第四章 疾病的基因结构与表达异常

基因重排
相互易位
费城染色体
新的嵌合基因BCR-ABL
动态突变
……AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAGTCA……， （CAG重复10次） ……AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAGCAG-CAG-TCA……，（CAG重复12次） ……AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAGCAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-TCA……，（CAG重复16次） ……AGT-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAGCAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAGCAG-CAG-CAG-TCA……，（CAG重复25次）
酶和蛋白质多态性：同工酶
在遗传学上，把同一种酶在 不同的个体间存在遗传变异 的现象称为酶的多态性，在 生物化学上称为同工酶。
DNA多态性: 复杂疾病研究的“锐器”
现阶段我们讲的DNA多态 性主要是指单核苷酸多态 性（SNP）和拷贝数目变 异（CNV），它们已经成 为复杂疾病研究的“锐 器”。
神经母细胞瘤细胞与正常细胞基因组 相比在CNV上差异明显
遗传异质性(genetic heterogeneity)
遗传异质性指表型一致的个体或患有同种疾病的个体具有不同的基因 型。
遗传异质性的产生既可以由同一基因的不同位点突变引起，也可以由 不同基因的变异引起，或者由个体发育过程中环境因素的作用导致。
举例：PTEN基因突变，可以导致多种肿瘤的发生，其根本原因就是 因为患者虽然都发生了PTEN基因突变，但突变的位点具有很大的异 质性，加之该蛋白具有的功能本身就比较多样和复杂，从而对PTEN 蛋白的功能产生不同的影响。因此同一基因不同位点的突变带来的临 床后果可以有异质性。
根据突变发生的分子机制分类 1. 碱基替换 2.缺失或插入突变 3.基因重排 4. 动态突变
转换 ATCATTCACT 颠换 ATCATTCACT 缺失 ATTATTCACT ATCTTTCACT
ATCATTCACT
插入 ATCATTCACT 同义突变
ATCATCACT
ATCATTTCACT
ATC-GTT-CAC-GCC Ile- Val- His- Ala
第三节 遗传多态性与疾病
染色体多态性 研究复杂疾病 的重要工具 实现“个体化医 疗”的主要依据 酶多态性 DNA多态性 抗原多态性
遗传多态性
遗传多态性: 指特定人群中，在染色体的同一位点存在两种或两种以上 不连续的变异型或基因型；并且每种基因型的比例至少超过1%。 遗传多态性在特定人群中能稳定传递下去，自然选择发挥了关键作用。 Hardy-Weinberg平衡定律: 在一定的条件下，特定人群中特定染色体位 点的基因型的频率在世代传递中可以保持不变，处于平衡状态。 在分子遗传学领域，遗传多态性的研究工具主要包括：限制性酶切片断 长度多态性、短串联重复序列多态性（或称微卫星）、单核苷酸多态 性（SNP），这也是我们通常所说的三代遗传标志。
自发突变与诱发突变
亚硝酸作为诱变剂使C突变为Ｕ
基因突变的分类
根据突变最初发生的细胞分类 1.生殖细胞突变 2.体细胞突变 根据突变导致的生物学效应分类 1.基因突变具有致死性 2.部分功能丧失 3.隐性突变 4.有益突变
根据突变对氨基酸序列的影响 分类 1. 同义突变 2. 错义突变 3. 无义突变
ATP和DNA 结合结构域
染色体不稳定与有丝分裂过程相关
中心体与染色体不稳定性 A B
C
D
