第四章基因突变的分子细胞生物学效应 人体疾病是细胞病变的综合反映,而细胞病变则是细胞在致病因 素的作用下,组成细胞的若干分子相互作用的结果。生物因素、理化 因素和遗传因素都可能通过各种途径影响到细胞内的成分,从而导致 细胞病变。在以遗传因素作为病因的疾病中,基因突变改变了该基因 所编码的多肽链的数量和质量;而染色体畸变同样也是改变了相应基 因所编码的多肽链的数量和质量。因此,从疾病的发生来说,基因突 变和染色体畸变所引发的分子细胞生物学效应是相同的,差别在于基 因突变往往仅涉及一个或几个基因所编码的多肽链;而染色体畸变则 影响到的几个、几十个甚至数千个基因所编码的多肽链。因此染色体 畸变所引起的疾病常更严重;所涉及的机制也更复杂。本章原则性地 介绍基因突变所引起的细胞及分子生物学效应。 Physiological, Genetic, and Developmental Homeostasis a logic of disease must be based on relationships between physiological genetic, and developmental homeostasis and on prevalent cultures Susceptibility, made up of accumulating effects of genes and experiences becomes a disease whose form dep ends on the specificity of the genes and experiences as well as on the individuality of ontogeny. These elements which can be seen to comprehend Waddington's three time frames----the present, the lifetime, and the biological past, in an arrangement that allows the physician to analyze each case according to the individual array of constituents, which is to say, to the individuality of the case, which itself should help in the choice of treatment. Is it not also plausible that so individual an analysis of a patient 's disease must lead the doctor to observe the specificity of the patient as a person? 第一节基因突变导致蛋白质功能改变
1 第四章 基因突变的分子细胞生物学效应 人体疾病是细胞病变的综合反映，而细胞病变则是细胞在致病因 素的作用下，组成细胞的若干分子相互作用的结果。生物因素、理化 因素和遗传因素都可能通过各种途径影响到细胞内的成分，从而导致 细胞病变。在以遗传因素作为病因的疾病中，基因突变改变了该基因 所编码的多肽链的数量和质量；而染色体畸变同样也是改变了相应基 因所编码的多肽链的数量和质量。因此，从疾病的发生来说，基因突 变和染色体畸变所引发的分子细胞生物学效应是相同的，差别在于基 因突变往往仅涉及一个或几个基因所编码的多肽链；而染色体畸变则 影响到的几个、几十个甚至数千个基因所编码的多肽链。因此染色体 畸变所引起的疾病常更严重；所涉及的机制也更复杂。本章原则性地 介绍基因突变所引起的细胞及分子生物学效应。 