基因突变导致蛋白质功能改变

无论是基因突变，还是染色体畸变，它们对蛋白质所产生的影响主要包括：①突变影响活性蛋白质的生物合成；②突变改变了蛋白质的功能效应；③突变蛋白（mutant protein）的细胞定位与病变位置的关系；④蛋白质的分子异常与临床表现的关系等。通过这些机制可以进一步理解基因突变导致遗传病发生的分子途径。

一、突变蛋白

遗传信息通过转录、翻译从基因传到多肽链，后者再形成具有生物学活性的蛋白质。基因突变后，大多从两个途径改变了这些正常蛋白的合成，形成突变蛋白：①突变改变了多肽链的氨基酸序列（即蛋白质的一级结构），使蛋白质失去正常功能，此称为原发性损害（primary abnormalities）；②突变并不直接影响某一蛋白质，而是通过干扰多肽链的合成过程（如参与蛋白质翻译的各种因子的突变）、翻译后修饰（如各种参与蛋白质成熟过程的修饰因子的突变），以及蛋白质与辅助因子结合的改变而间接地使某一功能蛋白质失去正常的生物学活性而引起疾病，称为继发性损害（secondary abnormalities）（表3－1）。

表3－1 突变与疾病的关系

（一）影响mRNA和蛋白质合成的因素

1.影响mRNA和蛋白质合成的原发因素 例如β珠蛋白生成障碍性贫血，其部分病因可能就是由于突变减少了正常β珠蛋白的合成；在少数情况下，突变也可能增加了某一蛋白的合成速度，这可能与这些基因转录形成的mRNA相对稳定性下降，通过反馈调节基因的表达；也可能使在发育进程中不应表达的基因不正常地表达，而使某一蛋白质合成增加，如HPFH（OMIM＃142470，6q22.3－q23.1）。

2.影响mRNA和蛋白质合成的继发因素 通常情况下，蛋白质合成的速度或效率不是由编码该蛋白质的基因本身决定的，而是由调节该基因表达的调节“因子”决定的。如果这些因子发生改变，同样影响着这些蛋白质的功能，甚至引起疾病。急性间隙性卟啉症（acute intermittent porphyria，AIP；OMIM＃176000）就是其中一种。这是一种常染色体显性遗传病或性状，致病基因定位于11q23.3，90％左右的患者可为无临床表现，仅10％的患者表现为间隙性发作。正常情况下，δ－氨基γ－酮戊酸（δ－aminolevulinic acid，ALA）合成酶催化甘氨酸与琥珀酰Co A生成ALA，再转化为胆色素原（porphobilinogen，PBG），后者在PBG脱氨酶作用下逐级合成血红素（heme）（图3－1）。

图3－1 血红素的合成与AIP的发生

该病患者由于缺乏PBG脱氨酶使细胞内ALA、PBG不能转化为血红素，使血红素含量下降；而血红素的下降则调节着ALA合成酶表达的增加，增加的结果使ALA和PBG更严重的积聚，导致疾病。当人体服用一些药物以后，肝脏中以血红素为辅基的氧化参与了药物的代谢，对血红素的需求也增加，血红素含量减少明显，致ALA合成增加，ALA因而增多，故而表现为服用药物后出现症状或症状加重的间隙性发作。这种疾病虽然是由于ALA合成酶的合成增加直接造成的，但却是PBG脱氨酶缺陷间接作用的结果。

（二）影响蛋白质结构的因素

1.影响蛋白质结构的原发性因素 一般情况下，维持蛋白质正常生理功能取决于以下两个特征：①正常的构象；②担负特定功能的氨基酸序列的存在。基因的突变可通过两者之一或两个特征的变化而改变蛋白质的正常功能。最常见的这种突变是球蛋白（如血红蛋白）分子的疏水区（内部非极性的内衬）被1个或几个亲水或极性氨基酸取代（或插入）而留下间隙（gap），导致相应蛋白质的稳定性下降，功能发生变化。据估计血红蛋白的各种突变中，这一类型占20％以上。

