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人类疾病的生化和分子遗传学

人类疾病的生化和分子遗传学. 先天性代谢病. 本章内容提示. 先天代谢病的类型 几种疾病发病分子机制、疾病相关基因定位、疾病的遗传方式。 氨基酸代谢病： 白化病 PKU 糖代谢病： 半乳糖血症 糖原贮积症 嘌呤代谢病： 自毁容貌综合征 受体蛋白病： 家族性高胆固醇血症. 一、 “ 先天代谢缺陷 ” 概念提出. 1908年 ， Garrod A 在皇家伦敦医学院发表了题为 “ 先天性代谢缺陷 ” 的著名报告，他公布了四种人类罕见疾病： 尿黑酸尿症 戊糖尿症 胱氨酸尿症

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人类疾病的生化和分子遗传学

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Presentation Transcript

  1. 人类疾病的生化和分子遗传学 先天性代谢病

  2. 本章内容提示 • 先天代谢病的类型 • 几种疾病发病分子机制、疾病相关基因定位、疾病的遗传方式。 氨基酸代谢病：白化病 PKU 糖代谢病：半乳糖血症 糖原贮积症 嘌呤代谢病：自毁容貌综合征 受体蛋白病：家族性高胆固醇血症

  3. 一、“先天代谢缺陷”概念提出 • 1908年，Garrod A在皇家伦敦医学院发表了题为“先天性代谢缺陷”的著名报告，他公布了四种人类罕见疾病： 尿黑酸尿症 戊糖尿症 胱氨酸尿症 白化病 Garrod 对尿黑酸尿症的开拓性的研究开辟了生化遗传学这一领域

  4. 尿黑酸尿症 • 临床特征：黑尿、大关节、脊柱椎间盘 退行性关节炎——褐黄病。 上腭出现兰色或黑色的色素斑， 眼巩膜、肋软骨出现黑色沉淀 （内源性尿黑酸自身氧化形成的产物沉淀所致）

  5. 临床症状 • 新生儿和儿童期： 尿黑酸尿是唯一的特点； • 成人期： 除了尿黑酸尿以外，由于尿黑酸增多，并在结缔组织中沉着，而导致褐黄病（ochronosis），如果累及关节的话则进展为褐黄病性关节炎（ochronotic arthritis）。

  6. 推测病因 代谢 转化 正常人：苯丙Aa、色Aa→尿黑酸→ 另一代谢产物→ 不蓄积 尿黑酸患者：苯丙Aa、色Aa ↓ 尿黑酸↑—//→另一代谢产物 ↓ 大量贮积，尿中排出

  7. 实验分析 尿黑酸患者 服食尿黑酸→尿中定 量排出 高蛋白饮食（含苯丙Aa、 色Aa）→内源性尿黑酸↑ 受试者 正常人→ 服食尿黑酸→不排出 高蛋白饮食（含苯Aa、 色Aa）→无尿黑酸检出

  8. 证实病因——尿黑酸氧化酶 缺乏 • 假设50年后被证实：患者的肝脏中检测不到尿黑 酸氧化酶，此酶负责尿黑酸进一步代谢。 • 苯丙Aa • ↓苯丙Aa羟化酶　 • 酪Aa • ↓酪Aa氨基转移酶 • p-羟基苯丙酮酸 • ↓ p-羟基苯丙酮酸氧化酶 • 尿黑酸 • ↓尿黑酸氧化酶 • 延胡索酸+乙酰乙酸

  9. 尿黑酸症遗传学分析 • 尿黑酸尿症呈现家族分布：17个尿黑酸尿症家庭中有8个父母是一级表兄妹。一级表兄妹婚配为一种罕见的隐性性状的表现提供了条件 • 是第一种被确认的常染色体隐性遗传病。 • 正常等位基因是未受累个体特异的酶产物所必需的，这是关于基因通过编码的酶施加其影响最初的线索。所以Garrod的工作预言了“一个基因一种酶”的假说。

  10. 二、先天代谢缺陷产生机制 1、酶活性异常的遗传基础 • 1）结构基因突变——酶结构改变，稳定性降低，酶动力学改变。 • 2）调节基因突变——酶合成速率下降，催化活性降低， • 3）翻译后修饰加工障碍——酶催化中心不完善，活性下降。

  11. 代谢异常机理 • Gene AB BCC/D • transcribtion • mRNA • translatin • Enzyme • S(底物 ）A↑ B↑ C↑ D↓ • E F 代谢旁路开放