Physiological, Genetic, and Developmental Homeostasis A logic of disease must be based on relationships between physiological, genetic, and developmental homeostasis and on prevalent cultures. Susceptibility, made up of accumulating effects of genes and experiences, becomes a disease whose form depends on the specificity of the genes and experiences as well as on the individuality of ontogeny. These elements, which can be seen to comprehend Waddington’s three time frames----the present, the lifetime, and the biological past, in an arrangement that allows the physician to analyze each case according to the individual array of constituents, which is to say, to the individuality of the case, which itself should help in the choice of treatment. Is it not also plausible that so individual an analysis of a patient’s disease must lead the doctor to observe the specificity of the patient as a person? 第一节 基因突变导致蛋白质功能改变
基因突变对蛋白质所产生的影响主要包括:①突变影响着活性蛋 白质的生物合成;②突变改变了蛋白质的功能效应;③突变蛋白的细 胞定位发生了改变;④蛋白质的分子异常与临床表现的关系等。通过 这些机制可以进一步理解基因突变导致遗传病发生的分子途径。 、突变蛋白 遗传信息通过转录、翻译从基因传到多肽链,后者再形成具有生 物活性的蛋白质。基因突变后,大多从两个途径改变了这些正常蛋白 的合成,形成突变蛋白( mutant protein):①突变改变了多肽链的氨基 酸顺序(即蛋白质的一级结构),使蛋白质失去正常功能,这称为原发 性损害( primary abnormalities);②突变并不直接影响某一多肽链,而 是通过干扰多肽链的合成过程(如参与蛋白质翻译的各种因子的突 变)、翻译后修饰(如各种参与蛋白质成熟过程的修饰因子的突变)以 或蛋白质与辅助因子的结合而间接地使某一蛋白质失去正常的生物活 性而引起疾病,称为继发性损害( secondary abnormalities)(表41 表4-1突变与疾病的关系 突变涉及的 发损害 例 继发性损害 病例 步骤 核苷酸序列转录、RNA剪珠蛋白生成障碍性转录的调节 急性间隙性卟啉 切 贫血、HPFH 症 mRNA 翻译 珠蛋白生成障碍性翻译的调节 急性间隙性卟啉 贫血 症 多肽 多肽链折叠LDL受体突变2型翻译后修饰 Ehlers- Danlos综 合征 三维空间构象亚单位聚合、胶原形成缺陷亚单位聚合和亚细 Zellweger综合 亚细胞定位 胞定位的调节 征、1细胞病 生物学功能蛋白质降解 Tay-Sachs病蛋白质降解的调节未知 (一)影响mRNA和蛋白质合成的突变 1.影响mRNA和蛋白质合成的原发缺陷β-地中海贫血的部分 原因就是由于突变减少了正常β-珠蛋白的合成;在少数情况下,突变 也可能增加了某一蛋白的合成速度,这可能与这些基因转录形成的 2
2 基因突变对蛋白质所产生的影响主要包括：①突变影响着活性蛋 白质的生物合成；②突变改变了蛋白质的功能效应；③突变蛋白的细 胞定位发生了改变；④蛋白质的分子异常与临床表现的关系等。通过 这些机制可以进一步理解基因突变导致遗传病发生的分子途径。 一、突变蛋白 遗传信息通过转录、翻译从基因传到多肽链，后者再形成具有生 物活性的蛋白质。基因突变后，大多从两个途径改变了这些正常蛋白 的合成，形成突变蛋白（mutant protein）：①突变改变了多肽链的氨基 酸顺序（即蛋白质的一级结构），使蛋白质失去正常功能，这称为原发 性损害（primary abnormalities）；②突变并不直接影响某一多肽链，而 是通过干扰多肽链的合成过程（如参与蛋白质翻译的各种因子的突 变）、翻译后修饰（如各种参与蛋白质成熟过程的修饰因子的突变）以 或蛋白质与辅助因子的结合而间接地使某一蛋白质失去正常的生物活 性而引起疾病，称为继发性损害（secondary abnormalities）（表4-1）。 