第二节 基因突变引起性状改变的细胞生物学机制

根据中心法则，DNA双链上的脱氧核苷酸序列（或碱基序列），可遵循碱基互补配对原则，准确地转录为mRNA单链上的核苷酸序列，进而以mRNA为模板，按照1个三联体密码决定1种氨基酸的原则，翻译合成1条氨基酸种类和序列唯一确定的多肽链。因此，基因突变无论其起因如何，它们所引起的核苷酸序列的改变，都有可能导致多肽链或蛋白质的氨基酸序列变化，最终引起生物个体的表型发生改变，甚至疾病的发生。生物体内的蛋白质包括酶蛋白分子和非酶蛋白分子，基因突变就是通过改变这些蛋白质的结构来影响机体的代谢或构成的。

一、基因突变可引起酶分子的缺陷

酶是生物体内物质代谢的特殊催化剂。人体内的每一步代谢反应，绝大多数都需要某种特异性的酶催化才能完成。基因突变所引起的酶的结构改变或合成障碍，都有可能引起某种代谢过程的中断或紊乱。如果这种基因突变恰好发生在生殖细胞或受精卵中，就有可能传递给后代，从而使后代产生相应的先天性代谢缺陷（inborn errors of metabolism）或遗传性酶病（hereditary enzymopathy）。但不同的基因突变所引起的酶缺陷类型不同。

（一）结构基因突变引起的酶结构改变

酶一般可以分为两种类型：单体酶和复合酶。前者仅由酶蛋白分子构成，后者除酶蛋白分子外，还含有某种辅助因子。但无论是哪一种类型，要维持其催化活性，都必须具备与其催化反应相适应的特定三维空间构象。

在结构基因突变中，除同义突变不致引起酶蛋白的结构变化外，其他突变形式都可引起酶分子三维空间构象的不同程度的改变。错义突变引起多肽链中1个氨基酸的种类发生变化，通常使酶分子空间结构发生轻度改变，若发生改变的氨基酸正好是决定酶分子空间构象的关键氨基酸，也可使构象发生重大变化。无义突变由于使多肽链的合成过早结束，形成不完整的多肽链，往往可使某种酶蛋白因不能形成正常的空间构象而失去活性。终止密码突变为编码某种氨基酸的密码之后，可使多肽链的合成结束过晚，形成超长的多肽链，也可在很大程度上影响蛋白质分子的构象。移码突变通常引起多肽链上若干氨基酸种类和序列发生改变，往往导致酶分子失去活性。空间构象变化引起的酶活性改变，主要表现在以下几个方面：①酶完全失去活性；②酶具有一定程度的活性，但稳定性降低，容易被迅速裂解而失去活性；③酶与底物的亲和力降低，不能迅速而有效地与底物结合，从而使代谢反应速度变慢；④复合酶的酶蛋白分子与辅助因子的亲和力下降。

（二）调节基因突变引起酶合成速度减慢

每个酶蛋白分子的结构基因都有启动子和增强子等调控序列。如果调控序列发生突变，一方面可使基因转录的启动出现障碍，不能合成mRNA；另一方面可使即使能转录的基因，也处于比较低的转录水平，降低mRNA的合成量。突变所引起的这两方面效应，最终将导致相应的酶蛋白分子不能合成，或者合成量达不到某种代谢反应所需要的正常浓度，从而出现酶缺陷。

二、酶缺陷通过引起代谢缺陷而使机体发病

在人体内的代谢反应过程中，几乎每一步都需要在相应的酶催化下，才能正常进行。因此，酶是代谢反应正常进行的极为重要的限制因素。

（一）酶与代谢反应的关系

一般来说，人体内的代谢反应（分解代谢和合成代谢）都是分步骤逐级完成的，从而构成一系列连锁的反应过程。如图3－5所示，底物A通过细胞膜上的转运系统TA（通常也是一种酶）的作用而进入细胞内，然后经酶EAB的催化转变成中间代谢产物B，B再经酶EBC、ECD的作用依次转化为中间代谢产物C和最终代谢产物D。A物质的代谢除了A→B→C→D这一主要代谢途径（正常代谢途径）之外，在其他相应酶类的作用下，还可沿着A→F→G的次要代谢途径（正常情况下很少发生的代谢途径）进行。由这一例子可知，中间代谢产物具有双重性。例如，中间代谢产物C既是酶EBC作用下的产物，也是酶ECD的底物。无论是代谢的终产物还是中间产物都有可能是机体正常生理活动所必需的，但对于终产物来说，它也可能是某种代谢废物，需经排泄器官排出体外。同时随着终产物浓度的提高，它还可成为一种抑制剂，反馈性地抑制该代谢反应系列的初始步骤，从而调节这一代谢过程的速度。

（二）酶缺陷对代谢反应的影响

在上述过程中，任何一种酶（TA、EAB、EBC或ECD）的缺陷都可能导致底物的堆积，或者产物的缺乏，或者促使代谢反应沿着次要途径进行，后者则有可能形成对机体不利的中间产物或终产物。

1.膜转运酶的缺陷 很多非脂溶性物质（如葡萄糖、氨基酸等）必须在有关的膜转运酶（也称载体或导体）的帮助下，才能进入细胞内，如前述的TA就是底物A进入细胞所必需的。如果细胞膜上缺乏某种物质的转运酶，就可能引起相关疾病的发生。例如，在色氨酸加氧酶缺乏症（OMIM＃191070，4q31－q32）病例中，由于遗传因素的影响，患者肠黏膜细胞上缺乏色氨酸的转运酶（色氨酸加氧酶），因而色氨酸不能被吸收。色氨酸是细胞内合成烟酰胺、5－羟色胺等的原材料，而烟酰胺则是许多重要的复合酶的辅助因子，5－羟色胺则是一种重要的神经递质（图3－6）。色氨酸的缺乏导致烟酰胺和5－羟色胺不能生成，从而使整个机体的代谢过程发生紊乱，临床上主要表现为反复发作的小脑运动失调、皮肤粗糙和色素沉着或表皮破溃等。该病呈常染色体隐性遗传。

