒智力低下?；純褐橇Φ拖隆?治療治療：低苯丙氨酸飲食：低苯丙氨酸飲食 早期治療以避免神經(jīng)系統(tǒng)損傷，早期治療以避免神經(jīng)系統(tǒng)損傷， 減少智力損害減少智力損害 生化手段可作新生兒篩查生化手段可作新生兒篩查15苯丙氨酸苯丙氨酸 酪氨酸酪氨酸 多巴多巴 兒茶酚胺兒茶酚胺苯丙酮酸苯丙酮酸苯乙酸苯乙酸 苯乳酸苯乳酸尿黑酸尿黑酸乙酰乙酸乙酰乙酸黑色素黑色素甲狀腺素甲狀腺素苯丙氨酸、酪氨酸代謝苯丙氨酸、酪氨酸代謝16白化病白化病AlbinismAlbinism發(fā)病環(huán)節(jié)：發(fā)病環(huán)節(jié)：酶缺乏導(dǎo)致代謝終產(chǎn)物缺乏酶缺乏導(dǎo)致代謝終產(chǎn)物缺乏遺傳方式：遺

10、傳方式：ARAR缺乏的酶：酪氨酸酶，導(dǎo)致終產(chǎn)物黑色缺乏的酶：酪氨酸酶，導(dǎo)致終產(chǎn)物黑色素缺乏素缺乏遺傳基因遺傳基因OCA1OCA1定位：定位：1111q14-q21q14-q21 17臨臨床癥狀床癥狀： 皮膚皮膚呈白色，頭發(fā)呈銀白或淡黃色呈白色，頭發(fā)呈銀白或淡黃色 虹膜及瞳孔虹膜及瞳孔呈淡紅色，視網(wǎng)膜無色素呈淡紅色，視網(wǎng)膜無色素 視物模糊，眼球震顫，羞明視物模糊，眼球震顫，羞明 易患皮膚癌易患皮膚癌18 白化病白化病 Albinism Albinism 19半乳糖血癥半乳糖血癥（GalactosemiaGalactosemia）# #發(fā)病環(huán)節(jié)：酶缺乏導(dǎo)致發(fā)病環(huán)節(jié)：酶缺乏導(dǎo)致代謝中間產(chǎn)物堆積代謝中

11、間產(chǎn)物堆積和排出和排出 # #遺傳方式：遺傳方式：ARAR# #臨床表現(xiàn)：臨床表現(xiàn)： 嬰兒哺乳后嘔吐、腹瀉、嬰兒哺乳后嘔吐、腹瀉、 對乳類不耐受，繼而出現(xiàn)肝硬化、對乳類不耐受，繼而出現(xiàn)肝硬化、 白內(nèi)障、智力低下等癥狀白內(nèi)障、智力低下等癥狀20半乳糖血癥（半乳糖血癥（Galactosemia）半乳糖半乳糖 半乳糖半乳糖-1-磷酸磷酸+2-磷酸尿苷葡萄糖磷酸尿苷葡萄糖 2-磷酸尿苷半乳糖磷酸尿苷半乳糖 葡萄糖葡萄糖-1-1-磷酸磷酸E1E2半乳糖醇半乳糖醇葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸E1：半乳糖激酶半乳糖激酶 E2：半乳糖半乳糖-1-磷酸尿苷酰轉(zhuǎn)移酶磷酸尿苷酰轉(zhuǎn)移酶21半乳糖血癥分類半乳糖血癥分

