论绪 随着生命科学和医学的飞速发展，人们逐渐认识到医学实践中所遇到的一些问题（许多疾病的病因、发病机制、病变过程、预后、诊治和预防等）需要用遗传学的理论和方法才能得以解决。例如，为什么有高血压家族史的人更易罹患高血压病？为什么同一药物对患有同一疾病的不同患者的疗效不同（有入显效、有人无效、有人表现出严重的不良反应）？第一胎生了一个有先天缺陷的婴儿，第二胎也为先天缺陷患儿的（再发）风险有多大，是否可能出生健康的第二胎？唐氏综合征(Down syndrome，也称Down综合征或21三体综合征，一种由于染色体异常而引起的常见痴呆症）是如何发生的，它在新生儿中出现的机会为什么随母亲年龄的增大而增加？遗传病能不能得到有效的根治？怎样才能预防遗传性疾病的发生而达到健康生殖(healthy birth)的目的？随着社会的不断进步，人们对健康生殖的要求越来越迫切；另一方面，由千人们对疾病发生、发展本质的认识有了进一步提高，认为绝大多数疾病的发生、发展和转归都是内在（遗传）的和外在（环境）的因素综合作用的结果；同时在疾病的发展过程中，遗传与致病因素交互作用，或致病因素对机体细胞产生损害作用，或机体细胞对致病因素产生适应性反应（在多数情况下，这一反应通常是通过基因表达而保护机体细胞并去除有害的致病因素），这些交互作用的结果决定着机体细胞未来的发展方向，或恢复细胞的正常生理功能，或细胞产生异常损害，继而发生组织、器官的损害，导致疾病的形成，并在临床上表现为一定的特征。因此，与环境因素一样，遗传因素已成为现代医学中的另一个重要方面，医务工作者在医疗工作中正遇到越来越多的遗传学问题，与此同时，医学与遗传学的结合即形成了医学遗传学(medical genetics)这一介于基础与临床之间的桥梁学科。 第一节医学遗传学的任务和范畴 在传统的观念上，遗传因素与环境因素在疾病发生、发展中的交互作用考虑得较少，所以比较局限。一般把遗传因素作为唯一或主要病因的疾病称为遗传病(genetic disorder)；相应地，医学遗传学就是用人类遗传学(hum an genetics)的理论和方法来研究这些“遗传病”从亲代传递至子代的特点和规律、起源和发生、病理机制、病变过程及其与临床关系（包括诊断、治疗和预防）的一门综合性学科。有的学者将侧重千遗传病的预防、诊断和治疗等内容划归为临床遗传学(clinical genetics)或遗传医学(genetic medicine)的范畴，而医学遗传学则侧重千遗传病的病因学、病理生理学的研究。然而，现代医学遗传学的概念比传统医学中的概念有很大的扩充，它首先认为疾病是一个涉及内在（遗传）因素与外在（环境）因素的复杂事件，现代医学遗传学更侧重于从综合的角度比较全面地探讨和分析遗传因素在疾病发生、发展和转归过程中的作用。 医学遗传学是以人类遗传学为基础的，它们都是以“人”为研究对象，这是它们的共同点。不同的是，人类遗传学主要从人种和人类发展史的角度来研究人的遗传性状（例如人体形态的测量以及人种的特征），同时广泛地研究形态结构、生理功能上的变异（例如毛发的颜色、耳的形状等）。在临床上这些变异并不干扰或破坏正常的生命活动，其临床意义不大。而医学遗传学往往是从医学角度来研究人类疾病与遗传的关系。因此，医学遗传学可以说是一门由“遗传病”这一纽带把遗传学和医学结合起来的边缘学科。 第二节医学遗传学发展简史 Gregor Mendel千1865年发表的《植物杂交实验》揭示了生物遗传性状的分离和自由组合规律，这是科学意义上的”遗传学“学科诞生的标志，但Me nd e l这项工作的重要价值直到1900年才被认识；随即，Mendel定律就被用来解释一些入类疾病的遗传现象。杰出的内科医生Arch ibald Edward Garrod(1901)描述了4个尿黑酸尿症家系，首次提出了先天性代谢病的概念，认为这些疾病的性状属千隐性遗传性状；Wi lliam Curtis Farabee(1903)指出短指（趾）为显性遗传性状；Godfrey Hardy和Wilhelm Weinberg(1908)研究了人群中基因频率的变化，提出遗传平衡定律，奠定了群体遗传学的基础；Herman Nilsson-Ehle(1909)研究数量性状的遗传，用多对基因的加性效应和环境因素的共同作用阐述数量性状的遗传规律。在那个时期，遗传学的理论研究得到充分的发展，但限于当时的技术水平，这些理论的实验验证及遗传物质的微观研究还无法深入开展。 20世纪20~40年代，Frederick Griffit h和Oswald Avery用肺炎双球菌转化实验证明了DNA是遗传物质；1953年，James Watson和Franc is Crick提出了DNA的双螺旋模型，使人们认识了遗传物质的化学本质。随着生物化学实验技术的发展，对一些先天性代谢缺陷疾病的生化机制逐步阐明，先后发现了糖原贮积症I型是由于缺乏葡糖－6－磷酸酶，苯丙酮尿症是由千缺乏苯丙氨酸轻化酶引起的，并提出了一种基因一种酶的假说。 1952年，由于低渗制片技术的建立（徐道觉等）和使用秋水仙碱获得了更多中期细胞分裂象[Joe Hin Tj io（蒋有兴）和Albert Leven]后，才证实人体细胞染色数目为46（而非48)，标志着细胞遗传学的诞生。以后相继发现Down综合征为21三体(Jerome Lejeune等）、Klinefelter综合征为47, XXY(Patr icia Jacob和John Strong)等。在染色体显带技术出现后，由染色体畸变引起的疾病不断被发现和报道。 20世纪70年代，限制性内切酶的使用使得科学家首次能够对DNA进行可控的操作。1978年，Y uet-W a i Kan（简悦威）运用这两种技术实现了对锁状细胞贫血症的产前基因诊断。Kar"f Banks Mullis在20世纪80年代发明的聚合酶链反应(PCR)技术能在体外实现DNA分子的快速扩增，从而使某些疾病的DNA检测成为临床的常规工作。如今，PCR已成为生命科学领域应用最为广泛的基本技术。 真正促使医学遗传学发生革命性变化的是20世纪90年代开始的入类基因组计划。该计划的研究目标是从整体上阐明人遗传信息的组成和表达，包括遗传图绘制、物理图构建、测序(sequen cing)、转录图绘制和基因鉴定等方面的工作，为人类遗传多样性的研究提供基本数据，揭示上万种人类单基因异常（有临床意义的约计7000种）和上百种严重危害人类健康的多基因病（例如心血管疾病、糖尿病、恶性肿瘤、自身免疫性疾病等）的致病基因或疾病易感基因，建立对各种基因病新的诊治方法，实现精确医疗(precision medicine)，从而推动整个生命科学和医学领域的发展（表绪－l)。现在，医学遗传学巳成为21世纪分子医学(mol ec ular medicin e)的主体。 表绪－1医学遗传学大事记 年代里程碑主要贡献者1839细胞学说Matthias Jakob Schle1den和Theodor Schwann1865遗传定律Gregor Mendel1882发现染色体Walther Flemming1902发现先天性代谢缺陷病Archibald Edward Gan-od1903染色体是遗传物质的载体Walter Sutton和Theodor Boveri1956锁状细胞贫血症为点突变所致Vernon M. In伊·am1956人染色体数目应为2n=46Joe Hin Tjw（蒋有兴）和Albert Leven1959首例染色体病(Down综合征）Jerome Lejeune1960首次产前筛查性别Pov!Riis and Fritz Fuchs1960外周血的染色体分析Paul Sidney Moorhead1966首次产前染色体分析WR Breg和MW. Steel1966《人类Mendel遗传》(MIM)问世Victor A McKusick1970染色体显带技术T. Caspersson和Zech1975DNA测序技术Frederick Sanger、Walter Gilbert、Allan Maxam1976首次DNA诊断Yuet-Wai Kan（简悦威） 1979体外受精技术（试管婴儿）Patrick Steptoe和Robert Edwards 1982基因工程生产的胰岛素上市众多学者 1986发明PCR技术Kary Mullis 1987人类染色体连锁图众多学者 1987OMIM诞生Victor A McKusick 1990首次基因治疗French Anderson和Michael Blaese 1990首次成功的PGD Alan Handyside, Robert Winston等 2000人类基因组序列的框架图众多学者 2003人类基因组测序完成人类基因组测序协作组和Celera公司2007人类基因组SNP图谱公布国际HapMap协作组2008拟对20个种族或民族的1000多例个体进行基因国际千人基因组计划2010人类可遗传的变异大全出版（可能涉及了95%)国际千人基因组计划基因(gene)是细胞内遗传物质的结构和功能单位，以脱氧核糖核酸(DNA)的化学形式存在于染色体上。在人类，基因通过生殖细胞从亲代向子代传递。人类基因组(human genome)是人体所有遗传信息的总和，包括两个相对独立而相互关联的核基因组(nucle釭genome)与线粒体基因组(mitochonclrial genome)。如果不特别注明，人类基因组通常是指核基因组。 —、人类基因 人类对基因的认识经历了一个漫长的历史发展过程。从1865年Mendel发表的《植物杂交实验》到1953年如nes Watson和Francis Crick提出了DNA分子双螺旋结构模型(double helix)经过了将近一百年的时间，人们才认识到基因是具有特定”遗传效应”的DNA片段、它决定细胞内RNA和蛋白质（包括酶分子）等的合成，从而决定生物的遗传性状。进一步的研究发现在整个生物界中，绝大部分生物（包括人类）基因的化学本质是DNA。但在某些仅含有RNA和蛋白质的病毒中，其RNA是遗传物质。（一）基因的化学本质组成DNA分子的基本单位是脱氧核昔酸。4种不同的脱氧核背酸：脱氧腺嗦呤核昔酸(dAMP, A汃脱氧鸟噤呤核昔酸(dGMP,G汃脱氧胞啥唗核昔酸(dCMP,C)和脱氧胸腺啥唗核昔酸(dTMP, T)按一定顺序排列起来构成脱氧多核甘酸长链(DNA单链）。两条反向平行排列的脱氧多核昔酸单链通过A与T、C与G的碱基互补方式组成DNA双链。4种脱氧核昔酸(A、T、G、C)的排列顺序在不同的DNA分子中各不相同，蕴含着各种生物性状的遗传信息。 （二）基因的结构 包括人类在内的真核生物的结构基因是割裂基因（图绪－l），由编码序列（外显子）和非编码序列（内含子）组成，两者相间排列。不同基因所含内含子的数目和大小各不相同。例如，导致杜氏肌营养不良症(Duchenne muscular dystrophy, DMD)(Duch e nn e肌营养不良症）的基因DMD全长2400kb，是目前已知人类最大的基因，大约由79个外显子和相应的内含子组成，cDNA全长为11OOObp，编码相对分子质量为427000的蛋白，称为dys trophin（含3685个氨基酸残基），从DMD转录形成一条完整的mRNA分子需要16小时。 增强子转录起始点外显子转录终止点 |I厂AT~,,T"~之二 上游启动子启动子(TATA盒） 图绪－1割裂基因的结构示意图 割裂基因中的内含子和外显子的关系不是固定不变的，即在同一条DNA分子上的某一段DNA序列，在作为编码某一条多肤链的基因时是外显子；作为编码另一条多肤链的基因时是内含子，这是由千mRNA剪接加工的方式不同所致。结果使同一个基因（确切地说是同一段DNA序列）产生两条或以上的mRNA链。这是真核生物基因的表达中，由于一个基因的内含子成为另一个基因的外显子，产生基因的差异表达，构成割裂基因结构上的一个重要特点。每个割裂基因中第一个外显子的上游和最末一个外显子的下游，都有一段不被转录的非编码区，称为侧翼序列(flanking sequence)。包括启动子、增强子以及终止子等对DNA转录起调控作用的DNA序列。 割裂基因结构中外显子－内含子的接头区是高度保守的一致序列，称为外显子－内含子接头。这是割裂基因结构上的又一个重要特点。每一个内含子的两端具有广泛的同源性和互补性，5＇端起始的两个碱基是GT,3'端最后的两个碱基是AG，通常把这种接头形式叫作GT-AG法则(GT-AG rule)。这两个序列是高度保守的，在各种真核生物基因的内含子中均相同。 二、人类基因组 随着人类基因组计划研究的深入和结构基因组学的基本完成，已知人类基因组约有20000~22000个基因。这些与蛋白质合成有关的基因序列只占整个基因组序列的1.1％左右；4％为基因调控序列和RNA基因序列；20％为内含子、基因非翻译区序列以及假基因；75％为基因外(extragenic)序列，其中55％为重复DNA序列。近年来发现人类基因组存在8000多种非编码RNA基因，表明了人类基因组实际上具有很高的复杂性。人类基因组按DNA序列分类既有单拷贝序列，也有重复频率不等的多拷贝序列（表绪－2）。 （一）单拷贝序列在基因组中仅有单一拷贝或少数拷贝，又称非重复序列。单拷贝序列(single copy)的长度在彸'.{.1巳800bp-IOkb之间多为结构基因。单拷贝或低拷贝DNA序列可占到人类基因组的45%。 （二）重复序列 重复序列(repeti t ive DNA)约占人类基因组的55%。有的重复序列较短，有的较长，分散地穿插于整个基因组。这些重复DNA是通过变性、复性实验研究被发现的，重复DNA的复性速度较非重复DNA快。 1串联重复串联重复(tandem repeats)序列以5bp、lObp、20bp或200bp为一个重复单位，它们串联重复很多次，约占整个基因组的10%。 大多数重复次数多（高度重复），长度可达几百kb，即为串联重复DNA或卫星DNA(satellite DNA)。通过原位分子杂交检测，已知串联重复DNA大多数位千染色体的异染色质区。由15-lOObp组成的重复单位（常富含GC)，重复20~50次形成的O.l-20kb的短DNA，叫作小卫星DNA(minisat ellite DNA)，又叫作可变数目串联重复(variable number of tandem repeat, VNTR)，比上述的卫星DNA（几百kb)短。而在基因组的间隔序列和内含子等非编码区内，广泛存在着与小卫星DNA相似的一类小重复单位（长度5'方向移动，精确地按照碱基互补原则，以NTP为底物，在3'端逐个添加核昔酸，使mRNA不断延伸；＠RNA聚合酶II在DNA模板上移动到达终止信号时，RNA合成的停止。 (2)转录产物的加工和修饰：由RNA聚合酶II催化所形成的初始转录产物，仅仅是mRNA的前体，必须经过加工和修饰，才能形成有功能的mRNA（图绪－2)。包括：心＂戴帽”(capping)：即在初级转录物的5'端加上“7－甲基鸟噤呤核昔酸＂帽子(m7GpppN)；＠“加尾”(tailing)：大多数真核生物的初级转录物均需在3'端加上“多聚腺昔酸(poly A)“尾，又称poly A化；＠剪接(splicing)：在剪接酶的作用下，将内含子非编码序列切除，再将外显子编码序列由连接酶逐段连接起来，形成成熟的mRNA分子。每个内含子的5'端起始处有GT序列，3＇端尾部有AG序列，这两个序列为高度保守的一致序列，它们是酶切和拼接的信号。同样，tRNA和rRNA的转录最后也要经过相应的加工和修饰过程，才具编码链（非转录链） 5'3'\外显子：I23王＝＝；： 非编码链哉录链G~3•~ 1．转录5'CAP...一l一t3' poly A加尾 2. RNA加工和剪接5'－9咖圈·;;;咖圈'AAAA3'4.翻译5'-士今士+七吵士今~AAAA3'图绪2转录及其加工过程示意图有功能。 2翻译翻译(tran s l ation)是以mRNA为模板指导蛋白质合成的过程。蛋白质合成在细胞质内的核糖体上进行。mRNA、tRNA和核糖体在翻译中起着重要的作用，mRNA携带遗传信息，作为合成蛋白质的模板；tRNA转运活化的氨基酸和识别mRNA分子上的遗传密码；核糖体是蛋白质合成的场所把各种特定的氨基酸分子连接成多肤链。蛋白质合成通常分为3个阶段：起始、延长和终止。每个阶段都涉及许多不同而重要的生化过程。要成为有功能的成熟的翻译产物，需要对合成初级翻译产物进行加工。mRNA只能决定多肤链中的氨基酸顺序，而蛋白质分子的空间结构是由翻译后修饰所决定的。 （二）基因表达调控 绝大多数真核生物是多细胞的、复杂的有机体，基因表达控制的特点是能在特定时间和特定细胞中激活特定的基因，从而实现“预订＂的有序的分化发育过程。各种优势蛋白质决定各种组织细胞的特殊形态和功能。一种组织细胞中通常只有一种或几种蛋白质发挥优势作用，如上皮细胞为角蛋白、结缔组织为胶原蛋白和弹性蛋白、红细胞为血红蛋白、胰岛细胞为胰岛素等，这些特异表达的基因称为奢侈基因(luxury gene)。相对地，几乎在一切体细胞中均能被表达的基因称为持家基因(ho usekeep ing gene)，如与DNA复制、RNA转录和蛋白质合成酶有关的基因及控制糖酵解和三狻酸循环的基因。这表明，细胞表型的分化是由于编码这些蛋白质的基因被选择性地表达，而其他多数基因则处于失活状态或效率相对低的表达状态。真核生物基因表达的调控是通过多阶段水平实现的，可以将复杂的调控机制简要的归为转录调控、转录后调控、翻译、翻译后调控和表观遗传学调控五个层次。当然每种表达调控因素并不是完全独立的，如长链非编码RNA(long non-codin g RNA, ln cRNA)是一类转录本长度超过200nt的RNA分子，不编码蛋白，定位于细胞核或细胞质内，以RNA的形式在多种层面上（表观遗传学、转录水平以及转录后水平等）调控基因的表达。\I,冗}戊｝(3)组蛋白修饰和染色质重构：核小体的致密结构能够阻止DNA与蛋白质之间的相互作用，而组蛋白修饰和染色质重构有助于局部的染色质可逆地由浓缩状态转变为易接近的构象。组蛋白乙酰基转移酶(histon e acetyltransferase)可以促使组蛋白乙酰化，使组蛋白与DNA的结合力降低。而染色质重构则是指染色质重构复合体(c hromatin remodeling complex)通过ATP水解暂时改变核小体的结构，从而使各种蛋白质易于与DNA接近。 2转录后水平调控前面提到，真核细胞mRNA转录后形成成熟的mRNA需要经过剪接、加帽、加尾等过程，影响其中任何一个环节都将调控基因的表达，如选择性剪接、RNA编辑等。 RNA编辑的加工方式存在。 RNA编辑的生物学意义主要表现在：心经过编辑的mRNA具有翻译活性；＠使该mRNA能被通读心在一些转录物5'末端可创造生成起始密码子AUG，以调节翻译活性；＠RNA编辑可能与生物进化有关；＠RNA编辑不偏离中心法则，因为提供编辑的信息源仍然来源于DNA贮藏的遗传信息。 3翻译水平的调控许多基因在蛋白合成的水平上也受到调节，由千免去了改变mRNA转录水平所需的时间，翻译水平的调控对外界刺激的反应更为迅速。 绪论 m1croRNA的调控作用主要包括：(DmiRNA对靶mRNA翻译起始的抑制；＠miRNA对靶mRNA翻译起始后抑制；＠miRNA诱导mRNA转录衰减；＠miRNA的正调控与去抑制。4翻译后水平的调控有些蛋白质合成完成后需经过适当的加工修饰才有活性，因而翻译后修饰是蛋白质结构和功能调节的一种重要方式，大大增加了蛋白质的多样性和复杂性。 (l)常见的蛋白质翻译后修饰：体内最常见的蛋白质翻译后修饰是磷酸化修饰，即在蛋白激酶的作用下，将ATP或GTP上的磷酸基团转移到底物上。除此以外，糖基化、泛素化、类泛素化(SUMOylation)、乙酰化和甲基化等也是常见的蛋白质翻译后修饰的方式。通过翻译后修饰维持蛋白质的活性，发挥其生理功能，参与蛋白质的降解和蛋白间的相互作用，影响蛋白在细胞内的分布等。 (2)翻译后修饰的协同作用：细胞中翻译后修饰种类繁多，往往是多种修饰协同发挥作用，形成调控网络。无论是生理还是病理过程，都需要各种修饰的蛋白质共同作用。 5表观调控一个基因的结构除了编码特定功能产物的DNA序列外，还包括对这个特定产物表达所需的邻接DNA序列。在对某些遗传病的家系研究中发现，虽然基因的编码部分结构完整，也未发生改变，但若它的邻接DNA序列发生了改变，如常见的邻接序列某些区域单个碱基的替换可使此功能产物不能表达，也可能引发疾病。另外，在基因的核昔酸序列不发生突变的情况下，基因的修饰如DNA甲基化、组蛋白的乙酰化等也可能导致基因的活性发生改变，使基因决定的表型出现变化，且可传递少数世代。这就是表观遗传学(epigenetics)所涉及的主要内容。 第四节遗传病概述 基因的结构或表达调控异常则可导致遗传病的发生。按经典的概念，遗传病或遗传性疾病的发生需要有一定的遗传基础，并通过这种遗传基础、按一定的方式传于后代发育形成的疾病。因此，遗传病的传递并非是现成的疾病，而是遗传病的发病基础。而在现代医学中，遗传病的概念有所扩大，遗传因素不仅仅是一些疾病的病因，也与环境因素一起在疾病的发生、发展及转归中起关键性作用。因此，在了解医学遗传学时，既要把握经典的遗传病概念，也要对遗传病的新进展有所认识。但在本教材中，主要是以经典概念为线索展开讨论的。 一、遗传病的特点 作为以遗传因素为主要发病因素的遗传病，在临床上有许多特点。 （一）遗传病的传播方式 一般而言，遗传病与传染性疾病、营养性疾病不同，它不延伸至无亲缘关系的个体。就是说，如果某些疾病是由于环境因素致病，在群体中应该按“水平方式”出现；如果是遗传性的，一般则以“垂直方式”出现，不延伸至无亲缘关系的个体，这在显性遗传方式的病例中尤其突出。（二）遗传病的数量分布患者在亲祖代和子孙中是以一定数量比例出现的，即患者与正常成员间有一定的数量关系通过，“飞§}特定的数量关系，可以了解疾病的遗传特点和发病规律，并预期再发风险等。（三）遗传病的先天性遗传病往往有先天性特点。所谓先天性是生来就有的特性，如白化病是一种常染色体隐性遗传病，婴儿刚出生时就表现有“白化”症状。但并非所有的遗传病都是先天的，如亨廷顿病(Huntington邮e as e, HD, Huntington病）是一种典型的常染色体显性遗传病，往往在35岁以后才发病。反过来，先天性疾病也有两种可能性，即有些先天性疾病是遗传性的，如白化病；有些则是获得性的，如妇女妊娠时因风疹病毒感染，致胎儿患有先天性心脏病。虽然患儿出生时有心脏病，但按传统概念来说它是不遗传的。 （四）遗传病的家族性 遗传病往往有家族性等特点。所谓家族性是疾病的发生所具有的家族聚集性。遗传病常常表现为家族性，如上述的Huntington病常表现为亲代与子代间代代相传；但并非所有的遗传病都表现为家族性，如白化病在家系中很可能仅仅是偶发的，患儿父母亲均为正常。反过来，家族性疾病可能是遗传的，如Huntington病；但不是所有的家族性疾病都是遗传的。如有一种夜盲症（即当光线比较弱时，视力极度低下的一种疾病）是由千饮食中长期缺乏维生素A引起的，如果同一家庭饮食中长期缺乏维生素A，则这个家庭中的若干成员就有可能出现夜盲症。这一类家族性疾病是由共同环境条件的影响，而不是出自遗传原因，如果在饮食中补充足够的维生素A后，全家患者的病情都可以得到改善。所以说，由千维生素A缺乏所引起的夜盲症，尽管表现有家族性，但它不是遗传病。 （五）遗传病的传染性 一般的观点认为，遗传病是没有传染性的，故在传播方式上，它是垂直传递，而不是水平传递的。但在目前已知的疾病中，人类朊粒蛋白病(human prion disease)则是一种既遗传又具传染性的疾病。朊粒蛋白(prion protein, PrP)是一种功能尚不完全明确的蛋白质。目前认为PrP基因突变会导致PrP的错误折叠或通过使其他蛋白的错误折叠进而引起脑组织的海绵状病变，最终导致脑功能紊乱，称为蛋白折叠病；而错误折叠的PrP可以通过某些传播方式使正常人细胞中的正常蛋白质也发生错误折叠并致病。 总之，必须正确地、辩证地认识人类遗传病，这将有助千在医学实践中采取相应的诊断、治疗和预防措施。 二、人类遗传病的分类 人类遗传病的种类繁多。据统计，目前每年新发现的遗传性综合征有100种左右。面对种类如此众多的遗传病，过去一是按人体系统分类，如神经系统遗传病、血液系统遗传病、生殖系统遗传病、心血管系统遗传病、泌尿系统遗传病、内分泌系统遗传病等；二是按照遗传方式进行分类。现代医学遗传学将人类遗传病划分为5类。 （一）单基因病 单基因病是由单基因突变所致。这种突变可发生于两条染色体中的一条，由此所引起的疾病呈常染色体（或性染色体）显性遗传；这种突变也可同时存在于两条染色体上，由此所引起的疾病呈常染色体（或性染色体）隐性遗传。单基因病相对较少见，在各个种族或民族中的发生频率不同，发生率较高时也仅为1/500，但由于其遗传性，因而危害极大。 （二）多基因病 多基因病是有一定家族史、但没有单基因性状遗传中所见到的系谱特征的一类疾病，如先天性畸形及若干人类常见病（高血压、动脉粥样硬化、糖尿病、哮喘、自身免疫性疾病、老年痴呆、癫病、精神分裂症、类风湿关节炎、智能发育障碍等）。环境因素在这类疾病的发生中起不同程度的作用。多基因病是最常见、最多发的遗传病。 绪论11 （三）染色体病 染色体病是染色体结构或数目异常引起的一类疾病（综合征）。从本质上说，这类疾病涉及一个或多个基因结构或数量的变化，故其对个体的危害往往大于单基因病和多基因病，其中最常见的染色体病为Down综合征。染色体病在新生儿中的发病率约为0.5%。 （四）体细胞遗传病 单基因病、多基因病和染色体病的遗传异常发生在人体所有细胞包括生殖细胞（精子和卵子）的DN A中，并能传递给下一代，而体细胞遗传病(somatic cell genetic disord er)的累积突变只在特定的体细胞中发生，体细胞基因突变是此类疾病发生的基础。这类疾病包括恶性肿瘤、白血病、自身免疫缺陷病以及衰老等。在经典的遗传病的概念中，并不包括这一类疾病。 （五）线粒体遗传病 线粒体是细胞内的一个重要细胞器，是除细胞核之外唯一含有DNA的细胞器，具有自己的蛋白质翻译系统和遗传密码。线粒体遗传病就是由线粒体DNA缺陷引起的疾病，包括Leber视神经萎缩等。 表绪－3列举了一些遗传病及其遗传方式和发生率。 表绪-3常见遗传病的遗传方式及发生率 疾病(OMIM)遗传方式发生率 单基因病 腺背脱氨酶缺乏症(102700)AR少见 也－抗胰蛋白酶缺乏症(107400)AR1/20000-l/3000襄性纤维变性(219700)AR1/2000；亚洲人极罕见Du c h e nne肌营养不良症(310200)XR1/3500-l/3000家族性高胆固醇血症(143890)AD1/500脆性X综合征(309550)XL男性：1/500；女性：1/3000-1/2000葡糖－6－磷酸酶缺乏症(305900)XR男性：1/20~1/4血友病A(306700)XR男性；1/10000Huntington病(143100)AD4/100000-8/100000强直性肌营养不良症(160900)AD1/10000神经纤维瘤I型(162200)AD1/5000~1/3000苯丙酮尿症(261600)AR1/5000视网膜母细胞瘤(180200)AD1/14000锦状细胞贫血症(603903)AR部分种族：1/40018三体综合征(601161)47,+181/8000Prader-Wi小综合征(176270)1/25000-1/10000续表疾病(OMIM)遗传方式发生率多基因遗传病唇裂(119530)1/600-1/250先天性心脏病1/250-1/125神经管缺陷(601634)l/500~1/100糖尿病(222100;125853)成人：1／20~l/lO冠状动脉粥样硬化病(209010)特定人群：1/15体细胞遗传病肿瘤总：1/3线粒体疾病Leber视神经萎缩(535000)细胞质遗传少见注：AR为常染色体隐性遗传；AD为常染色体显性遗传；XL为X连锁遗传；XR为X连锁隐性遗传三、在线《人类孟德尔遗传》(OMIM)”在线《人类孟德尔遗传》(Online Mendelian Inheritanc e in Man, OMIM)”源自由美国John s Hopkins大学医学院Victor A. McKusick教授主编的《人类孟德尔遗传》(Mendelian Inheritance in Man:Catalogs。if Human Genes and Genetic Disorde rs，简称MIM)一书，该书一直是医学遗传学最权威的百科全书和数据库。至1998年巳出至第12版。进入数字化年代，联机形式的”在线《人类孟德尔遗传》”于1987年应运而生，并且免费供全世界科学家浏览和下载。OMIM的网址是http:ll www.omim. org。 四、疾病的发生与遗传因素和环境因素的关系 遗传(heredi ty)是生物体的基本生命现象，表现为性状在亲代与子代之间的相似性和连续性。人类的一切正常或异常的性状综合起来看都是遗传与环境共同作用的结果，但它们在每一具体性状的表现上可能不尽相同。 （一）完全由遗传因素决定发病这类疾病的发生并非与环境因素无关，只是看不出什么特定的环境因素是发病所必需的，例如单基因遗传病中的先天性成骨不全症、白化病、血友病A以及某些染色体病。（二）基本上由遗传决定，但需要环境中一定诱因的作用例如单基因遗传病中的苯丙酮尿症，早期入们只知道它与遗传有关，现在知道吃了含苯丙氨酸扯多的食物才诱发本病；葡糖－6－磷酸脱氢酶缺乏症（俗称蚕豆病）除有遗传基础外，只有在吃了蚕豆或服用了氧化性药物伯氨哇等以后才会诱发溶血性贫血。（三）遗传因素和环境因素对发病都有作用，在不同的疾病中，其遗传率各不相同遗传因素对发病作用的大小是不同的。例如，在唇裂、腮裂、先天性幽门狭窄等畸形中，遗传率都在70％以上，说明遗传因素对这些疾病的发生较为重要，但环境因素也是不可缺少的。精神发育障碍、精神分裂症等疾病也是如此。另一些疾病，如在先天性心脏病、十二指肠溃疡、某些糖尿病等的发生中，环境因素的作用比较重要，而遗传因素的作用较小，遗传率不足40%，但就其发病来说，也必须有这个遗传基础。还有一些疾病如脊柱裂、无脑儿、高血压、冠心病等的发病，遗传因素和环境因素等同等重要，遗传率为50%~60%。 上述这类疾病过去在临床上常常说有一定的遗传因素（体质或素质），近年来的研究表明，它们所具有的就是多基因（易感基因）决定的遗传基础，这一类疾病（多基因病）具有常见性、多发性的特点，是目前医学研究的重点。 （四）发病完全取决于环境因素，与遗传基本上无关例如，烧伤、烫伤等外伤的发生与遗传因素无关，但这类疾病损伤的修复与个体的遗传类型可能有关。 五、遗传病在医学实践中的一些问题 （一）医生如何确定患者所患疾病是否有遗传性 遗传病患者（与非遗传病患者一样）在向医师主诉自己的病症时，只能说明其某些感觉上的异常，而不能告诉医生自己什么基因有什么异常。因此，需要医师正确地区分患者所患疾病是不是一种遗传病。但这并不是一件轻而易举的事情，它不仅需要医师具有丰富的临床经验、全面的遗传学知识，还需要足够的实验室技术（包括分子诊断）来辅助诊断。近年来，大数据和人工智能(AI)已被开发用于包括遗传病在内的辅助诊断，为医师确定患者所患疾病是否具有遗传性提供了有力的手段，从而使遗传病患者及亲属能得到有效的医学处理。（二）再现风险再现风险(recunence risk)是遗传病在临床上常遇到的问题之一。所谓再现风险，是患者罹患的遗传性疾病在家系亲属中再发生的风险率。影响再现风险的因素较多，故很难对遗传病的再现风险制订出一个标准。例如，一方面，Huntington病是一种常染色体显性遗传病，按理论推测，患者子女的再现风险为50%。但发病年龄多在35岁以后，随着子女年龄的增长，再现风险也逐渐下降，通过建立年龄与再现风险的发病曲线，可以得到不同年龄个体的再现风险。另一方面，任何一种遗传病都有一个群体再现风险的基线(baselin e)，即任何一次妊娠所生子女其群体风险率有些是根据疾病的遗传方式决定的，有些是基于经验概率得到的（表绪－4）。 表绪-4群体中某些“疾病”发生的风险率 疾病风险率出生时即表现出先天性异常1:30严重的身体或智能残疾I:50自发流产I:8死胎I:125围生期死亡I:150出生后一周到周岁以内死亡I:200夫妇不育1:6-1:10（三）遗传性疾病的群体负荷这里所说的负荷是指遗传病在群体中的严重程度，通常用发生率来表示。发生率越高，群体中的遗传有害性越高，入类需要的对应措施越多，也可以说是负荷也越大。表绪－5所列是几类遗传病的群体发生率。 表绪－5遗传性疾病的群体发生率 疾病发生率（％）疾病发生率（％）!单基因缺陷多基因遗传病常染色体显性遗传病0.14先天性疾病2.3常染色体隐性遗传病0.17其他疾病2.4X连锁遗传病0.05尚未归类的遗传病0.12染色体缺陷0.19总计5.37（四）遗传病与医学伦理医学伦理学的基本原理同样适用于医学遗传学。但遗传病有其自身的特征，即遗传性；因此，对一些间题需要特别注意。,4t1遗传性疾病的产前诊断问题包括：心产前诊断技术上的安全性；＠产前诊断实施后对患病胎儿采取的医学措施的“合法性”“合理性”“可靠性”“安全性”等。2遗传病的症状前诊断问题涉及：心是否有有效的医学措施使症状前患者免受“未来＂疾病的困扰；＠个入隐私问题。3基因诊断和基因治疗问题包括：心基因诊断、基因治疗在技术上的安全性问题；＠诊断及治疗措施的“合法性”“合理性”等间题；＠基因治疗措施对人类基因组的安全控制间题等。 宗教、伦理、道德、法律也都是遗传病临床实践中需要重视的间题。遗传病患者的基因组应属个人隐私，其中含有什么致病基因或易感基因，若用现代方法查出后结果被泄露出去，如果没有相应的法律加以保护，被检对象就可能在就业、恋爱、婚姻、保险等方面受到歧视。近年来，整体动物克隆技术的发展使得生物技术的伦理问题更趋复杂化。这些都需要生物医学界和法律界共同商讨、制定对策，并取得全社会的理解和支持。 第五节医学遗传学的发展方向 医学遗传学以遗传病为研究对象，因此医学遗传学未来的发展就是利用不断发展、更新的医学遗传学理论和方法探讨遗传病和与遗传相关的疾病的发生机制、病理变化、诊断、治疗和预防等。由于现代生物学的总体上朝向精准、系统方向发展，医学遗传学的发展方向也正不断向精准地、系统地方向发展。 一、基于基因组学的精准医学 明确遗传物质异常是医学遗传学研究策略的首要任务。传统的医学遗传学通过染色体显带等技术对染色体病可以进行明确诊断，如Down综合征患者的染色体中多了一条21号染色体；通过限制性片段长度多态性等技术对某些单基因疾病进行确诊，如锄状细胞贫血症。然而随着遗传学，特别是分子遗传学技术的迅猛发展，遗传病的研究策略，以及以此为基础的诊断和防治也发生了重大变革。 (—)人类基因组学概述 “人类基因组计划(human genome project, HCP)”是1990年开始启动的全球范围内研究人类基因组的重大科学项目，包括美国、英国和中国等国家的16家研究机构参与了HCP,NCBI、EBI和UCSC三家机构完成了庞大复杂的计算机数据分析。HGP由诺贝尔奖获得者、美国科学家Dul becco在1985年率先提出，旨在阐明人类（核）基因组DNA3.2xl09bp的序列，发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面地认识自我。1999年，著名分子生物学家C raig Venter领导的私人公司Cel era加入了人类基因组测序的竞争，大大刺激了HGP的完成步伐。 HCP的整体目标是阐明人类遗传信息的组成和表达，为入类遗传多样性的研究提供基本数据，揭示1万余种人类单基因异常（有临床意义的约有7000多种）和上百种严重危害人类健康的多基因病（如冠心病、高血压、糖尿病、恶性肿瘤、精神疾病和自身免疫性疾病等）的致病基因或易感基因，建立对各种疾病新的诊治方法，从而推动整个生命科学和医学领域的发展。HGP的基本任务是建立人类基因组的结构图谱，即遗传图、物理图、转录图与序列图，并在“制图－测序”的基础上鉴定人类基因，绘出人类的基因图。 2000年6月，人类基因组工作草图完成。2003年4月，在DNA双螺旋结构发现50周年之际，人类基因组的精细图谱顺利完成。2004年10月，Nature杂志公布了人类基因组的完成序列。从基因组学的范畴来说，1990一2004年间HCP的重点在千研究入类基因组的结构，属于基因组学的最基础的结构基因组学(structural genomics)研究。HGP是奠定阐明人类所有基因功能的功能基因组学(functional genomics)研究的基础。而功能基因组学即在结构基因组的基础上，研究基因的表达、调控与功能。 （二）基因组学促进医学进入精准医学时代 随着测序技术的迅速发展，生物信息和大数据科学的结合应用，精准医学(precision medicine)的概念应运而生。精准医学是随着基因组学、功能基因组学、生物信息库和计算机技术的迅速发展，个体化治疗的延伸，是根据每个个体的疾病特征（发病原因、可能机制等）制定出有针对性的治疗方案。 其实质是根据不同个体对特定疾病遗传基础的不同，将患者分为不同的亚群，进而给予相应的治疗。 对于医学遗传学而言，不同的遗传病是由不同的基因突变或遗传异常导致的；即使同一种遗传病，也可以是由不同基因遗传引起。而同一个基因异常引起的同一种遗传病，由于其基因异常类型的不同，治疗方式的选择也是多样的。因而对于遗传病的诊断、预防和治疗，更是需要以个人遗传信息为基础和前提的精准医学。对于遗传病特有的咨询也应建立在精准医学基础上。 精准医学有助于实现遗传病的准确诊断和分类，制定具有个性化的疾病预防和治疗方案。对于单基因疾病，通过确定个体的致病突变，将为疾病的确诊提供遗传依据，并在此基础上给予更精准的治疗。对于携带有致病突变却未发病的个体进行遗传分析，评估个体今后及个体子代的发病风险，以及可能的预防措施等。痪性纤维化(cystic fibrosis, CF)是由痰性纤维化跨膜电导调节因子(cysticfi一brosis transmembrane conductance regulator, CFTR)基因突变导致CFTR蛋白功能缺陷或缺失所致。依伐卡托(Ivacaftor)是一种CFTR增效剂，首个被用于针对基因突变治疗痰性纤维化的药物。但是Ivacaftor并不是对所有CFTR基因突变都有效，迄今为止该药物能用于治疗38种CFTR基因突变引起的襄性纤维化。因而对千褒性纤维化患者首要的是在明确其发病原因后进行精准治疗。 对于多基因病，发病往往是多个基因异常和环境因素共同导致的，因而基因组信息获得的越精确越有助于预防和治疗。家族性帕金森病(familial Parkinson disease)是与遗传有关的帕金森病。已发现20多个基因与家族性帕金森病相关，但是引起PD的遗传方式和临床表现却各不相同。其中SNCA、PINK!异常引起的PD多合并认知功能损害，而parkin基因突变引起的PD认知功能完好，也就提示了治疗用药过程中，药物对认知损害等副作用要予以考虑。 精准医学在肿瘤诊断中的应用最早是慢性粒细胞白血病(chroni c myelocytic leukemia, CML)中BCR-ABL融合基因的确定，随后各种与肿瘤相关的基因不断被鉴定。2005年，肿瘤基因组图谱计划(the cancer genome atlas, TCGA)启动，旨在通过基因组分析技术，加速对肿瘤分子基础的认识。截至2016年4月，TCGA团队共完成33种不同类型肿瘤、超过11000例患者的基因组的测序工作，为肿瘤的研究和治疗奠定了基础。而靶向药物的出现，显著延长了具有特定基因异常患者的无病进展期，并提高了客观缓解率。因而鉴定出更多的肿瘤驱动基因，并开发出相应的靶向药物进行精准医学，也将是肿瘤研究发展的方向。 二、基于传统遗传学的系统医学 随着系统生物学(systems biology)和生命科学技术的迅速发展，系统医学(systems medicin e)的概念应运而生。它建立在传统遗传学的基础上，从系统的观点出发，建立一个从分子、细胞到器官、生物整体的研究和应用体系。大数据时代，高通量的生物医学技术（如cDNA芯片、二代测序、质谱等，能同时检测不同的生物系统组分），产生大量的组学数据（基因组、转录物组、蛋白质组、代谢物组和相互作用组等），为系统医学提供了数据基础，并在此基础上研究疾病发生的机制和干预措施。因此系统医学是以系统论的方法和原理为指导，整合和分析复杂的医学数据、资源和信息，并进行充分的拓展和合理的应用的一种新的医学思维模式。 基因编码了RNA分子或蛋白质分子，在细胞内形成了蛋白质相互作用网络、细胞信号转导网络、代谢网络、药物靴靶点网络、转录调控网络、遗传相互作用网络等。对于单基因疾病而言，疾病的发生是由遗传因素引起的，然而单个基因突变引起的分子改变在整个细胞、组织、器官乃至个体中并不是孤立存在的。蛋白与蛋白间的相互作用，以及蛋白的翻译后修饰等都是网络状的；而对于多基因病而言，涉及更复杂基因及其产物的复杂调控。 正常情况下，苯丙氨酸可在苯丙氨酸轻化酶的作用下转化为酪氨酸，进而在酪氨酸酶的催化下形成黑色素；除此以外苯丙氨酸还可以经过一系列的代谢转化为乙酰乙酸。而这个过程中任何一种参与其中的酶发生异常，都将引起疾病的发生。这其中涉及代谢网络，因而对于疾病的研究不能仅仅探讨单个酶的异常，而是整个代谢网络出现的问题。 苯丙氨酸轻化酶异常可能导致苯丙酮尿症(phenylketonuria, PKU)。而苯丙酮尿症患者的临床表现中，除了苯丙氨酸不能转变为酪氨酸，而转变为苯丙酮酸和苯乳酸并在体内累积，导致血液和尿液中苯丙氨酸及其衍生物排出增多外；多巴胺、5-胫色胺、'Y-氨基丁酸等重要神经递质缺乏，引起神经系统的功能损害；过量的苯丙酮酸可能会抑制酪氨酸向黑色素的转化，故患者常伴有肤色、发色较淡的性状表现。因而以系统生物学为基础，将生物网络作为研究对象，则能系统的了解和研究疾病的发生，从而提出更精准的治疗和预防方案。 系统生物学除了研究个体内部分子组分的相互作用外，还包括了分子组分与其所在环境间或暴露组(exposome)的复杂作用。因此系统医学的思维模式对多基因病的研究也颇为有效。常见的多基因病，如帕金森病、糖尿病等，需要在分子和细胞层面上分析其致病原因，涉及的生物分子网络，还需要了解人体的生理状态，以及人体和环境相互作用对千疾病的发生、发展及转归的影响。系统生物学中快速的高通量数据的获取复杂的计算模式为多基因病中诊断性生物标志物的鉴定，疾病的预防、治疗提供了新的思路。比如传统疾病的生物学标志物往往是单个的蛋白或代谢物，而对不同状态下基因或基因产物相互作用中系统的变化关注甚少。而系统医学则强调通过对疾病与正常条件不同网络的分析，从中确定疾病相关的一系列生物标记物。 一般把遗传因素作为唯一或主要病因的疾病称为遗传病。因而医学遗传学就是用人类遗传学的理论和方去未研究这些“遗传病”从亲代传递至子代的特点和规律、起源和发生、病理机制、病变过程及其与临床关系（包括诊断、治疗和预防）的一门综合性学科。自1865年Mendel发表《植物杂交实验》至今，在遗传学理论和技术不断更新，特别是对遗传物质基因以及人类基因组的研究不断深入的基础上，医学遗传学有了迅速的发展。根据遗传方式的不同，人类遗传病可分为单基因病、多基因病、染色体病、体细胞遗传病和线粒体遗传病五类。”在线《人类孟德尔遗传》”(OMIM)对所有已知的遗传病都有收录，并提供免费的浏览和下载。致病基因的定位、克隆与功能研究是医学遗传学研究的首要的任务，因而以基因组学为基础的精准医学是遗传病的重要研究策略，而基于传统遗传学的系统医学将为遗传病的预防、治疗带来更全面的临床思维方式。 1.医学遗传学是不断积累、不断发展的学科，谈谈自己从医学遗传学发展史中具有里程碑意义的成果中所得到的启迪。2什么是遗传病？如何确定某一疾病是遗传病？3医学遗传学的理论和技术还在不断发展中，请谈谈其对未来医学实践所带来的可能影响。 （左彶） 第一部分医学遗传学基础 第一章基千疾病的遗传学数据分析 人类已经进入飞速发展的数字化时代。既然人体的基本语言仅仅是“A、T、G、C"4个字母，因而生命在“本质”上就是数字的(life is山gital)。2003年人类基因组计划(HGP)的完成，以及基因组学及其催生的各种衍生”组学(-omics)"，促成了生物信息学(bioinformatics)的诞生。简言之，生物信息学就是应用先进的计算机技术管理和分析生物资料的一门交叉学科。通过对患者和健康个体的遗传数据的进行生物信息学分析，可全方位地阐明分子活动的物质基础一基因(DNA)与环境作用的互作(i nteraction)，并量化其作用的深度和广度，实现精准医学的目标。因此，生物信息学是当代医学向顶级发展的核心和原动力之一。“bioi nformatics“一词首先由Hwa A. Lim（林华安）于1987年创造和使用，因而他被尊称为“生物信息学之父”。 第一节人类基因组与遗传数据库 目前，许多免费的、应用价值极大的在线疾病遗传学数据库（尤其是人类基因组突变数据库）和分析软件不胜枚举。临床医师不仅应该了解这些资源的可用范围，而且应该掌握如何最有效地使用这些数据库，以辅助遗传病的精准诊断、精准治疗和精准预防，更好地服务于自己所从事的医学科学事业。 一、遗传数据库的基本概念 数据库(database)是一切生物信息学工作的出发点，是生物信息学的重要内容之一。数据库的种类繁多，分类方法大相径庭。若依据数据的类型，可分为基因组数据库、核酸一级结构序列数据库、蛋白质一级结构序列数据库、生物大分子（主要是蛋白质）三维空间结构数据库等；若按照数据的层次，可分为基本数据库、复合数据库和二次数据库等；若依据数据的来源，则可分为原始数据库、衍生数据库集成数据库和知识数据库等（图1-1)。 基因组数据库与信息系统组成 任何基因组数据库都依赖于众多其他数据库，同时也为这些数据库提供数据图1-1遗传数据库的基本构成和使用示意图第—章基于疾病的遗传学数据分析19遗传数据库(genetic database)是储存在计算机内的、有组织的、可共享的遗传数据(genetic data)的集合。例如，国际上最权威、最主要的三大核酸序列数据库，包括美国国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information, NCBI)维护的GenBank、欧洲分子生物学研究室(European Molecular Biology Laboratory, EMBL)下属的欧洲生物信息学研究所(European Bioinformatics Institute, EBI)维护的EMBL-EBI，以及日本国立遗传学研究所维护的DDBJ(DNA Data Bank of Japan)，是目前最具有影响力的生命科学数据库。而在1998年，GenBank、EMBL-EBI和DDBJ共同成立了国际核昔酸序列数据库协会(International Nucleotide Sequence Database Collaboration, INSDC)，每日均进行数据交换，同步更新，以确保用户在上述3个数据库中的任何一个中所检索得到的信息完整、全面和一致。 牛津大学出版社编辑发行的著名学术期刊Nucleic Acids Research自2004年起，每年单独发行一期"Database Issue”专辑，重点介绍和探讨生物信息学数据库的研究发展现状，极具专业性和权威性，参考价值很大。 二、常用的人类基因组与遗传数据库 常用的人类基因组与遗传数据库（或网站）的信息可见表1-1。 数据库（或网站）网址OMIM：权威的遗传病分子医学百科全书和数据库www. omim. org2GeneTests：权威、常用的遗传病基因检测和基因诊断数叭叩．genetests. org据库3HGMD：权威完整的人类遗传病或与人类遗传病相关吓叩．hgmd. cf. ac. uk的核基因突变数据库4GeneC狙·ds：信息批非常完整的人类基因综合数据库m叩．genecards. org5Ensemb]有关人类基因组和其他物种基因组的全面资mnv. ensembl. org源的综合性基因组数据库。由欧洲生物信息学会和Wellcome基金会Sanger研究所共同维护6HGP相关资料数据库m叩．genome. govllOOOl772http:II genome. ucsc. edu/cgi-bin/hgGateway邓叩．ensembl. org/Homo_sapiensllnfollndex7dbSNP和dbVar:NCBI旗下的SNP数据库和结构变异邓四ncbi. nlm. nih. govlsnpl数据库，收录包括单核昔酸变异、微卫星DNA、indel和wmv. ncbi. nlm. nih. govldbvarl CNV等各种变异体8Clin Var:NCBI创建于2013年的与疾病相关的遗传变`vww. ncbi. nlm. nih. govlclinvar异数据库。内含超过十几万份独特突变的临床注释9GlK计划（国际千人基因组计划）：对所有公众开放的吓叩．internationalgenome. org包含几于个个体的基因组数据的数据库10Database of Genomic Variants（基因组变异体数据库）:http:lldgv. tcag. ca收录人基因组的结构变异体。截至2012年的统计，总条目超过400000个，其中CNV超过200000种，倒位超过1000种，indel超过34000种11JSNP:日本SNP数据库。由日本东京大学维护http:llsnp. ims. u-tokyo. ac. jpl12ucsc基因组生物信息学数据库：美国加州大学Santa http:II genome. ucsc. edu/Cruz分校创建和维护的权威的基因组浏览数据库13HUGO(Human Genome Organization，人类基因组协会）,vww. hugo-international. org14HapMap计划：提供数百万个SNP，标志着人类基因组吓w. hapmap. org的研究”从一个个体的基因组参考序列到人类基因组ftp:llftp. ncbi. nlm. nih. govlhapmapl数据库（或网站） GlOK计划（英国万人基因组计划） ExAC：已收录超过6万例个体外显子组测序结果的数据库。利用ExAC数据库可以避免遗传性误诊17EVS：巳收录超过5000例个体的外显子组测序结果的数据库，旨在揭示心脏病、呼吸系统疾病、血液病的分子病因，从而进行精准诊治18BROAD研究所。提供人类基因定位、测序、各种分析软件的信息19预测基因变异体是否具有临床致病性的软件VEP SIFr POLYPHEN2ALIGNGVGD20Decipher:"Database of Chromosomal Imbalance and Phenotype in Humans using Ensembl Resomces"的缩写。收录了超过200家研究中心上传的10000多例案例的信息，主要用于筛查比对CNV21MitoMap：最权威的人类线粒体参考基因序列库、相关基因突变与疾病数据库22London Medical Database Online(在线伦敦医疗数据库）：与Face2Gene公司合办，包含Winter-Baraitser畸形学数据库、Baraitser-Winter神经遗传学数据库和伦敦眼科遗传学数据库23GTR(Genetic Testing Registry):NCBI收录有关遗传病基因检测信息数据库24GHR(Genetics Home Reference):NIH旗下的美国国立医学图书馆(National Library of Medicine, NLM)创建和维护的医学遗传学网站25PharmGKB：药物遗传学和药物基因组学的权威数据库26ClinicalTrials. gov:NIH旗下的NLM维护的关于疾病的临床试验信息的数据库。截至2017年9月25日，收录了美国50个州和全球200个国家的255652个临床试验研究资料27The Journal of Gene Medicine Clinical Trial：收录了全球关于基因治疗的临床试验研究信息28ELISI：人类基因组学的伦理、法律、社会问题／影响29Orphanet：提供罕见病和罕见病药物信息的开放门户网站，目的在千提高罕见病的诊断、护理和治疗效果30Genetic Alliance UK：英国一家为罹患各种遗传病的患者及其亲属提供相关帮助的公益机构31NORD:即“National Organization for Rare Disorders"的缩写，美国全国罕见病组织联合体。数据库中收录了1200多种遗传病｀叩w. genomicsengland. co. uk/the-100000-genomes-project/http:II exac. broadinstitute. org/｀叩w. ensembl. org/infoldocs l toolsl vepl http:II sift. jcvi. org/http:II genetics. bwh. harvard. edu/pph21http:ll agvgd. hci. utah. edu/agvgd_input. php http:II decipher. sanger. ac. uk/邓吓pharmgkb. org http:II clinicaltrials. gov I吓w. wiley. com/legacy l wileychi/genmed/clinical/叭叩nhgri. nih. gov/PolicyEthicsl表中：HGP=human genome proj ect（人类基因组计划）;CNV=copy number variant（拷贝数变异体）;SNP=single nucleotide polymorphi sm（单核昔酸多态性） 第一章基于疾病的遗传学数据分析 OMIM包括所有已知的遗传病、遗传决定的性状及其基因，除了简略描述各种疾病的临床特征、诊断、鉴别诊断、治疗与预防外，还提供已知有关致病基因的连锁关系、染色体定位、基因的组成结构和功能、表型－基因型相关性(phenotype-genotype relation)、表型的系列信息(phenotype series)、国际疾病分类号(ICD+）、动物模型等资料，并附有经过续密筛选的相关参考文献。OMIM制定的各种遗传病、性状、基因的编号，简称OMIM编号，共6位数字，为全世界所公认。有关疾病的报道必须冠以OMIM编号，以明确所讨论的是哪一种遗传病。因此，OMIM是研究疾病与基因相关性的重要依据，为每一位医务工作者所必须掌握的核心资源。曾荣获拉斯克奖的McKu s ick教授因而被尊称为＂医学遗传学之父”。 例如，呈常染色体显性遗传的表皮松解性掌拓角化症(ep id ermol y ti c palmoplant狙．keratoderma, EPPK)，其OMIM编号为"#144200”。OMIM编号中的有关含义如下：编号前有＂＊”：表示该条目(ent1-y)是一个基因。 编号前有＂＃”：表示该条目是一个描述性的条目，通常为一种表型（疾病或性状），而非一个特定的基因座。 编号前有“+"：表示该条目包含了已知DNA序列的基因以及表型的相关描述。 编号前有"%"：表示该条目描述了一种已经明确了的孟德尔表型或一个未知分子基础的表型基因座。 编号前无任何符号：表示该条目尽管被怀疑为孟德尔性状，但是否为孟德尔遗传方式的表型信息尚未明确，或尚不能将该条目列为一个单独的条目。 编号前有＂＾”：表示该条目现巳不存在，或已从OMIM数据库中移除，或已被合并至其他条目中。 编号为"100000~199999,200000~299999"的条目：表示为常染色体基因座或表型（创建千1994年5月15日之前的相关条目）。 编号为“300000~399999"的条目：表示为X染色体连锁基因座或表型。 编号为“400000~499999"的条目：表示为Y染色体连锁基因座或表型。 编号为“500000~599999"的条目：表示为线粒体遗传基因座或表型。 编号为“600000~699999"的条目：表示为常染色体基因座或表型（创建于1994年5月15日之后的相关条目）。 OMIM遗传数据库的诞生，恰恰是现代遗传医学迅猛发展，数字化技术深入渗透到各个学科知识体系的真实写照。因为MIM自1966年初版以来，研究发现的致病基因日渐增多，并带动产生了＂疾病基因组学”“分子医学”等重要的医学分支学科，MIM的内容因而急剧扩增，至1998年已出版至第12版。然而，纸质印刷版本的MIM尽管一厚再厚，随着科学研究逐步进入数字化年代，适应科学和社会发展潮流的联机版本形式的”在线人类孟德尔遗传(OM IM)”于1987年应运而生，并且免费供全世界的学者和大众随意浏览、下载。 OMIM的特点和价值就在千其权威性、严谨性、及时性、全面性和实用性。截至2017年9月30日的统计数据，OMIM总条目数为24281个，其中，常染色体遗传条目22877个，X连锁遗传条目1276个，Y连锁遗传条目60个，线粒体基因遗传条目68个。在OMIM数据库中，巳收录的单基因病或性状有5033种，涉及3433个基因；复杂疾病和感染性疾病有698种，涉及499个易感基因；尚不明确的疾病表型("nondisease”)有144种，涉及114个基因；体细胞遗传病有212种，涉及121个基因。 Ge neTes t s（吓节．genetests. org)是最权威、最常用的有关遗传病基因检测和基因诊断的数据库，由医学遗传学专业人才辈出的西雅图华盛顿大学医学院于1992年创建和维护，现负责入为Robe1ta A Pagon教授。Ge n e Tests埏括了全球经标准化资质审核之后准许进行基因检测和基因诊断的所有遗传病基因、医院、独立医学检验所、高校实验室基因诊断公司等信息。截至2017年9月30日，师GeneTes t s收录了5063种疾病，涉及6072个基因的68321种检测手段，包含1083个医疗机构和718家实验室的地址、名录。 Gene Tests数据库另一大亮点是其“GeneReviews（基因综述）”栏目。GeneReviews是由一位或几位相关遗传病领域的专家撰写，并经同行审校的综述性论文，提供所描述的遗传病的概况、致病基因信息、突变检测手段、疾病的诊治方法和遗传咨询等应用的最新且权威的信息。GeneReviews目前包含694篇综述，约95％的综述瞄准单基因病或基因，另有约5％的综述探讨的是耳聋、Alzheimer病等常见病。GeneReviews每月增加数种，每篇综述l~2年内更新一次，并根据当今的遗传病研究进展随时进行修订。在NCBI网站上，GeneReviews有专门的免费链接地址：www. ncbi. nlm. nih. gov/books/N BKl116/。 HGMD(H uman Gene Mutation Database)(www.hgmd.cf. ac. uk)即“人类基因突变数据库”，是由英国威尔士Card出大学医学遗传学研究所创建和维护的著名通用型数据库，全面收录了导致人类遗传病或与人类遗传病相关的核基因突变。HGMD建立的初衷是用千基因突变机制的分析，但由千其收录最新的、完整的有关人类疾病基因突变谱的参考数据，包括单碱基置换（如基因编码序列中的错义突变、无义突变以及DNA调控和剪接区域中的点突变）、微小缺失(mi cro-del e tion)、微小插入(mi c roinsertion汃插缺(indel汃重复序列扩增、大的基因损伤（大片段缺失、大片段插入和基因扩增）、复杂性基因重组等，因而具有很高的权威性声誉，一直为学者们广泛应用。表1-2是截至2018年6月5日HGMD数据库已收录的基因和基因突变数据信息。 类型总数 基因数8784 cDNA序列8848 基因组坐标(genomic coordinates)：包括错义／无义突变、剪接／调控突变、小插入／小199696HGVS命名：包括错义／无义突变、剪接／调控突变、小插人／小缺失／小插缺200177DNA编码区内的错义／无义突变127200转录起始位点、起始密码子、多聚腺昔化位点和终止密码子的调控突变4029HGMD分为免费公共版和专业版两种。免费公共版提供给注册学术用户和非盈利用户的只是那些已收录了3年以上的数据，而更完整的、每3个月更新一次的专业版数据需要通过付费形式，从HGMD的商业合作伙伴B IOB ASE GmbH公司那里获得。显然，HGMD专业版集实时更新、结果下载、高级检索等多项功能千一体。心包含超过179000份基因突变报告，涵盖突变所在的基因组位置、序列的详细信息，并可链接到参考文献及其他公共平台，如dbSNP、OMIM等；＠包含超过6800份总结报告，对给定基因的6种不同的致病变异进行描述，并罗列所有已知的遗传病的突变；＠高级搜索功能：第一章基于疾病的遗传学数据分析可基于核酸／氨基酸的改变，或在特异序列、剪接位点、调控区域中的位置进行精确的突变检索；＠可视化的突变展示工具：为所比对的DNA序列或蛋白质序列提供图表描述，以不同的颜色区分突变核酸位点；＠可在第三方基因组分析工具中导出自定义的突变文件。因此，专业版可为从事基因组学、蛋白质组学、生物序列、入类疾病、基因突变等生物信息学研究的科研人员和医务工作者提供更便捷、全面的数据支待服务。 Ge n eCards(＼叩w. genecards. org)是信息量非常丰富、完整的强大的人类基因综合数据库，提供简明的基因组、蛋白质组、转录组、遗传和功能上所有已知和预测的人类基因等数据。GeneC狙ds中的功能信息包括指向疾病的关系，突变和多态性，基因表达，基因功能，信号通路，蛋白与蛋白的互作，相关药物及化合物和切割等研究抗体的试剂和工具，重组蛋白、克隆、表达分析和RN扣试剂等。 GeneCards数据库由著名的以色列魏斯曼科学研究所(Weizmann Institut e of Science in Israel)于1997年创建和维护。近年来，紧跟各种“组学”的发展步伐，GeneCards数据库又适时衍生推出多个子数据库。例如：(DMalaCards：专注千人类疾病及其注解(annotati on)的数据库；(Z)PathCards：整合人体各种信号转导通路并进行注解的数据库；＠GeneALaCart：为查询GeneCards数据库的使用者列出所有查询基因的注解清单的数据库；＠GeneLoc：通过GeneLoc箕法为用户导出每一条染色体的整合图谱的数据库；＠VarElec t：从用户的二代测序(NGS)数据中分析致病基因突变、辅助临床诊断的数据库。 第二节疾病的病因分析 病因(cause of di sease)是指能引起疾病发生并决定疾病特异性的体内外因素。致病因素一般包括：心生物性因素(biological factor)包括病原微生物（病菌、病毒、真菌、立克次体等）以及寄生虫（原虫蠕虫等）等，其致病作用主要依靠侵袭力(invasiveness)和毒力(virulence)；＠理化因素(physical and chemical factor)包括机械力、温度（如高温引起的烧伤、低温引起的冻伤）、气压（高气压与低气压）、噪声、电离辐射、强酸、强碱、化学毒物、动植物毒性物质等；＠营养性因素(nu tri tional factor)包括维持生命活动的一些基本物质（如氧、水等），各种营养素（如糖类、脂肪、蛋白质、维生素、无机盐等），某些微量元素（如氯、硒、锌、碳等）等。这些营养素缺乏或过剩，均可导致疾病；＠先天性因素(c on genital fac tor)指能够损伤胎儿发育的有害因素，如某些化学物质、药物、病毒、胎儿外伤、胎位不正，以及孕妇吸烟、酗酒等不良恶习；＠免疫因素(immunological factor)是免疫系统对某些抗原剌激发生异常强烈的反应，从而导致组织、细胞的损伤和生理功能的障碍（如超敏反应、过敏性休克、自身免疫性疾病、免疫缺陷病等）；＠精神、心理、社会因素(psychia tric, psycholo护cal and social fac to1)包括各种不良的生活事件、自然灾害、环境因素、文化环境（不同种族或民族的文化、社会风气、宗教信仰、生活习惯）等，这些因素均可能成为某些精神疾病、心理疾病的诱发因素；©遗传性因素(genetic factor)。 一、疾病发生机制的遗传学基础 遗传病包括染色体病、单基因病、复杂疾病（多基因病）、体细胞遗传病和线粒体基因病。这些疾病发生的遗传学基础包括染色体畸变(chromosome ab erration汃基因突变(gene mutation)、表观遗传变异(ep igene tic variation)、遗传易感性(gene tic suscep t山山ty)等。 染色体畸变即染色体发生数目或结构上的改变，可导致染色体病，如Down综合征、5p一综合征等。 基因突变即由于基因的组成或结构变化而导致个体的遗传特性发生可遗传改变的过程。基因突变既可导致单基因病（如分子病、遗传性酶病等），也可造成遗传性肿瘤综合征（如家族性乳腺癌／卵巢癌、视网膜母细胞瘤、2型多发性内分泌腺瘤等）、某些遗传性多基因病（如家族性脊髓侧索性硬化症、家族性Parkin so n病等）。 表观遗传变异是指在基因的核昔酸序列不发生改变(alternation)的情况下，由千基因的修饰（如画qiDNA甲基化、组蛋白的乙酰化、非编码RNA的调控作用等）导致基因的活性（即基因表达的频率、速度或表达量）发生改变，使得基因决定的表型出现变化，且可通过细胞分裂传递给子代。目前，愈来愈多的研究发现，表观遗传变异引起的基因表达调控失误或减弱，是造成细胞或机体老化、患病和癌变等的重要原因之一。 遗传易感性是指在相同的环境条件下，遗传基础决定不同个体罹患多基因病（如出生缺陷、高血压、糖尿病、哮喘、癫病、系统性红斑狼疮、阿尔茨海默病、精神分裂症等）的风险。因此，易感性完全是由基因决定的。 二、遗传数据分析在遗传病诊治中的应用 临床遗传学就是遗传医学的知识体系在遗传病诊断、治疗和预防中的实际应用过程。目前，可完成全基因组测序、全外显子组测序、靶向目标序列测序、转录组测序、甲基化测序等的高通量DNA测序技术包括第二代测序技术(next-generation sequencing, NGS)，或称大规模并行测序(massively parallel seq uencing, MPS)技术，已经广泛应用千临床基因诊断；同时，检测CNV的染色体芯片分析(chromosome microarray analysis, CMA)技术既可覆盖到全基因组，又可提供染色体变异位点的精确定位，同样具有极高的诊断率和准确性。只有明确了遗传病的病因（致病基因或易感基因），以及药物的精确靶点和代谢规律，才可能实施疾病的精准治疗。因此，对包括NGS和CMA检测在内的临床遗传数据分析进行精准的解读，显得至关重要。临床医师需要储备高度专业的遗传医学知识做支撑，具备快速、准确的文献查阅能力，并且熟练掌握相关数据库的查询和使用技巧，才有可能从容应对所面临的个性化医学时代的挑战。正如“One thousand sequencing, one million int erpre tation"即属此意。 以出生缺陷(birth defect)的遗传数据分析为例。出生缺陷又称为先天性异常(congenital anomaly)，是指由于胚胎发育的紊乱而导致的个体形态结构、功能代谢、精神和行为等方面的异常。出生缺陷可以在出生时发现，也可能在出生一段时间后发现。染色体病常常是导致出生缺陷的主要病因之一。据报道，在我国的新生活婴中，染色体异常的发生率约为0.73%。CNV是指基因组区段的插入、缺失或重复序列，涉及1kb至几百kb，广泛分布千人类基因组中。其中，＞500kb的CNV占5%-10%,>lMb的CNV占1%～2%。最长的CNV序列是基因组中由10-300kb重复单元形成的重复片段。CNV的突变率约为1.2x10-2(／基因座．代），比碱基置换突变率高出几个数量级。大量研究已经证实，CNV可能与许多疾病的发生有关，包括数百种染色体微缺失综合征、微重复综合征，是10％的先天畸形以及神经发育障碍（如智力残疾、孤独症、精神分裂症等）的主要病因。传统的染色体显带技术通常仅能检测到＞5Mb的染色体节段改变，分辨率低，无法检测到许多具有致病性的亚染色体(subchromosome)显微结构变异，包括染色体微缺失、微重复。另外，染色体显带技术需要进行细胞培养，实验操作繁琐，检测耗时较长；而荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization, FISH)技术虽然可以鉴别难以确定的染色体重排或迅速(l~3天）诊断染色体数目的异常，具有敏感度高、信号强、背景低、快速、多色等独特的优势，但却不能覆盖到全基因组，通常只用于辅助染色体显带分析。鉴此，以基于DNA芯片的比较基因组杂交(a11.·ay-based compara tive genomic hybridization, aCGH)和SNP-array为核心的CMA分析技术，便顺势成为出生缺陷和遗传病产前诊断、产后诊断的一线诊断措施。CMA可在全基因组范酣内同时检测染色体微缺失、微重复等基因组失衡现象，以及单亲二倍体(unip釭ental disomy, UPD汃镶嵌现象(mosaicism)等，对出生缺陷患儿的检出率可达15%-20%（传统的核型分析手段仅为3％左右）。然而，问题的关键就在千如何精准解读aCGH和SNP-anay检测到的CNV。 虽然大多数CNV都是有害的，但有研究发现，入基因组中有约12％的DNA区域易于发生CNV。即在长期的基因组进化和变异过程中，正常个体也会产生CNV,CNV并不意味着异常或致病效应。因此，对于CNV的判断，需要掌握以下几个主要原则：心尽可能过滤多个相关数据库（如收录正常个体的CNV数据的DGV数据库等），以准确排除CNV的致病性。在将检测结果解读为非致病性CNV第一章基千疾病的遗传学数据分析前，需要排除不完全外显、表现度变异(variable expressivity)、发病年龄、父源或母源的基因组印记等因素。另外还要注意，许多文献报道可能参照了同一个数据库（如HapM ap)，故多次报道的同一个CNV可能来源于同一个样本。而在普通人群中高频率出现的，以及在多家研究报道中均出现的CNV，解读为“非致病性CNV"的把握性更大。＠看看该CNV是否可能造成临床上已知的邻接基因综合征(contiguous gene syndrome)。＠虽然CNV的大小与临床意义之间尚无必然的直接相关性，但非常大的CNV为正常的良性变异的可能性高，而非常小的CNV则可能是临床上具有显著意义的变异。＠分析CNV涉及区域内的基因：CNV是否为包含特异的、富含基因的DNA序列，或是无意义的重复序列或假基因？检测到CNV的那个基因是否为剂量敏感型，且与临床症状表型相关？检测到的CNV若属于单倍不足性(haploinsuffic iency，即单倍的基因剂量不足以维待通常由2个等位基因来完成的正常功能），则其拷贝数的增加可能无致病性；若该CNV的基因为显性基因，则剂量的变化可能没有相关的临床表型或导致完全不同的临床表型；若该CNV的拷贝数增加只涉及基因的一部分时，可能引起基因的结构被破坏或编码序列发生改变而影响功能，尤其是在具有单倍不足性的可致病基因中，解读这样的CNV应继续分析再排除，不能轻易滤过；隐性遗传的基因单拷贝的缺失仅代表突变携带；只涉及内含子序列的小CNV可能对基因功能无影响。＠对于“临床意义不明确的CNV"，需要进一步验证该CNV是属于新生突变(de novo mutation)还是遗传自被检者的双亲，再行判断。＠对文献中未报道过的致病CNV，应尽量避免仅仅根据基因功能预测、模式生物或体外研究的结果进行推断和膛测。＠当确认为致病的CNV或临床意义不明确的CNV时，在检测报告中和遗传咨询中时，应建议被检者的有关家庭成员也进行CMA检测。对于某些特定的患者，应持续动态监测类似CNV及其临床意义，保持医患联系和适时的临床随访。 高通量测序技术的出现，使得获得核酸序列数据的单碱基测序费用相对千Sanger测序法急剧下降，随之也给基因组学的研究带来了更多的新方法和新方案。与San ger测序法相比，高通量测序可检测整个基因组存在的点突变、小插入、小缺失、小插缺等，最突出的特征是单次运行产出序列数据量大，因而在孟德尔病和复杂疾病的研究以及疾病的基因诊断中发挥了重要作用。但是，随着遗传病患者样本中所检测的基因数目的快速增加，临床分子实验室检测到愈来愈多的新的DNA序列变异体。如何判断这些变异体的致病性，已成为临床医师十分棘手的难题。因为某些表型仅与单个基因的变异相关，而多数表型可能与多个基因的变异相关。因此，必须对某个检测到的DNA序列变异的临床意义进行分级解读。 在此情形下，美国医学遗传学会(Ameri ca n College of Medical Genetics and Genomics, ACMG)联合美国分子病理学协会(Association for Molecular Pathology, AMP)和美国病理学家协会(College of American Patholog ists, CAP)于2015年推出了《遗传变异的分类标准与指南》。建议将孟德尔病相关的基因变异划分为5个等级：心临床致病性(patho gen i c)变异；＠临床可能致病性(lik e l y pathogenic)变异；＠临床意义不明确的(uncertain significance)变异；＠可能良性的(likely benign)变异；＠良性(benign)变异。另外，ACMGI AMP/CAP工作组强烈呼吁临床分子遗传学检测应该在经过CLIA认证的实验室中开展，建议检测结果由符合资质的分子遗传学家、遗传病理学家、具有专业知识的专业人士和临床医师共同合作进行解读。 需要指出的是，与国外各大数据库相比，针对中国人正常人群和患者人群的基因组数据库尚很不完整。鉴于汉族人（黄色人种）与白色人种在基因组变异体上存在的较大差异，因而在使用国外数据库进行遗传数据分析时，尚需一定的谨慎性。 随着测序技术不断的更新换代，测序数据通量的指数级增长，生物信息学将得到更迅猛的发展，生物信息学数据库也将在生命科学各个领域起到愈加重要的支撑作用，为全球的科研人员和医务工作者提供更为广阔的共享数据平台，为基因组和功能基因组学的研究和临床实践提供更多的数据支持。 生物信息学运用计算机技术和信息技术开发新的算法和统计方法，对遗传数据等进行分析，确定数据所蕴含的生物学意义，并开发新的数据分析工具以实现对各种数据信息的荻取和管理。生物信息学是当代医学向顶级发展的核心和原动力之一。医务工作者只有储备了高度专业的遗传医学知识，并掌握了快速、准确的文献查阅能力，以及熟练的相关数据库查询和使用技巧，才有可能对纷繁复杂的遗传数据作出准确的解读，确定致病的遗传因素。在众多遗传学数据库中，OMIM是最权威的遗传病分子医学百科全书和数据库；而GeneTests是最权威、最常用的有关遗传病基因梒测和基因诊断的数据库。 在临床上，盂德尔病相关的基因变异可分为5个等级：心临床致病性变异；＠临床可能致病性变异；＠临床意义不明确的变异；＠可能良性的变异；＠良性变异。 1.什么是遗传数据库？国际上有哪些著名的遗传数据库？建立一个全球共享的遗传数据库的必备条件有哪些？2遗传数据分析对遗传病的精准诊治有何实际意义？3.将遗传变异的致病性进行分类对临床工作有何意义？ （张咸宁） 第二章基因突变与遗传多态性 在所有物种的世代交替繁衍与个体生命活动过程中，遗传物质都能够保持其固有的分子组成结构及其特定的生物学功能，最终表现为遗传性状的相对稳定性。然而，受一定内外环境因素的作用和影响，遗传物质亦可能发生某些变化，此即为突变(mutation)。 广义的突变，既包括发生在细胞水平上染色体数目组成及结构的异常，也包括发生在分子水平上DNA碱基对组成与序列结构的变化。前者被称之为染色体畸变(chromosome aberration)，将在以后的有关章节中介绍；后者即为狭义的基因突变(gene mutation)，是本章所要介绍和讨论的主要内容。 遗传多态性(gene ti c polymorphism)亦称基因多态性(gen e polymorphism)。是指在同一种群(population)中某种遗传性状同时具有两种以上不连续的变异型（v釭iants)，或同一基因座(locus)上两种以上等位基因(allele)共存的遗传现象。 遗传多态性既可呈现为种群中个体水平上表型性状遗传的多态性，也可呈现为细胞水平上染色体遗传的多态性和分子水平上基因组DNA的多态性。 第一节基因突变的本质及其特性 基因突变是生物界普遍存在的遗传事件之一。它不仅发生千生殖细胞，也可发生在体细胞中。发生在生殖细胞中的突变基因，可通过有性生殖途径传递给其后代个体，存在于后代个体的每个细胞里。在漫长的生物自然进化历程中，其中一些有利于生物生存的或中性的突变，会随着生物的世代繁衍、交替而得以逐渐累积与稳定；这些突变的基因以及由此所引起的遗传性状变化，不仅是同种生物遗传性状多样性的根本渊源，而且也为不同物种的演化提供了丰富的原材料，并通过自然选择的作用而成为促进生物种系系统发育与不同种群产生、形成的原动力；而那些不利于生物生存的或有害的突变基因，则会导致各种遗传性疾病的发生，构成和增加群体的遗传负荷(genetic load)。 发生在体细胞中的基因突变，即体细胞突变(somati c mutation)，虽然不会传递给后代个体，但是却能够通过突变细胞的分裂增殖而在后代子细胞中进行传递，形成突变的细胞克隆(clone)，成为具有体细胞遗传学特征的肿瘤病变甚或癌变的细胞组织病理学基础。 基因是具有特定遗传效应的DNA序列片段。因此，无论是发生在生殖细胞中的基因突变，还是发生于体细胞中的基因突变，究其本质，实际上就是构成基因的DNA碱基组成与序列结构所发生的可遗传的变异，所以也具有一定的共同特性。 一、多向性 任何基因座上的基因，都有可能独立地发生多次不同的突变而形成其新的等位基因，这就是基因突变的多向性。譬如，在不同条件下，位千染色体某一基因座上的基因A可突变为其等位基因al；也可以突变为a2或者a3、a4、…、a,，等其他等位基因形式，从而形成所谓的复等位基因(multiple alleles)。遗传学上把群体中存在于同一基因座上，决定同一类相对形状，经由突变而来，且具有两种以上不同形式的等位基因互称为复等位基因。如我们所熟知的人类ABO血型系统，就是由位于9q34这一区域同一个基因座上的IA、广和三三种等位基因形式所构成的一组复等位基因所决定的。 二、重复性 重复性是指已经发生突变的基因，在一定的条件下，还可能再次独立地发生突变而形成其另外一种新的等位基因形式。亦即，对于任何一个基因来说，其突变并非仅剧千某一次或某几次的发生，而是会以一定的频率反复发生。例如：某一基因座上的基因A可突变为其等位基因a；基因a有可能独立地发生突变形成其新的等位基因a!；同样，a！也可能再次地发生突变而形成其另外的等位基因a五a2还可能突变为a3...…就其最终的群体遗传学效应而言，基因重复突变与基因多向突变的结果相似，也是群体中复等位基因存在的主要成因之一。 三、随机性 基因突变不仅是生物界普遍存在的一种遗传事件，而且，对千任何一种生物，任何一个个体，任何一个细胞乃至任何一个基因来说，突变的发生也都是随机的。只是不同的物种、不同的个体、不同的细胞或者基因，其各自发生基因突变的频率可能并不完全相同而已。基因的突变频率简称突变率(mutation rate)，是指基因的一种等位形式在某一世代突变成其另外等位形式的概率，一般用每世代每个生殖配子中每个基因座的突变数目来表示。在自然状况下，各种生物的突变率都是很低的。据测算，一般高等生物基因的突变率平均为lO-8~10飞人类基因的突变率仅为基因的突变是可逆的。任何一种野生型基因，都能够通过突变而形成其等位的突变型基因；反过来，突变型基因，也可以突变为其相应的野生型基因。前者为正向突变(fonvard mutation)，后者为回复突变(reverse mutation)。一般情况下，正向突变率总是远远高千回复突变率。 五、有害性 生物遗传性状的形成，是在长期的进化过程中与其赖以生存的自然环境相互作用、相互适应的结果，是自然选择的产物。而对这些性状具有决定性意义的基因一旦发生突变，通常都会对生物的生存带来消极或不利的影响，即有害性。生殖细胞或受精卵中基因的突变是绝大多数入类遗传病发生的根本原因；体细胞突变则常常是肿瘤发生的病理遗传学基础。然而，基因突变的有害性往往只是相对的，有条件的；也并非所有的基因突变都会对生物的生存及其种群繁衍带来不利或者有害的影响。