第十一章疾病产生的分子基础Chapter11 Molecular Basis of Diseases Development  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。疾病的本质是蛋白质功能紊乱，基本原理是各种原因引起蛋白质质和量的改变。第一节基因结构改变与疾病第二节细胞间信号异常与疾病第三节细胞内因素与疾病第四节翻译后加工运输障碍与疾病第五节蛋白质降解异常与疾病第六节病原微生物基因引起的疾病一、基因突变的多种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而改变例脆性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。8~50 拷贝( 正常人)  52~200 拷贝( 携带者)  200~1000 拷贝( 患者) a. 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。b. 无义突变( nonsense mutation)  c. 同义突变(synonymous mutation) ：密码子发生改变, 但所编码的氨基酸不变。三结构基因改变导致蛋白质变化引起疾病结构基因发生改变会改变蛋白质的一级结构，进而改变蛋白质的理化性质。血红蛋白结构血红蛋白是由4 条肽链（两个α和两个β链）组成的。每条肽链都类似于肌红蛋白的肽链，都结合一个血红素。β珠蛋白结构基因突变抑制β珠蛋白合成使β珠蛋白量减少甚至完全缺失, 引起β- 地贫第二节细胞间信号异常导致基因 表达异常引起疾病人体各细胞间通过激素、神经递质、旁分泌信号等保持细胞间的联系，调节彼此的代谢。基因表达也受到细胞间信号的调控。第三节细胞内因素导致基因 表达异常引起疾病异常的细胞内信号持续高血糖引起的糖尿病心肌病高血糖→DAG↑→⊕PKC →⊕ACE →AngⅡ↑→心肌重塑、心肌肥大。蛋白的降解目的要求掌握：基因突变的概念；基因突变的类型及特点；基因突变的遗传学效应。熟悉：血红蛋白病的发病分子机制；细胞间异常信号、细胞内因素、翻译后加工运输障碍及病原生物基因导致的疾病。移码突变密码子插入β- 地贫γ81(Leu)-β86(Ala)  Hb Kenya  β- 地贫δ87(Gln)-β116(His)  Hb Lepore-Boston 融合突变不稳定Hb 病β147UAA→ACUAA 延长：Thr---158UAA Hb Tak 无明显症状α118 与119间插入3个氨基酸Hb Grady 不稳定Hb 病β91～95 缺失Hb Gun Hill 密码子缺失临床特征氨基酸变化异常Hb 基因突变类型血红蛋白病分子基础（2）家族性高胆固醇血症　　一种常染色体显性遗传疾病，其特征为低密度脂蛋白（LDL ）- 胆固醇水平明显升高，可出现黄色瘤和动脉硬化症。病因：肝脏表面特异性的LDL- 受体数目减少或缺乏，导致肝脏对血循环中LDL- 胆固醇的清除能力下降，进而引起血循环中LDL- 胆固醇水平升高。1. 配体结合结构域2.EGF 前体结构域3. 含糖基结构域4. 跨膜结构域5. 胞液结构域LDL 受体A B NH2 Cys 1 2  3  4  5 6  7 C COOH 2 . 蛋白质合成量变化引起的疾病人珠蛋白基因簇及珠蛋白基因结构珠蛋白基因的表达在时空上受到遗传因素的精确调控，表现为以下特点：组织特异性发育阶段特异性协同性α- 地贫基因缺失类型α1  α2 正常基本正常αααα+ 轻度贫血α+ α+ 轻度贫血αα0 高度贫血α+ α0  Hb Bart’s 综合征α0 α0 第17 位赖氨酸密码子AAG (Lys) →TAG, 发生无义突变, 引起β0 地贫; β珠蛋白基因的编码顺序内插入或缺失1 、２、４或７个核苷酸，会使突变点以后的读码框遭到破坏，往往造成β- 珠蛋白肽链合成提前终止，而引起β0 地贫。四、调控序列变异导致基因表达水平变化顺式作用元件的基因突变，会降低β珠蛋白基因的转录，使β珠蛋白合成减少，引起β+- 地贫。TATA 盒：-32 （C→A) 、-30(T→C) 、-29(A→G) 、-28(A→G) 。