中南大学生物科学与技术学院
分子生物学研究中心
教案
授课科目: 医学分子生物学
授课容:疾病产生的分子基础
授课对象：临床医学七年制、八年制
授课时数：4 学时
授课教师：
授课地点：湘雅医学院新教学区
授课时间：
授课教材：医学分子生物学（21世纪高等院校教材），胡维新主编，：
科学，2007年2月，第一版；
医学分子生物学（卫生部8年制规划教材），作化主编，：人民卫
生，2005，第一版
第十一章疾病产生的分子基础
一、目的求：
掌握：基因突变的概念、类型及特点。
熟悉：基因突变的发生机制；疾病相关基因的研究策略。
了解：基因突变与疾病发生；血红蛋白病等常见单基因病的发病分子机制。
二、讲授重点：
基因突变的类型及特点。
三、讲授难点：
基因突变的分子机制。
四、教学方法：多媒体教学、板书
五、教具：多媒体课件、多媒体设备、电子光标笔、粉笔、黑板、教材
六、讲授容：
第一节基因结构改变引起疾病
一、基因结构改变:在基因的特定DNA序列中，其碱基组成及排列顺序可因机体外因素的作用发生改变，导致DNA一级结构发生改变，改变基因结构，形成基因突变（mutation）。如果基因突变使蛋白质发生了质的改变，即理化性质、生物化学性质、免疫学性质及生物学功能的改变，或使蛋白质量的改变超过了生理围，就会导致疾病的发生。
基因突变的多种类型：
点突变是单个碱基的改变；可分为转换（transition）和颠换（transversion）两种。转换指同类
型碱基之间的取代，即一种嘧啶碱基被另一种嘧啶碱基取代或一种嘌呤碱基被另一种嘌呤碱基取代形成的点突变。颠换指不同类型碱基之间的取代，即一种嘧啶碱基被一种嘌呤碱基取代或一种嘌呤碱基被一种嘧啶碱基取代形成的点突变。
缺失（deletion）是一个或多个核苷酸的丢失；插入（insertion）是一个或多个核苷酸的增加；
倒位是一段核苷酸序列方向倒转：基因部的DNA序列可发生重组，使一段DNA序列的方向反置，如由原来的5ˊ→3ˊ方向排列整段倒置为3ˊ→5ˊ方向排列，或一段DNA序列在基因部位置迁移，使基因结构发生改变，形成的突变称为倒位。
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。
二、基因突变的遗传效应
不同的基因突变引起不同的遗传效应。
(1)碱基置换突变(substitution mutation)
a. 同义突变(consense mutation or silent mutation)
b. 错义突变(missense mutation)
c. 无义突变(nonsense mutation)
d. 终止密码子突变或延长突变
(terminator codon mutation or elongation mutation)
e. 起始密码子突变(initiation codon mutation)
f. 非编码序列点突变(point mutation in noncoding sequence)
例如：无义突变是突变后产生缩短的多肽键使它所编码的蛋白质发生改变；错义突变：由于一对或几对碱基对的改变而使决定某一氨基酸的密码子变为决定另一种氨基酸的密码子的基因突变叫错义突变。这种基因突变有可能使它所编码的蛋白质部分或完全失活，例如人血红蛋白β链的基因如果将决定第6位氨基酸（谷氨酸）的密码子由CTT变为CAT，就会使它合成出的β链多肽的第6位氨基酸由谷氨酸变为缬氨酸，从而引起镰刀形细胞贫血病。
(2) 缺失或插入突变(deletion or insertion mutation)
a. 密码子缺失或插入(codon deletion or codon insertion)
b. 移码突变(frame-shift mutation)
c. 整基因或大片段缺失
(deletion of a whole gene or a large segment)
(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。
(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，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、结构基因改变导致蛋白质变化引起疾病：
血红蛋白病的类型、特点与结构基因的变化关系、珠蛋白(globin)基因的时、空特异性表达。
血红蛋白结构：
1. 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。
2.血红蛋白的脱氧（T）和氧合（R）构象在氧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，所以血红蛋白在结合氧的过程中显示出别构效应和协同性。
3. 人类珠蛋白基因有典型的真核基因结构特点。珠蛋白基因包括已鉴定的8个功能基因、3
个假基因及一个新发现的基因。它们在染色体上成簇排列。珠蛋白基因的表达在时空上受到遗传因素的精确调控。
血红蛋白分子一级结构上的轻微差别就可能导致功能上的很大不同，正常成年人血红蛋白中的β链的第六位的谷氨酸残基被缬氨酸取代就会导致镰刀形细胞贫血病的异常血红蛋白HbS 的生成。
(1) 人α-珠蛋白基因簇及α珠蛋白基因结构
(2) 人β-珠蛋白基因簇及β珠蛋白基因结构(按图例讲解)
血红蛋白病类型：
异常血红蛋白: 珠蛋白结构(质)变异，导致贫血。
地中海贫血: 珠蛋白合成(量)减少，又称珠蛋白合成障碍性贫血。
镰状红细胞贫血症是一种常染色体退化遗传病。引起镰状红细胞贫血症的原因就是β珠蛋白基因的第6位密码子点突变，即编码血红蛋白β链上一个决定谷氨酸的密码子GAG变成了GTG，使得β链上的谷氨酸变成了缬氨酸，引起血红蛋白的结构和功能发生了根本的改变（图11-1）。与正常血红蛋白相比，该病患者的红细胞由正常的圆盘形变成了镰刀形。血红蛋白基因上单个核苷酸的替换（A→T），恰好使该基因片段丢失了可被限制性切酶Mst II酶切开的一个位点CCTNAGG序列（N代表四个碱基中的任意一个）。由于基因突变改变了限制性酶切的结果，可用Southern印迹杂交分析方法和限制性片段长度多态性(简称RFLP)分析方法，对镰状红细胞贫血症胎儿进行产前诊断，或对发病家族成员的基因型进行分析。