事实上，有些突变，往往只引起非功能性DNA序列组成的改变，却并不造成核酸和蛋白质正常功能的损害。 第二节基因突变的诱发因素 根据基因突变发生的原因，可将之划分为自发突变和诱发突变。所谓自发突变(spontaneous mutation)是在自然条件下，没有人为干涉，未经任何人工处理而发生的突变。突变的发生，可能归因于环境中的辐射本底及其他可致突变物质，或者生物机体代谢活动过程中产生的某些中间代谢产物对遗传物质的影响或损伤。而诱发突变(induced mutation)则是指在人为的干涉下，经过特殊的人工处理所产生的突变。然而，无论是自发突变，还是诱发突变，归根结底，都是一定的内外环境因素作用于遗传物质的结果。凡是能够诱发基因突变的各种内外环境因素，均被称为诱变剂(mutagen)。能够引起基因突变的诱变剂种类是极其复杂多样的。但就其性质和对遗传物质的作用方式而言，无外乎物理因素、化学因素和生物因素等几种主要类型。 第二章基因突变与遗传多态性 —、物理因素 i i i紫外线 （一）紫外线 紫外线是能够引起基因突变的常见物理诱变剂之一。紫外线照射造成的细胞内遗传物质损伤，主要表现为DNA分子多核昔酸链碱基序列中相邻瞪唗碱的二聚体化。最常见的是胸腺啥唗二聚体(TT)。啥唗二聚体的形成改变了DNA的局部结构，当DNA复制或RNA转录进行到这一区域时，造成碱基互补配对的错误进而影响到新合成链中碱基的改变（图2-1)。二聚体电离和电磁辐射的诱变作用是一定强度、剂量的射线（如X射线、'Y-射线和快中子等）或电磁波辐射击中遗传物质，被吸收的能量，引发遗传物质内部的辐射化学反应，导致染色体和DNA分子多核昔酸链的断裂性损伤；断裂的染色体或DNA序列片段发生重排，会进而造成染色体结构的畸变。 应该指出的是，射线的诱变作用不仅与其一次性的照射强度或剂量有关，而且还具有照射强度或剂量的累积效应。也就是说，强度较弱或小剂量的一次性照射也许并不足以造成对遗传物质的损伤；但是如果进行反复的或多次的照射，被图2-1紫外线诱发的胸腺暧唗二聚体累积的强度和剂量作用，最终就会导致突变的发生。的形成示意图（一）轻胺类胫胺(hydroxylamine, HA)是一种还原性化合物。其作用于遗传物质，可引起DNA分子中胞啼唗(C)发生化学组分的改变，并因此不能与其互补碱基鸟嗦呤(G)正常配对，转而与腺嗦呤(A)配对结合。经两次复制后，原本的C-G碱基对即变换成突变的T-A碱基对（图2-2)。（二）亚硝酸类化合物该类物质可引起碱基的脱氨基作用而造成原有碱基分子结构及化学性质的改变。例如，腺嗦呤A被脱氨基后即衍生为次黄嗦呤(H);H将不能与胸腺瞪唗(T）正常配对，转而形成了与C的互补结合。如此一来，经过DNA复制之后，即由原来正常的T-A碱基对变成了突变的C-G碱基对（图2-3)。 A I(HN02)卫H C|（复制）.... c 三《三人C'『 图2-2轻胺引起的DNA碱图2-3亚硝酸类物质基对的改变引起的DNA碱基对改变一些碱基类似物可以掺入DNA分子中而取代某些正常碱基，引起突变的发生。如5－淏尿啼唗(5-BU)的化学结构与T极为相似，它既可以和A互补，也可以和G配对。一旦其取代T，并形成了与G的配对，那么，经过D NA的一次复制，就会使原来的A-T碱基对变成突变的G-C碱基对（四）芳香族化合物叮唗及焦宁类等扁平分子构型的芳香族类化合物，能够嵌入到DNA的核昔酸组成序列中，造成碱基的插入或丢失，导致插入或丢失点之后整个编码顺序的改变。（五）院化剂类物质如甲醒、氯乙烯、氮芬等均具有高度的诱变活性。该类物质能够将烧基基团引入多核昔酸链上的任一位置，从而造成被烧基化的核甘酸发生配对错误而导致突变的发生。如烧化鸟嗦呤可与T配对，形成G-C到A-T的转换（图2-5)。 G烧化剂~-CH3复制I卫1 图2-4碱基类似物(5-BU)引起的DNA碱基对图2-5院化剂引起的DNA碱基对改变改变大量的观察研究表明，流感病毒、麻疹病毒和风、疤疹等多种DNA病毒，是常见的生物诱变因素。除此之外，一些RNA病毒也具有诱发基因突变的作用。对于前一类病毒的诱变作用机制，目前尚不十分清楚；而后者则很可能是通过其cDNA对宿主细胞DNA序列的插入引起突变发生的。此外，细菌和真菌所产生的毒素或代谢产物往往具有强烈的诱变作用。例如，生活于花生、玉米等作物中的黄曲霉菌产生的黄曲霉素，就具有致突变作用，并被认为是肝癌发生的重要诱发因素之一。 第三节基因突变的形式 如前所述，发生在分子水平上的基因突变，其本质是在各种诱变因素的作用下，使得DNA中的碱基组成种类和排列顺序发生改变，从而引起相应的遗传学效应。一般可将之归纳为静态突变和动态突变两种主要形式。 —、静态突变 静态突变(static mutati on)是生物各世代中基因突变总是以一定的频率发生，并且能够使之随着世代的繁衍、交替而得以相对稳定地传递。（一）点突变点突变(point mutation)是DNA多核昔酸链中单个碱基或碱基对的改变。 1.碱基替换碱基替换(base substitu tion)是DNA分子多核昔酸链中原有的某一特定碱基或碱基对被其他碱基或碱基对置换、替代的突变形式。其具体表现为同类碱基或碱基对之间的替换及不同类碱基或碱基对之间的相互替换。同类碱基之间的替换，又被称之为转换(transition)，即一种嗦呤碱或相应的嗦呤－啼唗碱基对被另外一种嗦呤碱或相应的嗦呤－啼唗碱基对所取代；如果某种嗦呤碱或其相应的嗦呤－啼唗碱基对被另外一种啥唗碱或其相应的啥唗－嗦呤碱基对所置换，则称之为颠换(tran svertion)（图2-6)。 第二益基因突变与遗传多态性 T C A G T A(G)G C(T)转换ll-寸II或II--III颠换II--ll(|||)III-寸|l(1l)A G T C A T(C)C G(A)碱基替换只是原有碱基性质的改变，而并不涉及碱基数目的变化与异常。这种突变会因其作用对象的不同而产生不同的遗传学效应。如果被替换的是构成特定三联密码子单位的碱基或碱基对，则会造成：(1)同义突变：由千存在遗传密码子的兼并现象，因此，替换的发生，尽管改变了原有三联遗传密码子的碱基组成，但是新、旧密码子所编码的氨基酸种类却依然保持不变。亦即新、旧密码子具有完全相同的编码意义（图2-7)，此为同义突变(same sense mutati on)。同义突变并不产生相应的遗传表型突变效应。 DNA了玉C『最］C转录mRNA c u....·••CGC···…CG贮 GV l(2)无义突变：由千碱基替换而使得编码某一种氨基酸的三联体遗传密码子，变成为不编码任何氨基酸的终止密码UAA、UAG或UGA的突变形式被称之为无义突变(non-sense mutation)。此种突变，会引起翻译时多肤链合成延伸的提前终止（图2-8A)，造成多肤链的组成结构残缺及蛋白质功能的异常或丧失，最终会体现为导致遗传表型改变的致病效应。 (3)终止密码突变：如果因为碱基替换的发生，而使得DNA分子中某一终止密码变成了具有氨基酸编码功能的遗传密码子，此种突变形式即为终止密码突变(t erminator codon mutation)（图2-8B)。 丁辛ACT转；『嘉A『 l}翻译」」 多肤链…色氨酸……终止.....酪氨酸..…终止．．．与无义突变相反，终止密码突变造成的将会使本应终止延伸的多肤链合成，非正常地持续进行。其结果也必然形成功能异常的蛋白质结构分子。(4)错义突变：这是编码某种氨基酸的密码子经碱基替换后变成了另外一种氨基酸的密码子，从而在翻译时改变了多肤链中氨基酸的组成种类（图2-9)。错义突变(missense mutation)的结果，必然地导致蛋白质多肤链原有功能的异常或丧失。人类的许多分子病和代谢病，就是因此而造成的。V呾价§DNA···A CG…皇—A『卢．AAG···UGC…···UUC···多肤链…半胱氨酸……酪氨酸……苯丙氨酸．．．此外，碱基替换如果发生在DNA分子的非密码子组成结构区域，引起的将可能是调控序列或内含子与外显子剪接位点的突变（图2-10)。调控序列突变所产生的遗传学效应，通常可直接体现为蛋白质合成速率的降低或异常增高，进而影响细胞正常的代谢节律，以致引起疾病的发生。而内含子与外显子剪接位点突变，则往往会造成RNA编辑错误，以致不能形成正确的mRNA分子，这也势必会导致功能蛋白的合成障碍。 正常剪接 外显子1内含子1外显子2内含子2外显子3 二二 二二 新的剪接位点可能的剪接位点 二二 A.正常剪接；B.剪接位点突变形成新的遗传剪接位点；C.剪接位点识别错误第二章基因突变与遗传多态性2.移码突变移码突变(frame-shift mutation)是一种由于基因组DNA多核昔酸链中碱基对的插入或缺失，以致自插入或缺失点之后部分的、或所有的三联体遗传密码子组合发生改变的基因突变形式。移码突变直接的分子遗传学效应就是导致其所编码的蛋白质多肤链中的氨基酸组成种类和顺序的变化。 碱基对插入或缺失的数目、位点不同，对其后密码子组合改变的影响也不尽相同（表2-1)。 廿办 苏谷夭酰丙 缺失三个碱基UAC-At CU-ACA-GAA-AAC-GCU 酪精丝终止密码 插入又缺失UAC-UCC-UA t A-GAA-AAC-GCU （一个碱基）AG f囚回 表中：T示插入位点，l示缺失位点，口示插入或缺失的碱基第一种可能的情况是一个或两个碱基对的插入或缺失。这将造成插入或缺失位点之后整个密码子碱基组合及其排列顺序的改变；第二种情况是所谓的整码突变或框内突变(in-frame mutation)，即如果插入或缺失的碱基对是3或3的倍数，且插入或缺失位点亦恰好在两个相邻的遗传密码子之间，由此所引起的变化是在DNA双链的多核昔酸组成上额外地增加或减少1个或数个三联遗传密码子，但却并不造成读码框(reading frame)的改变；如果插入或缺失的3碱基对是在同l个三联密码子之内，那就只是造成该插入或缺失位点前、后各l个遗传密码的改变，而并不会改变其他密码子的碱基组成和编码顺序。 还有一种情况则是当在某一位点插人或缺失l~2个碱基对之同时，又在该突变位点之后的某一位点相应地缺失或插入了同样数目的碱基对，那么，除引起前、后两个位点之间的密码组合改变外，其后其他的密码子组合仍可保持正常。 移码突变不仅涉及DNA分子中碱基组成数目的改变，而且还伴随着特定的遗传密码组成性质与排列顺序的改变。因此，所引发的遗传学效应往往是比较严重的。它会导致一条或多条多肤链的合成障碍或功能缺陷，甚至完全丧失，进而危及到机体细胞正常的生命活动。 （二）小片段的缺失、插入与重排DNA分子中还可能发生小片段（涉及十几、数十或数百个碱基片段序列）的微小缺失、微小插入或重排。1微小缺失微小缺失(micro-deletion)是由于在DNA复制或损伤的修复过程中，某一小片段没有被正常复制或未能得到修复所致。其可能的机制是：带有已合成DNA序列片段的DNA聚合酶从复制（或修复）模板链上滑脱，跨越过一段距离后又重新回到模板链上继续进行复制（或修复）合成。小di}于是，造成了被跨越部位DNA碱基序列片段在新链中的缺失。 2.微小插入在DNA的复制过程或损伤过程中，某一小片段插入到DNA链中，其结果造成新链中相应小片段的微小插入(micro-insertion)。 3.重排重排(rearrangement)发生的分子机制是当DNA分子发生两处以上的断裂后，所形成的断裂小片段两端颠倒重接，或者不同的断裂片段改变原来的结构顺序重新连接，从而形成了重排的片段突变形式。 二、动态突变 科学家们曾一度认为单基因遗传病主要是由遗传物质在分子水平上发生的点突变所引起。而且，这些突变一般都会在世代传递中保持相对的稳定状态，即上述的静态突变。直至20世纪80~90年代，随着对人类基因组DNA序列组成及结构特征分析研究的不断深入，才发现某些单基因遗传性状的异常改变或疾病的发生，是由千DNA分子中某些短串联重复序列，尤其是基因编码序列或侧翼序列的三核背酸串联重复扩增所引起。因为这种串联三核昔酸的重复次数可随着世代交替的传递而呈现逐代递增的累加突变效应，故而被称之为动态突变(dynamic mutation)。把由动态突变所引起的疾病，统称为三核昔酸重复扩增病(trinucleotide repeat expansion diseases, TREDs)。 例如，在表现为性连锁隐性遗传特征的脆性X综合征患者中，其X染色体q27.3处存在有不稳定的易断裂脆性部位。利用限制性内切酶Pst I进行X染色体切割，可得到包括该脆性部位在内的限制性酶切片段。经序列分析表明，患者的限制性酶切片段中存在的(CGG八重复拷贝数可达60~200个；而在正常人则仅为6~60个。但(CGG)"两边的侧翼序列却与正常人几无差异。 遗传染色体重复重复正常异常父母疾病蛋白突变效应方式定位定位类型范围范围来源HD AD4p16.3编码区CAG6~3536-121父＞母huntingtin艇泡转运，细胞骨架DRPLA AD12pl3.31编码区CAG7~2549~88父＞母atrophin-1神经元毒性SBMA X连锁Xqll-q12编码区CAG l1~3440~72父＞母雄激素受体运动神经元毒性SCA1AD6p23编码区CAG6~3941-81父＞母ataxin-1降解成分在核内聚集SCA2AD12q24.1编码区CAG l5~2935~59父＝母ataxin-2不明MJD AD14q24.3-q31编码区CAG16~3668~82父＝母ataxin-3不明SCA6AD19pl3编码区CAG4~1721-30父＞母钙通道不明SCA7AD3p21. l-p12编码区CAG7~3538-200父＞母ataxin-7不明PMED19pl3. l-pl2编码区CAC56~7OMD14qll.2-ql3编码区GCG67~13CCD6p21编码区GCG、GCT、1727GCA syn编码区GCG、GCT、1522~25GCA注HD:Huntington病；DRPLA：齿状核、苍白球、丘脑下体萎缩；SBMA：脊髓肌萎缩；SCA：脊髓小脑共济失调；MJD:MachadoJoseph病；PMED：假软骨发育不全／多发性骨际发育不良；OMD：眼咽型肌营养不良(oculopharyngeal muscular dystrophy); CCD：锁骨头颅发育不良(cleidocramal dysplasia); syn：多指并指(synpolydac tytly)；钙通道：o.lA电压依赖性钙通道亚单位第二章基因突变与遗传多态性注：FRAX：脆性X综合征；DM：强直性肌营养不良；FA:Friedre1ch共济失调；PMEl：进行性肌阵挛性癫病；UTR：非翻译区包括人类在内的高等生物是自然界生命运动最高级的存在和表现形式。他们不仅具有极为复杂的自我结构组成和臻于完善的功能活动体系，而且，在漫长的自然演化进程中，还建立和形成了应对各种外界环境因素的影响与损害，维持其功能结构体系相对独立、稳定，并使之得以世代延续的自我保护和调节机制。广泛地存在于真核细胞生物体内的遗传物质损伤修复系统，正是这种自我保护功能机制的具体体现形式之一。 —、紫外线引起的DNA损伤修复 紫外线照射造成的DNA损伤，最常见的就是在DNA同一条多核昔酸链上相邻的两个胸腺啥唗核背酸之间出现异常的共价连接，形成胸腺啼唗二聚体(TI)，从而严重影响DNA的自我复制和RNA转录。对此，不同生物，一般可通过以下几种途径予以修复。（一）光复活修复细胞内普遍存在一种特殊的光复活酶。在可见光的作用下，该酶被激活，并能够特异性地识别、结合瞪唗二聚体，形成酶－DNA复合体。利用可见光所提供的能量，啼唗二聚体在酶的作用下解聚；修复完成后，光复合酶亦随之从DNA上解离、释放。这一过程即为光复活修复(photoreactivation repair)（图2-11)。 （二）切除修复切除修复(excision repair)亦称暗修复(dark repair）。因为相对于光修复而言，其修复过程中无需光能的作用。 切除修复发生在DNA复制之前。因此，该修复过程需要解旋酶、核酸内切酶、DNA聚合酶和连接酶等的参与。修复中，首先是由核酸内切酶在啥唗二聚体近旁3'端一侧特定部位，切断该DNA单链，然后以其互补的正常链为模板，在DNA聚合酶的作用下，合成一段相应的单链碱基序列片段；再由DNA连接酶在切口处将新合成的片段连接起来。最后，由特异性核酸外切酶在啼唗二聚体5'端一侧特定部位切割，去除掉含有异常啥唗二聚体的一段单链碱基序列片段；与之同时，DNA连接酶催化新合成片段在缺口处与被修复链的连接，完成对损伤的DNA修复（图2-12)。 UV照射} IITI1c11c lclT1lC[AAA T卢G cc cc c ce c ccTITGl。AAccccccA T=T GI l1l l ll l GGjcl\胸腺啥唗二聚体IT I I1ll||I I|||||||I LLJ@lT T勹•~A T=T G9C I1c lT勹1广丁勹 主 C Al c1A G勺、～A－A_-c-'G1Glc LJG cl Al lc c Tj Al Al cl CCGCAC GGCGTG lA lc c Ic，夕、、、、 @GlI I71I|Al光复活修复过程暧唗二聚体的切除修复过程图2-11图2-12T c T\c c c c A T c A T c c c A c重组修复(recombination repair)是发生在DNA复制过程之中和复制完成之后的一种不完全的修复形式。因为通过这种修复，只是使得新合成的两个DNA分子中，其中的一个具有完全正常的结构，而原有损伤则依然存在于另一个DNA分子中。如图2-13所示，重组修复的大致过程和机制是：心带有损伤的DNA分子片段。＠DNA复制越过损伤部位，在新合成互补子链的对应部位留下缺口；与之同时，另外一个DNA分子得以完整的复制、合成。＠由核酸内切酶在完整的DNA分子同源链切割，形成一个与缺口互补的游离单链片段。＠损伤DNA新的子链上留有的缺口，经过交换、重组后得以弥补；其缺口则被交换、转移到另一个DNA分子的母链上。＠在DNA聚合酶和连接酶的先后作用下，缺口修复。 尽管此种修复并未能使DNA损伤得以根本消除，但是经过多次复制之后，却逐渐地降低了受损DNA在生物体中的比例，从而起到一种“稀释“突变的积极作用。 二、电离辐射引起的DNA损伤与修复 X射线等对DNA的损伤作用一般不具有选择性和特异性。除其直接的损伤作用外，往往还可通过对水的电离所形成的自由基而间接地造成遗传物质的损伤。电离辐射导致的遗传物质损伤可表现为DNA单链或双链的断裂；片段的缺失、重复或易位等多种不同的形式。在高剂量照射时，甚至可引起碱基的破坏。由千电离辐射作用的复杂性，其DNA损伤的修复机制尚不十分清楚。以下仅简要介“'.1绍几种此类损伤后的修复现象。 第二章基因突变与遗传多态性 普遍存在千各种生物体内的遗传物质损伤修 复系统，在一定程度上保证了遗传物质相对的稳定@-性，也维系了细胞最基本的生命活动，但其作用却是有限的。修复的缺陷或错误的修复，也有可能会/对有机体造成其他形式的危害。@三、修复缺陷与错误修复I I I|尽管修复系统能够使得遗传物质的损伤得到图2-13重组修复过程修复，但是修复系统本身却也是受遗传控制的。如果修复系统发生缺陷，修复就不能正常进行。因此，由千遗传物质损伤引起的基因突变，仍然会以各种形式存在并传递下去；如果修复系统因某种原因而进行了错误的修复，将导致永久性的突变，并可能对机体带来其他的危害。表2-4所列举的是因DNA损伤修复缺陷所导致的部分疾病。这类疾病患者易罹患各种肿瘤，相关内容将在“遗传与肿瘤发生”一章中予以讨论。 疾病临床特征修复缺陷的类型 着色性干皮病皮肤肿瘤、光过敏、白内障、神经异常切除修复缺陷，解旋酶、核酸内切酶基因突变Cockayne综合征体型矮小、骨骼异常、视萎缩、耳聋、光过敏、智参与修复的DNA转录缺陷力低下Fancino贫血贫血、白血病易感、心脏畸形、染色体不稳定已发现有8个基因的突变与其有关Bloom综合征身材矮小，慢性感染，免疫缺陷，光敏感性RecQ解旋酶家族基因突变Werner综合征显示衰老的特征，也为早老症RecQ解旋酶家族基因突变共济失调性毛细血小脑共济失调、眼和面部皮肤的毛细血管扩张、正常产物使DNA损伤的细胞周期管扩张症染色体不稳定，易患肿瘤、免疫缺陷终止遗传性非多发息肉近端肠肿瘤，易患多种癌症5种DNA损伤修复基因的突变性直肠癌人类基因组计划研究表明在人类无血缘关系的两个个体之间99.5％的核DNA序列都是相同的，仅有0.5％左右存在差异的DNA序列造成了每个人不同的遗传组成，并由此决定了个体间不同的解剖、生理、生化等各种生物学特性，包括对各种疾病的易患性，乃至不同的性格特征及体育、艺术天赋，最终体现为多种多样的遗传多态性。 一、遗传多态性的概念 如前所述，所谓遗传多态性，是指在同一种群中的某种遗传性状同时存在两种以上不连续的变异型，或同一基因座上两个以上等位基因共存的遗传现象。作为单一基因座等位基因DNA多样性变异在群体水平的体现，凡是在群体中出现频率大于1％的变异体，无论致病与否，均被称之为遗传多态型；而所有那些出现频率小千1％的变异体，则被称之为稀有变异型(rare variants)。 遗传多态性现象十分普遍。多态性的形成，缘千基因的异变。发生千基因组DNA非编码序列（间隔序列或内含子序列）的变异，一般不会影响基因的结构与功能，也不会产生遗传的表型效应。只有那些位于编码序列和调控序列内的DNA变异，方可产生各种蛋白变异体，或者通过影响RNA的转录，从而导致各种明显的表型差异。对于一个体而言，基因多态性碱基组成序列终生不变，并按孟德尔规律世代相传。 二、遗传多态性的表现形式 遗传多态性不仅表现为个体水平上的表型遗传性状差异，亦可呈现为细胞水平上染色体遗传的多态性；分子水平上基因组DNA遗传的多态性和蛋白质与酶的多态性以及抗原的多态性等。（－）个体水平上的表型性状遗传多态性表型性状遗传多态性是种群中不同个体之间同一遗传性状的表型差异，如人类头发、眼睛的颜色。表型遗传差异的多态性，决定千一组相应的复等位基因的作用。（二）细胞水平上的染色体遗传多态性染色体多态性是在种群中经常可见的各种染色体形态的变异。其主要表现为同源染色体大小、形态或染色体带型的改变。此类改变，通常仅涉及染色体的结构异染色质区域，因此，并不表现出显著相关的表型效应。（三）分子水平上的DNA遗传多态性入类基因组DNA呈现出多种多样的分子结构和组成形式。依据发现的时序和不同遗传多态性的分子遗传学特征，被分为限制性片段长度多态性(res trict ion fragment length polymorphism, RFLP)、数目可变的串联重复（v扛iable number tandem repeat, VNTR)多态性、短串联重复序列(sh ort tandem repeat,STR)多态性和单核昔酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)等多种类型。当前，被作为遗传标记而在人类遗传学和医学遗传学相关研究领域中得以广泛应用的主要有两大类。 1.单核昔酸多态性由基因组DNA序列中单个碱基的转换或颠换所形成的变异；是最简单、最常见、分布最为广泛，也是多态性最为丰富的遗传多态类型之一。研究表明，人类基因组DNA平均约lOOObp内就有一个SNP，占已知的人类基因组DNA多态性变异之90％以上。 基因组DNA中任何碱基都有发生变异的可能。因此，SNP既可存在于基因的蛋白编码序列之内，亦可出现在非编码序列之中。存在于蛋白编码序列外显子中的SNP又被称之为编码SNP(coding SNP)，简称cSNP。目前，发现的cSNP大约有100000个左右，其变异率仅及非编码序列的20%。就其对遗传性状的表型效应而言，cSNP又被区分为不改变编码蛋白氨基酸序列组成的同义cSNP和可改变氨基酸序列的非同义cSNP两种类别；两者所占比例各为50%。 第二章基因突变与遗传多态性39 组成DNA的碱基虽然有4种，但是SNP一般只有2个”等位”成员，呈现为“非此即彼＂的“双等位基因“(b iallelic)多态性。基于SNP的自身特性，作为一种遗传标记，它常被用来进行对复杂性状与疾病的遗传分析和族群的基因识别以及遗传结构研究。 2短串联重复序列多态性又称微卫星DNA(microsatellite DNA)多态性。是一类以1-6bp为重复单元；串联重复一到数十次；序列长度小千lOObp的D NA结构片段。如(A)，，、(TG)"、(CAA)"、STR散在千基因组中各个染色体上，但很少出现在编码DNA序列中。其主要表现为重复序列拷贝数的变异，具有较高的遗传多态性。例如：D1S243、D21Sl90、DXS1068分别表示位于1号、21号和X染色体上的STR。多个不同基因座的STR分析结合起来，即可成为一个个体的“生物学身份证”，亦即DNA指纹(DNA fi n gerprint)，常以此作为个体识别及亲权鉴定的遗传学依据。 三、DNA遗传多态性研究的意义及应用 有关遗传多态性的认识，是人类在对自然遗传现象的研究过程中所取得的重要科学成果。它极大地丰富了遗传学的研究内容，开拓了遗传学的研究领域，同时又被作为一种强有力的科学研究技术手段和工具而在人类与医学遗传学及其相关研究领域得以广泛地应用。 （一）遗传标记 绝大多数的DNA遗传多态性，虽其自身并无直接的遗传学表型效应，但是却能够被用作特定染色体或染色体某一片段以及等位基因传递轨迹示踪的遗传标记(ge n e ti c m ark e r)，通过连锁分析或等位基因关联分析，进行基因的染色体定位和遗传作图(gene ti c mappin g)。 （二）基因芯片 DNA遗传多态性能够从分子水平上揭示基因组中基因的不同传递形式或不同DNA片段的组成结构特点，是研制基因芯片(gene chip)的重要依据。 （三）法医学鉴定 建立在人类DNA多态性遗传数据资料分析基础之上的DNA指纹图谱，以其高度的特异性、稳定的遗传性和体细胞稳定性而被成功地应用于法医学的个体识别及亲权鉴定。（四）遗传病研究DNA多态性对于遗传病研究具有双重的意义。一方面，任何基因的变异，包括经典的静态突变和巳知的动态突变，都可能作为机体疾病产生的根源，导致遗传病的发生和发展；另一方面，在基因组中广泛分布、极其丰富的DNA多态性位点，皆有可能作为特异性的遗传标记被应用于遗传性疾病的研究与临床诊断。 2008年，由中、美、英等国70多家公司和组织协同建立的国际千人基因组计划(The1000Genome Projec t)，旨在通过测序和分析不同种族或族群的基因组DNA，绘制出最为详尽、最有医学应用价值的人类遗传多态型图谱。该项目于2012年11月公布的高分辨率人类基因组遗传变异整合图谱，为人类基因组学在人类健康与疾病研究领域中的实际应用以及走向未来的个体医疗时代奠定了坚实的基础。 基因突变是分子水平上DNA碱基对组成与序列结构的变化，是生物界普遍存在的遗传事件之一。它不仅发生于生殖细胞，也可发生在体细胞中。发生在生殖细胞中的突变基因，可通过有性生殖途径传递给其后代个体，存在于后代个体的每个细胞里。根据基因突变发生的原因，可将之划分为自发突变和诱发突变。凡是能够诱发基因突变的各种内外环境因素，均被称之为诱变剂。能够引起基因突变的诱变剂种类是极其复杂、多种多样的。但就其性质和对遗传物质的作用方式而言，无外乎物理因素、化学因素和生物因素等几种主要类型。基因突变的形式包括点突变（碱基替换、移码突变）、'iflTE~戊｝片段突变（缺失、重复、重排）和动态突变；细胞内对DNA的各种突变有多种修复机制，修复机制的缺陷也是许多疾病发生的原因之一；并不是所有的基因突变都是致病的，有时表现呈群体多态现象。 1.举例说明化学物致突变的原理。2基因突变有哪些类型？会产生哪些分子遗传学上的后果？3.为什么个体基因突变修复机制异常时易导致肿瘤的发生？4.什么是遗传多态性，研究遗传多态性有什么生物学和医学意义？ （宋土生） 第三章基因突变的细胞分子生物学效应 细胞是生物体结构和功能的基本单位，基因是细胞内遗传信息的物质基础，蛋白质则是基因功能的主要执行者和体现者。换言之，细胞的一切生命活动，通过遗传信息流，最终表现为蛋白质的不同结构特征和功能状态。因此，在以遗传因素为主导因素或主要病因的疾病中，基因突变的直接细胞分子生物学效应，就是改变了由其所编码的多肤链中氨基酸的组成和顺序，导致蛋白质的结构和功能的异常。而细胞生理活动的异常及机体遗传性状的改变，则是蛋白质结构和功能异常的结果。 第一节基因突变导致蛋白质功能异常 基因突变对蛋白质结构和功能产生的影响主要表现在以下4个方面：心直接影响相关功能蛋白质的生物合成；＠导致蛋白质产生异常的功能效应；＠导致组织细胞中蛋白质表达类型的改变；＠涉及蛋白质的分子细胞生物学效应与相应临床表型之间的关系。通过认识这些分子机制，将有助千从事医学遗传学研究与较为深入地理解基因突变导致遗传病发生的细胞分子生物学效应。 —、基因突变导致异常蛋白的生成 基因突变是蛋白质发生改变的根本原因，而突变蛋白(m ut ant protein)的形成则是基因突变的结果和表现形式。基因突变一般通过以下两种机制影响正常蛋白质的合成，导致细胞功能损害并引发疾病：心突变影响、干扰了RNA的正常转录以及转录后的修饰、剪辑；或直接改变了由其编码的氨基酸的顺序或构成，从而使其丧失正常功能，即所谓的原发性损害(primary abnormalit i es)。＠突变并不直接影响或改变某一条多肤链的正常氨基酸组成，而是通过干扰该多肤链的翻译过程；或翻译后的修饰加工；甚至通过对蛋白质各种辅助因子的影响，间接地导致某一蛋白质功能的异常。相对千原发性损害机制，后者被称之为继发性损害(secondary abnormal山es)（表3-1)。 （一）基因突变影响功能蛋白质的正常生物合成1通过原发性损害机制影响蛋白质的合成原发性损害机制对蛋白质合成的影响通常有2种表现形式：一是基因突变导致某些蛋白质合成的异常减少。如B－地中海贫血(~-th a l assemia)(OMIM#613985)的部分原因是由于突变减少了正常住珠蛋白的合成所致。二是基因突变导致某些蛋白质合成的异常增加。如遗传性胎儿血红蛋白持续症(hereditru-y persistence of fetal hemoglobm,HPFH)(OMIM%142470)就是因为突变导致患儿在出生后持续表达了不该表达的胎儿血红蛋白所致。 2通过继发性损害机制影响蛋白质的合成继发性损害的主要表现形式是突变改变了mRNA和蛋白质的合成速率。通常情况下，决定某种蛋白质合成速度和效率的并非编码该蛋白质的基因本身而是对该基因的表达具有调节作用的顺式作用元件和反式作用因子或其他相关因素。如果这些调节因子或因素发生改变，同样能影响这些蛋白质的正常功能。急性间隙性卧啾症(ac ut e intermittent porphyria, AIP)(OMIM#176000)是一种常染色体显性遗传病(AD)，致病基因定位千ll q23.3。90%的杂合子个体表型可正常，仅10％的杂合子表现出间隙性发作的临床症状。 正常情况下心氨基'Y-酮戊酸(8-aminolevu lini cac id, ALA)合成酶催化甘氨酸与唬珀酰CoA生成ALA，再转化为胆色素原(porphobilinogen,PBG)；后者可在PBG脱氨酶作用下逐级合成血红素(heme)（图3-1)。AIP患者由于缺乏PBG脱氨酶，使细胞内的ALA及胆色素原不能如常规方式转化为血红素，导致血红素含量下降；而血红素下降可反馈性地调节ALA合成酶表达增强，进而促使ALA和胆色素原的大量合成和严重积聚，最终导致疾病的发生。值得注意的是，该病可被某些食物或药物诱发。即当服用巴比妥、磺胺类等药物后，可使肝脏中以血红素为辅基的氧化反应同时也参与了药物的代谢，导致血红素的消耗增加及含量减少，随后反馈性地增加ALA的合成。因此，患者往往会表现为服药后症状的出现或加重的间隙性发作。 临床潜在的AIP ALA合成酶PBG脱氨酶 甘氨酸＋骁珀酰CoA~ALA--PBG~羚甲基胆色炾夕予血红素临床表现的AIP：青春期以后的神经系统症状表面上看，AIP是由于A LA合成酶合成增加所致，但其根本原因却是PBG脱氨酶缺陷间接作用的结果。（二）基因突变引起功能蛋白正常结构的改变1基因突变对蛋白质结构的原发性损害蛋白质多肤链中特定的氨基酸组成及在此基础上形成的三维立体构象，是其行使正常生理功能的前提条件，也是反映蛋白质功能状态的基本特征。如果基因突变使其结构发生了改变，就可能导致蛋白质正常功能的异常或损害。最常见的形式是：构成球蛋白分子非极性疏水区内的1个或1个以上的非极性或疏水性氨基酸被极性或亲水性氨基酸所取代；或者在该区域有极性或亲水性氨基酸的插入，使原本结构较为紧密的疏水区形成间隙，导致相应蛋白质稳定性的下降和功能改变。这不仅涉及蛋白质一级结构肤链中氨基酸组成的异常，而且也涉及蛋白质次级结构的变化。研究表明，20％以上的血红蛋白病属于这一类型的突变。此类突变往往发生于直接为蛋白质编码的结构基因上。 2.基因突变对蛋白质结构的继发性损害绝大多数蛋白质在翻译合成的过程中或翻译合成后，还须经过一定形式的加工、修饰才能满足其功能的需要。而很多疾病的发生却是因为蛋白质的修饰、加工过程缺陷，继发性地改变和损害了蛋白质的正常结构所致。如Ehlers-Danlo s综合征II型(OMIM#130000)是由于赖氨酸轻化酶的继发性结构缺陷，使得正常胶原分子上的赖氨酸不能被胫化而造成胶原分子间的连接障碍，无法满足细胞组织间胶原网络结构形成的需要，最终引起结缔组织的结构改变和功能紊乱所致。 第三章基因突变的细胞分子生物学效应43 （三）基因突变影响蛋白质的正常亚细胞定位 细胞内各类蛋白质合成后，只有经过准确的修饰加工，正确的折叠，形成特定的空间构象或结构形式，并被定向转运到特定的空间位置，才能发挥、行使其正常的生理功能。只要其中的任何一个环节发生障碍，都可能导致蛋白质功能的异常。 1.影响蛋白质在细胞内转运的原发性缺陷蛋白质的细胞内定位，是由其多肤链的氨基酸组成序列所决定的。如一些由细胞核基因编码的线粒体蛋白，在其多肤链氨基端均含有一段可被线粒体膜受体识别的特殊氨基酸序列，称为导肤或导向序列(leader sequ ence或targeting sequen ce)，这是线粒体蛋白转运所必需的。如果编码导肤序列的基因发生突变，就会导致相关的核编码线粒体蛋白的导入障碍，从而影响到线粒体的正常功能。 甲基丙二酸尿症(methylmalonic aciduria)(OM IM#251000)是一种常染色体隐性遗传病(AR)。该病是由于机体内甲基丙二酰辅酶A狻基变位酶(methylmalonyl CoA mutase)缺乏，使得甲基丙酰CoA不能转变为唬珀酰CoA，造成甲基丙二酸(meth yl maloni c acid, MMA)在线粒体内的堆积所致。然而，该病发生的真正原因则是因为MMA-CoA变位酶氨基端导肤序列的氨基酸残基组成出现错误使该酶不能进入线粒体所致（图3-2)。 胞质 A变位酶多肤） MMA-CoA变位酶 L－甲基丙二酰－CoA~CoA 圉3-2MMA-CoA变位酶与唬珀酰CoA的合成 2.影响蛋白质在细胞内转运的继发性缺陷与上述核编码线粒体蛋白的定位机制不同，另一类型的蛋白质定位是由蛋白质翻译、合成后的修饰所决定。如溶酶体内的酸性水解酶就是通过这一机制实现其胞内转运定位的。正常情况下，酸性水解酶在合成后首先经过糖基化作用，形成带有甘露糖的糖蛋白；该糖蛋白再经磷酸化而形成甘露糖－6－磷酸(mannose-6-phosp hat e, M-6-P); M-6-P残基进而与内质网膜上的M-6-P受体结合，并以出芽的形式形成胞内襄泡；胞内襄泡与溶酶体融合后释放酸性水解酶进入溶酶体。由此可见，酸性水解酶的糖基化及磷酸化是其实现正常转运定位的关键步骤。但是，在某些病理情况下，由于催化甘露糖磷酸化的酶缺陷，结果使酸性水解酶不能正常进入溶酶体，而经由非正常途径释放并积聚于细胞中。 溶酶体酸性水解酶涉及多种物质的分解代谢。其异常分泌必然会导致严重的细胞生物学损伤效应。此类患者可有骨骼发育异常、生长迟缓和智力低下等多种临床表现。体外培养的患者细胞中会看到异常的溶酶体或包涵体(inclusion body)，故称之为包涵体细胞(inclusion-cell, I-cells)。包涵体细胞病又简称为I－细胞病。 （四）突变影响功能性辅基或辅助因子与蛋白质结合或解离许多蛋白质生物学功能的获得，必须依赖于同某些非蛋白辅基(pros th et i c group)或辅助因子(co. fa c t01)的结合或解离。例如，珠蛋白只有在和血红素结合后，才能形成具有气体携带功能的血红蛋白。因此，凡是影响到多肤链与辅基或辅助因子结合／解离的突变，或使辅基与辅助因子的形成、转运过程发生缺陷的突变，都可能成为遗传病发生的分子病理学机制。 1影响辅助因子与蛋白质结合或解离的原发性突变呈常染色体隐性遗传的同型胱氨酸尿症(cyst inuri a type1)(OMIM#220100)是由胱硫酰合成酶(cystathionine synthase)缺陷引起的一种氨基酸代谢病。该症患者临床上表现为多器官损害。其分子病理学机制是由千基因缺陷导致胱硫酪合成酶与其辅助因子磷酸咄哆醒(pyridoxal phosphate)的结合障碍（图3-3)。因此，大剂量的阰哆醋（维生素B6)对该病具有一定的治疗作用。 胱硫酪合成酶甲硫氨酸>千同型胱氨酸－-I~贮胱硫酪>半胱氨酸甲基Bl2\／、J亚甲基－比－叶酸王；二2素BL轻基B2`:2陷食物中维生素B22影响辅助因子与蛋白质结合或解离的继发性突变某些情况下，那些可催化蛋白质分子辅基或辅助因子合成、转运的酶缺陷，或者催化蛋白质与其辅基及辅助因子结合或解离的酶缺陷，也会影响到蛋白质功能活性的获得，从而表现为一种继发性的功能损害。 （五）突变影响蛋白质分子与其功能性亚基及其他因子间的结构组成1.影响蛋白质各组成亚单位之间相互组装的原发性突变对千那些由2个以上亚单位组成的蛋白质而言，其分子构象的改变，往往会影响到亚单位之间的相互聚合，使之不能形成正常的功能结构复合体。例如，proal(I)和proa2(I)基因的突变，会使它们聚合形成1型胶原的组装受阻，造成骨发育不良，引发多种临床病理表现，如成骨不全症I型(osteogenes is imperfect, type I)(OMIM#166200)。 2导致组装后复合蛋白功能结构异常的继发性突变某些多肤链（亚单位）的遗传缺陷，或许并不直接影响蛋白质的聚合与组装，但是在组装后却会造成复合蛋白整体结构和功能的异常而致病，从而表现为继发性的突变损伤效应。较为典型的例证如Zellweger综合征(OMIM#214100)，也称为过氧化物酶体生成障碍(peroxisome biogenesis disorder1A, PBDl A)，导致该征的致病基因为PEXJ。该征存在遗传异质性，致病基因还有PEX2-PEX22，分布在不同的染色体上。 二、基因突变导致蛋白质功能异常 基因突变导致蛋白质功能异常的表现形式主要有以下几种：即丢失功能、增强功能、获得新性状、显性负效应以及异时或异地基因表达等（图3-4)。（一）丢失功能丢失功能(loss of fun c tion)是最常见的基因突变或基因缺失改变蛋白质功能的表现形式。基因突变可发生在基因的编码区，也可发生在基因的调节区。位于编码区的无义突变、移码突变等大多都会导致蛋白质正常功能的丧失，而部分错义突变等可使基因所编码的蛋白质保留部分功能。临床上大第三章基因突变的细胞分子生物学效应突变编码区的突变调控区的突变」 功能性缺失性突变功能性获得性突变 !异常蛋白显性负效应正常结构蛋白功能性缺失性突变畛基因1-令功能性获得性突变畛基因1--Ji，增加量（少数情况）畛基因2--~<＿＿丿显性负效应等位基因1-gj§获得新特征等位基因1-4,（少数情况）等位基因2-~兮部分先天性代谢病出现基因功能的丢失。基因洞节区的动态突变亦可导致基因产物的减少或缺失。如脆性X综合征是由于FMRl基因非编码区的CGG重复扩增所致，当重复次数超过200次以上时就可通过甲基化作用降低该基因的表达而致病。基因缺失包括杂合缺失和纯合缺失2种，前者导致基因编码的蛋白质减少一半，后者导致基因编码的蛋白质完全缺失。如a珠蛋白基因缺失纯合子可导致血红蛋白(Hb)Bart s胎儿水肿综合征。 （二）获得功能 获得功能(gain of function)是最少见的基因突变改变蛋白质功能的表现形式。对千一个特定的基因功能而言，并非越强越好。如果破坏了机体的平衡，获得功能也会造成细胞正常生理功能的紊乱，并最终导致疾病的发生。最典型的例子是Down综合征，多余的21号染色体可导致患者出现智力低下及多种先天畸形。获得功能的另一种形式是因基因拷贝数增加而使基因的功能增强，如外周髓磷脂蛋白22(perip heral myelin protein, PM腔2)基因由于增加了一个拷贝从而导致肺骨肌萎缩症I A型(C h arcot-Marie-Tooth disease type l A, CMTlA)(OMIM#118220)的发生，这是一种最常见的常染色体显性遗传病之一。获得功能的第三种形式是突变蛋白的某些活性比正常蛋白更强。如von Willebrand病I型(OMIM#193400)的致病基因vonWillebrand因子(VWF)存在多种突变形式，其中大多数突变不引起表型改变，但约有1/120左右的个体会出现损伤后出血不止的临床表型。究其原因是因为此类患者体内VWF活性异常增高，促使VWF与血小板的结合能力也相应地增强。当机体损伤出血时，血小板会因与VWF的强力结合而难以解离出来，以致不能接触、依附千血管内皮而发挥其止血功能。 （三）获得新性状 有的基因突变会使突变蛋白获得新性状(gain of novel property)，并赋予突变蛋白致病性。例如锻状细胞贫血症(sickle cell anemia)(OM IM#603903)，因B珠蛋白基因的错义突变使B珠蛋白肤链第6位的谷氨酸被颌氨酸替代而形成一种结构异常的血红蛋白。由于溶解度的下降，使血红蛋白在释放氧后极易形成凝聚体，并使红细胞由圆盘状变为锄刀状，同时降低了红细胞的可塑性。当锁状红细胞通过微小毛细血管时很容易受伤破裂，导致溶血性贫血的发生。在这个例子中，HbS的带氧能力虽未受影响，但获得了自动凝聚的新特性并致病。（四）显性负效应在一对等位基因中，如果其中一个基因突变，另一个基因正常，即使突变基因的功能完全丧失，理论上仍应保留一半的功能，类似于显性遗传病的杂合子。但在某种情况下，突变蛋白不仅自身没有生理功能，还会影响另一个正常蛋白质发挥其生理功能，这种由蛋白质相互作用产生的于涉现象称为显性负效应(domi nant negative effect)。显性负效应通常通过蛋白质亚单位形成多聚体的形式实现的。如原胶原蛋白基因突变导致重型成骨不全(osteogenesis imperfecta, type1, Oll)(OMIM#166200)就是因为I型胶原蛋白的显性负效应所致。已知I型胶原蛋白由2个COLlAl亚单位和1个COL1A2构成的三螺旋体，螺旋区主要由G-X-Y三个氨基酸重复构成，其中G（甘氨酸）为最小的氨基酸，且位于螺旋轴的位置。如果突变导致甘氨酸被其他大的氨基酸所替代，就可能影响整个胶原蛋白的结构，进而改变胶原纤维的三螺旋结构而致病。 （五）异时或异地基因表达 有的基因突变影响基因调节区的序列导致该基因在不适当的时间或在不适当的细胞中表达，即所谓异时或异地基因表达(heteroc h ronic or ectopic gene expression)。如非a珠蛋白基因簇中'Y链在胎儿期高表达，而在出生后迅速下降沿链在胎儿期低表达，而在出生后迅速上升。非a珠蛋白基因簇调节区的基因突变则可使'Y链在出生后持续高表达月七致遗传性胎儿血红蛋白持续症的发生。 三、突变导致组织细胞蛋白表达类型的改变 蛋白质通常可被划分为两类，即持家蛋白(housekeeping protein)和奢侈蛋白(luxury prote i n)。持家蛋白存在千几乎所有的组织细胞类型中，为细胞正常结构和最基本的生命活动的维系所必需。如核酸聚合酶蛋白、核糖体蛋白、细胞骨架蛋白等。而奢侈蛋白则仅仅表达、存在千某些特定的组织细胞类型，是特异组织细胞类型分化及特殊生理功能的标志。如B淋巴细胞中的免疫球蛋白。基因突变往往导致正常组织细胞蛋白表达类型的改变，继而引起细胞功能的异常，甚至发生病理改变。 （一）奢侈蛋白突变 具有组织特异性的奢侈蛋白的突变，不仅可引起其原发细胞组织内部的结构及生理功能异常，而且也能累及其他细胞组织的正常结构或生理功能。更有甚者，奢侈蛋白的突变还可在不影响其原发组织细胞一般结构或生理功能的清况下造成对其他细胞组织的损害。如苯丙酮尿症，患者原发的表型为肝、肾中苯丙氨酸轻化酶的缺陷，造成的后果则是患者的智力低下等异常。 （二）持家蛋白突变 待家蛋白对于维持细胞正常的结构和生命活动是不可或缺的。其一旦发生普遍性的突变，势必会对机体产生极其严重的危害，甚至会产生致死性的效应。但常见的待家蛋白突变，往往只引发局限的临床效应。例如，精氨酸唬珀酸合成酶与精氨酸唬珀酸裂解酶为一类持家蛋白，主要参与精氨酸的合成代谢。但由于它们在肝组织中的高水平表达，催化尿素循环代谢，故又表现出一定的组织特异性。这类持家酶蛋白缺陷的直接生理生化效应，往往是导致尿素循环代谢障碍，而不是影响精氨酸的合成代谢过程。 四、突变蛋白的分子细胞病理学效应与临床表型之间的关系(—)同一基因的不同突变产生不同的临床表型同一基因的不同突变形式往往会导致不同的临床表现，这种现象称为等位基因异质性。如MPZ基因编码在髓鞘中最为丰富的PO蛋白，该基因不同位置的突变均会影响髓鞘的形成而导致神经病第三章基因突变的细胞分子生物学效应变，但疾病类型及临床症状却有明显差别。其中症状较重的为先天髓鞘发育不良性神经病(co ngenital hypomyelinating neuropathy, CHN)(OMIM#605253)，症状相对较轻的为排骨肌萎缩症1B型(Charcot-Marie-Tooth disease1B, CMTl B)(OMIM118200)。产生这种现象的原因常常与一种无义介导的mRNA降解(nonsense-mediated mRNA decay, NMD)机制有关。已知NMD是广泛存在千真核生物细胞中的一种mRNA质械监控机制。该机制通过识别和降解含有提前终止密码子(premature translational-t ermination codon, PTC)的转录产物进而防止有潜在毒性的截短蛋白的产生（图3-5)。一般来说，只有当PTC与其下游临近外显子－外显子连接点复合物(exon-exon jun ction complex, EJC)距离大千或等于50~55个核昔酸时才会触发NMD机制。若PTC与其下游的EJC距离小千50~55个核昔酸时则会逃脱NMD机制。上述CHN症状较重的原因就是因为无义突变使MPZ基因3'端PTC逃脱了NMD作用，从而产生有害的截短蛋白所致；CMTlB症状较轻的原因则是由于引发了NMD作用，从而导致PO蛋白功能缺失所致。 终止密码子 j畦及加工 起始密码子终止密码子 仁一．一 距离 >55个核昔酸///\`5个核昔酸1启动NMD机制，转录产物被降解I I逃脱NMD机制，产生有害截短蛋白I（二）同一基因的不同突变可改变疾病的遗传方式同一基因在不同位置发生基因突变有时会改变疾病的遗传方式。如先天性肌强直是一种以肌强直和肌肥大为主要临床表现的遗传性肌病。该病由一种编码骨骼肌氯离子通道蛋白(skeletal muscle chloride channel-I, CLCNl)的基因突变所致。其中无义突变是该基因较常见的突变类型之一。当无义突变引发NM D机制时可导致氯离子通道蛋白无法合成，继而引发常染色体隐性遗传(AR)的先天性肌强直也称Becker病(OM IM#255700)。突变纯合子患者氯离子通道蛋白显著下降导致全身性肌强直，突变杂合子虽氯离子通道蛋白下降了约50%，但不出现肌强直的临床表现。当无义突变发生在最后一个外显子而无法引发NMD机制时则产生大量异常蛋白，并对机体产生毒害作用，由此导致常染色体显性遗传的肌强直又称Thomsen病(OMIM#160800)，临床表现为肌强直和肌肉肥大。 （三）基因突变引发“无法预测＂的临床效应 遗传病的发生是在一定条件下基因有害突变的必然结果。然而，在很多情况下却又无法估计和预测到某一基因突变是否能够、或者应该还是不应该引起这样或那样的生理生化异常及与之相应的临床表型效应。即便像血红蛋白病、Lesch-Nyhan综合征或自残综合征(self-mutilation syndrome)(OMIM#300322)等巳初步阐明了它们的分子遗传学机制的单基因遗传病，科学家仍不能够解释为什么HbA突变为HbS后，就会发生血红蛋白在缺氧状态下的聚合？也不能理解为什么患者在次黄嗦呤鸟嗦呤磷酸核糖基转移酶(hypoxanthine guanine phosphoribosyltransferase, HGPRT)缺陷后所引起的体内代谢紊乱却会在临床上表现出强迫性自残这样的异常行为。 第二节基因突变引起性状改变的分子生物学机制 1958年，Francis Crick提出的”遗传中心法则(genetic central dogma)＂阐明了核酸、蛋白质之间的相互关系及细胞内遗传信息的传递、表达过程。DNA分子中储存的遗传信息，经过转录、翻译传递到肤链。而后者再进一步形成具有生物学功能活性的蛋白质，并最终表现为细胞的结构和功能性状。这种信息语言的转换和表达过程，不但是基因控制正常遗传性状发育最基本的分子生物学机制，也是基因突变引起各种性状异常和临床疾病发生的基本机制。 —、基因突变引起酶分子的异常 酶是生物体内具有特殊生物催化活性的催化剂。入体细胞中的每一步生化代谢反应，几乎都需要某种专一性酶的催化才能进行和完成。酶又是基因表达的产物，由结构基因突变所引起的酶分子组成与结构的改变，或由调节基因突变所导致的酶合成异常，都有可能造成相关代谢过程的障碍或代谢程序的紊乱。如果这种基因突变发生于生殖细胞或受精卵中，就有可能传递给后代，从而产生相应的先天性代谢缺陷(inborn errors of m e tabolism)或遗传性酶病(h ered i tai·y enzymopathy)。 （一）结构基因突变引起的酶蛋白结构异常 酶有单体酶与复合酶之分。前者仅由酶蛋白组成；后者，除酶蛋白外尚含有某种辅基或辅助因子。但无论是何种类型，其催化活性都是建立在与其催化功能相适应的特定三维空间构象基础之上的。 所有结构基因突变，除同义突变一般不会引起酶蛋白结构异常外，其他突变形式都有可能造成酶分子特定立体构象不同程度的改变。空间构象变化引起的酶活性异常，主要表现为以下几种形式：心酶的功能活性完全丧失；＠尚具有一定的功能活性，但其稳定性降低，极易被降解而失去活性；＠酶与其作用底物的亲和性降低，以致不能迅速、有效地与之结合，造成代谢反应的延滞；＠酶蛋白与辅助因子的亲和性下降，影响了酶的正常活性。 （二）调节基因突变引起的酶蛋白合成异常 基因是一个可调控的遗传功能表达单位。每一个结构基因的构成，除了其转录序列外，还含有侧翼的非转录调控序列。此类调控序列突变，或者使基因转录的启动发生障碍，不能进行mRNA的合成；或者造成转录速率下降，影响mRNA合成的产量。这些改变最终都导致酶蛋白的缺失，或酶蛋白合成量的不足而引发的代谢缺陷。 二、酶分子异常引起的代谢缺陷 人体细胞内的绝大多数生理活动都是建立在一系列相互联系的级联生化反应基础之上的。而在这些级联反应中，每一步几乎都是在特定的酶或酶系的催化下实现和完成的。因此，酶是实现机体细胞内各种生命活动过程最为直接、极其关键的重要因素之一。 （一）酶与代谢反应的关系 如图3-6所示，作为某种代谢反应的原初底物A，在细胞膜上的转运系统兀（通常也是一种酶或具有酶活性的膜功能结构蛋白）的作用下进入细胞内，然后在酶EAB的催化下，转变为初级代谢产物B; B又在酶EBC、ECD的催化作用下依次转化为其代谢的次级中间产物C和代谢的终产物D。A物质的代谢除了沿上述A---->B一C---->D这一主要途径进行外，某种条件下还可能在其他相应酶类的作用下沿着A一F---->G这一次要的代谢旁路进行。由此可见，每一个代谢反应途径，以及由此所产生的各种中间代谢产物的最终去向，均和参与催化该代谢反应的酶密切相关。换言之，即在一定条件下，酶能够决定体内代谢反应的类型和反应的途径及去向。 同时，从图3-6还可以看出，在体内复杂的代谢反应过程中，参与代谢过程的各种物质，往往表现第三章基因突变的细胞分子生物学效应49出作为反应底物和反应产物的双重属性，以及彼此之间互为底物与产物的交错关系。而这种属性与相互关系，又构成了体内普遍存在的反馈调节机制的基础。 DNA（基因）AB BC CD _[．仁口「一·「厂－n_ mRNA恼恼恼 反应途径 酶 A 』-A一 TAEAB —>B_EBC＿c—二（二）酶缺陷对代谢反应的影响1酶缺陷造成代谢底物缺乏绝大多数非脂溶性或极性的小分子物质（如葡萄糖、氨基酸等）都必须依赖千膜转运酶的作用才能进入细胞内作为某种代谢活动的原初反应底物而引发相应的代谢反应。一旦与之相关的膜转运酶缺陷或异常，就会造成代谢底物的缺乏而阻碍和影响整个代谢过程的发生，最终引发一系列的疾病症状。例如，呈常染色体隐性遗传的色氨酸加氧酶缺乏症(t ty ploph a n如xyge nase)(OMIM*191070)，由于患者肠黏膜上皮细胞膜上缺乏转运色氨酸的色氨酸加氧酶，使色氨酸不能被吸收。如图3-7所示，作为多种代谢的原初反应底物，其转运障碍使得细胞内烟酰胺、5－轻色胺等重要物质不能正常合成，从而导致整个机体的生理活动紊乱。该类患者主要表现为：反复发作的小脑运动失调；皮肤粗糙、色素沉积、表皮溃烂等临床症状。 2酶缺陷导致代谢产物堆积酶缺陷导致的代谢产物堆积，可能造成两种情况的发生。 (I)堆积产物对机体的直接危害：例如半肠腔1小肠黏膜上皮细胞乳糖血症(galactosemia)(OMIM#230400)，就是色胺因为患者体内半乳糖－l－磷酸尿昔酰转移酶色氨酸干户色氨酸《->烟酰胺-酶的辅助因子(G-1-PUT)的缺乏，导致代谢的中间产物半乳糖5－胫色胺-神经递质与半乳糖－1－磷酸在血液中的大量堆积所致。该病新生儿的发病率约为1/400000-1/60000; T:色氨酸加氧酶患儿在哺乳后表现出呕吐、腹泻，继而出现拒乳图3-7色氨酸代谢等胃肠道症状。随着病情的发展、加重，还会出现黄疽、肝硬化、腹水和智力低下等肝、脑损害症状。图3-8示半乳糖的体内代谢途径。 (2)堆积底物或产物激发代谢旁路开放：某些时候，催化主要代谢途径的酶缺陷所堆积的底物或产物，其本身并不造成对机体的直接危害。但是，却会导致某些代谢旁路的激活，使得反应沿次要的途径进行，结果导致某些代谢副产物的堆积，并引发相应的疾病。 从图3-9所示苯丙氨酸的不同代谢途径可理解苯丙酮尿症(phenylk e tonuria, PKU)(O MIM#261600)的发生机制。由于患者体内苯丙氨酸胫化酶的缺乏，使得苯丙氨酸不能转化为酪氨酸这一主要的代谢途径，结果导致其代谢旁路的开放，转而形成了苯丙酮酸；因为苯丙酮酸堆积对神经系统的毒性作用，影响了患者智力的正常发育，表现为严重的智力低下等临床表现。 3酶缺陷导致代谢终产物缺乏在机体细胞内的物质代谢级联反应中，酶的缺陷出现在其整个过程的任何一个环节或步骤，都可能导致正常反应途径受阻或中断，造成某些必需代谢终产物的缺半乳糖醇蛋白质蛋白质@4黑色素乳糖肠乳糖酶..半乳糖＋t葡萄糖苯丙i氨酸t----I-酪氨酸it下—-尸多巴乙，—、__.JL茶酚胺AA:)』半乳糖激酶i°}、\\苯丙酮酸尿黑酸甲状腺索半乳糖l－磷酸图3-8半乳糖的体内代谢途径图3-9苯丙氨酸的代谢途径CD苯丙酮尿症缺陷部位；＠尿黑酸尿症缺陷部位；＠白化病缺陷部位例如，白化病(albin i sm)是因为患者上皮组织黑色素细胞内酪氨酸酶的缺乏，使得酪氨酸氧化受阻，不能产生其正常的代谢终产物黑色素所致。该病呈常染色体隐性遗传，群体发病率约为1/10000。患者表现为皮肤浅红或白化；毛发淡黄或银白；虹膜及脉络膜浅红、畏光等。 4酶缺失导致反馈调节失常在体内一系列级联反应中形成的某些代谢产物，往往会反过来影响、调节其初始的或前一反应步骤的进行以及反应速率，此即所谓的反馈调节。某些酶的缺陷，若导致此类产物生成的减少或缺失，就可能造成这种自我反馈调节作用的失常，扰乱细胞代谢相对恒定、相互协调的运转秩序，从而引起机体疾病的发生。 以先天性肾上腺皮质增生症(congenitaJ adt·enal hyperplasia)(OM IM#201910)为例，其主要发病原因是由千体内21-轻化酶的缺陷，使得孕酮及17C\'.一胫孕酮不能在llB－胫化酶的作用下按正常的生化反应转化成醒固酮与可的松等盐皮质激素和糖皮质激素，却产生了大量的雄烯二酮和睾酮。患者血液中皮质激素的缺乏，反馈性地促使垂体过量分泌促肾上腺皮质激素(ACTH)，导致肾上腺皮质的增生。其结果依然不能使皮质激素合成增加，却造成了睾酮等性激素继续大盘合成（图3-lO)。该病表现为常染色体隐性遗传方式。男性患婴刚出生时，其外生殖器正常或稍大。但体重很快就会增加，出现阴毛、腋毛等一系列假性早熟现象。女性患,＿＿＿＿＿＿＿＿_＿＿＿＿＿_＿＿>脑垂体婴一出生即有阴蒂肥大，大阴唇发育等外生殖胆固醇----ACTH i----,器异常；多数从3岁开始出现阴毛等假性早熟CD/＇，＇\、`2孕烯陪酮——-:-na羚孕烯醇酮\万去氧表雄酮 现象；此后，则会随着年龄的增长继而出现男性化的性畸形症状。 人体及细胞内的代谢活动十分复杂。同一孕酮———一陷孕酮~雄烯t酮代谢过程的不同反应步骤之间，不同代谢途径醋固酮可的松睾酮之间，往往都有着各种形式的相互联系。或互t为促进，或彼此制约，形成了以反馈作用为其主皮质素雌二醇上----~-----__,,要形式的生理活动及调节体系。在这一体系图3-10肾上腺皮质激素的合成与调节中，各种酶具有至关重要的作用。参与调节体(Dl7ct-轻化酶；＠17,20裂解酶；＠llB－轻化酶系反应催化的任何一种酶的缺陷，都可能造成代谢反应中某些底物的堆积或产物的缺乏；或者改变正常的代谢途径和反应方向，最终导致机体生理代谢功能的紊乱。然而，毋庸置疑的是，“基因突变一基因缺陷一酶缺陷一代谢功能紊乱”是遗传性代谢疾病产生的最基本机制。 第三章基因突变的细胞分子生物学效应51 三、非酶蛋白分子缺陷导致的分子病 基因突变除引起酶蛋白分子缺陷而导致代谢性疾病的发生之外，还可以通过影响非酶蛋白分子的结构和数量，从而改变机体细胞的生物学性状，并最终导致机体遗传性状的异常。因此，一般将由非酶蛋白分子结构和数量的异常所引发的疾病，统称为分子病(molec ul狙小sease)。比如由某些运输蛋白、免疫蛋白缺陷所引发的疾病，皆属此类。 代谢病与分子病，只是根据相应蛋白质的主要功能特性而进行的一种相对的划分，两者之间并无本质上的区别：首先它们有着共同的分子遗传学基础，即都涉及遗传物质的异常；其次，许多蛋白质同时兼有作为细胞和机体内某些结构组分、物质运输及生物催化的多重功能。所以，也有人把这两类疾病通称为生化遗传病。相关内容的举例详见第十章单基因病。 基因突变通常对蛋白质的结构和功能产生4方面的影呴：心导致异常蛋白质的生成；＠导致蛋白质产生异常的功能效应，包括功能失去、功能荻得、荻得新特性、显性负效应、异时或异位基因表达等；＠导致组织细胞中蛋白质表达类型的改变，如奢侈蛋白突变和持家蛋白突变；＠涉及蛋白质的分子细胞生物学效应与相应临床表型之间的关系，如同一基因的不同突变可产生多种表型。基因突变引起性状改变的分子生物学机制主要有三种形式：心基因突变引起酶分子异常；＠酶分子异常引起代谢缺陷；＠非酶分子缺陷导致分子病。通过本章学刁，将有助于学生较力深入地理解基因突变导致遗传病的细胞分子生物学效应。 1基因突变导致蛋白质功能异常的表现形式有哪几种？请举例说明之。 2.简述基因突变引起性状改变的分子生物学机制。 3.酶缺陷如何引起各种代谢紊乱并导致疾病？ 4.简述苯丙酮尿症(PKU)发病的分子机制及主要临床表现。 5简述突变蛋白的分子细胞病理学效应与临床表型之间的关系。（顾呜敏） 第四章单基因病的遗传 单基因遗传病(monogenic disease, single-gene d i so rder)，简称单基因病，是由一对等位基因控制而发生的遗传性疾病，这对等位基因称为主基因(m aj or gene)。单基因遗传病的遗传可分为核基因的遗传和线粒体基因的遗传两种，后者属于细胞质遗传，将在第七章中介绍。核基因遗传的单基因遗传病在上下代之间的传递遵循孟德尔定律，因此也称为孟德尔遗传病，根据致病主基因所在染色体和等位基因间显隐关系的不同，包括五种遗传方式：心常染色体显性遗传；＠常染色体隐性遗传；＠X连锁显性遗传；＠X连锁隐性遗传；＠Y连锁遗传。 第一节系谱与系谱分析 经典的孟德尔遗传学研究主要是通过杂交实验统计由不同亲代杂交产生后代的数目和性状，以此来进行判断和分析。研究人类性状的遗传规律不能采用杂交实验的方法，只能对具有某种性状的家系成员进行观察，并分析该性状在家系后代中分离或传递的方式，这种方法称为系谱分析(ped i gree analysis)。所谓系谱(pedigree)是从先证者(proband)或索引病例(i ndex case)开始，追溯调查其家族各个成员的亲缘关系和某种遗传病的发病（或某种性状的分布）情况等资料，用特定的系谱符号按一定方式绘制而成的图解（常用系谱绘制符号见图4-l)。先证者是指该家族中第一个就诊或被发现的I]()常染色体性状的杂合子e. 性连锁隐性双卵双生儿性状的携带者 先证者/单、双卵未知双生儿 已死亡个体 口厦 出生前死亡 号代 员 序 第成为中者代系证后家先无 流产 收养儿 送养儿 第四章单基因病的遗传 患病（或具有某种性状的）成员。一个完整的系谱至少要包括三代以上家族成员的相关信息，既包括家族中患有某种疾病（或具有某种性状）的个体，也包括家族中的正常成员。 在对某一种遗传病或性状进行系谱分析时，有时仅依据一个家族的系谱资料不能准确反映出该病或该性状的遗传方式，这时就需要将多个具有相同遗传病或性状的家族系谱作综合分析（统计学分析），才能作出准确而可靠的判断。根据系谱，可以对家系进行回顾性分析，以便确定所发现的某一疾病或性状在该家族中是否有遗传因素的作用及其可能的遗传方式；还可以通过系谱对某一遗传病家系进行前瞻性遗传咨询，评估某一家庭成员的患病风险或再发风险。 第二节常染色体显性遗传病的遗传 如果一种遗传病的致病基因位千l~22号常染色体上，在杂合子的情况下可导致个体发病，即致病基因决定的是显性性状，这种遗传病就称为常染色体显性(au toso m al dominan t, AD)遗传病。 —、短指（趾）症A1型 1903年，W心am Curtis F釭abee首次报道了一个入类短指（趾）症的遗传家系（图4-2)，该家系的5代人中超过30人为患者，大约占了家庭总人口的一半。1951年，Julia Bell根据指（趾）的畸形情况将该家系归于短指（趾）症Al型(brac hydactyly, type Al, BDAl)(OMIM#112500)，这也是有记录的第一种孟德尔显性遗传病。 短指（趾）症A l型患者的主要症状是身材明显变矮，手变得更宽，所有的指（趾）骨都比正常人成比例的缩短；中间指（趾）骨缺失或与末端指（趾）骨融合，大拇指和大脚趾近端指（趾）骨变短；不论中间指（趾）骨缩短还是缺失，远端指（趾）关节都不会形成。 2001年，定位于2q35的IHH基因(OMIM*600726)被确定为短指（趾）症Al型的致病基因。IHH基因除了调控软骨细胞的增殖和分化以外，对远端肢体骨骼的发育和关节的形成也是必需的。!HH基因突变破坏了骨骼组织中Hedgehog蛋白与相关蛋白之间的相互作用，最终导致中间指（趾）骨的发育异常甚至缺失，引起骨骼发育畸形，形成短指（趾）症A l型的表型。 其他一些常见且主要的常染色体显性遗传病见表4-1。 疾病中文名称疾病英文名称OMIM致病基因定位软骨发育不全achondroplasia#1008004pl6.3脊髓小脑性共济失调1型spinocerebellar at赵a1#1644006p22.3多指（趾）轴后Al型polydactyly, postaxial, type Al#1742007p14. I急性间歇性扑啾症porphyria, acute intermjttent#176000ll q23.3＼仆炕i二、婚配类型与子代发病风险如果用A代表决定某种显性性状的等位基因，用a代表与其相应的隐性等位基因，那么在完全显性(compl e t e dom i nance)的情况下，杂合子(Aa)与显性纯合子(AA)的表型完全相同，即在杂合子(Aa)中，显性基因A的作用完全表现出来，而隐性基因a的作用被完全掩盖，从而使杂合子表现出与显性纯合子完全相同的性状。 亲代(Aa)（患者）最常见的常染色体显性遗传病家系是一个A a患者和一个正常人之间的婚配。假设显性致病基因为A，隐性正常基因为a，则患者基因型应为a AA或Aa，但实际上绝大多数患者的基因型为亲代(aa)（正常）Aa，而不是AA。因为根据分离律，基因型AA中a的两个A，必然一个来自父方，一个来自母方。这样，只有当父母都是该遗传病患者时，才有1/4子代表现型正常(aa)患者(Aa)的可能生出AA型子女，由于致病基因的频率一概率1/21/2般都很低，这种婚配机会在实际生活中很难看概率比到。现实社会中看到的一般是杂合子患者(Aa)图4-3染色体显性遗传病杂合子患者与正常人婚配与正常人(aa)之间的婚配，其所生子女中，大约图解有1/2是患者（图4-3)，也就是说这对夫妇每生一个孩子，都有1/2的可能性生出患儿。 三、常染色体完全显性遗传的特征 通过上述系谱分析，可见常染色体完全显性遗传的典型遗传方式有以下特点：心由千致病基因位于常染色体上，因而致病基因的遗传与性别无关，即男女患病的机会均等。＠患者双亲中必有一个为患者，致病基因由患病的亲代传来，此时患者的同胞有1/2的发病可能；双亲无病时，子女一般不会患病（除非发生新的基因突变）。＠患者的子代有1/2的发病可能。＠系谱中通常连续几代都可以看到患者，即存在连续传递的现象。 根据这些特点，临床上可对常染色体显性遗传病进行发病风险的估计。例如，夫妇双方中有一人患病（杂合子），那么子女患病的可能性为1/2；如果夫妇双方都是患者（均为杂合子），则子女患病的可能性为3/4。 第三节常染色体隐性遗传病的遗传 一种遗传病的致病基因位于常染色体上，其遗传方式是隐性的，只有隐性致病基因的纯合子才会发病，称为常染色体隐性(au tosomal recessive, AR)遗传病。带有隐性致病基因的杂合子本身不发病，但可将隐性致病基因遗传给后代，称为携带者(c an-ier）。广义地说，携带者是指携带有某种致病基因或异常染色体，但本身并不表现出临床症状的个体，虽然携带者本身并不发病，但可能会将致病基因或异常染色体传递给后代，导致后代发病。 —、眼皮肤白化病IA型 眼皮肤白化病I A型(albini sm, oculocutaneous, type I A, OCAl A)(OMIM#203100)是一种遗传性代谢病，也是较为常见的常染色体隐性遗传病之一。眼皮肤白化病I A型是酪氨酸酶合成障碍引起的疾病，患者体内酪氨酸酶基因(OM IM*606933)突变导致酶活性丧失，不能有效地催化酪氨酸转变为多巴，进而不能形成代谢终产物黑色素，导致白化病（详见第十章）。 其他一些常见且主要的常染色体隐性遗传病见表4-2。 疾病中文名称疾病英文名称OMIM致病基因定位苯丙酮尿症phenylkelonuria#26160012q23.2半乳糖血症galac tosem垃#2304009p13.3糖原贮积病I a型glycogen storage disease I a#23220017q21.31尿黑酸尿症Alkaptonuria#2035003ql3.33Tay-Sachs病Tay-Sachs disease#27280015q23毛细血管扩张性共济失调ata,,:ia-telangieclasia#208900llq22.3Bloom综合征Bloom syndrome#21090015q26. I Wil so n病（肝豆状核变性）Wilson disease垃7790013ql4.3板层状鱼鳞病l型ichthyosis, larnellar, I#24230014ql2同型胱氨酸尿症homocystinmia#2362002lq22.3无过氧化氢酶血症acatalasemia t/f,1409711pl3铀状细胞贫血症sickle cell anemia#603903ll pl5.4B地中海贫血beta-thalassemia#61398511pl5.4二、婚配类型及子代发病风险在常染色体隐性遗传病家系中最常见的是两个杂合携带者(A axAa)之间的婚配，每次生育的发病风险为1/4（图4-4)。实际上，人群中最多的婚配类型应该是杂合携带者与正常人(AaxAA)之间的婚配，子代表型全部杂合亲代(Aa)（携带者） 杂合亲代(Aa)（携带者） 子代表现型正常(AA)表型正常的携带者(Aa)患者(aa)概率1/42/41/4概率比2正常，但其中将有1/2是携带者（图4-5)。 杂合亲代(Aa)（携带者） 纯合亲代(AA)（正常） 子代表现型正常(AA)表型正常的携带者(A a)概率l/21/2概率比在某些高发的常染色体隐性遗传病中，可能会看到杂合携带者与患者之间的婚配(Aaxaa)，这时子代中将有一半为患者，另一半为携带者（图4-6)。这种家系由于连续两代出现患者，子代分配比例类似显性遗传方式，不易与常染色体显性遗传病区分。当近亲婚配家庭中出现这样的系谱时，也应考虑常染色体隐性遗传病的可能性。 杂合亲代(Aa)（携带者） 纯合亲代(aa)（患者） 子代表现型患者{aa)表型正常的携带者(Aa) 概率1/21/2 概率比 婚配图解 患者相互婚配(aaxaa)时，子女无疑将全部受累。由千隐性致病基因少见，这种婚配的可能性极少，只有在发病率高的常染色体隐性遗传病中才能见到。 三、常染色体隐性遗传的特征 一般认为，常染色体隐性遗传的典型系谱有如下持点：心由于致病基因位千常染色体上，因而致病基因的遗传与性别无关，即男女患m病的机会均等c®患者的双亲表型往往正常，但都是致病基因的携带者。＠患者的同胞有1/4的发病风险，患者表型正常的同胞中有2/3的可能为携带者；患者的子女一般不发病，但肯定都是携带者。＠系W谱中患者的分布往往是散发的，通常看不到连续传递现象，有时在整/个系谱中甚至只有先证者一个患者。©近亲婚配(consanguineousGU图4-7常染色体隐性遗传的典型man·iage)时，后代的发病风险比随机婚配明显增高。这是由于他们有t`.'.'J系谱共同的祖先，可能会遗传到同一个隐性致病基因（图4-7)。 第四章单基因病的遗传57 四、常染色体隐性遗传病分析时应注意的两个问题（一）临床上对患者同胞发病风险的统计常常高于预期的1/4在临床上所看到的常染色体隐性遗传病家系中，常常出现患者人数占其同胞人数的比例高于理论上的1/4的现象，这是由于选择偏倚(selection deviation)所致。在常染色体显性遗传病家系中，每一个携带有显性致病基因的个体都会因发病而被确认，所得数据完整，接近于1:1的比例，称为完全确认(comple te asce1tainmen t)；而在常染色体隐性遗传病家系中，一对夫妇都是携带者，只有子女中有1个以上患病者的家庭才会被确认，而无患病子女的家庭将被漏检，称为不完全确认(i ncomple t e ascertainmenl)或截短确认(truncate ascertainmen t)。 如果一对夫妇都是携带者，他们只生一个孩子，这个孩子患病的可能为1/4，将被检出；而这个孩子不患病的可能为3/4，将被涌检，所以在只生一个孩子的家庭中，子女患病比例为100%。如果一对夫妇都是携带者，他们生有两个孩子，这两个孩子都患病的可能为1/4xl/4=1/16，将被检出；两个孩子中有一个患病的可能为(l/4x3/4)+(3/4X1/4)=6/16，也会被检出；而两个孩子都正常的可能为3/4x3/4=9/16，将被漏检，这样在所有生两个孩子的家庭中，子女中患病比例为4/7，远高千预期的1/4。事实上，在生育子女数目更多的家庭中，也会存在这种选择偏倚。因此在计算常染色体隐性遗传病患者同胞的发病比例时，常采用Weinberg先证者法进行校正，校正公式为C=I,a(s-1)。这里C为校正比例；a为先证者人数；r为同胞中的受累人数；s为同胞人数。其基本原理是将先证者从统计中去除，仅计算先证者同胞的患病频率。 例如，一项对11个苯丙酮尿症患者家庭的调查结果见表4-3，在总共23名同胞中，患病者有14人，发病比例为14/23=0.6087，大大高千1/4的理论值。如使用校正公式进行计算，则C=3/12=1/4，符合常染色体隐性遗传病的理论发病比例。 患病家庭s r a a(r-1)a(s-1) 10321142总计2314113l2 （二）近亲婚配明显提高常染色体隐性遗传病的发病风险近亲(close relatives)是在3~4代以内有共同祖先的个体间的关系，他们之间通婚称为近亲婚配。由于继承的关系，两个近亲个体可能携带有从共同祖先传来的相同基因，他们的后代出现等位基因纯合子的可能性会明显增大。两个近亲个体在某一基因座上具有相同基因的概率称为亲缘系数(coeffi cient of re l a ti o nship)。根据亲缘系数的大小，可将血亲分成不同的亲属级别。 一级亲属包括亲子关系和同胞关系，他们之间的亲缘系数为1/2，即他们之间基因相同的可能性为1/2。与亲子关系不同，同胞之间1/2的亲缘系数只是一种概率估计，实际情况可能大于或小于1/2；二级亲属包括一个个体的祖父母、外祖父母、双亲的同胞、同胞的子女和子女的子女等，他们之间的亲缘系数为1/4，即他们之间基因相同的可能性为1/4；三级亲属泛指亲缘系数为1/8，即基因相同的可能性为1/8的近亲之间的关系；其他亲属级别依此类推，亲属级别每远一级，基因相同的可能性减少1/2。 假如一种常染色体隐性遗传病的携带者频率为1/100，一个携带者随机婚配时后代的发病风险为1xl/lOOxl/4=1/400；而其与表亲（三级亲属）婚配，后代的发病风险为lx l/8xl/4=1/32，比随机婚配的风险高12倍以上。通常，一种常染色体隐性遗传病在群体中携带者的频率越低，近亲婚配后代的相对发病风险就越高。因此，一些罕见的常染色体隐性遗传病患者往往是近亲婚配的后代。 第四节X连锁显性遗传病的遗传 由性染色体上的基因所决定的性状在群体分布上存在着明显的性别差异。如果决定一种遗传病的致病基因位千X染色体上，带有致病基因的女性杂合子即可发病，称为X连锁显性(X-link e d dominant,XD)遗传病。 男性只有一条X染色体，其X染色体上的基因不是成对存在的，在Y染色体上缺少相对应的等位基因，故称为半合子(hemizygote)，其X染色体上的基因都可表现出相应的性状或疾病。男性的X染色体及其连锁的基因只能从母亲传来，将来又只能传递给女儿，一般不存在男性一男性的传递，这种传递方式称为交叉遗传(cri ss-cross inheri lance)。 对于X连锁显性遗传病来说，女性有两条X染色体，其中任何一条X染色体上存在致病基因都会发病，而男性只有一条X染色体，所以女性发病率约为男性的2倍。然而男性患者病情较重，而女性患者由于X染色体的随机失活，病情较轻且常有变化。 —、低磷酸盐血症性侚倭病 低磷酸盐血症性侚倭病(hypophosphatemic rickets)(OMIM#307800)又称抗维生素D性侚倓病(v itamin D-resistant rickets)是Fuller Albright在1937年首先报道的，也称为Albrig旧综合征(Albright syndrome)。患儿由于肾小管对磷酸盐的再吸收障碍，在新生儿期即可检测出低磷酸盐血症，碱性磷酸酶活性在出生一个月即升高。患儿多于1周岁左右发病，表现出骨骼发育畸形、生长发育迟缓等侚倭病症状和体征。大剂量维生素D治疗不能纠正其生长发育异常。与一般侚倭病不同的是，患儿不表现出肌病、抽摇和低钙血症。女性患者多为杂合子，数目虽多千男性患者，但病情较轻，少数只有低磷酸盐血症，没有明显的侚倭病骨骼变化（图4-8)。 低磷酸盐血症性侚倓病的致病基因PHEX(OMIM*300550)于1997年被克隆。PHEX定位于Xp22.11，有18个外显子，产物长749个氨基酸残基，该蛋白质属于Il型膜整合的锌离子依赖性内肤酶家族，在牙发育、骨质矿化和肾磷代谢平衡方面起重要作用。点突变和缺失是导致疾病发生的主要原因。 第四章单基因病的遗传 其他一些常见且主要的X连锁显性遗传病见表4-4。 疾病中文名称疾病英文名称OMIM致病基因定位鸟氨酸氨甲酰转移酶缺乏症omithine transcarbamylase deficiency, hy-#311250Xpl1.4perammonemia口面指综合征I型orofaciodigital synd rome I#311200Xp22.2Alport综合征Alport syndrom e, X-link ed#301050Xq22.3小眼畸形血crophthalmia, syndromic7#309801Xp22.2色素失调症mcontinentia pigme nti#308300Xq28X连锁显性遗传病的显性致病基因在X染色体上，只要一条X染色体上存在突变基因（即女性杂合子或男性半合子）即可致病。男性半合子患者(X11Y)与正常女性(XXr)婚配的系谱见图4-9。由千交叉遗传，男性患者的致病基因一定传给女儿，而不会传给儿子，所以女儿都将是患者，儿子全部为正常。 半合子男性患者(XRY) 正常女性(XX) 子代表现型杂合女性患者(XRX)正常男性(XY)概率1/21/2概率比女性杂合子患者(XRX＇）与正常男性(XrY)婚配的系谱见图4-10，类似于常染色体显性遗传，关键在于因为交叉遗传，X连锁的遗传病通常看不到父到子的传递。 正常男性(XY) 杂合女性患者(XRX) 子代表现型正常女性(XX)杂合女性患者(XRX)正常男性(XY)半合子男性患者(XR Y)概率1/41/41/41/4概率比X连锁显性遗传的典型系谱有如下特点：心人群中女性患者数目多于男性患者，在罕见的XD遗传病中，女性患者的数目约为男性患者的2倍，但女性患者病情通常较轻。＠患者双亲中一方患病；如果双亲无病，则来源于新生突变。＠由千交叉遗传，男性患者的女儿全部都为患者，儿子全部正常；女性杂合子患者的子女中各有50％的可能性发病。＠系谱中常可看到连续传递现象，这点与常染色体显性遗传一致。 第五节X连锁隐性遗传病的遗传 如果决定一种遗传病的致病基因位于X染色体上，且为隐性基因，即带有致病基因的女性杂合子不发病，称为X连锁隐性(X-linked recessive, XR)遗传病。 一、血友病A 血友病A(hemoph山a A)(OMIM#306700)是一种X连锁隐性遗传的凝血障碍性疾病，为临床上最常见的血友病，占血友病患者数的80%-85%。血友病A患者因血浆中凝血因子VIII缺乏导致凝血功能障碍，易出现牙跟出血、皮下组织淤血等症状，在轻微外伤、小手术后长时间出血不止，关节腔出血会导致关节肿胀、甚至畸形。致病基因F8(MIM*300841)定位于Xq28（详见第十章）。历史上有一个著名的血友病A家系，其第一代致病基因携带者为19世纪英国的维多利亚女王，致病基因通过通婚而传到欧洲多个国家的皇室成员（图4-11)，因此血友病A又被称为“皇室病”。 第四章单基因病的遗传 —、婚配类型和子代发病风险 在X连锁隐性遗传家系中最常见的是表型正常的女性杂合子携带者(XA X")与正常男性(XAY)之间的婚配，子代中儿子将有50％受累，女儿不发病，但50％为携带者（图4-12)。 正常男性(XY) 携带者女性(X"X) 子代表现型正常女性(XX)携带者女性(X"X)正常男性(XY)半合子男性患者(XOY)概率1/41/41/41/4概率比图4-12X连锁隐性遗传病女性杂合子携带者与正常男性婚配图解男性半合子患者(X"Y)与正常女性(XA XA)之间的婚配，所有子女的表型都正常，但由千交叉遗传，父亲的xa一定传给女儿，因此所有女儿均为杂合子携带者（图4-13)。 半合子男性患者(XaY) X X次XY正常女性(XX) 子代表现型携带者女性(XaX)正常男性(XY)概率2/42/4概率比偶尔在人群中还能看到男性半合子患者(XaY)与女性杂合子携带者(XAX”)之间的婚配，子女有1/2会发病，类似于常染色体显性遗传的系谱传递，且由于交叉遗传，所以表型正常的女儿均为杂合子携带者（图4-14)。 