表4-1 突变与疾病的关系 突变涉及的 步骤 原发损害 病例 继发性损害 病例 核苷酸序列 转录、RNA剪 切 珠蛋白生成障碍性 贫血、HPFH 转录的调节 急性间隙性卟啉 症 mRNA 翻译 珠蛋白生成障碍性 贫血 翻译的调节 急性间隙性卟啉 症 多肽 多肽链折叠 LDL受体突变2型 翻译后修饰 Ehlers-Danlos 综 合征 三维空间构象 亚单位聚合、 亚细胞定位 胶原形成缺陷 亚单位聚合和亚细 胞定位的调节 Zellweger 综 合 征、I细胞病 生物学功能 蛋白质降解 Tay-Sachs病 蛋白质降解的调节 未知 （一）影响mRNA和蛋白质合成的突变 1．影响mRNA和蛋白质合成的原发缺陷 β-地中海贫血的部分 原因就是由于突变减少了正常β-珠蛋白的合成；在少数情况下，突变 也可能增加了某一蛋白的合成速度，这可能与这些基因转录形成的
mRNA相对稳定性下降,反馈调节基因的表达;也可能表达了在时间 上不该表达的基因,而使某一蛋白质合成增加,如遗传性胎儿血红蛋 白持续症(HPFH,OMIM#142470,6q2.3-q23.1)。 2.影响mRNA和蛋白质合成速率的继发缺陷通常情况下,蛋白 质合成的速度或效率不是由编码该蛋白质的基因本身决定的,而是由 调节该基因表达的调节“因子”决定的;如果这些因子发生改变,同 样影响着这些蛋白质的功能,甚至引起疾病。急性间隙性卟啉症( acute intermittent porphyria,OMIM#176000)是一种AD遗传病或性状,致 病基因定位于11q23.3,90%左右的患者可表现为临床正常,仅10%表 现为间隙性发作。正常情况下,δ-氨基γ-酮戊酸(δ- aminolevulinic acid,ALA)合成酶催化甘氨酸与琥珀酰CoA生成ALA,再转化为胆 色素原( Porphobilinogen,PBG),后者在PBG脱氨酶作用下逐级合成 血红素(heme)(图4-1) 图41血红素的合成与急性间隙性卟啉症的发生 患者由于缺乏PBG脱氨酶使细胞内ALA、胆色素原不能转化为血红 素,使血红素含量下降;而血红素的下降则调节ALA合成酶表达的增 加,增加的结果导致ALA和胆色素原更严重的积聚并疾病。当人体服 用一些药物以后,肝脏中以血红素为辅基的氧化参与了药物的代谢, 对血红素的需求也增加,血红素含量减少明显,致ALA合成增加,ALA 因而增多,故而呈现为因服用药物后出现症状或症状加重的间隙性发 作。这种疾病虽然是由于ALA合成酶的合成增加直接造成的,但却是 PBG脱氨酶缺陷间接作用的结果。 (二)影响蛋白质结构的突变 1.改变蛋白质结构的原发性突变一般情况下,维持蛋白质正常 生理功能需取决于以下两个特征,它们是:①正常的构象;②担负特 定功能的氨基酸顺序的存在。基因的突变可通过两者之一或两个特征 的变化而改变蛋白质的正常功能。最常见的这种突变是球蛋白(如血 红蛋白)分子的疏水区(内部非极性的内衬)被一个或几个亲水或极
3 mRNA相对稳定性下降，反馈调节基因的表达；也可能表达了在时间 上不该表达的基因，而使某一蛋白质合成增加，如遗传性胎儿血红蛋 白持续症（HPFH，OMIM#142470，6q22.3-q23.1）。 2．影响mRNA和蛋白质合成速率的继发缺陷 通常情况下，蛋白 质合成的速度或效率不是由编码该蛋白质的基因本身决定的，而是由 调节该基因表达的调节“因子”决定的；如果这些因子发生改变，同 样影响着这些蛋白质的功能，甚至引起疾病。急性间隙性卟啉症（acute intermittent porphyria，OMIM #176000）是一种AD遗传病或性状，致 病基因定位于11q23.3，90％左右的患者可表现为临床正常，仅10％表 现为间隙性发作。正常情况下，δ-氨基γ-酮戊酸（δ-aminolevulinc acid，ALA）合成酶催化甘氨酸与琥珀酰CoA生成ALA，再转化为胆 色素原（Porphobilinogen，PBG），后者在PBG脱氨酶作用下逐级合成 血红素（heme）（图4-1）。 图4-1 血红素的合成与急性间隙性卟啉症的发生 患者由于缺乏PBG脱氨酶使细胞内ALA、胆色素原不能转化为血红 素，使血红素含量下降；而血红素的下降则调节ALA合成酶表达的增 加，增加的结果导致ALA和胆色素原更严重的积聚并疾病。当人体服 用一些药物以后，肝脏中以血红素为辅基的氧化参与了药物的代谢， 对血红素的需求也增加，血红素含量减少明显，致ALA合成增加，ALA 因而增多，故而呈现为因服用药物后出现症状或症状加重的间隙性发 作。这种疾病虽然是由于ALA合成酶的合成增加直接造成的，但却是 PBG脱氨酶缺陷间接作用的结果。 （二）影响蛋白质结构的突变 1．改变蛋白质结构的原发性突变 一般情况下，维持蛋白质正常 生理功能需取决于以下两个特征，它们是：①正常的构象；②担负特 定功能的氨基酸顺序的存在。基因的突变可通过两者之一或两个特征 的变化而改变蛋白质的正常功能。最常见的这种突变是球蛋白（如血 红蛋白）分子的疏水区（内部非极性的内衬）被一个或几个亲水或极