  12. 二、先天代谢缺陷代表疾病 氨基酸代谢病：PKU 白化病 糖代谢病：半乳糖血症 糖原贮积症 嘌呤代谢病：自毁容貌综合征 受体蛋白病：家族性高胆固醇血症

  13. 苯丙酮尿症 ☆ • 发病环节：酶缺乏导致旁路代谢产物增多 • 遗传方式：AR • 缺乏的酶：苯丙氨酸羟化酶 • 遗传基因定位： PAH基因 12q24.1 全长90Kb，13个外显子，12个内含子。 目前已发现近200种错义突变

  14. 临床症状： • 本病经典型以智能发育不全为主要特征 。 • 旁路代谢产物苯丙酮酸↑苯乳酸↑苯乙酸↑ • 从汗液尿液排出，毛发、皮肤和尿有特殊气味 • 黑色素生成减少，患者毛发和皮肤颜色浅 • 神经递质生成受影响，患儿智力低下。 • 治疗：低苯丙氨酸饮食 • 早期治疗以避免神经系统损伤， • 减少智力损害 • 生化手段可作新生儿筛查

  15. 苯丙氨酸、酪氨酸代谢 黑色素 苯丙氨酸 酪氨酸 多巴 儿茶酚胺 甲状腺素 苯丙酮酸 尿黑酸 苯乙酸 苯乳酸 乙酰乙酸

  16. 白化病Albinism ☆ • 发病环节：酶缺乏导致代谢终产物缺乏 • 遗传方式：AR • 缺乏的酶：酪氨酸酶，导致终产物黑色素缺乏 • 遗传基因OCA1定位：11q14-q21

  17. 临床症状： • 皮肤呈白色，头发呈银白或淡黄色 • 虹膜及瞳孔呈淡红色，视网膜无色素 • 视物模糊，眼球震颤，羞明 • 易患皮肤癌

  18. 白化病 Albinism

  19. 半乳糖血症（Galactosemia） #发病环节：酶缺乏导致代谢中间产物堆积和排出 #遗传方式：AR #临床表现： 婴儿哺乳后呕吐、腹泻、 对乳类不耐受，继而出现肝硬化、 白内障、智力低下等症状

  20. 半乳糖血症（Galactosemia） E2 E1 半乳糖 半乳糖-1-磷酸+2-磷酸尿苷葡萄糖 2-磷酸尿苷半乳糖 葡萄糖-1-磷酸 半乳糖醇 葡萄糖-6-磷酸 E1：半乳糖激酶 E2：半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶

  21. 半乳糖血症分类

  22. 1. 喂乳后几天出现呕吐、拒食、腹泻、失重。2. 一周后，肝脏损害症状：黄疸、肝肿大、腹水。3. 几个月后，智力发育障碍，蛋白尿，氨基酸尿，白内障。

  23. 糖原贮积症Ⅰ（ von Gierke病） 葡萄糖-6-磷酸酶 糖原 葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 葡萄糖 • 缺乏的酶：葡萄糖-6-磷酸酶 • 遗传方式：AR • 基因定位：17q21

  24. 临床表现： ⑴ 肝糖原合成过多，引起患儿肝肿大 ⑵ G-6-Pase缺乏， 葡萄糖供应不足，易发生低血糖，长期可致患儿发育不良，消瘦，身体矮小 ⑶动用脂肪供能可以出现酮血症。 ⑷ G-6-P无氧酵解生成大量乳酸，导致酸中毒。

  25. 嘌呤代谢病 自毁容貌综合征(Lesch-Nyhan syndrome, LNS) 缺乏的酶：次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶 (HGPRT) 遗传方式：X连锁隐性遗传。 基因定位：Xq26-q27。 主要的突变类型有：核苷酸取代、插入、缺失和移码突变，可在DNA水平上作产前诊断。

  26. 代谢途径

  27. 发病机理 HGPRT催化5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)上的磷酸核糖基转移到鸟嘌呤和次黄嘌呤上，使之成为鸟苷酸和次黄苷酸，而它们又可反馈抑制嘌呤前体5-磷酸核糖-1-胺的生成。 此酶如缺乏，则鸟苷酸和次黄苷酸合成减少，嘌呤合成加快，致使尿酸增高，代谢紊乱而致病。

  28. 临床表现：1、高尿酸血症和高 尿酸尿症2、痛风性关节炎3、智力迟钝，大 脑瘫痪4、舞蹈样动作，自残行为

  29. 家族性高胆固醇血症（FH） • 遗传方式：常染色体显性遗传病， • 发病率：1/500 • 临床特点：血清胆固醇增高（300 ~600 mg/dl，正常人230），低密度脂蛋白（LDL）胆固醇增高（＞200mg/dl）。大约50%的患者出现伸肌腱的胆固醇沉积（黄色瘤） • 发病机理：低密度脂蛋白受体缺陷