半合子男性患者(XaY) 杂合女性携带者(XAX0) 子代表现型杂合女性携带者(XAXa)女性患者(XOX°)正常男性(XAY)半合子男性患者(X"Y)概率1/41/41/41/4概率比图4-14X连锁隐性遗传病男性半合子患者与女性杂合子（携带者）婚配图解X连锁隐性遗传的典型系谱有如下特点：心人群中男性患者远多于女性患者，在一些罕见的XR遗传病中，往往只能看到男性患者。＠双亲无病时，儿子有1/2的可能发病，女儿则不会发病，表明致病基因是从母亲传来的；如果母亲不是携带者，则来源千新生突变。＠由于交叉遗传，男性患者的兄弟舅父姨表兄弟、外甥、外孙等也有可能是患者；患者的外祖父也可能是患者，这种情况下悲者的舅父一般不发病。＠系谱中常看到几代经过女性携带者传递、男性发病的现象；如果存在女性患者，其父亲一定是患者，母亲一定是携带者。 第六节Y连锁遗传病的遗传 如果决定某种性状或疾病的基因位千Y染色体，随Y染色体而在上下代之间进行传递，称为Y连锁遗传(Y-linked inheritance)。Y连锁遗传的传递规律比较简单，具有Y连锁基因者均为男性，这些基因将随Y染色体进行父一子一孙的传递，因此又称为全男性遗传(holandric inheritance)。 目前已经定位在Y染色体上的基因有54个，其中主要的有睾丸决定因子基因(SRY)(OMIM*480000)和外耳道多毛症基因(OMIM425500)等。图4-15为一个外耳道多毛症系谱，系谱中全部男性均有此性状，即到了青春期，外耳道中可长出2~3cm成簇的黑色硬毛，常可伸出耳孔之外，系谱中所有女性均无此症状。 第四章单基因病的遗传 第七节影响单基因遗传病分析的因素 以上介绍了单基因疾病遗传的几种主要遗传方式及特点。理论上，各种单基因遗传的性状在群体中呈现出各自不同的传递规律。对于一种遗传性疾病，通过多个家系的调查和系谱分析，即可对该疾病的遗传方式作出初步估计，也可预测家系中子女的发病风险。但在实际工作中，由于受到遗传背景或环境因素的影响，某些突变基因性状的遗传存在着许多例外情况。 —、拟常染色体遗传 一般来说，X连锁基因在减数分裂I时发生的重组仅限千女性的两条同源的X染色体之间。但是，在人类X和Y染色体的长臂和短臂末端存在部分高度同源的DNA序列，这一区域内的染色体片段在减数分裂I时可发生类似常染色体的联会和染色体互换，称为拟常染色体区。在男性精子发生的减数分裂过程中，位千X和Y染色体拟常染色体区的基因可以发生重组，导致X染色体的基因交换到Y SHOX SHOXY染色体的同源区段上，并可能传递给男性后代，出现类似于常染色体显性的男－男传递现象，这种遗传方式就称为拟常染色体遗传(pseudoautosomal inheritance)。 Leri-Weill软骨骨生成障碍(Leri-Weill dyschondrosteosis)(OMIM#127300)是一种显性遗传的骨骼发育异常，其特征是身材矮小、前臂畸形。在人群中，L如－Weill软骨骨生成障碍女性患者的人数远远多于男性患者，系谱分析提示该病是一种X连锁显性遗传病，但该病症男－男遗传的存在排除了严格意义上的X连锁遗传方式。分子生物学研究表明，本病的致病基因是位于拟常染色体区Xp22.33的SHOX基因和Ypl1.2的SHOXY SHOXY基因示意图基因（图4-16)。 二、亲代印记的遗传学效应 根据孟德尔遗传定律，位于常染色体的各等位基因自双亲遗传给子代的概率是均等的；同理，女性将X连锁的等位基因遗传给其子女的概率也是均等的。现在的研究发现同样是来自双亲的某些同源染色体或等位基因却存在着功能上的差异，即不同性别的亲代传给子代的同一染色体或等位基因发生改变时，可以引起不同的表型形成，这种现象称为亲代印记(parental imprinting)，也称为基因组印记(genomic imprinting)。 亲代印记可引起异常的遗传方式，使得某种遗传病看起来为显性遗传，但仅从某一特定性别的亲代遗传，而与另一性别的亲代无关。例如，Prader-W心综合征(OMIM#176270)和Angelman综合征(OMIM#105830)都是由印记异常引发的遗传病，前者表现为肥胖、肌张力低、智力低下、身材矮小、性腺功能不全、手脚小等特征性症状，后者表现为生长发育迟缓、智力发育障碍、严重的语言障碍、共济失调等症状。这两种遗传病的发病都涉及15号染色体长臂的异常，引人注目的是，尽管男性和女性都可能患病，但当他们继承父亲的异常染色体（突变基因）时常患Prader-Willi综合征；而当他们继承母亲的异常染色体（突变基因）时常患Angelman综合征。 亲代印记发生在哺乳动物的配子形成期，并持续影响下一代个体的一生。但基因组印记仅仅影响基因的表达，不是一种永久性的改变，而是一种可逆的基因失活形式，它不会改变基因组DNA的序列组成，一般在下一代配子形成时，旧的印记将被消除，并按下一代个体的性别形成新的印记。 三、基因型－表型相关性 基因型是指一个个体的遗传结构或组成，一般指特定基因座上等位基因的组成；表型是指生物体在基因型及其与环境相互作用下所产生的从分子到形态各个层次上的性状表现。虽然表型是由基因型控制的，但基因座位本身以及相关遗传背景和环境因素的影响，有些时候会使基因型和表型的关系显得异常复杂。 （一）遗传异质性遗传异质性(gene ti c h eteroge ne i ty)是一种遗传性状可以由多个不同的遗传改变所引起。遗传异质性又可分为基因座异质性和等位基因异质性。 基因座异质性是指同一遗传病是由不同基因座的基因突变引起的。例如，常染色体隐性遗传性耳聋I A型(OMIM#220290)可以由l p34.3上的G]B3基因导致，也可以由连锁于13q12.11上的G]B2或G]B6基因导致。若一对同为该病患者的夫妇的致病基因不是同一基因座位，即一个亲代的基因型为AAbb，另一个亲代的基因型为aaBB，他们子女的基因型将是AaBb，称为双重杂合子(double heterozygote)。 等位基因异质性是指某一遗传病是由同一基因座上的不同突变引起的。例如，B地中海贫血(OMIM#613985)既可能是由于编码珠蛋白B链的B基因点突变导致的RNA加工障碍或转录调控区改变引起的，也可能是由千B基因缺失引起的。 （二）基因多效性 基因多效性(pl eiotropy)是一个基因可以决定或影响多个性状。在个体的发育过程中，很多生理生化过程都是互相联系、互相依赖的。基因的作用是通过控制新陈代谢的一系列生化反应而影响到个体发育的方式，从而决定性状的形成。因此，一个基因的改变可能直接影响其他生化过程的正常进行，从而引起其他性状发生相应改变。 Marfan综合征(OMIM#154700)是一种全身性结缔组织病，患者既有身材瘦高、四肢细长、手足关节松弛、指（趾）纤细呈蜘蛛指（趾）样等骨骼系统异常，又有晶状体脱位、近视等症状，还有二尖瓣功能障碍、主动脉扩张、主动脉瘤等心血管系统畸形，是基因多效性的典型例证。 （三）外显率和表现度 外显率(penetrance)是在一定环境条件下，群体中某一基因型个体表现出相应表型的百分率。外显率等千100％时称为完全外显(complete penetrance)，低于100％时则为不完全外显(i ncomplete penetrance)或外显不全。以多指（趾）轴后A l型为例，图4-17显示的是一个典型的不规则显性的多指（趾）轴后Al型系谱，系谱分析表明先证者皿的父亲叭携带有致病基因，但未发病而成为顿挫型(fo rme frus t e)，在系谱中由于顿挫型的存在出现了隔代遗传(skipped generation)的现象。因此，在这个家系中推测具有该致病基因的个体数为5人，而实际具有多指（趾）表型的人为4人，其外显率为4/5X100%=80%。一个基因的外显率不是绝对不变的，而是随着观察者所定观察标准的不同而变化。上述的多指（趾）症致病基因的外显率是以肉限观察指（趾） 4的异常与否为标准的；若辅以X线检查，就可发现某些肉眼认为不外显的“正常人”可能也存在骨骼的异常，若以此为标准，则多指（趾）症致病基因的外显率将有所提高。 表现度(expressiv i ty)指在不同遗传背景和环境因素的影响下，相同基因型的个体在性状或疾病的表现程度上产生的差异。例w如，成骨发育不全I型(#OMIM166200)的主要症状有多发性骨折、图4-17多指（趾）轴后A1型的蓝色巩膜、传导性或混合性耳聋。由于表现度不一致，即使在一个系谱家庭中也可看到不同患者受累器官的差异及严重程度的不同，轻症患者只表现出蓝色巩膜；重症患者可表现出早发、频发的骨折，耳聋和牙本质发育不全等症状。 外显率与表现度是两个不同的概念，其根本的区别在于外显率阐明了基因表达与否，是个“质”的问题；而表现度要说明的是在基因表达前提下的表现程度如何，是个“量”的问题。（四）共显性共显性(co dominance)指一对等位基因之间，没有显性和隐性的区别，在杂合子个体中两种基因的作用都能表现出来。例如，人类的ABO血型系统(OMIM*110300)、MN血型系统(OM IM+111300)和组织相容性抗原等都属千这种遗传方式。 ABO血型系统是一组复等位基因(A、B和0)所控制的，定位于9q34.2。其中，A基因对0基因为显性，AA、AO基因型均是A型血；B基因对0基因也是显性，BB、BO基因型均是B型血；A基因和B基因为共显性，A B基因型为AB型血；00基因型为0型血。 （五）延迟显性 一些带有显性致病基因的杂合子(Aa)在生命的早期，因致病基因并不表达或表达不足没有引起明显的临床表现，只有达到一定的年龄后才表现出相应的疾病临床症状，称为延迟显性(delayed dominance)。例如，Huntington病是一种进行性神经病变，累及大脑基底神经节变性，临床表现为不自主的舞蹈样运动，随着病情加重可出现焦虑、抑郁等精神症状，并伴有智力减退。患者通常在30~40岁之间发病，但也有在10岁以前和60岁以后发病的病例，属于延迟显性的疾病。 （六）从性遗传和限性遗传 从性遗传(sex-influenced inheritance)是位千常染色体上的基因，由于受到性别的影响而显示出男女表型分布比例的差异或基因表达程度的差异。例如，雄激素性秃发1型属于常染色体显性遗传，群体中男性患者明显多于女性。男性杂合子(A a)即会出现秃顶，表现为从头顶中心向周围扩展的进行性、弥漫性、对称性脱发，仅枕部及两侧颖部保留头发；而女性杂合子(Aa)仅表现为头发稀疏而不会表现秃顶症状。出现这种情况是因为雄激素性秃发(AGAJ)基因的表达会受到体内雄性激素的影响。但携带有AGAJ基因的女性杂合子，由千某种原因导致体内雄性激素水平升高也可出现秃顶的症状。 限性遗传(sex-limited inheritance)则指位于常染色体上的基因，由于基因表达的性别限制，只在一种性别表现，而在另一种性别则完全不能表现，但这些基因均可传给下一代。限性遗传可能主要是由千男女性在解剖学结构上的差异所致，也可能受性激素分泌方面的性别差异限制，故只在某一性别中发病，如女性的子宫阴道积水，男性的尿道下裂等。 （七）拟表型 由于环境因素的作用使个体产生的表型恰好与某一特定基因所产生的表型相同或相似，这种由环境因素引起的表型称为拟表型(p h e nocopy)，或称表型模拟。例如，常染色体隐性遗传性耳聋lA型(OMIM#220290)与氨基糖昔诱发的聋都有相同的聋哑表型，这种由于药物引起的聋哑即为拟表型。拟表型是由千环境因素的影响所致，并非生殖细胞中基因本身的改变引起，因此，这种聋哑并不遗传给后代。 四、生殖腺嵌合 生殖腺嵌合(go nadal/germline mosaicism)是一个个体的生殖腺细胞不是纯合的而是由遗传组成不同的细胞系嵌合而成的。生殖腺嵌合产生的一个常见原因是异源嵌合体，即两个精子分别与两个卵细胞受精后发生了融合，结果导致该个体的生殖腺成为由两种不同基因型的细胞群组成的嵌合体；另外，生殖腺细胞的新生突变也可导致生殖腺嵌合的产生，即在胚胎发育过程中，某个未来的生殖腺细胞的遗传物质发生突变，结果导致该个体的生殖腺细胞成为嵌合体。 由于胚胎发育的初始阶段生殖腺细胞就与其他体细胞隔离开了，所以生殖腺嵌合可以影响到生殖细胞（卵细胞或精子）但一般却不会影响到通常进行DNA分析的体细胞。因此对生殖腺嵌合的诊生殖腺嵌合在遗传咨询中是一个很重要的问题，尤其是对于一些常染色体显性或X连锁遗传病来说。例如，Duchenne型肌营养不良(DMD)是一种X连锁隐性遗传病，患者足尖走路、步态不稳，且不能跑步、跳跃，从仰卧位起立时，具有典型的Gower征(Gower sign)。若一位基因检测排除携带有DMD致病基因的母亲生育两个以上的DMD患儿，就应考虑用生殖腺嵌合来解释。此时，尽管患儿双亲的表型是正常的，遗传检测也查不到相应的DNA缺陷，但还是有可能生出多个患有相同遗传病的患儿。 五、遗传早现 遗传早现(anticipation)是一些遗传病（通常是显性遗传病）在连续几代的遗传过程中会发生患者发病年龄逐代提前和（或）病情程度逐代加重的现象，动态突变是遗传早现的分子基础。 脊髓小脑性共济失调I型是一种常染色体显性遗传病，本病多在30~40岁发病，临床表现为步态不稳、行走困难、语言不清、吞咽困难、上肢共济失调、摇头和舞蹈样动作等。图4-18显示的是一个脊髓小脑性共济失调I型的系谱，可见L在42岁开始发病，队发病年龄为39岁，第三代发病年龄在38岁，而凡在23岁就已发病。本病的致病基因ATXNJ定位于6p22.3，发病原因是其外显子中的三核昔酸(CAG)，重复存在着动态突变。正常入的CAG重复l9~38次，患者的CAG重复40-81次。重复次数越多，患者发病年龄越早、病情越严重。另外，在H u ntington病、脆性X综合征等遗传病的家系分析中，都可以发现由动态突变引起的遗传早现。 图4-18脊髓小脑性共济失调I型的系谱患者右上角数字示发病年龄Lyon假说认为女性的两条X染色体在胚胎发育早期就有一条随机失活，即为X染色体失活(Xchromosom e inactiva t ion)，或称为Lyon化(Lyoniza t ion)，因此女性体细胞的两条X染色体只有一条在遗传上是有活性的（详见第八章）。 对于X连锁遗传病来说，男性为半合子，其全身体细胞都为突变型，因此病情会很重；而对于女性杂合子，随机Lyon化会导致女性体内部分体细胞中带有显性基因的X染色体失活，另一部分是带有隐性基因的X染色体失活。这样在X连锁显性遗传病中，女性杂合子患者的病症往往较男性患者轻，且表现程度不一，如低磷酸盐血症性侚倭病女性杂合子患者的临床病情通常较轻，部分女性杂合子患者仅有低磷酸盐血症而不表现出明显的侚倓病症状；而在X连锁隐性遗传病中，一些女性杂合子携带者会表现出某些较轻的临床症状，这种现象称为显示杂合子(manifesting heterozygote)，如部分女性血友病A携带者会出现凝血时间延长的现象。 单基因遗传病是指由一对主基因控制而发生的遗传性疾病。核基因遗传的单基因遗传病在上下,2代之间的传递遵循孟德尔定律，因此也称为孟德尔遗传病。研究人类性状的遗传规律一般采用系谱分析的方法。根据系谱，可以确定所发现的某一疾病或性状在该家族中是否有遗传因素的作用及其可能的遗传方式，也可以通过系谱评估某一遗传病家庭成员的患病风险或再发风险。根据致病主基因所在朵色体和等位基因间显隐关系的不同可分为常染色体显性遗传、常朵色体隐性遗传、X连锁显性遗传、X连锁隐性遗传和Y连锁遗传5种遗传方式，每一种遗传方式都有其独特的系谱特征。但一些遗传背景或环境因素会对某些突变基因性状的传递造成影响，导致许多例外情况的存在。 l各种常染色体遗传病的遗传方式的特点是什么？ 2.如何正确认识基因型－表型的关系？ 3系谱分析对认识遗传病有何意义？ （陈峰） 第五章多基因遗传 人类绝大多数表型性状是由环境因素和遗传因素共同决定的。一个明显的例子是暴露于紫外线的多少可以影响入的肤色，这是环境因素；但白入黑入的肤色却不会因为紫外线的暴露而发生逆转，这就是遗传因素。人类的绝大多数性状也是由环境和遗传因素共同所决定的，这包括血压、血脂、肤色、头匝L身高、体重和IQ等。同样，人类绝大多数常见病，如糖尿病、肥胖症、高血压、冠心病、肿瘤、精神疾病和神经退行性疾病等，也是由环境因素和遗传因素决定的。不同千第四章中叙述的性状或疾病，如短指（趾）症A l型、眼皮肤白化病IA型、血友病A等疾病，主要是受一对等位基因的控制，这些性状称为单基因性状，又称为质量性状，所影响的疾病称为单基因遗传病，其遗传方式为单基因遗传，表现出孟德尔遗传规律，这类遗传病的群体患病率很低，一般在1/10000以下，环境因素对性状表现程度的影响一般很小。而这些常见病性状往往受多个基因调控，这些性状称为多基因性状，又称为数盟性状，所影响的疾病称为多基因遗传病，其遗传方式为多基因遗传(polygen ic inheritance)或多因子遗传(multifactorial inheritance, MF)。其中大部分上述疾病具有“家族聚集“特征，即患者亲属的发病风险比普通人高，一般在0.1%~I％之间，少数疾病可更高，而且环境因素对性状的表现程度影响较大。据报道，人群中15%~20％的个体受累于多基因病。但这些疾病的遗传并不遵循孟德尔遗传规律。相反，它们由遗传易感因素与环境因素之间复杂的交互作用引起，因而被称为多因子或复杂遗传(multi fac tori al or complex inheritance)。 与单基因遗传疾病的罕见性不同，多基因疾病多为常见病且表型取决千相关的多个基因的共同作用。这些基因对疾病的表型贡献有大有小，因此可分为主效基因(major effect gene)和微效基因(minor effect ge n e)。主效基因可能存在显、隐性关系，但微效基因相互之间显隐之分并不明确，多互为共显性。多对微效基因的作用积累之后，可以形成一个明显的效应，这种现象称为累加效应(add山ve effec t)；因而这些基因也被称作累加基因(add山ve gene)。近年来的研究发现，微效基因所发挥的作用或者说贡献率并不是等同的，可能存在一些起主要作用的所谓主基因(majo1gene)，主基因有可能存在显、隐性关系。由于多基因疾病参与的基因多，不仅基因之间遗传关系复杂，同时，这类疾病还往往明显受环境影响，因此，这类性状也称为复杂性状，这类疾病也就称为复杂疾病。 但是，多基因遗传病和单基因遗传病的划分是一种人为的分类。最近的研究表明，某些单基因疾病基因也与多基因遗传疾病相关。同时，虽然绝大部分常见病的遗传学基础是多基因的，但这些病种仍存在一小部分可由单基因所引起，例如95％肿瘤是体细胞多基因的突变所致，但也有约5％的肿瘤被认为主要是由生殖细胞遗传的单基因的突变所引起。同样的情况也在糖尿病和骨关节炎等常见病中出现。 第一节数量性状的多基因遗传 —、数量性状与质量性状 在单基因遗传中，基因和表型之间的对应关系较为明显，因此基因改变而引起的性状的变异在群体中的分布往往是不连续的，可以明显地分为2~3群（图5-1)，基本与其基因型相对应，且性状不易受环境影响，所以单基因遗传的性状也称为质量性状(qualitative charac tet)。 第五章多基因遗传 0~5%45%-50%100%PAH活性pp Pp pp基因型 +)埮睬怓 多基因遗传性状的变异在群体中的分布是连续的，只有一个峰，因此会有一个平均值。不同个体间的差异只是量的变异，临近的两个个体之间的差异很小，因此这类形状称为数量性状(quantitative cha.r·acter)。因此，数量性状是一种可测量的生理或生化数值指标，如身高、体重、血压、血清胆固醇浓度或体重指数(body mass ind ex)等，群体中，每个个体在这些数量性状的数值上存在差别，呈现由低到高逐渐过渡，数值极高或极低的个体只占少数，大部分个体数量性状数值接近平均值。将此数量性状变异分布绘成曲线，该曲线往往表现出正态分布（图5-2)。这些性状在人群中呈常正态分布，而非“有或无＂的遗传方式。 身高(m) 二、数量性状的多基因遗传 数盘性状是由许多数目不详作用微小的共显性的微效基因控制的，那么，它是如何影响性状或疾病的呢？现以人的身高性状为例来分析数量性状形成的遗传机制。 假设有三对非连锁的基因控制人类的身高，它们分别是AA'、BB'、CC'。这三对基因中A、B、C较A'、B'、C'对身高有增强作用，各可在平均身高(165cm)基础上增加5cm，故基因型AABBCC个体为高身材个体(195cm)；而它们的等位基因A'、B'、C'则各在身高平均值的基础上减低5cm，故基因型A'A'B'B'C'C'个体为矮身材个体(135cm)，介千这两者之间的基因取决于A、B、C和A'、B'、C'之间的组合。假如亲代为一高身材(195cm)个体(AABBCC)与一矮身材(135cm)个体(A'A'B'B'C'C'）婚配，则子l代将为杂合的基因型，即AA'BB'CC'，呈中等身材(165cm)。假设相同基因型的子］代个体间进行婚配，则这三对非连锁基因按分离律和自由组合律，可产生8种精子或卯子，精卵随机结合可产生64种基因型，将各基因型按高矮数目分组，可以归并成7组：即6'0（表示有6个均带＇的身高降低基因，0个不带的身高增高基因）、5'1、4'2、3'3、2'4、1'5、0'6，它们的频数分布分别为1、6、15、20、15、6、1（表5I)。再将这7组基因型组合频数分布做成柱形图，以横坐标为组合类型，纵坐标为频数，各柱形顶端连接成一线，即得到近似于正态分布的曲线（图5-3)。 配子ABC A'BC AB'C ABC'A'B'C AB'C'A'BC'A'B'C'ABC AABBCC AA'BBCC AABB'CC AABBCC'AA'BB'CC AABB'CC'AA'BBCC'AA'BB'CC'A'BC AA'BBCC A'A'BBCC AA'BB'CC AA'BBCC'A'A'BB'CC AA'BB'CC'A'A'BBCC'A'A'BB'CC'AB'C AABB'CC AA'BB'CC AAB'B'CC AABB'CC'AA'B'B'CC AAB'B'CC'AA'BB'CC'AA'B'B'CC'ABC'AABBCC'AA'BBCC'AABB'CC'AABBC'C'AA'BB'CC'AABB'C'C'AA'BBC'C'AA'BB'C'C'A'B'C AA'BB'CC A'A'BB'CC AA'B'B'CC AA'BB'CC'A'A'B'B'CC AA'B'B'CC'A'A'BB'CC'A'A'B'B'CC'AB'C'AABB'CC'AA'BB'CC'AAB'B'CC'AABB'C'C'AA'B'B'CC',U.B'B'C'C'AA'BB'C'C'AA'B'B'C'C'A'BC'AA'BBCC'A'A'BBCC'AA'BB'CC'AA'BBC'C'A'A'BB'CC'AA'BB'C'C'A'A'BBC'C'A'A'BB'C'C'A'B'C'AA'BB'CC'A'A'BB'CC'AA'B'B'CC'AA'BB'C'C'A'A'B'B'CC'AA'B'B'C'C'A'A'BB'C'C'A'A'B'B'C'C'上述例子忽略了环境因素对人身高产生的影响，还假设了所有影响身高的基因贡献率相同。事实上人的身高除受遗传因素影响外，还受到各种环境因素的影响，如营养、运动，甚至空气、阳光等。此外，控制身高各基因的贡献率也不尽相同。因此子1代中也可能出现高千或低千165cm的变异，子2代中身高个体的分布也不完全吻合表5-1和图5-3。环境因素对某种性状的产生起着或增强或抑制的作用。 从上述身高的例子可以看出，数量性状之所以呈现单峰0'l'2'3'4'5'6'分布，主要取决于两点：心多对微效基因；＠基因随机组合。图5-3子2代身高变异分布图虽然基因没有显隐性之分，但存在着“作用方向”问题，也就是说当平均值设为0时，基因作用就存在“正向“和“负向”；在单基因遗传中，显性基因A有可能“掩盖了“隐性基因a作用，而多基因遗传中A并不是＂掩盖了“A'的作用而是与A'共同决定性状，虽然两者的作用方向是相反的。 从上述身高的例子还可以看出，多基因遗传中，虽然性状的遗传规律不符合孟德尔定律，但每一对基因的遗传方式仍符合孟德尔定律，即分离和自由组合。对千某一个数量性状而言，每个个体的控制基因数量是基本相同的，但各型基因的比例是不同的，因而造成性状具有差异性。 一般说来，决定数量性状的基因远不止3对，而且许多研究也显示每个基因的作用也并非相等。现在看来，影响我们常见病的基因数量远超出我们的认识。1999年，科学家检测了150对兄弟姐妹的基因，试图找到与自闭症相关的基因，结果认为可能有15个基因影响自闭症的发生，虽然每个基因影响都很小，但共同作用却对疾病的产生起很大的作用。然而研究发现，影响人体一个复杂表型的基因数量远远不止十几个基因。以影响身高的基因研究为例，一项名为GIANT的项目曾检测了25万人的基因组，从中确定了影响入类身高的700种遗传变异体。如预料的那样，其中每个遗传变异体对身高都有着微小的影响，大约有1mm的身高影响。综合作用下，它们借此解释了欧洲人血统中存在16％的上述遗传变异体。然而科学家曾估计，大约80％的人体身高变异可以通过遗传因素来解释。Pritchard及其团队重新分析了GIANT数据，并计算出可能有超过100000种遗传变异体会影响到我们的身高，其中大多数遗传变异体的影响非常之小，以至于很难将它们与统计学噪声区分开来，因此常被忽略。由千这些遗传变异体均匀分布在整个基因组上，因此它们的影响几乎涉及所有基因。最近，斯坦福大学研究人员建立了复杂遗传的“全基因模型”(omnigenic model)，认为大多数基因对大多数表型都很重要。与以往的认识不同，虽然核心基因在某种疾病中扮演着重要角色，但是，基因不能孤立的工作，它们是在巨大的基因网络中相互作用。因此，如果一个突变改变任何一个基因，那么它可以改变整个基因网络。基因网络的关联十分强大，任何一个基因变化都可能波及与特定性状相关的核心基因。另外加上环境因素的影响，数量性状的复杂性就更高。 1926年，由英国著名的科学家Calton提出了“平均值的回归“理论。他通过测量204对双亲和他们的928名成年子女身高获此结论：如果双亲身高平均值高千群体平均值，子女平均值就低于其双亲平均值，而接近群体身高平均值；如果双亲身高平均值低于群体平均值，则子女身高高千其双亲平均值，而接近群体身高平均值。这就是说，数量性状在遗传过程中子代将向群体的平均值靠拢，这就是回归现象。这种现象也表现于其他相似的数量性状。回归现象对理解多基因遗传病遗传特点有着重要的指导意义。 第二节疾病的多基因遗传 —、易患性与发病阔值 在多基因遗传病中，遗传基础是由多基因构成的，它部分决定了个体发病的风险。这种由遗传基础决定一个个体患病的风险称为易感性(suscepti b山ty)。由千环境对多基因遗传病产生较大影响，因此学术界将遗传因素和环境因素共同作用决定个体患某种遗传病的风险称为易患性(liab山ty)。也就是说易感性＋环境因素＝易患性。在相同环境下不同个体产生的差异，可以认为是由不同的易感性造成的，也就是说是基因差异造成的。一般群体中，易患性很高或很低的个体都很少，大部分个体都接近平均值。因此，群体中的易患性变异也呈正态分布。但在一定的环境条件下，易感性高低可代表易患性高低。当一个个体易患性高到一定限度时，就可能发病。这种由易患性所导致的多基因遗传病发病最低限度称为发病闾值(threshold)。阙值将连续分布的易患性变异分为两部分：正常群体和患病群体（图5-4)。因此，多基因遗传病又属千阙值相关疾病，闾值是易患性变异的某一点，在一定条件下，阔值代表患病所必需的、最低的易患基因的数量。 某一个体的易患性高低无法测量，但是，一个群体的易患性平均值可以从该群体的患病率作出估计。利用正态分布平均值（或均值µ)与标准差(8)之间已知关系，可由患病率估计群体的发病阑值与易患性平均值之间的距离，该距离是以正态分布的标准差作为衡量单位。已知正态分布曲线下的总面积为100%，据此可推算得到均数加减某个标准差的范围内，曲线与横轴之间所包括面积占曲线下总面积的比例。多基因遗传病的群体易患性呈正态分布，因此，它必然具有正态分布的特征，从图5-5中可以得到以下关系：CDµ土团（以平均值µ为0，左右l个标准差）范圉内的面积占正态分布曲线下的总面积的68.28%，此范围以外的面积占31.72%，左右侧各占约16o/,吓(2)µ土28范围内的面积占正态分布曲线下的总面积的95.46%，此范围以外的面积占4.54%，左右侧各占约2.3%;@µ士38范围内的面积占正态分布曲线下的总面积的99.74%，此范围以外的面积占0.26%，左右侧各占约0.13%。 埮瞰织 易患性--3cr-2cr-crµ-cr+2cr+3cr图5-4群体易患性变异分布图图5-5正态分布曲线中µ与8关系多基因遗传病易患性正态分布曲线下的面积代表总人群，其易患性超过阙值的那部分面积为患者所占的百分数，即患病率。所以人群中某一种多基因遗传病的患病率即为超过阑值的那部分面积。4ti\hTE从其患病率就可以得出阙值距离均数有几个标准差，这只要查阅正态分布表即可(Falconer表）。易患性正态分布曲线右侧尾部的面积代表患病率。例如，冠心病的群体患病率为2.3%-2.5%，其阙值与易患性平均值距离约28；而先天性畸形足的群体患病率仅为0.13%，其阙值与易患性平均值距离约38。 可见，一种多基因病的易患性的平均值与阙值越近，表明易患性高，阙值低，群体患病率高；相反，易患性的平均值与阙值越远，表明易患性低，闾值高，群体患病率低（图5-6)。 二、遗传率及其估算 多基因遗传病是遗传因素和环境因素共同作用所致。这其中，遗传因素的作用大小可用遗传率来衡最。遗传率患病率0.13%(heritab山ty)又称遗传度，是在多基因疾病形成过程中，遗传因素的贡献大小。遗传率愈大，表明遗传因素的贡献愈大。如果一种疾病完全由遗传因素所决定，遗传率就是_7-6-5-4-3-20+1+2100%；如果完全由环境所决定，遗传率就是0，这两种极端情况是极少见的。某些疾病的遗传率较高，可达70%-80%，这表明在决定疾病易患性变异上，遗传因素发挥了较大的作用，相对环境因素的作用较小；某些疾病患病率2.3%的遗传率较小，仅为30%-40%，这表明在决定疾病易患性变异上，环境因素发挥了较大作用，相对遗传因素的作-7-6-5-4-3-2-10+l+2+3用较小。一般说来，遗传率越低的性状或疾病，家族聚集图5-6易患性的平均值和阅值距离与现象越不明显。患病率关系计算人类多基因遗传病遗传率的高低在临床实践上有重要意义，传统的计算方法主要有两种，即Falcon er公式和Holzinger公式。（一）Falcone r公式Falcone1公式(Falconer method)是根据先证者亲属的患病率与遗传率有关而建立的。亲属患病率越高，遗传率越大，所以可通过调查先证者亲属患病率和一般人群的患病率，算出遗传率(h2或H)。 矿＝blr（式5-1) 式5-1中矿为遗传率；b为亲属易患性对先证者易患性的回归系数；r为亲缘系数。 当已知一般人群的患病率时，用式5-2计算回归系数：当缺乏一般人群的患病率时，可设立对照组，调查对照组亲属的患病率，用式5-3计算回归系数：b=p,(X, ar-X,)（式5-3)在式5-2和式5-3中，xg为一般群体易患性平均值与阙值之间的标准差数；XC为对照组亲属中的易患性平均值与阙值之间的标准差数；X，为先证者亲属易患性平均值与闾值之间的标准差数；ag为一般群体易患性平均值与一般群体中患者易患性平均值之间的标准差数（图5-7);a为先证者亲属易患性平均值与先证者亲属中患者易患性平均值之间的标准差数；q g为一般群体患病率；q C为对照亲属患病率，Pc=1-q,;q为先证者亲属患病率。 xg式、ag和a均可由一般群体患病率、对照亲属患病率和先证者亲属患病率查Falconer表得到。 第五章多基因遗传 亲缘系数是指两个个体从共同祖先获得某一特定等阁值位基因的总体概率，可见Falconer表。在亲缘系数中，一级亲属指一个人与其双亲、子女和同胞之间，其基因有1/2的可能性是相同的；二级亲属指一个人与其叔、伯、姑、舅、一般群体姨、祖父母和外祖父母之间，其基因有1/4的可能性是相同的；三级亲属指一个人与其表兄妹、堂兄妹、曾祖父母之间，其基因有1/8的可能性是相同的。 例如，有人调查先天性房间隔缺损在一般群体中的患病率为1/1000(0.1%），在100个先证者的家系中调查，先证者的一级亲属共有669人（双亲200人，同胞279人，子女190人），其中有22人发病，依次求得先证者一级亲属的图5-7—般群体和患者亲属易患性平均患病率为22/669X100%=3.3%(q,)，然后查Falconer表。值的比较按群体患病率查得xg和ag，再根据亲属患病率查得X，和ar，然后代入式5-2求出b值。将b值代入式5-1:h2=b/r=0.37/0.5=0.74=74%以上计算结果表明，遗传因素对先天性房间隔缺损发生的贡献为74%，经显著性检验该遗传率有统计学意义。 在缺乏一般人群患病率数据时，可选择与病例组匹配的对照组，调查对照组亲属的患病率，用先证者亲属和对照亲属的患病率计算遗传率。对江苏启东肝癌的调查发现，肝癌患者一级亲属6591人中，有359人发病，其患病率为5.45%(q,）；在年龄和性别均与患者相应的无病对照者的5227名一级亲属中，有54人患肝癌，患病率q,=0.0103=1.03%。P,=1-q,=0.9897，分别查得X,、戊和a,、ac，然后代入式5-3求出b值。 将b值代入式5-1: 以上计算结果表明，遗传因素对肝癌发生的贡献超过50%，经显著性检验该遗传率有统计学意义。（二）Ho l zinger公式Holzinger公式(Ho l z in ger formula)(1929)是根据遗传率越高的疾病，单卵双生的患病一致率与二卯双生患病一致率相差越大而建立的。 单卵双生(monozygoti c twin, MZ)是由一个受精卵形成的一对双生子，他们的遗传基础理论上是完全相同的，其个体差异主要由环境决定；二卵双生(dizygot i c twin, DZ)是由两个受精卵形成的一对双生子，相当于同胞，因此他们的个体差异由遗传基础和环境因素共同决定。 所谓患病一致率是指双生子中一个患某种疾病，另一个也患同样疾病的频率。其中，CMZ为单卵双生子的同病率；CDZ为二卵双生子的同病率。 CMZ-C应h2=100-C卯（式5-4) 例如，对躁狂抑郁性精神病的调查表明，在15对单卯双生子中，共同患病的有10对；在40对二卯双生子中，共同患病的有2对。依此来计算单卵双生子的同病率为67%，二卵双生子的同病率为5%。代入式5-4:矿＝CMl-CDZ=67-5=0.65=65%以上结果表明，在躁狂抑郁性精神病中，遗传因素的贡献为65%。一些常见的多基因遗传病的患病率和遗传率见表5-2。 —般群体患者一级亲疾病患病率（％）属患病率（％）男／女遗传率(%)原发性高血压4~820~3062哮喘4200.880消化性溃疡4837冠心病2.571.565精神分裂症J.O1080糖尿病（早发型）0.22~5175脊柱裂0.340.860无脑儿0.220.460唇裂土腮裂0.174l.676腾裂0.0420.776先天性畸形足0.132.068先天性骸关节脱位0.0740.270先天性幽门狭窄男先证者2女先证者JO先天性巨结肠0.02男先证者24.080女先证者8强直性脊柱炎0.2男先证者70.270女先证者2关千遗传率的概念和计算应注意下列问题：心遗传率是特定人群的估计值。遗传率是由特定环境中特定人群的患病率估算得到的，因此，不宜外推到其他人群和其他环境。＠遗传率是群体统计量，用到个体毫无意义。如果某种疾病的遗传率为50%，不能说某个患者的发病一半由遗传因素决定，一半由环境因素决定，而应该说在这种疾病的群体总变异中，一半与遗传变异有关，一半与环境变异有关。＠遗传率的估算仅适合于没有遗传异质性，而且也没有主基因效应的疾病。如果影响性状或疾病有主基因存在，并且主基因存在显、隐性关系，那么上述计算就会产生偏差。若有一个或几个显性主基因，那么估算的遗传率可以超过100%；若主基因为隐性基因，则由先证者的同胞估算的遗传率可以高于由父母或子女估算的遗传率。因此，只有当由同胞、父母和子女分别估算的遗传率相近似时，这个遗传率才是合适的。同时也才能认为该疾病的发生可能是多基因遗传的结果。 三、影响多基因遗传病再发风险估计的因素 （一）患病率与亲属级别有关多基因遗传病发病有明显的家族聚集倾向，患者亲属患病率高千群体患病率，而且随着与患者亲缘关系级别变远（或亲缘系数增大）患病率而剧减，向群体患病率靠拢（表5-3)。 (求)哥桨妥写米郘 方根；当遗传率高千70%-80％时，一级亲属再发风险高千群体患病率的平方根。例如：唇裂的群体患病率为0.17%，其遗传率为76％悲者一级亲属再发风险为4%；如果遗传率为100％时，患者一级亲属的再发风险上升到9%；如果遗传率在。 50％时患者一级亲属的再发风险下降到2%。由此可见多基因遗传病的再发风险与疾病的遗传率高低有关。患者一级亲属的再发风险也可以通过图5-80.1查得。例如，无脑畸形和脊柱裂的患病率为0.10.20.40.60.81.02.04.06.08.010群体患病率（％）0.38%，在图中横轴上查出0.38之点，作一垂直图5-8群体中患病率、遗传率与患者一级亲属患线与纵轴平行，已知此病的遗传率为60%，从图中病率的关系找出遗传率60％的斜线，把它和0.38的垂直线相交点作一横线在纵轴上的一点近千4，即表明该病的一级亲属患病率接近4%。有些多基因病，在遗传率相同的情况下，群体患病率不同，发病风险率也不同，同样可以从图中进行估计。（二）患者亲属再发风险与亲属中受累人数有关在多基因遗传病中，当一个家庭中患病人数愈多，则亲属再发风险愈高。例如，一对夫妇表型正常，但第一胎出生了一个唇裂患儿以后，再次生育时患唇裂的风险为4%；如果他们又生了第二个唇裂患儿第三胎生育唇裂风险则上升到10%。说明这一对夫妇带有更多能导致唇裂的致病基因，他们虽然未发病，但他们的易患性更接近发病阙值，因而造成其一级亲属再发风险增高（表54)。这一点与单基因病遗传不相同，因为在单基因遗传病中的双亲基因组成巳固定，并严格按孟德尔遗传规律遗传，故其后代患病概率不因为己生出几个患者而改变其原有的1/2或1/4发病风险。 双亲患者数。2 同胞患同胞患同胞患一般群体患遗传率者数者数者数病率(%)(%)。2。2。21.0JOO7141124346365678081481828414752504849151521260.11000.141151626626364（三）患者亲犀再发风险与患者畸形或疾病严重程度有关平均值多基因遗传病发病的遗传基础是微效基因，存在共显累加效应，故}在多基因遗传病中如果患者病情严重，证明其易患性远远超过发病阙值而带有更多的易感性基因，与病情较轻的患者相比，其父母所带有的易感基因也多易患性更接近阙值。因此，再次生育时其后代再发风险也相应增高。例如，一侧唇裂的患者，其同胞的再发风险为2.46%；一侧唇裂并腮裂的患者，其同胞的再发风险为42l%；双侧唇裂加腮裂的患者，其同胞的再发风险为5.74%。这一点也不同于单基因遗传病。在单基因遗传病中，不论病情的轻重如何，一般不影响其再发风险率，仍为1/2或1/4。 （四）多基因遗传病的群体患病率存在性别差异时，亲属再发风险与性别有关在某种多基因遗传病的发病上存在性别差异时，表明不同性别的发病闾值是不同的。群体中患病率较低但阙值较高性别的先证者，其亲属再发风险相对增高；相反，群体中患病率相对高但阙值较低性别的先证I I者，其亲属再发风险相对较低。这种情况称为卡特效应(Caiier effect)。l例如，人群中先天幽门狭窄（图5-9)男性患病率为0.5%，女性患病率为I0. I%，男性比女性患病率高5倍。则男性先证者后代中儿子患病率为/5.5%，女儿的患病率是2.4%；而女性先证者后代中儿子患病率高达易患性图5-9群体中先天性幽19.4%，女儿患病率达到7.3%。该结果说明，女性先证者比男性先证者门狭窄发病阁值有性别差带有更多的易感基因。异的易患性分布图人类绝大多数的表型性状及常见疾病由遗传和环境因素共同决定。且就遗传而言，绝大多数的表型性状及常见疾病由多个基因引起。故这些疾病／性状被称力多基因遗传性疾病／性状，或复杂疾病／性状。根据致病基因的表型效应的大小，它们又可分为主效基因或微效基因。这些基因通过影呴个体对疾病的易感性、疾病的进展及药物反应而发挥作用。但是，单基因疾病和多基因遗传性疾病的分类是一种人为的划分，两者其实并没有一刀切式的区别。许多多基因遗传性疾病中，也有一小部分可由单基因的变异引起，如肿瘤。遗传率是一种衡量疾病中遗传因素贡献的比例的表达方式，通常用Falconer和Holzinger公式进行评估。由于多基因遗传性疾病同时受环境和遗传两者的影响，而其遗传学基础涉及多个基因，故鉴定常见病的遗传学因素很具有挑战性C第五章多基因遗传l.如何理解数量性状和质量性状的遗传学特点？为什么说易患性变异的本质是数量性状？2.疾病的遗传率为何不能用到个体上？在疾病遗传率的运用中，我们应当注意什么？3.对多基因病做遗传咨询时要考虑哪些因素？ （王键） 第六章群体遗传 群体(population)又称种群，是属于一个物种，生活在同一地区，并且能够相互杂交的个体群。群体是物种的基本结构单位。群体中进行有性生殖的所有个体所拥有的基因型构成基因库(gene pool)。基因库即一个群体中所包含的全部遗传信息，含有特定位点的全部等位基因。 群体遗传学(popul ation genetics)研究群体的遗传变异分布，特别是等位基因频率和基因型频率在人群中的维持、变化及其规律。群体遗传变异的产生、变化和维持不仅与遗传因素有关，而且体现了环境、社会因素与遗传因素的相互作用。表型的维待和变化贯穿了生物进化的全过程，群体既要保持性状的相对稳定，又要通过自然选择、迁移、基因流动等产生变异。群体遗传学的分支包括进化遗传学、分子人类学等。 遗传病在不同种族或民族人群中的差异和变化规律，也属于群体遗传学研究的重要范畴。群体遗传学应用于医学，是要探讨遗传病或复杂性状在人群中的遗传方式、致病基因频率及其变化的规律、开发相应的遗传统计方法，故又称之为遗传流行病学(genetic ep id e miology)。 第一节群体的遗传平衡 20世纪初叶，孟德尔遗传规律被重新发现和广泛传播，当时一些问题始终困扰着遗传学家们：显性等位基因(A)在向子代传递的过程中是否会逐渐替代隐性等位基因(a)？等位基因频率和基因型频率的关系是怎样的？群体等位基因频率和基因型频率是否随世代而发生改变？为此，英国数学家Godfrey Hardy(1847一1947)和德国医生Wilhelm Weinberg(1862—1937)在1908年各自独立地解开了这个谜底。 一、Hardy-Weinberg平衡定律 按照孟德尔遗传规律，某一性状由一对等位基因决定，可分别标识为A和a，等位基因在入群中的分布频率，称为等位基因频率(allele frequency)。而这一对等位基因组成3种可能的基因型(genotype)，分别为AA、Aa和aa。对于人群中的任一个体，其基因型只能为AA、Aa和aa之一。基因型在人群中分布的频率，称为基因型频率(genotype frequency)。 对于常染色体显性遗传病，纯合子AA和杂合子Aa显现相同的表型；而对千隐性遗传病，纯合子AA与杂合子Aa及纯合子aa呈现不同的表型。由于基因型无法直接进行观察，过去多用表型频率来推测基因型频率。但这需要满足2个条件：心单基因遗传；＠不同的基因型与表型一一对应。有些性状虽然符合单基因遗传方式，但表型与基因型并不一一对应。例如，ABO血型的每种表型对应几十甚至上百种基因型。随着DNA测序和基因分型方法的快速发展，基因型的获取早巳不存在困难。 例如，在一个747入的人群中，某个SNP位点AA基因型的频率（假设为D)是31.2%,AG基因型的频率（假设为H)是51.5%, CG基因型（假设为R)为17.3%。则等位基因A的频率（设为p)为(747x0.312x2+747x0.515)/747x2=0.5695，等位基因G的频率（设为q)为(747x0.173x2+747x0.515/747x2=0.4305，即等位基因频率p、q与基因型频率D、H、R的关系为：p=D+l/2H, q=R+l/2H。对于一个群体、一个单基因遗传的性状，其表型由基因型频率决定。那么，这个群体的表型频率会怎样变化？等位基因频率和基因型频率的关系又是什么？ 群体遗传学的核心概念是Hardy-Weinberg平衡定律(Hardy-Weinberg law)。该定律解释了等位基因频率与基因型频率的关系，并在一定条件下，群体的等位基因频率和基因型频率在向子代传递的过程中保持不变。 一对等位基因A和a，其等位基因频率分别为p和q,p+q=l，则群体的基因型频率为(p+q)的二项式展开：（p+q)2=/+2pq+q2=1。其中，p＼2pq和矿分别为基因型AA、Aa和aa的频率。这就是Hardy-Weinberg定律的内活。 精子 A(p)a{q)卵子Aa((pq))AA(p2)Aa(pq)Aa(pq)aa(q2)从表6-2和表6-3可以看出，当3种不同基因型(M、Aa、aa)个体间充分进行随机交配，则下一代的基因型频率跟亲代完全相同，不会发生改变。在一个完全随机交配的群体内，如果没有其他因素（如突变、选择、迁移等）的影响，则等位基因频率和基因型频率可保持恒定，各代不变。 AA(p勹AAxAA(p勹AAxAa(2p切）AAxaa(p2矿） Aa(2pq)AaxAA(2p3q)AaxAa(4/心Aaxaa(2p矿） aa(q2)aaxAA(p°矿）aaxAa(2p矿）aaxaa（矿） 后代 婚配类型频率 AAxAa4p切2p为2p切AAxaa2p2q22p2矿 AA=p'+2p为＋p为2寸(p'+2pq＋矿）＝p2(p+q)2=p2Aa=2p为＋4p为2+2pq3=2pq(p2+2pq＋矿）＝2pq(p+q)2=2pq aa=p2矿＋2pq'+p'寸(p'+2pq＋矿）＝矿(p+q)2=q2,4.A:Aa:aa=p':2pq:矿显然，Hardy-Wei nberg平衡的成立必须满足以下几个条件：心群体无限大；＠群体内的个体随机交配；＠没有自然或人工选择；＠没有突变；＠群体内没有大规模的个体迁移。可以说，没有完全满足Hardy-Weinberg平衡成立条件的群体，但一个足够大的群体在一定时间内应该近似地被看作一个遗传平衡群体。一方面，群体的等位基因频率和基因型频率保持基本不变，是维持群体表型相对恒定的遗传学基础；另一方面，突变选择、迁移等对群体的遗传平衡产生影响，对生物的进化、多样性、遗传病的产生和在人群中的变化都有重要的意义。＼吓f@对于复等位基因，即多千2个等位基因的位点，Hardy-Weinberg平衡依然成立。任何纯合子的频率等于等位基因频率的平方，而杂合子频率等千2x等位基因频率之积。如3个等位基因(p、q、r)的位点，（p+q+r尸＝p2+q2+r2+2pq+2pr+2qr=1。 由于男性只有一个X染色体，X连锁是一个特例。男性的基因型频率＝等位基因频率，而女性的基因型和等位基因频率与常染色体等位基因相同。 二、Hardy-Weinberg定律的应用 (—)遗传平衡群体的判定 针对一个群体的某一特定位点，可以从基因型频率来判断该群体是否在该位点达到遗传平衡。首先，可以通过基因型频率(p勹2pq：矿）的观察值(O)计算出等位基因频率(p、q)；再由等位基因频率(p、q)按照p勹2pq：矿计算出基因型频率的期望值(E)；再进行卡方检验：X2=2.(O-E E)2（式6-1)其中，0和E分别为基因型频率的观察值和期望值。例如，在一个730个体的人群中，对一个Al G进行基因分型，得到M、AG和CG基因型的人数分别为22、216和492例。因而观察到的基因型频率分别为0.03、0.296和0.674。由此可计算出等位基因频率：p=O.03+1/2x0.296=0.178;q=l/2x0.296+0.674=0.882。则基因型的期望频率：p2=0.032、矿＝0.778、2pq=0.050。;1A、AG、CG的期望值(E):0.032x730=23.36、229.21、567.94。代入式6-1，则x2=(22-23.36)2/23.36+(216-229.21)2/229.21+(492-567.94)2/567.94=10.99以自由度n=l，得出P=0.00049，此群体的等位基因频率和基因型频率分布不符合Hardy We inberg平衡。一般来说在一个正常的大群体中，人类基因组的任何位点都应该达到Hardy-Weinberg平衡，特别是此位点的等位基因A的频率高达17.8%，因而该位点的基因分型很可能存在错误。 虽然从理论上说，人类基因组任何位点都应该符合Hardy-Weinberg平衡，但有些位点存在强烈的自然选择（如锁状细胞贫血症），或小群体对大群体的等位基因频率有影响（如ABO血型），使得某些个别位点存在不符合Hardy-Weinberg平衡的现象。这些情况将在第二节中予以详述。 （二）基因频率的计算 对于单基因病，当已知一个性状在某群体中的频率，根据Hardy-Weinberg平衡的等位基因频率和基因型频率的关系，即可确定等位基因频率和杂合子频率。例如，某常染色体隐性遗传病在某群体的发病率为1/10000，该群体的致病基因携带者的频率是多少？ 由矿＝10-4，得出q=1/100;p=1-1/100=99/100。故致病基因携带者的频率为：2pq=2x99/100xl/100=1/50。上述疾病患儿的双亲为肯定携带者。若他们离异后与群体中的任一个体再婚，假设新配偶的家族中无相同疾病的家族史，再生出患儿的风险＝（肯定携带者的风险）x（新配偶为携带者的风险）xl/4=1xl/50xl/4=1/200。例如，褒性纤维化(OMIM#219700)是一种常染色体隐性遗传病，在欧洲白色人种中的发病率约为1/2000，预测白色入种中襄性纤维化突变基因携带者是多少？ 矿＝1/2000，则q=0.022,p=1-0.022=0.978。致病基因携带者的频率为：2pq=2x0.978x0.022=0.043。由于白色入种中约有4％为襄性纤维化致病基因携带者，这些携带者的生存和婚配是襄性纤维.1,.化致病基因传递下去的重要原因，该数据对搅性纤维化家族的遗传咨询十分重要。 第六章群体遗传 对于罕见的隐性遗传病(q2,;.=::0.0001),p近似于1，故杂合子频率(2pq)约为2q，即杂合子频率是致病等位基因频率(q)的2倍；因此，群体中致病基因携带者的人数(2q)远高于患者（矿）。随着隐性遗传病发病率（矿）的下降，携带者和患者的比率明显升高，这对千制定隐性遗传病的筛查计划具有重要意义。 X连锁基因频率的估计不同于常染色体基因。因为男性为半合子，男性发病率等于致病等位基因频率q。对千一种相对罕见的X连锁隐性遗传病（如血友病A)，其男性发病率为1/5000，则该群体致病等位基因频率q=1/5000；女性携带者频率2q=1/2500，女性发病率为矿，因而男性患者远高于女性患者的发病率。相反，对于X连锁显性遗传病，男性发病率是女性发病率(2q)的1/2。例如，X连锁隐性遗传病红绿色盲在英国有1/12的男性受累。女性是携带者的比例是多少？受累女性的比例是多少？ 已知：q=1/12,p=11/12。 女性致病等位基因携带者的频率：2pq=2xl/12xl1/12=22/144=15%。 女性患者：矿＝1/144=0.7%。 第二节影响遗传平衡的因素 前已述及，Hardy-Weinberg平衡适用的条件包括群体无限大、随机婚配、．无突变、无选择、无迁移等。但是，真正的随机婚配和无限大群体并不存在。群体越小，群体的等位基因频率受非随机婚配、选择、迁移等的影响越明显。下面就讨论群体遗传平衡的因素。 —、非随机婚配 在4代之内有共同的祖先者均属近亲，如果他们之间进行婚配就成为近亲婚配(consanguin eous marriage)。亲属关系的远近可用亲缘系数(coefficient of rela tion ship)表示，它是指有亲缘关系的两个个体携带相同基因的概率。如父母与子女和同胞兄弟姐妹之间都各有1/2的基因相同，他们之间的亲缘系数为1/2，父母、兄弟姊妹也被称为一级亲属；与祖父母、外祖父母、叔、姑、舅、姨、侄、甥的亲缘系数是1/4，为二级亲属；表兄妹、堂兄妹之间的亲缘系数是1/8，为三级亲属。 如果发生近亲结婚，夫妇双方均有可能从共同祖先遗传到同一等位基因，并把该等位基因传递给他们的子女，使子女成为该基因的纯合子。有亲缘关系的配偶，从他们共同的祖先遗传得到同一等位基因，又将该等位基因同时传递给他们子女而使之成为纯合子的概率称为近婚系数(inbreeding coefficient, F)。 (—)常染色体基因的近婚系数 图4-7是表兄妹结婚的典型系谱，可以简化为图6-1。祖父的基因型为AIA2，祖母的基因型为A3A4，根据近婚系数的定义，需要计算表兄妹结婚的孩子S的基因型为AIAI、A2A2、A3A3和A4A4四种之一的概率。从图6-2可以看出，Al传递到S有两条途径：心从P l到Bl到Cl到S;(2)Pl到B2到C2到S。这其中每一步传递的概率都是1/2，则每一条途径使S获得Al基因型的概率为(1/2)3,S获得A IAI基因型的频率为(1/2)3X(1/2)3=(1/2)6。同理，S获得A2A2、A3A3或A4A4基因型的概率也为(1/2)6。这样，S的近婚系数为4x(1/2)6=1/16。 同理可知，常染色体基因一级亲属的近婚系数为1/4，二级亲属的近婚系数为1/8，三级亲属的近婚系数为1/16。 （二）X连锁基因的近婚系数 对于X连锁基因，男性传给女儿的概率为1，传给儿子的概率为0。因为男性只有1条X染色体，不可能出现纯合的X连锁基因。根据近婚系数的定义，父母近亲结婚时，儿子X连锁基因的近婚系数为0。 图6-1表兄妹婚配中等位图6-2姨表兄妹婚配中X基因的传递图解连锁基因的传递图解在姨表兄妹婚配中（图6-2)，等位基因XI由Pl经Bl、C l传至S，只需计为传递l步(B l转至Cl)；基因XI经B2、C2传至S则传递2步(B2传至C2和C2传至S)。因此，S为XJXJ的概率为(l/2)3。等位基因X2由P2经Bl、Cl传至S, XJY X2X3需计为传递2步(P2传至Bl和Bl传至Cl)；基因X2经B2、C2传至S,需计为3步。因此，S为X2X2的概率为(l/2)5。同理，S为X3X3的概率也为(l/2)5。故对千X连锁基因，姨表兄妹婚配的近婚系数F为(I/2)3+2x(1/2)5=3/16。 在舅表兄妹婚配中（图6-3)，等位基因XI由Pl传至B2时中断，因而不能形成纯合子XJXJ。等位基因X2由P2经B l.、Cl传至S，只需计为传递2步；基因X2由P2经B2、C2传至S，也只需计为传递2步。因此，S为X2X2的概率为(1/2)4。同理，S为X3X3的概率也是(l/2)40图6-3舅表兄妹婚配中X故对于X连锁基因，舅表兄妹婚配的近婚系数F为2X(1/2)4=l/8。连锁基因的传递图解在姑表兄妹婚配中（图6-4)，等位基因Xl由Pl传至B l时中断，基因X2和X3由P2经B l传至Cl时，传递中断。因此，不能形成纯合子XJXJ、X2X2和X3X3，其近婚系数F=O。如果为堂兄妹婚配（图6-5)，基因Xl由Pl传到Bl时中断，基因X2和X3由P2经Bl传到Cl时，传递中断。因此，也不能形成纯合子XJXJ、X2X2和X3X3，其近婚系数F=O。 圈6-4姑表兄妹婚配中X图6-5堂兄妹婚配中X连连锁基因的传递图解锁基因的传递图解综上，仅就X连锁基因来看，姨表兄妹婚配或舅表兄妹婚配比姑表兄妹或堂表兄妹危害大。 （三）近亲婚配的危害 近亲婚配的危害主要表现在增加隐性纯合子的频率。以表兄妹婚配为例（图6-1)，他们所生的子女(S)为隐性纯合子(aa)有2种原因：心由千父母(Cl和C2)近亲婚配从共同祖先(Pl和P2)传递得到等位基因a，在这种情况下，如果群体中等位基因a的频率为q,S为aa的总概率是Fq=(l l l6)q;＠由两个不同祖先分别传来等位基因a,S为aa的总概率为(1-F)q2=(1-l/16)q三(15/16)q\O和©相加：（1/16)q+(15/16)矿＝q/16(l+15q)=pql(l6+q1)。 在随机婚配中，所生子女的纯合子(aa)频率为q2。近亲结婚和随机婚配产生隐形纯合子的概率之比为(pq/16+q勹矿。由此可见，隐性遗传病愈罕见，患儿来自表亲婚配的概率愈大。古埃及十八王朝为了维待皇室血统的纯正，有近亲结婚的传统。例如，法老Tu画khamun与自己同父异母的妹妹结婚，两个孩子都未足月而流产。 实验动物的非随机交配被用于纯系动物的培育，如将同胞小鼠交配产生的后代再进行同胞交配，如此几十代之后建成纯系小鼠，每个小鼠的常染色体基因都相同，可保证该品系小鼠遗传背景的一致性。 二、突变和选择 突变是群体发生变异的根源。基因突变对千群体遗传组成的改变有2个重要的作用：首先，突变本身改变了基因频率；其次，突变又为选择提供了材料。突变和选择的交互作用，构成了生物进化的遗传学基础。 选择主要是通过增加和减少个体的适合度来影响基因平衡。换言之，当一个群体的不同个体的适合度(fitness,f)不同时，选择就会发生作用。自然选择(natural selection)和人工选择（邮ificial selection)都是导致基因频率变化的重要因素。就人类而言，导致基因频率变化的主要选择因素是自然选择。 适合度是指一个个体能够生存并把他的基因传给下一代的能力，用相对生育率来表示。 例如，调查了108例软骨发育不全的侁儒，共有子代27例；而他们的457个正常的同胞共生育了582例子代。因此，侁儒的相对生育率为(27/108)/(582/457)=0.1963，这个相对生育率即代表适合度。选择系数(select i o n coefficient, s)指在选择作用下适合度降低的程度。s反映了某一基因型在群体中不利千存在的程度，因此，s=l-f。 对于显性有害基因而言，携带显性基因的纯合子和杂合子都面临选择，因而选择对显性基因的作用比较有效。如果没有新的突变产生，显性有害基因较容易从群体中消失。显性遗传病患者多为杂合子，基因频率为2pq，由于正常等位基因频率q接近于1，故杂合子的频率约等于2p。如果该显性遗传病是致死的，选择系数s=1，则被淘汰的有害等位基因将以突变来补偿。在这种情况下，新发的突变率为发病率的so%。 如软骨发育不全侁儒症的遗传方式为常染色体显性遗传，选择系数s=0.8。如果双亲都有正常表型，则这个患儿可能为父亲或母亲生殖细胞突变所致。如果该病的群体发病率为万分之一，则基因突变率为0.8xl/2x0.0001=4xl0飞然而，对于常染色体隐性有害基因，选择作用很慢。因为有害基因杂合子携带者不被选择，其频率又高于受累纯合子的频率。当选择系数为s，有害等位基因频率为q的情况下，每代有害基因的降低约为矿(1-q)。由于q通常很小，隐性致病基因在群体中的消失会非常缓慢。 X连锁隐性有害基因有1/3分布在男性半合子中，将面临直接选择。如果提高受累男性的适合度，将会明显增加有害基因的频率。 选择还可以通过增加适合度而呈正性作用；对于某些常染色体隐性遗传病，杂合子比正常纯合子具有更高的适合度，称为杂合子优势(h e t erozygo t e a d vantage)。例如，常染色体隐性遗传病锁状细胞贫血症，纯合子患者有严重的溶血性贫血和持续恶病质，适合度明显降低。然而，杂合子个体对症疾具有相对的＂免疫力”，原因在千寄生症原虫的濂状红细胞比寄生疤原虫的正常红细胞更有效地被清除，因而杂合子的适合度增高。 相比自然选择，人工选择对基因频率的影响更为明显。如人类对狗的驯化史时间至少在1.5万年以上，近几百年来产生了品种繁多的“纯种狗”，不同品种之间的体型差异巨大。由于人工选择的作用，许多狗的基因突变被人工选择固定下来。在农业和畜牧业生产中，人工育种更为常见。 三、遗传漂变 小群体或隔离人群中基因频率的随机波动称为遗传漂变(geneti c drift)。由千群体较小，故等位基因在传递过程中会使有的基因固定下来而传给子代，有的基因则丢失，最终使得该基因在群体中消失。遗传漂变的速率取决于群体的大小。群体越小，漂变的速率越快，常常在几代甚至一代后即可出现基因的固定和丢失。 在一个大群体中，如果没有突变发生，则根据Hardy-Weinberg平衡定律，不同基因型的频率将会维持平衡状态3但在一个小群体中，由于与其他群体相隔离，不能够充分地随机交配，故小群体内的基因不能达到完全分离和自由组合，造成基因频率容易产生偏差，但这种偏差不是由于突变、选择等因素引起的。 不同于选择，遗传漂变的方向无法确定，但其范围却可以估测。假设有一个容撮为N的群体，考虑常染色体的某一基因座A和a，其等位基因频率分别为p和q，则下一世代基因频率改变的方差为：Var~r=pq/2N，其中N为有效的群体容乱，即群体中可以进行有性生殖个体的数员。群体越大，基因频率随世代改变的可能性越小。 图6-6给出了当群体数量分别为5000、200和20的情况下初始基因频率变化的情况。当种群个体数量很小的情况下（如N=20)，许多基因被固定（频率＝1）或消失（频率＝0)。由此可见，种群的个体数量对维持该种群的性状是很重要的，许多濒危动物一旦个体数量过低，即使能够继续繁殖，物种的性状也很难保持。 遗传漂变对小群体的影响尤其显著。群体遗传学意义上的隔离，是指小群体（隔离群）的基础上影响群体的遗传平衡。一个群体由最初的少数几个人逐渐发展起来，则最初的人群对后代存在着显著的影响，称为建立者效应(fo und e r effec t)。例如，丹吉尔病(Tangier di sease)是一种罕见的常染色体隐性遗传病，以高密度脂蛋白(HDL)显著降低、黄色扁桃体（胆固醇酣沉积）为特征。虽然本病在全世界只有so多个患者，但大多集中于美国C h esapeake海湾的Tangier岛上。该岛只有727个人，多数为1770年前后移居于此的早期移民的后裔。由于地理位置的相对隔绝，岛上居民较少与外界通婚，导致Ta n g i e r病的ABCA J基因的突变由于遗传漂变的作用，在岛上居民中频率很高。 四、迁移和基因流 迁移(migration)又称移居，即不同人群的流动和通婚，彼此渗入外来基因，导致基因流动，可改变原来群体的基因频率。这种影响称为迁移压力。迁移压力的增强可使某些基因从一个群体有效地散布到另一个群体，称为基因流(gene flow)。例如，在对苯硫脤(PTC)的尝味能力缺乏的调查中发现，0.8-----------.、一·../-~--J卢--\__..-.-/、-./^。一寸r--222:::8因符；；；芷拦令$$兮＄识宗乙忑$史R芒合g吕宰云凉58....寸卜22228囡符云芷尽令＄导兮＄扂淙己芯＄巨户泛p g器器云忑S;8.... C在欧洲和西亚白色人种中，味盲基因频率(t)=0.60。在我国汉族入群中，味盲基因频率(t)=0.30。而在我国宁夏一带聚居的回族人群中，味盲基因频率(l)=0.45。可能的原因是在唐代，欧洲和西亚的人，尤其是波斯人沿着丝绸之路到长安进行贸易，以后又在宁夏附近定居，与汉族人婚后形成的基因流所致。 应当指出，影响遗传平衡的因素并不是独立存在的，群体越小，突变、选择、遗传漂变、非随机婚配的影响就越明显。例如，在加拉帕戈斯(Galapagos)群岛几个彼此隔绝的火山岛上形成隔离群，由千群体数榄较小，发生的突变经过自然选择和遗传漂变很快被固定下来。因为能获取食物的高度不同，加拉帕戈斯巨龟颈后龟甲的形状在岛间有所不同，类似的情况也体现在不同岛屿之间鸟喙形状的不同。隔离群等位基因频率的变化体现在表型上，显得尤为明显。影响遗传平衡的因素对规模较大的群体基因频率的影响较小，可以观察到的表型变化相对不明显。 第三节遗传负荷 遗传负荷(ge n e tic load)是由群体中导致适合度下降的所有有害基因的构成，主要包括突变负荷和分离负荷。遗传负荷受近亲婚配和环境因素的影响。一个群体中遗传负荷的大小，一般以每个入携带有害基因的平均数量进行表示。据估计，每个人平均携带6个致死或半致死隐性突变基因。 —、突变负荷 突变负荷(mutation load)是遗传负荷的主要部分，由于基因的有害或致死突变而降低了适合度，给群体带来的负荷。突变负荷的大小取决千突变率(µ)和突变基因的选择系数(s)。 如果在一个随机婚配的大群体中，显性基因发生致死性突变时，受到了选择作用，带有致死突变基因的患者死亡使该基因消失，不会增加群体的遗传负荷；如果显性基因是半致死突变(semi-lethal mutation)，突变基因使携带者适合度下降50%，只有50％的机会将半致死基因传递下去，造成下一代死亡的风险为(50%x50%)=25%，而有75％的概率将半致死基因再传到下一代；由此类推，半致死基因在一代代传递中仍可造成一定的遗传死亡，但遗传负荷不断增加。随着显性突变的致死性降低，虽然会受到选择系数的影响，仍会造成遗传负荷的增加。随着现代医疗技术的发展，一些原来致死性的疾病变成可控制的慢性病，并可产生后代，这样的疾病随着适合度的增加，群体的遗传负荷也将逐渐增加。 如果在一个随机婚配的大群体中，隐性有害基因在纯合子状况下受到选择作用，有害基因纯合子频率为矿，选择系数为s，降低的适合度为sq气突变率µ造成适合度降低，因而µ=sq2，矿＝卢s，某基因的突变负荷＝sq三汃卢s=胪如果是X连锁隐性基因突变，在男性中与常染色体显性基因突变相似，在女性中则与常染色体隐性基因突变相同，都将在一定程度上增加群体的遗传负荷。如果X连锁显性基因突变，无论男性和女性，均与常染色体显性基因突变相似，即显性突变致死性下降，选择系数减小，都将导致群体的遗传负荷一定程度的增加。 二、分离负荷 分离负荷(segregat ion load)是指由于杂合子(Aa)与杂合子(Aa)之间的婚配，后代中有1/4为纯合子(aa)，其适合度降低，因而导致群体遗传负荷增加；纯合子(aa)的选择系数愈大，适合度降低愈明显，则群体遗传负荷的增加愈显著。 三、影响遗传负荷的因素 （一）近亲婚配对遗传负荷的影响 由于近亲婚配可以增加罕见的隐性有害基因的纯合子频率，因而增加了群体的分离负荷；群体的遗传负荷应该是随机婚配群体的遗传负荷与近亲婚配的遗传负荷之和。由于近亲婚配会造成有害的遗传效应，因而近亲婚配所造成的遗传负荷比随机婚配群体的遗传负荷大。 （二）环境对遗传负荷的影响环境中存在有害因素，可以诱发基因突变、畸形和癌的发生，从而增加群体的突变负荷。1电离辐射电离辐射可以直接破坏DNA的分子结构甚至引起染色体结构改变。例如，紫外线照射产生晓唗二聚体，丫射线辐射产生的DNA双链断裂等。这些突变如果是非致死性的，将增加群体的突变负荷。对群体来说，主要是小剂量慢性照射；辐射强度O. OlSv可诱发2. S xl0-8突变／基因，人群的自然突变率为1X10-6／基因，因而0.4Sv可使突变率增高一倍，称为加倍剂量。加倍剂量是人群不能耐受的剂量。 2化学诱变剂许多化学品是诱变剂、致癌剂和致畸剂。这些化学品在环境污染物、工农业生产、日常饮食和药品中均有可能有所接触。例如，电子垃圾焚烧产生的持久性有机污染物，香烟和汽车尾气中的苯并芘，食物中的亚硝酸盐，花生霉变产生的黄曲霸素B1，诱变剂中的2,4－二氨基苯甲酪硫酸盐等都有致癌和致畸作用。 第四节连锁不平衡及其应用 在人类基因组中存在着大量的序列变异，其中在群体中能够以孟德尔遗传的方式传递到子代的变异称为DNA多态。这些变异以单核昔酸多态性(SNP)最为常见，另有微卫星(microsatellite)DNA序列多态性、重复序列多态性等。这些多态性多数并不影响个体的表型。通常，多态性位点的等位基因频率＞1%。因为多态性位点呈孟德尔遗传传递方式，因而可以作为连锁分析和基因精细定位的遗传学标记（详见第二章）。 连锁不平衡(linkage disequilibrium)是指不同位点上各等位基因在群体中的非随机组合，即不同基因座上的各等位基因一起遗传到子代的频率明显高于其随机传递的频率。如图6-7所示，某致病突变发生之后，由千发生重组，离该致病位点越近的区域，越容易被一起传递到子代。经过多代之后，与致病基因位点一起传递下来的区域变得很小。由于该位点及其周围区域来源千若干代前的同一段染色体区域，这段区域的各个多态性位点之间即存在连锁不平衡。 例如，两个相邻的SNP位点，分别为AIG和GIT多态。由千这两个位点之间存在连锁不平衡，单倍型(haplotype)A-G总在一起被传递到子代。如果一旦在这两个位点之间发生重组，A-G的单体型就被破坏。两个位点之间的连锁不平衡程度常用D'或r2来度量，现代人群该染色体区域的连锁不平衡当D'和r2=1时为完全连锁不平衡，一般认为两个位点间r2>0.8时存在明确的连锁不平衡。 一般来说，存在连锁不平衡的区域总是比较小的，在100kb以内。在特定人群中，某一段存在连锁不平衡的区域源千同一祖先。利用这一特点，可以进行针对某种疾病或性状的关联分析(assoc iation s tud y)。例如，在病例－对照研究中发现，某个SNP位点的等位基因频率与对照组有显著差异，即可推论该位点与这种疾病或性状存在关联。这种关联并不是病因学上的联系，即使能够排除并发因素的影响，也只能说明与疾病（或性状）存在关联的SNP位点与致病的基因位点间存在连锁不平衡而不能说该SNP位点就是致病基因。诚然，存在连锁不平衡位点之间的物理学距离应该不远。 不同种族或民族在基因组的同一区域的进化历程不同，造成基因位点间的连锁不平衡在不同种族或民族之间存在差异。彼此之间存在连锁不平衡的多态性位点构成单倍型模块(haplotype block)。不同种族或民族的单体型模块结构不同。根据人类基因组单体型模块的分布信息，选取50万个以上的SNP位点即可覆盖整个基因组。原因在千，从理论上说，基因组上的任何点突变都会与其所在单体型模块的SNP存在连锁不平衡。 全基因组关联分析(genome wide association study, GWAS)即是利用高通量的基因分型手段获得覆盖基因组的SNP基因型，从而进行基因型－表型的关联分析。GWAS在代谢性疾病、心血管疾病、神经系统疾病、肿瘤等复杂性状疾病的遗传学研究中已得到广泛应用。但对GWAS结果的解释需要注意以下几点：CD对疾病或性状存在显著关联的SNP位点并不代表功能上的联系，只是说明该SNP与致病基因位点间可能存在连锁不平衡（除非SNP本身就是致病突变，或与致病基因的表达有关）；＠要注意多重检验的调整，100万个SNP关联分析的显著性差异水平应该是P<5xl0飞0.05/l xlO勹；＠对于复杂性状，每个易感基因位点的遗传相对风险(genet ic relative risk, GRR)可能并不高，需要较大的样本矗才能保证检验效能(power)。 旱小之口 ······--···-·········----··········----··········································-··--·······一．．．．．一一一·····-··················--.-············-····-··----········有性生殖生物的一个群体中，能进行生殖的所有个体所携带的全部基因或遗传信息称为基因库。群体遗传学是研究群体等位基因和基因型频率的维持、变化及其影响因素的学科。在群体无限大、随机交配、无突变、无选择、无迁移等理想情况下，某个物种的群体的等位基因频率和基因型频率不随世代改变，而是保持恒定（即基因型频率为等位基因频率的二项式展开），称之为Ha rd y-We inb erg平衡定律。影响遗传平衡的因素有近亲婚配、突变、选择、遗传漂变、迁移等。其中，近亲婚配的危害主要表现在增加隐性纯合子的频率。DNA多态性在人类基因组中广泛存在，并遵从孟德尔遗传规律，可作为基因定位的遗传标记。利用连锁不平衡可进行关联分析，荻得致病基因的精细定位。 1.20世纪初，孟德尔遗传规律已被广泛接受，当时困扰遗传学家们的一个问题是：＂一个显性遗传性状由一对等位基因(A,a)控制，当AA或Aa基因型存在的时候，只有等位基因(A)决定的表型可以显现，另一个等位基因(a)在群体中的频率是否会越来越小？“你在学习了群体遗传学之后，如何看待这个问题？ 2.中国汉族人群B型血的比例明显高于北欧人群，但“根据Hardy-Weinberg定律，大群体的等位基因和基因型频率不是应该基本不变的吗？“你如何解释这个问题？3医学遗传学家在寻找致病基因的时候，特别重视“隔离群＂样品的收集，如大西洋上的孤岛、多年与外界无通婚的渔村等。这样做的原因是什么？（李卫东） 第七章线粒体病的遗传 线粒体是真核细胞的能量代谢中心，其内膜上富含呼吸链－氧化磷酸化的酶复合体，可通过电子传递和氧化磷酸化生成ATP，为细胞提供生命活动所需要的能量。线粒体是人体细胞中唯一的半自主性细胞器，其基质中含有DNA和转录翻译系统，能够独立进行复制、转录和翻译。线粒体DNA(mi tochondrial DNA, mtDNA)的突变是人类许多疾病的基础。 第一节人类线粒体基因组 mtDNA是核基因组外的一独立的基因组。1981年，S. Anderson等人完成了人类mtDNA全部核昔酸序列测定，与核基因组相比，mtDNA有特殊的结构特征。 一、线粒体基因组的结构 人线粒体基因组mtDNA全长16568bp（曾经误为16569bp。1999年剑桥大学再次对mtDNA的全测序结果显示，mtDNA实际全长为16568bp。原第3701个碱基是不存在的，现以X表示），不与组蛋白结合，是裸露环状双链DNA分子，外环为重链(H链），富含鸟嗦呤，内环为轻链(L链），富含胞瞪唗。mtDNA分为编码区与非编码区。编码区包括37个基因，分别编码了13种多肤链、22种tRNA和2种出NA。其中，H链编码12种多肤链、12SrRNA、16SrRNA和14种tRNA，而L链仅编码l种多肤链和8种tRNA。13种多肤链都是呼吸链中氧化磷酸化酶复合体的亚基，其中3个为构成细胞色素c氧化酶(COX)复合体（复合体W)催化活性中心的亚单位(cox I、cox II和cox Ill)，这三个亚基与细菌细胞色素c氧化酶是相似的，其序列在进化过程中是高度保守的，2个为ATP合酶复合体（复合体V)凡部分的2个亚基(A6和A8),7个为NADH-CoQ还原酶复合体（复合体I)的亚基(NDl、ND2、制及转录有关，包含H链复制的起始点(OH)、H链和L链转录的启动子(PHl、PH2、PL)以及4个保守序列（分别在213-235、299-315、346-363bp和终止区16147-16172bp)。 二、线粒体DNA的复制 mtDNA可进行半保留复制，其H链复制的起始点(OH)与L链复制起始点(OL)相隔约2/3个mtDNA。复制起始于控制区L链的转录启动子，首先以L链为模板合成一段RNA作为H链复制的引物，在DNA聚合酶作用下，合成一条互补的H链，取代亲代H链与L链互补。被置换的亲代H链保待单链状态，这段发生置换的区域称为置换环或D环，故此种DNA复制方式称D－环复制。随着新H链的合成，D环延伸，轻链复制起始点OL暴露，L链开始以被置换的亲代H链为模板沿逆时针方向复制。当H链合成结束时，L链只合成了1/3，此时mtDNA有两个环：一个是已完成复制的环状双链DNA，另一个是正在复制有部分单链的DNA环。两条链的复制全部完成后，起始点的RNA引物被切除，缺口封闭，两条子代DNA分子分离（图7-2)。新合成的线粒体DNA是松弛型的，约需40分钟成为超螺旋状态。 三、线粒体基因的转录 与核基因转录比较，mtDNA的转录有以下特点：O两条链均有编码功能。©两条链从D－环区的启动子处同时开始以相同速率转录，L链按顺时针方向转录，H链按逆时针方向转录。＠mtDNA的基因之间无终止子，因此两条链各自产生一个巨大的多顺反子初级转录产物。H链还产生一个较短的、合成活跃的RNA转录产物，其中包含2个tRNA和2个mRNA。@tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之间，每个tRNA基因的5'端与mRNA基因的3'端紧密相连，核酸酶准确识别初级转录产物中tRNA序列，并在tRNA两端剪切转录本，形成单基因的mRNA、tRNA和rRNA，剪切下来的mRNA无5'帽结构，在polyA聚合酶的作用下，在3'端合成一段polyA，成为成熟的mRNA。初级转录产物中无信息的片段被很快降解。＠mtDNA的遗传密码与核基因组(nDNA)不完全相同：UGA编码色氨酸而非终止信号，AGA、AGG是终止信号而非精氨酸，AUA编码甲硫氨酸兼启动信号，而不是异亮氨酸的密码子。＠线粒体中的tRNA兼用性较强，其反密码子严格识别密码子的前两位碱基，但第3位碱第七章线粒体病的遗传91基的识别有一定的自由度（称碱基摆动），可以识别4种碱基中的任何一种，因此，1个tRNA往往可识别几个简并密码子，22个tRNA便可识别线粒体mRNA的全部密码子。 四、线粒体遗传系统的特点 （一）半自主性 mtDNA能够独立地复制、转录和翻译，但这种自主性有限。少mtDNA遗传信息量少，在线粒体所含1000多种蛋白质中，呼吸链氧化磷酸化系统酶复合物的80多种蛋白质亚基中，mtDNA仅编码13种，其他大部分蛋白质亚基及维持线粒体结构和功能的其他蛋白质都依赖核DNA(nuclear DNA, nDNA)编码，这些蛋白质在胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒体；(2:)mtDNA基因的表达受nDNA的制约，mtDNA复制、转录和翻译过程所需的各种酶及蛋白质因子都是nDNA编码的；＠线粒体氧化磷酸化系统的组装和维持需要nDNA和mtDNA的协同作用。因此，线粒体功能受nDNA和mtDNA两套遗传系统共同控制，是一种半自主性细胞器。 （二）同质性和异质性 线粒体mtDNA的多质性是区别于核DNA的重要特性C因为正常细胞中只有一套核基因组，同一个体也只有一个核基因组，一个基因座位上只有两个等位基因，一个来自父方，一个来自母方。而一个人体细胞内通常有数百个线粒体，每个线粒体内含2~10个mtDNA分子（例外的是血小板和未受精的卵子，它们中的每个线粒体内只含有一个拷贝的mtDNA)，所以每个细胞有数千个mtDNA分子，这即为mtDNA的多质性(polyplasmy)。多质性是线粒体DNA遗传异质性和同质性的基础。细胞或组织中，如果所有mtDNA分子都是相同的，则称为同质性(homoplasmy)。由千mtDNA随机突变会产生部分突变型的mtDNA，导致同一个体不同组织、同一组织不同细胞、同一细胞的不同线粒体、甚至同一线粒体内有不同的mtDNA拷贝，这称为异质性(heteroplasmy)。这些mtDNA拷贝中往往有一种为野生型，其他则为相同或不同的突变型。野生型mtDNA对突变型mtDNA有保护和补偿作用，因此，mtDNA突变并不立即产生严重后果。在细胞分裂时，线粒体被随机分配入细胞，这样线粒体遗传更偏向于群体遗传方面的特性，而不是核基因的孟德尔遗传。 （三）不同的遗传密码 在mtDNA遗传密码中，有4个密码子的含义与通用密码(nDNA的遗传密码）不同。例如，UGA编码色氨酸而非终止信号。另外，线粒体的tRNA兼用性较强，22个tRNA便可识别线粒体mRNA的全部密码子，而识别nDNA密码子的tRNA要多得多。核内的通用密码中要阅读64个密码子最少需要32种tRNA，但线粒体遗传系统内只有22种tRNA，所以线粒体内的密码子反密码子配对原则也与通用密码子不同。 （四）母系遗传 在精卵结合时，卵母细胞拥有上百万拷贝的mtDNA，而精子中只有很少的线粒体，受精时精子中的线粒体几乎不进入受精卵，因此，受精卵中的线粒体DNA几乎全都来自于卵子，这种受精过程中细胞质行为决定了线粒体遗传病的传递方式不符合孟德尔遗传，而是表现为母系遗传(maternal inheritance)，即母亲将mtDNA传递给她的子女，但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代（图7-3)。 人类的每个卵细胞中大约有10万个mtDNA，但只有随机的一小部分(2~200个）可以进入成熟的卯细胞传给子代，这种卵细胞形成期mtDNA数量剧减的过程称“遗传瓶颈效应”。通过“瓶颈＂的mtDNA复制、扩增，构成子代的mtDNA种群类型。对于具有mtDNA异质性的女性，瓶颈效应限制了其下传mtDNA的数最及种类，产生野生型和突变型mtDNA的数量及种类各不相同的卵细胞，造成子代个体间明显的异质性差异，甚至单卵双生子也可表现为不同的产生野生型和突变型mtDNA比例水平。