性氨基酸取代(或插入)而留下间隙(gap),导致相应蛋白质的稳定 性下降,功能变化。据估计血红蛋白的各种突变中,这一类型占20% 以上。 2.影响蛋白质结构的继发性因素绝大多数蛋白质都需要进行翻 译过程或翻译后的加工、修饰,以满足其功能的需要;但在许多疾病, 加工、修饰过程缺陷继发性地改变了相应蛋白质的结构而引起疾病。 例如 cheers- Danlos综合征Ⅱ型(OMM#130010,9q342q34.3)是由 于赖氨酸羟化酶缺陷所致。在这种情况下,胶原分子上的赖氨酸不能 被羟化,使胶原分子间的连结发生障碍,而不能适应于组织细胞内胶 原网络结构的形成,最终而导致结缔组织的结构改变和功能紊乱。 (三)影响蛋白质的亚细胞定位的突变 多肽链在合成后须折叠成特定的空间形状,随后运送到特定的细 胞内、细胞外位置或与其它多肽、辅助因子组装形成结合蛋白以适应 其功能的需要 1.影响蛋白质细胞转运的原发缺陷蛋白质分子在细胞内定位是 由组成多肽链的氨基酸组成和序列所决定的;例如一些线粒体蛋白是 由核基因所编码并在细胞质合成的,在这些蛋白质的氨基端的一段序 列可识别位于线粒体膜上的受体,并转运入线粒体内。如果编码这些 氨基酸残基的DNA发生突变,就可能导致线粒体蛋白质不能被正确地 导入到线粒体内,即导致疾病。甲基丙二酸尿症( methy malonic aciduria,OMIM#251000)是一种常染色体隐性遗传病,致病基因定 位于6p21,由于机体内缺乏甲基丙二酰辅A羧基变位酶( methy Malonyl CoA mutase),致甲基丙酰CoA不能转变为琥珀酰CoA而使甲基丙二酸 ( methy malonic acid,MMA)在线位体内堆积而发病。然而, MM-COA 变位酶基因的突变仅发生于其氨基端32个氨基酸残基组成的引导序列 (转移肽)区,致引导序列信号错误而不能进入线粒体,造成 MM-COA 变位酶缺失(图4-2)。 2 MMA-COA变位酶与琥珀酰CoA的合成
4 性氨基酸取代（或插入）而留下间隙（gap），导致相应蛋白质的稳定 性下降，功能变化。据估计血红蛋白的各种突变中，这一类型占20％ 以上。 2．影响蛋白质结构的继发性因素 绝大多数蛋白质都需要进行翻 译过程或翻译后的加工、修饰，以满足其功能的需要；但在许多疾病， 加工、修饰过程缺陷继发性地改变了相应蛋白质的结构而引起疾病。 例如Ehlers-Danlos综合征Ⅱ型（OMIM #130010，9q34.2-q34.3）是由 于赖氨酸羟化酶缺陷所致。在这种情况下，胶原分子上的赖氨酸不能 被羟化，使胶原分子间的连结发生障碍，而不能适应于组织细胞内胶 原网络结构的形成，最终而导致结缔组织的结构改变和功能紊乱。 （三）影响蛋白质的亚细胞定位的突变 多肽链在合成后须折叠成特定的空间形状，随后运送到特定的细 胞内、细胞外位置或与其它多肽、辅助因子组装形成结合蛋白以适应 其功能的需要。 1．影响蛋白质细胞转运的原发缺陷 蛋白质分子在细胞内定位是 由组成多肽链的氨基酸组成和序列所决定的；例如一些线粒体蛋白是 由核基因所编码并在细胞质合成的，在这些蛋白质的氨基端的一段序 列可识别位于线粒体膜上的受体，并转运入线粒体内。如果编码这些 氨基酸残基的DNA发生突变，就可能导致线粒体蛋白质不能被正确地 导入到线粒体内，即导致疾病。甲基丙二酸尿症（methylmalonic aciduria，OMIM #251000）是一种常染色体隐性遗传病，致病基因定 位于6p21，由于机体内缺乏甲基丙二酰辅A羧基变位酶（methylmalonyl CoA mutase），致甲基丙酰CoA不能转变为琥珀酰CoA而使甲基丙二酸 （methylmalonic acid，MMA）在线位体内堆积而发病。然而，MM-CoA 变位酶基因的突变仅发生于其氨基端32个氨基酸残基组成的引导序列 （转移肽）区，致引导序列信号错误而不能进入线粒体，造成MM-CoA 变位酶缺失（图4-2）。 图4-2 MMA-CoA变位酶与琥珀酰CoA的合成