12、類分型缺陷酶基因定位臨床表現(xiàn)型（經(jīng)典型）半乳糖-1-磷酸尿苷酰轉(zhuǎn)移酶9q13低血糖，肝硬化，智力障礙，白內(nèi)障。型半乳糖激酶17q21-q22 主要表現(xiàn)為青年型白內(nèi)障。肝脾大，可有黃疸，智力正?；蜻t緩。型半乳糖尿苷-2-磷酸-4-異構(gòu)酶1p36-p35可無臨床癥狀或類似經(jīng)典型1. 1. 喂乳后喂乳后幾天出現(xiàn)幾天出現(xiàn)嘔吐嘔吐、拒食、腹瀉、失重。拒食、腹瀉、失重。2. 2. 一周后，肝臟損害癥狀：一周后，肝臟損害癥狀：黃疸、肝腫大、腹水黃疸、肝腫大、腹水。3. 3. 幾個(gè)月后，智力發(fā)育障幾個(gè)月后，智力發(fā)育障礙，蛋白尿，氨基酸尿，礙，蛋白尿，氨基酸尿，白內(nèi)障白內(nèi)障。 糖原貯積癥（ von Gierke

13、?。┤狈Φ拿福喝狈Φ拿福浩咸烟瞧咸烟?6-6-磷酸酶磷酸酶遺傳方式：遺傳方式：ARAR基因定位：基因定位：1717q21q21糖原糖原 葡萄糖葡萄糖-1-1-磷酸磷酸 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸 葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸酶24臨床表現(xiàn)臨床表現(xiàn)： 肝糖原合成過多，引起患兒肝糖原合成過多，引起患兒肝腫大肝腫大 G-6-Pase G-6-Pase缺乏，缺乏， 葡萄糖供應(yīng)不足，易發(fā)生葡萄糖供應(yīng)不足，易發(fā)生低低血糖血糖，長期可致患兒發(fā)育不良，消瘦，身，長期可致患兒發(fā)育不良，消瘦，身體矮小體矮小動(dòng)用脂肪供能可以出現(xiàn)動(dòng)用脂肪供能可以出現(xiàn)酮血癥酮血癥。 G-6-P G-6-P無氧酵解生成大量乳酸，導(dǎo)致

14、無氧酵解生成大量乳酸，導(dǎo)致酸中酸中毒毒。2526嘌呤代謝病嘌呤代謝病自毀容貌綜合征自毀容貌綜合征( (Lesch-NyhanLesch-Nyhan syndrome, syndrome, LNSLNS) ) 缺乏的酶：次黃嘌呤鳥嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶 (HGPRT)遺傳方式：X X連鎖隱性遺傳。連鎖隱性遺傳。基因定位：基因定位：Xq26-q27Xq26-q27。主要的突變類型有：主要的突變類型有：核苷酸取代、插入、缺失和核苷酸取代、插入、缺失和移碼突變，可在移碼突變，可在DNADNA水平上作產(chǎn)前診斷水平上作產(chǎn)前診斷。27代謝途徑代謝途徑28發(fā)病機(jī)理 HGPRTHGPRT催化催化5-5-磷酸核糖磷

15、酸核糖-1-1-焦磷酸焦磷酸( (PRPP)PRPP)上的磷酸核糖基轉(zhuǎn)移到鳥嘌呤和次黃嘌上的磷酸核糖基轉(zhuǎn)移到鳥嘌呤和次黃嘌呤上，使之成為鳥苷酸和次黃苷酸，而呤上，使之成為鳥苷酸和次黃苷酸，而它們又可反饋抑制嘌呤前體它們又可反饋抑制嘌呤前體5-5-磷酸核糖磷酸核糖- -1-1-胺的生成。胺的生成。 此酶如缺乏，則鳥苷酸和此酶如缺乏，則鳥苷酸和次黃苷酸合成減少，嘌呤合成加快，致次黃苷酸合成減少，嘌呤合成加快，致使尿酸增高，代謝紊亂而致病。使尿酸增高，代謝紊亂而致病。29臨床表現(xiàn)臨床表現(xiàn)：1 1、高尿酸血癥和高、高尿酸血癥和高 尿酸尿癥尿酸尿癥2 2、痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎、痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎3 3、智力遲鈍，大、