因此，一个线粒体疾病的女患者或女性携带者可将不定量的突变mtDNA传递给子代，子代个体之间异质的mtDNA的种类、水平可以不同。lr0细胞分裂时，突变型和野生型mtDNA发生分离，随机地分配到子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变型mtDNA分子，称为复制分离(replicativ e seg regation)。这种随机分配导致子细胞中mtDNA种类和比例变化，在连续的分裂过程中，子代细胞中突变型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生漂变，向纯质的方向发展。分裂旺盛的细胞（如血细胞）往往有排斥突变mtDNA`的趋势，经无数次分裂后，细胞逐渐成为只有野生型mtDNA的纯质细胞。突变mtDNA具有复制优势，在分裂不旺盛的细胞（如肌细胞）中逐渐积累，形成只有突变型m tD NA的纯质细胞。 漂变的结果，表型也随之发生改变（图7-4)。（六）mtDNA突变率高mtDNA的结构特点决定了其突变率高的特点，mtDNA突变率比nDNA高10~20倍。其原因有以下几点：叩mtDNA中基因排列非常紧凑，任何mtDNA的突变都可能会影响到其基因组内的某一重要功能区域。＠mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合，缺乏组蛋白的保护。图7-4野生型和突变型mtDNA的分离示意图（涂@mtDNA位于线粒体内膜附近，直接暴露于呼吸色部分的为突变型）链代谢产生的超氧粒子和电子传递产生的轻自0表示卵子；S表示精子；人B、C表示子代细胞由基中，极易受氧化损伤。如：mtDNA链上的脱氧鸟昔(dG)可转化成经基脱氧鸟昔(8-0H-dG)，导致mtDNA点突变或缺失。＠mtDNA复制频率较高复制时不对称。亲代H链被替换下来后，长时间处于单链状态，直至子代L链合成，而单链DNA可自发脱氨基，导致点突变。＠缺乏有效的DNA损伤修复能力。mlDNA高突变率导致其高度多态现象，两个无关个体的mtDNA中碱基变化率可达3%，尤其D环区是线粒体基因组中进化速度最快的DNA序列，极少有同源性，而且参与的碱基数目不等，其16024-16365nt(nt：核昔酸）及73-340nt两个区域为多态性高发区，分别称为高变区(hyper-variable region I,HV I)及高变区II(h yperv釭iab l e region II, HV II)，这两个区域的高度多态性导致了个体间的高度差异，适用于法医学和群体遗传学研究，如生物进化、种族迁移等。 第七章线粒体病的遗传 第二节线粒体基因突变及相关疾病 自从1988年报道第一个mtDNA突变导致线粒体肌病的病例以来，人们对mtDNA突变在疾病发生中的作用机制的认识有了迅速发展。目前，已发现100多个与疾病相关的mtDNA点突变、200多种mtDN A缺失和重排。由千mtDNA基因突变可影响线粒体氧化磷酸化功能，使ATP合成减少，所以mtDNA突变导致的线粒体疾病多累及能量需求旺盛的肌肉和中枢神经组织，一旦线粒体不能提供足够的能量则可引起细胞退变甚至坏死，导致这些组织和器官功能的减退，出现相应的临床症状（图7-5)。 帕金森病 肌张力不全 图7-5mtDNA基因突变与相关疾病关系图MELAS综合征为线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒及卒中样发作综合征；MERRF综合征即肌阵挛性癫病伴碎红纤维病；MND为运动神经元病mtDNA突变类型主要包括点突变、大片段缺失重组和mtDNA数量减少。（－）点突变mtDNA中点突变多为错义突变，发生的位置不同，所产生的效应也不同。已发现的100多个与疾病相关的mtDNA点突变中，大约60％的点突变发生在与线粒体内蛋白质翻译有关的tRNA基因上，35％发生在与线粒体内蛋白质翻译有关的多肤链的亚单位基因上，5％发生在线粒体rRNA基因上。目前在线粒体疾病中检测到的mtDNA常见点突变如表7-1。 （二）大片段重组mtDNA的大片段重组包括缺失和重复，以缺失较为常见。大片段缺失指丢失了一个以上的基因。目前已在相关疾病中发现200余种mtDNA缺失和重排，缺失的片段大小不等。mtDNA缺失的大片段两端通常有2-13bp的重复序列，推测引起mtDNA缺失的原因可能是mtDNA分子中同向重复序列的滑动复制或同源重组。大片段缺失往往涉及多个基因，可导致线粒体氧化磷酸化功能下降，产生的ATP减少，从而影响组织器官的功能。 最常见的缺失是8483-13459位碱基之间5.0kb的片段，该缺失约占全部缺失患者的1/3，故称“常见缺失”(common deletion)。该片段包含A8、A6、cox III、ND3、ND4L、ND4、ND5及部分tRNA基因；另一个较为常见的缺失是8637-16073位碱基之间7.4kb的片段，两侧有12bp的同向重复序列。该片段包含A6、cox H、ND3、ND4L、ND4、ND5、ND6、Cyt扒部分tRNA和D－环区的序列；第三种常见的缺失是第4389至14812位10.4kb的片段，包含mtD NA大部分基因。由千大部分基因丢失，能量代谢受到严重破坏。 （三）mtD NA数量减少 mtDNA数量的减少是指mtDNA拷贝数大大低于正常细胞。这种突变较少见，仅见千一些致死性婴儿呼吸障碍、乳酸中毒或肌病、肝肾衰竭的病例。呈常染色体显性或隐性遗传，提示该病由核基因缺陷所致线粒体功能障碍。 二、突变导致的功能缺陷 (—)点突变导致的线粒体病 点突变发生的位置不同，所产生的效应也不同。突变发生于tRNA上，可使tRNA和rRNA的结构异常，影响mtDNA编码的全部多肤链的翻译过程，导致呼吸链中多种酶合成障碍；如果点突变发生千mRNA相关的基因上，可导致多肤链合成过程中的错义突变，进而影响氧化磷酸化相关酶的结构及活性，使细胞氧化磷酸化功能下降。典型疾病为MERRF、LHON综合征和KSS等。 MERRF最常见突变是mtDNA的tRNA切，基因存在8344位点A--+G突变，使tRNAL“结构中T叭C环改变，影响了线粒体蛋白的整体合成水平，主要导致氧化磷酸化复合体蛋白亚单位I和W合成降低。 最早发现LHON患者ND4基因中存在11778位点上G一A突变，使NADH脱氢酶亚单位4(ND4)第340位精氨酸变成了组氨酸，从而影响了线粒体能量的产生，引起视神经和视网膜神经元退化。现发现至少10种点突变与该病相关，它们分布于NDJ、COXJ、ND6、Cyt6等的基因内，表明LHON视力的丧失是电子传递链功能受阻，而非某种特异酶缺陷。 （二）大片段缺失导致的线粒体病 大片段的缺失往往涉及多个基因，可导致线粒体氧化磷酸化功能下降，产生的ATP减少，从而影响组织器官的功能。如最常见的8483-13459位碱基之间5.0kb的片段缺失，该片段缺失意味着其中A8、A6、COX III、ND3、ND4L、ND4、ND5及部分tRNA基因的丢失，造成氧化磷酸化系统中多肤不能生成，ATP生成减少。该缺失多见于Ke扛ns-Sayre综合征(KSS)、缺血性心脏病等。 几乎所有KSS患者均有m tDNA大片段缺失，缺失大多发生在重链与轻链的两个复制起始点之间，最常见的是8468位点和13446位点之间的4977bp缺失，约1/3患者的缺失断裂点位千ATP酶亚单位8基因和ND5基因内，最大片段的缺失为5786位点和15944位点之间大于10kb的缺失。由千缺失丢掉了许多基因，尤其是tRNA基因，导致线粒体蛋白合成缺陷。KSS病情严重程度与突变mtDNA的异质性和组织分布有关。 mtDNA突变与很多疾病相关，已发现与糖尿病相关的mtDNA突变20余种。mtDNA突变与衰老有关，研究发现成人的心肌和脑组织中有mtDNA的特异性缺失，而胎儿的心肌和脑组织中没有发现这种缺失。 第三节线粒体疾病的遗传特点 一、母系遗传 线粒体基因组存在于细胞质中，精卵结合形成的受精卯中细胞质来自卵母细胞，因此只有母亲的线粒体疾病可遗传给子女，而父亲的线粒体疾病不会遗传给后代，称为母系遗传（见图7-3)。但由于受精卯成熟过程中只有一小部分线粒体成熟并通过细胞分裂传给子细胞，加之细胞分裂过程中的复制分离和遗传漂变现象，所以并非女性患者的后代全部发病，而且发病年龄也不一致；甚至一些女性患者本身表型正常，但可将本病传给下一代。 线粒体疾病母系遗传与常染色体病的X连锁遗传不同，前者只能由母亲传递给儿子和女儿，且只有女儿再传递给下一代，男性患者是不会传递给下一代的；而后者中男女患者都可以将疾病传递给下一代，且存在交叉遗传。 二、阅值效应 mtDNA突变表型由野生型与突变型mtDNA的相对比例以及该组织对能量的依赖程度决定的。通常突变的mtDNA达到一定数量时，才引起某种组织或器官的功能异常，这种能引起特定组织器官功能障碍的突变mtDNA的最小数匾称为闾值。如LHON为母系遗传病，其家族中同质性较常见，异质性LHON家族中突变mtDNA的阙值水平?!:70%。 阙值是一个相对概念，易受突变类型、组织、细胞核遗传背景、老化程度变化的影响。例如，缺失5kb变异的m tDNA比率达60%，就急剧地丧失产生能量的能力，而线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作(MELAS)患者tRNA点突变的mtDNA达到90％以上时能量代谢急剧下降。 不同的组织器官对能量的依赖程度不同，对能量依赖程度较高的组织比其他组织更易受到氧化磷酸化损伤的影响，较低的突变型mtDNA水平就会引起临床症状。中枢神经系统对ATP依赖程度最高，对氧化磷酸化系统缺陷敏感，易受闾值效应的影响而受累。其他依次为骨骼肌、心脏、胰腺、肾脏、肝脏。如肝脏中突变m tDNA达80％时，尚不表现出病理症状，而肌组织或脑组织中突变mtDNA达到同样比例时就表现为疾病。 同一组织在不同功能状态对氧化磷酸化系统损伤的敏感性也不同。如线粒体脑肌病患者在癫病突然发作时，对ATP的需求骤然增高，脑细胞中因突变型mtDNA增加无法满足这一需要，导致细胞死亡，表现为梗塞或梗死。 线粒体疾病的临床多样性也与发育阶段有关。例如肌组织中mtDNA的部分耗损或耗竭在新生儿中不引起症状，但受损的氧化磷酸化系统不能满足机体生长对能量代谢日益增长的需求，就会表现为肌病。散发性KSS和进行性眼外肌瘫痪(PEO)患者均携带大量同源的缺失型mtDNA，但却有不同的临床表现：KSS为多系统紊乱，PEO主要局限千骨骼肌，可能是由于mtDNA缺失发生在艇胚期之前或之中，在胚层分化时，如果缺失mtDNA相对均一地进入所有胚层，将导致KSS；仅分布在肌肉内将导致PEO。 突变mtDNA随年龄增加在细胞中逐渐积累，因而线粒体疾病常表现为与年龄相关的渐进性加重。在一个伴有破碎红纤维的肌阵挛癫病(MERRF)家系中，有85％突变mtDNA的个体在20岁时症状很轻微，但在60岁时临床症状却相当严重。．线粒体疾病受线粒体基因组和核基因组两套遗传系统共同控制，表现为核质协同作用的特点。首先，线粒体有相对独立的遗传系统和特点，m tDNA突变可导致线粒体疾病发生；其次，线粒体遗传系统受核基因组制约，如tRNA合成酶、mtDNA聚合酶等由nDNA控制合成，nDNA突变也可导致线粒体疾病；第三，mtDNA突变的症状表现与其核基因组背景有关；第四，有些线粒体疾病如KSS，既有nDNA突变，也有mtDNA突变。因此，线粒体疾病有些表现为母系遗传，有些表现为孟德尔式遗传，有些为散发性遗传。“”TEmtDNA是棵露环状双链DNA分子，全长16568bp，含37个基因，编码13种呼吸链酶复合体亚单位、22种tRNA和2种rRNA。mtDNA复制方式为D－环复制。两条链均有编码功能，但编码产物不同。与nDNA相比，mtDNA有以下特点：心功能上具半自主性；＠在细胞、组织或个体中存在多质性、同质性和异质性；＠少数遗传密码与通用密码不同；＠表现为母系遗传；＠复制分离；＠突变率比nDNA高。 线粒体基因突变类型有：点突变，重组突变和mtDNA拷贝数目突变。常见线粒体遗传病有MERRF综合征、LHON综合征和KSS综合征等。这些病的临床表现与mtDNA突变基因的位置有关。线拉体疾病的遗传特点：O母系遗传；＠闽值效应；＠核质协同性。 1线拉体基因组有什么特点？如何理解线粒体的半自主性和异质性？2药物致聋由线杠体12S rRNA基因1555bp A-G突变引起，如何有效避免此类情况发生？3.线粒体遗传病有什么特点？如何判断某病是线粒体遗传病？4从线拉体遗传特征出发分析高龄妇女生育不利于“优生”的机制。 （阮绪芝） 第八章人类染色体 染色体(chromosome)是遗传物质（基因）的载体。它由DNA和蛋白质等构成，具有储存和传递遗传信息的作用。真核细胞的基因大部分存在千细胞核内的染色体上，通过细胞分裂，基因伴随染色体的传递而传递，从母细胞传给子细胞、从亲代传给子代，延续着生命活动。不同物种的染色体数目和形态各具特征，同种生物染色体的形态和数目相对恒定，因此，染色体也被认为是物种鉴定的重要标志。 人类染色体研究巳有100多年的历史。1888年，德国解剖学家W. Waldeyer根据细胞有丝分裂和生殖细胞减数分裂观察到的现象，提出了染色体这一名词。但由千实验技术和研究方法的限制，对人类染色体数目的确定经历了漫长的历程。直到1956年，Joe Hin Tjio（蒋有兴）和Albert Leven的实验才明确证实了人类体细胞的染色体数目为46条。此后染色体技术很快被应用于临床。1959年，J勋me Lej e une对3例Down综合征患儿进行了染色体检查，发现患者比正常人多了一条第21号染色体，从而确诊了人类第一例染色体病；1960年，人们发现了慢性粒细胞性白血病患者的Ph染色体；1968年，Q显带技术问世，并相继出现了各种染色体显带技术，提高了染色体分析的精确性，发现了一些过去所不能发现的染色体结构异常；1976年，高分辨显带技术的出现，加速了染色体研究的步伐。20世纪80年代末分子生物学研究迅速发展，并与细胞遗传学结合，出现了分子细胞遗传学这一新的研究领域。分子细胞遗传学是综合利用细胞遗传学和分子遗传学技术或结合其他某种技术以解决单独应用细胞遗传学技术无法解决的染色体异常或变异。目前可以检测单个碱基突变至10kb DNA的缺失，从基因水平上揭示各种遗传病的本质。 第一节人类染色体的基本特征一、染色质和染色体染色质(chromatin)和染色体实质上是同一物质在不同细胞周期、执行不同生理功能时不同的存在形式。在细胞从间期到分裂期过程中，染色质通过螺旋化凝缩(condensati on)成为染色体，而在细胞从分裂期到间期过程中，染色体又解螺旋舒展成为染色质。 （一）染色质染色质是间期细胞核中伸展开的DNA蛋白质纤维。间期细胞核的染色质可根据其所含核蛋白分子螺旋化程度以及功能状态的不同，分为常染色质(euchromatin)和异染色质(he terochromatin)。 1常染色质和异染色质常染色质在细胞间期螺旋化程度低，呈松散状，染色较浅而均匀，含有单一或重复序列的DNA，具有转录活性，常位千间期细胞核的中央部位。异染色质在细胞间期螺旋化程度较高，呈凝集状态，而且染色较深，多分布在核膜内表面，其DNA复制较晚，含有重复DNA序列，很少进行转录或无转录活性，是间期核中不活跃的染色质。异染色质通常具有三个特点：心在细胞间期处于凝缩状态；＠是遗传惰性区，只含有不表达的基因；＠复制时间晚于其他染色质区域。异染色质又分为两种：一种称为结构异染色质(constitutive heterochromatin)或专性异染色质。结构异染色质是异染色质的主要类型，这类异染色质在各种细胞中总是处于凝缩状态（正异固缩），一般为高度重复的DNA序列，没有转录活性，常见于染色体的着丝粒区、端粒区、次缢痕以及Y染色体长臂远端2/3区段等；另一种叫功能异染色质或称为兼性异染色质(facultative heterochromatin)，这类染色质是在特定细胞或在一定发育阶段由常染色质凝缩转变而形成的。当其浓缩时，基因失去了活性，无转录功能；当其处于松散状态时，又能够转变为常染色质，恢复其转录活性（负异固缩）。通常认为在常染色质和异染色质的转化过程中，DNA甲基化发挥了重要的调控作用。 2性染色质性染色质(sex chromatin)是性染色体(X和Y)在间期细胞核中显示出来的一种特殊结构，包括X染色质和Y染色质。性染色质属于兼性异染色质。 (1)X染色质(X chromatin):1949年，ML. B祖T等人在雌猫神经元细胞核中发现一种浓缩小体，在雄猫中则见不到这一结构。进一步研究发现，除猫以外，其他雌性哺乳类动物（包括人类）间期细胞中也同样存在这种显示性别差异的结构，而且不仅是神经元细胞，在其他细胞的间期核中也可以见到这一结构，称之为X染色质或X小体（图8-1)。 正常女性的间期细胞核中紧贴核膜内缘有一个染色较深，大小约为lµm的椭圆形小体，即为X染色质。正常男性则没有X染色质。为什么正常男女性之间的X染色质存在差异？女性两个X染色体上的每个基因的两个等位基因所形成的产物，为什么不比只有一个X染色体半合子的男性的相应基因产物多？为什么某－X连锁的突变基因纯合女性的病情并不比半合子的男性严重？1961年，女科学家Mary Frances Lyon提出的X染色体失活的假说(Lyon假说）对这些问题进行了解释。该假说的要点如下：CD失活发生在胚胎发育早期（人类晚期襄胚期，也就是约第16天左右）；®X染色体的失活是随机的，异固缩的X染色体可以来自父亲也可以来自母亲；＠失活是完全的，雌性哺乳动物体细胞内仅有一条X染色体是有活性的，另一条X染色体在遗传上是失活的；＠失活是永久的和克隆式繁殖的。一旦某一特定的细胞内的X染色体失活，那么由此细胞而增殖的所有子代细胞也总是这一个X染色体失活。如果是父源的X染色体失活，则其子细胞中失活的X染色体也是父源的，所有这个细胞的子代细胞中都将表达有活性的母源X染色体。在一个正常女性的细胞中，失活的X染色体既有父源的，也有母源的。因此，失活是随机的，但同时也是恒定的。 Ly on同时也注意到间期核内X染色质数目总是比X染色体数目少1，即XX者有1个X染色质，XXX者有2个X染色质。因此，两个X染色体中有1个X染色体是异固缩的，并且是迟复制的。在细胞代谢中，异固缩的X染色体没有活性，只有1个X染色体有活性。在异常细胞中具有的额外X染色体也无活性。对千正常男性，单个的X染色体不发生异固缩，而且任何时候都是有活性的，故无X染色质。 第八章人类染色体 需要指出的是，虽然X染色体失活通常是随机的，但结构异常的X染色体，如有缺失的X染色体是优先失活的；另一方面，在X染色体平衡易位携带者个体中，通常是正常的X染色体优先失活。另外值得注意的是，虽然X失活是广泛的，但并不是完全的，失活的X染色体上基因并非都失去了活性，有一部分基因仍保持一定活性。据估计，人类X染色体上约有1/3的基因可能逃避完全失活（图8-2)。因此当X染色体数目偏离正常数目时，个体就表现出了多种异常临床症状。如47,XXY的个体不同于46,XY的个体；47,XXX的个体不同于46,XX的个体，而且X染色体越多时，表型的异常更严重。 目前认为X染色体失活的引发，需要一种特异的、非翻译的RNA，称为X染色体失活特异转录因子(X inactivation-specific transcript, XIST)参与，这种RNA在将要失活的X染色体上大量积累，并包被该X染色体，然后，通过表观遗传改变，最终导致失活。编码XIST RNA的基因XIST位千Xq13.2。 (2)y染色质(Y chromatin)：正常男性的间期细胞用荧光染料染色后，在细胞核内可出现一个强荧光小体，直径为0.3µm左右，称为Y染色质或Y小体（图8-3)。研究发现Y染色体长臂远端部分为异染色质，可被荧光染料染色后发出荧光。Y染色质是男性细胞中特有的，女性细胞中不存在。与X染色质不同的是，细胞中Y染色质的数目与Y染色体的数目相同。如核型为47,XYY的个体，细胞核中有两个Y染色质。 已知经历X失活的已知逃避X失活的基因基因 （二）染色体 染色质由无数个重复的核小体(nucleosome)亚单位构成。核小体则由4种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4各2个分子）组成的八聚体核心表面围以长约146bp的DNA双螺旋所构成，此时DNA分子被压缩了6倍。组蛋白Hl位于相邻的两个核小体的连接区DNA表面，核小体进一步折叠或卷曲产生1/40倍压缩的30nm纤维状结构，相当千基本染色质丝。染色质丝进一步螺旋化，形成环状结构，这些环的基部附着千非组蛋白构成的＂支架”上。这种纤维的直径约为240nm，它可能是间期染色体的最终包装水平，称为染色单体丝。染色体包装的最后阶段发生在细胞进入有丝分裂或减数分裂时。染色单体丝通过围绕中心轴螺旋缠绕和向染色体中心方向的压缩作用形成染色体。至此，几厘米长IOTh的DNA成为了几微米长的染色体，其长度约为原来的万分之一（图8-4)。这种有效的包装方式，使细胞在分裂过程中能够把携带遗传信息的DNA从染色体形式平均分配给子细胞。 二、人类染色体的数目、结构和形态 不同物种生物的染色体数目、结构和-－染色质纤维形态各不相同，而同一物种的染色体数目、结构和形态则是相对恒定的。例如，果蝇的染色体数目为6，小鼠染色体数为40。染色体数目、结构和形态的恒定对维持物种的稳定性具有重要意义，染色体数目、结构和形态也是物种鉴定的重要标志之一。 （一）人类染色体的数目 在真核生物中，一个正常生殖细胞（配子）中所含的全套染色体称为一个染色体组，其所包含的全部基因称为一个基因组(genome)。具有一个染色体组的细胞称为单倍体(haploid)，以n表示；具有两个染色体组的细胞称为二倍体(diploid)，以2n表示。人类正常体细胞染色体数目是46，即图8-4从DNA到染色体水平的压缩过程2n=46条，正常生殖细胞（精子或卵子）中染色体数为23条，即n=23条。 （二）人类染色体的结构、形态在细胞增殖周期中的不同时期，染色体的形态结构不断地变化着。有丝分裂中期染色体的形态最典型，可以在光学显微镜下观察，常用于染色体研究和临床上染色体病的诊断。 每一中期染色体都具有两条染色单体(chromatid)，互称为姊妹染色单体，它们各含有一条DNA双螺旋链。两条单体之间由着丝粒(centrom ere)相连接，着丝粒处凹陷缩窄为初级缢痕或主缢痕(pri mary constri ction)。着丝粒是纺锤体附着的部位，在细胞分裂中与染色体的运动密切相关，失去着丝粒的染色体片段通常不能在分裂后期向两极移动而丢失。着丝粒将染色体划分为短臂(p)和长臂(q)两部分。在短臂和长臂的末端分别有一特化部位，称为端粒(telomere)。端粒起着维持染色体形态结构的稳定性和完整性的作用。在某些染色体的长、短臂上还可见凹陷缩窄的部分，称为次级缢痕(secondary cons tri ction)。人类近端着丝粒染色体的短臂末端有一球状结构，称为随体(satellite)。随体柄部为缩窄的次级缢痕，该部位与核仁的形成有关，称为核仁形成区或核仁组织者区(nucleolus organizing region,NOR)（图8-5)。核仁组织者区含有核糖体RNA基因18S和28S的rDNA，其主要功能是转录rRNA，参与核糖体大亚基前体的合成。 染色体上的着丝粒位置是恒定不变的，根据着丝粒的位置可将染色体分为4种类型：心中央着丝粒染色体(m etacentr i c chromosome)，着丝粒位于或靠近染色体中央。若将染色体全长分为8等份，则着丝粒位千染色体纵轴的1/2-5/8之间，并将染色体分为长短相近的两个臂；＠亚中央着丝粒染色体(submetacen t ric c hromosome)，着丝粒位于染色体纵轴的5/8-7/8之间，其将染色体分为长短不同的两个臂；＠近端着丝粒染色体(acrocentric c hromo some)，着丝粒靠近一端，位于染色体纵轴的7/8～末端之间，短臂很短；＠端着丝粒染色体(telocentric chromosome)，着丝粒位千染色体的末端，没有短臂。人类正常染色体只有前三种类型，即中央着丝粒染色体、亚中央着丝粒染色体和近端着丝粒染色体（图8-6)。 第八章人类染色体101 粒端 短臂可＿之''近动粒的 级缢痕主缢动粒 近动粒级缢 异染色质 长臂＜了 核小体 ，端粒：,',' , ' ', 染色单体 厂雷 ＼体一一近 随茎 人类性别是由细胞中的性染色体所决定的。在人类的体细胞中有23对染色体，其中22对染色体与性别无直接关系，称为常染色体(au tosome)。常染色体中的每对同源染色体的形态、结构和大小都基本相同；而另外一对与性别决定有明显而直接关系的染色体称为性染色体(sex chroma~some)，其中包括X染色体和Y染色体。两条性染色体的形态、结构和大小都有明显的差别。X染色体的长度介于C组第6号和第7号染色体之间，而Y染色体的大小通常与G组第21号和22号染色体相当。男性的性染色体组成为XY，而女性的性染色体组成为XX，即男性为异型性染色体，女性为同型性染色体。这种性别决定方式为XY型性别决定。因此，在配子发生时，男性可以产生两种精子，含有X染色体的X型精子和含有Y染色体的Y型精子，两种精子的数目相等；而女性则由于细胞中有两条同源的X染色体，因此，只能形成一种含有X染色体的卵子。受精时，X型精子Nu. 中央着丝粒染色体 人廿 纽硉 罕亚粒类人 三、性别决定及性染色体 型类 与卯子结合，形成性染色体组成为XX的受精卵，将来发育成为女性；而Y型精子与卵子结合则形成性染色体组成为XY的受精卵，将来发育成为男性。所以入类的性别是精子和卵子在受精的瞬间决定的，确切地说是由精子决定的。在自然状态下，不同的精子与卵子的结合是随机的，因而人类的男女比例大致保持l:1。 很显然，性别是由精子中带有的X染色体或Y染色体所决定的，而X染色体和Y染色体在人类性别决定中的作用并不相等。一个个体无论其有几条X染色体，只要有Y染色体就决定男性表型（睾丸女性化患者除外）。性染色体异常的个体，如核型为47,XXY或48,XXXY等，他们的表型是男性，但是一个不正常的男性。没有Y染色体的个体，其性腺发育基本上是女性特征，即使只有一条X染色体如核型为45,X的个体，其表型也是女性，但是一个表型异常的女性。 现已确认人类Y染色体短臂上有一个决定性别的关键基因，称为性别决定区域Y基因(sex-determining region Y,SRY), SRY位于Ypll.31，全长7897bp，编码的SRY蛋白含204个氨基酸，具有高度的保守性和特异性。SRY基因的表达产物只出现在睾丸分化前的部分生殖崝体细胞中，即含有SRY蛋白的这些细胞最终分化为支持细胞。支持细胞既是睾丸组织中最主要的细胞类型，也是生殖崝体细胞中最早产生性别分化的细胞，可诱导性腺细胞中其他体细胞分化为睾丸相关组成细胞，从而引导性别分化朝向男性方向。一旦SRY基因突变或易位，可导致某些两性畸形（如46,XY女性或46, XX男性）的发生。 第二节染色体分组、核型与显带技术 以前由于技术和方法的限制，使染色体的研究受到一定的影响。尤其是染色体数目的研究结果很不一致。1923年，Theophilus Shickel Painter提出了染色体数目为2n=48的观点，一直被多数学者所承认。直到1956年，Albert Levan和Joe Hin Tjio（蒋有兴）应用秋水仙素（纺锤丝抑制剂）和低渗技术，在流产的胎儿肺组织培养中确定这些细胞的染色体是46，而不是48条。从此肯定了人类染色体数目为2n=46，这标志着现代细胞遗传学的开始。 一、染色体的研究方法 （一）染色体标本的制作 染色体的形态结构在细胞增殖周期中是不断变化的，一般在有丝分裂中期，染色体的形态最典型、最易辨认和区别，是分析染色体的最好阶段。实验材料可以是体外培养细胞、外周血淋巴细胞、骨髓细胞、胸腔积液细胞、腹腔积液细胞、性腺活检标本、胎儿绒毛标本、实体瘤标本、胎儿羊水细胞以及皮肤、肝、肾等标本。这些细胞标本大都要经过体外培养后才能制作成染色体标本，只有少数标本可以直接用千制作染色体标本，如骨髓细胞、胎儿绒毛以及胸腔积液、腹腔积液和性腺活检标本等。 制备染色体标本首先要获得大显的中期分裂象。一般而言，有丝分裂中期染色体在细胞核中相互交错缠绕，只有把它们分散开来才能便于观察。秋水仙素有抑制纺锤丝蛋白合成的作用，能抑制分裂中期的活动，使细胞分裂停止在中期，从而获得大量的中期分裂象；同时为了得到分散良好的分裂象，可采用低渗液处理细胞。由千低渗液可使细胞体积膨大、破裂，有助千染色体散开；再经固定液固定处理后滴片，并用吉姆萨(Giemsa)染料染色，就可得到非显带染色体标本。 （二）染色体显带与显带技术 染色体显带(chromosome banding)技术是在非显带染色体的基础上发展起来的，它能显示染色体本身更细微的结构，有助于准确地识别每一条染色体及诊断染色体异常疾病。所谓显带染色体是指染色体标本经过一定程序处理，并用特定染料染色，使染色体沿其长轴显现明暗或深浅相间第八章人类染色体103的横行带纹，也称为染色体带(chromosomal hand)。这种使染色体显带的方法，则称为显带技术。通过显带技术，使各号染色体都显现出独特的带纹，从而构成染色体的带型(ha n d in g pattern)。每对同源染色体的带型基本相同而且稳定，非同源染色体的带型各不相同。染色体显带现象是染色体本身存在着“带”的结构。在未经显带处理的染色体标本上也可以直接观察到“带”的存在。但用特殊方法处理后，再用染料着色，带纹会更清楚。一般认为，易被吉姆萨深染的阳性带为富含A-T的染色体节段，复制晚，含编码基因较少；相反富含G-C的染色体节段复制早，含非编码基因较多，不易着色，称为阴性带。人类染色体能显现出近2000条带纹，这些带再融合成一般显微镜下可见的300-850条带左右。 由瑞典细胞化学家、遗传学家Torhjorn Oskar Caspersson千1968年首先建立的Q显带技术以及随后发展起来的其他显带技术为染色体研究提供了有力的工具。显带技术一般分为两大类：心显示整条染色体带的分布方法，如Q、G、凡高分辨显带技术；＠显示特殊染色体结构或特定带的方法，如C显带、T显带、NORs显带等。 ,1. Q显带即嗤叮因(quinacrine mustard, QM)荧光染色技术(Q hand）。在荧光显微镜下可观察到中期染色体经荧光染料氮芬嗤叮因处理后其长轴呈现的宽窄不等的荧光亮带和暗带。一般富含A-T碱基的DNA区段表现为亮带，富含G-C碱基的DNA区段表现为暗带。 2. G显带将染色体标本用碱、胰蛋臼酶或其他盐溶液处理后，再用Giemsa染液染色，染色体上出现与Q带相类似的带纹，在普通显微镜下，可见深浅相间的带纹，称G带(G hand)。G带与Q带相对应，即在Q显带中亮带的相应部位，被Giemsa染成深染的带，而在Q显带中暗带的相应部位则被染成浅染的带。 6. N显带用硝酸银染色，可使染色体的随体及核仁形成区(NOR)呈现出特异性的黑色银染物，这种银染色阳性的NOR称为Ag-NOR。研究表明，Ag-NOR的可染性取决于它的功能活性，即具转录活性的NOR着色，但受染物质不是次缢痕本身，而是附近与rDNA转录有关的一种7.高分辨显带1975年以来，美国细胞遗传学家Jorge J Yunis等建立了染色体高分辨显带技术。用氨甲蝶呤使培养的细胞同步化后，再以秋水仙素短暂处理可获得大量晚前期和早中期分裂象，该期染色体比典型中期染色体长，显带后带纹更细更多。典型中期细胞一套单倍体染色体带纹数仅有约320条带，在高分辨显带标本上则可观察到550~850条或更多的带。染色体高分辨显带能为染色体及其所发生的畸变提供更多细节，有助于发现更多、更细微的染色体结构异常，使染色体畸变的定位更加准确。 在鉴定某些疾病与染色体的关系中，常将上述显带技术综合应用。然而，随着分子细胞遗传学技术的兴起和广泛应用，除了G显带外，其他显带技术已很少在临床细胞遗传学实验室应用。 二、染色体核型 一个体细胞中的全部染色体，按其大小、形态特征顺序排列所构成的图像就称为核型(karyotype)。在正常的情况下，一个体细胞的核型一般可代表该个体的核型。将待测细胞的核型进行染色体数目、形态特征的分析称为核型分析(ka1yo t ype analysis)。 （一）人类染色体非显带核型 非显带染色体核型是按常规染色方法所得到的染色体标本，一般用Giemsa染色，使染色体（除着丝粒和次缢痕外）都均匀着色，因此，非显带染色体核型很难准确鉴别出组内染色体的序号。1960年在美国丹佛、1963年在英国伦敦、1966年在美国芝加哥召开过三次国际会议，制定了入类有丝分裂染色体的识别、编号、分组以及核型描述（包括染色体数目和结构异常的核型描述）等统一的标准命名系统。根据这一命名系统，1~22号为常染色体，是男女共有的22对染色体；其余一对随男女性别而异，为性染色体，女性为XX，男性为XY；将这23对染色体依照大小递减顺序和着丝粒位置分为A、B、C、D、E、F,G7个组，A组最大，G组最小。X染色体列入C组，Y染色体列入G组（图8-8)（表8-1)。 核型的描述包括两部分内容，第一部分是染色体总数，第二部分是性染色体的组成，两者之间用＂，“分隔开。正常女性核型描述为46,XX，正常男性核型描述为46,XY。在正常核型中，染色体是成对存在的，每对染色体在形态结构、大小和着丝粒位置上基本相同，其中一条来自父方的精子，一条来自母方的卵子，称为同源染色体(homologouschromosome)；而不同对染色体彼此称为非同源染)i一l,－ii_＿＿Qi—il—ll一il色体。由千非显带染色体标本不能将每一条染色C:612体本身的特征完全显示出来。因此，只能根据各染i`－ii一”``-u-u色体的大致特征（大小、着丝粒位置）来识别染色D:13-15E:16-18I体，即使是最有经验的细胞遗传学家，也只能较准，I一一｀｀｀＇—合矗O确地识别出1、2、3、16号和Y等几条染色体，对B、F:19一20G:21—22xYC、D、F和G组的染色体，只能识别出属于哪一组，圈8-8染色体非显带核型图而对组内相邻号的染色体之间很难区分；并且，对千染色体所发生的一些结构畸变，例如易位、倒位和微小的缺失等均不能检出，这对染色体异常，特别是结构畸变的研究与临床应用受到极大的限制。因此，从1959年JerOmeLej eune发现第一例人类染色体病至1968年的10年中，人们只发现了10多种染色体异常综合征，并且主要是染色体数目异常的病例。 中等近端 难鉴别 （二）人类染色体G显带核型由于G显带技术简便，带纹清晰，染色体标本可以长期保存，故G显带核型分析巳成为目前临床g`. 常规应用的染色体病诊断的手段之一（图8-9)。在进行G带带型描述时，“深带”表示被G i emsa着色的带纹，＂浅带”表示不着色或基本不着色的带纹。＂浓＂＂淡”表示深带着色的强度。近侧段、中段、远侧段表示...介. 距离着丝粒的远近。图8-10是人类染色体G显带核型模式图。 生会 （三）人类染色体的多态性“g.• 人类染色体数目和形态结构是相对恒定的，因为在正常人群中，存在着各种染色体恒定的微小变异，包括结构、带纹宽窄和着色强度等，称为染色体多态性(c hromosomal polymorphi sm)。 染色体多态性主要分为两大类，一类位于异染色质I2345区、随体和随体柄部，表现为长度、数目和位置的变异；另一类位千和染色体上特定的带相关且不出现临床表i\ii—仆计祚飞t-h体及随体柄部次缢痕区(NOR)的变异。表现为随体的有无、大小及重复（双随体），短臂次缢痕区的增长或缩短等。＠第1、9和16号染色体次缢痕的变异，表现为次缢痕的有无或长短的差异。＠第1、2、趴9、16号染色体和Y染色体的p ll-ql3间的倒位多态性。 染色体的多态性变异主要发生在结构异染色质区，通常没有明显的表型效应和病理学意义。这种稳定的正常变异多态现象能以一定的遗传方式传给下一代，可在显微镜下观察到，因此可以作为一种遗传学标志，在核型检测分析中要特别注意。 一一圈圈＿＿＿＿＿＿ 11一．＿一日－ ＿圈一．＿＿＿＿ {＝圈一圈霾一 立一．＿＿圈圈 一一 －忒凡 」门圈圈】 21＝圈—一 15巴一 三、人类细胞遗传学命名的国际体制(ISCN) 1971年在巴黎召开的第四届国际人类细胞遗传学会议以及1972年召开的爱丁堡会议，提出并确定了识别和描述每个显带染色体区、带的标准，称为人类细胞遗传学命名的国际体制(An International System for Human Cytogenetics Nomenclature, ISCN)。3随着细胞遗传学和分子遗传学技术的不断进步，该P命名体系后来历经多次国际会议讨论的修订和完2善，形成不同版本，如《ISCN(1978)>2q2l::5q31->5qler;5pter->5q31::2q2l->2qter)（图9-5)。©罗伯逊易位(Robertson i an tran s l ocat i on)又称着丝粒融合(ce ntri c fusion)。这是发生于近端着丝粒染色体的一种易位形式。当两个近端着丝粒染色体在着丝粒部位或着丝粒附近部位发生断裂后，两者的长臂在着丝粒处接合在一起，形成一条由两条染色体的长臂构成的衍生染色体；两个短臂则构成一个小染色体，小染色体往往在第二次分裂时丢失，这可能是由千其缺乏着丝粒或者是由于其完全由异染色质构成所致。由于丢失的小染色体几乎全是异染色质，而由两条长臂构成的染色体上则几乎包含了两条染色体的全部基因，因此，罗伯逊易位携带者虽然只有45条染色体，但表型一般正常，只在形成配子的时候会出现异常，造成胚胎死亡而流产或出生先天畸形等患儿。如14号染色体长臂的1区0带(14ql0)和21号染色体的长臂的］区0带(2lql0)同时发生了断裂，两条染色体带有长臂的断片相互连接，即在着丝粒部位融合，形成的衍生染色体包含了21号染色体的21qlO--->qter节段和14号染色体l4q10--->qt er节段，其余的部分均丢失（图9-6)。＠插入易位(i n ser ti o nal translo ca tion)，两条非同源染色体同时发生断裂，但只有其中一条染色体的片段插入到另一条染色体的非末端部位。只有发生了三次断裂时，才可能发生插入易位。 )!（五）环状染色体 1·_`／丢失 一条染色体的长、短臂同时发生了断裂，含有着丝粒的片段两断端发生重接，即形成环状染色体。如2号染色体的p21和q31分别发生了断裂，断点远端的片段丢失，含有着丝粒的中间片段两断端p21与q31相接形成环状染色体(ring chromosome)（图9-7)。这种结构畸变的简式描述为：46,XX(XY), r(2)(p21q31)；详式描述为：46,XX(XY),r(2)(::p21----+q31::)。 （六）双着丝粒染色体 两条染色体同时发生一次断裂后，两个具有着丝粒的片段的断端相连接，形成了一条双着丝粒染色体（如en tric chromosome)。如5号染色体的q31和9号染色体的q21分别发生了断裂，两个具有着丝粒的染色体片段断端相互连接，形成了一条双着丝粒的衍生染色体（图9-8)。这种结构畸变的简式描述为：46, XX,如（5;9)(q3l; q2l)；详式描述为：46, XX, die(5;9)(5pter一5q31::9q21----+9pt er)。 （七）等臂染色体 一条染色体的两个臂在形态上和遗传结构上完2全相同，称为等臂染色体(i sochromosome)。等臂染色体一般是由千着丝粒分裂异常造成的。在正常的细胞分裂中，着丝粒纵裂，姊妹染色单体分离，形成两条具有长、短臂的染色体。如果着丝粒横裂，长臂、短臂各自形成一条染色体，即形成了一条具有两个长臂和一条具有两个短臂的等臂染色体。以X染色体为例：心具有两个长臂的等臂染色体的简式描述为：46,X, i(Xq)；详式描述为：46, X, i(X)(qter-+cen-+qte r)。＠具有两个短臂的等臂染色体的简式描述为：46,X,i(Xp)；详式描述为：46, X, i(X)(pter一cen-+pter)（图9-9)。 甘甘5巳巳 无着丝粒片段（丢失）x 图9-8双着丝粒染色体畸变示意图图9-9等臂染色体畸变示意图A短臂等臂染色体；B长臂等臂染色体插入(insertion)是一条染色体的片段插入到另一染色体中的现象。它实际上也是一种易位。只有在发生了一共三次断裂时，＂插入”才有可能发生。插入可以是正向的，也可以是倒转了180°，故称为反方向插入。插入如发生在同源染色体间，就会在一条染色体上发生重复，而另一条同源染色体缺失了同一节段的染色体。 第四节染色体畸变的分子细胞生物学效应 染色体畸变（无论是数目畸变还是结构畸变）将引起遗传物质的改变，导致相应基因的改变，扰乱了基因效应之间的平衡，直接影响了细胞的新陈代谢等基本生命活动，细胞的结构和功能以至于器官的结构和功能发生异常，在临床上则表现为各式各样的综合征。 染色体畸变在细胞周期的不同时相有不同特点。在有丝分裂中，如在G I期和S期发生畸变，一般是染色体型的；而在S期和G2期及分裂前期发生畸变，则导致染色体单体型。如畸变只涉及一条染色体，或所形成的畸变染色体只有一个有活性的着丝粒，这些畸变的染色体在细胞有丝分裂中能完整地传给子细胞，这种畸变为稳定型染色体畸变。无着丝粒片段在细胞分裂后期不能定向运动而丢失。具有两个或两个以上具有活性的着丝粒的染色体，如双着丝粒染色体，在有丝分裂后期形成染色体桥而导致细胞死亡或产生新的畸变，这种畸变为非稳定型畸变。在减数分裂中，经历了同源染色体的联会配对，交换和分离的过程，因此，产生不同的畸变类型，其分子细胞生物学效应也有所不同。 —、染色体数目畸变的分子细胞生物学效应 （一）整倍体染色体数目整组的增加即形成整倍体，如三倍体(3n)和四倍体(4n)。在人类中只有极少数三倍体个体能存活到出生，存活者多为2n/3n的嵌合体。三倍体在胚胎发育的细胞有丝分裂过程中，形成三极纺锤体(tripolar spindle)，因而导致染色体在细胞分裂的中期至后期分布和分配紊乱，细胞染色体数目异常，从而严重干扰了胚胎的正常发育而发生流产。 （二）非整倍体 染色体数目是在二倍体的基础上减少或增加了一条或几条，一般是在细胞分裂中染色体不分离而形成。CD单体由于丢失了一条染色体，染色体的平衡受到破坏，胚胎不能正常发育，通常不能存活而致死。但是也有少数单体型存在，如Tu rner综合征，核型为45,X。单体缺少了一条染色体，它的同源染色体处千半合子状态，一些隐性的有害基因就可以得到直接表现，导致假显性效应。＠三体是多了一条染色体，对个体造成的不良影响比少了一条染色体要小，个体一般都能存活。但是由千破坏了染色体的平衡和基因组剂量增加，三体表现出异常的表型特征。常见的有Down综合征、18三体综合征和13三体综合征。 二、染色体结构畸变的分子细胞生物学效应 （一）缺失的分子细胞生物学效应 末端缺失和中间缺失的结果都是丢失了一段无着丝粒片段。原因是细胞分裂时，纺锤丝不能附着在无着丝粒的片段上，致使它们在细胞分裂过程中丢失。 人类染色体显带技术的发展，使之能够在细胞分裂中期，观察到染色体的缺失。减数分裂过程中同源染色体配对时，中间缺失杂合体出现特征性的环状结构。带有这种畸变的染色体可以观察到与之配对的正常同源染色体的相应部分所形成的缺失环(dele tion loop)。 丢失片段的大小和性质不同，具有不同的遗传效应。CD缺失的致死效应：染色体发生大片段的缺失即使在杂合状态下也是致死的，X染色体的缺失中的半合子一般也会死亡。只有一部分存活下来，但也是异常个体。如Sp-综合征（猫叫综合征）就是由于5号染色体短臂缺失，导致了独特的表型效应。患者核型为46,XX(XY),del(5)(p15)（详见第十三章）。＠缺失的假显性现象：如果缺失的区段中含某个显性基因，其同源染色体上与这一缺失区段相对应位置上的一个隐性基因就得以表现，这种现象称为假显性(pseudodominance)。 （二）重复的分子细胞生物学效应 重复的细胞效应比缺失缓和，但如果重复片段较大也会影响个体的生存力，甚至导致死亡。重复会导致减数分裂时同源染色体发生不等交换(unequal crossover)，结果产生一条有部分片段缺失的染色体，和一条部分片段重复的染色体，影响基因间的平衡。如血红蛋白病中的结构变型（异常血红蛋白）是由于珠蛋白基因的碱基发生变化的结果。研究显示其发生机制之一是产生融合突变，即由于编码两条不同肤链的基因在减数分裂时发生了错误联会和不等交换，结果形成了两种不同的基因各自融合了对方基因中的部分序列，而缺失了自身的一部分序列。重复可导致基因的剂量效应和位置效应。即某基因出现的次数越多，表现型效应越显著。基因的表现型效应也因其在染色体不同位置而有一定的改变。 （三）倒位的分子细胞生物学效应 倒位染色体在减数分裂中的同源染色体联会配对时，如果倒位片段很小，该片段就可能不发生配对，而其余区段配对正常；如倒位片段很长，倒位的染色体可能倒过来和正常的染色体配对，形成一个环，称为倒位环(inversion loop)。 1臂内倒位杂合子在配子形成中同源染色体同源节段相互配对而形成倒位环，经过在倒位环内的奇数互换，随后形成的四条染色体中，一条是交换型的双着丝粒染色体，断裂后形成带有缺失的配子；一条无着丝粒（交换型）染色体，不能向两极移动而丢失。另两条是正常的（非交换）染色体，其中一条是倒位的染色体。通常只是含有非交换染色体的配子才能产生有活力的后代。减数分裂的4个产物中，两个是原来的非交换染色体，其中一条为非倒位的，另一条是臂内倒位的；另两条则是交换的产物，有些基因重复，有些基因缺失。通常只带有两条完整基因的染色体的配子才能产生存活的后\on:fa代（见第十三章）。 2臂间倒位杂合子在配子形成过程中同源染色体同源节段相互配对而形成倒位环，经过在倒位环内的奇数互换，随后形成的四条染色体中，一条是正常染色体，一条是倒位染色体，其余两条均为部分重复和部分缺失的染色体。所形成的配子中一种是具有正常染色体的正常配子；一种是具有倒位染色体的倒位携带者；其余两种配子则是具有部分重复或缺失的染色体，这两种配子的遗传效应主要决定千重复及缺失片段长短及其所含基因的致死效应（见图13-5臂间倒位染色体在减数分裂时的遗传效应）。 在臂内或臂间倒位的杂合子中由于倒位环内非姊妹染色单体发生了一次单交换，而交换的产物都带有缺失或重复，不能形成有功能的配子，因而似乎交换被抑制了，或相当程度地减少了杂合子中的重组，此现象称为交换抑制(crossover suppressor)。交换抑制作用使含有重组染色体的配子不育或部分不育，因此，倒位杂合体都有降低生育性的趋势。无论在臂间倒位或臂内倒位的杂合子后代中都见不到遗传重组，虽然实质上重组已经发生。所以从这个意义上讲，倒位的遗传学效应是可以抑制或大大地降低基因的重组。 交换抑制有值得注意的例外是如果倒位环内出现了双交换，其结果是恢复了正常的基因组成。 如交换型的染色体上重复和缺失的片段很小，不影响配子形成或合子的生活力。（四）易位的分子细胞生物学效应相互易位的纯合子没有明显的细胞学特征，它们在减数分裂时配对正常，可以从一个细胞世代传到下一个细胞世代。易位杂合体在减数分裂的粗线期，由于同源部分的联会配对而形成特征性的四射体。例如，一个个体发生了2号染色体和5染色体易位后，将缺少一条正常的2号染色体和一条正常的5号染色体，而多了二条衍生的染色体：d er(2)和der(5)，核型为46,XX(XY),-2,-5,+der(2),+der(5),t(2;5)(q21;q31)，称为2/5染色体平衡易位携带者，其表型正常，但在形成生殖细胞的减数分裂的前期时，易位染色体将会在配对时形成四射体。随着分裂进行，四射体逐步开放形成一个环形或双环的“8”字形。减数分裂后期，染色体走向两极时表现为不同的分离方式，结果可形成18种配子。其中仅一种配子是正常的，一种是平衡易位的，其余16种都是不平衡的。与正常配子受精后，所形成的合子中，大部分都将形成单体或部分单体，三体或部分三体，导致流产、死胎或畸形儿。 1相间分离相间分离(alternate segregation)也称为对位分离，具“8”形染色体的细胞中，两条正常染色体走向一极，两条易位了的染色体走向另一极。所形成的配子都具有完整的染色体组分，一个是正常的配子，一个是易位型配子，既没有重复，也没有缺失。 2.邻位分离1邻位分离1(a djacent segregati on-1)是带A、B与带A、D的两条邻近的染色体走向同一极，另两条邻近的染色体走向另一极，每一个配子分别带有正常和易位的染色体，它们都含有重复和缺失，形成了不平衡配子。 3邻位分离2邻位分离－2(adjacent segrega tion-2)是带A、B的染色体与带C、B的两条邻近的染色体走向同一极，其余的走向另一极，每个配子同样也带有正常和易位的染色体，是具有重复和缺失畸变的不平衡配子。 4.3:1分离其中一条染色体独自走向一极，其余三条染色体走向另一极，这种分离方式产生8种不同的配子。每个配子都是数目异常或具有重复和缺失畸变的不平衡配子。 由于相互易位杂合体总是以相间分离方式产生可育配子，非同源染色体上的基因间的自由组合受到严重限制，类似于同源染色体上的基因连锁，故称为假连锁(pseudolinkage)。倒位和易位使基因的位置发生改变，同时也改变了基因原有的邻近关系，基因位置的改变引起某种表型的改变的遗传效应统称为位置效应(position effect)。 $t“L1. L 正常人的体细胞中，朵色体在形态结构和数目上都是恒定的，但在某些条件下，朵色体可发生异常改变，称力染色体畸变。染色体畸变分为数目畸变和结构畸变两大类。数目畸变分为整倍性改变 和非整倍性改变两类。若朵色体的数目变化是以单倍体(n)为基数，成倍地增加或减少，称为整倍性改变。整倍体的形成的机制是：双雄受精和双雌受精导致三倍体，核内复制和核内有丝分裂形成四倍体。非整倍性改变是指一个体细胞中的染色体数目是在2n的基础上增加或减少一条或几条，分为亚二倍体和超二倍体。非整倍体的形成机制是染色体不分离和朵色体丢失。结构畸变主要有缺失、重复、倒位、易位、环状染色体、双着丝粒染色体和等臂朵色体。结构染色体的形成主要是朵色体断裂和断裂片段的错误接合。无论是数目畸变或结构畸变，其实质是涉及染色体或染色体节段上基因群的增加、减少或位置的转移，使遗传物质发生了改变，其结果可以导致染色体病。 1.影响朵色体畸变的因素有哪些？2.染色体数目异常的机制是什么？3.染色体结构异常的机制是什么？4.描述染色体异常的分子细胞生物学效应。 （吴白燕） 第二部分医学遗传学临床 第十章单基因病 突变的基因通过改变多肤链的质和量，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，即为单基因遗传病或单基因病。根据缺陷蛋白质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(molecular disease)是由遗传性基因突变或获得性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。包括血红蛋臼病、血浆蛋白病、受体病、膜转运蛋臼病、结构蛋白缺陷病、免疫球蛋白缺陷病等。 James V. Neel(1949)在研究一种呈常染色体隐性遗传的锁状细胞贫血症时，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，曾两度获得诺贝尔奖的著名学者Linus 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为血红蛋白病(hemoglobinopathy)。习惯上将其分为异常血红蛋白和地中海贫血两大类。异常血红蛋白表现为血红蛋白分子的珠蛋白肤链结构异常，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肤链合成速率的降低，导致Cl'.链和非Cl'.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，不管是异常血红蛋白还是地中海贫血，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基因，他们主要分布于非洲、地中海地区和东南亚人群中，我国南方为高发区。 （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，多肤链部分称为珠蛋白(globin)，辅基为血红素，结构为两对单体(4个亚基）组成的球形四聚体（图10-1)，其中一对由两条类Cl'.珠蛋白链(a链或s链）各结合一个血红素组成；另一对由两条类B珠蛋臼链(s、B、或8链）各结合一个血红素组成。Cl'.链长141个氨基酸，B链则由146个氨基酸组成。在人个体发育的不同阶段，类Cl'.链和类B链的不同组合，构成了人类常见的几种血红蛋白（表10-1)。 2珠蛋白基因及其表达特点人的6种珠蛋白链由相应的珠蛋白基因编码，包括类Cl'.珠蛋白基因和类B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还存在着一些假基因，如申贮邮、申队类Cl'.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＇－女心心如冲2-3'方向排列顺序为：51_0_Cy-A y帕,-8-[3-3'（图10-3)，总长度为60kb。每条11号染色体只有1个B基因，正常的二倍体细胞有2个f3基因。类B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8、y基因表达，成人期主要为3'端f3基因表达。各种珠蛋白基因均含有3个外显子（E）和2个内含子(IVS)。a珠蛋白基因的I1位千第31位和 32位密码子之间，由117bp组成。I2位于第90位和100位密码子之间，含140bp（图10-2)。B珠蛋白基因中的Il位于第30位和31位密码子之间，为130bp；而I2位于第104位和105位密码子之间，约 @850bp(图10-3)。 ~-LCR胚胎期胎儿期成人期Gy Ay l 图10-3类B珠蛋白基因簇和P珠蛋白基因的结构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（图10-4)。胚胎早............................Y........................... L“三二一二了工-—105朔（妊娠后38周），卵黄裘的原始红细胞发生系统中，类珠蛋白基因簇中的、基因和类9珠蛋taa~II白基因簇中的、'Y基因表达，进而形成胚胎期血红蛋白HbI（女82)、Hbs2)和Hb(cx2Gower Gowerc Portland([占2、女飞）。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，类珠蛋白基因簇的表达基因由(全部变成Q基因而读皂B珠蛋白基因簇基因的表达由8全部转移a到'Y基因开纽归旬凶月血红蛋邯仅生布E成人期（出生后汃血红蛋白主要在骨髓红细胞的发育过程中合成，以基因和B基因表达为主，其产物组成HbA（气化），占总量的95％以上。此外，还有Hba~3.5%;HbA2(ex主），占总量的2%F少于1.5%（图10-5)。40···•.....球蛋白合成30总扯的％42486121824303661218243036出生后年龄（周）怀孕后年龄（周）出生从类珠蛋白基因簇和类B珠蛋白基因簇的组成可知，每个二倍体个体带有4个基因和2个aa f3基因，但通过特殊的调控机制，正常人体中珠蛋白和B珠蛋白的分子数量相等，正好构成Hb Aa(a心）。说明f3基因的表达效率是基因的2倍。类和类B珠蛋白的平衡是人体正常生理功能的aa无论是异常血红蛋白还是地中海贫血，都是以珠蛋白结构异常为特征，由珠蛋白基因突变所致，1单碱基置换这是血红蛋白病最常见的一种突变类型，见于绝大多数的异常血红蛋白和B地2移码突变由于珠蛋白基因中发生l个或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，使珠蛋白肤链的结构或合成速率改变。例如，HbWagne是由于基因第138位a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·•.....\.....%. 需要。（二）珠蛋白基因突变的类型包括碱基置换、移码突变、融合基因等多种类型。中海贫血。 第十章单基因病125 第11号染色体__胚胎期_胚胎期______成人期 ___胎儿期, 胚胎期 Hb GowerI HbPortland$g乌鸟;乌岔Ay2 迁恋, 胎儿期 Hh GowerII且Hh A, HhA a2E2CJ.2cy2a282a北 (147位）才终止，a链延长为146个氨基酸。 3密码子的缺失和嵌入已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.无义突变由千无义突变导致珠蛋白链的合成提前终止，导致地中海贫血。如Hb MckeesRock，其a链正常，B链缩短为144个氨基酸。原因是f3基因第145位酪氨酸密码子TAT突变成终止密码子TAA(T一A)，对应的mRNA变化为UAU一UAA，使肤链合成提前终止。 一个终止密码子(173位）才终止，使a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a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基因缺失由千缺失的基因及部位不同，导致不同的珠蛋白肤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。如Hb Lepore，其a链结构正常，但非a链是由8和B链连接而成，其N端象8链，C端象B链，称8-B链。与此相反，另一种融合链的异常血红蛋白H b anti-Lepore，其N端象B链，C端象8链，称为B-8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8-(3和(3-8，合成了融合链的异常血红蛋白。B和8基因的融合意味着B基因的减缺，合成B链减少，表现为B地中海贫血的临床症状。 （三）常见的血红蛋白病1.常见的异常血红蛋白我国异常血红蛋白的发生率为0.24%-0.33%，以广西、广东、云南、贵州和新疆等地最高。 (1)铀状细胞贫血症(sickle cell anemia)(OMIM#603903)是f3基因缺陷所引起的一种疾病，呈常染色体隐性遗传。患者f3基因的第6位密码子由GAG突变为GTG(A一T)，使其编码的B珠蛋白N端第6位氨基酸由谷氨酸变成了绷氨酸，形成Hb S。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Hb S聚合形成凝胶化的棒状结构，使红细胞变成锁刀状。锦变(sickling)细胞引起血黏性增加，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。同时锁变细胞的变形能力降低通过狭窄的毛皿qi细血管时，不易变形通过，挤压时易破裂，导致溶血性贫血（图10-6)。杂合子(Hb A/Hb S)不表现临床症状，但在氧分压低时可引起部分细胞锁变。 三联密码子 c霆血管阻塞 细胞变化［孕玄注 本病主要分布在非洲，也散发于地中海地区，在东非某些地区Hb S基因频率高达40%，故嫌状细胞贫血症已成为世界范围内最严重的血红蛋白病。应用分子诊断技术可以对锁状细胞贫血症进行基因诊断。 (2)血红蛋白M病也称为高铁血红蛋白症。正常血红蛋白(Hb A)血红素中的铁原子与珠蛋白链上特定的组氨酸连接(a87His,[392Hi s)和作用(a58His,[363His)，保证二价铁离子(Fe2+）的稳定，以便结合氧。血红蛋白M(Hb M)患者的珠蛋白基因中，由于上述某个氨基酸的密码子发生碱基置换，使珠蛋白链与铁原子连接或作用的有关氨基酸发生替代，导致部分血红素的二价铁离子(Fe2+）变成高价铁离子(Fe3+），形成高铁血红蛋白(methemoglobin)，影响携氧能力，使组织细胞供氧不足，产生发组症状。血红蛋白M病呈常染色体显性遗传，杂合子Hb M的含量通常在30％以内，可出现发组症状。 2.地中海贫血地中海贫血(thalassemia)患者由于某种珠蛋白链的合成量降低或缺失，造成一些肤链缺乏，另一些肤链相对过多，出现肤链数量的不平衡，导致溶血性贫血，称为地中海贫血。按照合成速率降低的珠蛋白链类型，可以把地中海贫血区分为多种不同的类型：a珠蛋白链合成减缺的称为a地中海贫血，B链合成减缺的称为B地中海贫血，丫链合成减缺的称为丫地中海贫血，8和p链合成减缺的称为祁地中海贫血，以此类推。 (1)a地中海贫血(a-thalassemi a)(OMIM#604131)：主要分布在热带和亚热带地区；在我国南方也相当常见，广西和广东地区a地中海贫血发生率为23.98%。因此，a地中海贫血已成为一个较严重的公共健康问题。a地中海贫血分为缺失型和非缺失型两大类。 l)缺失型a地中海贫血：是由于a珠蛋白基因缺失所引起。包括一条16号染色体上缺两个a基因的a°（东南亚型）（－－／aa)、缺l个a基因的a十地中海贫血（－a/aa）。矿地中海贫血常见的有d”及a-4.2a a-”缺失了a2基因的3'端及a1基因的5'端，故又称之为右缺失。结果形成了由a2基因的5'端及a1基因的3'端形成的融合基因；a-4.2缺失了a2基因，故又称之为左缺失。中国人群中常见的缺失型a地中海贫血为：－－／aa（东南亚型）、a-,.7a/aa及d”可aa。 根据基因型和临床表现的不同，缺失型a地中海贫血可分成不同的类型。不同类型的a地中海贫血患者，体内缺失（或缺陷）的a珠蛋白基因数目各不相同，缺失的a基因越多，病情越严重。常见的缺失型a地中海贫血有以下几种。 Hb Barts胎儿水肿综合征(hydrops fetalis sy ndrom e)发病千胎儿期，基因型为忒地中海贫血基因纯合子(--／－－），4个a珠蛋白基因全部缺失。由于不能合成a链，丫链便聚合为丫四聚体（"{4)。"{4首先发现于S t Bartholomew医院，故命名为Hb Bart s。这种胎儿全身水肿，肝脾大，四肢短小，腹部因有腹水而隆起，故名Hb Barts胎儿水肿综合征。Hb Barts("{4)具有很高的氧亲和力，在氧分压低的组织中，不易释放出氧造成组织缺氧，故Hb Bart s“水肿胎儿“多于妊娠30~40周时死亡或早产后半小时内死亡。如果胎儿父母为忒地中海贫血基因杂合子(--laa)或已生育过一胎Hh B釭ts“水肿胎儿”者，在妊娠中期孕妇有妊娠高血压和严重水肿，B超检查见胎儿异常，常提示为本病胎儿。 Hh H病患者为忒地中海贫血基因和a十地中海贫血基因的复合杂合子，基因型为（－－／－a)。由千4个a珠蛋白基因中有3个缺失或缺陷，使a链的合成受到严重影响，大量的B珠蛋白链过剩而聚合为B四聚体Hh H（队）。Hb H的氧亲和力为Hh A的10倍，在正常的生理条件下不易释放出氧。 更为重要的是Hb H是一种不稳定的四聚体，其B链上的琉基(—SH)易被氧化，导致队的解体，生成游离的B链。游离B链不能稳定地存在千红细胞内，结果沉淀聚积，形成H包涵体，附着于红细胞膜上，使红细胞膜受损，红细胞失去柔韧性，易被脾脏破坏，导致慢性溶血性贫血。Hh H病患儿在出生时几乎无明显的症状，只有轻度贫血，但Hb Barts的相对含量可高达25%。在发育过程中Hb Barts逐渐被Hb H替代，至1周岁左右便出现Hh H病的临床症状。 标准型a地中海贫血患者为忒地中海贫血基因的杂合子，基因型为(--laa)；或是a十地中海贫血基因的纯合子，基因型为（－“飞），均缺失2个a基因。前一种类型在我国较多见，基因分析可呈现出东南亚型a基因缺失，后一种类型多见于黑人。由于能合成相当量的a珠蛋白链，故仅表现出轻度溶血性贫血或无症状。 静止型a地中海贫血为a十地中海贫血基因的杂合子，基因型为(-“aa)，缺失l个a基因。由于只有一个基因缺失或突变，故临床上无症状，仅在出生时血液中含有1%～2％的Hb Barts，可以通过血红蛋白电泳检出。 2)非缺失型a地中海贫血：中国人常见的非缺失型a地中海贫血有Hh Constant Spring(Hb CS)a2c.142TAA>CAA、Hb Quong Sze(Hh QS)a2c.125CTG>CCG及Hb Westmead(Hh WS)a2c.122CAC>CAG。 由千a地中海贫血的发病率较高，在高发地区已构成了公共卫生的重要问题，因此有必要对有关人群进行遗传咨询。如父母均为ao的杂合子，子女1/4为Hb Barts胎儿水肿综合征(--／－－）、1/2为ao的杂合子(--/aa)、1/4为正常人(a“四）；父母一方为ao的杂合子，另一方为a十的杂合子，子女1/4为Hh H病(--/-a)、l/4a0的杂合子(--laa)、1/4为a十的杂合子(-“aa)、1/4为正常人(aal四）；父母一方为ao的杂合子(--laa)，另一方为非缺失型a地中海贫血的杂合子（如：a”可aa)，子女1/4为症状严重的Hb H病(--／a飞）、1/4为非缺失型a地中海贫血的杂合子(a飞vaa)、1/4为矿的杂合子(--/aa)的杂合子、1/4为正常人(m/aa)；父母均为非缺失型a基因的杂合子矿alaa（或忒初四），子女1/4为Hh H病矿＂a飞纯合子（或矿飞／aQsa纯合子）、1/2为矿"aa的杂合子（或忒初aa的杂合子）、1/4为正常入aalaa。因为矿应矿a纯合子（或忒飞／a。飞纯合子）累及功能较强的0'.2基因，加之异常肤链对红细胞的破坏，可以引起Hh H病。 针对遗传咨询的结果，可以在孕ll~l2周取绒毛、孕l6~20周取羊水或孕l9~23周取跻带血进行产前基因诊断；也可借助于第三代试管婴儿的技术进行a地中海贫血的植入前诊断。 (2)13地中海贫血(!3-thalassemia)(OMIM#l41900)：是一组以血红蛋白B珠蛋白肤链(B链）合成减少（在）或缺失（矿）为特征的遗传性血液病。该病在世界范围内广为流行，好发于地中海沿岸国家和地区，如意大利希腊马耳他、塞浦路斯等东南亚各国及我国南方。我国广西和广东地区B地中海贫血发生率为11.07%。临床上根据患者溶血性贫血的严重程度，将B地中海贫血分为重型、中间型和轻型三种类型。 l)重型B地中海贫血：患者可能是矿／矿、矿／矿或8矿／8矿（涕为融合基因）等纯合子，也可能是矿和矿地中海贫血基因的复合杂合子（矿／矿）。其共同特点是患者不能合成B链，或合成量很少，结果a链过剩而沉降到红细胞膜上，引起膜的性能改变，发生严重的溶血反应，同时它们可与代偿性表达的丫链组合成Hb F(a2-y2)。患儿出生后几个月便可出现溶血反应。由于组织缺氧，促进红细胞生成素分泌，刺激骨髓增生，骨质受损变得疏松，可出现鼻塌眼肿、上颌前突、头大额隆等特殊的“地中海贫血面容”。 2)中间型B地中海贫血：一般是f3一地中海贫血基因的纯合子，患者的基因型通常为矿（高F)//3+（高F)或矿／8矿。前者为B地中海贫血变异型的纯合子，伴有Hb F（气'Y2)的升高。后者为两种不同变异型地中海贫血的复合杂合子。患者的症状介千重型和轻型之间，故称为中间型。 3)轻型B地中海贫血：发生千矿或矿地中海贫血基因的杂合子，无任何临床症状，需通过实验室检查才能确诊。患者主要是矿／矿、矿／矿或矿／8矿等杂合子，都带有1个正常的B基因矿，所以可以合成相当量的B珠蛋白链。患者的Hb A2（气02)和Hb F(cx2-y2)可代偿性增高。 研究表明，B地中海贫血除极少数是由于基因缺失引起以外，绝大多数是由于B珠蛋白基因不同类型的点突变（包括单碱基置换，个别碱基的插入或缺失）所致。这些点突变分别导致转录受阻，mRNA前体剪接加工错误，翻译无效，或合成不稳定的珠蛋白链而阻碍Q'.书二聚体形成，使珠蛋白链不平衡等。 4)胎儿血红蛋白持续存在症(hereditar"j persistence of fetal hemoglobin, HPFH)：是由于出生后、珠蛋白链的合成不能转变为B珠蛋白链的合成，导致丫珠蛋白链过量持续合成。两分子Q珠蛋白与两分子丫珠蛋白形成Hb F，一直保持高Hb F至终身。因平珠蛋白链实质性的增加，弥补了B或8珠蛋白链的不足，使血红蛋白四聚体两条a链和两条非Q链之间保持平衡。即Hb F代偿了Hb A的缺陷，所以HPFH患者一般无明显的临床症状和血液学改变。HPFH杂合子的Hb F为17%-35%，比祒地贫杂合子的Hb F要高，后者一般为17%-18%。类B珠蛋白基因簇发生缺失或点突变导致y基因高表达是某些HPFH发生的分子基础。近些年来还发现BCLIIA(B cell CLl/lymphoma llA)、KLFI(Kruppe l-like factor l)等参与了胎儿血红蛋白－成人血红蛋白开关的调控。这对重新激活胎儿血红蛋白以治疗B地中海贫血奠定了基础。 对相关人群可开展遗传咨询，预防疾病的发生。如父母均为B地贫杂合子时（如矿／f3），子女有1/4概率为矿／矿的纯合子，表现为重型B地中海贫血的患者；1/2概率为矿仿杂合子；1/4概率为正常人(f3馆的纯合子）。可以在孕ll~12周取绒毛、孕l6~20周取羊水或孕l9~23周取肪带血进行产前基因诊断。重型B地中海贫血的患者需要输血维待生命。而跻血干细胞移植、骨髓干细胞移植可使患者获得较好的治疗效果。 (3)r3地中海贫血合并a地中海贫血(r3-thalassemiacompound with cx-thalassemia)：症状往往会减轻。可能是由于多余的Q珠蛋白链的减少使血红蛋白四聚体两条Q链和两条非Q链之间趋于平衡，体内的无效造血情况减轻，临床症状也随之减轻。 (4)X连锁a地中海贫血／智力发育迟滞综合征(X-linked cx-thalassemia/mental retardation)：由于ATR-X基因突变所引起的一系列临床表现，包括a地中海贫血、智力发育迟滞、尿道和生殖器官发育异常及性反转等。 二、血浆蛋白病 血浆蛋白病是血浆蛋白遗传性缺陷所引起的一组疾病。其中血友病较为常见。血友病(hemoph山a)是一类遗传性凝血功能障碍的出血性疾病，包括血友病人血友病B等。(—)血友病A血友病A(hemoph山a A)(OMIM#306700)是血浆中凝血因子VIII缺乏所致的X连锁隐性遗传的凝血障碍性疾病。男性发生率较高(1/5000)，约占血友病总数的85%。 血友病A在临床上主要表现为反复自发性或轻微损伤后出血不止和出血引起的压迫症状和并发症；一般多为缓慢持续性出血，大出血罕见。出血部位广泛，体表和体内任何部分均可出血，可累积皮肤黏膜、肌肉或器官等，关节多次出血可导致关节变形，颅内出血可导致死亡。 研究表明，血友病A是由于F8基因(OMIM*300841)遗传性缺陷所致。F8基因位于Xq28，长约186kb，几乎占X染色体的0.1%，由26个外显子组成。F8基因的突变具有高度遗传异质性，至2017年3月已发现的致病性突变为3125种，涉及分子重排、缺失、核背酸置换、插入和移码。其中约45%处。N型胶原由2条0'.1链和1条a2链组成，再聚合成交叉结构的巨分子，主要分布于各种基膜之中。胶原蛋白病(collagen disorde r)也称为“结缔组织遗传病”，主要包括成骨不全和Ehlers-Danlos综合征。 1成骨不全成骨不全(osteogenesis imperfecta)(OMIM#l66200)是一组因I型胶原异常而引起的遗传异质性疾病，患者表现为骨质疏松、易骨折并伴有骨骼畸形等症状。该病的患病率约为1/15000,是最常见的一种常染色体显性遗传病。成骨不全分为W类型，较常见的是I型以及11型成骨不全（表10-2)。 类型临床特征遗传方式分子变化遗传缺陷I型轻型：蓝巩膜、易骨折但无AD I型胶原结构正常但量减突变致Proa,(I)mRNA合成骨畸形少50%量下降II型酣生致死型：严重骨折畸AD1型胶原结构变异（特别是编码甘氨酸的密码子突变（包形、黑巩膜，生后一周内狻基端）括a.,或CY2基因）死亡皿型进行性畸变：进行性骨畸AD1型胶原结构变异（特别是同II型变、畸形蓝巩膜、听觉丧失氨基端）W型正常巩膜性畸变：轻度畸AD同皿型心同II型；形、矮小、听觉丧失C2>a2基因外显子跳跃突变I型成骨不全又称为蓝色巩膜综合征，病变累及骨骼、肌键、韧带、筋膜、牙本质及巩膜等，主要临床症状为骨质疏松、致脆性增加而易反复骨折，巩膜呈蓝色，关节可过度活动而易于受伤并导致肢体畸形，牙齿生长不齐、畸形。伴传导性耳聋。多在青春期后发病。本病重症者矮小，X线显示多发生骨痐。1型成骨不全基因定位于17q21.3-q22以及7q22.1，病因为胶原基因各种点突变导致的胶原成熟缺陷。如T的单碱基置换，导致甘氨酸被半胱氨酸替代。 II型成骨不全又称先天性致死性成骨不全，其临床症状比I型成骨不全严重得多，表现为长骨短宽，宫内即可因骨质疏松、发脆而引起四肢、肋骨多发性骨折；蓝色巩膜；耳硬化性聋；身材矮小，患者一般为死胎或生后早期死亡。存活者伴有进行性脑积水，长骨襄性变。II型成骨不全的胶原基因突变比I型更复杂、多见，主要涉及(XI链胶原基因COLI Al和a2链胶原基因COLJ A2上的甘氨酸密码子点突变或重排。如COLJ A l即T、c.1388G>A、C.95A>G及c.871G>A。有证据表明，恶性症原虫感染G6PD缺陷的红细胞后，由千缺乏还原型辅酶胆支核昔酸合成的原料核糖－5－磷酸，难以完成红内期的增殖，其细胞器及代谢产物逐渐减少，恶性疤原虫的细胞核逐渐缩小，最后死亡，表现出抗疤疾的作用。 （三）糖原贮积症 糖原贮积症(glycogen storage disease, GSD)是一组罕见遗传代谢病。因参与糖原分解和合成的酶异常改变、使糖原在体内贮积而发病。病变主要累及肝脏及肌肉，但有时也伴有心、肾和神经系统的损伤。根据所缺的酶不同，可将糖原贮积症分为I~VIII型（表10-4)，除GSD IIb及GSDVlII型为X连锁隐性遗传外其余为常染色体隐性遗传，以1型为最常见。 遗传方式及病名O MIM缺陷的酶症状基因定位 GSD I a232200葡糖6－磷酸酶AR,17q21肝肾大、低血糖、酸中毒、生长迟缓GSD I b232220微体葡糖－6－磷酸转运蛋白AR, l lq23同I a型，还伴粒细胞减少或功能障碍GSD IC232240微体磷酸咄咯转运蛋白AR, II q23同I a型，还伴粒细胞减少或功能障碍GSD II232300a-1,4－葡糖昔酶DAR,17q25.2心力衰竭、肌无力、巨舌GSD IIb300257溶酶体相关膜蛋白2基因XR,Xq24心力衰竭、肌无力、低智力(LAMP2)GSD皿232400淀粉－1,6－葡糖昔酶AR,lp21与I型相似，但症状较轻GSDN232500糖原分支酶［淀粉-(1,4;1,6)转AR,3pl2肝脾大，肝硬化葡糖昔酶］GSDV232600肌磷酸化酶AR,llq13肌无力，肌痉挛GSDVI232700肝磷酸化酶AR,14q21-q22低血糖症，生长迟缓，明显的肝大GSDVII232800肌磷酸果糖激酶AR,12ql3.3肌痉挛，肌无力，肌痛，肌红蛋白尿GSDYill306000"肝磷酸化酶b激酶PHKA2基XR,Xq22.13轻型低血糖，肝大、生长迟缓。胆(GSDIXa)因突变固醇、甘油三酷升高、白内障GSDlXb604549磷酸化酶b激酶PHKB AR,16pl2.1-pll.2肝大、饥饿性低血糖GSD!Xc613027PHK位基因突变16pl1.2儿童期发病，肝大、肌无力、生长迟缓I型糖原贮积症的致病基因定位于17q21。由于编码葡糖－6－磷酸酶的基因突变，葡糖－6－磷酸酶缺陷使肝肾及肠黏膜等组织中糖原蓄积，患者易出现低血糖，并有肝肾肿大等症状，严重时会发生酸中毒。lI型糖原贮积症(Pompe disease)发病率1/20万，其致病基因定位在17q25.2。由千a-1,4－葡糖昔酶基因的突变引起溶酶体内a-1,4－葡糖昔酶的缺乏，使糖原处理障碍，造成溶酶体内糖原堆积，病变累及心肌及全身肌肉。此病一般在儿童期即发病，患者可因心肌无力、心脏扩大，死于心力衰竭。患者也可由于呼吸肌无力、引起呼吸衰竭而死亡。目前该病可以通过Myozyme酶替代进行治疗。通过检测胎儿a-1,4-葡糖昔酶基因的致病性突变进行产前诊断，可以有效地防止患儿出生。（四）黏多糖贮积症黏多糖是蛋白质和氨基多糖结合形成的糖蛋白，是结缔组织基质、线粒体、核膜和质膜的重要组成成分。氨基多糖由己糖睦酸和氨基已糖或中性糖组成的二糖单位彼此相连形成的长链。氨基多糖根据二糖单位组成的不同分为：硫酸软骨素、硫酸乙酰肝素、硫酸皮肤素、硫酸角质素和透明质酸等。 黏多糖分解时需要多种溶酶体水解酶的参与，这些酶的遗传性缺陷可使氨基多糖降解不完全而蓄积千溶酶体中导致黏多糖贮积症(mucopolysaccharidosis, MPS)。患儿会出现肝脾大、骨骼异常、面容粗陋；智力障碍等症状，蓄积的黏多糖可随患儿的尿液排除。 本病可分许多类型，其中lI型为X连锁隐性遗传，其他各型均为常染色体隐性遗传（表10-5)。 疾病OMIM缺陷的酶基因定位遗传方式主要症状 MPS I H252800a-L－艾杜糖醋酸酶4pl6.3AR角膜混浊、｛朱儒、进行性智力低下、骨骼异常、10岁前死亡MPS IS607016cx-L－艾杜糖睦酸酶4pl6.3AR角膜混浊、主动脉瓣病、智力及寿命正常MPS II309900艾杜糖－2－硫酸酷酶Xq28XR智力低下，肝脾大，骨骼异常MSP皿A252900硫酸乙酰肝素硫酸酷酶17q25.3AR神经紊乱，肝脾大，骨骼异常MSPIIIB252920N－乙酰a－氨基葡糖昔酶17q21AR同上MSP皿C252930乙酰辅酶A：心氨基葡糖N-乙8pl1.1AR同上酰基转移酶MSP皿D252940N－乙酰a－氨基葡糖－6－硫酸12ql4AR同上MPSNA253000半乳糖胺－6－硫酸盐硫酸醋酶16q24.3AR发育迟缓，骨骼异常症状重MPSNB253010B－半乳糖昔酶3p22.3AR齿稀、颈椎发育不良其余同上，症状轻MPSV过去将MPS IS型称之为：MPS V型MPSVI253200芳基硫酸酷酶B5ql4. I AR严重骨骼变化、心瓣病、白细胞包涵体MPSVIl253220B－葡糖昔酸酶7qll-21AR肝脾大，骨发育不良、智力低下由于参与氨基酸代谢的酶的遗传性缺陷，使体内的氨基酸代谢异常而产生氨基酸代谢缺陷病。主要的氨基酸代谢缺陷病包括苯丙酮尿症、白化病(albinism)和尿黑酸尿症(alkaptonuria)等。（一）高苯丙氨酸血症高苯丙氨酸血症是一组苯丙氨酸代谢障碍，引起血液中苯丙氨酸浓度异常升高的疾病，具有明显的等位基因遗传异质性和基因座遗传异质性。 1.典型苯丙酮尿症(phenylketonuria, PKU)(OMIM垃61600)是一种严重的常染色体隐＼I I吓i}性遗传性氨基酸代谢病，首次发现于1934年，因患者尿中排泄大量的苯丙酮酸而得名。国外发病率约1/4500-1/100000，我国发病率约为1/16500。典型PKU患者由千肝脏内苯丙氨酸轻化酶(PAH)缺乏，苯丙氨酸不能转变为酪氨酸，而转变为苯丙酮酸和苯乳酸并在体内累积，并导致血液和尿液中苯丙氨酸及其衍生物排出增多（见图3-8)。同时多巴胺、5－轻色胺、'Y-氨基丁酸等重要神经递质缺乏，引起神经系统的功能损害。临床上表现为精神发育迟缓，皮肤、毛发和虹膜色素减退，头发呈赤褐色，癫痛，湿疹，特殊的鼠样臭味尿。患儿在出生后若不及早得到低苯丙氨酸饮食治疗，便出现不可逆的大脑损害和严重的智力发育障碍。致病基因已定位于12q24.1并已被克隆。至2017年3月已发现916种致病性突变，具有明显的等位基因遗传异质性。 2非典型苯丙酮尿症(BH4deficiency)四氢生物蝶呤是苯丙氨酸经化生成酪氨酸所必需的辅助因子。当四氢生物蝶呤合成或循环利用过程中所需要的酶缺乏时，四氢生物蝶呤生成减少，苯丙氨酸不能轻化生成酪氨酸。同时造成多巴胺、5～胫色胺等重要神经递质缺乏，加重神经系统的功能损害，引起非典型苯丙酮尿症。表现为：智力低下、肌张力异常、惊厥、发育迟缓等。这些影响四氢蝶呤代谢的酶包括：6－丙酮酰四氢蝶呤合成酶(6-pyruvoyl tetrahydropterin synthase,6-PTS)、鸟昔三磷酸环化水解酶(guanosine triphosphate cyclohydrolase, GTP-C)、蝶呤－4a－甲醇胺脱水酶(pterin4-carbinolamine dehydratase, PCD)及二氢蝶唗还原酶(dihydropteridin e reductase, DHPR)。