第十一章单基因遗传病 突变的基因通过改变多肽链的质和量,使得蛋白质发生缺陷,由 此引起遗传病。如果疾病的发生由一对等位基因控制,即为单基因遗 传病。根据缺陷蛋白对机体所产生的影响不同,通常把这类疾病分为 分子病和先天性代谢缺陷两类 第一节分子病 分子病是指基因突变使蛋白质的分子结构或合成的量异常直接引 起机体功能障碍的一类疾病。包括血红蛋白病、血浆蛋白病、受体病、 膜转运蛋白病、结构蛋白缺陷病、免疫球蛋白缺陷病等。 Nel(1949)在研究一种呈常染色体隐性遗传的镰状细胞贫血时, 发现无症状的父母(杂合子)具有与患者相似的红细胞形态异常,只 是其程度较轻。同年,后来曾两度获得诺贝尔奖的著名学者 Pauling认 为这可能是由于血红蛋白分子的缺陷所致,并提出了分子病( molecular disease)这一概念。事实上随着现代医学进入分子医学时代,许多非 遗传性疾病也列入到分子病之中。 、血红蛋白病 血红蛋白( hemoglobin,Hb)是红细胞中具有重要生理功能的蛋 白质。血红蛋白分子合成异常引起的疾病称血红蛋白疾病 ( hemoglobinopathy),习惯上分为血红蛋白病和地中海贫血两类。血 红蛋白病表现为血红蛋白分子的珠蛋白肽链结构异常,如果发生在重 要功能部位的氨基酸被替代,将影响到血红蛋白的溶解度、稳定性等 生物学功能;地中海贫血的特征是珠蛋白肽链合成速度的降低,导致 α链和非α链合成的不平衡,在临床上表现为溶血性贫血。分子遗传
第十一章 单基因遗传病 突变的基因通过改变多肽链的质和量，使得蛋白质发生缺陷，由 此引起遗传病。如果疾病的发生由一对等位基因控制，即为单基因遗 传病。根据缺陷蛋白对机体所产生的影响不同，通常把这类疾病分为 分子病和先天性代谢缺陷两类。 第一节 分子病 分子病是指基因突变使蛋白质的分子结构或合成的量异常直接引 起机体功能障碍的一类疾病。包括血红蛋白病、血浆蛋白病、受体病、 膜转运蛋白病、结构蛋白缺陷病、免疫球蛋白缺陷病等。 Neel（1949）在研究一种呈常染色体隐性遗传的镰状细胞贫血时， 发现无症状的父母（杂合子）具有与患者相似的红细胞形态异常，只 是其程度较轻。同年，后来曾两度获得诺贝尔奖的著名学者Pauling认 为这可能是由于血红蛋白分子的缺陷所致，并提出了分子病（molecular disease）这一概念。事实上随着现代医学进入分子医学时代，许多非 遗传性疾病也列入到分子病之中。 一、血红蛋白病 血红蛋白（hemoglobin，Hb）是红细胞中具有重要生理功能的蛋 白 质 。 血 红 蛋 白 分 子 合 成 异 常 引 起 的 疾 病 称 血 红 蛋 白 疾 病 （hemoglobinopathy），习惯上分为血红蛋白病和地中海贫血两类。血 红蛋白病表现为血红蛋白分子的珠蛋白肽链结构异常，如果发生在重 要功能部位的氨基酸被替代，将影响到血红蛋白的溶解度、稳定性等 生物学功能；地中海贫血的特征是珠蛋白肽链合成速度的降低，导致 α链和非α链合成的不平衡，在临床上表现为溶血性贫血。分子遗传
学研究表明,不管是血红蛋白病还是地中海贫血,其分子基础是共同 的,都是珠蛋白基因的突变或缺陷所致 全世界至少有1.5亿人携带血红蛋白病或地中海贫血的基因,他们 主要分布于非洲、地中海地区和东南亚人群中。血红蛋白病在我国的 总发生率为0.24%~033%,以云南、贵州、广东、广西和新疆等地最 高,而a地中海贫血和β地中海贫血的发生率分别为264%和066%, 它们多见于华南、西南和华东地区 (一)血红蛋白分子的结构及发育变化 1.血红蛋白的分子结构血红蛋白是血液中红细胞携带、运输氧 气和二氧化碳的载体。