  30. 1、胆固醇调节 正常人—— • LDL受体与LDL颗粒结合→内在化→ LDL颗粒中胆固醇降解为游离胆固醇→细胞内游离胆固醇的氧化衍生物启动调节过程： 1） HMG-CoA还原酶↓↓，胆固醇合成↓ 2）胆固醇酯化和储存增加 3） LDL受体合成减少，对外源胆固醇摄取减少

  31. 患者：LDL受体合成减少引起细胞对外源性胆固醇的摄取减少患者：LDL受体合成减少引起细胞对外源性胆固醇的摄取减少

  32. 2、LDL受体 ◎基因定位：19chr上，长约45kb，18个外显子， mRNA 5.3kb ◎对基因的分析表明： 配体结合区，由5个Exon编码（2~6个外显子） EGF前体同源区，由8个Exon编码。 糖基化部分，由1个Exon编码。 跨膜区，由第16个Exon和17Exon的部分编码。 胞浆内的尾部，由Exon17剩于的部分和E18的一部 分编码。 ◎LDL受体在内质网合成，再经过高尔基复合体时糖基化，分子量为160kDa，是插入C膜的整合膜蛋白。

  33. LDL受体结构

  34. 3、LDL受体的突变 • 在家族性高胆固醇血症中，鉴定了150 种不同的突变，并发现有多种突变和高度的等位基因异质性。 • 多数突变为受体基因不同等位基因杂合子---既复合杂合子。

  35. LDL受体基因突变可分为5个功能类型： • 1、突变发生在启动子区，不产生mRNA和蛋白； • 2、突变阻断新生的LDL受体蛋白从ER转运到GO； • 3、突变编码的受体可以到达C的表面，但不能与正常地结合配体； • 4、突变编码的受体可以到达C的表面，也能与正常地结合LDL，但不能集中在网络蛋白包被小窝。 • 5、再循环缺陷型突变，突变编码的受体可以结合并内在化LDL。但不能释放内含体中的受体，和回到C的表面。 基于上述的研究，从DNA水平对FH进行筛查和产前诊断已成为可能。

  36. G-6-PD • 朝鲜战争期间，美国士兵使用伯氨基喹啉来预防疟疾，约10%的黑人士兵发生溶血，少数白人士兵（地中海血统）也发生严重的溶血性贫血。 • 后来发现这种药物诱发贫血的基础是G6PD的遗传性缺陷。 • 从此建立了药物遗传学 • 这里，我们主要探讨 G6PD的遗传性缺陷

  37. 药物+Hb H2O2 • G6PD 基因：定位于X染色体，全长19kb， 含13个外显子，编码514个氨基酸的蛋白。 GSSG +NADPH GSH px GSH +NADP GR G6PD 6-磷酸葡萄糖酸 6-磷酸葡萄糖

  38. 突变类型 外显子 突变位置 突变类型 Aa位置 Aa替代 5 376 A→G 126　 天冬酰氨 天冬氨酸 4 202 G→A 　 68 缬氨酸 蛋氨酸 6 563 C→T 188 丝氨酸 苯丙氨酸 突变导致电泳迁移率改变（E5）和酶活性降低（E4和E6）。

  39. ●G6PD的突变型是因为在淀粉凝胶中的电泳迁移率不同而被发现。突变型的G6PD活性下降。●G6PD的突变型是因为在淀粉凝胶中的电泳迁移率不同而被发现。突变型的G6PD活性下降。 • G6PD-B：野生型， • G6PD-A：突变型， • G6PD-A-：二次突变。 ●酶活性 • G6PD-B＞G6PD-A＞G6PD-A-。 • 后者酶活性是前二者的15%。 ●电泳迁移率： • G6PD-A＞G6PD-A-- ＞G6PD-B。

  40. DNA水平：报道了60多种独立突变， 范围:包括几乎整个编码区 性质：错义突变，多为编码链或非编码链中CpG二核苷 酸发生C→T转换突变。 • 蛋白水平：已报道400多种等位突变型， 其中许多是多态。 • G6PD缺乏症很常见，几乎分布世界各地。

  41. 本节要求掌握： 几种常见代谢病 氨基酸代谢病：白化病 PKU 糖代谢病：半乳糖血症 糖原贮积症 嘌呤代谢病：自毁容貌综合征 受体蛋白病：家族性高胆固醇血症 什么病、缺什么酶、何种遗传方式？

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