基因定位信息分别为：DHPR(OMIM*612676)定位于4p15.31;6-PTS(OMIM*612719)定位千llq22.3-23.3; GTP-C定位于14q22(OMIM*600225);PCD定位于10q22(OMIM*126090)。 已发现了一系列导致高苯丙氨酸血症的基因突变，因而可以进行有效的基因诊断和产前诊断。目前临床上常在婴儿出生后立即进行筛查，一经确诊为典型的苯丙酮尿症，立即给患儿停乳，喂给低苯丙氨酸水解蛋白及补充酪氨酸。若确诊为非典型的苯丙酮尿症，补充四氢生物蝶呤、L－多巴，5－胫色胺，卡比多巴等。禁荎食、乳类、豆类和豆制品。多吃蔬菜和水果。经上述饮食治疗可以达到临床痊愈。 （二）白化病白化病(albini sm)是一组较为常见的眼、皮肤及其附属器官黑色素缺乏所引起的疾病，分为非综合征白化病和综合征白化病两大类。非综合征白化病包括眼皮肤白化病及眼白化病。 眼皮肤白化病是最常见的一种白化病，具有基因座遗传异质性。根据致病突变基因的不同分为4型。眼皮肤白化病I型(0MIM#203100)：致病原因是酪氨酸酶(tyrosinase, TYR)(OMIM*606933)基因突变。TYR基因定位于l lq14-q21，含5个外显子，转录子长2384bp，编码529个氨基酸残基。生成相对分子质量为60的酪氨酸酶。正常情况下，人体黑素细胞中的酪氨酸在酪氨酸酶催化下，经一系列反应，最终生成黑色素。白化病患者体内酪氨酸酶基因突变，使该酶缺乏，故不能有效地催化酪氨酸转变为黑色素前体，最终导致代谢终产物黑色素缺乏而呈白化（见图3-8)。患者全身皮肤、毛发限睛缺乏黑色素，全身白化，终身不变。患者眼睛视网膜无色素，虹膜和瞳孔呈现淡红色，畏光，眼球震颤，常伴有视力异常。患者对阳光敏感，暴晒可引起皮肤角化增厚，并诱发皮肤癌。该病发病率约1/10000~1/12000，呈常染色体隐性遗传。眼皮肤白化病1I型(OMIM#203200)：致病原因为OCA2基因(OM IM*611409)突变。基因定位千15q l l.2-q12，含24个外显子，转录子长3186bp，编码838个氨基酸残基。生成相对分子质量为110、位于黑色素小体膜上的跨膜蛋白。黑色素由决定黑棕色的真黑素和决定红黄色的褐黑素组成。OCA2基因的产物是真黑素合成所必需的物质。基因突变引起真黑素合成减少，患者皮肤、毛发和眼中的真黑素缺乏。出现皮肤白，毛发黄白或黄棕色，虹膜灰色或棕色，常伴有视力异常。此型临床症状较I型为轻，患者出生时毛发和虹膜有少量色素沉着。呈常染色体隐性遗传。眼皮肤白化病皿型(OMIM#203100)：致病原因为酪氨酸酶相关蛋白－1(tyrosinaserelated protein-1, TYRPl)(OMIM*611409)基因突变。TYRPJ基因定位于9p23，含8个外显子，转录子长2848bp，编码536个氨基酸残基。生成相对分子质量为61的酪氨酸酶相关蛋白4，具有稳定酪氨酸酶的作用。患者可表现为淡棕色皮肤和头发，蓝灰色虹膜。部分患者有眼球震颤或斜视。该型见06574)致N型(OMIM#6。呈常染色体隐性遗传千非洲黑种人、巴基斯坦人、印度人、德国人及中国人，*(OMIMP)(SLC45A2)protein, MAT edbraassocia(me病原因为膜相关转运蛋白transporter tmne-bp，编码530个氨基酸残17147个外显子，转录子长5p133含。MATP基因定位于基因突变606202).，。呈化病II型有重叠眼皮肤白的临床表现与58的膜相关转运蛋白。患者生成相对分子质量为基。。常染色体隐性遗传(alkaptonuria)仔细观察了尿黑酸尿症GarrodArchibald rd Edwa1902年，英国著名的内科医生。例如，在某些病例中，常有两个或多个同胞患病，500)，并发现这种病具有家族聚集现象(OMIM#203的学者），他iBa（第一个使用lli为此请教了当时的生物学家矶。Garrod但其父母正常genettcseson am。从此，尿黑酸尿一致认为尿黑酸尿症是孟德尔隐性遗传的结果们在共同调查分析了家族患病史后等予以1958年由LaDod关于尿黑酸尿症的推测千载入史册。Garr而症就作为人类隐性遗传的首例u代谢此提出了“先天性似疾病并由戊糖尿症等类病、胱氨酸尿症和d还研究了白化。后来，G釭证实ro，化遗他成为人类生力、科学的思维和严谨的作风，使明察秋毫的观察Ga1TOd。正是由千缺陷＂的概念)，曝光后可变为黑色的物质，这种病症在婴儿期就(alk尿黑酸尿症患者的尿中含有尿黑酸tonap、耳郭、，在皮肤、面颊(ochronosis)可表现出来，到成年时由于尿黑酸大量沉积千结缔组织引起褐黄病。起褐黄病性关节炎，严重者并发心脏病引。尿黑酸沉积于关节巩膜等处出现色素沉着。主要的内的核酸代谢异常而产生核酸代谢缺陷病使体由千参与核酸代谢的酶的遗传性缺陷，。色性干皮病等转移酶缺陷症和着鸟嗦呤磷酸核糖核酸代谢缺陷病包括次黄嗦呤－ L.发作性地用牙齿咬伤自患儿曾描述了这样一种病例lliaNyhaelLesch和Wi1964年，M呻：man叫，一之间，患儿的知觉是正常的，一边由千疼痛而悲己的指尖和口唇，或将自己的脚插入车轮的辐条(LeschNyhanhNyh综合征syndrome)Lesc。当时医学界将这种疾病称为边仍继续这种自残行为--an。lf-mutilti)综合征或自毁容貌(se(OMIM#300322)aonnthinetransferase,(hphosphoribosyl guanine本病是一种由于次黄嗦呤鸟嗦呤磷酸核糖转移酶ypoxa。HGPRT缺陷症缺陷所致的疾病，故又称为HGPRT)i是体内核酸补救合成途径的关键酶，它的缺HGPRT-)(（一）阻，底化受陷使次黄嗦呤、鸟嗦呤向相应核昔酸的转p胺二子RIIP PRPP 传学的创始人，远远地走在了时代的前面。 四、核酸代谢遗传病 （-)次黄嗦呤鸟噤呤磷酸核糖转移酶缺陷症 物在体内堆积，特别是在神经系统中的堆积，进而引起发病（图10-8)。 昔核 次黄嗦呤鸟嗦呤磷酸核糖转移酶缺陷症呈X连,M p'J'M|t锁隐性遗传，基因定位于Xq26-q27.2，患者均为男性，患者的母亲为致病基因携带者。检测酶的活性可为 腺唳 呤 核 次黄诊断该病提供依据。 （二）蓿色性干皮病 着色性干皮病(xeroderma pigmentosum, XP)(OMIM#278700~278750)为一种常染色体隐性遗传病，发病率约1/25万。患者体内缺乏核酸内切酶，本病在出生后到青少年期均可发病。皮肤对阳光过敏，日照后可出现红斑、水肿、色素沉着、干燥、角化过度及萎缩等皮损。有些患者智能落后，感音性耳聋及共济失调。易患基底细胞癌、鳞癌恶性黑色素瘤等，均伴有免疫系统的异常。本病可分为(XPA-XPG)7型，目前已克隆出XPA、XPB、XPC、XPD等基因，其中XPA定位千9q34. l,XPB定位千2q21。 五、脂类代谢遗传病 脂类代谢遗传病指脂类代谢过程中特异性酶的缺乏所引起的遗传疾病。主要包括了神经鞘脂贮积症、黏脂贮积症等。(-)Gauche r病Gaucher病(Gaucher disease)是一种常染色体隐性遗传的溶酶体贮积病。在正常生理条件下，酸性住葡糖脑昔脂酶(ac i d beta-glucosidase, GBA)催化葡糖脑昔脂分解成葡萄糖和神经酰胺。如果f3GBA基因(OMIM*606463)发生突变，酶活性降低，单核－巨噬细胞内的葡糖脑昔脂不能被进一步水解而贮积在溶酶体中，形成Gaucher细胞。这些细胞在组织、器官的浸润引起疾病。根据临床表现，Gau c h er病可分为I型、II型和皿型，均由{3-GBA基因突变所致，致病基因位于l q22。 I型Gaucher病(OMIM#230800)是最常见的类型。其临床特点是患者无原发性中枢神经系统的症状。发病年龄从出生几个月至成人，患者多在婴幼儿期表现出生长发育迟缓，肝脾大（可继发门静脉高压），各类血细胞减少，骨髓被Gaucher细胞浸润。患者易发生肺部感染而死亡。有的患者可出现骨和关节的间歇痛和病理性骨折。可出现结膜黄斑，面部及下肢的黄色、棕黄色色素沉着。患者病情的严重程度不一，婴儿患者症状较严重，有些成人患者症状较轻，甚至没有临床症状。通过羊水~GBA酶活性及致病基因突变检测可进行产前诊断。酶替代治疗、骨髓或肪血干细胞移植具有较好的治疗前景。 II型Gaucher病(OMIM#230900)为急性中枢神经系统受累型。患儿出生时多正常，婴儿期发病，2岁前死亡。其临床特点是婴－幼儿期出现急性的肝、脾、肺等重要器官受累及颅神经异常、锥体外束征等引起的症状，表现为：肝脾大、生长迟缓、反复肺部感染；吸吮、吞咽困难、牙关紧闭、斜视、意识障碍、颈强直、头后仰、肌张力增高、角弓反张、／健反射亢进、进行性痉挛等。患儿常因肺部感染或缺氧而死亡。此外，还有一种类型发病更早、死亡率高，称之为围产期致死性Gau cher病(perinata l lethal Gaucher)。 皿型Gaucher病(OMIM#231000)为亚急性－中枢神经系统受累型。其临床特点是病程进展较II型Gauc h er病为慢。最初出现肝脾大，随后出现共济失调、惊厥等症状。皿型A常出现肌阵挛和痴呆；m型B出现分离性核上水平凝视麻痹和攻击行为；皿型C患者常伴有心血管的钙化。 （二）Tay-Sachs病 Tay-Sachs病(Tay-Sachs disease)(OMIM#272800)又称之为家族性黑朦性痴呆，是一种常染色体隐性遗传病。以进行性神经变性为特征。多在婴儿时期发病，2～3岁死亡。本病高发于德裔犹太入群(Ashkenazi Jews)。 在正常生理条件下，氨基已糖昔酶(hexosaminidase A, HEXA)催化GM2神经节昔脂分解成GM3神经节背脂和N－乙酰氨基半乳糖。当HEXA缺乏时，GM2神经节昔脂分解受障，在脑组织和内脏器官的溶酶体中贮积、沉淀引起家族性黑朦性痴呆。临床上表现为生长发育迟缓；对声、光及触觉敏感，逐渐出现激惹现象；随后出现瘫痪、痉挛、惊厥、痴呆和失明。由千视神经节细胞中充满了GM2神经节昔脂，在视网膜中心凹周围出现灰白色的区域。加之视网膜神经纤维变性使黄斑区血管脉络暴露，检眼镜检查可见有诊断意义的樱桃红色斑点。病理检验可在中枢神经系统中发现气球状神经细胞。 HEXA基因(OMIM*606869)位于15q23，致病性突变涉及错义突变、缺失和插入等。本病己能有效地进行基因诊断和产前基因诊断。细胞培养和羊水细胞培养后进行酶学检查也可以协助诊断。目t`.1,1前尚无有效的方法对本病进行治疗。虽然人工合成的HEXA替代治疗可以使细胞内的氨基已糖昔酶活性暂时的升高，延缓病清的进展，但是不能逆转已发生的病理损害。因此，做好产前诊断，防止患儿出生仍是当前的主要预防措施。 六、先天性代谢缺陷引起的罕见遗传病及其治疗 罕见病(rare disorder)是指患病率很低、患者数极少的疾病。目前中国专家对罕见遗传病的共识是成人患病率低千五十万分之一，新生儿中发病率低千万分之一的遗传病可定为罕见遗传病。罕见遗传病通常由基因突变等所致，多数是严重的遗传性慢性疾病，可危及生命。目前全球约有7000种罕见遗传病，我国2016年发布了《中国罕见病参考名录》，147种罕见病被列入该目录。其中有56种罕见遗传病有有效的治疗药物和（或）治疗方法。 目前我国北京、上海和广州等地已开展罕见代谢遗传病异常代谢物的串联质谱检测、产前基因诊断及种植前诊断使罕见病的确诊率提高。酶的替代治疗、饮食干预及干细胞移植等在罕见病的治疗中起到了极大的推动作用。 本章主要从分子水平、生化水平和临床水平描述了部分单基因遗传病的发病机制、遗传方式、临床表现、诊断（包括临床诊断、实验室诊断、产前诊断及种植前诊断）、治疗及预防。 常见的血红蛋白病包括异常血红蛋白及地中海贫血。我国异常血红蛋白的发生率为0.24%0.33%，以广西、广东、云南、贵州和新疆等地最高。我国南方是地中海贫血的高发区，在广西、广东O'.及B地中海贫血的发生率分别为23.98％及11.07%。现已阐明该病的遗传学基础和分子致病机制。产前诊断及种植前诊断已在临床广泛应用，有效地降低了重型地中海贫血患儿的出生率。血友病是一组遗传性疑血功能障碍的出血性疾病，现已阐明该病的分子致病机制。产前诊断及种植前诊断己在临床应用，有效地降低了重型血友病患儿的出生率。疑血因子的替代治疗仍是目前的主要治疗方法。 葡糖－6－磷酸脱氢酶(G6PD)缺陷症是一组X连锁遗传性溶血性贫血。最有效的预防方法是避免接触或服用相关导致，容血的药物、食物和化学制品。G6PD缺陷的红细胞不利于恶性症原虫的增殖，表现出抗足作用。苯丙酮尿症(PKU)是一种先天性氨基酸代谢异常疾病，表现为智力发育迟缓、异味及般病等症状。通过及时诊断，早期有效的治疗能使PKU患者保持相对正常发育。利用串联质谱对血液苯丙氨酸的浓度进行则定、产前基因诊断及新生儿PKU筛查的方法已在临床广乏应用，对本病的诊断起到重要作用。半乳糖血症是一种罕见的遗传缺陷疾病，属于常染色体隐性遗传病。治疗经典型半乳糖血症的唯一方法是减少乳糖和半乳糖的摄入。其他的代谢性遗传病多为罕见病，目前我国能够进行冶疗的罕见病有56种。 1根据你所掌握的知识谈谈如何降低重型B地中每贫血患儿的出生率。 2.对新生儿进行PKU筛查的意义何在？ 3.请举一个例子说明罕见病的酶替代治疗。（蒋纬莹） 吓q汾 第十一章多基因病 在第五章已经介绍了多基因遗传的概念及特点。已知许多常见病或多发畸形的发病率为0.1%~1%，并有家族聚集现象，但系谱分析又不符合单基因病的任何一种遗传方式，即同胞中的患病率远低于1/2或1/4，只有1%~10%。同时，发病还受到环境因素的影响。这些有一定多基因遗传基础的复杂疾病(complex d isorder)也称为多基因病(polygenic disease)。复杂疾病的发病涉及多基因与环境因素的共同作用，多条基因通路参与了复杂疾病的发生。目前的研究认为多基因遗传因素中，除了微效基因外，还可能存在着主基因。常见的多基因遗传病包括精神分裂症、躁狂抑郁症、糖尿病、高血压和神经退行性疾病等。 多基因遗传病是一类发病率较高、病情复杂的疾病。无论是病因及致病机制的研究，还是疾病再发风险的评估，既要考虑遗传的因素，也要考虑环境因素，难以用一般的家系遗传连锁分析取得突破，需要在人群和遗传标记的选择、模式动物的建立、数学模型的建立、统计方法的改进等方面进行艰苦的努力。 第一节精神分裂症 精神分裂症(schizophre ni a,SZ)(OMIM#181500)是具有思维情感、行为等多方面的障碍，以精神活动和环境不协调为特征的一类病因未明的功能性精神障碍。精神分裂症的平均发病率为0.07%0014%。患病率为1.4%o-4.6%0。就发病年龄而言，精神分裂症多发生于15~45岁之间；无明显的性别发病差异。 —、精神分裂症的临床特征 精神分裂症(sz)的临床表现比较复杂。多起病于青壮年，具有特征性的思维、情绪和行为互不协调、联想散漫、情感淡漠、言行怪异、脱离现实等多方面的障碍。一般无意识及智力障碍，病程多迁延。SZ的症状可因疾病的类型、发病阶段有很大不同。在急性阶段，以幻觉和妄想等症状为主；在慢性阶段，则以思维贫乏、情感淡漠、意志缺乏和孤僻内向等为主。 本病尚无特异性实验室检查方法，仅凭临床症状诊断，故可能出现漏诊或误诊。因此，定位和克隆精神分裂症的易感基因，将有助于探讨其分子病因，为临床基因诊断、靶向治疗和基因治疗奠定基础。 二、精神分裂症发生的遗传因素 精神分裂症是所有重大精神疾病综合征中最难被定义和描述的。虽然遗传因素在精神分裂症的发病中起着重要的作用，但迄今为止，没有发现某一个基因可以完全解释精神分裂症的发生。 （一）精神分裂症发生与遗传关系概述 大量的家系研究、双生子及寄养子研究显示，遗传因素在精神分裂症的发病过程中起着非常重要的作用且有遗传异质性的特点。SZ遗传方式不固定，显性、隐性及多基因遗传方式均有报道，但大多认为SZ是一组多基因遗传病，其遗传率为70%-85%。但有一定的环境因素诱导，如妊娠期间病毒感染、出生时并发窒息以及社会环境发生突变（如饥荒、地震）等。 第十一章多基因病 （二）染色体畸变与精神分裂症 从20世纪60年代开始，已报道的精神分裂症患者染色体异常类型包括：心脆性染色体位点；如8q24等；＠相互易位：如t(1;7)(p22; q22)等；＠部分三体：如5qll-ql3部分三体等；＠倒位异常：如9pll-ql3等；＠缺失异常：如22q l1.1等；＠非整倍体等。上述染色体畸变只出现在个别精神分裂症患者中，因而并非是本病的特异性变异。 （三）与精神分裂症发生有关的易感基因 精神分裂症的遗传模式具有很高的异质性，所有的易感基因可能仅有较低的相对危险性，或者基因的致病风险是由于大量的单核昔酸多态性(SNP)变异所引起。所谓易感基因(susceptib l e gene)是指与特定疾病具有“阳性”关联的基因或等位基因，也就是说在相同的环境条件下，携带该基因的人更容易患上某种疾病，那么这些人所携带的该疾病的相关基因就称为易感基因。带有易感基因的个体不一定会发病，因为外在因素是复杂疾病发生的诱因，外因通过内因而起作用，只有易感基因而无外在风险因素，则个体发病风险很小。 近年来，随着人类基因组计划的完成及入类疾病组计划的进展，应用连锁分析、GWAS和新一代DNA测序技术等，现已定位和克隆了许多与神经－精神－生理活动有关的基因，除了巳发现的多巴胺、5轻色胺系统和调节谷氨酸能神经系统的基因外，还有众多基因或位点可能也是精神分裂症的易感基因或候选区域。 I. ORD基因多巴胺是一种非常重要的神经递质，对调节人体的精神－神经活动具有重要作用。多巴胺过量一直被认为是导致精神分裂症的主要原因，故多巴胺受体(dopamine receptor, DR)基因亦被认为是精神分裂症的重要候选基因。如：心DRD3基因(OMIM*126451)位千3ql3.31，主要在端脑、伏隔核、Callegia岛以及其他边缘系统（如嗅体、海马和乳头体）有特异表达，与思维、情感等功能有关。研究表明DRD3基因外显子1的Ser9Gly变异形成的Balll限制性片段多态性与精神分裂症的发生存在相关。＠DRD4基因(OMIM*126452)位于11pl5.5, DRD4第521位C一T多态性以及第3外显子48bp重要片段的多态性显示与精神分裂症的微弱关联。＠DRDJ基因(OMIM*126449)rs4532位点可能与精神分裂症阴性症状类型的症状（思维贫乏、情感淡漠、意志缺乏等）等数量性状存在关联。 2.5-HTR2A基因5轻色胺通过受体介导调节神经活动。在人体中，5－轻色胺受体(5hydroxytryptarnine r ece ptor,5-HTR)是由多种类型蛋白质组成的一个蛋白家族。其中5-HTR2A基因(OMIM*182135)定位于13q14.2，其基因产物是G蛋白偶联受体，特异地分布于带状核、新皮质I和V层、梨状皮质和嗅前体。研究发现，5-HTR2A基因102T-C突变形成的限制性片段长度多态性位点与精神分裂症的发生存在相关。临床上使用的一些抗精神分裂症新药，均是特异性地作用于5HTR2A而产生药效的，故5-HTR2A基因可能与精神分裂症的病理变化有关。 3其他精神分裂症的易感基因或候选区域除上述2类基因外，OMIM记载的被怀疑的精神分裂症易感基因座（候选区）还包括：SCZD12(1p36.2),MTHFR、CH13Ll、DJSCJ、DJSC2、S YN2、DRD3、S CZDJ(5q23-q35)、SCZD3(6p23)、SCZD5(6ql3-q26)、TRAR4、SCZD6(8p21)、NRGJ、SCZDJ1(10q22.3)、SCZD2(11ql4-q21)、DAO、DAOAIG72、HTR2A、SCZDJO(15ql5)、SCZD7(13q32)、AKTJ, SCZD8(18p)、COMT、RTN4R、PRODH、APOL2、APOIA、SHANK3以及CAGICTG三核昔酸重复序列。 近年来的研究还揭示在中国汉族人群中，KPNB3基因的rs2588014位点CIT等位基因可能是SZ易感突变位点；mtDNA的5351A>G突变可能对SZ发生有一定协同作用；APOE基因可影响SZ患者的易患性；miR-137基因rsl625579位点多态性可能与SZ工作能力和记忆能力有关；rniR-219基因rs107822多态可能与SZ有关。 抗精神病药物治疗可降低SZ患者外周血中GABRB2基因启动子区DNA甲基化水平，提示基因启动子区DNA甲基化可能参与抗精神病药物治疗的作用。通过抑制mTOR信号途径，能改善大脑特殊区域基因缺失引发的认知和情感障碍，并指出针对这些细胞的治疗，对SZ的治疗或将产生显著的疗效。 142第二部分医学遗传学临床 第二节糖尿 随着生活水平提高、人口老龄化、生活方式改变以及诊断技术的进步，糖尿病(diabet es mellitus, DM)的患病入数正迅速增加。中国入糖尿病发病率达7.97%(2015)，已超过世界平均水平(5.71%）。DM已成为严重威胁人类健康的公共卫生难题。 —、糖尿病的临床特征及分类 （一）糖尿病的临床特征 DM是一组因胰岛素缺乏或机体对胰岛素抵抗所引发的糖及脂质为主的代谢紊乱综合征。以血糖升高为基本特征。表现为多饮、多尿、多食以及消瘦等症状，若得不到有效的治疗，极有可能产生一系列的并发症，如心、脑血管动脉硬化，视网膜及肾脏微血管病变，神经病变和下肢坏疽等。 （二）糖尿病的分类 按照世界卫生组织(WHO)及国际糖尿病联盟(IDF)专家组的建议，糖尿病分为1型糖尿病(diabetes mellitus type1)（占5%）、2型糖尿病（占90%）、妊娠糖尿病（占4%）及其他特殊类型糖尿病（占1%)4类，本节主要从遗传角度介绍前两种类型DM。 1.1型糖尿病简称1型DM(OMIM%222100)，旧称胰岛素依赖性糖尿病(insulin-dependent di一abetes mellitus, IDDM)悲者由千胰岛B细胞膜上HLA-Il类基因异常表达，使得B细胞成为抗原递呈细胞，在环境因素（病毒感染等）作用下，免疫反应被激活，产生自身抗体，导致胰岛细胞炎症，胰岛素分泌减少，演变而成为DM。IDDMl也称为幼年型糖尿病(juvenile-onset diabetes)。 2.2型糖尿病简称2型DM(OMIM#l25853)，旧称“非胰岛素依赖性糖尿病(NIDDM)”，发病多为自主神经类型，表现为副交感神经张力增加，交感神经张力减弱导致低血糖倾向及多吃、肥胖。2型D M患者随年龄增长，出现胰岛B细胞数目减少，胰岛素分泌缺陷或终末器官对胰岛素产生抗性，导致糖尿病。老化过程中胰岛素原合成减少16%-39%。1型DM和2型DM的主要特征见表11-1。 特征1型DM2型DM 发病年龄通常小于40岁通常大于40岁 胰岛素分泌无部分有 胰岛素抵抗无有 自身免疫有无肥胖不常见常见单卵双生一致率0.35-0.500.90同胞再发风险1%-6%15%~40%DM是一组与环境和遗传有关的复杂的代谢紊乱性疾病，95％以上的DM呈多基因遗传，环境因素对发病的影响很大，但却有很强的遗传异质性。在临床上，1型DM和2型DM是完全不同的疾病，其病因、病程和遗传学上有很大差异。 (-)1型DM发生的遗传因素1型DM的遗传因素尚不清楚。在单卵双生中，1型DM的发病一致率为30%~50%，提示本病为多基因遗传病。根据易感基因的不同，1型DM可分为20多种亚型。 1. HLA与1型DM HLA是1型DM最重要的易感基因，可解释40%~50％的1型DM的遗传易感性，并且主要为HLA-D区的HLA-DQ、-DR基因。DQA l*0301、DQBl*0302、DQBl*0301、DR3和DR4与1型DM有关联，DQa链52位为非精氨酸、DQl3链57位为非天冬氨酸时显示对1型DM有强烈易感性。HLA的易感性作用并非由单个基因所决定，而是多个HLA单基因组合成的单体型所产生的综合效应。1型DM可能的HLA易感单体型为HLA-DQA l*0301-DQBl*0302、HLA-DQA l*0501-DQBl*0201；可能的保护单体型为MICAS.1等位基因结合HLA-DRBl*03-DQAl*0501DQBl*0201和（或）HLA-DRBl*04-DQAI*0301-DQBl*0302。 2与1型OM发生有关的易感基因采用全基因组扫描等研究技术，已将20多个1型DM的易感（候选）基因定位到相应染色体上(OM IM数据），其中IDDM2的致病基因INS-VNTR定位于11pl5.5, IDDM4的致病基因FGF3定位千11ql3, IDDM5的致病基因SUM04定位于6q25.1; IDDM12的候选基因CTLA4定位于2q33.2。其余的10多个1型DM的候选基因在染色体的定位区域分别是：IDDMJ(6p21.3)、IDDM3(15q26)、1DDM6(18q21)、IDDM7(2q3l)、IDDM8(6q25-q27)、IDDMJO(10p l5.1)、IDDMll(14q24.3-q31)、IDDM13(2q34)、IDDM15(6q21)、IDDM17(10q25)、IDDM18(5q31. l-q33.1)、IDDM19(2q24.3)、IDDM20(12q24.31)、IDDM21(6q25)、IDDM22(3p21.31)、IDDM23(4q27)、IDDM24(10q23.31)。 （二）2型OM发生的遗传因素 1.2型OM的遗传基础概述2型DM是糖尿病的最主要类型。单卵双生子2型DM的一致率高达58%~91%，而二卵双生子一致率仅为17%~40%。遗传因素在2型DM的发生中扮演着重要角色。在1型DM中遗传因素的重要性估计为50%，而在2型DM中其重要性则达到90%。绝大多数2型DM属于高度异质性的多基因病。2型DM患者双亲、同胞及子女2型糖尿病患病率分别为14.2%、18.6％及3.5%;2型DM患者的同胞及子女发病风险率在80岁时可达38%。2型DM是一种复杂的代谢性疾病，其发生与发展过程涉及众多的基因、蛋白质和代谢小分子及其相互作用。 2.2型OM的易感基因采用基因组学、蛋白质组学和代谢组学等“大科学”方法，国内外已研究过近250多种DM候选基因，OMIM记载的2型DM的易感（致病）基因超过30个基因。2型DM的易感基因主要包括4大类：O胰岛素分泌及其相关基因，如KCNJJJ、A B CC8、INSR、GPD2、IRS J和1RS2等；＠葡萄糖代谢及其相关基因，如GCK、SL C30A8、SLC2A4(17pl3.1)等；＠脂肪代谢及其相关基因，如PPARG和LJPC等；＠其他与2型DM相关的基因，如HNF4A、IGF2BP2、CDKALJ、TCF7l2、WFSJ、HMGAJ、ENPPJ、PAX4、MAPKBIPJ、MTNRJB、HNFJA、HNFJB、RETN、AK12、PTPNJ等。 （三）几种代表性OM致病（易感）基因 3. PPP1R3A基因和PPARG基因OMIM记载的PPPJRJA基因的2bp del（缺失），1985AG变异体与PPAR G基因的3bp del/1bp i ns（插入），n t553变异体的双杂合子，可导致严重的双基因胰岛素抵抗。 4. PAX4基因OMIM记载的PAX4基因的Arg121Trp变异体可导致2型DM的发生；Argl33Trp和Arg37Trp变异体对有酮症倾向的糖尿病易感；ArgfJ4Trp可导致9型青少年发病的成人型糖尿病(MODY9)。 5. HNF18基因OMIM记载的HNFJB基因的Ser465Arg可导致2型DM的发生。 6. AKT2基因OMIM记载的AK12基因的Arg274Hi s可导致2型DM的发生。 第三节原发性高血压 高血压(hypertension)是一类以动脉压升高为主要特征，可并发心、脑、肾和视网膜等靶器官损伤及代谢改变的临床综合征。高血压可分为原发性高血压(_essential hypertension, EH)(OMIM#l45500)和继发性高血压，90%~95％的高血压患者为原发性高血压。 一、原发性高血压的临床特征 原发性高血压的不同类型和病情发展的不同阶段，可有轻重不一、错综复杂的各种临床表现。患病早期的临床症状往往不很明显，在体检时才被发现高血压。临床上常见的症状有头痛、头晕、头胀、耳呜、眼花、健忘、失眠、乏力和心悸等一系列神经功能失调的表现。症状的轻重和血压的高低不成比例。晚期累及脑、心和肾等器官后，可出现头痛，暂时性失语，肢体运动不便，以至呕吐、偏瘫、昏迷和大小便失禁等脑组织损害表现。血压长期升高致左心室出现代偿性肥厚和扩大，出现气促，以至急性肺水肿等；以及多尿、夜尿、蛋白尿和水肿，甚至尿毒症等肾功能不全表现。眼底早期可见视网膜细小动脉痉挛或轻中度硬化，到晚期可见有出血及渗出物和视神经乳头水肿。 二、原发性高血压发生的遗传因素 原发性高血压是多基因、多因素引起的具有很强遗传异质性的疾病。遗传因素在EH发病中起重要作用，个体间血压水平的变异30%~70％归因千遗传因素。EH发病具有明显家族聚集性，而不同种族或民族群体间EH患病率差异很大。据报道，EH某些生化特征的遗传率为65%~80%。高血压的遗传研究可以分为两部分，一是单基因遗传性高血压（该类高血压少见），二是涉及原发性高血压的相关基因研究。 1. E H候选基因及其变异体采用基因组扫描研究候选基因等策略对家系或同胞对进行研究，已筛选出150多个基因编码的蛋白质，通过肾素－血管紧张素－酸固酮系统、G蛋白信号转导系统、去甲肾上腺、离子通道和免疫－炎症系统，分别可从血压生理、生化、代谢等途径参与血压调节机制，这些易感（候选）基因几乎分布在所有染色体的不同区域。OMIM记载的EH易感（候选）基因及位点包括：ECEJ(lp36.12)、RGS5(1q23.3)、ATPJBJ(lq24.2)、SELE(l q24.2)、ACT(1q42.2)、HYT3(2p25-p24)、AGTRJ(3q24)、ADDJ(4pl6.3)、HYT6(5pl3-q l2)、CYP3A5(7q22.1)、N0S3(7q36.1)、GNB3(12pl3.31)、HYT4(12pl2.2-pl2.1)、HYT2(15q)、HYTJ(17q)、NOS2A(17qll.2)、PNMT(17q12)、HYT5(20ql l-ql3)和PTGIS(20ql3.13)等。 ECEJ基因的－338C-A和－839T-G变异体对EH易感。RGS5、ATPJBJ和SELE基因参与血压调节。ACT基因的Met235Thr和－6A单体型对EH易感。AGTRJ基因的1166A-C,3'UTR变异体与EH有关。A DDI基因的Gly460Trp变异体与盐敏感性EH有关。CYP3A5基因的6986A-G变异体对盐敏感性EH易感。NOS3基因的Glu298Asp变异体对妊娠高血压易感且常规高血压的治疗效果较差。GNB3基因的825C-T变异体对EH易感。PTGIS基因的ivs9,T-C,+2变异体可引起EH。 2. EH候选基因功能分类候选基因(candidate gene)指对主基因进行检测中作为候选者的并具有已知生物学功能的基因。EH常涉及多个基因突变，每种基因变异部位几乎遍布各个内含子、外显子和调控序列。EH候选基因按其功能大致可分为．心肾素－血管紧张素系统的基因：如ACT和AGTRJ等；＠水盐代谢基因：如ADDI和GNB3等；＠儿茶酚胺－肾上腺素能系统的基因：如PNMT和AD邸3(8pll.23)等；＠影响糖、脂蛋白代谢的基因：如LPL(8p21.3)和APOB(2p24.1)等；＠调节血管功能的基因：NOS2A和NOS3等；＠其他高血压相关基因：GSTM3、PTPNJ和线粒体t RNA11e4263A-G点突变等。 第十一章多基因病145 第四节神经退行性疾病 神经退行性疾病(neurodegenerative disease)又称神经退行性变性疾病，是一类慢性进行性大脑和脊髓的神经元退行性变性、丢失而产生的疾病的总称。该类疾病主要包括帕金森病、阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症、亨廷顿病等。本节简要介绍属于多基因遗传的帕金森病和阿尔茨海默病。 —、帕金森病 帕金森病(Parkinson disease, PD)又称震颤麻痹(shaking palsy)，是一组原发性、渐进性中枢神经系统基底核、尤其是黑质变性的疾病。是一种多发生于中、老年期、病情进展缓慢的神经系统退行性疾病。数据表明，在65岁以上的中国人群中，帕金森病患病率为175％且发病率和患病率都随着年龄的增加而上升。PD患者由于中脑黑质多巴胺能神经元变性死亡造成纹状体多巴胺(DA)含量下降，胆碱能神经元活性相对增高，使锥体外系功能亢进，发生震颤性麻痹。 （一）帕金森病的临床特征 PD起病隐袭，进展缓慢。首发症状通常是一侧肢体的震颤或活动笨拙，进而累及对侧肢体。临床上主要表现为静止性震颤(static tremor)、运动迟缓(bradykinesia)、肌强直(rig心ty)和姿势步态障碍（如慌张步态）。PD患者还可出现情绪低落、抑郁、便秘、焦虑、睡眠障碍、认知障碍和疲劳感等非运动症状，它们对患者生活质量的影响甚至超过运动症状。 （二）帕金森病发生的遗传因素 PD的发病机制尚不明确，一般认为PD是多因素导致的复杂性疾病；环境毒素、氧化应激、线粒体功能异常、蛋白质异常积聚、遗传等因素各自或交互作用都能导致PD的发病。大部分帕金森病患者为散发病例，仅有不到10%-15％的患者有家族史。 1家族性帕金森病的遗传因素一系列家族性帕金森病相关基因的发现表明，遗传因素在PD的发病中起着极为重要的作用。目前已发现20多个基因连锁位点与家族性帕金森病的发病相关（表11-2),PARKJN,PINKJ、D]l、PLA2G6、FBX07、DNA JC6、SYNJJ等基因突变与常染色体隐性的家族性PD有关，而SNCA、UCHLJ、LRRK2、GIGYF2、HTRA2、VPS35、EIF4Gl等与常染色体显性遗传的家族性PD有关。线粒体MTND5的12397A-G突变和mtRNA L ys A8344G的突变可引起线粒体遗传的帕金森病(OM IM#556500)。 PD类型OMIM基因定位基因及OMIM编号致病突变类型及数量PARK!#1686104q22.1SNCA(*163890)Ala53Thr和Ala30Pro等5种PARK2#6001166q26PARKIN(*602544)ex3-7d el和ex4de]等24种PARK3%6024042p13PARK4拱055434q22. l SNCA(*163890)SNCA基因三倍体PARK5#6136434pl3UCHLI(*191342)Ile93Met对PARKS易感PARK6#605909lp36.12PINK/(*608309)Gly309Asp和Trp437Ter等13种，Tyr431H巧（易感）PARK7#606324lp36.23DJI(*602533)14-kb de!和Leul66Pro等7种PARK8#60706012ql2LRRK2(*609007)Arg1441Gly和Tyrl699Cys等7种PARKlO%606852lp32PARKll#6076882q37.1GIGYF29(*612003)Asn56Ser和Asn457Thr等5种易感PARK12%300557Xq21-q25PARK13拱102972pl3. I HTRA2(*606441)Gly399Ser和Ala141Ser等7种易感\IITt@2迟发型帕金森病的遗传因素已发现的迟发型帕金森病(OMIM#l68600)的易感基因有8个，分别是定位于lq22的GBA基因的Leu444Pro、Asn370Ser和Asp443Asn突变体；定位于4q23的ADHJC基因的Gly78Ter突变体；定位于6q27的TBP基因的(CAG儿扩增突变体；定位于12q24.12的ATXN2基因；定位于14q32.12的ATXN3基因的(CAG)"扩增突变体；定位于13q21.33的ATXN80S基因的(CAG)"扩增突变体；定位于X q24的GL UD2基因的Ser445Ala突变体对迟发型PD易感；定位千17q21.31的M.4PT基因的Asn296del和Pro301Leu等14种变异体。PD相关基因的突变可能导致线粒体功能障碍、泛素－蛋白酶体系统(UPS)功能障碍、氧化应激的发生等。 二、阿尔茨海默病 阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)(OM IM#l04300)是一种呈进行性发展的致死性神经退行性疾病。表现为认知和记忆功能不断恶化，日常生活能力进行性减退，并有各种神经精神症状和行为障碍。（一）阿尔茨海默病的临床特征阿尔茨海默病(AD)是一种起病隐匿、呈进行性发展的致死性神经退行性疾病。常为隐袭起病，缓慢地进行性加重，数年之后，其脑功能缺陷可能突然被发现，或在躯体疾病时症状变得明朗。表现为认知和记忆功能不断恶化，日常生活能力进行性减退，并有各种神经精神症状和行为障碍。临床上以记忆障碍、失语、失用、失认、视空间能力损害、抽象思维和计算能力损害、执行功能障碍，以及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征。一般将65岁以前发病者，称早老性痴呆，且家族中较多有同类痴呆患者；65岁以后起病者称老年期痴呆病，较前者更为常见；以记忆损害为主，病程发展缓慢。 （二）阿尔茨海默病发生的遗传因素AD可分为家族性AD和散发性AD。大约5％的老年痴呆患者有家族史，而其中有一半以上的患者是由千APP基因的突变，同时有早老素1(PSENJ)及PSEN2基因突变。OMIM记载的Alzheimer病的致病和易感基因及相关变异体见表11-3。 OMIM记载的与AD相关基因／位点有AD5(12pl1.23-ql3.12)、AD6(10q24)、AD7(10p13)、AD8(20p)、ADJO(7q36)、A DJ I(9p22.1)、A D12(8pl2-q22)、A D13(lq21)、AD14(lq25)、AD15(3q22-q24)、A D16(Xq21.3)、AD17(6p21.2)、APBB2、PLD3、SORLJ、BLMH、ACE、CLV、CRJ、PICALM、MAPT。 第十一章多基因病147 AD类型(OMIM)基因定位基因及OMIM号相关基因变异体及数量ADI（家族性）(#104300)2lq21.3APP(*104760)Val71711等12种引起AD，重复引起早发AD, Ala673Thr拈抗AD, Ala673Val(AR遗传） 6p22.2HFE(*613609)Cys282Tyr易感AD112p13.31A2M(*103950)VallOOOile和ex18del等2种易感AD7q36.1NOS3(+163729)Glu298Asp对晚发型AD易感17q22MPO(*606989)-463G-A对AD易感10q22.2PLAU(*191840)Prol41Leu对晚发型AD易感AD2（迟发型）（＃104310)19ql3.32APOE(*107741)Cysl12红g引起AD2AD3（家族性）（#607822)14q24.2PSENJ(*104311)Met146Leu等38种引起AD3AD4(#4606889)lq42.13PSEN2(*600759)Asn1411le等9种引起AD4AD9(#608907)19p13.3ABCA7(*605414)7bp del, nt2124和Trp1214Ter易感AD9AD18(#615590)15q21.3ADAMlO(*602192)Glnl70His和Argl81Gly易感AD18多基因遗传病的发病涉及多基因（除微效基因外，还可能存在主基因）与环境因素的共同作用。精神分裂症、糖尿病、原发性高血压、帕全森病、阿尔茨海默病等均属高度异质性的多基因病。精神分裂症所有的单一易感（候选）基因可能仅有较低的相对危险性。易感基因是指与特定疾病具有阳性关联的基因或等位基因。候选基因指对主基因进行栓测中作为候选者、并具有已知生物学功能的基因。精神分裂症易感基因有DRD3、5-HTR2A基因等30多个。1型糖尿病可分为20多种亚型，HLA是1型DM最重要的易感基因，1型DM的易感基因有20多个。2型DM易感基因有31个，如ABCC8基因等。原发性高血压的易感基因有20多个，如NOS3等。已发现20多个基因与帕全森病相关，如PARK2基因等。阿尔茨海默病的易感基因有APP、PSENl、PSEN2基因等30多个。 l什么是易感基因？如果一个体查出来带有阿尔茨每默病的易感基因，一定会患阿尔茨海默病吗？在今后的生活中他会不会有思想压力，你有什么健康生活方式方面的指导？2.同样程度的高盐饮食和吸烟，为什么有的人患高血压甚至脑卒中去世，有的人却“长命百岁”?3.归纳复杂疾病（多基因病）的遗传基础，举例说明复杂疾病的风险外因的复杂性。 （杨保胜） 第十二章线粒体病 线粒体病(mitochondrial disease)是由线粒体功能异常而引起的一大类疾病。狭义的线粒体病仅由线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)异常所导致。而广义的线粒体病可由线粒体DNA异常或核DNA(n ucl ear DNA, nDNA)异常所导致，也可由两者共同作用所导致。线粒体病疾病种类较多，基因型与表型关系复杂，临床表现不尽相同。 第一节疾病过程中的线粒体变化 一方面，线粒体的异常可以导致疾病的发生；另一方面，线粒体也是一个对外界环境变化极为敏感的细胞器，某些环境因素的改变可直接导致线粒体功能异常。例如：有害物质的渗入（中毒）或病毒的入侵（感染）可能导致线粒体发生肿胀甚至于破裂，肿胀后体积可达正常体积的3~4倍；微波照射可使线粒体出现缺崝、空化等亚显微结构的变化，从而导致功能的改变；氮化物、co等物质可阻断呼吸链的电子传递过程，从而造成生物氧化磷酸化过程中断、ATP合成受阻，细胞出现死亡。 病理状态下，线粒体的结构和功能也会出现异常。例如肿瘤细胞由千氧化磷酸化能力减弱，糖的无氧酵解增加，常表现为线粒体数目和线粒体内崝数最的减少。人体原发性肝癌的细胞癌变过程中，线粒体峙的数目将会逐渐下降而最终成为液泡状线粒体；机体缺血性损伤会引起细胞内氧分压下降，线粒体氧化磷酸化减弱甚至停止，线粒体出现凝集、肿胀甚至于崩解等结构异常；坏血病患者的病变组织中有时可见2~3个线粒体融合成一个大的线粒体球的现象；某些细胞病变时，可看到线粒体中累积大量的脂肪或蛋白质，有时可见线粒体基质颗粒大量增加，这些物质的充塞往往影响线粒体的功能甚至千导致细胞死亡。因此，线粒体常作为细胞损伤或病变时最敏感的指标之一，成为细胞病理学检查和环境监测的重要依据。 第二节线粒体病的分类 线粒体病种类较多，发病机制复杂，涉及多个学科。因此，根据不同学科角度，可将线粒体病分成不同的类型。 从临床角度可根据病变累及的器官或系统对线粒体病进行分类。例如若病变以中枢神经系统为主，称为线粒体脑病；病变以骨骼肌为主，称为线粒体肌病；若病变同时累及中枢神经系统和骨骼肌，则称为线粒体脑肌病。美国线粒体病基金会(United Mitochondrial Disease Foundation)根据线粒体病的临床表型，将其分为40余类，多数为综合征。人体很多重要的生化过程都在线粒体中进行，因此，从生化角度可根据线粒体所涉及的代谢功能，将线粒体病分为底物转运缺陷、底物利用缺陷、三狻酸循环(Krebs循环）缺陷、电子传递缺陷和氧化磷酸化偶联缺陷五种类型（表12-1)。 第十二章线粒体病149 疾病类型常见缺陷 底物转运缺陷肉碱棕桐酰转移酶缺陷、肉碱转运体缺陷等底物利用缺陷丙酮酸脱氢酶复合体缺陷、B－氧化缺陷等三狻酸循环缺陷延胡索酸酶缺陷、Q－酮戊二酸脱氢酶复合体缺陷等电子传递缺陷复合体I缺陷、复合体II缺陷、复合体皿缺陷、复合体W缺陷等氧化磷酸化偶联缺陷复合体V_(ATP合酶）缺陷等从遗传学角度可根据缺陷的遗传原因，将线粒体病分为mtDNA缺陷及nDNA缺陷两种类型（表12-2)。 缺陷类型遗传方式遗传病 mtDNA缺陷 mtDNA点突变母系遗传MELAS、MERRF、LHOJ\等 mtDNA缺失／插入散发KSS、Pearson骨髓－胰腺综合征等 nDNA缺陷 编码线粒体蛋白的nDNA缺陷孟德尔式PDHAD、MTS、痉挛性截瘫等基因间交流的缺损钾mtDNA继发性突变｝孟德尔式PEOAl,MTDPS2笠注：MELAS：线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒及卒中样发作综合征；MERRF．肌阵挛性癫痀伴碎红纤维病；L I-IO N:Leber视神经萎缩；KSS:Ke印ns-Sayre综合征；PDI-IAD：丙酮酸脱氢酶复合体缺乏症；MTS:Mohr-Tranebjaerg综合征；PEOA!：进行性眼外肌麻痹伴线粒体DNA缺失I;MTDPS2：线粒体DNA耗竭综合征2mtDNA突变可以发生千线粒体编码蛋白质、tRNA或rRNA的基因，引起的线粒体病可累及多组织器官或系统。但因中枢神经系统和骨骼肌对能量的依赖性最强，故临床症状常以中枢神经系统、骨骼肌病变为主，包括失明、耳聋、癫病、中风样发作、眼肌麻痹、视网膜色素变性等。此外，患者还可出现糖尿病、肿瘤、心肌病、内分泌紊乱、肾功能低下等多种临床症状。 与nDNA相比，m tD NA有其自身遗传特性（如母系遗传、遗传瓶颈及闾值效应等）。因此，mtDNA突变所引起的疾病发病机制复杂，表型差异较大。不同mtDNA的突变可引起相同疾病，同一突变亦可引起不同表型，并且通常与突变mtDNA的杂质水平和组织分布密切相关。例如mtDNA A8344G、T8356C点突变均可导致MERRF综合征；又如mtDNA T8993G点突变，低比例时可导致NARP综合征，高比例(>90%）时则可导致Leigh综合征；再如mtDNA A3243G点突变，低比例时可导致母系遗传的糖尿病伴耳聋，高比例时则可导致MELAS综合征。 现已确认mtDNA有667种碱基替换和305种缺失、插入和重排与线粒体疾病相关。其中，线粒体DNA碱基替换疾病的命名包含三个部分。以MTND4. LHONI1778A为例：第一部分是确定位点，MT表示线粒体基因突变，ND4表示突变发生在线粒体的ND4基因上；第二部分在星号之后以疾病字母缩略词表示导致的疾病名称，LHON即Leber视神经萎缩；第三部分，11778A表示mtDNA第11778位点的碱基替换为A（腺嗦呤）。又如MTTK*MERRF8344G:MT表示线粒体基因突变，第二个T代表tRNA基因，k表示赖氨酸，这说明突变发生在线粒体的tRNAL“基因上；MERRF即肌阵挛性癫病伴碎红纤维病，8344G表示mtDNA第8344位点的碱基替换为G。 mtDNA突变引起的常见线粒体病包括Leber视神经萎缩、MERRF综合征、MELAS综合征、KSS综合征、Lei gh综合征等。此外，帕金森病、衰老、肿瘤糖尿病等的发生也与线粒体有关。＼。对i}Leber视神经萎缩(Leber optic atrophy)(OMIM#535000)又称为Leber遗传性视神经病(Leber heredital"'f optic neuropathy, LHON)，以1871年首次报道其临床症状的德国眼科医生Theodore Leber的名字命名，是最早确诊的人类线粒体病。Leber视神经萎缩最显著的临床症状为双侧视神经严重萎缩引起的无痛性急性或亚急性双侧中心视力丧失，双眼视力可同时或先后出现减退；眼底检查通常发现有外周乳头状的毛细血管扩张、微血管病、视盘假性水肿和血管扭曲。此外，患者可伴有神经、心血管、骨骼肌系统的异常，如周围神经系统的退化、震颤、心律失常及肌张力的降低等。少数患者可在发病数月或数年后视力有所恢复，出现视觉自愈现象。95％的患者在50岁前发病，平均发病年龄27~34岁，男性患者约为女性患者的5倍，女性患者发病较晚，但病情较为严重。 LHON呈母系遗传。1988年，著名学者Douglas C. Wall ace等发现LHON患者氧化呼吸链复合体I(NADH脱氢酶）的ND4亚单位基因第11778位点的碱基由G置换为A(MTND4飞HON11778A),使ND4第340位上1个高度保守的精氨酸被组氨酸取代，ND4的空间构型改变，NADH脱氢酶活性降低，线粒体产能效率下降，视神经细胞提供的能量不能长期维持视神经的完整结构，导致神经细胞退行性变、死亡。近年来，已相继报道更多的mtDNA点突变与LHON相关，在10种编码线粒体蛋白的基因(NDJ、ND2、COXJ、ATP6、COX3、ND4、ND4L、ND5、ND6、Cytb)中，至少有18种错义突变直接或间接地导致LHON。 LHON分为两种类型：心单个线粒体突变导致的LHON，临床严重程度随突变位点不同有较大差异。在此类型中，约95%的病例由三种错义突变引起：MTND4*LHON11778A、MTND矿LHON14484C及MTNDl*LHON3460A。其中，MTND4飞HON11778A最为常见，但预后最差，自愈率仅为4％左右；而MTND6*LHON14484C引起的症状较轻，自愈率可达37％左右。＠少见的、需要二次突变或其他变异（如nDNA突变）才能引起的LHON，其发病机制尚未完全明确。 LHON患者的分子遗传学检测可从以下两步进行：心靶向突变分析：先定位检测引起LHON的主要致病mtDNA突变(mtDNA Gl1778A、mtDNA T14484C及mtDNA G3460A)；＠序列分析和突变筛查：用于检测未发现上述三种常见mtDNA突变的LHON患者。 二、MERRF综合征 MERRF综合征即肌阵挛性癫病伴碎红纤维病(myoclonic epilepsy associated with ragged-red fibers, MERRF)(OMIM#545000)，患者发病年龄多为10~20岁，临床表现为多系统病变，包括肌阵挛性癫病、共济失调、肌病、智力减退、耳聋等。此外，患者肌纤维紊乱、粗糙，肌细胞中常可见大量形态异常的线粒体，用Gomori Trichrome染色显示为红色，称破碎红纤维。 MERRF综合征是一种异质性母系遗传病，MTTK(tRNA Ly,)、MTTLJ(tRNALeo)、MTTH(tRNA十li s)、MTTS(tRNA Se,), MTTF(tRNA Ph e)及MTND5基因的突变均可导致MERRF。超过80%的MERRF由MTTK基因突变所导致，其中最常见的突变位点为A8344G，少数为T8356C、A8296G和G8363A。 MTTK基因A8344G突变是指编码tRNA Ly,基因第8344位点的碱基由A置换为G(MTTK'MERR F8344G)，该突变破坏了tRNALys中与核糖体连接的T中C环，导致呼吸链复合体的缺陷，尤其是复合体I和复合体W的合成，从而使氧化呼吸链功能下降，患者出现多系统病变，其病情严重程度与突变型mtDNA所占的比例呈正相关。例如：神经和肌肉细胞中，若突变型mtDNA达到90％时，就会出现典型的MERRF症状；而当突变型mtDNA所占比例较少时，症状也随之减轻。此外，发病闾值还与年龄相关。20岁以下的个体，神经和肌肉细胞中A8344G突变达到95％以上才会出现典型症状；而60岁以上的个体，突变达到85％以上就会出现典型症状。 三、MELAS综合征 MELAS综合征即线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒及卒中样发作综合征(mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes, MELAS)(OMIM#540000)。患者通常在40岁前发病，主要临床症状为中枢神经系统的异常，包括阵发性头痛、复发性休克、癫病、脑卒中样发作、痴呆、偏瘫、皮质盲等，部分患者还可伴有肌病、呕吐、耳聋、身材矮小等临床症状。病理学检查发现患者脑及肌肉的小动脉和毛细血管管壁有大量形态异常的线粒体，异常线粒体不能代谢丙酮酸，大量丙酮酸生成乳酸，乳酸在血液和体液中累积，导致血液pH下降和缓冲能力降低，从而造成乳酸中毒。 MELAS可由MTTLJ(tRNA1"")、MTTQ(tRNAGlu)、MTTH(tRNA比5)、MTTK(tRNA Ly,)、MTTC(tRNACy'）、MTTS(tRNASe,)、MTNDJ, MTNDS及MTND6基因的突变引起。约80%的MELAS是由MTTLJ基因A3243G点突变所导致，少数患者为MTTLJ基因3271、3252或3291位点突变所导致。 MTTLJ基因A3243G点突变是指编码tRNALeu基因第3243位点的碱基由A置换为G(MTTLJ•MELAS3243G)，该位点位于tRNALeu基因与16S rRNA基因的交界部位，也是转录终止因子的结合部位，进化上高度保守。突变使tRNALeu基因结构异常，转录终止因子不能结合，rRNA和mRNA合成的比例发生改变。一般情况下，A3243G突变表现为杂质性，当肌肉组织中突变型mtDNA达40%~50％时，出现眼外肌麻痹、肌病和耳聋；当突变型mtDNA亥90％时，可致复发性休克、痴呆、癫病、共济失调等。 四、Kearns-Sayre综合征 Kearns-Sayre综合征(Kearns-Sayre syndrome, KSS)(OMIM#530000)以眼外肌麻痹、视网膜色素变性、心肌病为主要临床症状患者还具有四肢无力、心脏传导功能障碍、听力丧失、共济失调、痴呆等症状，常在20岁以前发病，病程进展较快，多数患者在确诊后几年内死亡。 KSS主要由mtDNA的缺失所导致，目前巳发现100多种缺失类型。其中，约有1/3的患者由mtDNA8469~13447之间约5kb片段的缺失所导致。该缺失的断裂点分别位于ATPase和ND5基因内，缺失导致ATP8、ATP6、COX3、ND3、ND4、ND4L、ND5及多个tRNA基因缺失。缺失区两侧为13个碱基的同向重复序列(5'ACCTCCCTCACCA3'）。由于涉及多个基因的缺失，患者可出现不同程度的线粒体蛋白质合成缺陷，影响4种呼吸链复合体。 KSS患者病情严重程度取决于缺失型mtDNA的杂质水平及带有缺失mtDNA基因组在组织中的分布情况。肌细胞中缺失型mtDNA>85％时，表现出所有KSS症状；缺失型mtDNA比例较低时，仅表现为眼外肌麻痹。当造血干细胞中有缺失的线粒体基因组大量存在时，会引起早发、致命性的Pearson骨髓－胰腺综合征患者表现为胰腺外分泌功能障碍和缺铁性贫血。 五、Leigh综合征 Leigh综合征(Leigh syndrome, LS)(OMIM#256000)是一种由线粒体能量生成异常引起的早发性神经退行性疾病，临床症状包括血液和（或）脑脊液乳酸水平升高、脑干和（或）基底节出现病变症状、肌张力低下、痉挛、亚急性精神运动阻滞、张力减退、共济失洞等。患者常在婴儿期或幼儿期发病，病程进展迅速，一般在发病后数年死亡。 LS发病机制较为复杂，涉及的基因突变包括mtDNA突变和nDNA突变，遗传方式为母系遗传或常染色体隐性遗传。线粒体基因组和核基因组中与能量代谢有关的基因突变均可导致LS，例如NADH脱氢酶、细胞色素c氧化酶、ATP6、丙酮酸脱氢酶复合体等，总数近30个基因。 在mtDNA突变造成的Le igh综合征中，最常见的突变为mtDNA ATP6基因T8993G或T8993C点突变，突变使ATP6第156位的亮氨酸置换为精氨酸或脯氨酸，ATP合酶结构发生改变，大脑及视网膜细胞ATP合成活性降低，从而导致细胞死亡。携带mtDNA突变的个体临床表型由致病性突变的杂质性水平及其器官组织分布等因素决定，不同家庭成员通常遗传不同比例的突变mtDNA，可能会有不同的临床症状。 六、帕金森病 帕金森病(Parkinson disease, mitochondrial, PD)(OMIM#556500)又称为震颤性麻痹，是一种老年发病的神经系统变性疾病。PD患者脑组织，特别是黑质中存在4977bp的DNA片段缺失，断裂点分别位于ATP8基因和N~5基因内，缺失导致多种组织细胞内线粒体复合体I、II、IIl甚至W都存在着功能缺陷，继而引起神经元中能量代谢障碍。PD患者病变细胞中mtDNA的缺失通常为杂质性的，正常人突变型仅占0.3%，而患者可达5%。目前大多数观点认为，单纯的基因或环境毒物很少能直接引起PD，大部分病例是基因和环境甚至更多因素共同作用的结果。 七、其他与线粒体有关的病变 （一）衰老现有研究表明，衰老(aging)(OMIM#502000)与mtDNA的渐进性损伤及线粒体功能的下降密切相关。 线粒体正常氧化磷酸化过程会产生大量的氧自由基。正常生理状态下，机体自身的防御系统（如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等）可及时清除能量代谢过程中产生的氧自由基。然而在个体衰老的进程中，抗氧化防御系统的作用逐渐减弱，线粒体内氧自由基不能有效清除而出现累积，从而导致线粒体的氧化性损伤，包括mtDNA的氧化损伤和生物膜损伤等。这些损伤将使线粒体功能下降，氧自由基渗漏增加，酶活性降低，造成恶性循环，进一步加速机体衰老。 mtD NA的氧化损伤可引起mtDNA突变的累积，人体衰老与mtDNA突变的累积呈正相关。作为氧自由基氧化损伤线粒体DNA后形成的产物，8-0H-dG在衰老组织中含量增多。55岁以下个体的肠肌中，8-0H-dG含量低千0.02%,65岁以上，8-0H-dG以每10年0.25％的比率增加，至85岁时可达0.51%。 mtDNA突变类型包括点突变、缺失、插入及重排等。老年人各种组织的mtDNA常有多种片段缺失，其中以4977bp-5kb片段缺失最为常见。缺失可累及脑、心肌、骨骼肌等多种器官组织，不同年龄个体各组织细胞中mtDNA片段缺失的位置可能不同，但缺失率随年龄的增长而逐渐增加。例如：17岁青年中未发现mtDNA片段的缺失；34岁个体中m tD NA片段的缺失率为0.005%;85岁个体中mtDNA片段的缺失率达0.26%。此外，mtDNA点突变率也随年龄增长而增高，例如老年人mtDNA复制区T414G点突变率增高。这些突变mtDNA的累积使线粒体氧化磷酸化的能力逐渐降低，细胞产生的能量低于细胞正常功能维持所需的阔值，从而导致细胞死亡，引起衰老和多种老年退化性疾病。 （二）肿瘤 肿瘤与mtDNA的突变相关。mtDNA是致癌物作用的重要靶点，众多研究结果显示，化学致癌物与mtDNA的结合比与nDNA更充分。目前已在人类多种肿瘤及肿瘤细胞系中发现了各种类型的mtDNA突变，大部分为mtDNA编码区与D环区T一C或G---->A的碱基置换。这些突变通过改变细胞能量产量、提高线粒体氧化压力和（或）调控凋亡等途径导致肿瘤。 此外，某些因素（如细胞内线粒体受损伤崩解等）可使mtDNA游离出线粒体膜外，当细胞内核酸降解酶活性下降，不能有效清除游离千胞质中的mtDNA分子时，mtDNA有可能像致瘤病毒那样通过核膜，随机整合到nDNA中，激活原癌基因或抑制抑癌基因，使细胞增殖分化失控，导致癌变。 （三）糖尿病 某些糖尿病的发病与mtDNA点突变或缺失相关。1999年WHO将特殊类型糖尿病按病因学分为八大类，发病与线粒体基因相关，且具有母系遗传特征的糖尿病归于＂胰岛B细胞功能的基因缺陷＂，称为母系遗传的糖尿病伴耳聋(diabetes and deafness, maternally inherited, MIDD)(OMIM#520000)，又称为糖尿病耳聋综合征（小abetes-deafness syndrome)。患者表现为成年后的糖尿病发病及神经性听力损伤（主要为高频音调的感知降低），部分患者可能会出现线粒体疾病的一些症状，包括视网膜色素沉着、眼脸下垂、心肌病、肌病、脑病等。导致MIDD的基因突变包括MTTLJ(tRNAu:u)基因的A3243G突变、MTTE(tRNAG lu)基因的T14709C突变、MTTK(tRNAL“)基因的A8396G突变等。其中最为常见的突变类型为MTTLJ基因的A3243G点突变。 第十二章线粒体病153 mtDNA A3243G点突变导致线粒体氧化磷酸化功能出现障碍，ATP合成不足。胰岛B细胞感知血糖水平变化分泌胰岛素的过程中ATP起着重要的作用，ATP不足，则不能通过ATP依赖型k十通道机制兴奋胰岛B细胞，致使胰岛素分泌降低。此外，当ATP生成低于胰岛B细胞所需能量阙值时，还可导致B细胞受损而出现功能减退。 第四节nDNA突变引起的线粒体病 线粒体是一种半自主性细胞器，受线粒体基因组和核基因组两套遗传系统的共同控制。核基因组中与线粒体相关的基因突变也会引起相应的线粒体病。由于大部分线粒体蛋白质由核基因编码，在细胞质中合成后转运到线粒体内发挥作用。因此，绝大多数nDNA突变导致的线粒体病是由于编码线粒体蛋白的核基因突变造成的。此外，nDNA中与线粒体相关的基因突变还可导致mtDNA稳定性降低，mtDNA出现继发性突变，即造成核基因组和线粒体基因组间交流的缺损，目前已鉴定与线粒体疾病相关的核基因突变约90种。nDNA突变引起的线粒体病符合孟德尔遗传方式，呈常染色体显性遗传、常染色体隐性遗传或X－连锁遗传。 —、编码线粒体蛋白的核基因缺陷 编码线粒体蛋白（包括结构蛋白与非结构蛋白）的核基因缺陷引起的线粒体病分类较为复杂，从机制上可以分为呼吸链复合体缺陷、线粒体转运缺陷、装配因子缺陷、线粒体蛋白合成障碍、辅酶Q合成缺陷、线粒体代谢缺陷和线粒体离子平衡缺陷等多种类型，包括丙酮酸脱氢酶复合体缺乏症、MohrTranebjaerg综合征、线粒体复合体II缺乏症、Gracile综合征、肉碱棕桐酰转移酶II缺乏症等疾病。 丙酮酸脱氢酶复合体缺乏症(pyruvate dehydrogenase I-alpha deficiency, PDHAD)(OMIM#312170)是一种X连锁隐性遗传病，由定位千Xp22.12的PDHAJ基因突变引起，患者主要临床症状为乳酸性酸中毒、眼部异常和中枢神经系统退行性病变。 Mohr-Tranebjaerg综合征(Mohr-Tranebjaerg syndrome, MTS)(OMIM#304700)又称为肌张力障碍耳聋综合征(dys tonia-deafness syndrome)，是一种线粒体转运缺陷疾病，符合X连锁隐性遗传，由定位于Xq22，编码线粒体内膜运输蛋白的DDP基因突变引起。患者主要临床症状为儿童期起病的渐进性耳聋、肌张力障碍、痉挛状态、智力倒退和失明等。 线粒体复合体II缺乏症(mitochondri al complex II deficiency)(OMIM#252011)是一种常染色体隐性遗传病。患者表型差异很大，部分患者表现为脑、心脏、肌肉、肝脏、肾脏等多系统异常，通常在婴儿期死亡；而另一部分患者则仅仅表现为心脏或肌肉组织的异常，且成年后才发病。现有研究表明位于5pl5的SDHA基因、位于llq23的SDHD基因或位于19ql3的SDHAFJ基因突变均可导致线粒体复合体II缺乏症。 二、基因组间交流的缺损 线粒体基因组高度依赖于核基因组，nDNA编码的许多因子参与mtDNA的复制、转录和翻译过程。某些核基因的突变将导致mtDNA稳定性降低，出现继发性突变，表现为m tDNA的多重缺失或耗竭，但它们均符合孟德尔遗传方式。 （一）mtDNA多重缺失 呈孟德尔遗传方式的mtDNA多重缺失是由于nDNA上的基因存在缺陷所造成。例如，进行性眼外肌麻痹伴线粒体DNA缺失1(progressive external ophthalmoplegia with mitochondrial DNA deletions, autosomal dominant1,PEOAl)(OMIM#l57640)是一种常染色体显性遗传病，主要由定位于15q26、编码特异性mtDNA聚合酶'Y催化亚基的p。LGJ基因突变所导致。患者骨骼肌细胞中出现血DNA的多重缺失，主要临床特征为进行性肌无力导致的双侧眼脸下垂及运动乏力，并可出现白内障耳聋共济＼吨i}失调等其他临床症状。（二）mtDNA耗竭mtDNA耗竭主要体现为线粒体DNA数量严重减少而导致能量生成障碍，多为常染色体隐性遗传，临床可分为肌病、脑病、肝性脑病等。例如线粒体DNA耗竭综合征2(mitochondrial DNA depletionsyndrome2, myopathic type, MTDPS2)(OMIM#609560)是一种常染色体隐性遗传病，由定位于16q21的TK2基因突变所导致。患者多千儿童期发病，主要临床特征为肌肉的乏力及骨骼肌mtDNA的耗竭。 本章小 , 结 l l l ll l 线拉体病是由线粒体功能异常而引起的一大类疾病，狭义的线粒体病仅由线粒体DNA异常所导致；而广义的线粒体病可由线粒体DNA异常或核DNA异常所导致，也可由两者共同作用所导致。 线粒体基因组突变导致的线粒体病为母系遗传，与突变线粒体基因在同一细胞中的数量相关，主要包括Leber视神经萎缩、M ERRF综合征、MELAS综合征及Kearns-Sayre综合征等疾病。核基因组突变导致的线粒体病为盂德尔遗传，包括丙酮酸脱氢酶复合体缺乏症、Mohr-Tran e bja erg综合征、线粒体复合体II缺乏症、进行性眼外肌麻痹伴线粒体DNA缺失l及线粒体DNA耗竭综合征2等疾病。 1.广义的线粒体病从遗传学角度可以分为哪些类型？各有何特点？ 第十三章染色体病 染色体数目或结构异常引起的疾病称为染色体病(chromosomal disorder)。其本质是染色体上的基因或基因群的增减或变位影响了众多基因的表达和作用，破坏了基因间的平衡状态，因而妨碍了人体相关器官的分化发育，造成机体形态和功能的异常。严重者在胚胎早期天折并引起自发流产，故染色体异常易见于自发流产胎儿。少数即使能存活到出生，也往往表现有生长和智力发育迟缓、性发育异常及先天性多发畸形。因此，染色体病对人类危害甚大，且又无治疗良策，目前主要通过遗传咨询和产前诊断予以预防。染色体病表型的轻重程度主要取决千染色体上所累及基因的数量和功能。 染色体病按染色体种类和表型可分为三种：常染色体病、性染色体病和染色体异常的携带者。染色体病在临床上和遗传上一般有如下特点：心染色体病患者均有先天性多发畸形（包括特殊面容）、生长智力落后或性发育异常、特殊肤纹；＠绝大多数染色体病患者呈散发性，即双亲染色体正常，畸变染色体来自双亲生殖细胞或受精卵早期卵裂新发生的染色体畸变，这类患者往往无家族史；＠少数染色体结构畸变的患者是由表型正常的双亲遗传而得，其双亲之一为平衡的染色体结构重排携带者，可将畸变的染色体遗传给子代，引起子代的染色体不平衡而致病，这类患者常伴有家族史。 第一节染色体病发病概况—、染色体病的发生率 染色体异常常见于自发流产胎儿、高龄孕妇的胎儿、先天畸形或发育异常患者、不育或流产夫妇。综合已报道资料，各类染色体畸变的频率如表13-1。其中以染色体数目异常为主，特别是非整倍体中（一）新生儿染色体异常发生率新生儿染色体异常发生率波动千4.7%o~8.4%o，平均为0.625%，以数目异常为多。常见的常染色体数目异常有21三体、18三体及13三体；常见的性染色体数目异常有45,X、47,XXX、47,XXY和47,XYY。常染色体非整倍体及不平衡的染色体结构重排患者在新生儿期即表现有明显或严重的临床表现，所以出生时一般容易检出、诊断。但性染色体非整倍体中，除45,X外，XXX、XXY和XYY三体患者在出生和年幼时大多无明显异常，要到青春期因第二性征发育障碍才会就诊。对平衡的染色体结构重排携带者，若无家族史，则要到成年后因不育或流产时才会被检出，否则不易被发现。（二）自发流产胎儿自发流产胎儿中约有一半为染色体异常所致，其各类染色体异常的频率与活产新生儿不同。自发流产胎儿中三倍体和四倍体占20%，并不少见；但在新生儿中极其罕见。流产胎儿中以45,X最为常见，占18%-20%，但在新生儿中仅占0.6%；其他性染色体异常（三体）在新生儿中相当常见，16三体在流产胎儿中最常见，但尚未见于新生儿中。（三）产前诊断胎儿在产前诊断中，约有80％为高龄孕妇（大于35岁），这是因为染色体异常中最常见三体型，尤其是Down综合征，其发生率常随母亲生育年龄的增加而增加的倾向，故对大于35岁的孕妇要进行产前诊断。表13-2为活产儿及胎儿的Down综合征发生率与母亲生育年龄的关系。从表13-2中可以看出Do,vn综合征无论在胎儿期还是出生时，其发生率均随母亲年龄增大而增高；事实上仅有20%-25%的Down综合征胎儿能发育到出生。在产前诊断中，Down综合征约占染色体异常的一半。 发生率母亲年龄（岁）出生时羊水(16周）绒毛(9~11周） （四）染色体异常胎儿自发流产后再发风险流产胎儿的核型如果正常，再流产的胎儿多半核型正常；而当孕妇有过1例染色体异常的自发流产胎儿后，再发风险增高。在年龄较大的母亲中，对母龄作校正后，其再发风险未显示出有意义的增高；但在年轻母亲中却显示出较高的再发风险率（表13-3)。 第一次流产第二次流产胎儿染色体 胎儿染色体总计正常三体其他异常 总计273173(63%)61(22%)39(14%)正常157(58%)122(78%)18(11%)17(11%)三体72(26%)33(46%)30(42%)9(13%)其他异常44(16%)18(41%)13(30%)13(30%)（五）生殖细胞的染色体异常虽然人类卵细胞还不能作细胞遗传学分析，但可通过精子与仓鼠卵细胞融合技术分析人精子中期染色体。还可采用分子细胞遗传学技术直接检测人类精子的非整倍体，即测定间期细胞标本的特定染色体的拷贝数。据报道，在核型正常的男性精子中出现1%~5％的非整倍体；相互易位的男性携带者产生正常和平衡的染色体重排的精子近似相等，另有约半数是不平衡核型的精子，但在男性易位携带者的活产子代中不平衡的染色体重排者较少见。 二、染色体分析的临床指征 染色体核型分析是确定患者染色体是否正常的主要方法，但由千染色体核型分析的工作量较大，故通常限于一些特殊面容、发育异常或有致染色体畸变因素接触史者等特殊临床指征的患者，详细内容见第十八章。 第二节常染色体病 常染色体病(autosomal disease)是由常染色体数目或结构异常引起的疾病。常染色体病约占染色体病的2/3。包括三体综合征、单体综合征、部分三体综合征、部分单体综合征和嵌合体等。常见的主要有Down综合征，其次为18三体综合征，偶见13三体及5p一综合征等。患者一般均有较严重或明显的先天性多发畸形智力和生长发育落后，常伴特殊肤纹，即所谓的＂三联征”。 —、Down综合征 Down综合征(DS)也称唐氏综合征、21三体综合征或先天愚型，是发现最早、最常见的染色体病。英国医生John Langdon Down(1866年）首先描述之，故命名为Down综合征(Down syndrome, DS)(OMIM#l90685臀）。本病具有母亲生育年龄偏大和单卵双生的一致性两个特点，并很早就引起注意。在建立了人类染色体分析技术后，法国细胞遗传学家Jerome Lejeune(1959年）首先证实本病的病因是多了一个小的G组染色体（后来确定为21号）。详见本章第三节。 二、18三体综合征 本病由Jo hn Hilton Edwards等千1960年首先报告，故又称为Edwards综合征(Edwards syndrome)。 (-)18三体综合征的临床特点 新生儿发病率约为1/8000~1/3500。男女性别比为1:4，可能女性易存活。患者宫内生长迟缓，小胎盘及单一肪动脉，胎动少，羊水过多，95％胎儿流产；一般过期产，平均妊娠42周；出生时体重低，平均仅2243g，发育如早产儿，吸吮差，反应弱，因严重畸形，出生后不久死亡，出生后1/3在1个月内死亡，50％在2个月内死亡，90％以上1岁内死亡，只有极个别患者活到儿童期（表13-4)。 （二）核型与遗传学80％患者为47,+18，发生与母亲年龄增大有关；另10％为嵌合型，即46/47,+18；其余为各种易位，主要是18号与D组染色体易位，双亲是平衡易位携带者而导致18三体综合征很少。 三、13三体综合征 1657年Thomas Bartholin等记述了该病的临床特征。1960年Klaus Patau等确认其为13三体，故又称为Patau综合征(Patau syndrome)。 (-)13三体综合征的临床特征 新生儿中的发病率约为1/25000，女性明显多于男性。发病率与母亲年龄增大有关。患者的畸形比21三体和18三体综合征严重（表13-4)。99％以上的胎儿流产，出生后45％患儿在1个月内死[且}亡，90％在6个月内死亡。（二）核型与遗传学80％的病例为游离型13三体，即47,+13；其发生与母亲年龄有关，额外的13号染色体大多来自母方第一次减数分裂的不分离。其次为易位型，从13q l4q为多见，约占易位型的58%,13ql3q占38%,13ql5q占4%；易位可以是新生的，也可能是亲代为平衡易位携带者遗传而得。当双亲之一是平衡易位携带者时，因绝大多数异常胎儿流产死亡，出生患儿的风险不超过2%；如果双亲之一为13ql3q易位携带者，也由于只能产生三体或单体的合子，流产率可达100%，故不宜妊娠，应绝育。少数病例为与正常细胞并存的嵌合型，即46/47,+13，一般体征较轻。 临床表现 发生部位 Down综合征18三体综合征13三体综合征5p一综合征 神经系统严重智力低下、肌张力智力低下、肌张力严重智力低下、肌张严重智力低下低下亢进力异常头部小头畸形、枕部扁平头长、枕部凸出小头畸形小头、满月脸、脑萎缩、脑积水颈部颈短、颈蹊颈短眼部眼距宽、外眼角上斜、眼距宽、内眺赘皮、虹膜缺损、偶有独眼眼距宽、内眺赘皮、内毗赘皮眼球小或无眼畸形外眺下斜耳部耳郭小、低位耳郭畸形（动物耳）、耳低位伴耳郭畸形耳低位低位鼻部鼻梁低平塌鼻梁口部张口伸舌、流涎小口、小颌、唇裂和／唇裂／腮裂小颌屙弓高、牙错或脖裂位咬合心脏先天性心脏病（房中隔95％以上有先天性各种类型心脏病缺损与房室畸形常见）心脏病腹部胃肠道畸形肠息肉腹股沟茄或胃肠道畸形跻症泌尿、生殖系统男性可有隐睾肾畸形、隐睾肾畸形、隐睾小阴茎、小睾丸、男性无生育力双阴道、双角子宫隐睾、肾畸形手短而宽、第5指挠侧特殊握拳状多指、特殊握拳状如手小弯、短18三体足短而宽、第1、2趾间摇椅样足多趾、足内翻足小距宽皮肤纹理通贯手、atd角增大、第30％有通贯手、指弓通贯手、atd角增大、5指一条褶纹形纹增多指弓形纹增多1963年由Jerome Lejeune等首先报道，因患儿具特有的猫叫样哭声，故又称为猫叫综合征(cri-duchat syndrome)(OM IM#l23450)。(-)5p一综合征的临床特征群体发病率为1/50000，在智能低儿中占1%～1.5%，在小儿染色体病中占1.3%，在常染色体结构异常病儿中居首位。本病的最主要临床特征是患儿在婴幼儿期的哭声似小猫的＂咪咪＂声，有关研究认为是喉部畸形、松弛、软弱所引起，但也有认为是中枢神经系统器官性或功能性病变引起呼气时喉部涓气所致（表13-4)。大部分患者能活到儿童，少数可活到成年。 第十三章染色体病159 （二）核型与遗传学SplS为本病缺失片段。80％的病例为染色体片段的单纯缺失（包括中间缺失），10％为不平衡易位引起，环状染色体或嵌合体则比较少见。大部分病例的染色体畸变是新发生的，呈散发性；但l0%～15％的患者为携带者的子代。（三）5百综合征的表型相关的基因微小缺失综合征(small delet ion syndrome)是由于染色体上一些小片段的缺失所引起的疾病的总称，缺失可通过高分辨染色体分析或FISH检测确定。表13-5介绍了几种常见的常染色体微小缺失综合征，但大部分病例的具体致病基因还未得到鉴定。 疾病名称(OMIM#)基因定位主要临床症状遗传学Langer-G1edion综合征(150230)8q24.1毛发稀疏、皮肤松弛、多发性AD骨抚、小头、智力低下Beckwith-Wiedemann综合征llp15巨人、巨舌、跻症、低血糖、常不规则显性，所有llplS重(130650)发肾上腺肿瘤排都是由母亲遗传而来Wil ms瘤(194070)ll ql3肾肿瘤、双侧无虹膜、泌尿道ADWAGR综合征(109210)llql3同上AD视网膜母细胞瘤(180200)13ql4.2-14.3儿童期眼部肿瘤，有染色体缺AD失者多有小头畸形、智力低下Prader-Willi综合征(176270)l5ql1-l3智力低下、肌张力低、性腺发缺失染色体是父源的育低下、肥胖、手足小、身材矮Angelman综合征(234400)15qll-13面孔似“快乐木偶＂、智力低缺失染色体是母源的下、肌张力低、过度笑容、癫病Miller-Dieker综合征(247200)17p13智力及发育低下、无脑回、耳可能有染色体缺失，缺失的畸形、50％有先天心脏缺陷染色体主要来自父亲Alagille综合征(118450)20pll神经体征、学习困难、主动脉狭AD窄、肺动脉瓣狭窄、脊椎异常Di-GeorgeSprintzen综合征(188400)22qll胚胎第三、四咽蔡和第四腮弓A D母源缺失发育缺陷、甲状腺功能减退、免疫缺陷、特殊面容等常染色体断裂综合征患者染色体易断裂重排，故亦称染色体不稳定性综合征。主要因DNA修复机制有缺陷。对各种致染色体断裂剂的敏感性高度增加。患者体细胞常有标记染色体存在，易患白血病及其他恶性肿瘤。包括着色性干皮病、Bloom综合征、Fanconi贫血和共济失调性毛细血管扩张症（详见第十六章）。 第三节Down综合征 Do,vn综合征很早就引起了一些人类遗传学家的注意。如Waardenburg(1932年）曾认为“先天愚型”患者千篇一律的一整组症状可能是一个具有特定染色体畸变，他建议检查先天愚型患者是否有＂染色体缺陷”或“不分离”，又或“染色体重复”，但由千当时还没有合适的方法对他的这一结论加以验证，故对先天愚型的研究未能深入下去。直到建立了人类染色体分析技术后的1959年，法国细胞遗传学家Jerome Lejeune等分析了先天愚型患儿经培养的成纤维细胞的染色体，首先证实本病为21三体。 一、Down综合征的发生率 新生儿的发生率约为1/1000-2/1000，据估计我国目前大约有60万以上的患儿，按目前的出生率，我国平均20分钟就有一例DS患儿出生，全国每年出生的患儿可多达27000例左右。发生率随母亲生育年龄的增高而升高，尤其当母亲年龄大于35岁时，发生率明显增高。这是由于产妇年龄越大，入体包括卯巢所承受的各种有害物质的影响也就越多，这些因素都会导致卯细胞异常，导致染色体在细胞分裂过程中出现不分离现象。有资料表明父亲的年龄也与本病发病率有关，环境污染及接触有害物质均可造成精子的老化和畸形，当父亲年龄超过39岁时，出生患儿的风险将可能增高。 二、Down综合征的表型特征 DS患者有多和临床表现，其主要表现为智力低下（患者的IQ值在20~60之间，平均为40~50)、发育迟缓和特殊面容。一般情况下，DS患者还具有其他一些明显的、特殊的微小畸形特征（表136)。尽管一些DS患者都因具有这些典型的特征而易于被识别，但并不是所有的患者都表现出这些特征，而具有表13-6中所列的所有特征的DS患者是非常罕见的。 特征频率（％）特征，频率（％） 斜眼裂82颈部皮肤松弛81腮窄76身材矮小 75多动73鼻梁扁平68第1、2趾间距宽68手短而宽本病的一般特征包括：心很明确的综合征，尽管在症状上有所不同，但并不会影响诊断。＠多数情况下，都是新发生的、散在的病例，家庭中很少有一个以上的患者。＠同卵双生具有一致性，但偶尔也会有例外，这可能是由于在形成其中一个时，发生了染色体丢失。＠男性患者没有生育力，而极少数女性患者可生育。＠随母亲年龄增高，本病的发生率也升高，尤其当母亲大于35岁时更加明显。＠患者的预期寿命短，且到中年时大脑呈现淀粉样斑，与Alzheimer病相符，伴痴呆症状；易感染表明免疫功能缺陷，易患先天性心脏病。＠表型特征的表现度不同。＠急性白血病死亡率增加20倍，原因尚不清楚。 三、Down综合征的遗传分型 根据患者的核型组成不同，可将Down综合征分为三种遗传学类型。 （一）游离型 游离型(21三体型）即标准型。据统计，此型约占全部患者的92.5%。核型为47,XX(XY),+21。三体型的发生绝大部分与父母核型无关，而是生殖细胞形成过程中减数分裂不分离的结果。染色体不分离发生在母方的病例约占95%，另5％见千父方，且主要为第一次减数分裂不分离。减数分裂不分离的机制尚不清楚，可能与染色体支架蛋白－拓扑异构酶Il的活性改变有一定关系。此外，不能排除某些表型正常的母亲实际是21三体细胞很少的嵌合体，如果其生殖细胞中嵌合21三体细胞，她们的子女就有可能遗传获得额外的21号染色体，特别是较年轻的、有过1个以上的21三体型患儿的母亲。 （二）易位型 约占5%，增加的一条21号染色体并不独立存在，而是与D组或G组的一条染色体发生罗伯逊易位，染色体总数为46，其中一条是易位染色体。