苯丙酮尿症致病基因新发突变的生物信息学探究
苯丙酮尿症致病基因新发突变的生物信息学探
究
来源：重庆医学 作者：来怡君陈红章印红;
发布于：2020-02-11 共5879 字
摘要： 目的 分析苯丙氨酸羟化酶(PAH)基因突变与蛋白结构、功能改变的关系及其机制，为
PKU 的早期基因诊断与治疗提供参考。方法 选取云南地区汉族苯丙酮尿症(PKU)患者 PAH 基
因突变研究中发现的 6例数据库中未收录的外显子区域的新突变作为材料，通过生物信息学分
析手段对其中 1例错义突变和 2例插入突变的基因突变所在外显子进行同源建模，探讨其空间
构象变化和功能改变的关系，并尝试用剪接突变预测软件探讨剪接突变的致病机制。结果 同源
建模结果显示，1例错义突变和 2例插入突变的三级结构发生明显改变，从而影响蛋白的功能;
3例剪接突变分析显示 c.441+2T>A 突变可能导致外显子 4的5'端发生了跳跃，c.842+4A>T 突
变可能导致外显子 7的3'端发生了跳跃，c.1200+1T>G 的突变可能是因为此突变降低了 11 内含
子5' 端的隐蔽剪接位点的活性，从而影响剪接。结论 6例新发突变中 2例插入突变及 1例错义
突变对疾病的影响均较为深刻，并初步推测了 3 例剪接突变的剪接方式。
关键词：苯丙酮尿症; 苯丙氨酸羟化酶; 生物信息学; 基因突变; 表型; 蛋白结构与功能; 剪接突
变;
Bioinformatics analysis of phenylalanine hydroxylase gene mutation
LAI Yijun CHEN Hong ZHANG Yinhong ZHANG Jie ZHU Baosheng TANG Xinhua
Abstract：Objective To analyze the relationship between phenylalanine hydroxylase( PAH) gene
mutations and changes in protein structure and function,as well as its mechanism,in order to provide
references for early gene diagnosis and treatment of PKU.Methods New PAH gene mutations in the
exon region not included in database of 6 patients with phenylketonuria( PKU) from the Han in
Yunnan Province were founded as materials.The homology modeling of exons of gene missense
mutation in one case and the insertion mutation in two cases was performed by using bioinformatics
analysis,and the relationship between spatial conformational changes and functional changes was
explored.In addition,the disease mechanism of the splicing mutation was analysed by using the
specialized online tools.Results The results of homology modeling showed that the tertiary structure of
one missense mutation and two insertion mutations changed significantly,which affected the function
of protein.The analysis of three splicing mutations revealed that the c.441+2 T>A mutation was likely
to cause a jump at the 5' end of exon 4,and the c.842+4 A>T mutation was likely to cause a jump at the
3' end of exon 7; and the c.1200+1 T>G mutation probably due to the mutation reducing activity of the
5' end of the hidden splice site 11 intron,consequently affected the splicing. Conclusion Of the 6 new
PAH gene mutations,the two insertion mutations and one missense mutation have a profound impact
on the PKU,and three splicing methods for splicing mutations are predicted preliminarily.
苯丙酮尿症(phenylketonuria,PKU)是一种常见的氨基酸代谢障碍性疾病，属常染色体隐性遗传
病，临床表现为智力低下、自闭症、运动障碍等[1]。该病主要因肝脏中的苯丙氨酸羟化酶
(phenylalanine hydroxylase,PAH)缺乏或者活性不足导致苯丙氨酸不能正常代谢为酪氨酸而产生
[2]。早在 1983 年PAH 基因就被成功分离和克隆，并被公认为是 PKU 的致病基因[3]。近几
年，随着基因组和外显子组测序的发展，很多新发突变，特别是一些症状相对较轻的突变也逐