端粒与端粒酶的缺陷与基因组不稳定性相关
正常细胞，绿色的为端粒
端粒功能丧失的细胞， 造成染色体首尾融合
基因组不稳定性与人类疾病
脆性位点与疾病
(CGG)n重复数目变异 正常
PUR-α
前突变
全突变
基因组不稳定性与人类疾病
基因组不稳定导致BCL-2基因过表达与肿瘤发生
着丝粒
端粒
缺失片段
miR-15a/miR-16-1
第二节 基因突变与疾病
基因突变（gene mutation）： 发生在基因DNA序列上的改变，包括碱基替换、插入和缺失 基因突变通常是有害的，产生不利于生物体的性状； 也可以是中性的，对生物体不产生影响； 少部分突变产生有利于生物体的性状，促进生物体的生存、 繁衍。 基因突变可发生在任一时刻、任一细胞，是生物进化的基础。 突变所导致的表型变化可以小到没有变化，大到引起细胞和 组织死亡。
复制叉
顺式作用元件：促进基因组不稳定性
脆性位点
肿瘤相关断裂点
正常染色体
Burkitt’s 淋巴瘤
重链IgH基因 myc原癌基因 相互易位 myc癌基因 正常染色体14 正常染色体8
染色体不稳定与有丝分裂过程相关
纺锤体检测点异常与染色体不稳定
A
B
C
来自百度文库
DNA螺旋
C
N
C
N
由Cohensin连接 的姐妹染色单体
体细胞突变在肿瘤的发生机制中占据重要位置
癌基因RAS的突变机制
失活态 GTP水解与 GAP对Ras 的灭活
上游刺激信号 与GEF对Ras 的激活
Ras的突变 阻断此步骤 激活态 释放出下 游信号
体细胞突变在肿瘤组织中常见
增殖
突变 缺失 扩增 杂合性缺失
增殖
蛋白质 合成
细胞死亡
细胞周 期调控
基因突变是遗传异质性的分子基础
F1代
F2代
F3代
F4代
生殖细胞突变是单基因遗传病的主要病因
一个连接蛋白基因，两种疾病：GJB3基因突变可导致神经性耳聋或角化病 I
1 2 3 4
I
1 2
II
II
WT/WT WT/WT E183K/WT E183K/WT 38y 49y 52y 56y
1
2
3
4
WT/WT WT/WT WT/WT 46y 50y 43y
CACCC
GGCCAATC
ATATAA
• β珠蛋白基因的启动子区域包含： • ①位于转录起始位点上游-30bp处的TATA盒，这也是许多基因启动子 的通用元件，该元件的任一碱基突变将导致基因转录效率减少70%～ 80%，引起地中海贫血； • ②位于-70bp处的CAAT盒（CAAT box）； • ③位于-90bp和-105bp各有一个CACCC元件，-90bp的CACCC是红 系特异性蛋白结合位点，该处突变将影响启动子与特异蛋白的结合， 诱发β地中海贫血。
信号
受体
蛋白酶体降解
细胞功能改变
蛋白质
核糖体
共激活子 细胞浆 RNA聚合酶 核膜 细胞核 核DNA RE 靶基因
细胞膜
核转录因子NF-κB参与转录调控的机制
靶mRNA的翻译被抑制
RISC
RISC
Dicer处理
Pri-miRNA Pre-miRNA Drosha 处理
Pre-miRNA
出核
转 录
细胞核
染色体多态性：染色体形态的微小变异
细胞遗传学检测染 色体多态性在不孕 症和遗传病诊治上 具有重要价值
抗原多态性：免疫系统的关键
人白细胞分化抗 原（HLA）系统 定位于染色体 6p21.3，全长 约3600 kb，现 已识别出224个 基因座位，每个 基因座位有多个 等位基因型，是 一群高度多态性 的紧密连锁的基 因群。
染色体不稳定性 表 现 形 式 脆性位点与姐妹染色单体 交换 DNA 损伤
表观遗传变异
基因组不稳定性产生原因： 遗传因素和环境因素
遗传因素: 基因组不稳定综合征
共济失调性毛细血管扩张症
着色性干皮病
基因组不稳定性产生原因： 遗传因素和环境因素
环境因素 遗传毒性（genotoxicity）：对基因组的损害能力，包括 了细胞DNA直接或间接的损伤，其毒理效应主要表现为 三个方面：致突变、致畸和致癌。 遗传外毒性（epigenetic toxicity）：指无核苷酸序列变 化的表观遗传修饰的改变，如组蛋白的乙酰化和胞嘧啶 的甲基化。