CAAT 盒：-101 、-92 、-88 、-87 、-86 等位点的点突变。CAAT TATA CAP PolyA 尾1 30 31 104 105 146 5′3′IVSⅠIVSⅡI S 启动子和外显子1之间大于10 kb 的缺失; 另一种是启动子和外显子1之间大于6 kb 的缺失。两种突变都使LDL 受体基因的表达能力完全丧失。LDL 受体启动子变异一些内含子的变异也会影响蛋白质的合成，使体内相应蛋白质含量减少或缺失。Apo B100 基因内含子的第一个碱基会发生G→T 突变，突变基因转录后生产的hnRNA，会影响Apo B100 mRNA 的正常剪切。AFP 接受异常细胞增殖信号成为肝癌发生的重要因素胚胎发育过程中, AFP 增强子激活, 而沉寂子处于抑制状态。胎儿出生后, AFP 沉寂子处于活化状态, 阻碍增强子的启动效应。在异常细胞增殖信号的作用下, c-myc 、c-fos 、c-jun 等癌基因表达异常增加, 其表达产物与AFP 基因顺式作用元件结合, 激活AFP 基因表达。粉尘刺激→肺支气管上皮、肺泡巨噬细胞→分泌TGF-β1→成纤维细胞→促细胞分裂和ECM 蛋白基因表达→ECM 增加→矽肺发生尘肺是由于长期吸入大量含游离二氧化硅粉尘引起的以肺纤维化为主要病变的疾病异常的DNA 甲基化（不同的DNA 甲基化模式形成不同的表观遗传特征）hCG 5′转录起始区低甲基化→非滋养层细胞hCG ↑→受体结合→⊕cAMP →Tumor ↑Proteins complexed with DNA allow for more “open”structure; can be transcribed…. Methylation leads to change in chromatin structure; more condensed state is transcriptionally inactive…genes are “off ”…第四节翻译后加工运输障碍与疾病白化Albinism  酪氨酸酶与Ⅰ型泛素性白化病酪氨酸酶催化结构域点突变可以使酪氨酸酶的活性降低甚至消失, 黑色素合成减少或不能合成, 导致Ⅰ型泛素性白化病; 酪氨酸酶催化结构域以外的点突变也能导致色素缺失, 蛋白质不能正确折叠. 没有正常折叠的酪氨酸酶不能从内质网输出而滞留在内质网, 无法完成其成熟及运输过程。蛋白转运异常酪氨酸酶P 蛋白高尔基体黑色素体P 蛋白基因突变黑色素合成障碍引起Ⅱ型泛发性白化病内质网酪氨酸酶与Ⅰ型泛素性白化病第五节蛋白质降解异常与疾病蛋白质降解途径溶酶体途径，降解细胞吞入的胞外蛋白质泛素- 蛋白酶体途径，降解胞内泛素化的蛋白质泛素(ubiquitin, Ub) E1( 特异性泛素激活酶)  E2( 泛素结合酶),  E3( 泛素连接酶)  蛋白酶体(proteasome)  泛素- 蛋白酶体系统活性被异常抑制或激活均可导致机体紊乱。2004 年诺贝尔化学奖阿龙· 切哈诺沃(Aaron 　Ciechanover) 阿夫拉姆· 赫什科(Avram 　Hershko) 欧文· 罗斯(Irwin 　Rose) 高血脂: 载脂蛋白的过度降解泛素- 蛋白酶体系统在维持正常载脂蛋白含量中起到重要的作用，该系统功能障碍，会导致载脂蛋白含量异常。Apo AⅠ, Apo B100, Apo E, etc. 阿尔茨海默病: 蛋白酶体活性的抑制阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD ）是一种中枢神经系统退行性病变的疾病。临床上首先表现为近期记忆力降低, 继而表现持续性智能衰退、失语、判断推理能力丧失, 以及运动障碍等。AD 最显著的神经病理组织学特征是老年斑和神经原纤维缠结。现已发现,β- 淀粉样蛋白在老年斑的形成过程中起十分重要的作用。第六节病原微生物基因引起的疾病感染引起机械或生物学损伤；争夺营养造成营养缺乏；毒素引起细胞代谢功能异常；基因整合到宿主基因组，造成基因结构改变和表达异常。*  生物科学与技术学院汤立军1 . 基因结构的改变；2 . 受细胞调节因素或其它因素影响使基因的表达发生改变；3 . 外来的致病基因；4 . 蛋白质翻译后加工及蛋白质降解发生变化。蛋白质功能紊乱的原因各不相同，具有不同分子机制。