最常见的是DIG易位，如核型为46,XX(XY),-14,+t(14q2lq)，其次为GIG易位，如核型为46,XX(XY),-21,+t(21q21q)。患者的易位染色体，如果是由亲代传递而来的，其双亲之一通常是表型正常的染色体平衡易位携带者(balanced translocation carrier)，其核型为45,-D,-21,+t(Dq21q)或45,-G,-21,+t(Gq21q)。染色体平衡易位携带者在生殖细胞形成时，理论上经减数分裂可以产生6种类型的配子（图13-1)，但实际上只有4种配子形成，故与正常个体婚配后，将产生4种核型的个体。由此可见，染色体平衡易位携带者虽外表正常，但其常有自然流产或死胎史，所生子女中，约1/3正常，1/3为易位型先天愚型患儿，1/3为平衡易位携带者。但如果父母之一是21/21平衡易位携带者时，1/2胎儿将因核型为21单体而流产，1/2核型为46,-21,+t(21q2lq)，故活婴将肯定为21/21易位型先天愚型患儿（图13-2)。因此，21/21平衡易位携正常14/21易位携带者易位型21三体21单体易位型14三体14单体（流产）（未发现）（未发现） 带者不应生育。 失心 （三）嵌合型 较少见，约占2%。嵌合型产生的原因一是由千生殖细胞减。 丢尸 数分裂不分离，继而因分裂后期染色体行动迟缓引起部分细胞超数的染色体发生丢失而形成含有47,+21/46两个细胞系的嵌合体，由此形成的嵌合体的发生率与标准的三体型相同，随母亲年龄的增高而升高；二是合子后(post-z ygotic)有丝分裂不分离的结果。如果第一次卵裂时发生不分离，就会产生47,+21和45,-21两个细胞系，而后一种细胞很难存活，因此，导致嵌合体的不分离多半发生在以后的某次有丝分裂，所有嵌合体内都有正常的细胞系。不分离发生得越晚，正常细胞系所占比例越多，则此患者症状越轻。在已有的报道中由于有丝分裂不分离形成的嵌21/21易位型先天愚型21单体（流产） 图13-221/21染色体平衡易位合体占17%~30%。因本型患者的体细胞中含有正常细胞系，携带者及其子女核型示意图故临床症状多数不如21三体型严重、典型。如47,+21细胞系比例低千9％时，一般不表现出临床症状。 四、Down综合征发生的分子机制 (-)21号染色体的分子解剖学 21号染色体是人类染色体中最小的一条，由4.67xl07bp组成，约长46cM，包含600~1000个基因，占整个人类基因组的1.7%。用染色体显带技术显示21号染色体短臂分1区3带，长臂分2区，l区仅有1带，2区分2带，各带又可分出亚带，2区2带可分为3个亚带（表13-7)。 用细胞遗传学和分子生物学方法对多例DS患者进行分析，结果表明有一短的重复DNA序列(400kb)导致部分DS的表型。图13-3所示的是引起DS部分表型的DNA序列以及位于21号染色体上基因座的一些资料。 （二）21号染色体上与DS表型相关的基因 通过对部分21三体的基因型与表型关系的研究，现已将DS的24种特征定位在21号染色体的6个小区域，其中2个区域尤为引人关注：心D21S55：表达13种特征的最小区域。13种特征分别是：智力障碍、身材矮小、肌张力下降、关节松弛和8种面貌特征：鼻梁扁平、舌外伸、腾弓高、窄腾、耳郭畸形、手掌宽且短、第五指短且弯、足第一、二趾间距宽。®D21S55-MX1：表达6种外貌特征（眼裂斜、内眺赘皮、Brushfi eld斑－虹膜周围小白斑通q纠·去1iiiiiiiiiiiiiill CBS 贯手指纹尺箕和小鱼际肌无侧环）的最小区域；D21S55在DS的发病机制中起重要作用，定位千 PFKL21q22.2。D21S55及21q22.3远端被称为DSCRYAl CD18关键区(Down syndrome critical region, DSCR)。 COL6Al/A2、I I SIOOB~一些研究巳显示与DS发病有关的基因可能是图13-3Down综合征表型在21号染色体的区域定位一些结构基因或调控基因，但具体作用机制尚不太清楚。1与智力发育迟缓相关的基因3与臼血病有关的基因白血病在DS患者中的发生率较正常人高约20倍，最常见的类型是急性淋巴细胞白血病。FISH显示DS患者21号染色体上的2lqll.2和2lq22两个区域有潜在的结构改变。在6/8的有明显白血病症状的DS患者中发现D21S65-D21S55和D21S19-D21S219/D21S220间位点缺失或部分缺失。2l q22上的AMLJ基因易位也常产生白血病。AML基因(OMIM#601626)又称CBFa或PEB腔a基因，是异二聚体转录因子基因家族成员之一，在人类已鉴定出3个AML基因AMLJ(2lq22.1)、AML2(lp36)和AML3(6p21)。AMLJ在造血中起关键作用，其表达有组织特异性，通过可变剪切产生编码区大小不同的一组mRNA(l88-480个氨基酸残基），其中一些蛋白质在体内可以抑制肿瘤生长和来自畸胎瘤ES细胞分化。 4与肌张力低下有关的基因肌张力低下几乎出现千所有DS患者中，其发生主要与21号染色体上DSCR区D21S335和D21S337之间的MNBHIDYRKJ基因有关。MNBH基因由17个外显子组成，横跨150kb通过不同启动方式产生两种转录单位MNBHa和MNBHb, MNBHa在各组织中广泛表达，而MNBHb只表达千心脏和骨骼肌中。虽然两种启动方式在成人心脏和骨骼肌中都存在，但由TATA式启动子开始的表达只被控制在肌肉组织中。MNBHb在肌肉组织中表达模式提示MNBH与影响大多数DS患者的肌张力低下的病理生理有关。DS还伴有其他疾病，如内分泌异常、肠道异常和免疫缺陷、耳聋等先天性缺陷，其基因型与表型的关系还尚待研究。 五、Down综合征的诊断、治疗及预防 （一）Down综合征的诊断 3血液学改变DS患者白细胞计数正常，中性粒细胞相对增多，分叶少且呈核左移。新生儿在感染时易出现类白血病反应，血红蛋白F和血红蛋白A2升高，无需治疗，能自发恢复，但常在1~2年后出现真正的白血病。 4酶改变21三体综合征患者细胞中过氧化物歧化酶(SOD-1)的含量较正常个体高50%。中性粒细胞的碱性磷酸酶活性也较正常人高50%。两种酶的基因均定位于21号染色体上。（二）Down综合征的治疗目前对促进智能发育无特效药物，可试用丫－氨酪酸、谷氨酸、维生素B6、叶酸等，对促进小儿精神活动、提高智商可能有一些作用。对先天性心脏病，可用抗生素和心脏外科手术治疗以延长患者的寿命。 （三）Down综合征的预防 为防止DS患儿的出生，对35岁以上的孕妇、30岁以下但生育过DS患儿的孕妇或其双亲之一是平衡易位携带者或嵌合体者应作产前检查，如11~13周左右B超检查DS胎儿颈部透明带(nuchal translucenc y)的宽度，超过3mm为异常；再如取孕16~20周的羊水细胞或9~l2周的绒毛膜细胞作染色体检查，如胎儿为21三体，则建议终止妊娠。 年龄在30岁以下，且生过21三体患儿及一级亲属中有DS患者或有平衡易位携带者的妇女，应作染色体检查。如孕妇为平衡易位携带者应做产前检查，21/21易位携带者则不应生育。此外育龄妇女妊娠前后应避免接受较大剂量射线照射，不随便服用化学药物，预防病毒感染。 （四）Down综合征的预后 3/4的DS胎儿在怀孕期巳自发流产，且大部分发生在妊娠3个月内，仅约1/4胎儿能活到出生。患者智力低下，缺乏抽象思维能力，精神运动性发育缺陷，但许多患者经过训练可以学会读和写，以及一些基本的生活技能，如穿衣、吃饭等。一些人还可以达到接近边缘的社会适应力。但绝大部分人都不能靠自己在社会上活动。DS患者在30多岁时智能便开始下降，通常伴随着社交能力的逐渐丧失和情绪衰退，这些表现是Alzheimer病的症状，但这些症状出现过早。随着医疗水平的不断提高，现在的DS患者的生存期比以前感染未能被控制时要长。许多入可以活到成年。但一般寿命比正常人短，只有8％的患者活过40岁。（五）Down综合征的遗传咨询高龄孕妇（大千35岁）的胎儿应作产前诊断。在美国、加拿大等发达国家多年来对35岁以上的孕妇普遍都做产前筛查和产前诊断，以预防DS患儿的出生。但由千绝大部分孕妇在35岁以下，而事i.'实上未经产前诊断的35岁以下的孕妇所生的DS患儿占了80%，然而又不可能对全部孕妇作羊水穿刺检查。故近些年来，国内外也开始于孕中期用孕妇血清标记物或DNA筛查DS胎儿。由于DS胎儿的孕妇血清的AFP（甲胎蛋白）及UE3（雌三醇）低千平均水平，HCC（绒毛膜促性腺激素）高千平均水平，故对妊娠期（孕15~21周）的孕妇测定此三项值，即所谓的＂三联筛查＂，再结合孕妇年龄，计算出危险度，以决定是否行产前诊断，其检出率为48%~83%，假阳性率约5%。1995年，Wallanc e等发现在孕早期（孕11~13周）DS胎儿的母血清中二聚体抑制素A（由黄体与胎盘分泌的一种异二聚糖蛋白）含量明显升高，也可筛查DS胎儿，是一种敏感、特异的新方法，且可提早诊断，减轻孕妇痛苦，较三联筛查更具优越性；其检出率为65%，假阳性率为4%。 对于各种平衡易位型携带者，其遗传后果也不完全相同。Dq21q平衡易位的携带者理论上通过减数分裂可以形成6种配子，但受精后除不能发育者外，仅可产生三种胎儿：正常胎儿、平衡易位者、易位型三体患儿，即产生患儿的风险为33.3%。但实际风险较低，其再发风险可根据经验估计，这与双亲哪一方为携带者有关。Dq21q易位携带者若是母亲，生育患儿的风险为10%~15%；如为父亲，则风险为5％或更小。21q22q易位的清况与之大体相同，但易位染色体由父方传递的百分比比DIG易位多，风险率在10％以下。21q2lq易位携带者虽不常见，但尤为重要，因为其只能产生三体或单体的合子，即不可能有正常表型的胎儿；因单体不能存活，故此种易位型携带者的后代将100％为三体型患儿，不宜生育。从上述几种易位型携带者子代再发风险率看，均明显高千典型的三体型，尤其是2lq2lq携带者。因此，检出平衡易位携带者的双亲具有重要意义。 第四节性染色体病 性染色体病(sex chromosomal dis ease)指性染色体X或Y发生数目或结构异常所引起的疾病。性染色体虽然只有1对，但性染色体病约占染色体病的1/3；新生儿中性染色体病的发病率列于表13-8，总发病率为1/500。性染色体病的表型与性染色体有关，一般而言，因X染色体失活、Y染色体外显基因少，使性染色体不平衡的临床表现减少到最低限度，故没有常染色体病严重。除Turner综合征(45,X)及个别患者外，大多在婴儿期无明显临床表现要到青春期因第二性征发育障碍或异常才就诊。 性别疾病核型近似发病率 男Klin efelte r综合征47,XXY1/1000 其他(48,XXYY、49,XXXYY、嵌合型）1/10000 XYY综合征47,XYY1/1000 其他X或Y异常1/1500 总计1/400 女Turner综合征45, X1/10000 其他（缺失，嵌合）1/15000 X三体综合征47,XXX1/1000 其他X异常1/3000 总计1/650 —、性染色体的数目异常 (-)Klinefelter综合征Klinefelter综合征(Klinefelter syndrome)由Harry Klinefelter等千1942年首先报道，也称先天性睾丸发育不全。1956年Bradbury等证实患者体细胞间期有一个X染色质（或Ban·小体），l959年，'U''i\lPatricia Jacob和John Strong发现其核型为47,XXY，故本病亦称为XXY综合征。1.发生率本病发生率相当高，在男性新生儿中占1/1000-2/1000，在身高180cm以上的男性中占1/260，在不育的男性中占1/10。 2.临床表现以身材高、睾丸小、第二性征发育不良、不育为特征。患者四肢修长、身材高、胡须阴毛稀少、成年后体表脂肪堆积似女性；音调较高，喉结不明显；约25％病例有乳房发育，皮肤细嫩；外阴多数正常无畸形，6％病例伴尿道下裂或隐睾。新生儿期睾丸大小正常，但至青春期时睾丸小而硬，体积为正常人的1/3；睾丸精曲小管基膜增厚，呈玻璃样变性，无精子。典型病例的血浆睾酮仅为正常人的一半；个别患者睾酮正常，血中雌激素增多。少数患者可伴骨髓异常、先天性心脏病，智能正常或有轻度低下。一些患者有精神异常或精神分裂症倾向。就不同核型患者临床表现分析，个别嵌合型患者可有生育；X染色体数目越多，性征和智力发育障碍愈严重，伴有的体格异常更多。此外，患者易患糖尿病、甲状腺疾病、哮喘和乳腺癌。 3.核型与遗传学80%-90％的病例为47,XXY；约10%～15％为嵌合型，常见的有46, XY/47,XXY、46,XY/48,XXXY等；此外还有48,XXXY、49,XXXXY、48,XXYY等。嵌合型患者中若46,XY的正常细胞比例大时临床表现轻，可有生育力。本病额外的染色体由细胞分裂时染色体的不分离产t·生，约1/2病例来自父方第一次减数分裂不分离，1/3来自母方的第一次减数分裂，余为母方的第二次减数分裂或合子的有丝分裂不分离，母亲年龄在母方第一次减数分裂时发生染色体不分离的病例中是增加的，但其余可能与母亲年龄无关。 （二）XYY综合征 本病在男女中的发生率为1/900。核型为47, XYY，额外的Y染色体肯定来自父方精子形成过程中第二次减数分裂时发生Y染色体的不分离。XYY男性的表型一般正常，患者身材高大，常超过180cm，偶尔可见尿道下裂、隐睾、睾丸发育不全并有生精过程障碍和生育力下降；但大多数男性可以生育，个别患者生育XYY的子代，然大多生育正常子代。 （三）多X综合征 本病发生率在新生女婴中为1/1000。X三体女性可无明显异常，约70％病例的青春期第二性征发育正常，并可生育；另外30％患者的卵巢功能低下，原发或继发闭经，过早绝经，乳房发育不良；1/3患者可伴先天畸形，如先天性心脏病、骸脱位；部分可有精神缺陷。约2/3患者智力稍低。X染色体越多，智力发育越迟缓，畸形亦越多见。核型多数为47, XXX，少数为46, XX/47, XXX，极少数为48,XXXX、49,XXXXX。体细胞间期核内X小体数目增多，额外的X染色体，几乎都来自母方减数分裂的不分离，且主要在第一次，母亲年龄增高的影响见于来自母方第一次减数分裂不分离的病例。 （四）Turner综合征Turner综合征(Turner syndrome)由Henry Tu rner于1938年首先报道，也称为女性先天性性腺发育不全或先天性卵巢发育不全综合征，又称45,X综合征。1954年，Pol ani证实患者细胞核X染色质阴性；1959年，Chru-les Ford发现其核型为45,X。1.发生率在新生女婴中约为1/5000，但在自发流产胎儿中可高达18%-20%，本病在怀孕胎儿中占l.4%，其中99％流产，即在宫内不易存活。 2临床表现典型患者以性发育幼稚、身材矮小(120-140cm左右）、肘外翻为特征。患者出生体重轻，新生儿期脚背有淋巴样肿，十分特殊；面容：内眺赘皮，上脸下垂，小颌；后发际低，约50％有蹊颈，乳间距宽，第四、五掌骨短，皮肤色素恁增多，性腺为纤维条索状，无滤泡、子宫，外生殖器及乳房幼稚型。此外，约1/2患者有主动脉狭窄和马蹄肾等畸形。患者常因身材矮小或原发闭经就诊。智力可正常，但低于同胞，或轻度障碍。 3核型和遗传学约55％病例为45,X，还有各种嵌合型和结构异常的核型，最常见的嵌合型为45,X/46,XX，结构异常为46,X,i(Xq)。嵌合型的临床表现较轻，轻者有可能有生育力，而有Y染色体的嵌合型可表现出男性化的特征；身材矮小和其他Turner体征主要是由X短臂单体性决定的；但合子后卵裂早期。通常部分缺失、形成环状或等臂染色体的X染色体均选择性地失活，从而保证有一条正常的X第五节染色体异常携带者染色体异常携带者是指带有染色体结构异常，但染色体物质的总量基本上仍为二倍体的表型正今已记载1600余种我国已记载有1200多种，几乎涉及每号染色体的每个区带。其共同的临床特征，体异常患儿的可能性甚至高达100%。在不育与流产夫妇中，染色体异常携带者占3%6%。根据～的携带者发生率为0.47%即106对夫妇中就有一方为携带者。因此，为了防止染色体病患儿的出，;1非同源染色体相互易位如果夫妇中的一方为某一非同D在第一次减数分裂中期将形成相互易位型的四射体（图134)，经-与正常的配子相结合，则可形成18种类型的合子（表13-9)，其中图13-4相互易位染色体在减数卵巢发育不全和不育则更多与长臂单体性有关。本病的单个X染色体大多来母亲，也即约75％的染色体丢失发生在父方，约10％的丢失发生在4.预后及治疗除少数患者由千严重畸形在新生儿期死亡外，一般均能存活。青春期用女性激素治疗可以促进第二性征和生殖器官的发育，月经来潮，改善患者的心理状态，但不能促进长高和解决生育问题。 二、X染色体的结构异常 常见的X染色体结构异常有各种缺失、易位和等臂染色体，临床表现多样，主要取决千涉及染色体上的哪些区段异常。（一）X短臂缺失（XXp-)Xp远端缺失患者有诸如身材矮小等Turner综合征的特征，但性腺功能正常。Xp缺失如包括整个短臂，则患者既有Turn er综合征的体征，又有性腺发育不全。有研究显示Xpll片段对卵巢的发育具有重要作用，此片段缺失会引起不孕。X染色体长臂等臂染色体[X, i(Xq)］的临床表现与此类似，因为也缺失了整个短臂。 （二）X长臂缺失(XXq-) 缺失在q22远端以远者，一般仅有性腺发育不全，原发闭经，不孕，而无其他诸如身材矮小等Tume1综合征体征。缺失范围较大，包括长臂近端者，除性腺发育不全外，一些患者还有其他体征。X染色体短臂等臂染色体[X,i(Xp)］与此类似。Xq中间缺失累及q l3-q26者性腺功能正常，但有其他体征，可见中段缺失与Turn er体征出现有关。 染色体。 常个体，也即表型正常的平衡的染色体结构重排(rearrangement)者。主要可分为易位、倒位两类，至是在婚后引起不育、流产、死产、新生儿死亡、生育畸形和智力低下儿等。有些类型的携带者生育染色广泛的群体调查，欧美携带者发生率为0.25%，即200对夫妇中就有一对夫妻的一方为携带者；我国生，检出携带者、进行产前诊断，在我国更具有重要意义。 —、易位携带者 (—)相互易位携带者 源染色体间的相互易位携带者，如46, XX(XY), t(2;5)(q21; A q31)携带者，根据配子形成中同源染色体节段相互配对的特性，过分离与交换，理论上至少将形成18种类型的配子。它们分别仅一种正常，一种为表型正常的平衡易位型携带者，其余16种均分裂中期I形成四射体图解不正常。 分离后配子类型与正常配子受精后产生的合子类型对位AB CD46,XX(XY)AD CB46,XX(XY),-2,-5,+der(2),+der(5), t(2;5)(q21;q31)邻位1AB CB46, XX(XY),-5,+der(5), t(2;5)(q21;q31)AD CD46,XX(XY),-2,+der(2), t(2;5)(q21;q31)邻位2AB AD46, XX(XY),-5,+der(2), t(2;5)(q21; q3l)CB CD46, XX(XY),-2,+der(5), t(2;5)(q21;q31)3:1AB CB CD47,XX(XY),+der(5),t(2;5)(q21;q31)AD45,XX(XY),-2,-5,+der(2), t(2;5)(q21;q31)CB CD AD47,XX(XY),-2,+der(2),+der(5), t(2;5)(q21;q31)AB45,XX(XY),-5CD AD AB47,XX(XY),+der(2), t(2;5)(q21;q31)CB45,XX(XY),-2,-5,+der(5),t(2;5)(q21;q31)AD AB CB47,XX(XY),-5,+der(2),+der(5), t(2;5)(q21;q31)CD45,X X(XY),-2．着丝粒与互换点之间发生交换2同源染色体间的相互易位按照分离定律，同源染色体间的相互易位不可能形成正常配子，也不能分挽正常的后代。但在配子形成的减数分裂中，却可形成易位圈，经过在易位圈中的奇数互换，可形成4种类型的配子，其中3种具有部分重复和缺失的染色体，一种为正常配子，即可形成正常的后代。因此，在遗传咨询中不能简单地根据分离比率劝止妊娠，而应建议在宫内诊断的监护下选择生育正常胎儿。 （二）罗氏易位携带者1同源罗氏易位如果夫妇中一方为同源染色体之间的罗氏易位携带者，如t(13q;l3q)、t(14q;l4q)、t(15q;15q)、t(21q;21q)、t(22q;22q)，其在配子形成中仅能产生两种类型的配子，其与正常配子相结合，则形成三体型和单体型的合子（见图13-2)。 2.非同源罗氏易位夫妇中一方为非同源罗氏易位携带者时，其配子在形成过程中，根据染色体的同源节段相互配对的规律，一条易位的染色体和两条未易位的染色体配对，即三条染色体配对形成三价体，三价体不同的分离形式可形成6种不同的配子（见图13-1)，受精后则形成6种合子，其中只有一种可发育为正常个体，一种为与亲代类似的携带者，其余4种均为染色体异常患者或流产胚胎。 二、倒位携带者 由于臂间倒位和臂内倒位在减数分裂中形成不同的染色体结构重排，故两者有不同的遗传效应及与之相应的临床表现。 （一）臂间倒位携带者 根据在配子形成中同源染色体的同源节段相互配对的规律，在第一次减数分裂中将形成特有的倒位圈，经过在倒位圈内的奇数互换，理论上将形成4种不同的配子（图13-5)，一种具有正常染色体，一种具有倒位染色体，其余两种均带有部分重复和缺失的染色体。由于这些异常染色体仅含一个着1234567891012345678910a I__l______l_____I I I I I I I. I I I I I I|正常I I I. I||||I|12654378910I1||I|b I I I I I I I I I I I I.||倒位携带者4567891012345621|||I|||1,2片段增加C LL1_____,______I I I I4I5I6|2||17,8,9,10片段缺失10987345678910123456789107,8,9, IO片段增加d||I.||||I I I'||l I I.|||||||109873456789101,2片段缺失||||I。11||||I丝粒，属稳定性畸变，会干扰胚胎早期的有丝分裂，因此，其遗传效应主要决定于重复和缺失片段的长短及其所含基因的致死效应。一般来说，对曾报道过三体型或单体型活婴的7、8、9、13、14、18、21、22号和X染色体来说，其倒位片段越短，则重复和缺失A B c D E的部分越长，配子和合子正常发育的可能性越小，A D c B E臂内倒位临床上表现的婚后不育、月经期延长、早期流产以ic及死产的比例越高，而分挽出畸形儿的可能性却越交换低；若倒位片段越长，则重复和缺失的部分越短，其配子和合子正常发育的可能性越大，分挽出畸形胎儿的危险率越高。因而对后者必须加强宫内诊断，A E以防止染色体病患儿的出生。对其他染色体来说，B D E除了倒位片段的长短以外，更重要的是应考虑重复----OA D c B E正常和缺失片段上所携带的基因的致死效应。----O A倒位根据在配子形成中同源染色体的同源节段相E D c B E无着丝粒片段互配对的规律，在第一次减数分裂中期将形成特A D c B双着丝粒体有的倒位圈。倒位圈内发生的奇数互换，将形成4种不同的配子（图13-6)，一种含有正常染色体，一图13-6臂内倒位染色体在减数分裂时的遗传效应\OTE种含有倒位染色体，其余2种分别含有部分重复和缺失的无着丝粒片段或双着丝粒染色体。重复和缺失片段的大小及其所含基因的致死作用，使得半数配子的形成出现障碍，或产生半数畸形或无功能的配子，致使婚后多年不孕；同时，双着丝粒染色体和无着丝粒片段在有丝分裂中是一种不稳定性畸变，因为双着丝粒染色体在合子的早期分裂中形成染色体桥，这将使合子在早期卵裂中致死；但由于流产发生的时期过早，临床上往往仅可观察到月经期延长、多年不孕，而无明显的停经史；无着丝粒片段在合子卵裂中，将被丢失而造成单体型胚胎。除X、21和22号染色体单体以外，其他的单体均不可能发育成熟，常常在妊娠的头3个月内发生流产。 综上所述，婚后多年不孕，月经期延长，早期流产，分挽出倒位携带者或正常儿，都是臂内倒位携带者遗传效应的主要临床表现。因此，除21、22号和X染色体的倒位携带者外，一般可不作产前诊断。 染色体病是染色体数目或结构异常引起的疾病。其特征为生长和智力发育迟缓、性发育异常及先天性多发畸形。朵色体病可分为三种：常染色体病、性染色体病和染色体异常的携带者。常朵色体病发生率较高的有Down综合征、18三体综合征、13三体综合征和5p一综合征。患者一般均有较严重或明显的先天性多发畸形、智力和生长发育落后，常伴特殊肤纹，性染色体病常见的有Klinefelter综合征和Turner综合征，性发育异常是这类疾病的典型特征。染色体易位或倒位携带者，表型正常但带有朵色体结构异常，在减数分裂时会产生异常配子，导致产生朵色体异常后代或流产。 1.为什么母亲年龄超过35岁生育朵色体病患儿的风险会显著增加？ 2. Down综合征患者为何易患先天性心脏病？ 3平衡易位携带者与正常人婚配生育正常子女的概率是多少？（刘雯） 第十四章遗传性免疫缺陷 免疫反应是机体对抗原物质进行识别和应答的过程。抗原物质既包括来自体外的病原或非病原生物分子，也包括机体自身的突变、损伤以及老化产生的异常分子；机体出于维持自身稳态的需要，对抗原的应答既可能是清除，也可能是耐受。免疫遗传学(immunogeneti cs)就是研究免疫反应的遗传基础的科学。由千免疫系统在自身稳态和对外来抗原进行反应中的作用，免疫系统的异常就不仅表现为免疫缺陷和过敏等免疫系统疾病，而且广泛参与恶性肿瘤、组织退行性疾病、代谢病等疾病的发生和进展。近年来，由于基因组学的飞速发展，免疫遗传学也进入了基因组时代并迅速取得重要成就。相关成果可浏览免疫基因组计划(Immunological Genome Project)网站(m吓．immgen. org)提供的数据。 免疫系统可分为固有免疫系统和获得性免疫系统。其对抗原的识别由各自的免疫识别受体及其下游信号转导途径完成。固有免疫是一类非特异性免疫。固有免疫系统包括组织屏障，固有免疫分子如补体、细胞因子、酶类物质等，以及固有免疫细胞如吞噬细胞、杀伤细胞、树突状细胞等，能对各种入侵的病原微生物和其他抗原进行快速反应，同时启动并调节特异性免疫。获得性或适应性免疫应答是针对特定抗原表位发生的免疫应答，由T淋巴细胞和B淋巴细胞完成，其抗原识别主要依赖两类受体蛋白：T细胞受体和B细胞受体。这两种细胞表面分子的共同特点是其多样性，可以识别多种多样的抗原分子。 免疫缺陷是指免疫系统的一个或多个要素的缺损或低下引起的免疫功能不全，可以是先天的遗传性免疫系统发育不全，又称为原发性免疫缺陷(primary immunodefici e ncy)；也可以由后天因素引起的免疫系统损伤造成，称为获得性免疫缺陷(acquired immunodeficiency)。适应性免疫缺陷是T细胞或B细胞的异常，而固有免疫缺陷指补体、吞噬细胞等固有免疫成分的缺陷。免疫缺陷造成患者对感染的易感性大幅增加，常见于婴幼儿，以反复、慢性和难以控制的感染为主要特征。其感染可大致分为两类：免疫球蛋白、补体蛋白、吞噬细胞缺陷对流感杆菌、肺炎球菌、金黄色葡萄球菌等带有荚膜的细菌易发生反复感染，常常为化脓性感染；另一方面，细胞免疫缺陷或T细胞缺陷患者则对环境中广泛存在的、正常人可以抵抗的微生物缺乏抵抗而常常发生致死性感染，被称为共生菌感染，如真菌、疤疹病毒感染等。 遗传性免疫缺陷的共同临床表现是患儿高发各种病原体感染且难以治愈。易感病原体的种类随着免疫缺陷的种类而有不同，但往往反复发作，是造成患儿死亡的主要原因。由于免疫系统作用的广谱性和免疫细胞之间的协同性，先天性免疫缺陷往往累及多器官、多系统，出现复杂的临床表现，包括肿瘤高发等。在治疗上，除了抗感染等对症治疗外，针对不同的免疫缺陷，还可采用胸腺移植、骨髓移植和造血干细胞移植等措施。而基因治疗可能是先天性免疫缺陷病的根本治疗方法。 第一节T细胞免疫缺陷 T淋巴细胞是关键的免疫细胞群，分为CD4阳性辅助性T细胞、CD8阳性杀伤性T细胞等亚群，在固有免疫和适应性免疫中都发挥十分重要的调控作用。T细胞在胸腺中发育。其发育过程一方面受到多种细胞因子如IL-7及其相应信号转导分子的调控，另一方面还要受到T细胞抗原受体形成的调控。而T细胞抗原受体的形成需要进行精密的位点特异性DNA重组－T细胞受体基因重排。无论是细胞因子及其信号转导通路，还是T细胞受体基因重排，都涉及大量的关键调控分子。这些分子的基因突变可引起T细胞发育异常，导致适应性免疫和固有免疫的异常。T细胞缺陷或功能低下患者固有免疫系统异常，使之易发共生菌感染；而由于人的B细胞功能明显依赖千T细胞，所以T细胞缺陷也伴有B细胞功能障碍。 一、先天性胸腺发育不全 先天性胸腺发育不全又称为DiGeorge综合征(Di George syndrome, DGS)(OMIM#l88400)或第3、4咽衰综合征。染色体22ql1.2缺失是常见原因，涉及TBXJ(T扛box transcription factor1)和DGCR8(Di一George syndrome critical region gene8)基因(OMIM*609030)等，可以表现为常染色体显性或隐性遗传的特征。人的胸腺上皮在胚胎6周末从第3、4咽粪发育而来。然后来自内胚层的淋巴祖细胞植入，并在胸腺微环境的作用下分化发育成为成熟的T细胞，迁出胸腺参与免疫应答。第3、4咽艇的先天性发育缺陷导致DiGeorge综合征，其胸腺不发育或发育不全造成的T细胞功能缺陷。T细胞缺陷的程度随胸腺发育缺陷的程度而变化。相应的免疫缺陷的程度，可从胸腺轻微缺陷伴T细胞功能自发的正常化，到胸腺缺如T细胞功能严重缺陷以致影响B细胞功能。由于甲状旁腺也是由第3、4咽袭弓发育而来，因此该病患者常常伴有甲状旁腺发育不良，有时还伴有主动脉弓和心脏的先天性缺陷。 该病的临床特点表现为新生儿手足抽擂，患儿具有特殊面容：眼距加宽，耳郭低位，鼻唇沟缩短，下颌过小，五官间距离过短。尽管免疫球蛋白水平通常正常，但病毒或真菌感染非常常见。反复发生念珠菌及其他真菌感染、严重的病毒感染，但细菌感染并不严重。伴有心脏和大动脉畸形、甲状旁腺缺陷等异常。低钙血症引起的新生儿手足抽擂通常是本病的首发表现。主动脉弓和心脏的缺陷是常见的死亡原因。辅助检查可见患儿血清免疫球蛋白水平正常和抗体反应能力基本正常或略低于正常。细胞免疫功能相当差，外周血淋巴细胞数目低下，主要是T细胞数量显著减少，T细胞功能试验常常显示“无反应”。 当新生儿出现不易纠正的低钙血症时，应仔细检查面容和心脏，若有异常，特别是X线检查不见胸腺影，则支持本病的诊断。对于低钙血症轻微的病例，往往是在发现先天性心脏病或右位主动脉弓后再疑及该症。临床可采用胸腺移植治疗或胸腺激素治疗。 二、重症联合免疫缺陷 重症联合免疫缺陷(severe combined immunodeficiency, SCID)(OM IM#300400)是T细胞和B细胞均缺乏或功能缺陷所导致的一类疾病。临床表现多样。一般该病患儿出生后6个月即出现病症，由于体液免疫和细胞免疫几乎完全缺乏，患儿表现出发育障碍，出生早期即反复易患严重感染，特别是皮肤和黏膜的念珠菌病以及病毒、真菌、条件致病菌和肺痰虫感染，胃肠道的Lota病毒和细菌感染引起腹泻，多种原虫感染引起的肺炎，口腔和皮肤出现白色念珠菌等共生菌增殖。脊髓灰质炎或结核(BCG)的活菌预防接种时，本来的减毒株微生物会造成进行性感染，引起患者死亡。患儿血中淋巴细胞极低（少于3000/mm勹，淋巴组织中也缺乏或缺少淋巴细胞，胸腺没有发育为淋巴组织。该类疾病的发病率为1/50万～1/10万，95％为男孩，是最严重的遗传性细胞免疫缺陷，患儿多天折。SCID的最佳治疗方法是完全相合的骨髓移植，通常是健康的兄弟姊妹来源的骨髓，但由于70％的兄弟姐妹间的组织相容性不相合，也可采用半相合的父母来源的骨髓。成功进行骨髓移植后可形成供体来源的淋巴细胞的嵌合体状态，从而恢复正常。该病的发病机制复杂多样。按照发病机制的不同，重症联合免疫缺陷病可分为4种。 (-)X连锁隐性遗传SCID 最常见的一种SCID。SCID中50％以上的患者由X连锁的基因异常造成。该基因编码IL-2受体的丫链，该丫链同时也是IL-4、IL-7、IL-9、IL-15受体的组成部分。其中IL-7和IL-7R的作用对于T细胞发育至关重要。该突变使得淋巴祖细胞增殖和成熟必需的多个信号途径受阻，引起T细胞和NK细胞早期分化无法正常进行。丫链的编码基因位于X染色体上，是多种细胞因子和白细胞介素受体信号转导的主要成分。由于上述受体在T、B细胞和NK细胞增殖分化过程中的重要作用，因此它们的受体变化必然引起体液免疫和细胞免疫的严重异常。目前已知X连锁SCID的突变包括点突变、缺失插入、移码突变、剪接缺陷等。由于突变的部位不同，或丫链功能丧失，或仅仅减弱，导致严重程度不等的临床表现。 （二）常染色体隐性遗传SCID 腺昔脱氨酶(ADA)缺陷症(adenosine deaminase deficiency)(OMIM#l02700)也很常见，占SCID病例的20%。ADA是一种噤呤降解酶，使腺旮脱去氨基产生肌背。ADA缺乏可导致体内脱氧腺昔水平升高，脱氧腺昔逐渐磷酸化形成三磷酸脱氧腺背。细胞内大量脱氧腺甘及其代谢产物的蓄积，对细胞具有毒性，干扰DNA合成中所必需的核糖核酸还原酶的作用。ADA存在于所有组织细胞内，但是ADA缺陷引起明显病理改变的仅涉及少数组织，主要是淋巴细胞，此外，还有骨生长停滞和神经功能损害、肾脏、肾上腺损害等，这可能是不同组织对毒性代谢产物易感性不同所致。由于ADA的缺乏，使T、B细胞发育不全和产生功能障碍，导致严重细胞、体液免疫缺陷。ADA基因定位千20q13,cDNA长1533bp，编码362个氨基酸。大多数ADA突变是无义突变。其他的常染色体隐性遗传的SCID还有由嗦呤核昔酸磷酸酶(purine nucleoside phosphorylase, PNP)的基因(OMIM*164050)缺陷造成。编码PNP的基因位于14ql3，由6个外显子组成。这些嗦呤分解酶的缺陷造成淋巴祖细胞中毒性的dATP和dGTP的蓄积，抑制核旮酸还原酶的活性，阻断DNA合成和细胞增殖。虽然ADA和PNP在所有的哺乳类细胞中都存在，但在其他细胞中含有核昔酸酶，可以防止dAMP和dGMP的蓄积，代偿ADA和PNP的缺陷，所以这些基因缺陷只影响到淋巴祖细胞。患者临床表现为易感染，外周血淋巴细胞数严重的减少和低免疫球蛋白血症。细胞ADA活性低，dATP水平升高。ADA水平降低可明确SCID诊断。治疗上除一般的合理使用抗生素、定期注射免疫球蛋白外，还可肌内注射结合聚乙二醇的牛ADA。骨髓移植为治疗该病的有效方法之一，但受到骨髓配型的制约。此外，还可考虑基因治疗。事实上，ADA缺陷造成的SCID是人类第一种应用体细胞基因治疗技术进行治疗的疾病。 （三）MHC缺陷造成的SCID 包括MHC I类、II类分子表达缺陷。MHC I类分子表达缺陷是由于TAP](transporter, ATPbinding cassette, MHC,1)基因(OMIM*170260)或TAP2(transporter, ATP-binding cassette, MHC,2)基因(OMIM*170261)突变引起。TAPl和TAP2蛋白是转运用于装配MHC I类分子多肤的蛋白分子，其缺陷可造成患儿CD8+T淋巴细胞和NK细胞缺乏。MHC II类分子缺陷病则造成辅助T细胞缺陷。患者的抗原提呈细胞（巨噬细胞、B细胞）上不表达MHC II类分子，造成患儿的反复感染，尤其是胃肠道感染。由于CD4+T细胞的发育依赖于胸腺中的MHC II类分子，所以患者有CD4+T细胞缺陷。辅助T细胞的缺陷进而可引起抗体产生的缺陷。因此这种患者一方面缺乏CD矿细胞，另一方面虽然B细胞数正常但血中无丫球蛋白。MHC II类分子缺陷的发病机制复杂，其致病基因为与MHC II类分子基因5端结合的转录因子MHC II TA(MHC, class II transactivator)(OMIM*600005)基因。呈常染色体隐性遗传。 （四）其他类型的SCID SCID患者也可由于淋巴细胞活化缺陷引起，包括CD3+T细胞受体缺陷、细胞因子（如IL2)产生缺陷或信号转导缺陷（如ZAP-70缺陷、Jak-3基因突变）。另外，IL7受体a链基因突变也可引起常染色体隐性遗传SCID。 三、遗传性血管扩张性共济失调症 遗传性血管扩张性共济失调症(ataxia telangiectasia, AT)(OMIM#208900)除了进行性小脑共济失调、毛细血管扩张、高发肿瘤外，还因为T细胞受体和Ig基因位点的染色体断裂，造成淋巴细胞发育障碍，表现为免疫缺陷。AT为常染色体隐性遗传患儿生后18个月出现摇摆步态，6岁前出现眼和皮肤的毛细血管扩张。AT伴有各种各样的T细胞缺陷，70％的AT患者有IgA缺陷，有些患者还有IgG2、IgG4缺陷。血中T细胞数和T细胞功能都大幅下降，细胞免疫功能低下，重症患者有鼻窦和肺部感染。核型分析可见染色体断裂，尤其是TCR所在的7号染色体和Ig重链所在的14号染色体的断裂多见。对辐射敏感。其致病基因是负责DNA损伤修复反应的ATM(ataxia telangiectasia mutated gene)基因(OMIM*607585)。 四、Wiskott-Aldrich综合征 Wiskott-Aldrich综合征(Wiskott-Aldrich syndrome, WAS)(OMIM#301000)有T细胞缺陷和血浆免疫球蛋白水平的异常。致病基因为WASP(OMIM*300392)，属于X连锁的免疫缺陷。男性患者血小板变小，数量下降。皮肤呈湿疹样改变，多发生于头、面及肢体曲侧，类似特应性皮炎或脂溢性皮炎黑便、反复性感染、肝脾大。10％的患者合并有恶性淋巴瘤。实验室检查血小板减少，血清IgA和IgE增加而IgG正常、IgM降低。T细胞功能异常，细胞免疫功能进行性低下。电镜下T细胞结构异常，细胞骨架有缺陷，细胞表面绒毛减少，这些可能导致T-B细胞相互作用异常。患儿大多于l0岁前死亡。 第二节B细胞免疫缺陷 B淋巴细胞是高度特化的适应性免疫细胞群。B细胞在骨髓中发育。与T细胞一样，B细胞的发育过程受到来自微环境的细胞因子及其信号转导通路分子的调控，也取决于B细胞抗原受体基因的成功重排。成熟后的B细胞通过血流分布于全身的次级淋巴器官和体腔如腹腔、胸腔等。一些静息态的B淋巴细胞可以产生特异性较低的天然抗体，通常是lgM，如抗血型抗原的抗体。在抗原刺激后在T细胞的辅助下，B细胞在外周淋巴器官的生发中心进行增殖，其抗体基因进行进一步的突变（体细胞超突变）和重排（类别转换），形成大量的、能够表达高亲和性lgG抗体的B细胞。常见的B细胞免疫缺陷患者有反复化脓性感染如肺炎、中耳炎、鼻窦炎等。由千治疗困难，反复的肺部感染造成气道弹性破坏，最终可合并重症阻塞性肺炎。 一、X连锁无丙种球蛋白血症 X连锁无丙种球蛋白血症(X-linked agammaglobulinem团，X-LA)(OMIM#300755)又称先天性无丙种球蛋白血症或Bruton综合征，是代表性的B细胞缺陷病。患病男子血中和淋巴组织中没有或仅有极少数B细胞，淋巴结很小，扁桃腺缺失。通常血液中检测不到lgA、lgM、lgD、IgE，而lgG含量极低（低千lOOmg/dl)。生后6~12个月可以依靠通过胎盘来自母亲的lgG防止感染，过了这一时期后血中IgG水平下降，出现反复的化脓性感染。静脉注射大最丙种球蛋白可维持患者的健康生活。X-L4.基因位千X染色体长臂，该区域存在众多的与免疫缺陷相关的基因。确定这些基因对于产前诊断具有重要意义。致病基因是BTK，其产物属Btk/Tec家族酪氨酸激酶，定位千胞质。X-LA患者骨髓中存在Pre-B, Btk的缺陷阻碍了B细胞的进一步发育。 二、lgA缺陷及lgG亚型缺陷 lgA缺陷(lgA deficiency)及lgG亚型缺陷(IgG subclass deficiency)是最常见的免疫缺陷，在欧美人中患病率约1/700。患者存在B细胞终末分化异常，易发生免疫复合物病（皿型过敏反应）。IgA缺陷患者约20％同时患有lgG2、IgG4缺陷，容易发生化脓性感染，这是因为入针对化脓性细菌的荚膜多糖的抗体多为IgG2。IgG3的缺陷也容易发生反复感染，原因不明。 三、lgM增多伴随免疫缺陷lgM增多伴随免疫缺陷(immunodeficiency with hyper-lgM, HIGM)患者不能进行免疫球蛋白恒定f£9'l_il.,区类别转换。由千特殊的免疫缺陷，使得IgG和lgA缺陷而多克隆IgM大量产生（高千200mg/dl)。 第十四章遗传性免疫缺陷175 患者易发化脓性感染，必须静脉注射丙种球蛋白才能治疗。容易产生针对组织抗原、嗜中性粒细胞、血小板等血液成分的IgM自身抗体，出现免疫缺陷合并自身免疫的现象。组织、特别是胃肠道有IgM产生细胞的浸润。HIGM患者不能进行IgM向IgG、IgA、IgE的类别转换。70%的HIGM有X连锁隐性遗传的CD40L突变。此外，本病由千CD40刺激信号的缺陷，巨噬细胞功能也存在异常，易发原虫感染。 四、分类不明的免疫缺陷病 分类不明的免疫缺陷病(common v釭）able immune-deficiency, CVID)存在T细胞向B细胞的信号缺陷。CVID患者在20岁、30岁以后呈现获得性低丙种球蛋白血症，男女都可罹患，反复发作EBV类型的病毒感染。CVID患者易发化脓菌感染、重症痢疾，还对肠道内原虫易感。多数患者(80%)B细胞未成熟或功能缺陷，但B细胞本身正常，而是来自T细胞的信号的缺陷。静脉注射丙种球蛋白可以预防和治疗化脓性感染。许多患者合并自身免疫病，如恶性贫血。致病基因不明，可与某些MHC单倍型连锁，如HLA-B8、HLA-DR3。 五、婴儿期—过性低丙种球蛋白血症 婴儿期一过性低丙种球蛋白血症(transient hypogammaglobulinemia of infancy)有IgG产生延迟。婴儿最初有来自母亲的IgG，半衰期约30天。正常婴儿3个月开始产生自身的IgG，但抗细菌荚膜脂多糖的抗体直到2岁都不能开始。一部分婴儿的IgG产生可延迟到36个月时，在此之前容易发生化脓性感染。其原因也是来自CD4+T细胞的辅助信号异常。 第三节吞噬细胞缺陷 吞噬细胞包括多形核白细胞和单核－巨噬细胞系细胞，对于化脓性感染和其他的细胞内寄生微生物的宿主防御发挥重要作用。这些固有免疫细胞识别抗原的主要受体分子是模式识别受体(pattern recogn山on receptor, PRR)，可识别病原体表达的病原相关分子模式(pathogen-associa ted molecular pattern,PAMP)，也可以识别机体细胞损伤、老化等状态下产生的危险相关分子模式(danger-a ssociated molecular pattern, DAMP)。模式识别受体在进化上高度保守。作为识别抗原的受体，模式识别受体由有限数量的胚系基因编码，呈组成性地表达。Toll样受体(Toll-like receptors, TLR)是最重要的一类模式识别受体，在人类中已发现11个家族成员，其基因分别定位千4号染色体(TLRl、2、3、6、10)、9号染色体(TLR4)、1号染色体(TLR5)、3号染色体(TLR9)和X染色体(TLR7、8)。Nod样受体(Nod-like receptor, NLR)家族是另一个模式识别受体家族分子，定位于细胞质，参与细胞内PAMP和DAMP的识别。人类有23个NLR基因，可以分为两组。一组包括NOD1和NOD2，是感知革兰阳性和革兰阴性细菌细胞壁成分的关键受体，并激活转录因子NF-KB,MAPK、IRF，诱导促炎因子、抗菌肤、1型干扰素的产生。第二组包括NLRP3、NLR C4、NA LPl、NLRP6以及NAIPs等，介导炎性小体蛋白复合物的装配，激活procaspase-1，导致IL-1家族细胞因子的成熟，激发抗感染反应。同时诱导细胞发生焦亡(pyropto s i s)，限制细胞内细菌如鼠伤寒沙门菌的生长。 吞噬发育或者功能相关分子缺陷或多态性可对机体的抗感染免疫应答和自身稳态产生重要影响。多形核白细胞的严重减少（中性粒细胞减少症）容易发生重症细菌感染。慢性肉芽肿症和白细胞黏附缺陷症也是吞噬细胞基因异常造成，容易发生重症感染，常常临床致死。此外，已经发现两种TLR信号完全缺陷造成的原发性免疫缺陷病。TLR3-Unc93b-TRAF3缺陷造成对单疤病毒的高敏感性。MyD88-IRAK4缺陷造成TLR和IL-1受体剌激后细胞应答降低，炎性因子产生减少，加剧后续的细菌侵入和生长造成多种严重的细菌感染如肺炎双球菌和金黄色葡萄球菌引起的脑膜炎、败血症和关节炎等。已经在反复化脓性感染患者中发现TLR下游信号分子IRAK4和MyD88基因的多种突变，｀吨i}包括插入突变、缺失突变、错义突变、无义突变以及剪切位点突变。除了上述突变外，TLR家族基因还存在众多的单核昔酸多态性(SNP)，造成氨基酸水平的大量变异。全基因组关联研究(GWAS)已经将其中一些变异与对微生物感染的易感性相关联。例如，TLR4基因(OMIM*603030)的有些单体型与败血症高风险有关，而且对LPS的应答有缺陷。TLR2和TLR4信号通路的接头分子Mal的SNP（引起碱基替换C558T和飞l-80L)与抵抗结核菌感染相关。Sl80L型的Mal还与症疾、肺炎双球菌感染、菌血症和败血症等疾病相关。 一、慢性肉芽肿病 慢性肉芽肿病(chroni c granulomatous disease, CGD)(OMIM#306400)患者有NADPH氧化酶缺陷，因此不能将02还原生成．02一。这样，患者的吞噬细胞在吞噬微生物后，由千不能产生超氧自由基和过氧化氢，因此不能杀灭吞噬的细菌或真菌，尤其是可以产生过氧化氢酶的细菌。因此CGD患者的吞噬细胞中有细菌生存。这种持续存在的细胞内微生物可以诱导针对细菌抗原的细胞免疫应答，形成肉芽肿。CGD患儿常发生肺炎、淋巴结感染（淋巴结炎）、皮肤和肝脏等脏器的脓肿。CGD的诊断依靠激活的吞噬细胞不能还原硝基四氮嗤蓝(NBT)色素的现象。NBT为淡黄色透明的色素，吞噬细胞在吞噬颗粒的同时可吞噬NBT,NADPH氧化的结果使NBT接受H而还原，吞噬细胞内呈现深紫色的沉淀物。CGD患者的吞噬细胞不能形成这种沉淀物。NADPH氧化酶反应十分复杂。酶复合体含有众多亚基。静止期吞噬细胞的膜含有吞噬细胞特异的细胞色素(Cytb558)，这一细胞色素由位于X染色体短臂的基因编码91kD分子和位千16号染色体的基因编码的22kD蛋白组成。吞噬作用开始后，胞质中的数个蛋白被磷酸化后向膜移位，与Cytb558结合，形成的复合体作为催化NADPH氧化的酶，并催化氧自由基形成，CGD最常见的突变是X连锁的Cytb558的9lkD蛋白缺陷。其他的三种突变还包括常染色体上Cytb558的22kD蛋白缺陷、p47phox(phox，吞噬细胞氧化酶）缺陷和p67phox缺陷。 二、白细胞黏附缺陷白细胞黏附缺陷(leukocyte adhesion deficiency, LAD)(OMIM#116920)为整合素基因缺陷造成。调理素化的微生物上的C3b)与吞噬细胞膜上的受体结合是吞噬细胞进行吞噬的必要步骤。在LAD患者中，这－C3bi的受体(CR3，即整合素）缺陷，使得患者容易发生重症细菌感染，尤其是口腔和胃肠道感染。CR3为165kD的a链(CDllb)和95kD的B链(CD18)组成。LAD由21号染色体上的基因编码的B链的缺陷引起。还有两种整合素蛋白公用相同的链，即LFA-1（淋巴细胞功能相关抗原l)和plS0/95。两者分别有各自的a链(CDl la和CDllc),LAD中也发生缺陷。LFA-1为重要的细胞黏附分子，与血管内皮细胞及其他细胞上的ICAM-1相结合。LFA-1的缺陷使LAD患者的吞噬细胞不能与血管内皮细胞黏附，从而不能经血管向感染部位游走，因此感染部位不易化脓而使侵入的细菌很快播散。 第四节补体蛋白免疫缺陷 补体系统由众多蛋白构成，在天然免疫中发挥重要作用。人类几乎所有的补体系统组分都存在缺陷。 一、补体缺陷补体缺陷造成免疫复合物的除去、炎症、吞噬作用和溶菌的障碍。古典补体成分Clq、Clr、Cls、C4、C2缺损患者易发全身性狼疮样免疫复合物病。这与古典补体通路的基本功能免疫复合物的解离有关。C3、H因子、I因子的缺陷易发化脓性感染，这是因为C3具有促进化脓性细菌调理素化的重要功能。古典途径的后半部分的C5、C6、C7、C8以及替代途径的组分D因子、备解素的缺陷造成对淋球菌和脑膜炎球菌易感，因为这些细菌的溶菌需要替代途径和高分子膜侵袭复合体的作用。 二、遗传性血管神经性水肿 遗传性血管神经性水肿(hereditary angioneuroti c edema, HAE)包括I型、II型和III型。I型、II型都是Cl抑制因子缺陷所造成，是临床上最重要的补体缺陷病。该分子与Clr2C1s2结合，解离活化的Cl，其缺陷造成HAE。该疾病为常染色体显性遗传，患者体内不同部位出现反复发作的肿胀（血管性水肿）。当出现在肠道时，引起剧烈腹痛和呕吐；发生在上呼吸道时可引起气道闭塞甚至窒息，需要迅速采取措施保持呼吸通畅。此外，Cl抑制因子的作用不仅限于补体古典通路的抑制，还与激肤(kinin)、血纤维蛋白溶酶(plasmin)等凝血相关因子有关。水肿的原因是对补体和接触凝血系统的抑制不足，使得C2活化产生的C2激肤与接触凝血反应产生的缓激肤(bradykinin)增多引起。这两种多肤可作用千毛细血管微静脉，引起血管内皮细胞收缩，血浆外渗。HAE有两种遗传学类型。I型是Cl抑制因子基因(OMIM*606860)缺陷而无转录物产生，Il型是Cl抑制因子基因点突变形成缺陷蛋白。值得注意的是Il型会形成突变蛋白，因此不能单纯依靠Cl抑制因子的定量来诊断，而需要同时测定C4的含量，因为不能抑制Cl活化会造成C4耗竭，引起血浆中C4含量下降。Cl抑制因子缺陷也可以是后天性的。有些临床患者存在针对Cl抑制因子的自身抗体。还有些慢性淋巴细胞白血病、多发性骨髓瘤、B细胞淋巴瘤患者会产生单个B细胞克隆的大量增殖，引起抗lg独特型抗体的大量产生。由千不明的原因，独特型－抗独特型反应造成C3沉积和负责清除补体复合物的C3转换酶形成减少，引起Cl、C4、C2以及Cl抑制因子的耗竭。 先天性或原发性免疫缺陷病是先天性的免疫系统发育异常或功能异常引起的疾病。正常的免疫系统通过多种细胞亚群的协同作用完成免疫识别和免疫应答，实现抵抗感染、自身稳态和免疫监视的功能。基因组编码的大量分子参与免疫系统的发育和免疫反应。这些分子的突变一方面造成免疫细胞的发育障碍，引起患者抗感染免疫缺陷而容易发生反复的重症感染，或者自身稳态功能的缺陷而易发肿瘤。另一方面，免疫识别、免疫效应相关分子的缺陷使得患者的免疫细胞不能针对抗原发挥细胞毒作用、中和作用等免疫应答，同样造成患者易发生反复感染等临床表现。先天性免疫缺陷病的临床诊断依据常常是反复感染的临床表现和相关的实验室梒查，在治疗上难度较大，除对症治疗外，基因治疗有可能成为关键治疗手段。 l.为什么DNA损伤修复相关基因的缺陷往往表现出T细胞免疫的异常？ 2.巨噬细胞对是机体微生物感染的重要固有免疫细胞。为什么巨噬细胞先天缺陷有些对细菌感朵易感、而有些对病毒感染易感？ 3.如何对不同类型的先天性免疫球蛋白缺陷进行鉴别？其依据是什么？（韩弊） z汛岔 第十五章生缺 出生缺陷(birth defect)也称为先天畸形(congenital malformation)，是患儿在出生时即在外形或体内所形成的（非分挽损伤所引起的）可识别的结构或功能缺陷。出生缺陷的发生原因比较复杂，既可由遗传因素引起，也可由环境因素引起，有些则是遗传与环境因素共同作用的结果。出生缺陷一般不包括代谢缺陷在内。 人体形成的过程即为形态发生，涉及非常复杂的细胞生物学机制，尽管对所涉及的机制还知之甚少，但科学界已开始了大址的研究。在许多出生缺陷的发生发展过程中，遗传因素起到了非常重要的作用。有2400种异形综合征(dysmorphic syndrome)是由于单基因缺陷引起的病变，其中至少有500个基因已经被克隆，另有200个基因已经被定位。 第一节出生缺陷的发病率 估计有50％的人类妊娠在＂孕妇“没有“知觉＂的情况丢失了＂胚胎＂。在所“知晓＂的妊娠中15%在12周因自发流产而终止了妊娠；因自发流产而终止妊娠的＂胎儿“80%~85％具有大体形态结构上的异常，这些异常从“胚襄”里完全缺乏胚胎到非常扭曲的身体到某一器官系统的缺失等。三体、单体、三倍体等染色体异常是50％自发流产发生的原因。 —、先天畸形和围产期死亡率 围产期死亡包括妊娠28周后的死产和出生后一周死亡的婴儿。在所有围产期死亡中，25%~30％死于严重的结构畸形，其中80％明确与遗传因素有关。在发展中国家，由于结构畸形引起的围产期死亡相对较低，而环境因素引起的围产期死亡则相对较高。 二、新生儿发病率 已经在全世界范围内开展了新生儿的畸形调查。新生儿的畸形包括严重畸形(major anomaly)和轻度畸形(minor anomaly)。所谓严重畸形是严重影响患者某些功能或社会接收度的畸形，如室间隔缺损等；而轻度畸形往往是指没有医学上或外观上意义的畸形，如杯状耳（属千耳轮软骨发育异常引起，无功能障碍）。但所谓严重畸形和轻度畸形也不是绝对的，如腹股沟症有时不那么严重，有时则会导致肠的绞窄，需要外科手术加以处理。 调查显示，新生儿中有2%~3％在出生时有严重畸形，考虑到某些畸形在出生时没被觉察（如脑的畸形），新生儿严重畸形的真实发生率是5%，轻度畸形的发生率为10%（表15-1、表15-2)。严重畸形的后果取决于出生缺陷的严重程度以及是否采取了治疗措施，一般而言，25％在早期死亡，25％具有严重的智能或身体上的残疾，50％经过治疗后预后良好。 三、儿章死亡率 先天畸形是儿童期死亡的重要原因，在婴儿期25％的死亡原因是严重的结构畸形；1～9岁间下降到20%;10-14岁又下降到7.5%。 第十五章出生缺陷 系统和畸形心血管室间隔缺损(ventricu lar septa!defect)房间隔缺损(atri al septa!defect)动脉导管未闭(pate nt ductus arteriosus)Fallot四联症(tetralogy of F allot)中枢神经系统无脑畸形(ane n cep haly)B茵积水(hydrocephaly)小头畸形(microcephaly)隐性脊柱裂(lumbosacral spina bifida)胃肠道唇／腮裂(cle ft lip/pa late)隔肌先天缺损(di aphragma ti c hernia)食管闭锁(es ophageal atresia)肛门闭锁(imperforate anus)肢体横向截肢(transverse amputation)泌尿生殖系统双侧肾发育不全(bi lateral renal agenesis)多襄肾(polycys ti c kidneys)（婴儿型）膀胱外翻(bladder exstrophy)发病率自发流产前三个月第二个三个月所有儿童出生时出现严重畸形后来出现的严重畸形轻度畸形围产期死亡出生后第一年死亡1~9岁死亡10-14岁死亡第二节出生缺陷的临床特征、出生缺陷的分类.. 根据出生缺陷发病机制、缺陷所涉及的器官及临床表现，常把出生缺陷分为简单畸形和多发性畸形两大类。 （一）简单畸形简单畸形(simple abnormalities)可能是以遗传为基础的，也可能是非遗传性的。一般将简单畸形分为畸形、变形、畸化和发育不良（图15-1)。 1.畸形畸形(malformati on)是某一器官或器官 怀孕出生的某一部分原发性缺失，其基本原因是发育过程中的正常发育□ 遗传缺陷，导致发育过程的阻滞或方向错误。常见的例子包括房间隔缺损、室间隔缺损在内的先天性心脏 畸形病唇裂和（或）腮裂、神经管缺损等。许多仅涉及单个A-－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－修器官的畸形显示呈多基因遗传，是基因和环境因子之畸化间的交互作用的结果。多发性畸形更可能是由于染色勹－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－►体畸变引起。 2.畸化畸化(disruption)是环境因子干扰了正 变形常的发育过程导致器官或组织的异常，有时也称为继发性畸形，环境因子包括缺血(ischemia)、感染(infection)、外伤(trauma)。 3.变形变形(deformati on)是一种因为不正常的图15-1形态发生过程导致出生缺陷的不机械力扭曲牵拉正常的结构所形成的缺陷。例如由于`同机制羊水减少(oligohydramnios)或挛生使宫内拥挤或子宫异常而导致的骸部转位、畸形脚(talipes)。变形常发生于妊娠的后期，因此其器官的基本结构和功能是正常的，可以进行必要的治疗。根据定义，变形是非遗传性的，但遗传因素会成为变形发生的易感因子。 4发育异常发育异常(dysplas ia)是细胞不正常地形成组织。这一异常可出现于机体所有特定的组织中，如有一种骨骼发育异常(thanatophoric dysplasia)是由千成纤维细胞生长因子受体(fibroblast growth factor receptor3, FGFR3)基因突变所致，患者全身骨骼都出现发育异常；相似的另一个例子是外胚层发育异常(ectodermal dysplasia)，异常存在于由外胚层起源的多种组织中，如毛发、牙齿、皮肤、指甲等。大多数发育异常是由单基因缺陷引起的。 （二）多发性畸形 巳有一定认知的多发性畸形有成于上万种，这在临床上属于畸形学(dysmorphology)的范畴，根据关键的异常特征所建立的庞大数据库有助于多发性畸形的临床诊断。尽管如此，还是有许多畸形不能进行诊断，也无法进行预测或再发风险评估。 三产 1序列征序列征(sequ ence)是由单个因素引发的级联反应(cascade)而导致的器官缺陷（图15-2)。如在Potter序列征(Potter sequence)发生中，羊水的慢性渗漏或胎儿尿液排出缺陷使羊水过少(oli gohydramnios)，这导致胎儿压迫(fetal compression)，表现为被压扁的面部特征(squashed facial features)、鹘部转位、畸形脚、肺发育不全(pulmonary芦l二hypoplasia)，新生儿常死千呼吸衰竭。 2综合征虽然综合征(syndrome)一词的使用十分宽泛，但在理论上，综合征是指巳知致病病因，并具有一定的可识别的畸形模式(pattern)。如染色体畸变引起的Down综合征、单基因缺陷引起的van der Woude综合征1(van der.1; Woude syndrome1)(OMIM#l19300)（由编码干扰素调节因图15-2Potter序列征发生序列示意图子6,IRF6基因突变所致）等。 3关联征关联征(associa tion)是几种畸形在发生机制上并不能用上述的序列征、综合征发生的机制来解释，但又非随机地一起发生。关联征的名字通常是首字母缩略词，如VATER关联征(OMIM%192350)是脊椎的(vertebral)、直肠的(anal)、气管食管(tracheoesophageal)、肾脏(renal)畸形的总称。一般认为，关联征的发生与遗传因素没有关系，所以再发风险低。 二、出生缺陷的诊断 由于完全防止畸形的发生几乎是不可能的，故胎儿宫内早期诊断是预防的必要补充。随着医学的发展，越来越多的畸形可以在出生前作出明确诊断，有些畸形还可进行宫内治疗。曾生育过严重畸形儿的孕妇，多次发生自然流产、死胎、死产的孕妇，孕早期服用过致畸药物或有过致畸感染或接触过较多射线，长期处千污染环境及羊水过多或过少的孕妇，均应进行宫内诊断。 产前出生缺陷的诊断方法主要包括：心通过羊膜褒穿刺吸取羊水分析胎儿的代谢状况、胎儿的染色体组成、基因是否有缺陷等；＠通过绒毛膜活检分析胚体细胞的染色体组成；＠在B超的引导下将胎儿镜插入羊膜腔中直接观察胎儿的体表（四肢、五官、手指、脚趾和生殖器官等）是否发生畸形，并可以通过活检钳采集胎儿的皮肤组织和血液等样本做进一步检查；＠B超检查是一种简便易行且安全可靠的宫内诊断方法，可在荧光屏上清楚地看到胎儿的影像，不仅能诊断胎儿外部畸形，还可诊断某些明显的内脏畸形（先天性心脏病、内脏外翻、多媒肾、神经管缺陷、无脑儿、脑积水、水肿儿、葡萄胎等）；＠将水溶性造影剂注入羊膜腔，便可在X线荧屏上观察胎儿的大小和外部畸形，如果将某种脂溶性造影剂注入羊膜腔，使其吸附于胎儿体表，便可在X线下清楚地观察胎儿的外部畸形；＠跻带穿刺是在B超引导下千孕中期、孕晚期(17~32周）经母腹抽取胎儿静脉血用千染色体或血液学各种检查，亦可作为因羊水细胞培养失败，或在错过绒毛和羊水取样时机的补充（详见第十八章及有关章节）。 第三节常见的出生缺陷—、神经管缺陷 在胚胎发育的第4周，中枢神经系统形成一个与表面外胚层脱离的、关闭的位于胚体背部中轴线上的神经管，神经管的头部发育增大形成脑，其余部分仍保持管状，形成脊髓。如果由于某种原因神经沟未能关闭，神经组织就依然露在外面，这样的缺损可长达胚胎身体的全长，也可以只局限于一小区域，通常称为开放性神经管缺陷。如果局限于脊髓的部分，这种异常通常称为脊髓裂，而头端部分的未关闭则叫无脑儿。脊髓裂必然合并脊柱裂。无脑儿和各种类型的脊柱裂是常见的神经管缺陷畸形（图15-3)，其他为裸脑、脑膨出、脑积水等。 神经管缺陷的病因比较复杂。有遗传因素（多基因遗传）和环境因素（叶酸缺乏、高热、酒精及药物致畸等）以及这些因素共同干扰神经管的闭合。此病常造成死胎、死产和瘫痪。 （一）沓柱裂 脊柱裂(spin a bifid a)包括许多缺陷。从字面上解释，它表示一个分裂的脊柱，其最简单的形式是脊椎的背部没有互相合并。这样的异常往往位千腰低部，外面有皮肤覆盖着，并且除了在患部的表面有一小簇毛外，常不引起注意，称为隐性脊柱裂(spi n a bifida occulta)。在这种情况下，脊髓和脊神经通常是正常的，没有神经症状。 如果缺陷涉及一两个脊椎，则脊膜就从这个孔突出，在表面就能看到一个用皮肤包着的载，称为脊膜突出；有时这个弱很大，不但包含着脊膜，而且还包含着脊髓及其神经，这种异常称为脊髓脊膜突；另一种脊柱裂是由神经沟没有关闭而形成的，神经组织就很广泛地露在表面，称为脊髓突出或脊髓裂(myelocele)。偶尔，这种神经组织呈现有过度的生长，而过多的组织通常在出生前不久或在出生后不久即坏死。＼（）n:q岔}脊简脊膜膨出伴不完全上皮形成粪袋脊髓脊膜突出通常合并着延髓和一部分小脑向尾端移位到椎管。上位的颈神经根往往从其椎间孔的水平向着尾端固定在祗部的脊髓下降。由于枕骨大孔被延髓或小脑所阻塞，故脊髓脊膜突出往往合并脑积水。这些异常的合并发生就叫作Arnold-Chiari畸形(Arnold-Chiari malformation)。 （二）无脑儿 无脑儿(anencephaly)的特点是神经管的头部没有合拢，并且在出生时脑是一块露在外面的变性组织。这种缺损几乎总是通连到一个颈部开放的脊髓。没有颅盖，因而使头部具有特别的外观：眼向前突出，没有颈部，脸面和胸部的表面处在一个平面上。由于这种胎儿缺少吞咽的控制机构，故妊娠最后两个月的特点就是羊水过多(hydramnios)。在用X线检查胎儿时，这种异常能很容易被认出，因为没有颅盖。无脑儿是一种常见的异常(1:1000)，并且女性比男性多4倍。在白人中也比在黑人中神经管闭合缺陷正常23天胚胎的背侧观察多4倍。 （三）神经管缺陷的产前诊断 对曾有过神经管缺陷生育史的孕妇、夫妇双方或一方有阳性家族史、常规产前检查有阳性发现者都应该考虑实施产前诊断。 检查内容包括：CD在孕16-18周，抽取孕妇静脉血检测其血清甲胎蛋白(AFP)，当受试者血清AFP值高于标准值时，则可视为阳性；＠孕l4~18周即可作超声波检查，一般可明确诊断；＠当孕母血清AFP测定结果两次阳性，而B超检查不能明确诊断时应做穿刺检查，穿刺时间最佳为孕l6~20周，将穿刺所取羊水进行AFP和乙酰胆碱酷酶检测；＠于孕20周后进行X线检查，可作为神经管缺陷的补充诊断；＠其他实验室检查可辅助神经管缺陷的诊断。 二、先天性心脏病 先天性心脏病(congenital heart disease, CHD)是胎儿时期心脏血管发育异常而致的畸形疾病，儿童期最常见的心脏病。近年来，心血管外科进展迅速，绝大多数先天性心脏病大血管畸形均能得到矫治，成功率逐步提高。 过去估计先天性心脏病发生率为0.3％左右，近年随着诊断水平提高，据新近几个大系列的调查统计，存活新生儿中先天性心脏病发生率在0.70%-1.17％之间，平均为0.8%。国内报道0.3%~1%。先天性心脏病合并其他系统疾病依次为：肌肉系统(8.8%），中枢神经系统(8.5%），泌尿系统(5.3%）和消化系统(4.2%）。由于在发生学上心脏和血液同源于中胚层血岛，故不少血液病（地中海贫血、凝血系统疾患等）均可伴有先天性心脏病。其病因是遗传－环境相互作用的结果。 从遗传学的角度看，先天性心脏病的病因包括三大类：心多基因遗传所致的先天性心脏病，此类患者以心血管畸形为唯一的临床异常；＠染色体畸变所致先天性心脏病；＠单基因遗传的先天性心脏病。在后两类病变中，先天性心脏病患者多伴有心外其他系统的畸形或病损，常为其多系统损害的一个组成部分，仅极少数单基因遗传病以先天性心脏病为唯一病损。据Pexieder(1981)的统计，由遗传因素决定或与遗传有关的先天性心脏病占本病总数的95%～98%。而单纯由环境因素引起的先天性心脏病仅占2%～5%。房间隔缺损、室间隔缺损、法洛四联症等为先天性心脏病常见类型。 （一）房间隔缺损 房间隔缺损(atrial septa!defect, ASD)简称房缺，是原始心房间隔在发生上吸收和融合时出现异常，左右心房之间仍残留未闭的房间孔。房缺可单独存在，也可与其他心血管畸形合并存在。房缺约占先天性心脏病的15%，发生率为0.7%-0.9%。约84％的病例为单独出现。按缺损部位可分为六类：CD中央型房缺也称为卵圆孔型、Il孔型房缺，为最常见的类型，位于房间隔中心，此型占76%;＠上腔型房缺也称为静脉窦型，位于房间隔后上方，缺损与上腔静脉入口没有明确的界限，常合并右上肺静脉畸形引流，此型占3.5%；＠下腔型房缺位于房间隔后下方，没有完整的房间隔边缘，左心房后壁构成缺损的后缘，此型占12%；＠原发孔房缺又称I孔型房缺，常为心内膜垫缺损的一部分，呈半月形，常伴二尖瓣和（或）三尖瓣裂，形成二尖瓣和（或）三尖瓣关闭不全，此型也称为部分型房室管畸形；＠冠状窦型房缺是由千胚胎时冠状窦与左房分隔不全或全无分隔，使左心房的血能经冠状窦入右心房，此型常伴有左上腔静脉存在；＠混合型房缺有两种以上缺损同时存在。房缺伴先天性或后天性二尖瓣狭窄者称为Lutembacher综合征。 典型病例只需经过心脏听诊、心电图和超声心动图无创检查就能明确诊断，无需进行右心导管或心脏造影检查，但当合并肺动脉高压时应作右心导管检查测定肺动脉压力，估计手术危险性和预后。本病主要的治疗方法是手术修补。 （二）室间隔缺损 室间隔缺损(ventricular septa!defect, VSD)简称为室缺，是常见的先天性心脏病。群体发生率1.2%o-3.1%0，占先天性心脏病的25%～44%。女性患病率稍高，但男女性别间无显著差异。室间隔汀0i}在胚胎期发育不全，形成异常血流交通，在心室水平产生左向右的血流分流，它通常是单独存在，但也可是某种复杂心脏畸形的组成部分。本病也是合并其他系统出生缺陷最多的一种先天性心脏病，24%-50％的室缺伴心外畸形，包括骨骼畸形(15%）、先天愚型(15%）、肾畸形(8%）、唇或腮裂(8%）等。根据胚胎发育情况可将室缺分为膜部缺损，漏斗部缺损和肌部缺损三大类型，其中膜部型最多见，而肌部型最少见，从临床实用角度，各型又可分出若千亚型。缺损大小可从筛孔状到整个室间癌缺如。一般缺损直径多在10mm左右，大者可达20mm。室缺与邻近组织的关系最主要是与传导组织的解剖关系，希氏束（又称房室束）与膜部缺损的后下角关系密切，它总是隐行千肌肉之中，而缺损边缘的纤维环中无传导组织。 根据病史、体征和心电图检查，再结合超声心动图、心导管检查和心血管造影，可明确诊断。外科手术修补是本病的主要治疗方法。（三）法洛四联症法洛四联症(tetralogy of Fallot)(OMIM#l87500)也称发组四联症，是一种常见的先天性心脏病，占12%-14%，在发组型心脏畸形中占首位，为50%-90%，人群发病率为0.3%o-1%0，其病理基础是一种属于大血管圆锥动脉干转位的发育畸形，主要缺陷包括肺动脉狭窄、室间隔缺损，升主动脉骑跨及右心室肥厚。根据临床表现，心电图、X线检查、超声心动图，右心导管检查和右室造影可明确诊断。 第四节出生缺陷的发病机制、出生缺陷的发生因素（一）遗传因素与出生缺陷许多先天畸形的原因已经明确，但还有多达50％的先天畸形尚不清楚其原因（表15-3)。遗传因素引起的出生缺陷包括染色体畸变及基因突变（表15-4)。 原因%原因%遗传因素30~40环境因素5~10染色体6药物和化学制剂2单基因7.5感染2多基因20-30母亲疾病2物理因素不明原因50总计100中枢神经系统肌汀禾只水(hydrocepha lu s)XR巨脑畸形综合征(megalencephaly)AD小头畸形(microcephaly)AD/AR视觉系统无虹膜(aniridia)AD白内障(cataract)AD.I.AR小眼畸形(microphthalmia)AD/AR多指／趾畸形(po lyd acty l y)ADEEC综合征AD外胚层发育异常、缺指、唇／腮裂Meckel-Gruber综合征AR脑膨出、多指、多耍肾Roberts综合征AR唇／腮裂、海豹肢畸形Van der W oude综合征AD唇／膊裂、先天性唇凹注：EEC综合征(ectrodaclyly-ec lodermal dysplasia-cleftingsyndrome)1.染色体畸变染色体畸变是6％可识别先天畸形的原因。一般而言，常染色体任何可被检测到的不平衡，如重复、缺失、三体、单体等都将引起严重的结构和发育上的畸形，导致妊娠早期的流产；常见的染色体畸变引起的疾病如Down综合征、Turner综合征、Klinefelter综合征、5p一综合征等。遗传不平衡是导致这类畸形发生的原因。 2.单基因缺陷所有先天畸形中7%~8％是由千单基因突变引起的，部分病例仅涉及单器官的畸形，但也可以引起涉及多系统、多器官的多发性畸形，确定单基因缺陷与先天缺陷的关系，不仅有助于了解畸形发生的机制，对于正确的遗传咨询也非常重要。 3多基因遗传绝大多数出生缺陷是多基因遗传的，包括一些累及心脏、中枢神经系统、肾脏的单一畸形。在这种清况下，基于流行病学研究可以得到经验风险，因此对于巳经生有一个患儿的夫妇再生育时可以得到再发风险的评估。 （二）环境因素与出生缺陷 环境因素的致畸作用早在20世纪40年代就已被确认，能引起出生缺陷的环境因素统称为致畸剂(teratogen)。影响胚胎发育的环境有三个方面，即母体周围的外环境、母体的内环境和胚体周围的微环境。这三个层次的环境中引起胚胎畸形的因素均称为环境致畸剂。外环境中的致畸剂有的可穿过内环境和微环境直接作用于胚体，有的则通过改变内环境和微环境而间接作用于胚体。环境致畸剂主要有生物性致畸剂、物理性致畸剂、致畸性药物、致畸性化学物质和其他致畸剂。 1生物性致畸剂包括各种传染性病原体，特别是病毒。虽然胚胎或胎儿对这些微生物的侵袭有一定的抵抗力，但有些可导致流产，有些则产生出生缺陷或疾病。有些致畸微生物可穿过胎盘屏障直接作用于胚体，有些则作用于母体和胎盘，引起母体发热、缺氧、脱水、酸中毒等，或干扰胎盘的转运功能，破坏胎盘屏障，从而间接地影响胚胎发育。目前已经确定对人类胚胎有致畸作用的生物因子有风疹病毒、巨细胞病毒、单纯疮疹病毒、弓形虫、梅毒螺旋体等。 (5)除上述几种比较肯定致畸的生物因素外，还有母亲感染单纯庖疹病毒、亚洲流感病毒、流行性腮腺炎、脊髓灰质炎、麻疹、柯萨基等病毒和梅毒螺旋体引起胎儿出生缺陷的报道。单纯庖疹病毒的感染通常发生在妊娠晚期，可能大多数在临分挽时。在出生前数周被感染的胎儿有小头、小眼、视网膜发育异常、肝脾大和智能发育不全等表现；如分挽时胎儿在母体产道中受感染则发生炎症反应（如脉络膜视网膜炎）。 2物理性致畸剂目前已确认的对人类有致畸作用的物理因子有射线、机械性压迫和损伤等。另外，高温、严寒、微波等在动物确有致畸作用，但对人类的致畸作用尚证据不足。 0.09Sv，治疗肺癌可接受0.25Sv。因此，用于治疗的X线有致畸的危险。 (3)各种组织对不同的放射性核素吸收最不同，如口服5mci的131I，甲状腺可接受lOOSv，而性腺只有0.12Sv；口服4mci的32p，有1. OSv进入骨髓、肝、脾，而其他部位则不过0. lSv；胎儿对放射性核素的吸收程度还与胎龄有关，例如胎儿在第10周，从循环中结合的碳比母亲甲状腺结合的还要多。因此，如孕妇必须用放射性碟进行诊断时，应在胎龄第5~6周之前进行，即在胎儿甲状腺分化之前完成。X线、核素及其他外源性离子辐射对分裂细胞的影响，包括杀伤细胞、抑制有丝分裂、改变细胞的正常迁移和彼此联系，造成染色体畸变和基因突变等。植入前期，大剂量照射可导致胚胎死亡，这是由于致死性染色体畸变或细胞分化受损所致。胚胎两周后的任何时期接受超过1. OSv的射线，均可造成器官畸形或生长受阻，其中以中枢神经系统最为敏感，0.25Sv时就可发生小头畸形，智力低下。有实验证明，不伴有神经系统异常的其他畸形，并非由辐射引起。此剂量目前为大多数所接受的致畸剂量标准，胎儿接受0.25Sv以上的照射，有致畸危险。美国学者大多数以0. l Sv作为阙值来推断致畸危险。有时尽管不发生畸形，但轻微的损伤可引起智商降低，将来癌变也很难排除与辐射的关系。3.致畸性药物20世纪60年代“反应停事件”后，药物的致畸作用引起了人类的普遍重视，并开始对药物进行严格的致畸检测。反应停(thalidomide)又名沙利度胺，20世纪60年代在欧洲和日本曾广泛用千治疗妊娠呕吐，大受孕妇欢迎，但结果却是导致大量残肢畸形儿“海豹肢(p h ocomeli a)”的出生，酿成了举世震惊的“反应停事件”。据报道，“反应停”在德国造成的先天畸形为20%。 (l)多数抗肿瘤药物有明显的致畸作用。如氨基蝶呤可引起无脑、小头及四肢畸形；白消安、苯丁酸氮芬、环磷酰胺、6崭t基嗦呤等可引起多种畸形。(2)某些抗生素也有致畸作用。如孕期大剂量服用四环素可引起胎儿牙釉质发育不全，大剂扯应用链霉素可引起先天性耳聋，大剂量应用新生霉素可引起先天性白内障和短指畸形等。(3)某些抗惊厥药物，如嗤烧、乙内酰脉、三甲双酮有致畸作用。三甲双酮会造成胎儿智力低下、发育缓慢、面部发育不良、唇腮裂、房间隔缺损及两性畸形等。 第十五章出生缺陷187 (4)某些抗凝血药，如华法林、肝素也有致畸作用。华法林可引起胎儿软骨发育不良，多表现为低出生体重及智力低下，中枢神经系统有异常。早孕妇女服用此药，胎儿约1/3发生畸形。 (5)碟化钾和“lI。可引起先天性甲状腺肿。丙硫氧啼唗干扰胎儿甲状腺的形成，所以可引起先天性甲状腺肿。 (6)雄激素去甲睾酮衍生物用于避孕，可使女胎男性化；雌激素复合物氯底酚胺可致畸，使非整倍体增加，可出现椎骨、心脏、肢体的畸形；皮质激素有诱发缺肢、先天性心脏病的报道；胰岛素可使神经管缺陷增多，还可造成先天性心脏病和肢体缺陷。 4.“三废＂、农药、食品添加剂和防腐剂在工业”三废（废气、废水、固体废弃物）＇＼衣药、食品添加剂和防腐剂中，含有一些有致畸作用的化学物质。目前已经确认对人类有致畸作用的化学物质有：某些多环芳香碳氢化合物，某些亚硝基化合物，某些烧基和苯类化合物，某些农药如敌枯双，某些重金属如铅、珅、锅、采等。研究表明，有些化学物质对动物有明显的致畸作用。 5酗酒、吸烟、吸毒、缺氧、严重营养不良酗酒、吸烟、吸毒、缺氧、严重营养不良等因素均有一定的致畸作用。孕期过噩饮酒可引起多种畸形，称胎儿酒精综合征(fetal alcohol syn由ome)，其主要表现是发育迟缓、小头、小眼、短眼裂、眼距小等。流行病学调查显示，吸烟者所生的新生儿平均体重明显低于不吸烟者，且吸烟越多其新生儿的体重越轻。一天吸烟l0支的孕妇，其胎儿出现畸形的危险性增加90%。吸烟引起胎儿畸形主要是由于尼古丁使胎盘血管收缩，胎儿缺血使胎儿缺氧。另外，吸烟所产生的其他有害物质，如钡酸盐，也可影响胎儿的正常发育。吸烟不仅引起胎儿出生缺陷，严重者可导致胎儿死亡和流产。 （三）环境因素与遗传因素在畸形中的相互作用 在畸形的发生中，环境因素与遗传因素的相互作用是非常明显的，不仅表现在环境致畸剂通过引起染色体畸变和基因突变而导致出生缺陷，而且表现在胚胎的遗传特性，即基因型决定和影响胚胎对致畸剂的易感程度。流行病学调查显示，在同一地区同一自然条件下，同时怀孕的孕妇在一次风疹流行中都受到了感染，但其新生儿有的出现畸形，有的却完全正常。原因在于每个胚胎对风疹病毒的易感性不同。决定这种易感性的主要因素是胚体结构和生化特性，而这又取决千胚体的遗传特性。对致畸剂的种间差异更是如此，如可的松对小白鼠有明显的致畸作用（主要引起腾裂），但对猪、猴等则几乎无致畸作用。人类和其他灵长类动物对反应停非常敏感，可引起残肢畸形，但对其他哺乳动物几乎无致畸作用。 在环境因素与遗传因素相互作用引起的出生缺陷中，衡量遗传因素所起作用的指标称遗传率。某种畸形的遗传率越高，说明遗传因素在该畸形发生中的作用越大。 二、致畸剂诱发发育异常的机制 （一）影响致畸发生的因素 致畸剂的作用还取决于下列一些因素：心孕妇对致畸剂的易感性，在个体之间存在着差异。＠胎儿发育的不同阶段，对致畸剂的感受性不同，大多数致畸剂有其特定的作用阶段（图15-4)。＠致畸剂的作用机制有所不同，例如有些致畸药物可抑制酶或受体的活性，有些是干扰分裂时期纺锤体的形成，还有的封闭能源并抑制能量的产生，进而抑制正常形态发生所需的代谢过程。许多药物和病毒对某种组织、器官有特别亲和性，故特别易侵及某种组织和器官，如所谓亲神经性或亲心脏性等，它们会损伤一些特定的器官，影响其发育。＠致畸剂的损伤与剂批有关，通常剂撮越大，毒性越大。理论上讲，应该有安全剂量。但实际上，由于致畸过程具有多方面的决定因素，难以一概而论，故已经确定的致畸剂在妊娠期间应绝对避免。©致畸剂的作用后果，包括胎儿死亡、生长发育延迟、畸形或功能缺陷。究竟出现何种后果，则取决于致畸剂，母体及胎儿胎盘的相互作用如何。 （二）致畸剂作用的机制 1诱发基因突变和染色体畸变有些外来化合物作用于生殖细胞或体细胞，都可诱发基因突变和染色体畸变，以致DNA的结构和功能受损造成胚胎正常发育障碍，出现畸形，并具有遗传性。\1叩f[}器官发生前期胚期胎儿期心＇（周）1121314516171819|16卵裂、植入及两胚层期中枢神经系统表示致畸因子作用的通常位置宫内死亡大体畸形生理功能缺陷或微小畸形2致畸物的细胞毒性作用由于致畸物对细胞基因复制、转录和翻译或细胞分裂等过程的干扰，影响细胞的增殖，即表现出细胞毒性作用，引起某些组织细胞死亡。因此，在出生时形成畸形。如果接触致畸物的剂量较低，也可引起细胞死亡，但速度及数量可被存活细胞的增殖所补偿，故出生时未能形成畸形。若致畸物剂量较高，在短期内造成大量细胞死亡，胚胎出现无法代偿的严重损伤，则表现出胚胎致死作用。 3细胞分化过程的某一特定阶段、步骤或环节受到干扰此种机制与上述细胞毒性作用引起坏死机制不同。例如，除草酪(nitrofen)的立体结构与甲状腺激素相似，可引起心脏、／l屙肾畸形和肺发育不全，其作用机制主要是干扰甲状腺激素功能。 出生缺陷也称为先天畸形，是患儿在出生时发生可识别的结构或功能缺陷。其发生的原因包括遗传因素（染色体畸变和基因突变）、环境因素（包括生物致畸因子、物理性致畸剂、致畸药物、“三废＂、农药、食品添加剂和防腐剂、酗酒、吸烟、吸毒、缺氧、严重营养不良）和遗传与环境协同作用，其中遗传因素最主要。出生缺陷分成两大类，即简单畸形（包括畸形、畸化、变形、发育异常）和多发性畸形（包括序列征、综合征、关联征）。在胎儿期因缺陷有80%-85％而发生自然流产、围生期因缺陷有20%-25％发生死亡、新生儿期出生缺陷发生率为5%～10%。降低出生缺陷发生率最为关键在于胎儿宫内诊断和根据妊妹不同阶段准确采取诊断技术和方法。最常见和严重的出生缺陷有神经管缺陷（脊柱裂和无脑儿）、先天性心脏病（房间隔缺损、室间隔缺损、法洛四联症）。 --------..-----.-..