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1、三核苷酸重复与人类疾病Trinucleotide repeats and human disorder,简介（INTRODUCTION）,1.三核苷酸重复是生物体内常见的微卫星序列（Trinucleotide repeats(TNRs)are microsatellite sequences）2.三核苷酸不稳定重复导致疾病是突变重要且独特的形式（Disease-causing repeat instability is an important and unique form of mutation）3.三核苷酸重复和40多种神经肌肉和神经退行性疾病有关（linked to more than
2、 40 neurological,neurodegenerative and neuromuscular disorders.）比如 亨廷顿氏病（Huntingtons disease）；肌强直性营养不良（myotonic dystrophy）；脆性X染色体（fragile X syndrome）,三核苷酸重复带来人类疾病特点characteristics of disorders caused by trinucleotide repeat,1.不稳定重复突变既有体细胞也有性细胞(the mutant repeats show both somatic and germline instab
3、ility)2.表现为发病年龄越来越早（an earlier age of onset）发病程度越来越重（and increasing severity of phenotype in subsequent generations）即所谓的遗传早发现象（anticipation）3.双亲的来源影响遗传早发现象，三核苷酸通过父亲比母亲遗传更多（the parental origin of the disease allele can often influence anticipation）,3.重复在非编码区域降低转录和翻译（Repeats in non-coding regions-redu
4、ced transcription or translation）,当然，理解症状的分子机制是开发每种疾病治疗方法的根本（Understanding the molecular mechanisms behind the symptoms specific to each disease will allow new therapies to be developed）,1.重复在蛋白质编码区域导致毒蛋白（Repeats in protein coding sequences-toxic proteins）,2.重复在RNA编码区域改变RNA功能（Repeats in RNA coding r
5、egions-altered RNA function）,三核苷酸重复带来疾病的机制,重复在RNA编码区域改变RNA功能,重复在蛋白质编码区域导致毒蛋白,重复在非编码区域改变RNA功能,三核苷酸重复种类（按照其相对位置）Category of the trinucleotide repeat(based on the relative location),第一种是三核苷酸重复在基因非编码区域，常见有 六种遗传病（Repeats in non-coding sequences for six diseases）2.第二种是三核苷酸重复在基因编码区域，常见有七种遗传病，经常表现为多聚谷氨酸束（co
6、de for polyglutamine tracts）,重复序列在非编码区域的疾病,重复序列在编码区域的疾病,三核苷酸重复在非编码区（Repeats in non-coding sequences）,不编码的三核苷酸重复带来疾病的特点NON-CODING TRINUCLEOTIDE REPEAT DISORDERS,1.大量和可变的重复扩展导致多种组织功能丧失和功能退化（Large and variable repeat expansions that result in multiple tissue dysfunction or degeneration）2.疾病症状也随重复多少不同，即
7、所谓体细胞异质性（Phenotypic manifestations within a disease are variable，Degree of somatic heterogeneity）,脆性X染色体Fragile X syndrome,脆性X染色体基因型种类genotype of Fragile X syndrome,1.FRAXA 位于Xq27.32.FRAXE 位于Xq283.FRAXF 位于Xq27.3-q28 以上三种临床症状和发病机制类似,脆性X染色体Fragile X syndrome(FRAXA),1.Fragile X syndrome(脆性X综合症):与X染色体相关
8、的缺陷，男性中1/2000和女性中1/4000的几率，产生遗传性的智力缺陷2.基因座：Xq27.3；Xq28;Xq27.3 q28，叶酸敏感的脆性位点(在缺乏叶酸和thymidine的条件下，染色体某些区域在有丝分裂期间不能正常地形成染色质)3.fragile X mental retardation 1；2；(FMR1；2；)基因：RNA结合蛋白质，在胚胎和成年的组织中表达，在大脑和睾丸中高表达4.与蛋白质的翻译及mRNA的转运有关，调控突触的可塑性,Fragile X syndrome(FRAXA),1.脆性X综合症的分子机理：FMR1的5非翻译区CGG的多样性,FMR2的5非翻译区CCG
9、的多样性 2.正常情况，FMR1存在6-52个CGG重复片段3.脆性X失调综合症(轻微症状)：52-200个CGG重复片段4.FRAXA:超过52-200个CGG重复片段5.CGG重复片段发生de novo methylation，从而抑制了FMR1的转录,Fragile X syndrome(FRAXA),1.CGG重复片段的不稳定性导致异常的DNA甲基化2.正常情况的CGG重复片段在CpG岛中，不被甲基化3.CGG重复片段很多的时候，发生de novo methylation，使得基因沉默,叶酸敏感的脆性区域,1.Folate-sensitive fragile sites.2.FRAXA
10、基因座是基因组上叶酸最敏感的区域，是其它区域的20倍3.其他位点/基因：FRAXE,FRAXF,FRA10A,FRA11B and FRA16A4.FRAXE与人疾病有关5.基因组的结构与FMR1相似，都是CGG重复片段的扩增,FRA10A,FMRP通过结合核糖体阻止蛋白质的合成,弗里德赖希共济失调 Friedreich ataxia(FRDA),弗里德赖希共济失调 Friedreich ataxia(FRDA),1863年Friedreich首先报道，常染色体隐性遗传，发病率1/50000。9q1321.1，GAA异常扩增常染色体隐性（autosomal recessive）唯一没有遗传早发