它是一种结合蛋白,蛋白质部分称为珠蛋白 ( globin),辅基为血红素,结构为两对单体(亚基)组成的球形四聚 体(图11-1),其中一对由两条类α珠蛋白链(a链或ξ链)各结合 个血红素组成;另一对由两条类β珠蛋白链(ε、B、或δ链)各 结合一个血红素组成。a链长141个氨基酸,β链则由146个氨基酸组 成。在人个体发育的不同阶段,类a链和类β链的不同组合,构成了 人类常见的几种血红蛋白(表11-1)。 图1-血红蛋白的结构 表11-1正常人体血红蛋白 发育阶段 血红蛋白 分子组成 Gower ll a 2 E 2y2、 胎儿(8周至出生) a2^y2、a2°y2 成人 A(95%) A2(3% 2.珠蛋白基因及其表达特点人的6种珠蛋白链各由相应的珠蛋 白基因编码,包括类α珠蛋白基因和类β珠蛋白基因两类,它们各含 数个相同或相似的基因,紧密排列在DNA的特定区段,构成了基因簇 人的类珠蛋白基因簇中存在着一些拟基因( peudogene),如ψα、ψ
学研究表明，不管是血红蛋白病还是地中海贫血，其分子基础是共同 的，都是珠蛋白基因的突变或缺陷所致。 全世界至少有1.5亿人携带血红蛋白病或地中海贫血的基因，他们 主要分布于非洲、地中海地区和东南亚人群中。血红蛋白病在我国的 总发生率为0.24%～0.33%，以云南、贵州、广东、广西和新疆等地最 高，而α地中海贫血和β地中海贫血的发生率分别为2.64%和0.66%， 它们多见于华南、西南和华东地区。 （一）血红蛋白分子的结构及发育变化 1．血红蛋白的分子结构 血红蛋白是血液中红细胞携带、运输氧 气和二氧化碳的载体。它是一种结合蛋白，蛋白质部分称为珠蛋白 （globin），辅基为血红素，结构为两对单体（亚基）组成的球形四聚 体（图11-1），其中一对由两条类α珠蛋白链（α链或ζ链）各结合 一个血红素组成；另一对由两条类β珠蛋白链（ε、β、或δ链）各 结合一个血红素组成。α链长141个氨基酸，β链则由146个氨基酸组 成。在人个体发育的不同阶段，类α链和类β链的不同组合，构成了 人类常见的几种血红蛋白（表11-1）。 图11-1 血红蛋白的结构 表11-1 正常人体血红蛋白 发育阶段 血红蛋白 分子组成 胚胎 Gower I ζ2ε2 Gower II α2ε2 Portland ζ2 Aγ2、ζ2 Gγ2 胎儿（8周至出生） F α2 Aγ2、α2 Gγ2 成人 A (95%) α2β2 A2 (3%) α2δ2 2．珠蛋白基因及其表达特点 人的6种珠蛋白链各由相应的珠蛋 白基因编码，包括类α珠蛋白基因和类β珠蛋白基因两类，它们各含 数个相同或相似的基因，紧密排列在DNA的特定区段，构成了基因簇。 人的类珠蛋白基因簇中存在着一些拟基因（peudogene），如ψα、ψ
、ψβ 类a珠蛋白基因簇定位于16 pter-pI33(OMM#141800),按5 3′方向排列顺序为:5′-52p1-a1-a2-a1-3′(图11-2) 总长度为30kb。每条16号染色体有2个a基因(正常a基因用aA表示), 正常的二倍体细胞有4个α基因,每个α基因表达的α珠蛋白数量相 同。类α珠蛋白基因的排列顺序与发育过程中表达顺序相一致。即发 育早期是5′端ξ表达,正常成人主要是3′端的α基因表达 图1-2类a珠蛋白基因簇和a珠蛋白基因的结构 人的类β珠蛋白基因簇定位于1lp155(OMM#141900),按5 3′方向排列顺序为:5′-y-4y-B1-6-B-3′(图11-3) 总长度为60kb。每条11号染色体只有1个β基因(正常β基因用βA表 示),正常的二倍细胞有2个β基因。类β珠蛋白基因的排列先后与发 育过程的表达顺序相关,发育早期是5′端ε、Y基因表达,成人期主 要为3′端β基因表达。 