-·-----------------...--------------..-------.--------------------------------·-·-----------------------..--..--------------------------------.-----.一一一一1.什么是出生缺陷？包括哪些类型？影响出生缺陷发生的因素有哪些？ 2.出生缺陷的产前诊断的主要方法、采取的措施有哪些？ 3.中国在什么背景下出台出生缺陷三级预防措施，内容包含哪些？ 4.神经管缺损发生与哪些因素有关？妊奻期通过哪些栓测可以早期诊断？ （杨康鹃） 第十六章肿瘤与遗传 肿瘤(tumor)是细胞异常增殖所形成的细胞群。肿瘤的发生发展是一个多因素、多基因参与的多阶段、多途径的复杂过程。环境因素和遗传基础决定肿瘤的发生。化学、物理和生物等环境因素可以引起细胞遗传物质损伤，是诱发肿瘤的主要环境因素。肿瘤是一种体细胞遗传病，基因突变、染色体异常和表观遗传异常普遍存在于肿瘤细胞中。肿瘤起源千单细胞克隆并发生克隆演化，此过程涉及多种遗传物质损伤事件，从而引起癌基因激活和抑癌基因失活，最终致肿瘤的发生发展。 第一节肿瘤发生的遗传因素 —、肿瘤的遗传现象 家族聚集性、单卵双生子肿瘤发生率与发病部位一致性、种族差异及发病的先天性等是判断包括肿瘤在内的所有疾病是否具有遗传因素的初始证据。(—)家族聚集性肿瘤家族聚集性通常是少数常染色体显性遗传性肿瘤的特点之一，也是某些具有肿瘤遗传易感背景家系中比较常见的现象。癌家族和家族性癌具有类似的特点，即在一个家族内有多个肿瘤患者，但两者还存在差异。 1.癌家族癌家族(can cer family)指一个家系中多数成员患不同类型的肿瘤。癌家族中患者的子女患癌的机会比一般人群高，且发病年龄较早，基本符合常染色体显性遗传方式。Henry T. Lynch在研究一个842名成员组成的大家系中发现95名癌患者，其中结肠腺癌患者(48名）和子宫内膜腺癌患者(18名）占多数，13名患多发性肿瘤。此外，19名在40岁之前发病，72名患者的双亲之一患癌，男性与女性患者各为47人和48人，接近1:1，符合常染色体显性遗传。根据上述特点，Lynch将其称为Lynch综合征(Lynch syndrome)(OMIM#l20435)。 2家族性癌家族性癌(familial carcinoma)是一个家族内多个成员患同一类型的肿瘤，也表现一定程度的肿瘤家族聚集现象，与家族成员对这些肿瘤的遗传易感性增高有关。家族性癌的遗传方式不清，通常散发，但一部分患者有明显的家族史，一级亲属发病率通常高于一般人群3~4倍。Y. Rako ve r等(1994)在某家系中发现2个同胞对分别在16岁和19岁被确诊为髓系甲状腺癌(m e dullruy carcinoma of the thyroid)(OMIM#l55240）。进一步研究发现，在该家系中还有其他12名成员患相同肿瘤，而且，与RET(RE arranged durin g transfec tion)基因(OMIM+l64761)突变有关。 （二）双生子发病—致性 双生子发病一致性也是判断疾病是否具有遗传背景的一个因素，其中包括双生子患同一肿瘤的发病率和发病部位的一致性。有研究表明在77对白血病双生子患者中，单卵双生子比二卵双生子发病一致率显著增高。在另一项调查中，20对单卵双生子均患同一部位的同类肿瘤。这些都说明共同的遗传基础在肿瘤发病中所发挥的作用。利用单卵双生子发生肿瘤的一致性来判断遗传因素在各种肿瘤中的重要性，同时，利用双生子肿瘤发生的不一致性来判断环境因素在肿瘤发生中的作用，体现了双生子法在肿瘤遗传学研究中的重要意义。 （三）种族差异 某些肿瘤的发病率在不同种族中有显著差异。在新加坡的中国人、马来人和印度人鼻咽癌发病率的比例为13.3:3:0.4，移居到美国的华人鼻咽癌的发病率比美国白人高34倍。日本妇女患乳腺癌比白种人少，但松果体瘤却比其他民族多10余倍。黑种人很少患Ewing骨瘤、睾丸癌和皮肤癌。群体遗传背景的不同是造成种族差异的主要原因，同样证明遗传因素在肿瘤发生中起着重要作用。 二、遗传性肿瘤综合征 某些隐性遗传病患者的染色体容易断裂或对紫外线特别敏感，发生肿瘤的风险高，表明这些疾病与染色体不稳定性之间存在某种联系，因此，将此类疾病统称为遗传性肿瘤综合征或染色体不稳定综合征。 迄今，在4800多种人类单基因遗传病或性状中，遗传性肿瘤综合征就有890多种。这类疾病尽管在临床上较为少见，但由千具有不同程度的癌变倾向，因此，已成为肿瘤遗传学研究中的热点之一。同时，遗传性肿瘤综合征主要表现是染色体的不稳定，共同特点是患者的体细胞染色体出现自发或诱发的畸变率明显高于正常人群（表16-1)。对这类疾病患者及其家族成员进行细胞生物学筛选并设法避免一切环境诱发因子的损害，对减少和预防肿瘤可能具有一定的实际意义。 疾病名称主要表现染色体异常易患肿瘤 Fanconi贫血(Fanconi anemia,儿童期的骨髓疾病，表现染色体自发断裂增高，单白血病FA)(OMIM#227650)为全血细胞减少体断裂、裂隙、双着丝粒、核内复制Bloom综合征(Bloom syndrome,患者身材矮小，对日光敏四射体、姊妹染色单体交肿瘤或白血病BS)(OMIM#210900)感，面部血管扩张性红斑换比正常人高10倍、各种毛细血管扩张性共济失调(atax-小脑性共济失调染色体断裂、14/14易位、淋巴细胞白血病、ia telan郡ectasia, AT)(OMIM#DNA修复能力下降淋巴瘤、网织细胞208900)瘤等着色性干皮病(XP)(OMIM#对UV敏感，表现为皮疹、染色体自发断裂、DNA修血管瘤、基底细胞27'o/80)色素沉着复酶缺乏癌等遗传性肿瘤一般以常染色体显性遗传方式传递，常为双侧性和单侧多发性，发病早千散发型，但发生率较散发性低。（－）家族性结肠息肉家族性结肠息肉(fam山al polyposis of the colon,FPC)(OM IM#l75100)患者在青少年时期表现为结肠和直肠多发性息肉，继发性恶变，90％未经治疗的患者死千结肠癌。该病为遗传性癌前病变的一种。FPC是致病基因，属于抑癌基因，定位千5q22.2。 （二）I型神经纤维瘤I型神经纤维瘤(neurofibromatosis I, NFl)(OMIM#l62200)患者的躯干外周神经有多发的神经纤维瘤，皮肤上可见多个浅棕色的“牛奶咖啡斑＂，腋窝有广泛的雀斑，少数恶变为纤维肉瘤、鳞癌和神经纤维肉瘤。NFJ基因(OMIM*613113)是致病基因，属千抑癌基因，定位千17qll.2。（三）神经母细胞瘤神经母细胞瘤(neuroblastoma, NB)(OM IM#256700)是常见千儿童的恶性胚胎瘤，起源千神经峙，并发神经纤维瘤、神经蜡瘤和嗜铭细胞瘤等。遗传型神经母细胞瘤占20%，呈常染色体显性遗传，发病早。散发型占80%，发病晚。NBLJ(OMIM*600613)是致病基因，定位千1p36.13。 第十六章肿瘤与遗传191 （四）Wilms瘤 Wilms瘤(WT)即肾母细胞瘤(nephroblastoma)是一种婴幼儿肾脏的恶性胚胎瘤。遗传型Wilms瘤占38%，呈常染色体显性遗传，发病早，双侧发病。散发型占62%，发病晚，多为单侧。Wilms瘤(WT)染色体异常存在遗传异质性，例如，I型Wilms瘤(OMIM#l94070)在染色体llp13发生畸变，致病基因为WTl; II型Wilms瘤(OMIM#l94071)在染色体llp15.5发生畸变，致病基因为H19。 此外，部分基底细胞悲综合征和恶性黑色素瘤等也属千遗传性肿瘤。 第二节基因组不稳定性与肿瘤发生 受严格调控的基因组稳定性是细胞正常生长、分裂和分化的重要基础。基因组不稳定在肿瘤发生发展中发挥重要作用。基因组不稳定性(genomic instability)是指因DNA复制异常所致的DNA序列改变和因染色体分离等异常所致的染色体畸变，前者称为DNA序列不稳定性，后者称为染色体不稳定性。 一、DNA序列不稳定性与肿瘤发生 DNA序列不稳定性是指因DNA修复系统缺陷所致的DNA序列异常，表现为碱基置换（点突变）、插入或缺失。与DNA序列不稳定性相关的DNA修复系统主要包括核昔酸切除修复系统和错配修复系统。DNA序列不稳定性主要表现为核昔酸切除修复(nucleotide excision repair, NER)相关不稳定性和微卫星不稳定性。 (—)肿瘤细胞NER相关不稳定性 核昔酸切除修复系统缺陷可引起肿瘤细胞发生点突变，称为NER相关不稳定性(NER-related instability, NI)，属于点突变不稳定性(point mutation instab山ty, PIN)。此外，PIN还包括小片段DNA序列的插入和缺失。 （二）肿瘤细胞微卫星不稳定性 错配修复(mismatch repair, MMR)系统缺陷可致碱基插入或丢失，在肿瘤细胞中常表现为可变数目串联重复序列(VNTR)的插入或丢失，其中，微卫星序列的插入或丢失称为微卫星不稳定性(microsatellite instability, MSI)。在大肠杆菌E. Coli中，与MSI发生相关的基因编码一种修正错误的系统，即MMR系统，主要涉及MutS和MutL基因。目前，在人类中已发现并克隆了6种MutS和MutL同源基因，DNA序列改变（如突变）和表遗传改变（如DNA甲基化）是其失活的主要机制。其中一个或几个MMR基因失活时，可致MSI发生，后者可引起相关区域抑制肿瘤生长基因（抑癌基因）的失活。正常情况下，错配修复基因行使错配修复的功能，MSI为阴性。当错配修复基因失活时，MSI为阳性。MSI是II型遗传性非息肉性结肠癌(hereditary non-polyposis colon cancer2, HNPCC2)(OMIM#609310)的主要特征。MLHJ基因是HNPCC2致病基因，属于抑癌基因，其失活导致遗传性非息肉性结肠癌的发生。MLHJ基因失活与MMR基因失活密切相关，即NMR基因失活致MSI发生，进而引起MLHJ基因失活。 NER系统仅修复外源性突变剂如紫外线所引起的突变，而微卫星多态序列遍布于整个基因组中，因此，在肿瘤细胞中，MSI较N I更为常见。 二、染色体不稳定性与肿瘤发生 染色体不稳定性(chromosome instab山ty,CIN)是实体瘤中最常见的基因组不稳定性，包括染色体数目异常、结构畸变和端粒异常，其中，肿瘤染色体数目异常是CIN最常见类型。染色体不稳定性体现了肿瘤的细胞遗传学基础。 1肿瘤细胞染色体数目异常除少数肿瘤如子宫颈癌和前列腺癌表现为二倍体外，大多数实体瘤表现为非整倍体，包括亚二倍体、亚三倍体、亚四倍体、超二倍体、超三倍体和超四倍体等，但多为三倍体左右。染色体不分离是致肿瘤细胞染色体数目异常的主要原因也是非整倍体产生的重要机制。＼（戏2肿瘤细胞染色体结构异常染色体结构异常如易位、缺失、重复、环状染色体和双着丝粒染色体等是肿瘤细胞染色体的基本结构特点，其中，易位和缺失最为常见。染色体结构异常是由于染色体在各种理化因素的作用下发生了断裂并异位重接，从而形成特殊结构的标记染色体(marker chromosome)所致。标记染色体分为非特异和特异两种类型。其中，非特异性标记染色体只见千某种肿瘤的少数细胞中，对该肿瘤不具有代表性。而特异性标记染色体常见于某种肿瘤的大多数或全部细胞，是该肿瘤的特征性表现。 费城染色体(Philadelphia chromosome,Ph染色体）是人类肿瘤细胞中最具代表性的特异性标记染色体。Peter Nowell和David A. Hungerford在慢性髓细胞白血病(chronic myelocytic leukemia, CML)(OMIM#608232)患者中发现一个小千G组的近端着丝粒染色体，因在美国费城(Philadelphia)发现，而命名为费城(Ph)染色体。Ph染色体即t(9;22)(q34; q11)，是由22号染色体长臂和9号染色体长臂末端相互易位所致（图16-1)。超过90％的CML患者具有Ph染色体，可作为该病的诊断依据，而且，Ph染色体先千临床症状出现，故可用于CML的早期诊断。 除染色体不分离外，DNA损伤修复异常、微生物如幽门螺杆菌等感染、细胞周期调控相关基因功能以及端等基因组不和MSI。CINCIN发生粒功能异常均可致巳}稳定性均可引起人类基因组的遗传学和表遗传学改变如癌基因激活、抑癌基因失活、杂合性丢失和信号转导通路调节异常等，在肿瘤如胃癌的启动和进展中发挥重要作用。 正常3.肿瘤的端粒异常端粒(te lomere)是真核细胞9染色体末端的一种特殊结构，由端粒DNA和蛋白质组der(9)成。端粒DNA是富含G的高度保守的核昔酸重复序.不同物种的端粒DNA__列，保护染色体末端免受损伤。重复序列并不一致，人和其他哺乳动物的端粒DNA序. 列由5到3'方向的(TIAGGG)n串联重复序列组成。端粒长度由一个特殊的RNA酶即端粒酶维持。端粒酶der{22)存在千人类生殖系中，而大多数正常体细胞缺乏这种正常酶，端粒的长度在每代细胞中缩短50~lOObp。 22肿瘤发生早期端粒缩短，可引起端粒末端融合和图16-1慢性髓细胞白血病特异性重组事件发生，致染色体结构和数目异常。TP53、RB I标记染色体(Ph染色体）基因缺陷或含有病毒癌基因的成纤维细胞不经过衰老而持续分裂，其中大多数细胞死亡，但是，存活下来的于万分之一左右的细胞获得了端粒酶，出现染色体畸变并发生永生化。多种肿瘤细胞中端粒酶呈阳性，85%-90％的成熟转移癌具有不断更新的端粒酶活性，而在正常组织中却无端粒酶活性，是肿瘤细胞永生化必备的条件，表明端粒酶可能是一个广泛的肿瘤标志物，可用千肿瘤的诊断。目前，某些特异的端粒酶抑制物巳用于肿瘤治疗的研究。 第三节肿瘤遗传基础与细胞增殖和凋亡 肿瘤细胞的基本特征是在正常细胞停止增殖的情况下仍然持续地进行细胞分裂，这是调节细胞增殖的基因异常改变的结果。这些基因主要包括癌基因和抑癌基因等。DNA转染实验和微细胞融合实验结果提示正常细胞中存在促进和抑制肿瘤细胞增殖的基因，开辟了肿瘤分子遗传学机制研究的历程。促进肿瘤细胞增殖的基因（癌基因）激活和抑制肿瘤细胞增殖基因（抑癌基因）的失活是肿瘤发生发展中的重要分子遗传学事件。 —、癌基因 (—)癌基因的发现 （二）癌基因的概念与功能分类 1.癌基因的概念正常细胞生长发育所必需的，并具有使细胞癌变潜能的基因，称为原癌基因(proto-oncogene)，其编码产物可分布在细胞外、细胞膜、细胞质和细胞核中（图16-2)；癌基因(oncogene)泛指能够使细胞发生癌变的一类基因。具体而言，是指引起细胞无限增殖和恶性转化的被激活的原癌基因。 (3)原癌基因编码产物为信号转导分子类，多为蛋白或脂类激酶，使下游蛋白质残基发生磷酸化，影响细胞的生长、分化和凋亡等功能。例如，PI3Ks为脂类激酶，具有多个家族成员，并由相应基因编码。包括EGFR在内多种细胞因子可激活PI3Ks，后者使磷酸肌醇磷酸化，形成磷酸肌醇3磷酸(p hosphatid ylinositol3-phosphate, PIP3), PIP3继续介导细胞内级联反应，调节细胞增殖、存活和迁移等活动。 (4)原癌基因编码产物为DNA结合蛋白和转录因子，位于细胞核内，属于反式作用因子，通过调节相关基因的转录和复制，促进细胞的增殖。例如，NF-KB属于转录因子，在PIP3介导的信号通路中，AKT通过级联反应使NF-KB释放出来，入核后与相应NF-KB位点结合从而调节相关基因的转录过程发挥相应生物学功能。 (5)原癌基因编码产物为细胞周期蛋白(cyclin)和细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinase, CDK)，也位于细胞核内，对细胞周期进程具有促进作用。例如，CDK4和CDK6与cyclin D(D1、D2和D3)结合后，促进细胞由GI期进入至S期。 (6)原癌基因编码产物为凋亡抑制因子。细胞凋亡的调控分为细胞外和细胞内两种机制，分别称为死亡受体介导凋亡通路和细胞色素c(Cyt c)介导凋亡通路。例如，FLIP和BCL-2在死亡受体介导凋亡通路和Cyt C介导凋亡通路分别发挥抑制细胞凋亡作用。 （三）原癌基因激活机制原癌基因被激活后其编码产物过度表达或活性增强，通过激活各自所在的信号转导通路，促进肿瘤的发生发展。1.遗传学水平激活机制(1)基因扩增(gene amplification)是原癌基因DNA序列拷贝数的增加，基因扩增将使其过度表达，是癌基因激活机制之一。在细胞遗传学水平，基因扩增表现为双微体(double minutes, DMs)和均质染色区(homogeneously staining region, HSR)。在某些情况下，扩增小片段会脱离染色体，连在一起时常形成双点样结构，即DMs（图16-3A)。当扩增片段未脱离某染色体时，染色体某个节段则相对解旋、长度增加从而形成浅染的均匀一致区域，即HSR（图16-3B)。 (2)启动子插入细胞癌基因附近。一旦被插 入的是一个强大的启动子如长末端重复序列(long terminal repeat, LTR)时，癌基因也可被激活。 (3)点突变可发生在编码区和非编码区，两者均可引起原癌基因的激活。例如，RAS基因第12、13或61密码子编码序列点突变在肿瘤中普遍存在。在正常情况下，活性和失活类型RAS蛋白之间可相互转换，处于一种平衡状态，调控细胞正常生理功能。RAS点突变阻止了RAS从活性形式向失活形式的转变，使RAS蛋白始终处千活性状态（图16-4)。 B(4)染色体易位与重排在原癌基因基因座位或其附近发生的染色体易位与重排时，可形成融合基因或类似启动子插入形式，进而激活相应原癌基因。例如，染色体9q和22q易位使位于染色体9q的ABL原癌基因和位于染色体22q的BCR基因发生融合，产生的嵌合性BCR-ABL蛋白致蛋白激酶活性增强，是慢性髓细胞白血病发生的重图16-3癌基因扩增激活要原因。大多数Burkitt淋巴瘤表现为8q24和A双微体；B均质染色区14q32平衡易位，此染色体区分别是MYC原癌基因和免疫球蛋白重链基因所在基因座，易位结果使MYC基因移至免疫球蛋白基因下游，因后者具有强大的增强子功能，结果使易位的MYC基因过度表达（图16-5)。 2.表观遗传水平激活机制表观遗传水平的激活机制主要包括：心DNA去甲基化。原癌基因调控序列如启动子序列去甲基化可增强反式作用因子如转录因子与之结合能力，是原癌基因激活的一种机制。＠非编码RNA调控异常。调控原癌基因的非编码RNA特别是microRNA表达下调，可致原癌基因激活。＠组蛋白乙酰化。组蛋白乙酰化使组蛋白与DNA之间相互作用减弱，DNA易千解链，便于相关基因转录，也是癌基因表观遗传学水平激活机制之一。 第十六章肿瘤与遗传195 活性的RAS 『芦昙谥61 易位 C-MYC基因■ 8号染色体」14号染色体14号染色体8号染色体图16-5Burkitt淋巴瘤染色体易位与C-MYC基因激活抑癌基因(tumor suppressor gene, TSG)是指在正常细胞中存在的对细胞的增殖、分裂和分化等起负调控作用的一类基因。失活的TSG在肿瘤发生发展中发挥与激活的原癌基因同等重要作用。（一）抑癌基因的发现和研究途径1细胞融合实验1971年，H. Harris应用微细胞技术，将含有一条正常染色体的鼠成纤维细胞与HeLa肿瘤细胞在体外进行融合（微细胞融合实验）时发现，杂种细胞的生长受到抑制并具有相对正常的表型。当这条染色体丢失后，杂种细胞又恢复肿瘤表型，表明正常染色体中含有抑制肿瘤细胞生长的因子，为抑癌基因的研究提供了重要线索。 2家族性视网膜母细胞瘤的研究通过对家族性视网膜母细胞瘤(retinoblastoma, RB)的研究，人们定位、克隆和鉴定了首个人类抑癌基因。最初研究发现，家族性视网膜母细胞瘤患者肿瘤细胞13号染色体长臂存在中间缺失，虽然各患者缺失片段范围不同，但是，都包括同样的最小区域13ql4,称为最小重叠区(smallest overlapping region, SOR)。进一步研究发现，13ql4区段与视网膜母细胞瘤紧密连锁，提示该区域存在与视网膜母细胞瘤发生密切相关的基因。最终，人们通过相关分子生物学技术在此区域克隆并鉴定了第一个人类抑癌基因RBl。 3.杂合性丢失研究与同一个体的癌旁正常组织相比，肿瘤细胞的杂合性等位基因（或遗传多态标记）中的一个丢失，称为杂合性丢失。抑癌基因杂合性丢失是肿瘤细胞中普遍存在的现象。通过杂合性丢失研究可以发现并精确定位抑癌基因，也是抑癌基因缺失突变的主要检测手段。 （二）抑癌基因编码产物的功能分类 根据抑癌基因所编码产物的功能及其所在的信号转导通路的不同，抑癌基因同癌基因相反，主要发挥抑制细胞生长、增殖、分化、迁移、侵袭、转移和促进凋亡的功能。针对某个抑癌基因，其至少发挥一种作用，如TP53基因在细胞周期调节、DNA损伤修复和凋亡诱导及基因转录过程中均发挥作用。 抑癌基因所编码的蛋白其主要功能包括以下几类：心转录抑制因子类抑癌基因编码产物为转录抑制因子，可抑制其靶基因的转录水平。＠错配修复蛋白类抑癌基因编码产物为DNA损伤修复蛋白，对DNA复制错误具有修复能力，在基因组稳定性中发挥重要作用。＠有些信号转导分子在相关信号通路中发挥抑制作用。例如，PTEN通过抑制PI3K功能抑制PI3K/AKT/NF-KB信号转导通路。 ＠细胞周期抑制因子类抑癌基因编码产物为细胞周期抑制因子，包括细胞周期抑制蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子。例如，p53通过p21解除CDK4/6对RB的控制，后者通过抑制E2F阻止细胞由GI期进入S期，其中，p53、p21和RBl均属千细胞周期抑制蛋白。另一类细胞周期抑制因子为细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子(cyclin-dependent kinase inh伽tor, CDKI)，通过抑制相应CDKs抑制细胞周期进程。＠凋亡诱导因子类抑癌基因编码产物为凋亡诱导蛋白，包括直接参与凋亡调节的人类凋亡通路中多数基因编码蛋白和间接参与凋亡调节的其他基因编码蛋白如p53等。当细胞中存在大量的DNA损伤，而且，直接修复DNA损伤的抑癌基因对其无法修复时，p53将对损伤修复的过程进行监控并通过凋亡形式对自身细胞进行破坏，致细胞死亡（图16-6)。 （三）抑癌基因失活机制1.遗传学水平失活机制包括：心可发生在抑癌基因编码区和非编码区的点突变，使抑癌基因不产生编码蛋白或蛋白表达水平降低或产生无功能突变蛋白；＠缺失突变可致抑癌基因整个拷贝或部分序列丢失，后者可发生在编码区和非编码区；＠碱基插入可使某些抑癌基因失活。例如，PTEN第7外显子不同部位的碱基插入可引起不同类型突变，致PTEN基因失活。 G,期i淜 2.表观遗传学失活机制包括：心启动子区高甲基化可抑制抑癌基因的转录水平，使其不产图16-6G1/S期调控相关基因生有功能蛋白或蛋白表达水平降低；＠非编码RNA调控异常，如microRNA等表达水平异常增高时，将抑制其靶向（抑癌）基因的表达水平；＠组蛋白去乙酰化使带正电的组蛋白与带负电的DNA紧密结合，染色质呈致密卷曲的阻抑结构，从而抑制相关抑癌基因转录。 三、肿瘤发生与细胞周期调控 人和哺乳类细胞生长和发育受细胞周期检查点的精确调控，通过鉴别细胞周期中出现的错误，诱导产生特异的抑制因子，以阻止细胞周期的进程。（一）细胞周期检查点涉及肿瘤发生发展的细胞周期检查点包括：心Gl-S检查点主要控制细胞进入S期。当DNA损伤未修复时，DNA复制将被阻止，无法修复的损伤可导致细胞凋亡。在S期内可能有一个额外的独立损伤检查点。(2)G2-M检查点主要控制细胞进入M期。当DNA复制未完成和损伤未修复时，细胞将被阻止进入有丝分裂期。＠纺锤体检查点主要负责所有染色体正确地附着在纺锤丝上，阻止染色体在有丝分裂中的分离。 多数肿瘤中GI-S检查点失活，因此，该检查点在肿瘤的发生中发挥重要作用，其中，三个抑癌基因RBl、TP53和CDKN2A处于核心地位，而且是肿瘤细胞中最常见的异常基因（图16-6)。 （二）RBI基因与细胞周期检查点 RBI基因在正常细胞中广泛表达，其产物RBl为核蛋白，分子量为llOkD，磷酸化使其失活，去磷酸化使其激活。去磷酸化RBl结合并失活细胞转录因子E2F，而后者具有促进细胞周期进展的作用。在细胞进入S期前2~4小时，RB1被磷酸化，解除了对E2F的抑制，使细胞进入S期（见图16-6)。 （三）TP53基因与细胞周期检查点 与RBI基因一样，TP53基因在正常细胞中广泛表达，其产物p53为核蛋白，分子量为53kD。当细胞DNA损伤后，p53蛋白积聚，使P21基因表达上调，阻滞细胞千G1期，在细胞进入S期前修复损伤的DNA。TP53基因异常几乎见千人类的所有肿瘤（见图16-6)。 第四节肿瘤发生的遗传理论 人们对肿瘤的遗传理论虽众说不一，但至少在某些肿瘤中人们普遍接受的肿瘤发生的遗传理论有单克隆起源理论、“二次“打击理论和多阶段遗传损伤理论。 —、单克隆起源理论 大多数肿瘤存在染色体异常，同一个体肿瘤的不同细胞染色体常具有许多共同的异常特征，提示这些细胞来源于一个共同的突变细胞，即肿瘤由起源千单一细胞的克隆构成。由千这样的癌细胞克隆群体受内外环境的影响而处于不断的变异之中，结果这个群体中不同细胞的核型又不完全相同。而且，不同核型细胞的生存、繁殖能力也不同。通常情况下，在选择过程中有些细胞逐渐被淘汰，有些细胞则形成增殖优势，使细胞群体始终处于选择之中，类似物种进化的过程，称为克隆演化(clone evolution)。在一个肿瘤的多细胞克隆群体中，因克隆演化形成多克隆群，其中占主导地位的克隆，称为干系(stem line)。干系的染色体数目称为众数(modal number)。而占非主导地位的克隆称为旁系(side line)。由于细胞内外环境的影响，干系和旁系的地位可以相互转变。 二、Knudson二次打击理论 视网膜母细胞瘤是“二次打击“理论(two hits theory)最好的模型。在家族性视网膜母细胞瘤中，第一次打击事件发生在生殖细胞，通常造成肿瘤患者所有RBI基因的一个等位基因失活，另外一个等位基因仍然保持活性，其蛋白产物的量仅减少50%，仍然可以发挥抑制肿瘤细胞生长和增殖的功能。该个体任何体细胞一旦接受第二次打击，将使另一个正常等位基因失活，而引起肿瘤的发生。由此可见，发生这样的概率事件相对容易，因此，家族性视网膜母细胞瘤具有发病早、双侧发病、单侧多发等特点。在散发性视网膜母细胞瘤中，某个体的同一体细胞需连续接受两次打击方可发生肿瘤。由千一个个体的体细胞数目十分惊人，一个体细胞连续接受两次打击事件的概率相当罕见，因此，散发性视网膜母细胞瘤具有发病晚、单侧发病、单侧单发等特点（图16-7)。 三、肿瘤发生的多阶段遗传物质损伤理论 对于一些由单基因控制的罕见肿瘤如视网膜母细胞瘤，无论遗传型还是散发型，只要两个等位基因均失活，肿瘤就会发生。但是，对于其他大多数肿瘤，情况则不然。例如，结肠癌的发生发展从正常上皮细胞开始，经历了异性增生、早期腺瘤、中期腺瘤、晚期腺瘤和癌等多个阶段，而且，每个阶段发生了不同的遗传学损伤（打击）事件。依次涉及5号染色体长臂的杂合性丢失和APC基因突变（异性增生阶段）、DNA去甲基化（早期腺瘤阶段）、KRAS基因突变（中期腺瘤阶段）、18号染色体长臂的杂合性丢失和DCC基因突变（晚期腺瘤阶段）以及17号染色体短臂的杂合性丢失和TP53基因突变（癌阶段）。可见，大多数肿瘤经历了多阶段和多次遗传学打击事件（图16-8)。 散发性＊ 抑癌基因 单一、单侧肿瘤且发病晚 家族性t一个等位基因生殖系突变的抑癌基因突变杂合子多发、双侧肿瘤且发病早＊两次体细胞突变（两次打击）致抑癌基因功能丧失t第一次打击因遗传获得，第二次打击发生千体细胞第五节肿瘤的分子诊断与靶向治疗肿瘤特征性表现为肿瘤分子诊断和治疗的研究提供了方向。肿瘤分子诊断和治疗是指应用相关分子生物学技术在分子水平对肿瘤进行诊断和治疗，是转化医学研究的热点之一。肿瘤分子诊断和基因治疗的靶点主要集中在肿瘤易感基因和（或）其编码产物等方面，其中，肿瘤靶向治疗在临床上巳取得令人满意的疗效。 一、肿瘤的遗传易感性与肿瘤分子诊断 肿瘤发生是若干基因如癌基因、抑癌基因和错配修复基因等变化的结果，这些基因被称为肿瘤易感基因，构成了某个体患肿瘤的遗传因素，决定其患肿瘤的风险。 第十六章肿瘤与遗传199 肿瘤遗传易感性是指具有某些遗传缺陷或某种基因多态性变异型的个体容易发生肿瘤的特性。在遗传性癌综合征中，癌相关基因的生殖系突变决定了该家系的肿瘤遗传易感性。肿瘤遗传易感性最明显的临床特征是家族史，即在同一个家族的数代中，有多个肿瘤的先证者和患者，这种肿瘤家族聚集现象的临床鉴定近年来颇受重视。家族性肿瘤相对罕见，但通过对家族性肿瘤的研究，人们发现一系列肿瘤遗传易感基因（表16-2)。 基因名称基因类型易患肿瘤 RET癌基因多发性内分泌瘤、家族性髓样甲状腺癌 MET癌基因家族性乳头状肾癌综合征 APC抑癌基因家族性腺瘤性息肉病 VHL抑癌基因von Rippel-Lindau综合征 邸抑癌基因遗传性视网膜母细胞瘤 TP53抑癌基因Li-Fraumeni综合征 WTJ抑癌基因Wilms瘤综合征 NFI抑癌基因I神经纤维瘤病 BCRAJ, BCRA2抑癌基因遗传性乳腺癌综合征 hMSH2, hMLHJ错配修复遗传性非息肉病性结直肠癌 BLM错配修复Bloom综合征 ATM错配修复共济失调毛细血管扩张症 XP错配修复着色性干皮病 肿瘤既是体细胞遗传病，又是多基因病。在分子水平，绝大多数肿瘤发生遗传学和表观遗传学变异，因此，其分子诊断相对复杂。而肿瘤易感基因的发现为预测癌症风险提供了可能性。例如，在家族性乳腺癌(fa milial breast cancer)中，除BRCA J和BRCA2两个主要易感基因，TP53、CHEK2、PTEN, ATM, STKJ1/LKBJ和MSH2/MLHJ也是家族性乳腺癌的易感基因，对这些基因进行突变筛查，可以对50％的家族性乳腺癌进行分子诊断。尽管如此，仍有近50％未知或候选的家族性乳腺癌易感基因或遗传变异需要借用大规模筛查手段去发现。研究表明，除基因序列突变外，这些基因异常还包括表观遗传学改变如DNA甲基化等。因此，在包括家族性乳腺癌在内所有肿瘤进行分子诊断时，需同时考虑遗传学和表观遗传学变异的筛查。 二、肿瘤的靶向治疗 （一）肿瘤基因组学与靶向治疗 肿瘤基因组学(cancer genomics)是在整个基因组水平研究肿瘤发生发展分子基础的快速发展的新兴学科，其最终目标是揭示各种肿瘤发生发展的分子机制，并为肿瘤个体化医学的建立和完善奠定基础。肿瘤基因组计划(cancer genome project, CGP)是后基因组计划的重要组成部分。CGP千2006年开始启动，预计在前三年内完成脑胶质瘤和卵巢癌基因组图谱绘制工作，然后，再完成其他常见肿瘤基因组图谱绘制工作。 在肿瘤基因组计划实施过程中研究人员发现，每个肿瘤患者体细胞突变多达几十甚至上百种，其中多数突变是肿瘤发生发展过程中的伴发突变，又称为＂乘客”突变("passenger"mutation)，仅少数突变具有驱动和促进肿瘤发生发展的作用，称为＂驱动“突变("driver"mutation)。通过对同类同期肿瘤不同个体基因组信息进行比对分析，人们发现此类肿瘤中存在共同的信号通路异常和一些“驱动”基因。肿瘤靶向治疗或个性化治疗是指针对个体独特的肿瘤基因组信息，选择合适的治疗手段和治疗方案所采取的治疗措施，是个体化医学的重要组成部分。肿瘤个性化治疗的前提是巳明确某种肿瘤发生发展分子机制及“驱动“基因突变，后者可作为肿瘤个性化治疗的分子靶标。（二）肿瘤靶向治疗1肿瘤蛋白水平的靶向治疗肿瘤＂驱动“基因突变的发现及用千临床实践经历了较漫长过程，始千20世纪80年代，即发现了第一个人类癌基因HRAS。 最初，个性化药物靶点筛查通常采用遗传学手段，例如，通过细胞遗传学和分子遗传学方法发现90％以上CML患者存在BCRIABL融合基因并针对此融合基因设计靶向药物。随着肿瘤基因组学相关技术的建立和研究成果的不断涌现，个性化药物靶点筛选工作更加快捷和方便，已知肿瘤靶向药物的适用对象更为广泛，个性化治疗方案更加具体。2001年，美国食品药品管理局(FDA)批准了首个肿瘤靶向药物用千具有BCRIABL融合基因CML患者的靶向治疗。 随着二代测序(NGS)技术日益成熟，人们利用该技术发现了一系列肿瘤发生发展相关新的＂驱动“基因突变，为肿瘤新的靶向药物研发提供了重要分子靶点。例如，KIT是通过NGS技术筛选出的黑色素瘤＂驱动“基因。因此，激酶类抑制剂在临床上也用于KIT突变相关肿瘤如黑色素瘤和胃肠间质肿瘤的治疗。类似蛋白水平的靶向药物还包括EGFR抗体类药物治疗晚期非小细胞肺癌等。 2肿瘤核酸水平的靶向治疗肿瘤核酸水平靶向治疗分为DNA和RNA靶向治疗。由于肿瘤分子遗传机制的复杂性，因此，肿瘤核酸水平靶向治疗的基本原理和策略除符合一般遗传性疾病（如单基因病）治疗外，还有其自身的特点。 对千所有肿瘤都可以采用人工杀伤肿瘤细胞的治疗策略，如将编码某些毒素的基因或能增强药物敏感性的基因导入肿瘤细胞。也可以刺激肿瘤细胞的自身杀伤功能，如将编码外源抗原或细胞激酶的基因导入肿瘤细胞以增强免疫系统抗肿瘤的能力，或诱导正常组织产生抗肿瘤物质如干扰素等，或用重组疫苗预防和治疗肿瘤。 针对癌基因激活所引起的肿瘤，可以通过导入外源基因、基因特异性反义寡核昔酸和基因特异性寡核甘酸等抑制癌基因转录或失活癌蛋白，达到治疗肿瘤的目的。将野生型抑癌基因导入肿瘤细胞可以治疗因抑癌基因失活所引起的肿瘤。肿瘤基因治疗是通过体内和体外两种基因治疗方法实现的。 在RNA水平，首个针对microRNA-122的靶向药物SPC3648治疗丙型肝炎巳在2008年处千II和Ill期临床实验，开辟了包括肿瘤等在内常见病核酸水平治疗的新领域。microRNA不仅可作为疾病药物治疗分子靶点，还是疾病诊断、预后和疗效判定的重要分子标志物。microRNA在尿液和血液等12种体液中可被检出，因此，在疾病个性化治疗中的潜在临床意义非常巨大，应用前景也十分广泛。目前，针对microRNA-21（胶质母细胞瘤）、l et-7（非小细胞肺癌）和m i croRNA-34（黑色素瘤、肺癌、肝癌、前列腺癌、结肠癌）分子靶向药物正处于临床前研究阶段。 肿瘤是细胞异常增殖的结果，具有环境和遗传因素双重背景。遗传现象、遗传性肿瘤综合征和基因组不稳定性等是肿瘤具有遗传背景的间接证据，癌基因激活和抑癌基因失活等是肿瘤具有遗传背景的直接证据。肿瘤是一种体细胞遗传病，分为遗传性肿瘤和散发性肿瘤。肿瘤起原于单细胞克隆并发生多克隆演化，此过程涉及至少两次遗传学打击事件，因此，肿瘤的发生发展是一个多因素、多基因参与的多阶段、多途径的复杂过程。肿瘤遗传易感基因决定肿瘤的发病凤险，可作为肿瘤分子诊断的标志物。基于肿瘤基因组学荻得的＂驱动“基因不仅可作为肿瘤分子诊断的标志物，还可作力肿瘤治疗的分子靶标。肿瘤分子靶向治疗是当今和未来肿瘤干预的重要手段。 I.简述常见的肿瘤遗传现象；结合这些现象简述肿瘤发生的理论。 第十七章表观遗传病 表观遗传学(epigenetics)研究“无关“DNA序列结构改变的基因表达遗传变化，涉及DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA调节等过程。表观遗传效应维系着各种不同细胞的特异的基因表达谱。表观遗传的异常可引起细胞表型的改变，导致机体结构和功能的异常，甚至诱导疾病的发生。表观遗传学是分子遗传学的新领域，由表观遗传机制控制的疾病性状遗传是医学遗传学的一个重要组成部分。 第一节表观遗传机制—、DNA甲基化 DNA甲基化(DNA methylat ion)是基因组DNA上的胞啼唗第5位碳原子和甲基基团间的共价结合，胞瞪唗由此被修饰为5－甲基胞啼唗(5-me thylcytosine,5-mC)。哺乳动物基因组DNA中5-mC约占胞啥唗总晕的2%~7%，主要存在千CpG二联核背酸(CpG doublet s)中。CpG二联核昔酸常以成簇串联的形式排列，富集在结构基因5'端附近，该区域称为CpG岛(CpG i slands)。 在哺乳类基因启动子中，约40％含有CpG岛。CpG岛中的5-mC会通过多种机制阻碍转录因子复合体与DNA的结合，所以DNA甲基化一般与基因沉默(gene silence)相关联；而非甲基化一般与基因的活化(gene activation)相关联。去甲基化(demethylation)则往往与一个沉默基因的重新激活相关联。 DNA的甲基化修饰依赖DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase, DNMTs)催化完成。DNMT可将S腺昔甲硫氨酸(S-adenosylmethionine, SAM)上的甲基转移至胞瞪唗核昔酸的第5位碳原子上。在哺乳动物细胞中，DNMTs包括DNMTl,DNMT3a和DNM1'3b三个成员。当一个甲基化的DNA序列复制时，新合成的DNA双链呈半甲基化，即只有母链有完整的甲基化标记，而另一条链可经DNMTl的催化在与母链上5-mC对称的位置上使相应的胞晓唗甲基化（图17-1)。DNMTl主要在DNA复制中维持DNA甲基化型的存在，而DNMT3a和DNMT3b则是不依赖半甲基化DNA分子中的甲基化模板链而新合成5-mC的甲基化酶。DNMTs以及DNA去甲体上，这些调控元件的CpG岛呈现甲基化型的明显差异，即父源和母源染色体上的ICs的甲基化呈现出分化状态，也称差异甲基化(differential methylation)。例如，在15qll-ql3区有一段430bp长的SNRPN调控区段，含有23个CpG二联核昔酸。在遗传自母源染色体上的23个CpG二联核昔酸完全被甲基化，而遗传自父源的染色体的则全为非甲基化。实验证明，这种呈差异甲基化的ICs是该区段邻接基因表达的调控元件。 迄今已发现的印记基因约有130多个，大多成簇排列。虽多数印记基因的作用机制尚不清楚，然而几乎都与DNA甲基化型的异常相关联。值得注意的是，涉及不同亲本来源的印记基因的DNA甲基化型都是在生殖细胞成熟过程中建立的（图17-2)。也就是说，基因组印记是生殖细胞系的一种表观遗传修饰，这种修饰由一整套分布于染色体不同部位的印记中心来协调，印记中心直接介导了印记标记的建立及其在发育全过程中的维持和传递，并导致以亲本来源特异性方式优先表达两个亲本等位基因中的一个，而使另一个沉默。研究表明，在哺乳动物中相当数量的印记基因是与胎儿的生长发育和胎盘的功能密切相关的。这对于胚胎发育中胚胎和胎盘组织的基因表达调控非常关键。哺乳动物孤雌生殖的不可能，以及通过哺乳动物体细胞核移植来克隆动物的实验频频失败的原因之一，很可能是缺乏来自精子和卵细胞的大量印记基因之间的协调表达。 二、组蛋白修饰 殖生一(〉 性雌 系殖生性雄 邕围 细 胞 ）性加始（原 构成核小体的组蛋白氨基端部分可以被多种酶进行各种修饰，如磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化等，其中组蛋白乙酰化和甲基化是最重要的修饰方式。组蛋白的这类修饰可以改变DNA－组蛋白的相互作用，使染色质的构型发生改变，称为染色质重塑。染色质结构具有重要的基本功能，不仅通过浓缩保护DNA，而且维护着遗传信息和调控基因表达。通常，组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化预示着开放的常染色质构型以及转录活性区子） 域；而组蛋白的甲基化既与浓缩的异染色质 以及基因转录抑制相关，也可以与转录活性关联。组蛋白的修饰可以相互影响，并和DNA甲基化相互作用。组蛋白氨基端部分的大扯修饰形成不同的组合，构成了可被转录复合物识别的组蛋白密码(histone code)。例如，组蛋白H3的第9位赖氨酸残基(H3K9)在组蛋白乙酰化转移酶(histone acetytransferase,转移酶(histone methyltransferase)作用在同一位置加上甲基，即可形成一个异染色质蛋白(heterochromatin protein1, HPl)或其他抑制性染色质因子的结合位点。HPl的结合导致DNA分子上特定CpG岛的甲基化和稳定的基因沉默。但组蛋白H3第4位赖氨酸残基(H3K4)或第36位赖氨酸残基(H3K36)的甲基化修饰则与基因转录激活相关联。所以，组蛋白的修饰对基因表达的影响显示表观遗传调节的极端复杂性。 第十七章表观遗传病203 三、非编码RNA 真核细胞中存在一类RNA分子，既不被翻译成蛋白质，也缺乏tRNA和rRNA的功能，但可以在各个水平参与基因表达调节，被称之为非编码RNA(non-coding RNA, ncRNA)。ncRNA包括小ncRNA和长链ncRNA(long ncRNA, lncRNA)。其中，大约由20~30核昔酸(nt)构成的小ncRNA分为三类：short interfering RNA(siRNA)、microRNA(miRNA)和piwi-interacting RNA(piRNA)。miRNA主要行使内源性基因调节子的作用，siRNAs则在维护基因组完整性方面起作用，例如主要针对病毒，转座子和转基因等外源入侵的核酸。piRNA主要存在于动物体内，集中在生殖细胞中行使功能。lncRNA是指大于200个核昔酸并显著缺乏蛋白表达的功能转录子。lnc RNA也具有5'端的甲基化鸟昔帽，并常被剪接和多聚腺昔化修饰。广义上lncRNA可以来自不同类型RNA的转录子，包括增强子RNAs、snoRNA、基因间转录子，同义或反义方向重叠的转录子等。ln cRNA主要存在细胞核内，平均表达水平较蛋白编码基因低。 Dicer酶是特异识别dsRNA的核糖核酸酶Ill(ribonuclease Ill, RN ase Ill)家族成员之一，它能以ATP依赖方式将内源或外源dsRNA前体分子加工成典型的约21nt长的双链分子。然后这个双链产物经过解链，其中一条链作为指导链与效应子Ago蛋白稳定结合，形成不同种类的RNA诱导沉默复合体(RNA-induced silencing complex, RISC)，另一条链（过客链）则被丢失。根据Watson-Crick碱基配对原理，指导链识别靶向RNA分子，最终，RISC可以分别通过抑制转录或翻译、促进异染色质形成以及加速RNA或DNA降解等机制，从而实现对各种靶基因的表达调控（图17-3)。 基因组＼丫一＄霍飞骂 II I I I'l I, I I I I沪一一·一 转录异染色质翻译RNA降解DNA降解 迄今已知miRNA调节大约30％人类基因的表达。miRNA可以通过靶向DNA或组蛋白修饰酶等表观遗传复合物而实现调节作用。例如，在肺癌细胞株中，miR-29家族(miR-29a、miR-29b和miR29c)可以直接调节DMNT3a和DMNT3b；当重新表达mIR-29，可破坏初始DNA甲基化，从而导致肿瘤细胞的DNA普遍低甲基化。在肺癌细胞中，肿瘤抑制基因(TSG)可通过启动子超甲基化而被表观沉默的。miR-29可使TSG启动子的CpG岛去甲基化，使其重新表达，从而诱导肿瘤细胞凋亡和生长抑制。这些发现揭示：miRNA可以通过直接调节表观遗传过程而间接调节基因的表达。miRNA也调节HDAC以及多梳抑制复合物(polycomb repressive complex, PRC)基因的表达。HDAC4是miR-1和miR140调节的直接靶点，而miR-449a可与HDACl的3'-UTR区域结合。HDACI在几类肿瘤细胞中被上调，miR-449a在前列腺癌细胞中重新表达，可使HDACl水平降低，诱导细胞周期阻滞，细胞凋亡以及衰老表型。EZH2是PRC2的催化亚基，通过使组蛋白H3第27位赖氨酸残基三甲基化(H3K27me3)可促使异染色质形成，导致几个TSG沉默。在前列腺癌细胞株和原发肿瘤组织中，miR-101在前列腺和膀胱癌模型中直接靶向EZH2，因此通过介导EZH2抑制阻止了肿瘤细胞的增殖和克隆形成。 目前已知lncRNA主要通过以下几种方式对基因进行调节。心自我转录干扰调节。即lncRNA通过转录调节序列（如启动子）阻止自身的功能。例如，在哺乳类基因印记过程中，Air lncRNA从父本染色体表达，然后可以沉默父本多个基因的等位基因。其中之一的IGF2r基因启动子可与Air转录子单位重叠，因此通过转录干扰实现对该基因的沉默。(2)l ncRNA通过顺式作用激活或沉默近邻基因的表达。lncRNA可以进行等位基因特异的基因调节来差异控制一个细胞内同一个基因的两个拷贝。这种lncRNA可以与募集的组蛋白修饰复合物相互作用进行基因调控。＠是ln cRNA反式调控远距离基因染色质状态去激活或沉默基因，这些ln c RNA可结合相同的效应子染色质重塑复合物的其中一部分蛋白，但是可以靶向全基因组范围的位点。 在雌性哺乳动物体细胞内，两条X染色体中的其中一条在发育过程中发生随机失活，这是一种重要的基因剂量补偿机制。此过程主要涉及两条lncRNA,即17kb长的Xist(X-inactiv e specific transcript)和40kb长的反义转录子Tsix。在分化前，Xist RNA在雄性和雌性细胞内均呈现低表达，一旦细胞分化，Xist RNA将包裹将要失活的X染色体，并促发强烈的组蛋白甲基化；而Tsix主要在未失活X染色体上限制Xist的活性。 哺乳类细胞利用各种类型的ncRNA分子改变基因启动子的结合状态，从而调节基因的表达。这些机制可实现对目的基因表达的精细调节，以应对细胞环境条件的变化；此外，这种微涸也可以作为一个发育程序的一部分，最终实现对一个相关基因的沉默。 第二节表观遗传病 表观遗传修饰异常引起的表观遗传病主要可分为两大类，一类是在发育的重新编程过程中造成的特定基因表观遗传修饰的异常，称之为表观突变(epimutatio n)；另一类与表观遗传修饰的分子结构与功能相关的蛋白质编码基因有关，如DNA甲基转移酶基因或差异甲基化CpG岛结合蛋白CTCF基因的突变或表观突变等。表观遗传病包括多种复杂的遗传性综合征、中枢神经系统发育和代谢紊乱以及癌症等。 一、综合征与表观遗传 (—)脆性X染色体综合征 脆性X综合征(fragile X syndrome, FXS)(OMIM#300624)是一种严重的遗传性智力障碍综合征。最初在1943年由Jam es Purdon Martin和Jul i a Bell发现并报道，故又称为Martin-Bell综合征。绝大多数男性患者的临床特征包括智力低下、出生时体重大、脸部长而窄、大头、前额凸出、大耳朵、唇厚、下唇突出、巨睾。大部分脆性X综合征的患者都具有说话能力，但是他们常常重复同样的话题，吐字不清晰，口吃等。人格和行为障碍，好动，注意力不集中和性情孤僻，有焦虑，运动幅度过大和喜模仿。70％的女性携带者智力表现正常，仅有30％女性杂合子表现出不同程度的智力低下。 脆性X智力低下基因1(fragile X mental re匡dation genel,FMRI)(OMIM*309550)是本病的致病基因。FMRJ位于X染色体的长臂远端Xq27.3区的脆性部位，含17个外显子和16个内含子，全长38kb。在基因的5'非翻译区存在一段数目可变的(CGG),，重复序列，正常人群FMRJ基因的(CGG)"重复次数在5~50拷贝之间。50~200拷贝时称为前突变，200拷贝以上称为全突变。(CGG)『，拷贝数的扩展是随着世代而不断进行的，被称为动态突变。(CGG)，，重复序列的上游250bp处存在CpG岛。CpG岛在前突变时通常不会甲基化，而在全突变时则高度甲基化。这种重复序列扩展可造成的CpG岛异常的高度甲基化，从而导致FMRJ的基因沉默。研究表明，FMRJ的基因沉默是由FMRI的mRNA所介导的，在FMRl mRNA的5'非翻译区含有转录的CGG重复序列，与FMRJ基因的CGG重复序列杂交形成RNA/DNA双链，使得FMR l的翻译被抑制，导致无法合成正常的蛋白质。 （二）Prader-Willi综合征和Angelman综合征 Prader-Willi综合征(PWS)(OMIM#l76270)和Angelman综合征(AS)(OMIM#105830)均属于遗传印记异常导致的遗传疾病，分别由A. Prader和H. W心等人于1956年和H. Angelman等人于1968年首次报道。PWS的临床特征是新生儿及婴儿期肌张力减小，呼吸困难，儿童期食欲旺盛易导致肥胖，身材矮小，并伴有智力低下，由千促性腺激素分泌不足导致的性腺功能减退。AS的特点是严重的运动及智力障碍，语言功能障碍，共济失调和以巨大下颌及张口吐舌为特征的特殊面容。 大约70％的PWS及AS患者均为染色体15qll-13区域缺失，发病率约为1/15000。如果这种缺失是发生在来自父源的15号染色体上，表现为PWS；如果缺失发生在来自母源的15号染色体上，则表现为AS。研究表明，在15qll-13区域缺失的位置含有几个通常仅在父源染色体上转录的基因，在母源于的15号染色体上是被印记而无转录的。而此关键区域中的其他基因仅在母源染色体上具有转录活性，在父源染色体上则被印记而失转录。在15qll-13区域存在多个印记基因（如SNRPN、NDN、ZNF127等），其中PWS的致病基因是SNRPN，该基因编码小核糖核蛋白多肤N，表达在下丘脑和嗅皮质，在前体RNA的加工中起重要作用。PWS的发病原因是母源SNRPN基因印记，而父源SNRPN基因缺失的结果除了染色体缺失之外，还有几种机制会导致PWS和AS。其中之一是单亲二体性(UPD),PWS和AS患者的两条15号染色体均正常，但PWS患者的两条15号染色体均来源自母亲，而AS患者的两条15号染色体均来源于父亲。PWS的UPD发生率大约占PWS患者的20%，而AS的UPD发生率较低，约为2%。另外，大约20％无染色体缺失的AS患者中，存在UBE3A的突变或失表达。UBE3A基因编码泛素－蛋白连接酶，参与蛋白质的更新过程。脑形成过程中UBE3A的表达异常可导致AS。 （三）Beckwith-Wiedemann综合征 Bec kwith-Wiedemann综合征(Beckwith-Wiedemann syndrome, BWS)(OM IM#l30650)是一种过度生长的综合征，并伴随着儿童期癌症易感性增加。以新生儿低血糖，巨舌，巨内脏，腹壁缺损（跻茄、腹裂）为主要特点，部分BWS患儿也会出现不对称的肢体／面部／躯干一侧的过度生长，即偏侧增生。BWS患儿伴发实体恶性肿瘤的趋势增高，常见肾母细胞瘤和肝母细胞瘤；如果早期发现，这两种肿瘤均可以有效治疗，所以定期筛查是治疗该疾病的重要环节。 BWS是由于定位于染色体llpl5.5区段的部分基因异常所致。该区域是基因组中高度保守的一个区域，至少含有12个成簇排列的印记基因，有些印记基因呈父源等位基因表达模式，另一些呈母源等位基因表达模式，形成两个独立控制的印记域，其印记状态受到两个印记中心的调控。在第一个印记中心中，主要有胰岛素样生长因子的编码基因/GF2、Hl9基因，以及在Hl9基因上游2kb处的存在一个差异甲基化区域(DMR),DMR通过差异甲基化以及特有的染色质屏障调节蛋白CTCR结合位点对IGF2和Hl9进行交互的印记调节。当促生长作用的父源基因IGF2过分表达时，母源具有抑制生长作用的HJ9表达，从而阻碍IGF2的表达。在有些BWS患者中，母源IGF2发生印记丢失而出现表达，其结果是JGF2的表达量比正常多一倍，从而诱发BWS患者的过度生长特征。 目前巳知，50%~60％的BWS病例可由DMR2的父本印记缺失引起，这个区域包含许多基因，其中包含编码细胞周期蛋白依赖的激酶抑制蛋白的基因CDKNIC在内的多个与细胞分裂周期相关的基因通常认为这种缺失会导致生长抑制因子的沉默，从而导致过度生长和癌症易感性增加，但是具体机制还有待进一步阐明。（四）Rett综合症Rett综合征(OMIM#312750)是一种严重影响儿童精神运动发育的疾病。患者主要累及女性，患病男孩很罕见，在女孩中的发病率约为1/15000~1/10000，多数为散发病例，部分病例(O.5%~1%）有家族史，且同卵双胎发病具有高度一致性，因此被认为是遗传性疾病。通常患者在出生后的6~18个月就出现发育迟滞，头部生长迟缓，随后其体格发育明显减慢，精神运动显著倒退，并逐渐丧失已获得的精神运动技能，出现经典的手部刻板运动，语言能力丧失，部分患儿会出现惊厥发作。发病后期会出现骨骼畸形，脊柱侧弯，肌肉萎缩，运动能力严重衰退等症状。 家系分析显示Rett综合征是一种X连锁基因突变所致的遗传病。MECP2是Rett综合征的主要致病基因。MECP2位于染色体Xq28，包含4个外显子和3个内含子，编码一种甲基结合蛋白MeCP2(methyl CpG binding protein2)。该蛋白共有486个氨基酸，包含2个主要功能区：即甲基化CpG结合区和转录抑制区。因此，MeCP2能专一性地识别甲基化CpG岛并与之结合，作为分子樵头将染色质修饰复合物(chromatin-mod ifyin g complex, CMC)和DNA甲基化区域连接在一起以阻遏基因转录，从而维持与修饰神经元成熟。当MECP2基因发生突变可使其编码的蛋白功能异常，导致了异常的甲基化，最终可能对神经系统的生长和发育造成损害。值得注意的是，MECP2基因的表达谱比较广泛，为什么突变所造成的病理作用只局限于脑内神经细胞的机制还有待进一步探索。 （五）X连锁0:地中海贫血／智力发育迟滞综合征X连锁a地中海贫血／智力发育迟滞综合征(X-link ed alpha-thalassemia/mental retardation syndrome, ATR-X)(0MIM#301040)在1981年由D. J. Weathrall等首先报道，发现患者具有地中海贫血和智力低下的联系，随后证实这并非患者同时患有两种疾病，而是一种X连锁疾病，称为ATR-X。基因突变会引起特征性的发育异常，表现严重的智力低下、面部变形、a－地中海贫血、泌尿生殖道畸形甚至出现性反转表型。现已证实ATR-X基因(OMIM*300032)编码一个含有植物同源结构域(plant homeodomain, PHD)的蛋白质，该蛋白质是一种转录调节因子，通过修饰染色质的局部结构来调节转录，该蛋白质的C末端还含有解旋酶SN F-2家族成员的标志性结构域。在细胞分裂间期和中期，该蛋白质定位在着丝粒附近的异染色质区。在ATR-X患者中发现一些高度重复序列的甲基化型发生了改变，包括编码核糖体RNA的rDNA重复序列，Y染色体特异的卫星DNA和亚端粒区重复序列等。这些重复序列区域甲基化的严重减少，加上染色质重塑解旋酶SNF-2结构域的存在，提示ATR-X编码的蛋白质功能可能起着将DNA甲基化和染色质重塑这两类表观遗传修饰连接在一起的作用。一些植物和哺乳动物的实验观察也证实SNF-2样蛋白的突变会导致基因组甲基化的急剧丢失。 （六）ICF综合征 ICF综合征I(immunodeficiency, cenlromeric region ins tab山Ly and facial anomalies syndrome!, ICFI)(OMIM#242860)是一种罕见的常染色体隐性遗传疾病。主要病症是不同程度的免疫缺陷，并伴有发育迟缓，面部畸形和智力低下，消化系统感染。研究发现，ICFl患者的l、9、16号染色体的环着丝粒区域的不稳定性明显增加。这些区域含一种通常被甲基化的卫星DNA序列，但在ICF l患者中，这些典型性卫星DNA序列发生了去甲基化。同源谱系分析表明ICFl的病原位点定位在染色体20ql1.21区域，该区域包含了DNA甲基转移酶3B(DNMTIB)，通过对ICFl患者的DNMT3B基因进行测序，发现大多数患者的DNMT3B发生了纯合突变和复合杂合突变。因此DNMT3B突变造成的异常的甲基化模式最终导致了ICFl综合征的发生。基因芯片的表达分析还显示，患者淋巴细胞中部分与免疫功能调节相关的基因表达水平下调，但未观察到这些基因启动子区甲基化型的变化，提示ICFl综合征中DNMT3B基因的突变可能通过降低转甲基活性而减少了对基因转录的阻遏作用，从而间接影响了淋巴细胞部分基因的表达模式。 第十七章表观遗传病207 二、代谢疾病与表观遗传 （一）表观遗传调控代谢 许多类型的细胞能借由基因组重编程对环境产生差异性的应答，营养等环境因素可以影响细胞的代谢过程。已知乙酰化和甲基化都是发生在特定残基上的组蛋白翻译后修饰，涉及转录的激活与沉默、DNA修复和重组等。负责这类修饰的酶以代谢物作为乙酰或甲基基团的来源，这些代谢物的含量和定位决定了酶促反应的有效性和特异性。在乙酰化中，细胞代谢物乙酰辅酶A(acetyl-CoA)和NAD十是相应表观遗传学修饰酶的辅酶，能够参与调控基因表达。例如，组蛋白乙酰转移酶(HAT)的乙酰化依赖千局部乙酰辅酶A的亚细胞浓度。 组蛋白去乙酰化酶(HDAC)负责去乙酰化，其中皿类HDAC在结构上与酵母的沉默信息调节因子2(Sir2)相似。哺乳动物HDAC中的sirtuin家族（酵母Sir2直系同源）有7个成员(SIRTl到SIRTI)，各有特异的亚细胞定位。SIRT蛋白能够感知热量限度，并涉及线粒体能量代谢、炎症等过程。当禁食时，NA D十的细胞浓度升高，可增加SIRTl的活力。而当能量过多时，NAD+转化为NADH,使其浓度迅速降低。显示营养、能量代谢和表观遗传学调控是紧密关联的。 （二）表观遗传调控与2型糖尿病 DNA甲基化机制影响B细胞的发育及功能。胰腺B细胞分泌的胰岛素是人体内唯一能够降低血糖水平的激素，维系着机体血糖稳态。研究表明，在2型糖尿病(OMIM#l25853)患者中胰腺B细胞的质量和体积减小了30%-60%。因此，B细胞在2型糖尿病的起始中可能起到了关键作用。当B细胞的表观基因组发生异常改变，可损坏对已经分化并行使功能细胞的维系，导致B细胞的功能不足。除了一些主要基因在胰腺a细胞及B细胞的分化中起重要作用外，一些表观机制也影响发育阶段及成人阶段前体细胞的分化状态。因此，当诱导产生B细胞的基因表达，并且诱导产生a细胞的基因表达关闭时，B细胞数量增加，从而可以防止糖尿病的发生。例如PAX4(Pair ed box4)基因在成熟胰腺B细胞的产生中起重要作用，而在一些2型糖尿病患者的胰岛部位，PAX4处千超甲基化状态，表达被抑制。相反，为了维护B细胞的特性，胰腺a细胞的主要调控基因ARX在B细胞中由DNMTl介导处于甲基化状态而被抑制。因此，B细胞的存在取决千表观遗传控制的PAX4和ARX的桔抗作用，但其精细的调节机制尚不清楚。 lncRNA可以通过募集DNA和组蛋白的修饰分子到基因组特定位点从而对基因的表达发挥调控作用；在一些糖尿病患者的胰岛中已经检测到lncRNA的异常表达；全基因组关联研究GWAS发现，部分lncRNA的遗传变异与代谢疾病和糖尿病的易感性有关。例如，lncRNA-GAS5(growth arrest-spe叫ic t ranscr ipt)和MALATl(metastasis-associated adenocarcinoma transcript1)分别与2型糖尿病及人类胰岛的调节有关。因此，通过调控相关lncRNA的水平，可能有助于对2型糖尿病及其他代谢疾病的治疗。 PDXl(pancreatic and duodenal homeobox factor1)是调节胰岛素基因表达的主要转录因子；当机体血糖浓度较高时，PDXl通过募集HAT p300到胰岛素基因的启动子区域，通过对组蛋白H4的乙酰化修饰，实现对高血糖依赖性胰岛素基因表达的调节作用。相反，当机体处千低血糖的条件下，PDXl通过与HDAC（例如，HDACl和HDAC2)的相互作用，从而抑制胰岛素基因转录。这些研究结果说明，表观遗传在维待血糖稳态时对胰岛素基因转录的动态调控起着关键性作用。 B细胞活性也可受到表观遗传修饰的影响。GLP-1作为一种肠源性激素，可以通过GLP-1受体(GLP IR)增加B细胞中胰岛素的分泌。研究发现，在2型糖尿病患者的胰岛中，位于GLPIR转录起始位点的12个CpGs的甲基化水平增加，导致GLPlR的表达抑制。此外，胰岛细胞分泌胰岛素也依赖千线粒体的功能。PGCla是线粒体基因的一个转录共激活因子和主要调节基因。在糖尿病患者的胰岛中，PGCla基因启动子区域高度甲基化，导致PGClc;的表达水平降低，使胰岛素的分泌受损。 2型糖尿病的发作可能涉及表观遗传隔代传递。表观遗传信息的隔代传递，即表观遗传标记从顷4t:i一代到另一代的转移，可能影响几代人。表观遗传特征不仅可以在有丝分裂过程中被子细胞获得，而且在配子形成时的减数分裂过程中同样可以遗传。第一个机制是表观遗传的基础，第二个机制则允许表观遗传的隔代传递。代谢性疾病，包括糖尿病，可能依赖于子宫内改变的表观遗传重编程。相反，隔代效应则是尚未暴露于环境刺激的后代呈现出表观遗传改变。妊娠糖尿病(GDM)是一种可将表观遗传信息传递给胎儿的例证。患有妊娠糖尿病的妇女及其后代发生2型糖尿病的风险比正常人高7~8倍，且后代伴有多种表观遗传修饰。尽管一些研究已经提供了令人信服的证据，即当父母接触到环境触发因素时，可能对后代产生影响。但表观遗传机制是导致糖尿病隔代遗传的假设还未得到完全证实。尽管如此，在不久的将来，通过预防和反转父母或祖父母得糖尿病的表观遗传变化的发生，即可阻止糖尿病的全球性泛滥。 三、肿瘤的表观遗传 经典的遗传突变可以诱导肿瘤的发生，而表观遗传结合经典遗传的改变则协同决定着肿瘤的发展。DNA甲基化的丢失是肿瘤组织中最早观察到的表观遗传改变之一。DNA甲基化异常既可以影响基因组的稳定性，又可以通过DNA甲基转移酶表达和关键基因CpG岛甲基化异常而诱导肿瘤的发生发展。 （一）肿瘤与DNA甲基化 在体内，重复元件构成了基因组的50%，正常时处千高度甲基化状态。而在肿瘤发生时，这些基因组区域，包括着丝粒串联重复序列、Alu序列以及LINE-1序列等均处于低甲基化水平（5-mC缺失）。已知这些在着丝粒附近的串联元件维持着DNA包装成异染色质，从而保证了染色体的稳定性。这些区域的低甲基化则可导致染色质解浓缩，并通过易位使染色体重排，进而诱导广泛的基因组不稳定。例如，在结肠肿瘤发生早期，LINE-1表现为低甲基化水平，阻断了基因表达的正常模式。还发现Alu和l/NE-1在非小细胞肺癌早期的低甲基化水平与基因组不稳定密切相关，提示在肺肿瘤发生中的潜在作用。 尽管整个肿瘤基因组显示低甲基化水平，但是基因组的某些区域仍处于高甲基化状态，其机制涉及DNMT酶的过表达，从而这些酶在肿瘤细胞中相互配合起始和维持新建立的甲基化模式。DNMJ'l和DNMT3b可与癌基因的转录因子形成复合体，在启动子区域的CpG岛诱导从头合成的甲基化修饰。例如，患急性粒性白血病患者伴随DNMT3a突变与恶性预后密切相关。因此，DNMT在肿瘤细胞中CpG岛的超甲基化修饰和后续下游作用中非常关键。 近年发现CpG岛正常的低甲基化模式在不同组织中是一致的，说明这些CpG岛DNA甲基化并不参与基因表达的调节。在肿瘤细胞基因组中，启动子区域的CpG岛则以超甲基化状态为特征。相比较而言，肿瘤组织基因间CpG位点的低甲基化水平常诱导基因组不稳定，C pG岛的超甲基化则通过沉默肿瘤抑制基因的表达而促进肿瘤的发生和发展。例如，PTAN是一种防止快速增殖的蛋白，在甲状腺肿瘤中处千高度甲基化状态；而涉及细胞周期调节、细胞黏附和细胞移动的蛋白APC则在肺癌、乳腺癌、结肠癌中通过超甲基化被抑制。细胞周期调节子pl6在几乎所有的人类肿瘤中均处于抑制状态。这些肿瘤抑制因子的活性抑制使得细胞生物过程缺乏调控而直接促进肿瘤发生。 肿瘤中超甲基化和低甲基化似乎是两种相反的力量，但这种模式确实可同一肿瘤组织中共存，仅是发生在基因组不同区域而已。由千低甲基化或超甲基化引起的表观遗传异常以多种方式相互作用，从而产生不同亚型的肿瘤。这种模式是稳定的，但是并不是不可逆转，而是随着细胞环境的变化而改变，归咎于肿瘤细胞表观基因组的复杂性。 （二）肿瘤与组蛋白修饰 受各种修饰的组蛋白修饰在基因表达和肿瘤中也起着重要的作用。染色质构型主要受到组蛋白N端化学共价修饰的调控。这种组蛋白修饰可以影响组蛋白与DNA的相互作用以及邻近组蛋白之间的相互作用。组蛋白修饰是一个动态过程，牵涉到酶催化的共价修饰添加、修饰的去除以及对已有修饰标记的识别。这一类酶的每一个异常都可能与肿瘤的发生相关。 组蛋白的甲基化修饰调节着基因的转录。在组蛋白尾巴特殊位点的甲基化修饰关系到转录的激活或抑制。涉及询控千细胞维持和分化的一个关键蛋白EZH2(enhancer of Zeste2)是赖氨酸甲基转移酶，可以催化H3K27三甲基化。EZH2属千多梳抑制复合物2(PCR2)的一个成员，而PCR2既可以转移甲基基团，又可以识别H3K27me3。H3K27me3标记一般正常沉默与发育和干细胞分化有关的基因，其中包括Hox基因簇。然而在许多肿瘤中，EZH2在转录和蛋白水平均呈现过表达状态。研究发现EZH2过表达的重要性在前列腺癌中显而易见，表现为细胞核中的EZH2蛋白染色从良性到转移逐渐增加。目前，EZH2的过表达已经被认定为乳腺癌、淋巴瘤、胶质细胞瘤和其他肿瘤的关键特征。 组蛋白甲基化标记可以被作用在组蛋白尾巴特异赖氨酸残基上不同的组蛋白去甲基化酶去除。 JMJD2C是将基因抑制相关标记H3K9甲基化去除的特异组蛋白赖氨酸去甲基化酶。目前发现其可以影响许多肿瘤的发生，如乳腺癌和食道癌等。靶向H3K4和H3K9的甲基化的赖氨酸特异的去甲基化酶l可在雌激素受体阴性的乳腺癌、间充质肿瘤和膀胱癌中高表达。 组蛋白乙酰化标记和染色质构型动态的维待主要由组蛋白乙酰转移酶(HATs)和组蛋白去乙酰化酶(HDAC)调控。HATs存在三个不同的家族，即Gcn5家族、p300/CBP家族和MYST家族。来自每个家族的HAT均可通过异常激活靶基因或异常抑制靶基因而促进肿瘤发生。HDAC是催化去除组蛋白乙酰化基团的酶，主要与转录抑制相关。与HATs类似，HDAC也可以将许多非组蛋白作为潜在的底物，催化许多在肿瘤发生起重要作用的相关蛋白的去乙酰化，包括p53、YYl和STAT3等。 （三）肿瘤与染色质重塑 研究已经证实：核小体移动导致的染色质重塑在肿瘤抑制和原癌基因转化中具有关键作用。例如，Snf5(Inil/Baf47/Smarcbl)是Swi/Snf ATP酶依赖的染色质重塑复合物的一个核心成员，也是一个潜在的肿瘤抑制因子，但在致死性儿童肿瘤中被特异灭活。正常情况下，Snf5和Swi/Snf复合物可以调节细胞周期，并与p53相互作用而防止原癌基因的转化。这些复合物可以利用ATP水解提供能量去重定位核小体，因此可调控特异基因进入到转录复合物中。此外，染色质重塑复合物还参与染色质结构改变必需的其他过程，包括DNA修复、DNA合成、有丝分裂和基因组稳定等。目前已知ATP酶依赖的染色质重塑复合物包括Swi/Snf、ISWI、CHD/Mi-2和IN080等。其中Swi/Snf是从酵母到人类进化保守的复合物，由8~l2个蛋白亚基构成，包含ATP酶、BRGl和BRM等亚基。目前发现，在部分肺癌以及乳腺癌亚型、前列腺癌和胰腺癌中，均存在Brg l亚基被沉默。从原癌基因转化的角度出发，沁／S nf复合物涉及多个癌症相关通路。这个复合物可以直接与Rb结合，其亚基Brgl和Brm则是Rb介导细胞周期停滞所必需的。 （四）肿瘤与非编码RNA 在基因组中存在多种非编码RNA分子，其中包括miRNA、piRNA以及lncRNA等。这些RNA分子参与DNA甲基化修饰、染色质重组以及转录和翻译的调节，在生理和病理过程中具有重要的功能。在人类肿瘤中，miRNA表达谱不同于正常组织，即使在在不同类型的肿瘤之间也表现为特异的表达谱。miRNA既可以行使原癌基因的作用，有可具有肿瘤抑制子的作用，体现了在肿瘤发生中的关键潜在功能。例如，miR-200启动子CpG岛的超甲基化使得miR-200沉默，导致锌指ZEBJ(E-boxbinding homeobox1)和ZEB2转录抑制子上调，进而诱导ECDHl(E-c adherin)下调，从而可以促进了肿瘤细胞上皮－间质转化。此外，一些遗传改变可以影响初级miRNA转录子的产生和成熟加工过程以及与靶向mRNA的相互作用，诱导肿瘤发生。例如，由千染色体13ql4缺失导致miR-15和miR-16调节失常常见千大多数B细胞慢性淋巴细胞白血病。值得注意的是位于染色体脆性部位的miRNA常与诱发卵巢癌、乳腺癌和黑色素瘤等有关。最近的研究证实，涉及miRNA加工机器的肿瘤特异的遗传缺陷与细胞转化通路密切相关，提示相关miRNA在肿瘤中的失调。例如编码TARBP2、DICERI和exportin5(XPOS)的基因等。尽管特异的miRNA可以行使原癌基因或肿瘤抑制子的作用，总体而言，由于miRNA合成缺乏，人类肿瘤中miRNA表达谱呈现为下调趋势。 从基因组超保守区域转录(transcribed from ultraconserved region, T-UCR)的lncRNA异常表达也涉及肿瘤的发生。许多人类肿瘤可以根据T-UCR异常表达谱进行区分。目前已经获得了慢性淋巴细胞白血病、结直肠癌以及肝癌的T-UCR表达谱。在肿瘤组织中，不同的T-UCRs既可以上调，也可以下调。类似于miRNA，在特异肿瘤中分化表达的T-UCR常常位千与此肿瘤相关的肿瘤基因组区域，如脆性位点、HOX基因簇、微小杂和丢失域以及微小扩增域等。迄今发现T-UCR在肿瘤中表达的异常涸节机制主要涉及两个途径，即改变与miRNA的相互作用和启动子CpG岛的超甲基化修饰。许多T-UCR显示与miRNA良好的互补性，提示可被m iRNA进行靶向调节。例如，将miR-155转染到白血病细胞中，可以显著降低T-UCR UC.160＋的表达。此外，在上皮癌细胞中，lncRNA-HOTAIR表达增加可诱导基因组范围的多梳蛋白PRC2重新占位，并使H3K27me3涉及的靶基因沉默，这种改变进而增加肿瘤细胞的侵袭和转移。而当HOTAIR表达被抑制，癌症细胞的侵袭能力也降低。说明HOTAIR具有调节癌细胞表观遗传组和介导细胞转化的激活作用。最初在人类白血病鉴定的pl5反义lncRNA-pl5AS则可通过诱导基因位点异染色质形成，从而促使pl5肿瘤抑制子的沉默。 擘，一 本章小结 表观遗传涉及DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA调节等多个环节。表观遗传介导的基因调节在组织器官的重要发育和机体各种细胞生物功能中发挥着独特作用，是新的分子遗传学和医学遗传学分支。表观遗传的异常可诱发许多疾病的发生发展，涉及复杂的综合征、肿瘤、免疫性疾病、代谢性疾病以及神经系统疾病等。随着上述疾病表观机制的不断阐明，利用表观遗传策略治疗这类疾病显示着巨大的潜力，具有重要的生物医学意义。 1.诱导朵色质重塑的表观遗传机制主要包括哪些方面？ 2.非编码小RNA分子主要包括哪几类？3.印记疾病涉及的表观遗传机制是什么？4.比较维持型和初始型的甲基转移酶的异同。 （彭鲁英） 第十八章遗传病的诊断 遗传病的诊断是开展遗传病防治工作的基础。遗传病的病症涉及身体各组织器官，因此，遗传病的诊断是一项复杂的工作，需要临床多个学科的密切配合。 遗传病的诊断包括常规诊断和特殊诊断。常规诊断指与一般疾病相同的诊断方法；特殊诊断是指利用遗传学方法进行诊断，如家系分析、染色体检查、基因诊断等，是确诊的关键。根据诊断时间的不同，遗传病诊断分为临症诊断、症状前诊断、产前诊断和胚胎植入前遗传学诊断。 第一节临症诊断和症状前诊断 临症诊断(symptomatic diagnosis)是根据患者已出现的各种临床表现进行检查、确诊，是遗传病临床诊断的主要内容。症状前诊断(presymptomati c diagnosis)则是对有较高遗传病发病风险的个体作进一步检查、诊断，使他们在出现症状前能够得到明确诊断，对其在组织器官尚未出现器质性病变前进行必要的治疗和预防，也有助千遗传咨询。目前，症状前诊断的可靠方法只有DNA的分析。 —、病史、症状和体征 (—)病史 病史采集主要是通过采集对象的主观描述和相关个体的病案查询来进行，同时还要收集家族史、婚姻生育史和患者发病时间等相关信息。遗传病大多有家族聚集倾向和特定的遗传规律，因而病史采集的真实性和完整性对后续的分析和研究至关重要。另外，还要根据不同的遗传病进行一些特定的遗传调查。 （二）症状和体征 遗传病具有与其他疾病相同或相似的体征，可能还有其特异性症候群，这些都为初步诊断提供线索。大多数遗传病在婴儿或儿童期就有相应的体征和症状，因此，除观察体貌特征外，还要注意其身体生长发育、智力发育、性器官和副性征的发育是否存在异常。 二、家系分析 根据对患者及家族成员发病情况的调查结果绘制系谱，有助于区分单基因病和多基因病等，明确遗传方式。系谱分析应注意系谱的系统性、完整性和可靠性。在单基因遗传分析中要特别注意诸如外显不全、延迟显性、显隐性的相对性、遗传印记、动态突变、线粒体病以及遗传异质性等问题，避免误判以及发病风险的错误估计。 三、细胞遗传学检查 细胞遗传学检查即染色体检查或称核型分析，是应用较早的遗传病诊断的辅助手段。随着染色体显带技术，特别是高分辨染色体显带技术的应用，能够更准确地判定和发现更多的染色体数目和结构异常综合征，发现新的微小畸变综合征。利用染色体显带技术，还可以对某些疾病在染色体水平上发现一些原发性改变，如肿瘤、发育缺陷、心血管疾病等，把疾病相关基因限定在一个较小的范围内，便千进一步深入研究。 染色体检查的标本来源，主要来自外周血、绒毛、羊水中脱落细胞和肪带血，皮肤、骨髓、胸腹水、手术切除的病理组织等。染色体检查的指征包括：有明显智力障碍者；生长迟缓或伴有其他先天畸形者；夫妇之一有染色体异常，如平衡结构重排和嵌合体等；家族中已有染色体异常或先天畸形的个体；多发性流产妇女及丈夫；原发性闭经和女性不育者；无精子症和男性不育症者；两性内外生殖器畸形者；疑为唐氏综合征的患儿及其父母；原因不明的智力低下并伴有大耳、大睾丸和多动症者；35岁以上的高龄孕妇。 染色体原位杂交是应用标记的DNA片段（探针），与玻片标本上的细胞、染色体，以及间期细胞的DNA或RNA杂交，对特定核酸片段进行定位和定量分析的技术。通常采用生物素、地高辛等标记探针，原位杂交后，用荧光染料标记的生物素亲和蛋白、抗亲和蛋白的抗体进行免疫检测和杂交信号放大，使探针杂交的区域发出荧光，这种方法称荧光原位杂交(FISH)，灵敏度高，特异性强，可以检测染色体微小结构异常，也可应用在基因定位和基因制图等领域。另外，双色FISH、多色FISH、染色体涂染等先进技术的应用，大大提高了染色体畸变的检出率和准确性。 四、生化检查 生化检查是遗传病诊断中的重要辅助手段，包括临床生化检查和针对遗传病的特殊检查，主要是对由于基因突变所引起的酶和蛋白质定量和定性分析，对单基因病和先天性代谢病进行诊断。 已知的多种遗传性代谢病中，可由基因突变、基因缺失、基因表达失调或翻译后加工修饰缺陷所致。目前佃床上常用的生物化学检查方法用于检测酶的缺陷和代谢中间产物，以血和尿液为主要检材。随着生化检查方法学的不断改进，可采用滤纸片法和显色反应进行常规检测。 五、基因诊断 基因诊断(gene diagnosis)是利用分子生物学技术，检测DNA碱基序列或基因表达水平变化，从而对疾病作出诊断的方法。1978年，华裔美国学者Yuet-Wai Kan（简悦威）首次采用DNA重组技术对血红蛋白病进行产前诊断，开创了“基因诊断”的先河。目前，基因诊断早已进入临床应用，不仅用千遗传性疾病，而且用于对一些感染性疾病和肿瘤的诊断。 基因诊断具有以下特点：CD以特定基因为目标，检测基因突变和表达信息，特异性强；＠采用分子杂交技术和PCR技术具有信号放大作用，微量样品即可进行诊断，灵敏度高；＠可用于尚无出现临床症状前、胎儿出生前的诊断、群体筛查等，应用广泛；＠检测样品获得便利，不受个体发育阶段性和基因表达组织特异性的限制。但由于基因突变的类型多种多样，除了缺失、倒位、点突变、动态突变可以进行基因的检测外，大多数基因突变的分析比较复杂和繁琐，具有一定的难度（图18-1)。 ·原始表型·标准分析·样本信息凇测目的 ·单基因检测·文献检索 第十八章遗传病的诊断213 基因诊断也可称为分子诊断，是利用分子生物学技术，检测体内DNA或RNA在结构或表达水平上的变化，从而对疾病作出诊断。基因诊断区别于传统诊断主要在千直接从基因型推断表型，越过产物（酶或者蛋白质）直接检测基因最终作出诊断。基因诊断可以对遗传病患者作出临症诊断，可以在发病前作出症状前诊断，还可以对有遗传病风险的胎儿／胚胎作出产前／植入前诊断。 基因诊断既不受基因表达的时空限制，也不受取材细胞或组织类型的限制，还可以有效检出携带者，因此，自1978年基因诊断首次应用于锻状细胞贫血症的检测以来，已逐渐从实验研究进入临床应用，并且在遗传病的诊断中发挥着越来越重要的作用。基因诊断的方法随学科的发展、技术的进步而不断改进中。 当DNA顺序上发生变化而出现或丢失某一限制性内切酶位点，使酶切产生的片段长度和数量发生变化称为限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymorphism, RFLP)。任何一个基因内外大片段的缺失、插入以及基因重排，即使不影响到限制性内切酶位点的丢失或获得，也很可能引起限制性内切酶图谱的变化，使限制性酶切片段的大小和数量发生变化，因而这类基因突变可以通过限制性内切酶酶切或结合基因探针杂交的方法找到突变。 RFLP方法具体步骤包括：心PCR：利用一对或数对特异性引物，将目标DNA扩增；＠酶切：利用某些限制性内切酶消化PCR产物，如PCR产物中含有相应的酶切位点序列，DNA链则被切开；＠利用琼脂糖凝胶或聚丙烯酰胺凝胶分离酶切后的PCR产物，根据电泳图谱判断结果。 聚合酶链反应(polymerase chain reaction, PCR)通过变性、退火、延伸的循环周期，使特定的基因或DNA片段在2~3小时内扩增数十万至百万倍，大大缩短了诊断时间。PCR常结合其他技术（如测序）进行遗传病的诊断。 DNA芯片(DNA chip)是一种基于DNA杂交的核酸检测技术。是把上万种寡核昔酸或DNA样品密集排列在玻片、硅片或尼龙膜等固相支持物上，样品DNA/RNA通过PCR扩增、体外转录等技术掺入荧光标记分子，然后与待测样本进行杂交反应，再通过激光共聚焦荧光显微镜对芯片进行扫描，经计算机系统分析处理所得资料，对上千种甚至更多基因的表达水平、突变和多态性进行快速、准确的检测。DNA芯片技术是一种高效准确的DNA序列分析技术，既可以检测基因突变，又可以检测基因的多态性，特别适用千多个基因、多个位点的同时检测。这一技术目前处于发展和优化阶段，已经有多种针对遗传性疾病、肿瘤检测的DNA芯片用于临床诊断。 变性高效液相色谱(denaturing high pe如rmance liquid chromatography, DHPLC)是一种针对可能的未知单核昔酸多态性和突变的筛查技术。近年来应用DHPLC技术对一些遗传病开展了基因诊断或突变筛查，包括Marfan综合征、白化病、Duchenne型肌营养不良以及一些线粒体病和甲基化异常疾病等。 DNA测序(DNA sequencing)是基因突变检测的金标准，适应于已知和未知突变检测，不仅可确定突变的部位，还可确定突变的性质。第一代测序技术包括Walter Gilbert和Allan Maxam发明的化学降解法和Frederick Sanger发明的双脱氧测序法，最常用的是Sanger双脱氧测序法。第二代测序又称为高通量基因组测序，使用焦磷酸测序、DNA簇、可逆性末端终结或四色荧光标记寡核背酸的连续连接反应为基础，能够在短时间内高效检测包含数亿碱基的序列，目前已广泛用于全基因组重测序、外显子组测序、转录组测序、小分子RNA测序以及长链非编码RNA测序等方面。近年来，随着二代测序成本的降低，高通量基因组学技术正逐渐走向临床应用，将推动个入基因组及个体化医学时代的到来。 第二节产前诊断 产前诊断(prenatal diagnosis)又称宫内诊断、出生前诊断，是指对可能罹患遗传病的个体在其出生以前，利用各种方法予以确诊的技术。产前诊断以羊膜穿刺术和绒毛取样法等为主要手段，对羊水、羊水细胞、绒毛膜、胎儿肪血进行遗传学和生物化学分析，属于遗传病预防的重要环节。 —、产前诊断的对象 根据遗传病的危害程度和发病率，可将产前诊断的对象排列如下：心夫妇之一有染色体畸变，特别是平衡易位携带者，或生育过染色体病患儿的夫妇；＠35岁以上的孕妇；＠夫妇之一有开放性神经管畸形，或生育过这种畸形患儿的孕妇；＠夫妇之一有先天性代谢缺陷，或生育过这种患儿的孕妇；@X连锁遗传病致病基因携带者孕妇；＠有习惯性流产史的孕妇；＠羊水过多的孕妇；＠夫妇之一有致畸因素接触史的孕妇；＠有遗传病家族史，又系近亲结婚的孕妇。 