分子生物学在医学的应用.ppt

Sun Like Fire1.分子生物学的概念分子生物学的概念2.分子生物学的内容分子生物学的内容3.分子生物学的分子生物学的应用用4.寄寄语及参考文献及参考文献§分子生物学（分子生物学（molecular biology））§在分子水平上研究生命的重要物质的化学与物理结构、生理功能及其结构与功能的相关性，揭示复杂生命现象本质的一门现代科学§广广义：：研究生物化学中所涉及的一切生物组成成分及其各种物质的分子结构、代谢过程及作用机制§狭狭义：：偏重于生物大分子——核酸§结构分子生物学构分子生物学§通过阐明生物大分子的三维结构来解释细胞的生理功能•1951年年 L. C. Pauling等提出α螺旋结构描述了蛋白质分子中肽链的一种构象•1955年年 F. Sanger完成了胰岛素的氨基酸序列的测定•1957、、1959年年 J. C. Kendrew和M. F. Perutz阐明了鲸肌红蛋白和马血红蛋白的立体结构•1965年年 中国科学家合成了有生物活性的胰岛素•1944年年 O. T. Avery等研究细菌中的转化现象，证明了DNA是遗传物质•1953年年 J. D. Watson和F. H. C. Crick提出了DNA的双螺旋结构•1961年年 F. Jacob和J. L. Monod提出了操纵子的概念DNARNA蛋白质转录翻译DNARNA蛋白质转录翻译逆转录调控调控§遗传信息的信息的传递规律律•复制：DNA→DNA，RNA→RNA•转录：DNA→初始转录本mRNA•RNA加工：初始转录本mRNA→成熟的mRNA•翻译：成熟mRNA→多肽链（蛋白质前体）•逆转录：RNA→cDNA（互补DNA）→双链DNA•蛋白质的调控作用？•sRNA、ncRNA的作用？•朊病毒的发现？§遗传信息的信息的传递规律律§中心法则中三类遗传信息的传递顺序一般一般特殊特殊未知未知DNA→DNARNA→DNA蛋白质→DNADNA→RNARNA→RNA蛋白质→RNARNA→蛋白质DNA→蛋白质蛋白质→蛋白质§基因、基因基因、基因组和蛋白和蛋白质组§基因基因组：：单倍体细胞中的全套染色体或病毒粒子所含的全部DNA分子或RNA分子。

§基因基因组学：学：对所有基因进行基因组作图、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门科学§蛋白蛋白质组：：全部基因表达的全部蛋白质及其存在方式，是一个基因、一个细胞或组织所表达的全部蛋白质成分§蛋白蛋白质组学：学：对不同时间和空间发挥功能的特定蛋白质群体进行研究，从蛋白质水平上探索蛋白质作用模式、功能机理、调节机制及蛋白质群体内相互作用§基因的表达和基因的表达和调控控§组织特异性&阶段特异性§管家基因&奢侈基因§诱导&阻遏§开放&关闭§基因工程基因工程（应用层面）§转基因技术§基因治疗§基因诊断§史史海海纵览§1940年年 Pauling发现镰状细胞贫血病的病因是血红蛋白结构改变所致§1956年年 Ingram发现珠蛋白第6位氨基酸由谷氨酸突变为缬氨酸是镰状细胞贫血的致病原因§1959年年 Jerome Lejeune等发现Down综合征是由21号染色体三体突变引起的——第一个染色体病§1976年年 发现癌基因§1978年年 美籍华裔科学家简悦威（Kan YM）第一次利用DNA多态性与致病基因的关联性，成功对镰状细胞贫血进行了产前诊断§史海史海纵览§1981年年 第一个转基因（生长激素基因）小鼠构建成功。

§1982年年 世界上第一个基因工程产品——人胰岛素问世§1983年年 Huntington病的致病基因被定位于第4号染色体§1986年年 完成第一个人类致病基因的定位克隆§1987年年 第一张含400个RFLP标志的人遗传图谱绘制完毕§1990年年 第一例真正意义上的基因治疗：采用腺苷脱氨酶（ADA）基因治疗ada基因缺陷引起的严重复合型免疫缺陷症（SCID）的患者§1995年年 第一个病原微生物基因组测序——流感病毒§揭示生命活揭示生命活动机制机制——决策决策§在所有生物中：•构成生物大分子的单体都是相同的，它们具有共同的核酸语言和共同的蛋白质语言•生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规则•生物大分子单体（核苷酸、氨基酸）组成和排列方式的不同是产生功能差异的基础§所以对正常正常生命活动机制的探索（尤其是对模式生物的研究）可以为我们在医疗决策中提供策略§揭示生命活揭示生命活动机制机制——决策决策§人类疾病的发生有多种多样的原因，但归结到分子生物学水平，人类的各种疾病都与某一个（些）基因有关：•人体某种细胞内的基因发生异常改变•外源基因进入体内引起疾病•疾病易感基因使机体对致病因素更为敏感§当然，除了基因水平的致病因素，在基因表达过程中出现的种种问题也是导致疾病的因素，目前看来，只有在分子水平对致病因素有了详细的了解，才能从本质上解释疾病的发病机制。