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四、调控序列变异导致基因表达水平变化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。1 . 碱基置换突变( substitution mutation) 二、不同的基因突变引起不同的遗传效应a. 错义突变( missense mutation)  b. 无义突变( nonsense mutation)  c. 同义突变( consense mutation) 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。亮氨酸的密码子UUA ，中间的U 变为A 这样一个碱基变化就会成为（终止密码子）UAA 。酪氨酸的密码子是UAC ，置换突变使UAC 变为密码子UAG 后翻译便终止。UAG 、UGA 、UAA 终止密码子例如：CUU CUC CUG →亮氨酸2 . 缺失或插入突变( deletion or insertion mutation) a. 密码子缺失或插入b. 移码突变( frame-shift mutation) c. 整基因或大片段缺失a. 密码子缺失或插入CTG ACT CCT GAG GAG AAG TCT  Leu Thr  Pro Glu Glu  Lys Ser CTG ACT GAG GAG AAG TCT  Leu Thr  Glu Glu  Lys Ser CTG ACT CC G GAG AAG TCT  Leu Thr  Pro Glu  Lys Ser C CT CCT GAG GAG AAG TCT Pro Pro Glu Glu  Lys Ser b. 移码突变CTG ACT CCT GAG GAG AAG TCT  Leu Thr  Pro Glu Glu  Lys Ser TG ACT CCT GAG GAG AAG TCT TGA CTC CTG AGG AGA AGT CT  CT ACT CCT GAG GAG AAG TCT CTA CTC CTG AGG AGA AGT CT Leu Leu  Leu  Arg  Arg Ser 插入或缺失带来的无义突变CTG ACT CCT GAG GAG AAG TCT  Leu Thr  Pro Glu Glu  Lys Ser 3 . 融合突变( fusion mutation) 细胞减数分裂时同源染色体不等交换而致基因间错位配对, 产生两种含不同等位基因的染色体。白血病中部分常见的融合基因4. 基因突变影响hnRNA 的剪接基因突变发生在hnRNA 的一级结构上特定的剪接位点上，形成新的剪接位点或使正常剪接位点消失，导致hnRNA 的剪接错误，产生异常的mRNA，最终产生异常的蛋白表达产物，改变生物性状。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 INTRON1 EXON2 EXON1  EXON2  EXON1 INTRON1 EXON2 hnRNA Splicing ? Yes No 例：家族性孤立性生长激素缺乏Ⅱ型遗传病由于GH-1 基因的EXONⅢ上第5nt 由G→A ，破坏一个ESE ，使EXONⅢ被跳过，而最终造成编码蛋白缩短，影响功能。转入了人缺陷型的GH-1 基因利用RNAi 使导入基因沉默2007 年1 . 蛋白质结构变化引起的疾病（1）血红蛋白病( hemoglobinopathy) 血红蛋白病——镰刀形细胞贫血症α- 地贫α142UAA→CAA (延长：142 Gln---173)  Hb Constant Spring 终止密码突变不稳定Hb 病β145Tyr→终止( UAU→UAA)  Hb Mckees Rocks 无义突变不稳定Hb 病α136Leu→Pro (CUG→CCA)  Hb Bibba 镰刀型细胞贫血β6Glu→Val (GAG→GUG)  Hb S 不稳定Hb 病α27Glu→Lys (GAG→AAG)  Hb Shuangfeng 错义突变临床特征氨基酸变化异常Hb 基因突变类型血红蛋白病分子基础*