16、智力遲鈍，大 腦癱瘓腦癱瘓4 4、舞蹈樣動(dòng)作，、舞蹈樣動(dòng)作， 自殘行為自殘行為30 家族性高膽固醇血癥（家族性高膽固醇血癥（FHFH） 遺傳方式遺傳方式：常染色體顯性遺傳病，：常染色體顯性遺傳病，發(fā)病率：發(fā)病率：1/5001/500臨床特點(diǎn)臨床特點(diǎn)：血清膽固醇增高（血清膽固醇增高（300 600 300 600 mg/dlmg/dl，正常人正常人230230），低密度脂蛋白（），低密度脂蛋白（LDLLDL）膽固醇增高膽固醇增高（200200mg/dlmg/dl）。）。大約大約50%50%的患者出現(xiàn)伸肌腱的膽的患者出現(xiàn)伸肌腱的膽固醇沉積（黃色瘤）固醇沉積（黃色瘤）發(fā)病機(jī)理發(fā)病機(jī)理：低密度脂蛋白受

17、體缺陷：低密度脂蛋白受體缺陷311、膽固醇調(diào)節(jié)、膽固醇調(diào)節(jié)正常人LDLLDL受體與受體與LDLLDL顆粒結(jié)合顆粒結(jié)合內(nèi)在化內(nèi)在化 LDLLDL顆粒顆粒中膽固醇降解為游離膽固醇中膽固醇降解為游離膽固醇細(xì)胞內(nèi)游離膽固細(xì)胞內(nèi)游離膽固醇的氧化衍生物啟動(dòng)調(diào)節(jié)過程：醇的氧化衍生物啟動(dòng)調(diào)節(jié)過程： 1 1） HMG-HMG-CoACoA還原酶還原酶，膽固醇合成，膽固醇合成 2 2）膽固醇酯化和儲(chǔ)存增加膽固醇酯化和儲(chǔ)存增加 3 3） LDLLDL受體合成減少，對外源膽固醇攝取減受體合成減少，對外源膽固醇攝取減少少32患者：患者：LDLLDL受體合成減少引起細(xì)胞對外受體合成減少引起細(xì)胞對外源性膽固醇的攝取減少源性

18、膽固醇的攝取減少33 2、LDL受體 基因定位：基因定位：1919chrchr上，長約上，長約4545kbkb，1818個(gè)外顯子，個(gè)外顯子， mRNA mRNA 5.35.3kbkb對基因的分析表明：對基因的分析表明：配體結(jié)合區(qū)配體結(jié)合區(qū)，由，由5 5個(gè)個(gè)ExonExon編碼（編碼（2626個(gè)外顯子）個(gè)外顯子）EGFEGF前體同源區(qū)前體同源區(qū)，由，由8 8個(gè)個(gè)ExonExon編碼。編碼。糖基化部分糖基化部分，由，由1 1個(gè)個(gè)ExonExon編碼。編碼。跨膜區(qū)跨膜區(qū)，由第，由第1616個(gè)個(gè)ExonExon和和1717ExonExon的部分編碼。的部分編碼。胞漿內(nèi)的尾部胞漿內(nèi)的尾部，由，由Exon

19、17Exon17剩于的部分和剩于的部分和E18E18的一部的一部 分編碼。分編碼。 LDLLDL受體在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成，再經(jīng)過高爾基復(fù)合體時(shí)受體在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成，再經(jīng)過高爾基復(fù)合體時(shí)糖基化，分子量為糖基化，分子量為160160kDakDa，是插入是插入C C膜的整合膜蛋膜的整合膜蛋白。白。34L LD DL L受受體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)353 3、LDLLDL受體的突變受體的突變 在家族性高膽固醇血癥中，鑒定了在家族性高膽固醇血癥中，鑒定了150 150 種種不同的突變，并發(fā)現(xiàn)有多種突變和高度不同的突變，并發(fā)現(xiàn)有多種突變和高度的等位基因異質(zhì)性。的等位基因異質(zhì)性。多數(shù)突變?yōu)槭荏w基因不同等位基因雜合多數(shù)突變?yōu)槭荏w基因