2.酶缺陷导致中间产物或底物的堆积 由于某种酶的缺陷而导致的底物堆积，对机体的可能危害有以下两种情况。

（1）底物的堆积本身对机体是有害的，进而引起相应疾病。例如半乳糖血症（galactosemia，OMIM＃230400）就是因为患者体内缺乏半乳糖－1－磷酸尿苷酰转移酶（GPUT），导致有害底物半乳糖－1－磷酸和半乳糖在血液中的堆积所致的疾病。新生儿的发病率为1／400 000～1／60 000，临床症状为：哺乳后呕吐、腹泻，继而表现拒乳等胃肠道症状，随着病情加重，出现肝脏损害和脑损害的症状，如黄疸、肝硬化、腹水、智力低下等。

在人体内，半乳糖的正常代谢如图3－7所示。在正常情况下，半乳糖－1－磷酸经GPUT的催化，转化为葡萄糖－1－磷酸而被进一步分解。由于编码GPUT的基因发生突变，使GPUT不能正常生成，导致半乳糖－1－磷酸不能转化为葡萄糖－1－磷酸而在血液中堆积，最后引起上述各种临床症状的出现。

（2）底物的堆积本身可能无害，但可激发次要代谢途径的开放。由于催化主要代谢途径某种酶类的缺失，导致主要代谢途径受阻，而造成底物或中间代谢产物的堆积，如此就可能使代谢反应沿着次要途径进行。次要代谢途径的开放，有可能引起某些副产物的堆积，从而对机体造成损害而致病。

如图3－8所示，苯丙酮尿症就是由于在苯丙氨酸的主要代谢途径中，缺乏苯丙氨酸羟化酶，使苯丙氨酸不能转化为酪氨酸而被正常分解利用，导致苯丙氨酸→苯丙酮酸的次要代谢途径开放，苯丙酮酸的堆积对神经产生毒性作用，主要临床表现为智力低下。该病也为常染色体隐性遗传，致病基因定位于12q24.1，发病率为1／16 000。

3.酶缺陷使代谢终产物减少或缺乏 在人体内物质代谢的一系列连锁反应过程中，由于催化某一反应步骤的酶的缺乏，可使其后续的反应步骤中断，从而使人体必需的某种代谢终产物缺失而致病。白化病就是一个典型例子。由于患者表皮的黑色素细胞中缺乏酪氨酸酶，而不能使酪氨酸氧化生成黑色素（酪氨酸转化为黑色素的代谢过程见图3－8）。因黑色素缺乏而使患者的主要临床症状表现为：皮肤浅红色或白色，毛发银白或淡黄，虹膜和脉络膜浅红色，畏光等。本病为常染色体隐性遗传，有多种亚型，致病基因不同。一般来说，编码酪氨酸酶的为显性基因（A），A经突变后成为隐性等位基因（a），隐性纯合体（aa）则不能合成酪氨酸酶而致白化病。该病在群体中的发病率为1／10 000，迄今无有效的治疗方法。

4.酶缺陷导致反馈抑制减弱 在代谢过程的一系列反应步骤中，某些代谢产生物（终产物）对初始步骤的反应速度具有反馈调节作用。由于某种酶的缺陷，使该代谢终产物减少，就可能减弱其对初始步骤的反馈抑制作用，从而干扰机体代谢的协调和恒定而引起疾病的发生。

例如，先天性肾上腺皮质增生症（congenital adrenal hyperplasia，OMIM＃201910），其主要发病原因是由于21－羟化酶的缺陷，使孕酮和17－羟孕酮不能转化为醛固酮和可的松等盐皮质激素与糖皮质激素，却形成大量的雄烯二酮和睾酮。由于血中皮质激素的缺乏，可负反馈性地促使垂体分泌过量的促肾上腺皮质激素（ACTH），使肾上腺皮质增生。结果并不能增加皮质激素的合成，反而继续使睾酮等性激素大量合成（图3－9）。该病为常染色体隐性遗传，致病基因定位于6p21.3。男婴患儿刚出生时，外生殖器正常或稍大，但不久之后，即体重迅速增长，出现阴毛、腋毛（但睾丸不发育）等一系列假性早熟现象。女婴患儿刚出生时就表现出外生殖器异常，阴蒂肥大，大阴唇发育，随着年龄的增长逐渐男性化，3岁以后就可出现阴毛等假性畸形表现。

以上阐述了因酶缺陷而引起代谢缺陷的方式，现归纳如图3－10所示。

需要特别指出的是，由于人体内的代谢十分复杂，所以上述方式并不是截然可分的，往往是几种方式兼而有之。如前述的苯丙酮尿症患者有时也可因酪氨酸的不足，而出现白化症状。

总之，基因突变→基因缺陷→酶缺陷→代谢缺陷→先天性代谢病，这是遗传性代谢病产生的基本机制。

三、基因突变引起非酶蛋白分子的缺陷致分子病的发生

基因突变除了引起酶蛋白的缺陷以外，还可以通过影响非酶蛋白分子的结构和数量而导致性状的改变，甚至疾病的发生。非酶蛋白分子结构和数量的异常所引起的疾病，统称为分子病（molecular disease）。人类机体是由各种各样的蛋白质构成的，编码这些蛋白质的基因均有可能发生突变，从而使相应蛋白质的性质或数量发生异常变化，引起很多分子病，如运输蛋白、免疫蛋白、膜载体蛋白、受体蛋白等异常所引起的相应分子病。

（杨玲）