图113类β珠蛋白基因簇和β珠蛋白基因的结构 各种珠蛋白基因均含有3个外显子(E)和2个内含子(Ⅰ)。α珠 蛋白基因的I位于31位和32位密码子之间,由117bp组成。12位于90位 和100位密码子之间,含140bp(图11-2)。β珠蛋白基因中的I位于30 位和31位密码子之间,为130bp;而12位于104位和105位密码子之间, 约850bp(图11-3)。 珠蛋白基因的表达受到精确的调控,表现出典型的组织特异性和 时间特异性。胚胎早朔(妊娠后3~8周),卵黄囊的原始红细胞发生 系统中,类α珠蛋白基因簇中的纟、a基因和类β珠蛋白基因簇中的 ε、γ基因表达,进而形成胚胎期血红蛋白( Hb gower I、 Hb Gower Ⅱ、 Hb portland)。胎儿期(妊娠8周至出生),血红蛋白合成的场所 由卵黄囊移到胎儿肝脾中,类α珠蛋白基因簇的表达基因由ξ全部变
ζ、ψβ。 类α珠蛋白基因簇定位于16pter-pl3.3（OMIM#141800），按5′ →3′方向排列顺序为：5′-ζ2-ψζ1-ψα1-α2-α1-3′（图11-2）， 总长度为30kb。每条16号染色体有2个α基因（正常α基因用αA表示）， 正常的二倍体细胞有4个α基因，每个α基因表达的α珠蛋白数量相 同。类α珠蛋白基因的排列顺序与发育过程中表达顺序相一致。即发 育早期是5′端ζ表达，正常成人主要是3′端的α基因表达。 图11-2 类α珠蛋白基因簇和α珠蛋白基因的结构 人的类β珠蛋白基因簇定位于11p15.5（OMIM#141900），按5′ →3′方向排列顺序为：5′-ε- Gγ- Aγ-ψβ1-δ-β-3′（图11-3）， 总长度为60kb。每条11号染色体只有1个β基因（正常β基因用βA表 示），正常的二倍细胞有2个β基因。类β珠蛋白基因的排列先后与发 育过程的表达顺序相关，发育早期是5′端ε、γ基因表达，成人期主 要为3′端β基因表达。 图11-3 类β珠蛋白基因簇和β珠蛋白基因的结构 各种珠蛋白基因均含有3个外显子（E）和2个内含子（I）。α珠 蛋白基因的I1位于31位和32位密码子之间，由117bp组成。I2位于90位 和100位密码子之间，含140bp（图11-2）。β珠蛋白基因中的I1位于30 位和31位密码子之间，为130bp；而I2位于104位和105位密码子之间， 约850bp（图11-3）。 珠蛋白基因的表达受到精确的调控，表现出典型的组织特异性和 时间特异性。胚胎早朔（妊娠后3～8周），卵黄囊的原始红细胞发生 系统中，类α珠蛋白基因簇中的ζ、α基因和类β珠蛋白基因簇中的 ε、γ基因表达，进而形成胚胎期血红蛋白（Hb Gower Ⅰ、Hb Gower Ⅱ、Hb Portland）。胎儿期（妊娠8周至出生），血红蛋白合成的场所 由卵黄囊移到胎儿肝脾中，类α珠蛋白基因簇的表达基因由ζ全部变
成a基因,而类β珠蛋白基因簇基因的表达由e全部转移到y基因, 形成胎儿期血红蛋自HbF(a2y2)。成人期(出生后),血红蛋白主 要在骨髓红细胞的发育过程中合成,主要是a基因和β基因表达,其 产物组成HbA(a2B2)。 从类α珠蛋白基因簇和类β珠蛋白基因簇的组成可知,每个二倍 体个体带有4个α基因和2个β基因,但通过特殊的调控机制,正常人 体中α珠蛋白和β珠蛋白的分子数量相等,正好构成HbA(α2β2) 说明β基因的表达效率是a基因的2倍。类a和类β珠蛋白的平衡是人 体正常生理功能的需要。 (二)珠蛋白基因突变的类型 无论是血红蛋白病还是地中海贫血,都是以珠蛋白结构异常为特 征,由珠蛋白基因突变所致,包括碱基置换、移码突变、融合基因等 多种类型。 1.单个碱基替代这是血红蛋白疾病最常见的一种突变类型,见 于绝大多数血红蛋白病和β地中海贫血 2.