遺傳學(xué)醫(yī)用第5章人類疾病的分子遺傳學(xué)-—-血紅蛋白病

1、遺傳學(xué)醫(yī)用第5章人類疾病的分子遺傳學(xué)-血紅蛋白病本章內(nèi)容提示分子病（molecular disease)血紅蛋白?。╤emoglobinpathy）血紅蛋白類型（HbF, HbA2 ,HbA)及發(fā)育變化遺傳控制：類鏈 （排列、定位） 類鏈 （排列、定位）異常血紅蛋白病及分子基礎(chǔ)地中海貧血： 地貧（基因型，臨床癥狀，分子基礎(chǔ)） 地貧（基因型，臨床癥狀，分子基礎(chǔ)）分子病 Molecular disease Gene突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子質(zhì)和量異常，從而引起機體功能障礙的一類疾病，稱為分子病。1949年P(guān)auling L對鐮狀細(xì)胞貧血病患者的血紅蛋白HbS電泳分析，推論其泳動異常是分子結(jié)構(gòu)改變所致，從而

2、提出分子病的概念。分子病的種類：依據(jù)蛋白質(zhì)功能可將其分為 1、運輸?shù)鞍撞?2、凝血及抗凝因子缺乏癥 3、免疫球蛋白病 4、膜轉(zhuǎn)運蛋白病 5、受體蛋白病 6、膠原蛋白病血紅蛋白病Hemoglobinopathy： 由于珠蛋白分子結(jié)構(gòu)異常或合成量異常所引起的疾病。是常見的遺傳病之一，從分子結(jié)構(gòu)到發(fā)病機理研究的均較清楚，是研究人類分子病的最好模型。原因： 1）紅細(xì)胞取材方便，來源豐富 2）血紅蛋白濃度高，不需純化 3）網(wǎng)織紅細(xì)胞含有、珠蛋白mRNA，便于克隆其cDNA 4）血紅蛋白異常引起的疾病種類很多人類疾病的分子遺傳學(xué) 血紅蛋白病第一節(jié) 血紅蛋白概述第二節(jié) 血紅蛋白基因第三節(jié) Hb病的類型和分子

3、基礎(chǔ) 第一節(jié) 血紅蛋白概述 -Hb的組成、結(jié)構(gòu)及類型正常Hb的組成 是一種結(jié)合蛋白： 血紅素 珠蛋白 （Heme) (globin)每個Hb單體是由 一條珠蛋白肽鏈 和一個血紅素組成的。 個Hb單體 一個球形四聚體 一血紅蛋白鏈血紅蛋白的一、二級結(jié)構(gòu)：氨基酸排列順序及多肽鏈螺旋類鏈：（、 ）141個氨基酸類鏈:（、）146個氨基酸血紅蛋白鏈， 螺旋結(jié)構(gòu)。二血紅蛋白的結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)二血紅蛋白的結(jié)構(gòu)血紅蛋白的類型成人Hb ：Hb A 22 9798% Hb A2 22 23 % 胎兒Hb： Hb F 22 2G2 2A2胚胎Hb： Hb Gower 22 2G2 2A2 (妊娠12周內(nèi)) H

4、b Gower 22 Hb Portland 22 三血 紅 蛋 白 類 型第二節(jié) 血紅蛋白基因 排列緊密，有共同起源，含有假基因 7個基因，定位于16p13 5- - - 1 - 2 -2 -1- - 3 6個基因，定位11p15 5-2 - G- A-1 - - -3-3 珠蛋白基因特點珠蛋白Gene 簇 珠蛋白Gene簇珠蛋白基因簇161115.5珠蛋白基因簇: 二、Hb發(fā)育演變與遺傳控制 胚胎早期先合成和Hb Gower（ 2 2 ） 同時或稍后合成和Hb Gower （ 2 2 ） Hb Portland （ 2 2 ） 12周時和逐漸消失， 鏈迅速增加， 開始合成，HbF為主（ 2

5、 2 ）。 妊娠末期和出生不久， 鏈迅速降低， 鏈迅速增加，HbA為主（ 2 2 ）。Hb發(fā)育演變2 1 2 1 G A 1 胚胎Hb 胎兒Hb 成人HbHb類型珠蛋白鏈 GowerHb 22基因2222222222GowerPortlandF轉(zhuǎn)錄翻譯Hb發(fā)育遺傳控制三、珠蛋白基因結(jié)構(gòu)及表達(dá) 珠蛋白基因： IVS1由117bp組成，位于31和32密碼子之間， IVS2由149或140bp組成，位于99和100密碼子之間。珠蛋白基因： IVS1含130bp，位于30和31密碼之間， IVS2大約含850bp，位于104和105密碼子之間。 基因結(jié)構(gòu): 非常相似，均為3個外顯子，2個內(nèi)含子(IVS