11、现象（the only triplet repeat disorder that does not show anticipation）共济失调（Ataxia(loss of voluntary muscular coordination)屈筋反射減退（Diminished reflexes）心肌疾病Cardiomyopathy(heart enlargement)糖尿病Diabetes 脊髓退化Degeneration in the spinal cord,九号染色体图谱,9q1321.1,由于GAA在内含子内重复扩增造成，正常人7-20，患者200-900次重复（FRDA is cause
12、d by a large intronic GAA repeat expansion）基因位于9号染色体，基因产物为frataxin，210aa located on chromosome 9(Gene:X25/Potein:frataxin)导致基因产物为frataxin表达减少（which leads to reduced gene expression）推测是由于富含AT序列导致表达减少（The expanded AT-rich sequence most probably causes）GAA/TTC自我配对导致DNA呈现三链结构（self-association of the GAA
13、/TTC tract,which stabilizes the DNA in a triplex structure）,弗里德赖希共济失调 Friedreich ataxia(FRDA),弗里德赖希共济失调 Friedreich ataxia(FRDA),GAA/TTC自我配对导致DNA呈现三链结构如何抑制mRNA的合成,GAA在内含子内重复扩增,1.Frataxin 蛋白在人细胞线粒体中发现，右图是通过GFP定位的frataxin，功能不明（frataxin is found in the mitochondria of human）2.在酵母中的类似蛋白 YFH1控制离子水平和呼吸功能（t
14、here is a very similar protein in yeast,YFH1,YFH1 is involved in controlling,iron levels and respiratory function)3.通过研究YFH1可以帮助我们了解Frataxin的功能（Frataxin and YFH1 are so similar,studying YFH1 may help us understand the role of frataxin in FRDA）,弗里德赖希共济失调 Friedreich ataxia(FRDA),基因转录减少导致frataxin 减少（de
15、creases frataxin levels）导致frataxin 功能的部分丧失（a partial loss of frataxin function）干扰酵母X25同源基因结果是线粒体离子异常累积，线粒体DNA丢失，多种铁硫蛋白依赖酶活性丧失，被氧化敏感性提高等，（Disruption of the yeast X25 homolog(YFH1):abnormal accumulation of mitochondrial iron；loss of mtDNA；multiple ironsulfur-dependent enzyme deficiencies；increased sen
16、sitivity to oxidative stress）,弗里德赖希共济失调 Friedreich ataxia(FRDA),Frataxin可能的作用机制,疾病的研究和可能的治疗方案,强直性肌营养不良 Myotonic dystrophy(DM),强直性肌营养不良【Myotonic dystrophy(DM)】,基因定位于19q1312，以肌强直和进行性肌无力、萎缩为特征常染色体显性遗传多系统异常（multisystem disorder）差别迥异的表型（highly variable phenotypes）遗传性早发（Anticipation）肌强直无力，张力减退（Myotonia/mu
17、scle weakness/Hypotonia）发育异常和智力缺陷（Developmental abnormalities/mental handicap）有两种类型DM1/DM2,1.DM基因编码一种周期性依赖ATP丝氨 酸、苏氨酸蛋白激酶.2.在该基因的3端非翻译区含CTG三核 苷酸重复3.正常人此序列高度多态,含重复527 次，而DM 患者此序列重复50 次以上,强直性肌营养不良机制【Myotonic dystrophy(DM)】,强直性肌营养不良机制【Myotonic dystrophy(DM)】,CTG重复在3-UTR区域,强直性肌营养不良分子机制【Myotonic dystroph
18、y(DM)】,三核苷酸重复在编码区（Repeats in coding sequences）,三核苷酸重复在基因编码区域，常见有七种遗传病，经常表现为多聚谷氨酸束（code for polyglutamine tracts）,脊髓小脑性共济失调 Spinocerebellar ataxia(SCA),Spinocerebellar ataxia(SCA),常染色体显性遗传，SCA 存在遗传异质性,经连锁分析定位SCA1(6p22223)、SCA2(12q2322411)、SCA3/JD(14q241323212)、SCA4(16q242qter)、SCA5(11q13)进行性共济失调（prog
19、ressive ataxia）小脑萎缩（cerebellar atrophy）快速反应减缓（decreased brisk reflexes）基因在大脑中表达（SCA8 is expressed primarily in the brain）由于CAG重复在外显子扩张所致【is caused by an expanded CTG repeat exon】,亨廷顿舞蹈症Huntingtons disease,亨廷顿舞蹈病 Huntingtons Disease,1.又称慢性进行性舞蹈病2.常染色体显性遗传，该基因定位于4p16.33.致病基因编码Huntingtin，在ORF5端有一个多态性的
20、CAG三核苷酸重复序列，正常值一般在11-34之间，而在HD患者则明显增加(n40)，通常CAG重复扩增越多，发病越早4.病理改变:脑萎缩，基底节萎缩为主，以尾状核最为明显，苍白球及壳核也受累，并有间脑、大脑皮层等广泛受累的神经元变性脱失。,亨廷顿舞蹈症Huntingtons disease,CAG重复在1号外显子，一般有 35组下图就是测序结果,亨延顿素主要功能是线粒体的能量代谢亨廷顿素中谷氨酸重复次数决定了成淋巴细胞中ATP/ADP的比例,亨廷顿舞蹈症Huntingtons disease,从图中可以看出正常人比亨廷顿舞蹈病人ATP/ADP比值要高，CAG重复也就是说谷氨酸重复越多ATP/ADP越小，带来的危害越大,多聚谷氨酸影响蛋白质的构像，最终通过蛋白蛋白相互作用影响蛋白的溶解性，通过泛素途径等影响机体功能,亨廷顿舞蹈症Huntingtons disease,