20、不同等位基因雜合子子-既復(fù)合既復(fù)合雜合子雜合子。36LDLLDL受體基因突變可分為受體基因突變可分為5 5個(gè)功能類型個(gè)功能類型： 1 1、突變發(fā)生在、突變發(fā)生在啟動(dòng)子區(qū)啟動(dòng)子區(qū)，不產(chǎn)生，不產(chǎn)生mRNAmRNA和蛋白；和蛋白；2 2、突變阻斷新生的、突變阻斷新生的LDLLDL受體蛋白從受體蛋白從ERER轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)到到GOGO；3 3、突變編碼的受體可以到達(dá)突變編碼的受體可以到達(dá)C C的表面，但不能與的表面，但不能與正正常地結(jié)合配體常地結(jié)合配體；4 4、突變編碼的受體可以到達(dá)、突變編碼的受體可以到達(dá)C C的表面，也能與正常的表面，也能與正常地結(jié)合地結(jié)合LDLLDL，但但不能集中不能集中在網(wǎng)絡(luò)蛋白包被

21、小窩。在網(wǎng)絡(luò)蛋白包被小窩。5 5、再循環(huán)缺陷型突變，突變編碼的受體可以結(jié)合并、再循環(huán)缺陷型突變，突變編碼的受體可以結(jié)合并內(nèi)在化內(nèi)在化LDLLDL。但但不能釋放不能釋放內(nèi)含體中的受體，和回到內(nèi)含體中的受體，和回到C C的表面。的表面。 基于上述的研究，從基于上述的研究，從DNADNA水平對水平對FHFH進(jìn)行篩查和產(chǎn)進(jìn)行篩查和產(chǎn)前診斷已成為可能。前診斷已成為可能。3738 G-6-PD G-6-PD朝鮮戰(zhàn)爭期間，美國士兵使用伯氨基喹啉朝鮮戰(zhàn)爭期間，美國士兵使用伯氨基喹啉來預(yù)防瘧疾，約來預(yù)防瘧疾，約10%10%的黑人士兵發(fā)生溶血，的黑人士兵發(fā)生溶血，少數(shù)白人士兵（地中海血統(tǒng)）也發(fā)生嚴(yán)重少數(shù)白人士兵（

22、地中海血統(tǒng)）也發(fā)生嚴(yán)重的溶血性貧血。的溶血性貧血。后來發(fā)現(xiàn)這種藥物誘發(fā)貧血的基礎(chǔ)是后來發(fā)現(xiàn)這種藥物誘發(fā)貧血的基礎(chǔ)是G6PDG6PD的遺傳性缺陷。的遺傳性缺陷。從此建立了藥物遺傳學(xué)從此建立了藥物遺傳學(xué)這里，我們主要探討這里，我們主要探討 G6PDG6PD的遺傳性缺陷的遺傳性缺陷39G6PD G6PD 基因：定位于基因：定位于X X染色體，全長染色體，全長1919kbkb， 含含1313個(gè)外顯子，編碼個(gè)外顯子，編碼514514個(gè)氨基酸的蛋白。個(gè)氨基酸的蛋白。 藥物+HbH2O2 GSSG +NADPHGSH +NADPG6PDGSH pxGR6-磷酸葡萄糖酸6-磷酸葡萄糖突變類型突變類型外顯子外顯子 突變位置突變位置 突變類型突變類型 Aa位置位置 Aa替代替代 5 376 AG 126 天冬酰氨天冬酰氨 天冬氨酸天冬氨酸 4 202 GA 68 纈氨酸纈氨酸 蛋氨酸蛋氨酸 6 563 CT 188 絲氨酸絲氨酸 苯丙氨