6、1、 IVS2）1 31 32 99 100 1411 30 31 104 105 146珠蛋白基因結(jié)構(gòu)珠蛋白基因結(jié)構(gòu)珠蛋白基因表達(dá) E1 E2 E35 -3 Transcription Processing 5-Cap- -polyAAAAA mRNA Translation 珠蛋白基因表達(dá)特點發(fā)育階段特異性 53順次表達(dá)、關(guān)閉合成場所特異性 卵黃囊、胎肝、骨髓表達(dá)數(shù)量協(xié)調(diào)性 類、類鏈維持1：1的比例 總之，珠蛋白基因的表達(dá)具有時空特異性、精確的協(xié)調(diào)性第三節(jié) Hb病的類型和分子基礎(chǔ) 人類珠蛋白基因的組織特異性強，僅在RBC 及前體中才有大量表達(dá)。 由珠蛋白基因突變引起珠蛋白質(zhì)量畸變（異常Hb

7、?。┖蛿?shù)量畸變（地中海貧血）所致的疾病統(tǒng)稱血紅蛋白病血紅蛋白病分類異常Hb病： 基因突變導(dǎo)致珠蛋白結(jié)構(gòu)改變 例如：鐮狀細(xì)胞貧血地中海貧血： 基因突變導(dǎo)致珠蛋白肽鏈合成缺乏 或合成量異常 如、地貧異 常 血 紅 蛋 白 病 由于珠蛋白基因突變導(dǎo)致珠蛋白肽鏈結(jié)構(gòu)異常，如有臨床表現(xiàn)者稱為異常血紅蛋白病。主要類型： （1）鐮狀細(xì)胞病 （2）不穩(wěn)定血紅蛋白病 （3）血紅蛋白M病 （4）氧親和力改變的血紅蛋白病一、鐮 狀 細(xì) 胞 病 遺傳方式：AR 形成原因：鏈第6位谷氨酸被纈氨酸取代，形成Hb S。在缺氧情況下，HbS聚合形成長棒狀聚合物，使細(xì)胞鐮變變形能力低引起血粘度增高，導(dǎo)致溶血、貧血、血管梗阻性繼

8、發(fā)癥狀。 HbSHbS 鐮狀細(xì)胞病 HbAHbS 鐮形細(xì)胞性狀 HbAHbA 正常人鐮狀 細(xì) 胞 病臨床癥狀：血管阻塞的繼發(fā)癥狀：一過性劇痛（腹痛、關(guān)節(jié)痛）,腦血管意外急性大面積組織損傷：心梗，肺、腎臟損傷；慢性溶血性貧血 患者多在成年以前死亡 診斷：血涂片亞硫酸鈉“鐮變試驗”陽性 電泳：有一“”區(qū)帶S A AD（不完全顯性）現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)90余種。分子機制：肽鏈上與血紅素緊密結(jié)合的氨基酸發(fā)生替代或缺失，損傷了肽鏈的立體結(jié)構(gòu)，使其與血紅素的結(jié)合能力減弱，形成不穩(wěn)定的異常血紅蛋白易氧化在紅細(xì)胞內(nèi)聚集沉淀，形成Heinz小體，紅細(xì)胞變形能力降低，通過微循環(huán)時容易被脾竇滯留破壞，從而導(dǎo)致血管內(nèi)外溶血。代表

9、疾病：Hb Bristol 形成原因：鏈第67位纈氨酸被天冬氨酸取代 臨床癥狀：先天性溶血性貧血、黃疸、脾腫大二、不穩(wěn)定血紅蛋白病三、血 紅 蛋 白 病 M ?。ㄟz傳性高鐵血紅蛋白病） 形成原因： 肽鏈中與血紅素鐵原子連接的組氨酸發(fā)生替代，導(dǎo)致部分鐵原子呈穩(wěn)定的高鐵狀態(tài)，影響Hb正常帶氧功能 臨床表現(xiàn)： 紫紺和繼發(fā)性紅細(xì)胞增多 遺傳方式：AD四、氧親和力改變的血紅蛋白病 形成原因： 由于珠蛋白基因突變致Hb肽鏈上氨基酸發(fā)生置換，致使Hb分子與氧的親和力增高或降低，運輸氧功能改變。 臨床表現(xiàn)： 紅細(xì)胞增多癥和紫紺異常血紅蛋白病的分子基礎(chǔ) 珠蛋白基因突變 主要類型： （1）單個堿基置換 （2）移碼

10、突變 （3）密碼子的缺失和插入 （4）融合基因一）單個堿基的替代（占90%） 1、錯義突變是由于單個核苷酸的改變導(dǎo)致由特定三聯(lián)體密碼子編碼的氨基酸的改變。例： HbS2、無義突變 原密碼子終止密碼肽鏈合成提前終止 例：Hb Mckees-Rock 145 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 （終止） Hb McKees-Rock Lys （終止）3、終止密碼突變終止密碼編碼氨基酸的密碼，導(dǎo)致肽鏈異常延長。例： Hb Con

11、stant Spring 142 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 Tyr Arg （ 終止） Hb Constant-Spring Lys Tyr Arg Gln Ala-172二） 移碼突變 在正常密碼子中插入或缺失一個或幾個堿基,導(dǎo)致該位點后面編碼的氨基酸種類順序改變.例： loss 正常Hb 137-ACC UCC AAA UAC CGU UAA 蘇-絲-賴-酪-精- 終Hb W

