第5章基因结构表达变化与疾病.ppt

1、 第五章第五章基因结构和表达变化基因结构和表达变化与疾病的关系与疾病的关系 基因结构与表达异常与疾病基因结构与表达异常与疾病蛋白质是生命的物质基础，人体各种生命现象和生命过程主要是通过蛋白质的生理功能体现。疾病的本质是由各种原因引起蛋白质的质和量的改变的导致的蛋白质空间结构的紊乱。蛋白质的质和量的改变从分子生物学角度讲，又是基因结构及表达的改变的结果，故基因结构与表达的改变是疾病发生发展的重要机制。3第一节第一节 不同基因通过不同机制导致疾病发生不同基因通过不同机制导致疾病发生 蛋白质功能紊乱是疾病发生的基因病理机制，但蛋白质功能紊乱是疾病发生的基因病理机制，但不同的基因通过不同机制引起蛋白质

2、功能紊乱。不同的基因通过不同机制引起蛋白质功能紊乱。基因结构改变基因结构改变 环境因素影响了基因的表达环境因素影响了基因的表达 外源致病基因的进入表达：产生了毒性蛋白；产外源致病基因的进入表达：产生了毒性蛋白；产 生了合成非蛋白毒性物生了合成非蛋白毒性物 质的酶。质的酶。一、一、基因结构改变导致蛋白质结构或基因结构改变导致蛋白质结构或量变化引起疾病量变化引起疾病 由于体内外各种因素改变了某基因特定的由于体内外各种因素改变了某基因特定的DNA序列碱基组成和排列顺序，导致序列碱基组成和排列顺序，导致DNA一一级结构发生改变，改变了基因结构即级结构发生改变，改变了基因结构即基因突基因突变变。其分子机

3、制可以是替换、插入或缺失，。其分子机制可以是替换、插入或缺失，因而产生不同的突变类型。因而产生不同的突变类型。(一)基因突变的多种类型1.点突变点突变是单个碱基的改变：转换和颠换2.缺失缺失是一个或多个核苷酸的丢失3.插入插入是一个或多个核苷酸的增加4.倒位倒位是一段核苷酸序列方向倒转基因突变还分为配子突变配子突变与体细胞突变体细胞突变动态突变动态突变指串联重复序列（拷贝数）随世代的传递而改变。基因突变基因突变的类型的类型1.1.点突变点突变:单个碱基的改变单个碱基的改变 在基因一级结构的某个位点上，一种碱基在基因一级结构的某个位点上，一种碱基被另一种碱基取代。被另一种碱基取代。分为：分为：转

4、换转换 （transitiontransition）颠换颠换 （transversiontransversion）基因突变的类型2.2.缺失（缺失（delelationdelelation）是一个或多个核苷酸的丢失：在基因一级结构中某个位点上，一个核苷酸或一段核苷酸序列丢失造成的基因结构改变。3.插入（插入（insertioninsertion）基因突变的类型4.倒位倒位是一段核苷酸序列方向倒转：基因内部的DNA序列重组，使一段DNA序列的方向倒转。5.配子突变配子突变与体细胞突变体细胞突变6.动态突变动态突变指串联重复拷贝数随世代的传递而改变（dynamic mutation）(1)(1)基

5、因突变引起遗传密码的改变：根据基因突基因突变引起遗传密码的改变：根据基因突变产生的遗传效应不同分为变产生的遗传效应不同分为(二)不同的基因突变引起不同的遗传效应a.a.同义突变(consense mutation)b.错义突变 (missense mutation)c.无义突变(nonsense mutation)d.移码突变（frame-shifting mutation）同义突变(same sense mutation)：密码子发生改变,但所编码的氨基酸不变。例如：CUU CUC CUG 亮氨酸错义突变错义突变（missense mutation）指DNA分子中碱基的取代，经转录产生的mR

6、NA后，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组成和排列顺序发生改变。由于碱基的取代、缺失或插入，使原来编码某种氨基酸的密码子变成一个终止密码子的基因突变叫无义突变无义突变(nonsense mutation)。亮氨酸的密码子亮氨酸的密码子UUA，中间的，中间的U变为变为A这样一个碱基变化这样一个碱基变化就会成为（终止密码子）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后翻译便到此停止。无义突变无义突变：指DNA链上插入或丢失1个、2个甚至多个碱基（但不是三联体密码子及其倍数），在读码时，由于原来的密码子移位，导致在插入或丢失碱基部位