移码突变由于珠蛋白基因中发生1、2个碱基的丢失或嵌入, 致使后面的碱基排列依次位移,导致重新编码,使珠蛋白肽链的结构 或合成速率改变。例如 Hb Wayne是由于α珠蛋白基因第138位的丝氨 酸密码子TCC(mRNA为UCC)丢失1个C,导致其后的3′端碱基向5′ 端依次位移,重新组合及编码,结果使原来142位的终止密码子UAA 变成可读密码子AAG(赖氨酸),使翻译至下一终止密码(147位)才 终止,α链延长为146个氨基酸。 3.密码子的缺失和嵌入己发现有一些异常血红蛋白缺失或嵌入 部分氨基酸。这是由于在细胞减数分裂时,同源染色体发生错配和不 等交换,导致编码密码子的DNA三联碱基缺失或嵌入。 4.无义突变无义突变是指突变使正常密码子变为终止密码子 因此蛋白质链的合成便提前终止,导致地中海贫血。例如Hb Mckees-Rock,其α链正常,β链缩短为144个氨基酸。原因是β珠蛋 白基因第154位酪氨酸密码子TAT突变成终止密码子TAA(T→A), 对应的mRNA变化为UAU→UAA,使肽链合成提前终止
成α基因，而类β珠蛋白基因簇基因的表达由ε全部转移到γ基因， 形成胎儿期血红蛋自HbF（α2γ2）。成人期（出生后），血红蛋白主 要在骨髓红细胞的发育过程中合成，主要是α基因和β基因表达，其 产物组成HbA（α2β2）。 从类α珠蛋白基因簇和类β珠蛋白基因簇的组成可知，每个二倍 体个体带有4个α基因和2个β基因，但通过特殊的调控机制，正常人 体中α珠蛋白和β珠蛋白的分子数量相等，正好构成HbA（α2β2）。 说明β基因的表达效率是α基因的2倍。类α和类β珠蛋白的平衡是人 体正常生理功能的需要。 （二）珠蛋白基因突变的类型 无论是血红蛋白病还是地中海贫血，都是以珠蛋白结构异常为特 征，由珠蛋白基因突变所致，包括碱基置换、移码突变、融合基因等 多种类型。 1．单个碱基替代 这是血红蛋白疾病最常见的一种突变类型，见 于绝大多数血红蛋白病和β地中海贫血。 2．移码突变 由于珠蛋白基因中发生1、2个碱基的丢失或嵌入， 致使后面的碱基排列依次位移，导致重新编码，使珠蛋白肽链的结构 或合成速率改变。例如Hb Wagne是由于α珠蛋白基因第138位的丝氨 酸密码子TCC（mRNA为UCC）丢失1个C，导致其后的3′端碱基向5′ 端依次位移，重新组合及编码，结果使原来142位的终止密码子UAA 变成可读密码子AAG（赖氨酸），使翻译至下一终止密码（147位）才 终止，α链延长为146个氨基酸。 3．密码子的缺失和嵌入 己发现有一些异常血红蛋白缺失或嵌入 部分氨基酸。这是由于在细胞减数分裂时，同源染色体发生错配和不 等交换，导致编码密码子的DNA三联碱基缺失或嵌入。 4．无义突变 无义突变是指突变使正常密码子变为终止密码子， 因此蛋白质链的合成便提前终止，导致地中海贫血。例如Hb Mckees-Rock，其α链正常，β链缩短为144个氨基酸。原因是β珠蛋 白基因第154位酪氨酸密码子TAT突变成终止密码子TAA（T→A）， 对应的mRNA变化为UAU→UAA，使肽链合成提前终止
5.终止密码子突变由于编码终止密码子(UAA、UAG或UGA) 的DNA序列发生突变,珠蛋白链的合成就不在正常的位置上终止,而 继续合成至新的终止密码子,因此生成了延长的异常珠蛋白链。例如 Hb Constant Spring是由于α珠蛋白基因第142位终止密码子TAA变为 谷氨酰胺密码子CAA(T→C),对应的mRNA变化为UAA→CAA,结 果α链合成完141个氨基酸时并不停止,而是继续合成到下一个终止密 码子(173位)才终止,使α链延长为172个氨基酸。