基因组不稳定性发生的分子机制
①DNA损伤与修复是基因组不稳定性产生的分子基础， ②维持基因组稳定性的反式作用蛋白因子和促进基因组 不稳定性的顺式作用元件起着关键的作用， ③中心体/纺锤体的异常是染色体不稳定形成的主要原因，
④端粒/端粒酶的异常以及表观遗传学修饰的改变可引起 基因组不稳定性。
反式作用因子：维持基因组稳定性
细胞浆
microRNA的生物学合成及作用机制
Thanks
http://www.biomedcentral.com/1471-2164/8/111/figure/F2?highres=y
基因表达异常导致蛋白质“量”的紊乱
基因的表达具有时间特异性和空间特异性
基因表达调控是高度有序的多级调控过程
转录水平的调控是由顺式作用元件和 反式作用因子相互作用完成的
5
6
7
WT/WT 49y
1
R180X/WT 46y
2
3
R180X/WT R180X/WT 51y 43y
4
5
III III
1 WT/WT 32y 2 E183K/WT 27y 3 WT/WT 32y 1 R180X/WT 23y
IV
1 E183K/WT 3y
中国科学家在中国本土克隆的第一个疾病基因 （1998年）
顺式作用元件
增强子 启动子 基因
约100 bp 包含几个紧挨着 的序列元件，可 与转录因子结合 增强子和启动子之间 的距离可长可短，长 的达到几千bp
基因转录起始点的上游约200bp 包含几个分散的序列元件， 可与转录因子结合
反式作用因子（不同的转录因子）
上游的增强子激活启动子 增强子 启动子
转录 下游的增强子激活启动子 启动子 增强子
PI3KKs家族成员
DNA依赖性蛋白 激酶催化亚单位 （DNA-PKcs） 毛细血管共济 失调突变基因 （ATM）
Rad-3相关蛋白 （ATR）
凋 亡
DNA双链 断裂修复
反式作用因子：维持基因组稳定性
S期检测点
损伤检测 功能检测
（复制蛋白A） RPA
Rad17复合物
Rad9复合物
检测点信号 ATR-ATRIP （ATRIP：ATR交互作用蛋白）
ATC-GTT-CAT-GCC Ile- Val- His- Ala
ATC-GTT-CAC-GCC
Ile- Val- His- Ala ATC-GTT-CAG-GCC Ile- Val- Tyr- Ala
错义突变
ATC-GTT-CTC-GCC
Ile- Val- Leu-- Ala
无义突变
ATC-GTT-TAG-GCC Ile- Val- stop
不转录
组蛋白高乙酰化能增强基因表达
CDKNIC
IGF2
母亲
母亲 父亲 CDKN1C IGF2 CDKN1C IGF2
父亲
正常人
表达
贝-魏综合征患者 沉默（由甲基化引起）
表观遗传学修饰异常导致疾病的一个例子是贝-魏综合征
转录起始位点 CACCC元件 CACCC元件 CAAT盒 TATA盒
CACCC
转录
增强子与启动子的位置关系
mRNA前体的选择性剪接
蛋白质翻译后水平的调控
泛素连接酶复合物
靶蛋白
多聚泛素化
靶蛋白 被降解 26S蛋白酶体
T
DNA高甲基化抑制基因的表达
DNA甲基转 移酶 甲基化的DNA
非甲基化的DNA
甲基化 乙酰化
转录
正常人DNA 转录
非甲基化的CpG位点
甲基化的CpG位点 癌症患者DNA
临床医学专业八年制卫生部规划教材
《病理生理学》 第2版
第四章 疾病的基因结构与表达异常
第一节 基因组不稳定性
基因组（genome） 生物体遗传信息的总和
基因组不稳定性：基因组的可遗传性改变
微卫星不稳定性
基因组不稳定性 （genomic instability） 是指生物细胞基因组在 遗传因素和环境有害因 子作用下所发生的一系 列可遗传性改变，包括 基因组结构异常和表观 遗传变异。