2.影响蛋白质结构的继发性因素（翻译后修饰缺陷） 绝大多数蛋白质都需要进行翻译过程或翻译后的加工、修饰，以满足其功能的需要。但在许多疾病，这一加工、修饰过程缺陷继发性地改变了相应蛋白质的结构而引起疾病。例如Ehlers－Danlos综合征Ⅱ型（OMIM＃130010，9q34.2－q34.3），它是由于赖氨酸羟化酶缺陷所致。在这种情况下，胶原分子上的赖氨酸不能被羟化，使胶原分子间的连接发生障碍，而不能适应于组织细胞内胶原网络结构的形成，最终导致结缔组织的结构改变和功能紊乱。

（三）影响蛋白质亚细胞定位的因素

多肽链在合成后须折叠成特定的空间形状，随后运送到特定的细胞内、细胞外位置或与其他多肽、辅助因子组装成结合蛋白以适应其功能的需要。

1.影响蛋白质细胞内转运的原发缺陷 蛋白质分子在细胞内定位是由组成多肽链的氨基酸组成和序列所决定的。例如，一些线粒体蛋白是由核基因所编码并在细胞质合成的，在这些蛋白质氨基端的一段序列可识别位于线粒体膜上的受体，并转运入线粒体内。如果编码这些氨基酸残基的DNA发生突变，就可能导致线粒体蛋白质不能被正确地导入线粒体内，即导致疾病。甲基丙二酸尿症（methylmalonic aciduria，OMIM＃251000）是一种常染色体隐性遗传病，致病基因定位于6p21，由于机体内缺乏甲基丙二酰辅酶A（MMA－CoA）羧基变位酶（methylmalonyl CoA mutase），致使甲基丙酸单酰CoA不能转变为琥珀酰CoA，而使甲基丙二酸（methylmalonic acid，MMA）在线位体内堆积而致病。然而，MMA－CoA变位酶基因的突变仅发生于其氨基端32个氨基酸残基组成的引导序列（转移肽）区，致引导序列信号错误而不能进入线粒体，造成MMA－CoA变位酶缺失（图3－2）。

图3－2 MMA－CoA变位酶与琥珀酰CoA的合成

2.影响蛋白质细胞内转运的继发因素 与许多膜蛋白或线粒体蛋白的定位机制不一样，另一种类型的蛋白定位是由翻译后的修饰所决定的。溶酶体内的酸性水解酶就是通过这一机制实现细胞内的转运的。正常的酸性水解酶在内质网内合成后，经过糖化后形成带有甘露糖（mannose，Man）的糖蛋白，Man经磷酸化后形成6－磷酸－甘露糖（M－6－P），而M－6－P残基与内质网膜上的M－6－P受体相结合并以发芽的形式形成胞内囊泡，再与溶酶体融合后将酸性水解酶释放入溶酶体。因此，M－6－P是酸性水解酶转运到溶酶体的关键。在某些病理情况下，由于使甘露糖转变为M－6－P的酶缺陷，致酸性水解酶不能进入溶酶体而堆积于细胞质中并释放到体液中或体外培养的细胞培养基中。由于酸性水解酶涉及多种物质的分解代谢，因此这类患者有多种临床表现，包括骨骼异常、严重的生长迟缓和智力低下等。此外，这类患者的细胞在体外培养时可见到不正常的溶酶体或包涵体（inclusion body），故称为包涵体细胞（inclusion－cell，I－cell）。包涵体细胞病也称为I－细胞病。

（四）影响蛋白质与其他因子结合的突变

新合成的多肽链往往需要同其他分子结合才能形成有活性的蛋白质。如果该分子也是一条相同或不同的多肽链，则形成同聚体或异聚体。迄今，已知有许多突变影响到多肽链与其他分子的结合而使该蛋白质不能正常地行使功能。

1.影响亚单位组装成多聚体相互集积的原发突变 如果1个蛋白质分子是由2个以上亚单位组成，则其表面的改变往往会影响到亚单位之间的亲和力，不能形成正常的蛋白质复合体。骨发育不良时组成Ⅰ型胶原的proα1（Ⅰ）和proα2（Ⅰ）突变致它们的组装发生困难，从而导致各种临床表现，甚至在围生期死亡。

