分子医学与分子医学技术（12）

分子医学与分子医学技术,周 俊 宜,基础医学院生化教研室,分子医学概述,生命的螺旋,从基因的角度重新认识疾病，运用基因技术预防和治疗疾病、鉴定身份，器官再造，运用基因技术防止新生儿疾病甚至设计更加“完美”的新生儿，培育新的动植物品种 虽然目前基因技术大多数尚待完善，其发展和应用的前景却未可限量，这使人们看到了可以拥有一个更加美好世界的可能性。 但另一方面，随着基因技术日益深入、广泛地干预生命，许多人也产生了诸多忧虑，从伦理、道德、法律、社会的角度来重新审视基因技术的应用。,分子医学,1994年2月，美国国立卫生研究院(NIH),卡普(Karp) , 布罗德(Broder),癌研究,“分子医学的新方向 ”,1994年9月, Nature杂志,“分子医学研讨会”,“分子医学的挑战”,1995年 , 美国,分子医学杂志正式创刊,标志着现代生物医学进入分子医学新阶段,根据卡普等的定义，分子医学的内容包括:,发现控制正常细胞行为的基本分子,弄清基因异常与疾病发生的关系,通过检查和纠正这些异常基因对疾病进行 诊断、治疗和预防,分子医学与传统医学的主要不同在于前者对疾病 的认识和操作都是在分子和基因水平上进行的。,分子医学的基本内容:,疾病的分子机理 疾病的基因诊断 疾病的基因治疗 疾病的基因预防 分子医学的社会、伦理问题,探索疾病的原因，是有效治疗疾病的前提。目前，医学对某些还缺少有效的治疗方法，就是因为对病因缺乏深入的认识。基因科学的发展，为人类从细胞内部的微观生理学和分子生物学水平上寻找病因提供了新的思路。,疾病的分子机理,维多利亚女王与尼古拉二世,英国女王维多利亚。她带有血友病的基因，并将其传给了她的儿女。血友病是一种遗传性凝血障碍疾病，患者可能因很小的伤口而出血不止导致死亡。血友病在女性一般表现为隐性遗传，较少发病，但会传给后代；在男性则表现为显性遗传，显示出病症。维多利亚女王在科堡主持的一次欧洲王室成员集会，与会者有17人是她的后裔，其中有她的孙女亚历山德拉（21），她同俄国沙皇尼古拉二世结婚，导致他们的儿子患有血友病。,1949年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的红血细胞为镰刀形）与血红蛋白结构异常相关。,美国毕晓普和瓦慕斯等人的研究表明：动物体内的癌基因不是来自病毒，而是由于在动物的正常细胞基因中本来就存在一个庞大的癌基因族，正常情况下这些原癌基因是不活跃的，但当受到病毒入侵或遇到物理、化学等因素作用时，就可能被激活，突变为癌基因。这也就解释了化学污染、吸烟、放射线辐射等因素致癌的原因。,疾病的基因诊断,从广义上讲，大多数疾病都可以从遗传物质的变化中寻找出原因。而从技术上看，只要找到了与疾病相关的基因，基因诊断便立即可以实现。随着“人类基因组计划”的进程，将大大加快疾病相关基因的发现与克隆，基因诊断将成为疾病诊断的常规方法。,单基因疾病的诊断：一般可在临床症状出现之前作出诊断，不依赖临床表型； 有遗传倾向的疾病：易感基因的筛查，如高血压，冠心病，肥胖等。 外源性病源体：如病毒、细菌、寄生虫等引起的传染病，,美国前副总统汉弗莱Humphrey) 在1967年发现膀胱内有一肿物，病理切片未发现癌细胞 良性“慢性增生性囊肿”，未进行手术治疗。 九年后，他被诊断为患有“膀胧癌”，两年后死于该病。,1994年，研究者用灵敏的PCR技术对上述汉弗莱1967年的病理切片进行了P53抑癌基因检查，发现那时的组织细胞虽然在形态上还没有表现出恶性变化，但其P53基因的第227个密码子已经发生了一个核苷酸的突变。就是这个基因的微小变化，使其抑癌功能受损，导致九年后细胞癌变的发生。这说明，在典型症状出现之前的很长时间，细胞癌变的信息已经在基因上表现出来了,基因鉴定技术,人体细胞有总数约为30亿个碱基对的DNA，每个人的DNA都不完全相同，人与人之间不同的碱基对数目达几百万之多，因此通过分子生物学方法显示的DNA图谱也因人而异，由此可以识别不同的人。