渐被检测出来[4]。截至目前，已经在患有 PKU 的患者中鉴定了约 1 000 种不同的 PAH 基因突
变体[5]。并且 PAH 基因具有突变异质性，不同种族与地区的突变位点及分布有较大差异[6]。
本研究采用云南省汉族 PKU 患者中发现的 6例PAH 基因新发突变为材料，从生物信息学角度
分析 PAH 基因的错义突变与蛋白结构，以及进一步可能导致的功能改变的关系，并利用生物
信息学方法尝试探讨新发剪接突变的发生机制，为以后关于 PKU 的研究提供有价值的信息。
1 材料与方法
1.1 材料
(1)6 例数据库中未收录的 PAH 基因新突变见表 1。(2)使用的网络资源，包括美国国立生物技术
信息中心(NCBI，网址:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)、Swiss-Model 软件(https://
www.swissmodel.expasy.org/)、CRYP-SKIP(http://cryp-skip.img.cas.cz/)、BDGP 软件(http://
www.fruitfly.org/seq＿tools/splice.html)、HSF(http://www.umd.be/HSF/) 等。
表1 云南地区 PKU 患者 PAH 基因新突变[7]
1.2 方法
1.2.1 获取人类 PAH 基因全序列及其分析
从NC-BI 的GenBank 中基因数据库获取人类 PAH 基因组定位和其编码的蛋白质序列信息。
1.2.2 PAH 新发错义突变及插入突变位点所在外显子的同源建模及功能分析
利用Swiss-model 在线工具对 1例错义突变和 2例插入突变所在外显子区域进行外显子同源建
模，分析基因突变对其所在外显子的蛋白结构和功能的影响。
1.2.3 PAH 新发剪接突变的生物学效应分析
采用 3种基于不同网络算法的生物信息学工具分析新发现的剪接变异。其中，在 CRYP-SKIP
界面上直接将变异序列按其要求的格式输入即可获得预测结果，包括因剪接变异导致的隐蔽剪
接位点激活(PCR-E)和外显子跳跃(1-PCR-E)的可能性大小两个结果[8]。柏克莱果蝇基因组项目
(Berkeley Drosophila Genome Project,BDGP)和人类剪接查找服务器(the Human Splicing
Finder,HSF)可预测可能存在的隐蔽剪接位点及基因变异对剪接位点的改变，使用时分别将野生
型基因序列和变异型基因序列进行在线分析，即可获得变异前后目标基因序列所有可能的剪接
位点及分值。
2 结果
2.1 PAH 结构
在GenBank 中基因数据库查找 PAH 基因可知:PAH 基因全长 79 278 bp，位于人类 12 号染色体
长臂上(12q23.2)，包含13 个外显子，12 个内含子，CDS 编码 452 个氨基酸，在 66～1 421 bp
见图1 。
图1人类 PAH 基因结构
2.2 PAH 突变位点外显子的同源建模及功能分析
由于本研究中的 3例突变分别发生在外显子 1、外显子 6和外显子 11 上，而外显子 1因其序列
太短未找到同源序列，因此将外显子 1,2 结合起来对外显子 1处发生的点突变(c.59A>C,60G>C)
进行同源建模，并对突变后的外显子 6和外显子 11 分别进行同源建模，见图2。其中，图2A
是正常的外显子 1,2 结构，图2B 是点突变(c.59A>C,60G>C)突变后的外显子 1,2 预测结构，可
以看出突变导致外显子的一处β片层消失。图3A 是正常的外显子 6的空间结构，图3B 中由于
(c.690-691insG)，导致移码突变 S231fsX51，即该三联密码子下游第 51 位氨基酸处蛋白合成终
止，致使外显子 6的空间构象发生明显改变。外显子 11 上的第1 119 位和 1 120 位插入碱基
T(c.1119-1120insG)，导致移码突变 I374fsX，即374 位后第 20 位氨基酸处蛋白合成终止，由于
此处突变可能会影响外显子 12 和13 的合成，因此选择从正常的外显子 10 开始到外显子 13 进
行同源建模，同时对(c.1119-1120insG)突变后的外显子 10 之后的部分进行同源建模。图4A 是
正常的外显子 10,11,12,13 的结构;图4B 是正常的外显子 10,11 的结构;图4C 是(c.1119-1120insG)
突变后外显子 10,11,12,13 的结构，可以看出(c.1119-1120insG)的突变导致外显子 11 三级结构部
分缺失。
2.3 PAH 新发剪接突变的生物学效应分析
经3种生物信息学软件综合分析上述突变，CRYP-SKIP 预测值中，PCR-E(在右边的刻度盘上
用红色指针表示)取值介于0和1之间，较高的值表示支持隐蔽剪接位点激活，较低值则表示支
摘要：
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苯丙酮尿症致病基因新发突变的生物信息学探究来源：重庆医学作者：来怡君陈红章印红;发布于：2020-02-11共5879字 摘要：目的分析苯丙氨酸羟化酶(PAH)基因突变与蛋白结构、功能改变的关系及其机制，为PKU的早期基因诊断与治疗提供参考。方法选取云南地区汉族苯丙酮尿症(PKU)患者PAH基因突变研究中发现的6例数据库中未收录的外显子区域的新突变作为材料，通过生物信息学分析手段对其中1例错义突变和2例插入突变的基因突变所在外显子进行同源建模，探讨其空间构象变化和功能改变的关系，并尝试用剪接突变预测软件探讨剪接突变的致病机制。结果同源建模结果显示，1例错义突变和2例插入突变的三级结构发生明显改...
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作者：闻远设计
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