该突变基因转录 的mRNA不稳定,易降解,导致α链合成减少,从而引发一种典型的 非缺失型a地中海贫血 6.基因缺失由于缺失的基因及部位不同,导致不同的珠蛋白肽 链合成异常和不同类型的地中海贫血 7.融合基因融合突变的实质是两种不同基因局部片段的拼接 这种由两种不同基因局部片段拼接而成的DNA片段称为融合基因,它 们可编码融合蛋白。例如 Hb Lepore,其α链结构正常,但非α链是由 δ和β链连接而成,其N端象δ链,C端象β链,称δ-β链。与此相 反,另一种融合链的异常血红蛋白 Hb anti-Lepore,其N端象β链,C端 象δ链,称为β-δ链。这是由于染色体的错误联合和不等交换,形成 了融合基因δ-β和β-8,合成了融合链的异常血红蛋白。B和δ基因 的融合意味着β基因的减缺,合成β链减少,表现为β地中海贫血的 临床症状。 (三)常见的血红蛋白病 镰状细胞贫血镰状细胞贫血( sickle cell anemia, OMIM#603903)是因β珠蛋白基因缺陷所引起的一种疾病,呈常染色 体隐性遗传。患者β珠蛋白基因的第6位密码子由正常的GAG突变为 GTG(A→T),使其编码的β珠蛋白N端第6位氨基酸由正常的谷氨酸 变成了缬氨酸,形成HbS。这种血红蛋白分子表面电荷改变,出现 个疏水区域,导致溶解度下降。在氧分压低的毛细血管中,溶解度低 的HbS聚合形成凝胶化的棒状结构,使红细胞变成镰刀状。镰变细胞 引起血粘性增加,易使微细血管栓塞,造成散发性的组织局部缺氧, 甚至坏死,产生肌肉骨骼痛、腹痛等痛性危象。同时镰状细胞的变形
5．终止密码子突变 由于编码终止密码子（UAA、UAG或UGA） 的DNA序列发生突变，珠蛋白链的合成就不在正常的位置上终止，而 继续合成至新的终止密码子，因此生成了延长的异常珠蛋白链。例如 Hb Constant Spring是由于α珠蛋白基因第142位终止密码子TAA变为 谷氨酰胺密码子CAA（T→C），对应的mRNA变化为UAA→CAA，结 果α链合成完141个氨基酸时并不停止，而是继续合成到下一个终止密 码子（173位）才终止，使α链延长为172个氨基酸。该突变基因转录 的mRNA不稳定，易降解，导致α链合成减少，从而引发一种典型的 非缺失型α地中海贫血。 6．基因缺失 由于缺失的基因及部位不同，导致不同的珠蛋白肽 链合成异常和不同类型的地中海贫血。 7．融合基因 融合突变的实质是两种不同基因局部片段的拼接。 这种由两种不同基因局部片段拼接而成的DNA片段称为融合基因，它 们可编码融合蛋白。例如Hb Lepore，其α链结构正常，但非α链是由 δ和β链连接而成，其N端象δ链，C端象β链，称δ-β链。与此相 反，另一种融合链的异常血红蛋白Hb anti-Lepore，其N端象β链，C端 象δ链，称为β-δ链。这是由于染色体的错误联合和不等交换，形成 了融合基因δ-β和β-δ，合成了融合链的异常血红蛋白。β和δ基因 的融合意味着β基因的减缺，合成β链减少，表现为β地中海贫血的 临床症状。 （三）常见的血红蛋白病 1 ．镰状 细 胞贫 血 镰状 细 胞贫 血（sick1e cel1 anemia ， OMIM#603903）是因β珠蛋白基因缺陷所引起的一种疾病，呈常染色 体隐性遗传。患者β珠蛋白基因的第6位密码子由正常的GAG突变为 GTG（A→T），使其编码的β珠蛋白N端第6位氨基酸由正常的谷氨酸 变成了缬氨酸，形成HbS。这种血红蛋白分子表面电荷改变，出现一 个疏水区域，导致溶解度下降。在氧分压低的毛细血管中，溶解度低 的HbS聚合形成凝胶化的棒状结构，使红细胞变成镰刀状。镰变细胞 引起血粘性增加，易使微细血管栓塞，造成散发性的组织局部缺氧， 甚至坏死，产生肌肉骨骼痛、腹痛等痛性危象。同时镰状细胞的变形