所谓“DNA指纹”，就是把DNA作为像指纹那样的独特特征来识别不同的人。由于DNA是遗传物质，因此通过对DNA鉴定还可以判断两个人之间的亲缘关系。 DNA鉴定技术是英国遗传学家A·J·杰弗里斯（1950）在1984年发明的。由于人体各部位的细胞都有相同的DNA，因此可以通过检查血迹、毛发、唾液等判明身分。,DNA指纹,只要罪犯在案发现场留下任何与身体有关的东西，例如血迹和毛发，警方就可以根据这些蛛丝马迹将其擒获，准确率非常高。DNA鉴定技术在破获强奸和暴力犯罪时特别有效，因为在此类案件中，罪犯很容易留下包含DNA信息的罪证。 根据DNA指纹破案虽然准确率高，但也有出错的可能，因为两个人的DNA指纹在测试的区域内有完全吻合的可能。因此在2000年英国将DNA指纹测试扩展到10个区域，使偶然吻合的危险几率降到十亿分之一。,基因疗法，即是通过基因水平的操作来治疗疾病的方法。目前的基因疗法是先从患者身上取出一些细胞（如造血干细胞、纤维干细胞、肝细胞、癌细胞等），然后利用对人体无害的病毒当载体，把正常的基因嫁接到病毒上，再用这些病毒去感染取出的人体细胞，让它们把正常基因插进细胞的染色体中，使人体细胞就可以“获得”正常的基因，以取代原有的异常基因；接着把这些修复好的细胞培养、繁殖到一定的数量后，送回患者体内，这些细胞就会发挥“医生”的功能，把疾病治好了。,疾病的基因治疗,一个外科庸医正在从一个痴呆的精神病患者头上取出“愚人之石”，该画是16世纪博希所画，以讽刺那个时代人们的无知。但在基因时代，如果真能取出致病的基因，那么这名患者也许就有救了。,美国医学家W·F·安德森等人对腺甘脱氨酶缺乏症（ADA缺乏症）的基因治疗，是世界上第一个基因治疗成功的范例。,1990年9月14日，安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女孩谢德尔进行基因治疗。这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将含有这个女孩自己的白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中，这种白血球都已经过改造，有缺陷的基因已经被健康的基因所替代。在以后的10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受酶治疗。经治疗后，免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活。,谢德尔，1999,1990年沃尔夫（WOff）等发现，将带有甲型流感病毒核蛋白编码基因的质粒注射到小鼠肌肉内，可使小鼠能经受致死剂量的甲型流感病毒的攻击。这种裸露的DNA通过滴鼻和肠道也可以进人细胞，并获得成功的保护性免疫。这种具有疫苗作用的裸露DNA称之为“基因疫苗”（gene vaccine）。,疾病的基因预防,基因疫苗不仅可用于病毒感染，还可用于防治肿瘤，其主要优点为可以诱导很有效的专一性T杀伤性细胞，后者可以杀死肿瘤细胞。基因疫苗的安全性极高，一是无直接副作用，二是无间接副作用，不存在对人体的毒性，机体耐受性好，输注疫苗不引起其它疾患。1995年4月，经美国FDA批准进行了首例应用基因疫苗的人体临床试验。因而，可以看到其实际应用已指日可待了。,爱滋病基因疫苗,时钟基因与抗衰老,人类从公元3500年前就开始寻找长生不老药。老化的原因有多种因素，如蛋白质损伤、DNA损伤、细胞膜损伤、细胞内积累废弃物、端粒缩短等。 提升寿命上限的目标可以通过多种方法实现，除了治疗疾病、均衡营养、减少环境污染、适量运动等方法外，发掘控制衰老或长寿的基因成为最有潜力的途径之一。,“时钟基因”： 破坏“时钟1基因”（clock 1 gene）可使线虫的寿命延长1.5倍。科学家们发现，人类也有与时钟1基因大致相同的基因。 “年龄1基因”（age 1）、“daf-2”等受损会延长寿命的基因。