2.影响蛋白质细胞内转运的继发缺陷与许多膜蛋白或线粒体蛋 白的定位机制不一样,另一种类型的蛋白质定位是由翻译后的修饰所 决定的。溶酶体内的酸性水解酶就是通过这一机制实现细胞内的转运 的。正常的酸性水解酶在内质网内合成后,经过糖化后形成带有甘露 糖( mannose,Man)的糖蛋白,Man经磷酸化后形成M6-P,而M-6-P 残基与内质网膜上的M6P受体相结合并以发芽的形式形成胞内囊泡, 再与溶酶体融合后将酸性水解酶释放λ溶酶体,因此M6-P是酸性水解 酶转运到溶酶体的关键。而在某些病理情况下,由于使甘露糖转变为 M-6-的酶缺陷,致酸性水解酶不能进入溶酶体而堆积于细胞质中并释 放到体液中或释放到体外培养的细胞培养基中。由于酸性水解酶涉及 到多种物质的分解代谢,因此这类患者具有多种临床效应,包括骨骼 异常、严重的生长迟缓和智力低下等。此外这类患者的细胞在体外培 养时可见到不正常的溶酶体或包涵体( inclusion body),故称为包涵体 细胞( inclusion-ce,I-cels,包涵体细胞病也称为-细胞病。 (四)影响蛋白质与其它因子结合的突变 新合成的多肽链往往需要同其他分子结合才能形成有活性的蛋白 质。如果该分子也是一条相同或不同的多肽链,则形成同聚体或异聚 体。迄今,已知有许多突变影响到多肽链与其他分子的结合而使该蛋 白质不能正常地行使功能。 1.影响亚单位组装成多聚体相互集积的原发突变如果蛋白质分 子是由两个以上的亚单位组成的,则其表面的改变往往会影响到亚单 位之间的亲和力,不能形成正常的蛋白质复合体。骨发育不良时,pro 1(I)和proa2(I)基因的突变致它们组装形成Ⅰ型胶原时发生 困难,引起各种临床表现,甚至在围生期死亡 2.由于不能形成多聚体蛋白而引起继发性功能缺陷一些蛋白质 的多肽链分子在与有遗传缺陷的其他多肽链(或亚单位)结合后,不 能形成有功能的多聚体,因此而引起疾病。 Zellweger综合征(OMM #214100,已定位的易感基因位点包括2p15、1号染色体、1q22、7q21-q22 和6q23-q24)就是这方面的典型例子。 (五)影响辅基或辅助因子与蛋白质结合、去除的突变
5 2．影响蛋白质细胞内转运的继发缺陷 与许多膜蛋白或线粒体蛋 白的定位机制不一样，另一种类型的蛋白质定位是由翻译后的修饰所 决定的。溶酶体内的酸性水解酶就是通过这一机制实现细胞内的转运 的。正常的酸性水解酶在内质网内合成后，经过糖化后形成带有甘露 糖（mannose，Man）的糖蛋白，Man经磷酸化后形成M-6-P，而M-6-P 残基与内质网膜上的M-6-P受体相结合并以发芽的形式形成胞内囊泡， 再与溶酶体融合后将酸性水解酶释放入溶酶体，因此M-6-P是酸性水解 酶转运到溶酶体的关键。而在某些病理情况下，由于使甘露糖转变为 M-6-P的酶缺陷，致酸性水解酶不能进入溶酶体而堆积于细胞质中并释 放到体液中或释放到体外培养的细胞培养基中。由于酸性水解酶涉及 到多种物质的分解代谢，因此这类患者具有多种临床效应，包括骨骼 异常、严重的生长迟缓和智力低下等。此外这类患者的细胞在体外培 养时可见到不正常的溶酶体或包涵体（inclusion body），故称为包涵体 细胞（inclusion-cell，I-cells），包涵体细胞病也称为I-细胞病。 （四）影响蛋白质与其它因子结合的突变 新合成的多肽链往往需要同其他分子结合才能形成有活性的蛋白 质。如果该分子也是一条相同或不同的多肽链，则形成同聚体或异聚 体。迄今，已知有许多突变影响到多肽链与其他分子的结合而使该蛋 白质不能正常地行使功能。 1．影响亚单位组装成多聚体相互集积的原发突变 如果蛋白质分 子是由两个以上的亚单位组成的，则其表面的改变往往会影响到亚单 位之间的亲和力，不能形成正常的蛋白质复合体。骨发育不良时，pro α1（Ⅰ）和proα2（Ⅰ）基因的突变致它们组装形成Ⅰ型胶原时发生 困难，引起各种临床表现，甚至在围生期死亡。 2．由于不能形成多聚体蛋白而引起继发性功能缺陷 一些蛋白质 的多肽链分子在与有遗传缺陷的其他多肽链（或亚单位）结合后，不 能形成有功能的多聚体，因此而引起疾病。Zellweger综合征（OMIM #214100，已定位的易感基因位点包括2p15、1号染色体、1q22、7q21-q22 和6q23-q24）就是这方面的典型例子。 （五）影响辅基或辅助因子与蛋白质结合、去除的突变