应当注意，已出现先兆流产、妊娠时间过长以及有出血倾向的孕妇不宜做产前诊断。 二、产前诊断的方法 产前诊断主要从以下几方面进行：遗传学检查，如染色体检查、基因诊断；生化检查，如特殊蛋白质、酶、代谢底物、中间产物和终产物的检测等，主要针对生化遗传病；物理诊断，如B超、X－线、电子监护等。 B超检查相对安全，是首选的诊断方法，能够详细地检查胎儿的外部形态和内部结构，对多种遗传性疾病和畸形进行早期诊断。B超可进行的诊断主要有：中枢神经系统异常，主要包括神经管缺陷(NTD)、脑积水、小脑畸形等；先天性心脏病；面、颈部异常，如唇、腮裂和颈部襄状淋巴管瘤等；胸部异常，包括支气管、肺发育畸形，先天性脯庙，服膨出和胸腔积液等；肢体缺陷；其他，如先天性肾缺如、肾襄肿、先天性巨结肠等。由千B超对胎儿和孕妇基本无损害，因此B超检查仍为目前常用的产前诊断方法。. 胎儿的骨骼在妊娠20周后开始骨化，所以在妊娠24周后可以对胎儿进行X－线检查。诊断剂储的X线检查，对胎儿无不良影响。X线摄片检查可诊断无脑儿、脑积水、脊柱裂等骨骼畸形。产前诊断根据胎儿／胚胎遗传物质获取方式的不同，可分为有创产前检测和无创产前检测(NIPT)两类。(—)有创产前诊断有创产前诊断有羊膜穿刺法、绒毛取样法、跻带穿刺术和胎儿镜检查等。1.羊膜穿刺法羊膜穿刺技术是产前诊断的基本方法之一，即在B超的监护与引导下，无菌抽取胎儿羊水（图182)，对羊水中的胎儿脱落细胞培养，进行染色体、基因和生化分析。例如，羊水中甲胎蛋白浓度过高时，提示胎儿可能有脊柱裂、脊髓脊膜膨出和脑积水等异常。羊膜穿刺操作一般在妊娠15-17周进行，发生感染、流产及其他妇科并发症的风险相对较小（约1%)。 2绒毛取样法绒毛取样法在妊娠早期诊断中最为常见，一般于妊娠l0~11周进行。该技术也是在B超监护下，用特制的取样器，从孕妇阴道经宫颈进入子宫，沿子宫壁到达取样部位后，吸取绒毛（图18-3)。绒毛取样的优点是检查时图18-2羊膜穿刺示意匿间早，根据检测结果认为有必要进行选择性流产时，给孕妇带来的损伤和痛苦相对较小。缺点是取样标本容易被污染，胎儿和母体易感染和操作难度较大等，引起流产的风险是羊膜穿刺法的2倍。绒毛样本可用千诊断染色体病，代谢病，胎儿性别鉴定，生化检测和DNA分析。 3.挤带穿剌术跻带穿刺是在B超的监护下，用细针经腹壁、子宫壁进入胎儿肪带，抽取胎儿血液样本进行诊断。本方法于妊娠18周进行，常作为因错过绒毛、羊膜穿刺取样最佳时机，或羊水检查失败的补救措施，还可检测胎儿血液系统疾病，先天性免疫缺陷等。 第十八章遗传病的诊断215 4胎儿镜检查又称羊膜腔镜或宫腔镜检查。宫腔镜进入羊膜腔后，直接观察胎儿是否有畸形、性别和发育状况如何，可以同时抽取羊水或胎儿血绒毛膜样进行检查，还可进行宫内治疗。因此，理论上这绒毛膜腔是一种最为理想的方法。但由于操作困难和易引起多种并发症，目前还不能被广泛接受。胎儿镜检查的最佳时间是妊娠18~20周。（二）无创产前检测图18-3绒毛取样法示意图有创产前检测往往对妊娠带来一定的风险，因此近年来发展出非侵入性的无创产前检测(NIPT),使孕妇流产的风险大为降低（详见本节四）。 三、胚胎植入前诊断 随着人工授精，体外受精和胚胎移植、卵细胞浆内单精子注射等辅助生殖技术的开展，以及分子遗传学技术的应用，使人们能够从种植前的早期胚胎中，取出部分细胞检测疾病相关基因，从而筛选出正常的胚胎进行宫腔内移植，即胚胎植入前遗传学诊断(pre-impl antat ion genetic小agnosis, PGD)。与传统产前诊断不同，PGD是在妊娠发生之前进行的，避免了选择性流产。PGD为降低遗传病发生率控制遗传病患儿出生等提供了新的途径。 PGD技术是指在体外受精的胚胎发育到4~8细胞期，通过显微操作技术取出单个卵裂球，应用单细胞PCR、FISH技术，比较基因组杂交(CGH)、基因芯片等技术进行快速遗传学分析，包括染色体检测、特定基因检测、性别鉴定等，检测为正常的胚胎再植入母体子宫。PGD技术将产前诊断时限提早到胚胎植入之前，避免了产前诊断可能引起出血、流产和感染以及伦理问题，将人类遗传缺陷的发生掌控在最早阶段，是遗传病产前诊断的重大突破。 四、无创产前检测 由于有创产前检测对胎儿及母体具有一定的风险与损伤，无创产前检测(non-invasive prenatal testing, NIPT)是非侵入性的，使孕妇流产的风险大为降低，是产前诊断的一项革命性进展，近年来也取得了一系列实质性进展。相对千有创产前检测，抽取母体外周血进行检测更易于被孕妇接受，具有重要的临床意义。 (—)母体外周血胎儿有核红细胞的发现与应用 1959年有研究证实母血循环中存在胚胎滋养层细胞，1969年在孕妇外周血中发现了核型为46,XY的淋巴细胞，母血中的其他胎儿细胞也相继被发现。研究证实，存在于母血中的胎儿细胞包括：滋养层细胞、胎儿淋巴细胞、胎儿有核红细胞等。胎儿有核红细胞是公认的适合进行遗传诊断的胎儿细胞，其表面有多种胎儿特异性的抗原标志物可供鉴别，且半衰期相对较短。 通过分离胎儿有核红细胞进行某些单基因遗传病、非整倍体染色体病的遗传学分析，从20世纪90年代就巳在实验室开展，并取得良好的实验结果。但仍有固有的技术瓶颈限制，导致不能推广到临床应用。胎儿有核细胞在遗传诊断中存在的问题主要有：母体外周血中的胎儿细胞非常稀少，约1个细胞／ml孕妇血；分离富集的方法相对价格昂贵、繁琐复杂；有研究表明，前次妊娠的胎儿有核红细胞在分挽后会存在母体血中若干年，从而影响检测的准确性。 （二）母体外周血胎儿游离DNA/RNA的发现与应用1997年，Yuk-ming Dennis Lo（卢煜明）等利用实时定量PCR的方法，从孕妇血浆的总游离DNA中成功扩增出男性胎儿的Y染色体特异性序列(SRY基因序列），首次证实胎儿DNA可以进入母体外周血循环，并以游离DNA的形式稳定存在。孕妇外周血中胎儿游离DNA的发现，为无创产前诊断带＼呕lti来了希望。胎儿游离DNA含量相对高，提取及分析过程也相对简单，易千发展为可用千临床的大样本高通量的检测方法。另外胎儿DNA在孕早期就可检出，且分挽后很快被母体清除，不会受前次妊娠的影响。因此，对孕妇外周血中胎儿游离DNA/RNA的检测用于临床，其优势要明显大千对胎儿细胞的检测。 胎儿游离DNA/RNA在产前诊断中的应用主要有：胎儿性别鉴定，排除患性连锁遗传病的风险；父系遗传的单基因遗传病；胎儿非整倍体染色体病；胎儿Rh血型D抗原判断；异常妊娠，如先兆子痛等孕妇外周血中胎儿DNA水平变化明显且早于临床症状出现，因此有可能把它作为一个高危妊娠的早期筛查指标。 遗传病的诊断是开展遗传防治和遗传咨询的基础，即通过对病史、症状和体征，实验室栓查和遗传病特殊诊断技术，对所荻得的资料进行归纳分析并确诊。 病史采集要注重患者的家族史、婚姻史和生育史。系谱分析有助于判断遗传方式，并应考虑外显不全、遗传异质性等问题。细胞遗传学梒查主要是针对染色体分析，可以对外周血和羊水细胞等进行分析。生化梒查主要是针对酶和蛋白质的定性和定量分析。基因诊断是对DNA、RNA结构和表达水平进行栓测，具有特异性强、灵敏度高、应用广泛等特点。 产前诊断是胎儿出生前进行某种遗传病或先天畸形的诊断。绒毛取样、羊膜穿刺术、B超等方法，可对不同孕周的胎儿／胚胎进行必要的栓查。随着辅助生殖技术的开展，建立了胚胎植入前诊断(PGD)技术。PGD技术将诊断时限提早到胚胎植入之前，避免了产前诊断可能引起出血、流产等，是产前诊断的重大突破。无创产前栓剧是非侵入性的，降低了流产凤险，易于被孕妇接受，具有重要的临床意义。 1.遗传病的诊断一般是基于什么原理？常见的有哪些方法？ 2.什么是基因诊断？有哪些层面的设计？ 3无创产前诊断有哪些优点？目前存在的问题有哪些？ （邹向阳） 第十九章遗传病的治疗 遗传病病种数目繁多，OMIM的遗传病条目已达2万余项，整体上近1/4入群受累，因此遗传病的有效治疗意义重大。传统观念认为遗传病是难以治愈的疾病，事实上临床上能够采取一定措施使患者能够有症状或功能改善的病种寥寥可数。主要原因是大多数遗传病的发病机制尚未完全清楚，并且由千遗传病伴有遗传物质的缺陷，从目前的技术手段来看，缺乏成熟的”在体“修正缺陷基因的临床治疗方法。随着分子生物学和基因工程技术的飞速发展，人类遗传病的研究巳经取得了许多重要成果。特别是重组DNA技术以及基因编辑技术在医学中的应用，遗传病的治疗有了突破性的进展，已逐步从传统的手术治疗、饮食疗法和药物疗法等跨入了基因治疗的研究，以便从根本上治疗遗传病。 第一节遗传病治疗的原则 由千不同类型的遗传病的发病基础和机制不同，所涉及的器官、组织各异，临床表型也千差万别。因此对千遗传病的治疗而言，针对不同遗传病的发病机制采取个性化的治疗方法是首要原则。另外由千遗传病的特殊性，在遗传病的疗效评估，治疗对象选择等方面也需有所考虑。 一、遗传病的个性化治疗 个体的遗传物质缺陷是遗传病发生的物质基础，因此遗传病的有效治疗，必须要针对具体的遗传缺陷以及由其所导致的分子、细胞、组织以及器官水平的病理变化，这也是个性化治疗对千遗传病治疗更为重要的原因。首先，不同的遗传病是由不同的基因突变导致，单基因病、多基因病、染色体病的治疗策略迥异，即使是临床表现类似的疾病，由千实际的分子病理机制的差异，所采取的治疗方案也是不同的；其次，即使对于同一种遗传病，由千遗传异质性等原因，不同个体的缺陷基因也是不一样的。比如苯丙酮尿症，有苯丙氨酸轻化酶缺陷引起的，也有四氢生物蝶呤合成障碍引起的，所导致的临床症状的严重程度不同，治疗的方法和手段也有差异；最后，即使对千同一种疾病同一个基因的突变，不同突变类型也有不同的治疗策略。比如痪性纤维化(cystic fibrosis)主要是CFTR基因的突变导致，该基因的突变有六大类，共1000多种。不同类型的突变可采用不同的方法来治疗。常见的~F508突变可通过摄入能够增强突变分子正确折叠能力的小分子药物来改善功能，带有无义密码子突变可应用能够诱导突变密码子跳跃的小分子药物，从而使正常的蛋白含量增加，改善临床症状。对于更为严重的突变甚至缺失，基因治疗成为更好的选择。 二、遗传病疗效的长期评估 遗传病的治疗与一般疾病治疗的疗效不同，遗传病治疗的效果需要进行长期的评估，有些治疗方法初期效果明显，但长期观察则达不到预期的目的。例如，前述的苯丙酮尿症可以在发病的早期（或症状前）通过饮食控制而进行预防性治疗，患者可以因此不会发生严重的智能障碍，并具有正常或接近正常的智商，从近期疗效看，治疗是成功的。但随着年龄的增长，苯丙酮尿症患者还是会表现或轻或重的学习障碍，行为紊乱，故从远期疗效来看，这种治疗是谈不上成功的，至少不完全成功。再如，女性半乳糖血症患者在早期的”成功“治疗后，到青春期则发现其卯巢功能早已丧失（半乳糖毒性作用）；胱氨酸病也是一样，由于胱氨酸从溶酶体排出缺陷，使胱氨酸在溶酶体内堆积，使肾衰竭。肾移植可以使胱氨酸病达到治疗的目的，但长期观察的结果，患者还是常因为脑组织中、甲状腺组织中溶酶体内胱氨酸堆积导致功能衰竭而死亡；再如，一些遗传病的短期治疗是有效的，长期治疗则会产生一些不良反应。地中海贫血患者经输血治疗后会使患者铁过量(iron overload)；用凝血因子治疗血友病时患者会因此产生针对输入的凝血因子的抗体；青霉胺是一种重金属鳌合剂，可用来治疗肝豆状核变性这类铜中毒性遗传病，但长期用药，可能会对患者的生殖系统、神经系统均产生不良反应。总之，由于遗传病的特殊性，其治疗的效果需要有一个十分谨慎而长期的评价。 三、杂合子和症状前患者的治疗 对尚未出现临床表现的杂合子、症状前患者是否应该实施预防性的治疗措施不能一概而论。不少遗传病的杂合子也会表现出临床症状，严重者可致死；症状前患者则在一定条件下会发病，对他们的治疗既取决于这类疾病的严重程度，治疗的近期、远期效果，药物不良反应大小，也取决于人们对这种问题的伦理道德取向，不必一概而论，需要做认真细致的考虑再作决定。 四、遗传病治疗的策略 从基因突变到临床表现的出现，这其间涉及许多过程，每一过程都可能成为遗传病治疗的着眼点。遗传病治疗包括：少针对突变基因的体细胞基因的修饰与改善；＠针对突变基因转录的基因表达调控；＠蛋白质功能的改善；＠在代谢水平上对代谢底物或产物的控制；©临床水平的内、外科治疗以及心理治疗等。在具体遗传病治疗的策略选择上，不同的遗传病根据累及的器官、治疗的效果和经济性来综合评估选择适宜的治疗方法。 第二节手术治疗 当遗传病发展到已出现各种临床症状尤其是器官组织已出现了损伤，应用外科手术的方法对病损器官进行切除、修补或替换，可有效地减轻或改善症状。手术疗法主要包括手术矫正和器官移植两方面。 一、手术矫正治疗 外科手术矫正是手术治疗中的主要手段。对遗传病所造成的畸形可用手术进行矫正或修补，如修补和缝合唇裂、腮裂，矫正先天性心脏畸形及两性畸形等。对某些先天性代谢病可以用手术的方法调整体内某物质的生化水平。例如高脂蛋白血症JI a型患者进行回肠－空肠旁路手术后，肠道中胆固醇吸收减少，使患者体内胆固醇水平下降。 对患者有某些遗传病的胎儿进行宫内的手术治疗是遗传病治疗领域的一种有意义的实践＇。例如，对常导致智力障碍的脑积水症胎儿实施子宫内脑室引流术，将过多的脑积液通过塑料导管引至羊膜腔，可防止胎儿的脑组织萎缩；对于先天性尿道狭窄或尿道梗阻的胎儿可将孕妇的子宫切开，取出胎儿进行尿道修复手术，然后再放回子宫继续发育，这样可防止胎儿出现肾功能不全以及因胎尿不足，羊水量少，胎儿吞入的羊水不够所致的肺发育不全。如果在胎儿出生后再进行这类手术则患儿肾、肺等脏器将巳经出现严重的功能障碍。 二、器官和组织移植 根据遗传病患者受累器官或组织的不同情况，结合免疫学研究与技术的不断深入，免疫排斥问题得到控制，有针对性地进行组织或器官的移植是治疗某些遗传病的有效方法。例如，对家族性多襄肾遗传性肾炎等进行肾移植，肾移植也是迄今最成功的器官移植；对重型B地中海贫血和某些遗传性免疫缺陷患者施行骨髓移植术；对胰岛素依赖性糖尿病进行胰岛细胞移植术；对遗传性角膜萎缩症患者施行角膜移植术以及对黏多糖代谢障碍所致的黏多糖病患者实施白细胞或成纤维细胞移植等都可以收到一定的治疗效果。 由千成功的同种异体移植可以持续提供所缺乏的酶或蛋白质，故对于某些先天性代谢病进行器官移植而达到治疗目的越来越受到重视。例如，al－抗胰蛋白酶缺乏症患者在进行肝移植治疗后，可使血中的m－抗胰蛋白酶达到正常水平；通过肾移植可以治疗胱氨酸尿症。由千移植物能提供正常的酶原，故这种移植又称酶移植(enzyme transpl antat i on)。 第三节药物和饮食治疗 药物和饮食治疗是目前遗传病治疗中最为常见的手段，并且在代谢控制，突变蛋白质功能改善和基因表达调控等各个层次都能够开展遗传病的治疗，尤其是先天性代谢缺陷疾病方面有不少颇见成效的案例。药物及饮食控制治疗的主要原则是“禁其所忌”“去其所余”“补其所缺”等，实施过程可分为出生前治疗症状前治疗和临症患者治疗。 —、禁其所忌 饮食控制对部分先天性代谢缺陷疾病是传统而有效的方法，1954年，Horst Bickel, Evelyn Hickma n s和John Gerrard等首次报道用低苯丙氨酸饮食法治疗苯丙酮尿症患儿，治疗后患儿体内苯丙氨酸明显减少，症状得到缓解。随着患儿年龄的增大，饮食治疗的效果就越来越差，故要求早诊断、早治疗。目前，针对不同的代谢病己设计出100多种奶粉和食谱。在苯丙酮尿症患儿常规进食后，让其服用苯丙氨酸氨基水解酶的胶裳，这种酶在肠内释放后，可将食物消化后形成的苯丙氨酸转化成苯丙烯酸，使苯丙氨酸在未被肠道吸收前即被选择性清除。 有些遗传病可以在其母亲怀孕期间就进行饮食治疗，使患儿症状得到改善。例如，对患有半乳糖血症风险的胎儿，在孕妇的饮食中限制乳糖和半乳糖的摄入最而代以其他的水解蛋白（如大豆水解蛋白），胎儿出生后再禁用人乳和牛乳喂养，患儿会得到正常发育。 G6PD缺乏症常因氧化性药物的使用而诱发，避免使用这些药物或避免食用蚕豆，可以起到对G6PD缺乏症的预防性治疗作用。 二、去其所余 对于一些因酶促反应障碍，导致体内贮积过多的代谢产物，可使用各种理化方法将过多的毒物排除或抑制其生成，使患者的症状得到明显的改善，称为去余。 应用赘合剂。肝豆状核变性(Wilso n病）是一种铜代谢障碍性疾病，应用青霉胺与铜离子能形成赘合物的原理，给患者服用青霉胺，可除去患者体内细胞中堆积的铜离子；地中海贫血患者因长期输血，易发生含铁血黄素沉积症，使用去铁胺B与铁蛋白形成鳌合物可去除多余的铁。 应用促排泄剂。对千家族性高胆固醇血症患者可口服考来烯胺(cholestyramine)治疗。考来烯胺是一种不被肠道吸收的阴离子交换树脂，可结合肠道中的胆酸排出体外，从而阻止了胆酸的再吸收，并可促使胆固醇更多地转化为胆酸排出体外，使患者血中胆固醇水平降低。 利用代谢抑制剂。由于酶活性过高所造成的生产过剩病，可用代谢抑制剂抑制酶活性，以降低代谢率。例如，用别噤呤醇(al l opurinol)抑制黄嗦呤氧化酶，可减少体内尿酸的形成，可用于治疗原发性痛风和Lesch-Nyhan综合征。 血浆置换或血浆过滤。血浆去除术(plasmaph e比s i s)可除去大量含有毒物的血液，例如，治疗家族性高胆固醇血症，使患者血中的低密度脂蛋白(LDL)在体外与肝素等形成难以通过滤器的不溶性复合物，当回输时不能通过滤器进入患者体内，可使家族性高胆固醇血症患者血中胆固醇水平下降so%，疗效显著；溶酶体贮积病及某些遗传性溶血性贫血的患者，亦可通过血浆去除术的方法得到治疗。 平衡清除(equilibrium d e pletion)法。对于某些浴酶体贮积病，由于其沉积物可弥散入血，可保持血与组织之间的动态平衡。如果把一定的酶制剂注入血液以清除底物，则平衡被打破，组织中沉积物可不断进入血液而被清除，周而复始，以达到逐渐去除“毒物”的目的。 三、补其所缺 对有些遗传病是因为某些基因缺陷而不能形成机体所必需的代谢产物或者蛋白，如给予补充，即可使症状得到明显的改善，达到治疗目的，即称补缺。 对于某些因X染色体异常所引起的女性疾病，可以补充雌激素，使患者的第二性征得到发育，也可以改善患者的体格发育；垂体性侁儒患者可给予生长激素冶疗；先天性肾上腺皮质增生症患者，可用类固醇激素予以治疗；乳清酸尿症患者，因体内缺乏尿节而引起贫血、体格和智能发育障碍，如果给予尿昔治疗，症状即可得到缓解。对千某些遗传病，采用症状前药物治疗也可以预防遗传病的病症发生而达到治疗的效果。如发现新生儿甲状腺功能低下，可给予甲状腺素制剂终身服用，以防止其发生智能和体格发育障碍。 先天性无丙种球蛋白血症患者，给予丙种球蛋白制剂，可使感染次数明显减少；糖尿病患者注射胰岛素等均可使症状得到明显的改善，但这种补充常需终生进行才能维持疗效。 四、酶疗法 遗传性代谢病通常是由于基因突变造成酶的缺失或活性降低，可用酶诱导和酶补充的方法进行治疗，酶疗法从本质上来说也是补其所缺。 在某些情况下，酶活性不足不是结构基因的缺失，而是其表达功能“关闭＂，酶诱导治疗可使用药物、激素和营养物质使其“开启＂，诱导其合成相应的酶。例如，新生儿非溶血性高胆红素I型(Gilbe11综合征）是常染色体显性遗传病，患者因肝细胞内缺乏葡糖醒酸尿廿转移酶，胆红素在血中滞留而导致黄疽，消化不良等症状，苯巴比妥能诱导肝细胞滑面内质网合成该酶，故予患者苯巴比妥治疗，即可使症状消失。雄激素能诱导0'.1－抗胰蛋白酶的合成，因而可应用千m－抗胰蛋白酶缺乏症的治疗。 给患者体内输入纯化酶制剂是酶补充疗法的重要途径。如给脑节脂病(Gauche1病）患者注射仕葡糖昔酶制剂，可使患者肝和血液中的脑背脂含量降低，使症状缓解；对严重的a]－抗胰蛋白酶缺乏症患者每周用4g强化的m－抗胰蛋白酶静脉注射，连用4周后便可获得满意的效果；用从人胎盘提取的a－半乳糖昔酶A治疗Fabry病也可取得一定的治疗疗效。在临床上很多情况下，为了降低外源酶在体内的破坏，采用将纯化酶制剂装入载体后再输入给患者的办法。另外还可采用酶受体介导分子识别法(receptor-mediated molecular recognized process)实现细胞特异性的酶补充以提高疗效。 维生素疗法，有些遗传代谢病是酶反应辅助因子（如维生素）合成不足，或者是缺乏的酶与维生素辅助因子的亲和力降低，因此通过给予相应的维生素可以纠正代谢异常。例如，叶酸可以治疗先天性叶酸吸收不良和同型胱氨酸尿症；生物素可以用千治疗混合型狻化酶缺乏症和丙酸血症等。近年来，在临床上应用维生素C治疗因线粒体基因突变引起的心肌病有一定的疗效。 第四节基因治疗 基因治疗(ge ne therapy)是运用遗传操作技术，纠正或者替代细胞中的缺陷基因，或者对基因的表达进行干预，实现功能的恢复、替代或补偿，从而达到治疗遗传性或获得性疾病的目的。从1990年美国FDA批准世界上第一个用于治疗因腺甘酸脱氨酶(A DA)基因缺陷导致严重免疫缺损的临床试验方案以来，全世界批准的基因治疗临床试验方案巳经超过2000个，涉及的疾病包括单基因疾病、多基因疾病甚至包括肿瘤和病毒性疾病。但是批准上市的寥寥无几，这种现象表明基因治疗在未来遗传病及其他疾病治疗中的巨大潜力，同时也提示基因治疗真正走向临床应用还有许多问题有待解决。 —、基因治疗的策略 基因治疗的应用开始主要是针对单基因遗传疾病，尤其是发病机制比较清楚的疾病。根据患者病变的不同，设计如何对基因的结构或者表达进行千预，从而达到功能的改善是基因治疗策略的核心。基因治疗遗传操作的技术类型概括起来主要有下列几种。 （一）基因修复 基因修复(gene rep缸）是通过特定的方法如同源重组或靶向突变等对缺陷DNA进行原位修复或者置换，使细胞内的DNA完全恢复到正常状态，这是基因治疗最理想的方法。近年来，基因组编辑技术的出现，给基因治疗提供了强大的技术支撑。基因编辑是近年来发展起来的可以对基因组进行靶向识别和精确编辑的一种技术，可完成目标基因的定点敲除、突变、敲入等，主要包括锌指核酸酶(ZFNs)、转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)和CRISPR/Cas技术。三个系统皆是通过在特定的靶向序列处引入双链断裂的缺口，继而通过细胞内两种DN A修复机制完成修复，其中基于同源重组的修复途径在提供外源DNA模板的条件下会使基因组DNA得到精确的基因修复。其中CRISPR/Cas系统由于更为精确、高效、简便、廉价的特点而受到青眯。特别值得一提的是CRISPR/Cas系统还能实现多重编辑从而使多个基因的同时修复成为可能（图19-1)。 （二）基因增强 基因增强(gene augm e nt a ti o n)指将目的基因导入病变细胞或其他细胞，目的基因的表达产物可以::|||||||IIIII|||IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII||II|lIIIIII|||||||IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII||$IIIIIIIIII|||||||||IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII~IIIIII||||III|||||||$妞DNA非同源末端连接同源重组同源重组补偿缺陷细胞的功能或使原有的功能得到加强。这种策略适用单基因突变导致的蛋白缺乏或者功能缺失所引起的疾病。一般目的基因在体内仅少量的表达就可以显著改变症状。例如腺昔脱氨酶(adeny late deaminase, ADA)缺乏症，患者细胞内转入正常的腺昔脱氨酶后ADA水平巳由原来的相当千正常人的1％上升至25%。病孩由原来行动困难到能够上学。近二十年来已经发展了许多有效的方法可将目的基因导入真核细胞并获得表达，因而是目前较为成熟的方法。这一方案最适宜隐性单基因疾病的治疗。 （三）基因失活 反义技术(ant isense t ec hnology)通过碱基互补配对的方式在转录或者翻译水平抑制某些特定基因的表达。这一技术不仅能用于传统遗传性疾病的治疗，并且已被广泛用于肿瘤和病毒感染性疾病（如艾滋病）等的基因治疗研究中。 1反义寡核昔酸技术一些遗传病和肿瘤往往是基因突变或过量表达而产生异常的蛋白质所致，通过人工合成寡核昔酸片段与特定基因的mRNA片段互补，形成同源和异源双链将这些突变基因转录的mRNA阻断在转录或翻译前而达到治疗疾病的目的。目前常用的就是将人工合成的反义寡核背酸导入细胞，使它识别并结合到靶mRNA上，从而使之灭活。 2.三链形成寡核昔酸三链形成寡核昔酸(tr ipl ex-forming oligonu~leotides, TFO)是一段DNA或RNA寡核背酸在DNA大沟中以Hoogsteen氢键与DNA高嗦呤区结合，形成三链结构。TFO可与启动子区或结构基因结合而抑制基因转录。 3. RNA干扰RNA干扰(RNA interference, RNAi)现象于1998年发现。Craig C. Mello和Andrew Fire等发现正义链和反义链RNA共存抑制基因表达的效率达到单一意义链或反义链RNA的10倍以上，这种双链RNA(dsRNA)介导的转录后基因沉默(pos t-transcription gene silenc in g)现象称为RNA干扰。从理论上讲，RN扣技术可望显著抑制致病基因的表达，较传统的基因敲除方法更简单、有效。RN如技术已普遍应用于基因治疗的研究。因此C过i g C. Mello和Andrew Fire获得了2006年的诺贝尔生理学和医学奖。 （四）其他有些复杂遗传病或者肿瘤及病毒性疾病的治疗比较复杂，基因及治疗的标靶基因可能不是致病基因，但是可以通过转入或者抑制一些功能相关基因的表达从而达到改善症状的目的。1“自杀基因”的应用在某些病毒或细菌中的某基因可产生一种酶，它可将原无细胞毒或低毒药物前体转化为细胞毒物质，将细胞本身杀死，此种基因称为“自杀基因“。2免疫基因治疗免疫基因治疗是把产生抗病毒或肿瘤免疫力的对应与抗原决定族基因导入机体细胞，以达到治疗目的。如细胞因子(cytokine)基因的导入表达等。 3.基因抑制外源基因去干扰、抑制疾病相关的基因表达。例如，向肿瘤细胞内导入肿瘤抑制基因（如Rbl或TP53)，以抑制癌基因的异常表达。 4耐药基因治疗耐药基因治疗是在肿瘤治疗时，为提高机体耐受化疗药物的能力，把产生抗药物毒性的基因导入人体细胞，以使机体耐受更大剂量的化疗。如向骨髓干细胞导入多药抗性基因中的mdr-1。 二、基因治疗的技术路径 基因治疗的实现有几个关键的技术环节。首先是靶细胞的选择，靶细胞应该是在体内能够有较长的寿命或者具有增殖能力的细胞，这样细胞在进行遗传操作后产生的效应才有可能在体内维持；其次，目的基因表达载体的构建，目的基因的选择是在了解疾病发病机制基础上进行的，而相关表达载体的选择和构建与目的基因大小，运输途径等密切相关；最后是目的基因的转移，包括转移的路径设彸"41L计及方法选择等。 第十九章遗传病的治疗223 （一）靶细胞的选择 基因治疗根据靶细胞的类型可分为生殖细胞、早期胚胎和体细胞基因治疗。从理论上讲，将生殖细胞或者受精卵早期胚胎细胞作为目标进行的基因治疗是可行的，并且这种治疗将使遗传病患者获得具有正常基因的后代。但是由于这种治疗的风险及长期效应评估困难以及伦理学方面的障碍，目前生殖细胞基因治疗仍为禁区。体细胞基因治疗只涉及体细胞的遗传转变，不影响下一代，是目前基因治疗主要类型，我们以下讨论的靶细胞主要是针对体细胞的基因治疗。 靶细胞的选择需要综合考虑细胞的寿命、可增殖性、易获得性等多方面的因素。以目前的观点看，骨髓细胞是比较理想的靶细胞，骨髓的抽取、体外培养、再植入等所涉及的技术都已成熟；另一方面，骨髓细胞还构成了许多组织细胞（如单核巨噬细胞）的前体。因此，不仅一些累及血液系统的疾病如ADA缺乏症、地中海贫血、锦状细胞贫血症、慢性肉芽肿等以骨髓细胞作为靶细胞，而且一些非血液系统疾病如苯丙酮尿症、溶酶体贮积病等也都以此作为靶细胞。除了骨髓以外，肝细胞、成纤维细胞、内皮细胞、肌细胞也可作为靶细胞来研究或实施转基因治疗。理论上干细胞或者前体细胞也是理想的基因治疗靶细胞，但是胚胎干细胞获取有伦理问题，成体干细胞数量少获取不易。近年来出现的诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPS cells)成为基因治疗靶细胞的重要选择。i PS细胞由成体细胞重编程而来，赋予细胞可增殖性与多向分化潜能，因此理论上多种组织的疾患可通过植入经过基因改造或修饰的iPS来进行基因治疗。 （二）目的基因表达载体的构建 目的基因的选择从基因治疗策略和技术路径层面都需要考虑，治疗策略方面该节第一部分已有表述。从技术路径方面考虑，目的基因的大小以及使用何种表达载体是主要的问题。理想的基因治疗表达载体首先是安全的，能够有效表达目的基因，并带有合适的表达调控元件，另外表达载体应易导入靶细胞。目前应用的载体主要包括非病毒载体和病毒载体两大类。 1非病毒载体非病毒载体主要是质粒，质粒可以有效表达蛋白以及非编码RNA分子。与病毒载体相比较安全性好，但是进入靶细胞效率比较低，表达的维持时间比较短，一般通过脂质体的包被进行转染。质粒分子与特定细胞受体蛋白结合分子相偶合还可以实现细胞特异的DNA转运。非病毒载体还包括人工染色体，可运载较大的DNA片段，并带有各种表达调控元件。 2病毒载体将外源目的基因通过基因重包装细胞组技术，组装千病毒上，让这种重组病毒去感染载体DNA受体宿主细胞，这种病毒称为病毒载体(viral己一二vector)。常用的包括属于反转录病毒的丫反转录病毒，慢病毒等以及腺病毒，腺相关病毒等DNA病毒。 (I)'Y反转录病毒(ret rovirus)是RNA病毒中反转录病毒科的一类，正链RNA病毒，基因组为8.3kb，两端有长末端重复序列，编码基因包括gag、pol和env（图19-2)，具有反转录酶和整合产病毒细胞酶，可使RNA反转录为DNA，再整合到细胞基因组。经入工改造的丫反转录病毒早期被作为基因治疗的载体，改造的病毒保留病毒颗粒的包装信号，而缺失病毒颗粒包装蛋白基因，不能自我包装成有增殖能力的病毒颗粒，但是可以携带并重组病毒表达外源基因。这种改造后的病毒称为缺陷型病毒。在丫反转录病毒载体中，最常用千人类的图19-2反转录病毒介导的基因转移是人工改造的小鼠白血病病毒(Mo-MLV)。反转包装细胞提供gag、po l和env蛋白录病毒具有以下优点：首先是它具有穿透细胞的能力，其转染率可达100%；其次是宿主范围广，可同时感染大量细胞并长期停留。但它也有不足之处，主要是病毒基因容量有限，一般插入片段只能在7kb左右，如果较大的基因则要用其cDNA；病毒随机插入靶细胞基因组中，因病毒具有强大的启动子和增强子，能使插入位点附近的基因过度表达或失活，可使宿主细胞感染病毒和致癌。 1病毒滴度高，并能得到大量基因产物。a缺失El或E3区此外，由于腺病毒载体一般不会整合到b宿主的基因组中，从而大大减少了插入1-}－、」-突变的危险。腺病毒DNA不会整合入宿主细胞基因组，因此腺病毒不能在细胞内长期存在，在基因治疗中往往需要1圈圈I反复”给药”。这可能会引起对输注的外源基因病毒基因组表达E l蛋白的293细胞腺病毒产生免疫反应，从而阻止重复感染。v(4)腺相关病毒(AAV)是单链DNA缺陷型病毒，基因组小千5kb，该病毒只有在辅助病毒存在的条件下才重组腺病毒例子能在感染的宿主细胞中复制。腺相关病毒对人类无明显致病性。重组腺相关病毒载体具有安全性好、表达稳定等图19-3腺病毒介导的基因转移特点，并且能够感染分裂和非分裂细a为腺病毒基因；b为靶基因胞，目前被广泛应用于在体基因治疗。不同的血清型的AAV具有不同的组织侵嗜性，AAV2是最早应用的AAV载体，可有效感染肌肉，肝脏，神经组织。AAV9能够透过血脑屏障，并有效转染神经细胞（图19-3)。（三）目的基因的转移基因转移是实现目标基因进入靶细胞的策略和方法，包括转移途径和转移方法两个方面的内容。1转移途径基因的转移途径有两类：一类是in vivo称为直接活体转移；另一类为ex v ivo称为回体转移。前者指将含外源基因的重组病毒、脂质体或裸露的DNA直接导入体内。后者指外源基因克隆至一个合适的载体，首先导入体外培养的自体或异体（有特定条件）的细胞，经筛选后将能表达外源基因的受体细胞重新输回受试者体内。ex vivo法比较经典、安全，而且效果较易控制，但是步骤多技术复杂难度大、不容易推广；in vivo法操作简便容易推广，但尚不成熟存在疗效短免疫排斥及安全性等问题，它是基因转移研究的方向，只有in vivo基因转移方法成熟了，基因治疗才能真正走向临床。 2转移方法理想的基因治疗是将遗传物质高效率转移到个体细胞中，并且能整合到细胞基因组中，在细胞中长期表达。但目前的基因转移方法很难满足理想基因转移方法的全部要求，故探索理想的基因转移方法是基因治疗的一项重要内容。基因转移方法可分为物理、化学和生物学等方法。 (3)生物方法主要是指病毒介导的基因转移，包括逆转录病毒，慢病毒，腺病毒，腺相关病毒等。 三、适于基因治疗的遗传病 目前在临床上经过基因治疗获得确切疗效疾病的包括ADA、血友病B、家族性高胆固醇血症和毅性纤维变性等，尚有一类作为基因治疗候选疾病，如PKU、半乳糖血症、Gauch er病、a!－抗胰蛋白酶缺乏症等。成功的基因治疗必须具备的条件是：心选择合适的疾病；＠掌握该病分子缺陷的本质；＠矫正遗传病的治疗（或正常）基因得到克隆；＠克隆基因的有效表达；＠克隆基因的有效调节；＠可利用的动物模型。 对千某一疾病进行基因治疗的价值需要进行几方面的估价：心人群中的发病率；＠疾病对患者的危害性；＠患者对家庭和社会的影响；＠其他治疗方面的可用性。人类基因组计划的成果和对一些疾病生化及分子生物学基础的阐明以及基因编辑技术的飞跃发展，必将大大推动基因治疗的开展。基因治疗除用于上述遗传病外，对千癌症、心血管病、呼吸疾病、创伤愈合、神经性疾病等方面具有不可估蜇的应用前景。 四、基因治疗的临床应用 基因治疗的临床试验方案已有近2000个，大约有180个是针对单基因遗传病，包括20多种遗传病（表19-1)。肿瘤是基因治疗开展临床实验最多的，约占临床试验总量的三分之二，另外还有感染性疾病，以及心血管和神经系统的复杂疾病。 疾病传递的基因或产物靶细胞或组织载体血友病B F9肝细胞腺相关病毒a广抗胰蛋白酶缺乏症al－抗胰蛋白酶呼吸道脂质体脂蛋白脂肪酶缺乏症脂蛋白脂肪酶肌肉、脂肪组织腺相关病毒慢性肉芽肿p47PH oX骨髓细胞反转录病毒(—)单基因遗传病1腺昔脱氨酶缺乏症腺昔脱氨酶(adenylate deaminase, ADA)缺乏症呈A R，因ADA缺乏，致脱氨腺背酸增多，改变了甲基化的能力，产生毒性反应，患者T淋巴细胞受损，引起反复感染等症状。 1990年，美国学者趴lli am French Anderson等提出了一项关于ADA缺乏症的临床基因治疗方案，该方案得到了NIH（美国国家卫生研究院）重组DNA咨询委员会(RAC)批准。该方案的内容是先分离患者外围血T淋巴细胞在体外培养，在培养时，用IL-2等促细胞生长因子刺激它生长，一旦T淋巴细胞分裂后就用含正常ADA基因的反转录病毒载体LASN导入这种细胞，然后回输患者，以达到用正常的ADA基因代替有缺陷的ADA基因的目的，实现基因治疗。 该方案分别千1990年和1991年对2例ADA缺乏症女孩进行了临床基因治疗。第一个患者在10.5个月内接受了7次基因治疗，第二个女孩接受了11次基因治疗；经ADA基因治疗的这2例患者，未见明显的不良反应，导入的正常ADA基因已表达，ADA水平已由原来的相当千正常人的1％上升至25%。病孩由原来行动困难到能够上学。这一实例表明遗传病的基因治疗首次获得成功，足以说明基因治疗是可行的。在此后的二十余年中，类似策略的基因治疗在全世界多个中心开展了80余例，该方法用病毒载体将正常ADA基因转入分离的自体CD34阳性血液干细胞，然后回输体内，达到显著的治疗效果（图19-4)。 图19-4ADA基因治疗中应用的ADA转移和表达载体结构(LASA)ADA示ADA基因的cDNA; NEO示新霉素抗性基因；（A），，示多聚腺昔酸；旷示包装信号；SV示SV40启动子和增强子2脂蛋白脂肪酶缺乏症脂蛋臼脂肪酶缺乏症(lipoprotein lipase deficiency, LPLD)是一种罕见的常染色体隐性遗传病，脂蛋白脂肪酶基因突变导致患者对于饮食中长链脂肪酸代谢障碍，血液中乳糜微粒堆积，胰腺炎反复发作，易患早发性糖尿病和动脉粥样硬化。患者需长期限制饮食中脂肪的含量。针对LPLD开展的基因治疗工作已有成效，应用腺相关病毒载体携带LDL基因进行肌内注射，可以显著降低血液中的甘油三酣水平。 3蠹性纤维化袭性纤维化(cystic fibrosis, CF)是累及少数器官系统的常见的AR遗传性综合征，致病基因编码跨膜离子转导调节因子(CFTR)。CF引起的慢性肺病的发病率和死亡率高。针对CF的治疗开发了一些能够增强突变蛋白功能的小分子药物，取得了一些疗效，但是这些小分子药物的疗效是突变类型依赖的，因此长远来看，基因治疗是理想的选择。目前已有26个临床试验涉及450个患者进行基因治疗，遗憾的是这些研究多为安全性评价和概念验证的工作，目前还未有临床试验表明可达到满意的临床症状改善。早期应用腺病毒载体输入正常的CFTR基因到达呼吸道上皮，但是由于宿主针对载体的免疫反应限制了持续转染等原因，效果不理想。后来有研究者应用腺相关病毒作为载体进行基因治疗，总体上CFTR基因的表达效率不高。近年来CF的基因治疗研究中基因编辑技术还有一些非病毒载体的研究工作开始有报道，CF的基因治疗有望取得进展。 （二）肿瘤的基因治疗 对肿瘤的基因治疗分为对正常细胞的修饰和对肿瘤细胞的修饰。对正常细胞的修饰包括：少将一些对细胞毒性药物有抗性的基因转移至造血前体细胞以降低治疗药物对骨髓的毒性，这样就可以用高剂量的药物杀伤肿瘤细胞而不破坏骨髓细胞。例如向造血干细胞中导入二氢叶酸还原酶(DHFR)基因，可使细胞获得对氨甲蝶呤的抗性。＠涉及免疫系统，如果抗肿瘤应答（如CTL、TIL等）已经存在，导入细胞因子的基因有可能扩大抗肿瘤效应。＠嵌合抗原受体T细胞免疫疗法(chimeric antigen receptor T-cell immunotherapy,CAR-T)。这是目前进展非常迅速的基于细胞免疫的肿瘤基因治疗方法。该方法的原理是将嵌合抗原受体（包括肿瘤抗原识别片段和T细胞激活片段）导入从患者体内分离的T细胞中，T细胞表达这种受体，便可用单个融合分子与肿瘤抗原进行特异性结合并激活T细胞从而产生肿瘤特异性杀伤的效应。大多嵌合抗原由抗原结合区／胞外区／跨膜区以及能够活化T细胞的胞内信号区组成。2017年首个CAR-T疗法产品被美国食品药品监督管理局(FDA)批准上市，用于治疗难治性急性淋巴细胞白血病(ALL)。CAR-T疗法的成功引起了各界的广泛关注，中国在该领域处于加速赶超的阶段，目前登记开展CAR-T临床研究项目超过100项，成为世界上开展CAR-T研究项目最多的国家。 对肿瘤细胞的修饰是达到以下三个目标：心改正肿瘤细胞的基因突变，降低其生长率，诱导肿瘤消退。对此目前研究最多的是抑制基因。许多研究表明，如果细胞内抑癌基因丢失、失活或突变将会导致细胞恶变。野生型TP53基因(wt TP53)所编码的蛋白具有抗肿瘤活性，在TP53缺失或突变的许多肿瘤细胞系中，导入wt TP53基因后，其表达能明显抑制瘤细胞的增殖。”重组腺病毒－TP53抗癌注射液“2004年获得国家批准，成为世界上第一个获准上市的基因治疗药，用关于治疗头颈部鳞癌。＠导入酶药物前体(pro-dmg)，形成肿瘤特异的敏感性。其主要原理是让病毒基因编码合成的酶在细胞中的表达依赖于细胞中某些蛋白质的诱导，所表达的酶能使无毒的药物前体转变成有毒的药物，从而杀伤肿瘤，而不伤及正常细胞。此方法的优点是不需要所有肿瘤细胞都被转导，因为有旁观者效应(by-stander effect)，但缺点是必须确认只有肿瘤细胞被转导，而正常细胞不被转导。＠导入目的基因以增强肿瘤的免疫原性，从而被机体的免疫系统所识别。随着多种细胞因子(IL-1、IL-2、TNF-o:, GMCST、IFN)基因的克隆化，将这些基因以各种基因转移方法导入各种类型的靶细胞，并在细胞内进行表达，直接发挥杀伤肿瘤细胞的功能，或是诱导淋巴细胞成为LAK细胞，或是诱导主要组织相容性复合物(MHC)抗原的表达，增加双识别抗肿瘤的免疫功能。 （三）艾滋病的基因治疗艾滋病是由HIV感染引起的。HIV是一逆转录病毒，与靶细胞膜上的CD4分子结合后进入细胞，HIV基因组RNA在反转录酶的作用下，反转录成cDNA，然后整合至宿主染色体。 HIV感染的基因治疗策略主要有抗病毒基因治疗和宿主细胞修饰两方面。前者指将人工构建的一个重组基因导入易感细胞内，该重组的基因可在转染细胞中表达病毒基因的反义核酸或病毒蛋白的突变体，以便有效地千扰野生病毒的复制和增殖，目前大多数的临床试验研究集中在用RNA干扰技术或者反义核酸技术阻断病毒的复制和增殖。后者包括应用基因编辑技术修饰宿主T细胞或造血千细胞病毒感染相关的基因如CCR5等，使细胞免于感染。有临床试验研究表明用锌指核酸酶(ZFN)技术成功对12名HIV阳性患者的免疫细胞的CCRS分子进行定点突变使之能抵御感染，降低了患者的病毒载最，为HIV的治疗提供了非常有前景的治疗手段。 五、基因治疗面临的安全和伦理的问题 (—)安全性问题安全性问题是基因治疗临床试验前应该首先重视的问题，尤其是1999年美国一名18岁的患者在接受基因治疗后4天不幸死亡，引起领域内的科学家对基因治疗安全性的重新审视。已有的基因治疗临床研究大多应用病毒载体，载体病毒源性蛋白对入体的安全性是需要考虑的，尤其是早期使用的腺病毒载体；另外虽然目前使用的都是缺陷型病毒，临床试验还未出现野生型病毒感染现象，但反转录病毒基因转移系统的安全性间题仍然必须重视，治疗基因在基因组中随机整合，有可能激活原癌基因或失活抑癌基因，而引起细胞恶性转化。另外目前被认为是最安全的基因治疗载体腺相关病毒(AAV)也被发现在高剂量注射的情况下可能引起神经和肝脏系统的毒性作用。 目前正在兴起的基因编辑技术在基因治疗中必然会有广泛的应用，这类技术理论上能够实现完全的基因修复，是最为理想的基因治疗技术，但是目前CRISPR/Cas9等基因编辑系统的脱靶效应是需要重点关注的问题，特别是在临床基因冶疗上应用时，脱靶效应可能导致无法预测的后果。还有研究显示，人体内原本就存在针对Cas9蛋白的体液免疫和细胞免疫，这可能会导致CRISPR-Cas9技术在临床应用中引发严重的免疫反应。 （二）伦理问题 基因治疗技术能够对入类的基因组作出改变，也就引起一些关于转基因治疗的伦理学争论。一些宗教信仰者，人权团体常对此提出异议，认为这违反了人类发展的自然规律；一些政治家们以及法律学入士也对这一工作的合法性产生怀疑。总体而言，体细胞的转基因治疗接受程度较高，而生殖细胞或受精卵的遗传操作争议很大。如果以生殖细胞作为靶细胞，也就是说当被转基因插入到生殖细胞（或受精卵）基因组某一基因时，受影响的就不仅仅是这个细胞本身（如果这个生殖细胞参与受精，并形成受精卯发育成胚胎的话），而可能影响整个个体，甚至影响由该个体遗传下去的世世代代，而目前的还没有能够对人体细胞遗传操作后的安全性进行长期的甚至是跨世代的评估。 遗传病治疗包括传统的手术治疗、药物和饮食疗法以及近年来进展迅速的基因治疗。遗传病的个性化治疗是最重要的治疗原则，整体治疗策略的选择要综合考虑患者的遗传基础，所处环境因素、疾病的严重程度、治疗效果等因素。手术治疗可对遗传病所造成的畸形进行矫正或修补，有针对性地进行组织或器官的移植是冶疗累及血液系统、免疫系统、肾脏等器官的遗传病的有效方法。药物和饮食疗法主要是按照禁其所忌，去其所余，补其所缺的原则开展治疗。基因冶疗涉及的疾病包括单基因疾病、多基因疾病还有肿瘤和病毒性疾病。治疗策略包括基因修复、基因增强、基因失活等，技术路径包括靶细胞的选择、目的基因表达载体的构建以及目的基因的转移。目前基因冶疗已在ADA缺乏症、脂蛋白脂肪酶缺乏症、血友病、B地中海贫血等单基因疾病荻得成功应用并在肿瘤和艾滋病等疾病中也展现出良好前景。 l遗传病治疗方法的选择主要从哪几个方面进行考虑72单基因遗传病进行基因治疗的主要限制因素有哪些？3基因编辑技木对基因治疗产生怎样的影响？ （刘炎） 第二十章遗传咨询 遗传咨询(genetic counselin g)又称“遗传商谈＂，它应用遗传学和临床医学的基本原理和技术，与遗传病患者及其亲属以及有关社会服务人员讨论遗传病的发病原因、遗传方式、诊断、治疗和预后等问题，解答来访者所提出的有关遗传学方面的间题，并在权衡对个人、家庭、社会的利弊基础上，给予婚姻、生育、防治及预防等方面的医学指导。目的是确定遗传病患者和携带者，并对其后代患病的危险率进行预测，以便商谈应采取的预防措施，减少遗传病患儿的出生，降低遗传病的发病率，提高人群遗传素质和人口质量。20世纪70年代以来，遗传咨询不但已受到社会各个方面的重视，而且在欧美、日本等国都建立了遗传咨询专门机构。20世纪90年代早期，美国遗传咨询委员会(America n Bom·cl of Genetic Counseling)成立，开始给合格的遗传咨询师、医学遗传学学者和入类遗传学学者等颁发遗传咨询行医执照。我国近年来在北京、上海、长沙、沈阳、杭州等地也先后开展了遗传咨询门诊，为人们解答疑问，诊断、预防各种遗传隐患，从而提高人口素质。随着不断扩大遗传学和基因组的研究，遗传咨询实际工作中会面临许多伦理、法律和政策难题以待解决。 第一节遗传咨询的基本内容 一、—些常见的遗传咨询问题 （一）遗传咨询的种类及内容 1婚前咨询婚前咨询主要涉及的问题是：心本人或对方家属中的某种遗传病对婚姻的影响及后代健康估测；＠男、女双方有一定的亲属关系，能否结婚，如果结婚对后代的影响有多大；＠双方中有一方患某种疾病，能否结婚，若结婚后是否传给后代。 2产前咨询产前咨询是巳婚男女在孕期或孕后前来进行咨询，一般提出的问题是：心双方中一方或家属为遗传病患者，生育子女是否会得病，得病机会大小；＠曾生育过遗传病患儿，再妊娠是否会生育同样患儿；＠双方之一有致畸因素接触史，会不会影响胎儿健康。 3.一般咨询一般咨询常遇到的问题涉及：心本人有遗传病家族史，这种病是否会累及本人或子女；＠习惯性流产是否有遗传方面原因多年不孕的原因及生育指导；＠有致畸因素接触史，是否会影响后代；＠某些畸形是否与遗传有关；＠已诊断的遗传病能否治疗等。 （二）遗传咨询门诊和咨询医师 遗传咨询一般是在遗传医学中心和综合性医院附设的遗传咨询门诊进行。遗传咨询是一项复杂的工作，要有效地进行整个咨询过程，需要有较高素质的医生。遗传咨询医师应该：心对遗传学的基本理论、原理、基本知识有全面的认识与理解；＠掌握诊断各种遗传病的基本技术。包括临床诊断、酶学诊断、细胞遗传学诊断和基因诊断等技术；＠能熟悉地运用遗传学理论对各种遗传病进行病因分析，确定遗传方式，并能区分出是上代遗传而来还是新产生的突变；由于常染色体显性遗传病的复杂性，能区分出外显不全，表现度不一致和发病年龄不一等问题；对各种遗传病进行再发风险的计算等；＠需要掌握某些遗传病的群体资料，包括群体发病率，基因频率、携带者频率和突变率，才能正确估计复发风险；＠对遗传病患者及其家属在咨询商谈的过程中热情、耐心，具有同情心，进行详细的检查，正确的诊断，尽可能给予必要的诊疗。对患者及其家属耐心地从心理上给予开导，帮助患者减轻痛苦和精神上的压力。 由于遗传病的多样性和复杂性，不论是遗传病的诊断、治疗、预后、再发风险的计算，还是对某一对策的选择与执行，可能都不是某一位临床医师所能承担的。遗传咨询不只是限千提供疾病的信息和计算发病风险更是一种探究和沟通的过程。因此，可以由临床各科医生与医学遗传学专家、遗传护士(nurse ge n e ti c i s t)组成一支遗传咨询团队，共同来承担这一工作。 （三）有一定条件的实验室和辅助检查手段实验室除一般医院常规化验外，还应有细胞遗传学、生化遗传学及分子遗传学等方面的检测。辅助性检查手段包括X线、超声诊断、心电图、脑电图、肌电图、各种内窥镜、造影技术、断层扫描等。（四）有各种辅助性工作基础有各种辅助性工作基础，例如病案的登记，特别是婚姻史、生育史、家族史（包括绘制系谱图）的记录和管理；产前诊断必需的绒毛、羊水、胎血采集技术的配合；以及处理阶段所需的避孕、流产、绝育、人工授精等手段。 二、遗传咨询的主要步骤 （一）准确诊断准确诊断疾病是遗传咨询的第一步，也是最基本和很重要的一步。因为只有确定诊断，才能了解病因、预后与治疗，同时准确诊断也能为分析遗传方式与计算再发风险奠定基础。遗传病的诊断主要是通过病史、家族史的咨询和调查来绘制系谱图，再通过临床诊断、染色体核型分析、生化与基因诊断、杂合子筛查、皮纹检查及辅助性器械检查等方法，尽力作出明确的诊断。（二）确定遗传方式不少遗传病的遗传方式是已知的，故确定诊断后，随之也就能了解该病的遗传方式。但对千有表型模拟和遗传异质性的疾病，通过家系调查，分析遗传方式，是遗传咨询中极为重要的不可缺少的步骤。例如，两例视网膜色素变性患者，一例在连续几代的垂直传递中，有父－子传代，可确定为常染色体显性遗传；另一例为女性患者，父母正常，但为表兄妹通婚，其兄妹两人中已有一人发病，则极可能为常染色体隐性遗传。 （三）对再发风险的估计不同种类的遗传病，其子代的再发风险率均有其各自独特的规律，在明确诊断，确定遗传方式以后，就可分别计算再发风险率。（四）提出对策和措施计算出再发风险率后，就可在此基础上对遗传病患者及其家属提出对策和措施，供其参考与选择。这些对策包括：心产前诊断：在先证者所患遗传病较严重且难于治疗，再发风险高，但患儿父母又迫切希望有一个健康的孩子的情况下，可运用产前诊断，进行选择生育；＠冒险再次生育：在先证者所患遗传病不太严重且只有中度再发风险(4%～6%）时，可以作出此项选择；＠不再生育：对一些危害严重、致残的遗传病，目前尚无有效疗法，也不能进行产前诊断，再次生育时的再发风险很高，宜采取这种对策；＠过继或认领：对一些危害严重且致残或致死的遗传病，目前无治疗方法，再发风险高，又无产前诊断手段，但咨询者又迫切希望有一个健康的孩子，可采取这种对策；＠人工辅助生殖：一对夫妇婚后生出了严重的常染色体遗传病患儿，或丈夫患严重的常染色体遗传病，或丈夫为染色体易位的携带者，而且已生出了遗传病患儿，再次生育时再发风险高，又无产前诊断方法，可采取此对策；＠借卵怀胎。如果第5项中的情况发生于一对夫妇中的妻子，可由供卵者提供卵子，与丈夫的精子在体外进行人工授精，再植入妻子的子宫中，可望得到一个健康的孩子。 以上只是咨询医师提出可供咨询者选择的若干方案，并要陈述各种方案的优缺点，让咨询者作出选择，而咨询医师不应代替咨询者作出决定。因为在处理方法上往往存在多种选择，各有利弊，而这种选择又必须适应社会、家庭及个人的不同要求。如果医师将某种方法强加千人，必然会引起不愉快的后果。 第二十章遗传咨询231 （五）随访和扩大咨询 为了确证咨询者提供信息的可靠性，观察遗传咨询的效果和总结经验教训，有时需要对咨询者进行回访，以便改进工作。如果从全社会或本地区降低遗传病发病率的目标出发，咨询医师应利用随访的机会，在扩大的家庭成员中，就某种遗传病的传递规律，有效治疗方法、预防对策等方面，进行解说、宣传，了解家庭其他成员是否患有遗传病，特别是查明家庭中的携带者，可以扩大预防效果。 在扩大的家庭遗传咨询(expanded familial genetic counseli ng)中，确认携带者是一个关键的问题，对XR病、染色体易位疾病的预防，更有决定性的作用。例如，Duchenne营养不良症(DMD)是一种致残和致死的疾病。一位妇女生出了DMD患儿，如果家庭中再无DMD患者，她不一定是携带者，因为这个患儿更可能是经突变而新生的。如果她的兄弟之一或是肯定携带者，婚后将有生出DMD患儿的风险。为了预防DMD在这个家庭中的发生，凡有可能携带者的人都应作磷酸肌酸激酶(CPK)活性检查或是DNA的检测，如果证实并非携带者，将来就不会生DMD患儿的风险；如果确认为携带者，将来婚后生育时应作产前诊断，保留女胎，选择性流产男胎，即可以预防该病在这个家庭中的发生。 第二节遗传病再发风险率的估计 再发风险率的估计是遗传咨询的核心内容，也是遗传咨询门诊有别于一般医疗门诊的主要特点。再发风险率又称复发风险率，是曾生育过一个或几个遗传病患儿，再生育该病患儿的概率，但这一情况称患病风险较适当。 —、遗传病再发风险率的—般估计 再发风险的估计一般遵循下列原则：染色体病和多基因病以其群体发病率为经验危险率，只有少数例外。单基因病则根据孟德尔遗传定律作出再发风险的估计。 (—)染色体病 染色体是遗传物质的载体，其数目和结构的相对稳定是个体基因组的完整，结构和功能表达正常的保证，更是维持生物遗传性状相对稳定的基础。染色体病一般均为散发性，其畸变主要发生在亲代生殖细胞的形成过程中，因此再发风险率实际上就是经验危险率或称群体发生率。临床上很少见到一个家庭中同时出现2个或2个以上染色体病患者。 然而，也有一些例外的情况，如双亲之一为平衡易位携带者或嵌合体，子代就有较高的再发风险率。以易位型Down综合征为例，如父亲或母亲的染色体核型是45,XX(XY),-14,-21,+t(14q21q),由这种核型所产生的生殖细胞与正常生殖细胞形成受精卵时，可产生6种不同的核型。其中21单体型和14单体型是致死的；14/21易位型l4三体综合征也很少能成活；剩下的要么是平衡易位携带者，要么是正常个体，且理论上各占1/3。但实际上14/21易位型21三体型综合征的出生率要低于上述理论值，原因可能与自发流产有关；另外，母亲是平衡易位携带者，其子代风险要高于父亲是平衡易位携带者，原因可能在于母亲每月只排出1个卯细胞，风险相对高。 还应注意的是大多数三体综合征的发生与母龄呈正相关，即随着母亲年龄增大，三体综合征的再发风险率也随之增大。这主要由于35岁以上的妇女的卵巢开始退化，从而导致卯细胞形成过程中高发染色体不分离之故。 （二）常染色体显性遗传病(AD) 一般情况下，AD患者多为杂合子，AD遗传子女的再发风险率为50%，巳生育一胎患儿后，以后再生弟妹发病的风险率也为50%，没有发病的子女其后代通常不发病。在具体工作中常易遇到如下两个问题。 1.外显率外显率是指杂合子中的显性基因或纯合体中的隐性基因所产生的可检出遗传病百分率，当上述个体100％发生相应的遗传病为完全外显。当一个个体携带某一个突变基因而无临床哪01}表现时，为不完全外显。此时外显率低千100%，造成不完全外显的原因之一与年龄有关，但另一些外显不全的疾患与年龄或其他可检出因素无关，当外显率降低时会造成许多遗传病与孟德尔分离律的预期值不相符，计算再发风险时应进行校正。若外显率为K，则子女患病概率为l/2K。 例如，视网膜母细胞瘤的外显率为70%，按此公式计算，生育患儿的概率为l/2x0.70=0.35(35%）；遗传携带者概率为（此处指携带显性基因而不表现的个体）为1/2(1-K)即0.15(15%）。一般认为常染色体显性遗传病患者的子女如不发病，提示不带有致病基因，其后代也不会发病。但如果该疾病外显不全，临床上没有表现的子女，可能仍带有致病基因，其子代也仍有发病可能。在进行遗传咨询时应充分考虑这一点。 2.新发突变对千一个外显完全的规则的常染色体显性遗传病来说，如在一个正常的家系中，突然出现一个新的患者，则该例患者很可能是新发基因突变的结果。此患者的子代再发风险率为50%。但其弟妹再发风险率则并不高于群体中一般的发病率。新发突变者在全部患者中所占比例与该病的适合度有关。 （三）常染色体隐性遗传病(AR) 只有当父母双方均为携带者时，子女才有25％的概率患病，如己生育一个或几个患儿，再发风险仍为25%。一般在小家系中，呈散发性，大家系中可见到同时患病的同胞，患者的子女一般不发病，在少数情况下可能发病．取决于患者的配偶。少患者的配偶如为正常的纯合子，则子女均为杂合子，为外表正常的隐性致病基因的携带者。＠患者的配偶如为杂合子，则子女有50％的再发风险率，杂合子由于临床上不呈现疾病症状，故与正常入很难区别，如杂合子频率较高，在遗传咨询时若不予考虑，则可能造成推算再发风险率的错误。人群中杂合子的频率可根据群体患病率算出。大多数常染色体隐性遗传杂合子目前还不能检出，人们只能通过家系分析来估算某个杂合子的概率。＠患者配偶如为同类疾病患者，则其子代通常均会发病。在文献中，曾有两个常染色体隐性遗传病的同病患者结婚，但有子代不发病的报道，如白化病、Usher综合征、先天性聋哑等。主要原因是这些疾病具有遗传异质性，因而两个致病基因的纯合子，如果位于不同的基因座上，则其子代在每个基因座上均为杂合子，故不会呈现疾病。近亲婚配，罹患常染色体隐性遗传病的危险将明显增大。 （四）X连锁隐性遗传病(XR) X连锁隐性遗传的传代在临床上常见的情况为杂合子女性与正常男性婚配，后代中男孩有1/2可能患病，女孩不发病，但有1/2为携带者；正常女性与男性患者婚配，后代中男孩均不患病，女孩均为携带者。 女性杂合子是患者致病基因的主要来源，故检出杂合子对预防遗传病的发生具有重要意义。某些X连锁隐性遗传病已有杂合子检出方法。此外，通过家系分析，也可提供线索。严重的X连锁隐性遗传病一般仅见于男性，因而再生男孩时的再发风险率如较高，可在怀孕时作产前诊断，判断性别。如胎儿为女性，一般不会发病，可以生育；如胎儿为男性，有1/2机会发病，可中止妊娠。在可以作基因诊断的疾病，即使是男性胎儿，如产前诊断结果患儿的基因型正常，仍可让胎儿出生。 （五）X连锁显性遗传病(XD)X连锁显性遗传病较少见，发病率女性大于男性，但女性患者症状轻，男性患者与正常女性婚配所生子女中，男孩都正常，女孩都发病；女性患者与正常男性婚配所生子女各有1/2可能发病。（六）多基因疾病对于多基因病，一般采用经验再发风险(empirical recurrence risk)。即通常会研究许多疾病家系，观测疾病的再发风险，再根据观察到的频率来估算疾病的再发风险。 二、Bayes定理在遗传病再发风险率评估中的应用 Bayes定理(Bayes theorem)是条件概率中的基本定理之一，又称逆概率定律。Bayes定理用文字表述，即后概率等于单项前概率乘以条件概率除以各单项前概率乘以条件概率的总和。 第二十章遗传咨询233 前概率(prior probab山ty)根据孟德尔分离律或系谱特点得出的理论概率。条件概率(cond山onal probab山ty)指从家系中提供的遗传信息来确定的概率。如家庭成员的健康状况、正常子女数、患儿数、发病年龄、实验检查结果等。联合概率(joint probab山ty)指在某一种基因型前提下，前概率和条件概率之积。后概率(posterior probab山ty)指每一事件的联合概率除以各事件联合概率之和，即联合概率的相对概率。 后概率＝某一事件的联合概率各事件联合概率之和Bayes定理在遗传咨询中应用于在双亲之一或双方的基因型未知的情况下，估计未发病子女或以后出生子女的再发风险率，从而使遗传咨询结果更为准确。在遗传咨询中应用Bayes定理，关键是掌握各种单基因遗传病的遗传规律，熟练地运用孟德尔定律，熟悉各种遗传方式在不同组合下亲代与子代的关系，运用概率论于医学遗传学的领域，对每一实例作出判断。 第三节遗传病的群体筛查 遗传病的群体筛查是预防和治疗某些遗传病的有效方法。主要有新生儿筛查、杂合子筛查和产前诊断等。 一、新生儿筛查 新生儿筛查(neonatal screening)是对巳出生的新生儿进行某些遗传病的症状前的诊断，是出生后预防和治疗某些遗传病的有效方法。进行新生儿筛查的这些疾病发病率高，危害大，早期治疗可取得较好的疗效。有些国家已将此项措施列入常规检查，可筛查的病种已达12种，典型的遗传病筛查对象如苯丙酮尿症。一般新生儿筛查的遗传病还包括先天性耳聋和先天性甲状腺功能减退症。我国列入筛查的疾病有PKU、家族性甲状腺肿和G6PD缺乏症（南方地区）。 新生儿筛查一般是用静脉血或尿作为材料。血样的采集是在出生后3~4天，从足跟部采血用滤纸吸全血，形成血斑。尿样的采集是在新生儿的尿布中夹着滤纸或直接收集新鲜尿液1~2ml。 （一）用细菌抑制法筛查苯丙酮尿症 枯草杆菌(Bacillus subtilis）对B－嗟吩丙氨酸敏感，将枯草杅菌与琼脂相混，并将B－嗟吩丙氨酸加入平皿中，将印有血斑的滤纸用打孔机打下的3~6mm直径小片，放置于琼脂上，每个平皿中放置多个小片，在37°C温箱中培养24小时，只在血中苯丙氨酸升高的血斑滤纸周围，才能看到枯草杆菌在苯丙氨酸、苯丙酮酸、苯乙酸含量高的情况下形成增殖环，与平皿中央的标准相比较即可知其含量，从而作出诊断。 （二）嗜菌体抗性检测法筛查半乳糖血症 将半乳糖通路阻断的大肠杆菌(E. coli)与琼脂相混加入平皿中，在半乳糖存在的清况下，这种细菌对嗜菌体溶解有抗性，血斑滤纸小片周围细菌生长的清况与血中半乳糖的含量成正比，依此可作出判断。 （三）用血斑滤纸的提取液筛查家族性甲状腺肿 以ELISA法测定兀和TSH，可予以确诊并开始治疗。 二、杂合子筛查 杂合子是指表型正常，但带有致病遗传物质（致病基因或染色体畸变）的个体，能传递给后代使之患病的个体，也称为携带者。一般包括：带有隐性致病基因的个体（杂合子）；带有平衡易位（或倒位）染色体的个体，带有显性致病基因而暂时表现正常的顿挫型或迟发外显者。 携带者筛查是指当某种遗传病在某一群体中有高发病率，为了预防该病在群体中的发生，采用经济实用、准确可靠的方法在群体中进行筛查，筛出携带者后则进行婚育指导，即可达到预期目标。携带者筛查对遗传病的预防具有积极意义，表现在人群中许多隐性遗传病的发病率较低，但杂合子的比例却相当高，如遇到两个携带者婚配，及时检出这些隐性基因携带者，进行婚育指导，意义很大；染色体平衡易位者可有较大比例出生死胎或染色体异常患儿，如母亲是染色体14/21的平衡易位携带者，其子女中，正常儿、携带者和患儿各占1/3，一部分缺少一条染色体的胎儿不能存活而中途流产，所以及时检出有助千对该病的确诊和发病风险的推算，也便于进行遗传咨询和指导，对显性遗传病的携带者，如能及时检出，更可以预先控制发病的诱因或中间环节，防止发病或阻止病情进展，意义更大。例如，用血清中氨基已糖昔酶活性的筛查法，在犹太入群中筛查黑朦性痴呆(Tay-Sachs病）基因的携带者，凡此酶活性降低者可确认为携带者，再辅以婚育指导，即可控制该病在人群中的发生。 三、产前诊断 产前诊断又称宫内诊断(i ntraut erine diagnosis)是对胚胎或胎儿在出生前是否患有某种遗传病或先天畸形作出准确的诊断。在遗传咨询的基础上，对高风险的妊娠进行产前诊断，如果确认为正常胎儿则继续妊娠至足月生产，如果确认胎儿患有一种遗传病则选择性流产，这是预防遗传病患儿出生的有效手段。 （一）产前诊断的适应证产前诊断的适应证的选择原则：一是有高风险和危害较大的遗传病；二是目前已有对该病进行产前诊断的手段。（二）产前诊断的实验室检查产前诊断主要通过胎儿形态特征检查、生物化学检查、染色体分析、DNA分析来进行诊断。 第四节遗传伦理 遗传伦理学(gene thi cs)是运用伦理学方法研究和评估由千遗传学发展所产生的伦理问题的一门新兴学科，也称基因伦理学。20世纪人类遗传学和基因组学研究巳经深入影响到医学的各个领域，且随着对人类基因组神秘面纱的逐步揭开和测序技术的进步，这种影响愈发重要。由此给众多医学领域带来的伦理学、法律及社会和政策问题，也将不断增多、且愈发严重，涉及胎儿、新生儿、儿童、相关双亲和成人等各个年龄段的入群，以及产前诊断、症状前诊断、患者家庭成员的知情权、遗传病诊断及治疗带来的医疗卫生政策改革等。 医学伦理学应遵循的四项基本原则。心尊重个体自主权(respect for autonomy)原则。意即维护个人的医疗处理和医疗资料的权利，不强迫、不施压，贯彻“知情同意”原则。同时要保护没有自主决定能力的人，如儿童或智力障碍的人，应授权亲属或代理人员对其医疗措施作出知情同意的决定。＠有利原则(beneficence)。也称有益原则或行善原则，指一切医疗活动应以患者的利益为重，医务人员应遵循最优化原则，始终帮助患者，使患者得到最大的好处。＠无害原则(non-maleficence)，也称不伤害原则或避恶原则。任何医疗措施对患者均存在着一定的风险，治病不可伤身，医务人员有义务防止任何的伤害发生，避免作恶，如伤害不能避免，应尽量使其最小化。＠公平原则(ju stice)。公平公正，保证人人平等。要求人人享有基本医疗服务，应以同样的医疗水平、同样的服务态度对待所有患者。当与这些准则发生冲突时，即产生复杂的伦理问题。因此，在处理社会与医学遗传学之间的矛盾时，应当基于以上准则，权衡利弊，再作决断。 一、临床中的伦理问题 随着不断扩大遗传学和基因组的研究，临床实际工作中会面临许多伦理、法律和政策难题，例如，如何保护人类基因组计划成果问题；如何防止基于基因缺陷而造成的基因歧视问题；对缺陷基因的遗传普查或筛选及其相应的基因治疗问题等（表20-1)，这些问题都对传统伦理提出了严峻的挑战。 遗传检测产前诊断，尤其是检测非疾病性状的基因多态性或胎儿的性别针对无症状成人进行的晚发性遗传病的易感基因分型针对无症状儿童进行的成年期发病遗传病的易感基因分型检测中发现可导致遗传病的次见突变或被检者恰好有未知的有害突变，而这些遗传病可以被改善或预防遗传信息的隐私权发出预告的职责和许可遗传信息被滥用由于求职者的基因型导致的求职歧视由于基因型导致购买人寿保险和医疗保险时遭受歧视遗传筛查新生儿筛查项目中的滥用和不信任隐私问题(—)遗传检测的伦理难题1产前遗传检测遗传学家常常被要求用产前诊断或辅助生殖技术帮助一些夫妇避免生育有严重遗传病的患儿。但某些遗传病，尤其是那些导致身体残疾和智力障碍却并不致死的疾病，产前诊断常常引发不少的争议。夫妇决定生育的自主权与被堕胎的异常胎儿、残疾人的生命权之间的矛盾，即形成伦理难题。目前，遗传学家还未就在个体发育和成长的＂哪个阶段”进行（或“是否“应当进行） 某一种严重遗传病的产前诊断达成统一共识。尽管在产前诊断中存在不少的伦理问题和争议，医务工作者在胎儿畸形产前诊断与干预处理的临床实践中，应该尽可能符合人类道义精神，应遵循2个最基本原则悲者利益第一和尊重患者自主选择。 总之，医生有权利和义务向高危人群详细阐明产前诊断的必要性，并尽可能说服他们进行必要的筛查，而对于非医疗目的的产前诊断应坚决拒绝。坚持以服务于母胎健康为目标，严格掌握产前遗传检测的适应证，是产前诊断首先应重视的伦理问题。 2疾病易感性的遗传检测检测某个个体的任何易感突变基因，都有可能徒增个体的严重心理压力，使其在社会生活中背负＂污名“，并可能在保险和求职中遭受歧视等。在医学遗传学和基因组学中经常遇到的伦理难题是对晚发性疾病的无症状个体进行的遗传检测。此时，应遵循2个原则，即尊重个体自主性和仁爱。例如，检测的病种为晚发性、高度外显的神经疾病，如亨廷顿舞蹈症。对千这类疾病，携带突变等位基因的个体暂时没有症状，但在生命后期一般都会出现严重的疾病表现，且无法治疗。对于这种无症状个体的知情检测，究竟是利大千弊还是弊大千利？目前还很难回答。 医生和卫生管理机构可能需要个体的基因信息。如果医生知道了我们的基因信息，就可以对我们的生活提供一定的指导，对一些疾病作出更有效的治疗。但在这个过程中医生必须替当事人保守基因秘密，不能在当事人不知悄的情况下告诉其他人，否则，医生就要对因患者基因信息泄霞而产生的一系列不良后果负主要责任。 3.无症状儿童的遗传检测随着先进技术在遗传筛查工作中的广泛应用，有关儿童的遗传检测更会引起复杂的伦理争议。因为这些检测既涉及被检儿童自身，又牵扯其双亲。某些父母很希望其子女做疾病的易感等位基因检测，以便及时进行干预，降低死亡风险，延长生命。如对中链酰基辅酶A脱氢酶缺乏症患儿的无症状同胞进行的检测。本病呈常染色体隐性遗传，是最常见的线粒体脂肪酸氧化代谢病多数患者千3~15月龄发病，某些患儿迟至14岁才发病，约20％的患儿在首次发作时便突发性死亡。通过检测ACADM基因突变，可确诊本病，则可及时进行有效的饮食治疗，显著改善预后，减少或防止严重的神经系统后遗症。治疗原则包括提供足够热批的高糖类和低脂肪膳食，避免空腹，补充肉碱等。 美国医学遗传学和基因组学学会(ACMG)以及大多数生物伦理学家的意见是，除非对医疗处理明显有益，否则对成年期发病的无症状儿童的遗传检测以及携带者筛查，最好在儿童意志成熟时（如青少年期），由该个体自行决定是否需要进行检测。 4. WES和WGS所产生的偶见突变或次见突变全外显子(w hol e-exo me sequencing, WES)或全基因组测序(whol e genome sequencing, WGS)是诊断遗传病的利器。然而，WES和WGS可能发现被检者携带了临床上尚未诊断的疾病的基因突变，这些突变是检测人员在进行WES和WGS结果的生物信息学分析时偶然发现的致病基因突变，过去称偶见突变(incidental finding)，现称次见突变(secondary finding)。因为通常进行WES或WGS时，检测人员首先关注的是文献中已明确的那些可能导致患者临床表型的相关基因的突变，即诊断所寻找的主见突变(primary finding)；而次见突变的发现纯属预期以外的＂副产品”。然而，如果这些次见突变将导致的遗传病目前可以改善或预防，是否应该及时告诉被检者？目前争议颇多，也没有形成统一和规范的准则。 （二）新生儿疾病筛查中的伦理问题 新生儿疾病筛查项目对家庭健康以及提升公共卫生水平的贡献毋庸置疑，但涌现出的间题从未间断过，也会面临许多必须思考和解决的伦理学问题。首先，家长们是否被要求“积极参与＂？家长们是否已被简单而明确地告知”可以不参加＂？其次，新生儿的样本、资料和基因组DNA，是否被严格管理而不用于其他目的？例如，美国德克萨斯州曾发生一起丑闻，家长们发现在不知情的情况下，自己的新生儿血斑竟被移送给了国防部和私企用于别的用途。经过起诉，德克萨斯州最终才同意销毁了500多万个新生儿的血斑纸片。 我国在新生儿疾病筛查工作中遵循自愿和知情选择的原则，新生儿疾病筛查不是强迫的，也不是免费，在筛查前必须获得新生儿监护人的知情同意，并签署知情同意书。由千新生儿疾病筛查是一项新兴的儿童保健项目（相关部门出台了《新生儿疾病筛查技术规范》），这就需要经过医务人员向新生儿父母耐心讲解。应当将筛查的项目、条件、方式、灵敏度和费用等情况如实告知新生儿的监护人，并取得签字同意。筛查及治疗过程中，涉及个人信息、患儿病历资料及相关遗传性疾病等隐私问题，医务人员应遵照伦理学自主、尊重原则，保守秘密。当新生儿确诊患病之后，会出现来自家庭和社区歧视，对患儿家庭、家族、儿童成长过程及心理健康有一定的影响。因此，医务人员要保护患儿隐私。部分患儿家长存在焦虑心理、歧视心理或难以承受治疗的经济负担放弃对患儿的治疗，甚至出现弃婴现象。因此，应该更加关注新生儿疾病筛查工作中的伦理学问题，加强对患儿父母的健康教育。治疗是筛查的最终目的，忽视筛查后的治疗将造成社会资源的浪费，不符合伦理学原则。总之，在有利、行普公正、自主的伦理学原则上，为在新生儿疾病筛查所带来的利益和损失之间寻找最佳的平衡状态。 二、遗传隐私 （一）遗传信息的隐私权 基因是携带有遗传信息的DNA序列，是控制性状的基本单位，通过调控蛋白质的合成来表达个体所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。个体因其碱基对组成和序列的不同而携带不同的遗传信息，终生不变，表现出个体差异性，这使得遗传信息成为个人的天然识别码和生物身份证。通过基因检测技术，人们可以知晓自己的基因组成及是否含有某些特定基因，获知人种、性别、亲子关系及对某些疾病的易感性等信息。由千个人遗传信息可以揭示缺陷基因等特定基因的存在，用以解释个人的健康、智力及品格等，这就关系到个人遗传信息的保护问题。个人对其自身的遗传信息享有一种非自愿情况下不为他人知晓的权利，称为遗传信息的隐私权(privacy of genetic information)。遗传信息隐私权的基本内容包含个体有对自己的遗传信息进行隐瞒，不为他人知晓的权利；个体对自己的遗传信息进行有积极的合理利用，满足精神和物质等方面的需要及有权按自己的意愿进行支配的权利。例如公开自己部分遗传信息，准许或拒绝他入使用自己的遗传信息进行相关研究。遗传信息是个人最重要、最基本的隐私，遗传信息的隐私权一旦受到侵害，极有可能牵涉到家族、种族，其后果不仅是个人性的，而且往往演化为社会性，必将导致不良的社会后果。 （二）家族史阳性的家族成员的个人隐私权 家族史阳性的家族成员有自主权向医生提供完整的家族史或家庭状况。如果基因信息显示家族成员患某种遗传病，并具有阳性家族史，那么其直系亲属应当知晓的基因状况，因为他们患此种病的风险很大，在得知自已基因状况后，他们可以及时采取预防措施。在患有或传递严重疾患的高度风险，而预防或治疗可得时，其亲属应该获得储存的DNA，以了解他们自己的状况。但是，如果某人有遗传病阳性家族史而他不愿意做或不想基因检测以证实自己是否携带致病基因，此时他又面临结婚，那么他有没有必要在结婚前做遗传检测？是否应该告知配偶家族史？某些中枢神经系统的退行性病变，如Hun tin gto n病、Alz h eim et病及精神分裂症等，一般在中年发病，病情逐渐发展恶化，且痛苦异常，直至死亡前需要完全护理，因而，由疾病带来的沉重负担就会加到配偶及家人身上。虽然当事人的自主权应该得到充分尊重，他们既有知情的权利，也有不知悄的权利。但是如果这是可以得到保护，那么其家人的自主权就要受到了损害。如果知悄对患者自身会造成心理负担和压力，那就不应该知情；然而，这样的不知情就会对家人造成伤害和不利。 （三）发出预告的职责和许可 患者有权保密自己的医学信息，这是患者自主权的一部分。患者也有权作出是否将其个人的遗传信息告知他人的决定。然而，遗传学与其他临床专业不同，个入的信息不仅涉及患者自身，还牵扯到家庭。因此，当患者坚持不让其亲属知晓自己的遗传信息－即使这些信息对其自身及其子女的健康都有好处，便产生棘手的伦理和法律难题。在这种情况下，临床遗传工作者是应当严格尊重患者的自主权，还是应当怀着高度的职业责任感及时告知其他家族成员？要不要经过患者的允许？多数学者认为，当医学上确定该家族对某一种疾病具有易感性，且会出现严重的、不可避免的疾病时，应该解除保密，告知当事家族。 在美国，法官巳经裁决了许多这种关于医生是否被许可甚至违背对患者的隐私保密的案件。如1996年，新泽西州规定医师有发出预告的职责。在Safe1诉Pack遗产案中，由3名法官组成的审判团认为，对罹患家族性腺瘤性息肉病患者的女儿，医生有职责告知她本病恶化为结肠癌的风险。法官宣称，”遗传病的遗传风险与感染传染或身体危害的风险并无本质差异＂。他们强涸，医生对亲屈提出预告的职责，不仅应包括主动告诉患者该病具有遗传性，而且应当包括亲属的知情权。 （四）雇主和保险业使用遗传信息的情况 随着越来越多的特定基因可用于健康状况、智力、行为倾向等的评估，基因检测开始深入生活的各个角落，公民不能因为遗传特征不同而影响其就业、保险等权利，这在保险、雇佣关系中意义甚大。当前美国立法出千禁止基因歧视的考虑，往往禁止基因检测在雇佣、保险关系中的应用。为保障公民免受基因歧视并消除其疑虑，且允许个体利用基因检测技术、研究和新疗法所带来的便利，美国千2008年通过了一项《反遗传信息歧视法》(ge n e ti c information nondi scrimi nation act, GINA)。根据这一法案，保险公司或雇主等不得在提供健康保险或招聘过程中，区别对待那些基因检测显示易患某些疾病的人。 法律规定保险公司不得询问被保险人基因状况，只能基于一般的健康资料确定保费。这就难免会出现明知自己携带某种缺陷基因的入以一般保费争相投保，即所谓的逆向选择(adverse selection)。逆向选择是指信息不对称所造成市场资源配置扭曲的现象。市场交易的一方如果能够利用多于另一方的信息使自己受益而对方受损时，信息劣势的一方便难以顺利地作出买卖决策，千是价格便随之扭曲，并失去了平衡供求、促成交易的作用，进而导致市场效率的降低。例如，一项调查发现，某些无症状个体在检测了APOEt:4等位基因之后，知道自已为阳性，相比那些不被告知其APOE基因型的入，购买超长期护理保险的次数多了近6次。虽然携带APOE s4等位基因其实对一个人的生活、健康或残险的购买并无多大影响。随着基因检测技术的发展，能对某些缺陷基因进行科学、全面的认识后，可\(”所§以赋予保险公司有限的基因知情权，可以查询被保险人是否含有已在科学、统计上被证明必然导致某种疾病或能够较准确地说明患病率的缺陷基因，从而更合理地确定保费。 遗传咨询是遗传病患者及其亲属与遗传咨询医师讨论遗传病的发病原因、遗传方式、发病风险、诊断、治疗和预后等问题，并给予婚姻、生育、防治等方面的医学指导的交，无过程。主要步骤包括准确诊断、确定遗传方式、对再发凤险的估计、提出对策和措施、随访和扩大咨询。其目的是确定遗传病患者和携带者，并对其后代患病的危险率进行预测，以便商谈应采取的预防措施，减少遗传病患儿的出生，降低遗传病的发病率，提高人群遗传素质和人口质量。遗传病再发凤险率的估计是遗传咨询的核心内容。遗传病的群体筛查是预防和治疗某些遗传病的有效方去，主要有新生儿筛查、杂合子筛查和产前诊断等。遗传咨询和遗传诊断所涉及的医学伦理问题应尊重个体自主权原则、有利原则、无害原则、公平原则，进而减少遗传病的发生及降低有害等位基因在人群中的频率，使人类能够荻得体质健康、智力优秀的后代。 l什么是遗传咨询？遗传咨询包括哪些步骤？遗传咨询在遗传病的诊断、治疗和预防中有何意义？2.遗传咨询中，应遵循哪些医学伦理学原则？谈谈你对遗传栓剧中所涉及的伦理问题的理解。3一对夫妇，因12岁的儿子患有神经疾病青少年型Huntington病，前来遗传咨询。请讨论遗传咨询过程中所涉及的医学伦理问题。 4.患者，女，27岁。查出患有乳腺癌，分子遗传学梒查BRCAJ基因185d elAC突变。家系中其母亲、两个姨妈及外祖父均患有乳腺癌，其母亲同时也患有卵巢癌。该妇女因担心孩子具有患乳腺癌或卵巢癌的高风险，前来遗传咨询。请就该家系的预后、疾病再发凤险及与乳腺癌易感基因BRCAJ的关系进行讨论；并提出遗传咨询医师具有哪些预告职责。 5.请解释你为何选择一组基因和疾病（十几个，几十个）进行未知疾病的全外显子和全基因组测序。 （郑立红） 推荐阅读 一、主要书目 [l]Turnpenny P, Ellard S. Emery's Elemen ts of Medical Genetics.15th ed. Amsterdam:Elsevier Science,2018.[2J Krebs JE, Goldstein ES, Kilpatrick ST. Levin's Genes XII.12th ed. ox1·ord:Oxford University Press,2018.[3J Chen H. Atlas of Gen etic Diagnosis and Counseling.2nd ed. Totowa, New Jersey:Springer,2017[4J Wong LJC. Next Genera tion Sequencing Based Clinical Molecular Diagnosis of Human Genetic Disorders. Cham, Switzerland:Springer,2017[5J McGowan-Jorda n J, Simons A, Schmid M. An International System for Human Cytogentic Nomenclature. Basel:Karger,2016. [6]Murphy KM, Weaver C. Janeway's Immunobiology.9th ed. Oxford:Garland Science,2016[l]Galperin MY, Fer咄ndez-Suarez XM,Rigd en DJ. The24th annual Nucleic Acids Research database issue:a look back and upcoming chan ges. Nucleic Acids Res,2017,45(Dl):D1-Dl1[2J Kearney HM, Thorland EC, Brown KK, et al. American College of Medical Genetics standards and guidelines for interpretation and reporting of postnatal constitutional copy number variants. 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