2.不能形成多聚体蛋白而引起的继发性功能缺陷 一些蛋白质的多肽链分子在与有遗传缺陷的其他多肽链（或亚单位）结合后，不能形成有功能的多聚体，因此引发疾病。Zellweger综合征（OMIM＃214100，已定位的易感基因位点包括2p15、1号染色体、1q22、7q21－q22和6q23－q24）就是这方面的典型例子。

（五）影响辅基或辅助因子与蛋白质结合或去除的突变

某些蛋白质须结合了非蛋白质的辅基（prosthetic group）或辅助因子（cofactor）后才获得其生物学活性。例如，珠蛋白仅在与血红素结合后才能形成具有携带氧（O2）或二氧化碳（CO2）能力的血红蛋白。凡影响到多肽链与辅助因子结合或去除的多肽链突变，或使辅助因子形成、转运发生缺陷的突变都构成了遗传病发生的分子机制。

1.影响辅助因子与蛋白质结合的原发突变 同型脱氨酸尿症（homo cystinuria，OMIM＃220100）是一种由脱硫醚合成酶（cystathionine synthase）缺陷引起的氨基酸代谢疾病，呈常染色体隐性遗传，致病基因定位于2p16.3，临床上表现为多器官损害。事实上，本病的分子缺陷是由于基因缺陷而致该酶与辅助因子磷酸吡哆醛（pyridoxal phosphate）的结合障碍而失去活性。大剂量的吡哆醛（维生素B6）具有一定的治疗作用。这是此种发病机制的典型例子之一（图3－3）。

2.影响辅助因子与蛋白质结合或去除的继发因素 在另一些情况下，催化蛋白质分子的辅助因子合成、转运的酶或催化辅助因子与蛋白质结合或从结合蛋白质上去除辅助因子的酶发生了缺陷，间接地影响到蛋白质与辅助因子的结合，继而影响该蛋白质的生物学活性。

（六）结构基因的突变降低了突变蛋白质的稳定性

许多结构基因的突变导致由它所编码的蛋白质的稳定性降低，严重时，甚至检测不到在正常情况下可被检测的蛋白质分子。这些不稳定性可能直接成为某些遗传病发生的原因或分子机制。

图3－3 脱硫醚合成酶缺陷与同型胱氨酸尿症

二、突变对蛋白质功能产生多种不同效应

突变对蛋白质功能可产生多种不同的影响（图3－4）。主要包括：①功能缺失型突变；②功能获得型突变；③形成新特征突变；④显性负突变；⑤异时或异位基因表达。

（一）功能缺失型突变

功能缺失型突变（loss－of－function mutation）是一种最常见的突变形式。不论是编码区域的突变，还是调节区域的突变，多数发生突变的蛋白质都失去了正常功能，多见于隐性遗传性疾病。此外，由于突变蛋白往往稳定性差，所以，其在细胞内的含量也相应下降。

（二）功能获得型突变

在少数情况下，突变也可能因增强了突变蛋白的活性而改变了机体的生化表型，称为功能获得型突变（gain－of－function mutation），多见于显性遗传性疾病。导致突变蛋白活性增加的原因有二：一是蛋白质结构的改变使该蛋白质活性增强；二是调节区域突变，使该蛋白质合成的数量增加，活性也相应增强。但活性增强同样可导致疾病的发生。von Willebrand病（von Willebrand disease，OMIM＃193400）是这方面的典型病例。von Willebrand病是一种常染色体显性遗传病，致病基因定位于12p13.3。编码von Willebrand因子（von Willebrand factor，vWF）的基因存在许多突变，临床上分为两类，即表型正常的个体和损伤后出血不止的患者，总频率为1／125。当vWF的活性增强时，它与血小板的结合能力相应增强，也就不易于从血小板上分离。当该个体因损伤而出血时，带有vWF的血小板不便于与血管内皮接触、依附而发挥止血作用。