7、以后的编码都发生了相应改变。移码突变造成的肽链延长或缩短，取决于移码终止密码子推后或提前出现。移码突变移码突变(frame-shift mutation)(2)(2)基因突变影响基因突变影响 hnRNA hnRNA 的剪接的剪接 基因突变发生在 hnRNA 的一级结构上特定的剪接位点上，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。(三三)结构基因改变导致蛋白质变化引起疾病结构基因改变导致蛋白质变化引起疾病1.血红蛋白病(hemoglobinopathy)：血红蛋白(hemoglobin,Hb)的结构特点 珠蛋白(globin)基因的时、空特异性

8、表达 血红蛋白结构血红蛋白结构血血红蛋白是由蛋白是由4条条肽链（两个（两个和两个和两个链）组成成的。每条的。每条肽链都都类似于肌似于肌红蛋白的蛋白的肽链，都，都结合合一个血一个血红素。素。血红蛋白的脱氧（血红蛋白的脱氧（T）和氧合（）和氧合（R）构象在氧）构象在氧的亲和性方面有很大区别。由于结构上的相互的亲和性方面有很大区别。由于结构上的相互作用是与它的三级和四级结构有关，所以血红作用是与它的三级和四级结构有关，所以血红蛋白在结合氧的过程中显示出别构效应和协同蛋白在结合氧的过程中显示出别构效应和协同性。性。血血红蛋白分子一蛋白分子一级结构上的构上的轻微差微差别就可能就可能导致功能上的很大不同，

9、致功能上的很大不同，正常成年人血正常成年人血红蛋白中的蛋白中的链的第的第六位的谷氨酸残基被六位的谷氨酸残基被缬氨酸取代就氨酸取代就会会导致致镰刀形刀形细胞胞贫血病的异常血血病的异常血红蛋白蛋白HbS HbS 的生成。的生成。血红蛋白病血红蛋白病镰刀形细胞贫血症镰刀形细胞贫血症血红蛋白病类型血红蛋白病类型异常血红蛋白异常血红蛋白:珠蛋白结构珠蛋白结构(质质)变异，导致贫血。变异，导致贫血。地中海贫血地中海贫血:珠蛋白合成珠蛋白合成(量量)减少，又称珠蛋减少，又称珠蛋白合成障碍性贫血。白合成障碍性贫血。20四、基因调控序列变异导致表达水平变化四、基因调控序列变异导致表达水平变化引起疾病引起疾病通过

10、对珠蛋白基因的转录调控序列研究，发现这些调控序列如发生基因突变，就会降低珠蛋白基因的转录水平，珠蛋白合成减少，引起型地中海性贫血。除了调控序列改变会影响相应基因的表达外，基因内的内含子变异也会影响蛋白质合成。二、细胞间信号异常导致基因表达异常引起疾病二、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。通过细胞间信因表达也受到细胞间信号的调控。通过细胞间信号传递，能保证基因表达的时间特异性和空间特号传递，能保证基因表

11、达的时间特异性和空间特异性以及表达水平正常。异性以及表达水平正常。AFP AFP 是胚胎发育过程中表达的蛋白，具有免疫抑是胚胎发育过程中表达的蛋白，具有免疫抑制作用，保护胎儿免受母体免疫攻击。在接受异制作用，保护胎儿免受母体免疫攻击。在接受异常的细胞增殖信号作用下，其基因表达，导致肝常的细胞增殖信号作用下，其基因表达，导致肝癌细胞逃避机体免疫监视。成为肝癌发生的重要癌细胞逃避机体免疫监视。成为肝癌发生的重要因素。因素。三、细胞内因素导致基因表达异常引起疾病三、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导致基因表达异常引起异常的细胞内信号导致基因表达异常引起疾病疾病 高血糖 DAG PK