人类的DNA中原来就有负责化解活性氧毒性的基因，我们也可以采取活化该基因的办法，以防止老化。 热量限制可以延长包括哺乳动物在内的许多物种动物的生命周期。限制热量摄入而延长生命的现象与一种叫作SIR2基因有关。 “我还活着”基因一旦发生改变，就会使果蝇寿命延长一倍。 人体内也存在这种基因，它是通过改变新陈代谢来发挥作用的。,DNA缠绕成的染色体末端，有称做端粒（telomere）的区域。控制着细胞的分裂次数，端粒随着细胞分裂每次变短，短到某个程度，细胞将不再分裂。人的一生中，细胞大约能分裂5060次。因此端粒是控制生理寿命的生物钟，而端粒长短就成为表示细胞“年龄”的指标。如果加入一种“端粒酶”阻止它缩短，就可使细胞保持年轻，人就像吃了“唐僧肉”一样实现长生不老的梦想。,分子医学与传统医学最根本的区别在于前者可在基因水平上对疾病进行操作。对遗传物质的操作可能引发的后果一开始就是科学界和公众关注的问题。早在70年代初，基因重组技术刚开始出现的时候，以美国著名分子生物学家伯格（Berg）为首的11名科学家共同呼吁禁止开展基因工程的研究，并得到了美国国立卫生研究院的赞同。,分子医学的社会、伦理问题,科学家们对自己的研究工作可能产生的严重后果公开唤起公众的注意，这在科学史上还是第一次，说明科学家对遗传物质的操作所取的态度是极其谨慎的。 在那以后，利用基因工程技术在大肠杆茵中生产预定的蛋白质分子被证明是无害可行的，因而在80年代以来得到了迅速的发展，但将基因操作直接应用于人类疾病的治疗则与一般的基因工程不可同日而语。,分子医学常用技术,基 因 获 取,获取目标基因常常是基因操作的首要步骤。常规方法有PCR法，基因文库或cDNA文库法以及化学合成法。应根据具体的研究目的和实验条件选用合适的方法。,化学合成法,较短的基因（60-80bp） 用途：PCR引物 测序引物 定点突变 核酸杂交探针,基因文库,限制性内切酶,克隆、转化、培养、鉴定,基因组DNA,基因文库,引物,引物,3,5,5,5,PCR技术,基因组,引物设计： （1) 序列应位于高度保守区，与非扩增区无同源序列。 （2）引物长度以15-40 bp为宜。 （3）碱基尽可能随机分布。 （4）引物内部避免形成二级结构。 （5）两引物间避免有互补序列。 （6）引物3端为关键碱基；5端无严格限制,PCR技术的基本过程,模板DNA dNTP 引物 Buffer,预变性,模板DNA dNTP 引物 Buffer,TaqDNA聚合酶,循环仪,94oC5,94 55 72 ,加样孔,电泳图谱,PCR,PT-PCR,DNA Marker,基 因 检 测,对一个基因或一段DNA片段进行检测鉴定是分子医学技术中最常用到的手段。包括电泳检测、序列分析、分光光度分析等方法。,DNA分子的电泳检测,电泳条带,加样孔,凝胶浓度与DNA片段大小 电压、电流与分辨率 电泳缓冲液、上样缓冲液 电泳的时间与环境温度 凝胶板的制备,法国VL凝胶成像系统,核酸定量和纯度分析,共轭双键：对260nm波长紫外光有较强吸收。,BECKMAN DU 800 核酸蛋白检测仪,DNA序列检测,基因重组与基因工程,基因重组技术作为分子医学中最重要、最基本的技术之一，是许多分子医学实验实施的基础，在基因诊断、治疗和预防中具有举足轻重的意义。,现代基因工程的创始人P·伯格（美国,1926）在1960年以敏锐的科学预见力提出一个大胆的设想：是否可以创造出一种人工方法，把外界的遗传基因引入动物体内，以达到改变遗传性状和治疗某些疾病的需要呢？1972年，伯格把两种病毒的DNA用同一种限制性内切酶切割后，再用DNA连接酶把这两种DNA分子连接起来，于是产生了一种新的重组DNA分子，首次实现两种不同生物的DNA体外连接，获得了第一批重组DNA分子，这标志着基因工程技术的诞生。伯格因此获得了1980年诺贝尔化学奖。,1973年，美国斯坦福大学教授S·科恩和加州大学旧金山分校教授H·W·博耶将两个不同的质粒（一个是抗四环素质粒，另一个是抗链霉素质粒）拼接在一起，组成嵌合质粒，并将其导入大肠杆菌，