（三）形成新特征的突变

与上述功能加强的突变一样，这是一种不常见的突变类型。这种类型的突变使突变蛋白具有了新的特性，并因此导致疾病的发生，称为新特征的突变（novel property mutation）。例如，镰状细胞贫血，它因β链基因突变形成血红蛋白S（Hb S），这种血红蛋白具有相对正常的运氧能力，但也具有了在缺氧情况下可相互集聚的新特性。这一新特性使红细胞受到损伤变形，导致溶血性贫血的发生。

图3－4 突变对蛋白质功能的影响

（四）显性负突变

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学功能，这种蛋白质相互作用中的干涉现象称为显性负效应（dominant negative effect）。显性负效应通常是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成骨不全（osteogenesis imperfecta，OI；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COL1A1亚单位和1个COL1A2构成的三螺旋体，螺旋区主要由G－X－Y 3个氨基酸重复构成，其中甘氨酸（G）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并致病。

（五）异时或异位基因表达

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不适当的细胞中表达，即所谓异时基因表达（heterochronic gene expression）或异位基因表达（ectopic gene expression）。如非β珠蛋白基因簇中γ链在胎儿期高表达，而在出生后迅速下降；而β链在胎儿期低表达，而在出生后迅速上升。非β珠蛋白基因簇调节区的基因突变则可使γ链在出生后持续高表达，导致遗传性胎儿血红蛋白持续症的发生。

三、突变蛋白的细胞定位与病理生理发生部位

总体来说，蛋白质可分为两类：一类是持家蛋白（housekeeping protein），另一类是奢侈蛋白（luxury protein）。前者存在于几乎所有的细胞中，在维持细胞的结构或功能中起基本作用。例如，细胞骨架蛋白质（肌动蛋白、微管蛋白等）、RNA聚合酶、核糖体蛋白质等。后者仅存在于有限的细胞类型中，并表现出特定的功能。例如，红细胞前体中的α和β珠蛋白、B细胞中的免疫球蛋白（Ig）等。但这种分类并不是绝对的，一些持家蛋白在某些细胞类型中高水平表达，成为该细胞的特异蛋白。

（一）组织特异性蛋白突变

一般情况下，组织特异性蛋白（tissue－specific protein）突变所引起的病理生理改变常局限于原发的特定的组织内部。然而，一些组织特异性蛋白也可能在其他组织产生原发性病理生理损害，而突变蛋白的原发组织则表现正常。例如，在苯丙酮尿症（phenylketonuria， PKU；OMIM＃261600）中，智力低下是肝脏（肾脏）苯丙氨酸羟化酶缺陷唯一显著的病理学特征。

（二）持家蛋白的突变

因持家蛋白突变所引起的临床效应通常局限在1个或几个持家蛋白起特殊作用的组织中。例如，尿素循环中的精氨酸琥珀酸合成酶和精氨酸琥珀酸裂解酶普遍表达于几乎所有细胞中，参与精氨酸的合成代谢，而这些酶在肝脏中呈高水平表达，主要参与把具有神经性的氨转变为尿素。这类持家蛋白的缺陷主要影响的不是精氨酸的合成代谢，而是尿素的循环代谢。

四、突变蛋白与相应疾病临床表型之间的关系

（一）同一基因的不同突变产生不同的临床表型

同一单基因（基因座）的不同突变产生极其不同的临床表型意味着遗传异质性（等位基因异质性）与临床异质性之间存在着因果联系。例如，β珠蛋白基因存在着各种不同的突变，由此所引起的临床表型也可表现为正常到疾病，直至镰形细胞贫血患者的死亡。不同突变之所以引起不同类型的临床表型主要是由基因突变的类型、基因突变所涉及蛋白质的功能位置等决定的。

（二）突变所引起的结果有时无法预测

迄今，人们尚不能理解血红蛋白A（HbA）突变为HbS后，即发生脱氧状态下的聚合；也不能理解苯丙酮尿症时，苯丙氨酸羟化酶缺陷导致的智力低下。在很多情况下，尚不能估计或推测某一突变应该或不应该引起这样或那样的生化或临床表型。但随着现代医学的飞速发展，这些问题将逐步得到解答。