12、C ACE Ang 异常的异常的DNADNA甲基化导致基因表达异常引起疾甲基化导致基因表达异常引起疾病病 hCG5转录起始区低甲基化低甲基化非滋养层细胞hCG 受体结合 cAMP信号途径 调节其它生长因子产生，促进Tumor形成 刺激蛋白质合成心肌肥大23 四、四、病原生物基因的体内表达病原生物基因的体内表达1、外原病原生物进入人体内，大量繁殖，生长，引起机械或生物学损伤2、与人体争夺营养，引起疾病3、产生生物毒素作用人体，引起疾病4、外源基因的整合到人基因组上，引变了一些基因结构或表达。二、二、基因结构和表达与疾病的研究策略基因结构和表达与疾病的研究策略1通过结构分析确定基因变异通过结构分析

13、确定基因变异 核糖核酸酶切分析、杂合双链分析、核糖核酸酶切分析、杂合双链分析、化学切割错配、酶促切割错配化学切割错配、酶促切割错配3通过功能学研究确定致病基因通过功能学研究确定致病基因 转基因技术、基因敲除、转基因技术、基因敲除、反义技术、基因诱导超表达反义技术、基因诱导超表达2基因表达水平分析基因表达水平分析 差异显示、抑制消减杂交、基因表达系列分析差异显示、抑制消减杂交、基因表达系列分析核糖核酸酶切分析核糖核酸酶切分析基本原理基本原理:在一定条件下，异源双链核酸分子RNA：RNA或RNA：DNA中错配碱基可被核糖核酸酶RNase识别并切割，通过凝胶电泳分析酶切片段的大小，即可确定错配的位置

14、。核糖核酸酶切分析（核糖核酸酶切分析（RNase cleavageRNase cleavage）缺点：缺点：当RNA探针上错配的碱基为嘌呤嘌呤时，核糖核酸核糖核酸酶切割效率低甚至不切割；酶切割效率低甚至不切割；分析分析DNADNA的一条链，突变检出率为的一条链，突变检出率为 30%30%；同时；同时分析分析DNADNA的两条链，突变检出率为的两条链，突变检出率为 70%70%；需要制备特异性的需要制备特异性的RNA探针杂合双链分析法杂合双链分析法 （heteroduplex analgsis,HA）直接在非变性凝胶上分离杂交的突变型直接在非变性凝胶上分离杂交的突变型-野野生型生型DNA双链。由

15、于突变型和野生型双链。由于突变型和野生型DNA形成形成的异源杂合双链的异源杂合双链DNA在其错配处会形成单链环在其错配处会形成单链环形突起，在非变性凝胶中电泳时，会产生与相形突起，在非变性凝胶中电泳时，会产生与相应同源双链应同源双链DNA不同的迁移率不同的迁移率。检测缺失突变只适于检测缺失突变只适于200-300bp长度片段长度片段,且不能确定位置且不能确定位置,检出率只有检出率只有80%.化学切割错配法化学切割错配法 （Chemical cleavage of mismatch,CCM）基本原理基本原理：将待测含DNA片段与相应的野生型DNA片段或RNA片段混合变性杂交，在异源杂合的双链核酸

16、分子中，错配的C能被羟胺和哌啶切割，错配的T能被四氧化锇切割，经变性凝胶电泳可确定是否存在突变。化学切割错配法化学切割错配法特点特点：突变检出率高；如使用荧光检测系统，灵敏度较高；可检测长度达 2Kb的核酸片段；步骤多、费时、有毒；如对正义链与反义链都进行分析,检测率达100%.酶促切割错配酶促切割错配(enzyme mismatch cleavage)酶促切割错配是一种与Rnase酶切分析相类似的方法.不同之处是该方法采用的酶是T4核酸内切酶能够识别12种错配的碱基,并在错配碱基附近进行酶切.优点优点:对检测DNA片段可用DNA探针杂交检测.最长检测长度达到1.5Kb.缺点缺点:可出现非特异性切割,对错配认别也不是100%.RFLP-Restriction Fragment Length PolyhmorphismRFLPsMicrosatellite repeats35二、通过基因表达水平分析确定基因在疾病发生中作用人类疾病发生的另一个重要原因是基因表达水平的改变，因基因表达水平的改变涉及的往往不是单一基因，而是多基因，即一些基因表达增加，一些基因表达降低，导致由其编码蛋白组成的代