12、ayne ACC UCA AAU ACC GUU AAG 蘇-絲-冬胺-蘇-纈- 賴插入AG三）整碼突變密碼子的三個堿基同時缺失或插入例： Hb Gun Hill 89AGUGAGCUGCACUGUGACAAGCUGCAC GUG 98-絲谷亮組半胱門冬賴亮組纈- AGUGAGCUGCAC GUG89 90 96 97 98-絲谷亮組纈-(91-95缺失，后面氨基酸順序不變）四）融合基因由兩種不同的肽鏈聯(lián)接而成的異常血紅蛋白肽鏈.產(chǎn)生原因：減數(shù)分裂時同源染色錯誤配對，使基因之間發(fā)生不等交換。下圖中的Hb Lepore是由、鏈連接而成，稱而反Lepore是由、鏈連接而成，稱鏈G A 含重復(fù)片段的

13、染色體Anti-Lepore缺失染色體Hb Lepore二、地中海貧血 珠蛋白鏈合成數(shù)量不平衡最初發(fā)現(xiàn)在地中海地區(qū)居住的人群發(fā)病率特別高而得名，實際上世界各地都有發(fā)生，非洲和東南亞也比較常見。珠蛋白基因缺失/突變導(dǎo)致某種珠蛋白鏈合成障礙造成鏈和鏈合成數(shù)量不平衡，引起的溶血性貧血稱為地中海貧血。 地中海貧血由于珠蛋白基因的缺失或缺 陷使鏈的合成受到抑制而引起的溶血性貧血。特點：b 都表現(xiàn)為低色素性貧血地中海貧血由于珠蛋白基因的缺失或缺陷使鏈的合成受到抑制而引起的溶血性貧血。地中海貧血地 中 海 貧 血地中海貧血 每條16號染色體上有兩個Gene缺失程度不同，鏈合成部分或完全受到抑制，導(dǎo)致不同類型

14、的地貧。 若一條染色體上缺失一個基因（）為+地貧，鏈合成減少。若一條染色體上兩個基因均缺失（ ）為0地貧，鏈不能合成。臨床類型類 型癥 狀正常人靜止型+地貧雜合子無癥狀輕 型（標(biāo)準(zhǔn)型）0地貧雜合子輕度貧血+地貧純合子血紅蛋白H病0地貧和+地貧雙重雜合子溶血性貧血Hb Barts胎兒水腫綜合征0地貧純合子胎兒水腫胎 兒 水 腫 地貧的分子基礎(chǔ) 依基因缺陷程度分為：Gene缺失型（缺失1個基因）非Gene缺失型（點突變）：無義突變、移碼突變、終止密碼突變、剪接突變等結(jié)果 1 生成無功能或穩(wěn)定性降低的mRNA 無義突變 移碼突變 終止密碼突變 起始密碼突變 2 RNA加工突變 3 產(chǎn)生不穩(wěn)定Hb地中

15、海貧血 珠蛋白Gene 突變或缺失珠蛋白鏈合成速率下 降溶血性貧血 0 地貧：鏈完全不能合成 + 地貧：鏈可部分合成-地中海貧血臨床分類臨 床 類 型基 因 型基 因 產(chǎn) 物臨 床 表 現(xiàn)重型地貧+/+、0/0 0/0、+/0 鏈幾乎不能合成鏈合成相對增加Hb F和Hb A2增高地中海貧血面容溶血性貧血（需輸血）輕型地貧+/A、0/A0/A能合成適量的鏈貧血不明顯或輕度貧血中間型地貧+/+ 鏈部分合成介于重型和輕型之間（不需輸血）遺傳性胎兒血紅蛋白持續(xù)增多癥缺失或突變鏈和鏈合成受抑制鏈合成明顯增加成人Hb F持續(xù)增加，無癥狀患兒顱骨及面頰部骨骼增大，頭顱變大，額部隆起，顴高，鼻梁塌陷，兩眼距離

16、增寬，眼瞼浮腫，形成地中海貧血的特殊面容。X線顱骨照片可見顱骨內(nèi)外板變薄，板障增寬，在骨皮質(zhì)間出現(xiàn)垂直短發(fā)樣骨刺-地中海貧血的分子基礎(chǔ) 地中海貧血已發(fā)現(xiàn)100多種突變類型，包括點突變和 基因缺失。 絕大多數(shù)地中海貧血是由于基因發(fā)生點突變所致，突 變涉及基因內(nèi)及側(cè)翼序列。（1）編碼區(qū)突變（2）非編碼區(qū)突變（3）啟動子區(qū)突變（4）RNA裂解信號突變（5）加帽位點單個堿基突變編碼區(qū)突變 mRNA穩(wěn)定性降低或形成無功能mRNA（1）無義突變 密碼子17：AC 密碼子43：GT 0 地貧（2）移碼突變 密碼子71/72：+A 密碼子41/42：TCTT 0 地貧（3）起始密碼突變 ATGAGG 0 地貧 內(nèi)含子I GTAT喪失一個剪切信號。 新的切點產(chǎn)生 同義突變激活I(lǐng)和 Exon隱蔽裂解位點 如：GGTAGT 產(chǎn)生