§揭示生命活揭示生命活动机制机制——决策决策§对人类疾病机制探索的示例：囊肿性纤维化病（CF）•图：囊肿性纤维化病基因中引起病变的突变 图例：★读码框内缺失 ☆剪切突变 ◆错义突变 ●无义突变 ○移码突变§揭示生命活揭示生命活动机制机制——决策决策§对人类疾病机制探索的示例：囊肿性纤维化病（CF）§揭示生命活揭示生命活动机制机制——决策决策§对人类疾病机制探索的示例：囊肿性纤维化病（CF）•囊肿性纤维化病变基因产物，被称为囊肿性纤维化病变跨膜介导调节因子（CFTR蛋白）形成通过组成呼吸道、胰、汗腺、肠和其他组织的细胞细胞膜的离子通道，并且调节盐分和水分在那些细胞中的进出，该蛋白工作不正常，盐分在上皮细胞中聚集并导致黏液在这些细胞表面的累积§揭示生命活揭示生命活动机制机制——决策决策§对人类疾病机制探索的示例：囊肿性纤维化病（CF）•策略：将正常基因导入患者以弥补缺陷蛋白•实施：2002-2003年囊性纤维化基因治疗一期临床试验–利用“压缩DNA”技术使外来DNA直接穿透细胞膜进入细胞–通过鼻通道滴注生理盐水导入正常基因–通过鼻组织活检检测正常的cftr基因是否进入患者细胞并产生足够蛋白§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因工程用于药物的生产•基因工程：基因工程：在体外将各种•基因工程可打破种属界来源的遗传物质插入病毒、细菌质粒、噬菌体或其他载体分子，形成遗传物质的新组合，继而通过转化或转染使之掺入到原先没有这类分子的宿主细胞内，而能持续稳定地繁殖。

限，在原核生物中表达真核生物基因§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因工程用于药物的生产•示例：利用大肠杆菌生产人类生长激素图：构建载体§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因工程用于药物的生产•示例：利用大肠杆菌生产人类生长激素–位于hGH（E. coli.）第24个密码子的HaeⅢ酶切位点被用来将一段编码第1~23个氨基酸的合成DNA序列和一段编码第24~191个氨基酸的部分cDNA序列融合在一起，以使得hGH编码序列置于大肠杆菌调节元件的控制下–这部分之后被插入一个携带lac调节信号的质粒中，通过转化导入大肠杆菌§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因诊断临临床表床表床表床表现现第一第一第一第一类实验类实验室室室室诊诊断技断技断技断技术术第二第二第二第二类类实验实验室室室室诊诊断技断技断技断技术术第三第三第三第三类类实验实验室室室室诊诊断技断技断技断技术术以病人的症状和体征为诊断依据以细胞学检查为主、根据疾病所导致的机体细胞形态或（和）数量的改变提供诊断依据通过分析生物化学代谢产物和酶的活性变化，为疾病的临床诊断提供更多的信息以免疫学检验技术为主，通过识别特定蛋白质分子的差异为疾病诊断提供依据§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因诊断•以上诊断方法都是针对疾病的表型改变建立诊断指标，而表型的改变常常是在疾病的中晚期才出现，很多情况下还不够特异。

•从基因水平进行疾病的诊断不仅可以在表型改变以前进行早期诊断，更是对疾病进行本质的诊断•基因基因诊断：断：利用分子生物学技术，从DNA/RNA水平检测基因的存在、分析基因的结构变异和表达状态，从而对疾病作出诊断→病因学病因学诊断断§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因诊断•案例：Beery夫妇和双胞胎Noah（男）、Alexis（女）–出生后：腹绞痛、呕吐–两岁时：确诊为脑瘫–五岁半：Alexis眼珠上翻，手无法正常下垂 Noah一天24小时不断呕吐注：图片非当事者，仅供参考孩子们真是脑瘫吗？孩子们真是脑瘫吗？孩子们真是脑瘫吗？孩子们真是脑瘫吗？孩子们还有救吗？孩子们还有救吗？孩子们还有救吗？孩子们还有救吗？§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因诊断•案例：Beery夫妇和双胞胎Noah（男）、Alexis（女）密歇根大学神经学教授John Fink–诊断：多巴反应性肌张力障碍–治疗：小剂量左旋多巴–效果：症状显著缓解好景不长！好景不长！好景不长！好景不长！注：图片非当事者，仅供参考§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因诊断•案例：Beery夫妇和双胞胎Noah（男）、Alexis（女）贝勒医学院人类基因组测序中心对双胞胎及其哥哥、父母的基因组进行测序研究–结果：三个可能致病突变基因，其二未知，其一编码墨蝶呤还原酶（SPR）；双胞胎遗传了这个基因的两个变异副本，分别来自父亲、母亲。

–分析：SPR变异，破坏多巴胺、五羟色胺、去甲肾上腺素的产生途径→患儿不仅缺乏多巴胺，而且缺乏五羟色胺–治疗：补充小剂量五羟色胺药物§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因诊断•应用核酸分子核酸分子杂交交可进行基因的特异识别和分析–Southern印迹杂交–Northern印迹杂交–斑点杂交–原位杂交–夹心杂交•PCR技技术是基因诊断的一种基础技术–定时定量PCR–Alu-PCR–原位PCR–多重PCR§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因诊断•DNA序列序列测定定是最直接、最准确的基因诊断技术•DNA芯片技芯片技术是应用前景广阔的基因诊断技术–原理：核酸分子杂交–将一系列预先设计好的核酸探针有序地、高密度地排列在固体支持物（玻璃、硅片、尼龙膜）上，制成DNA微阵列–用荧光标记的待测样品（DNA、cDNA、RNA）与核酸探针杂交–通过激光共聚焦荧光扫描系统检测杂交信号强度–经过计算机综合分析获得基因序列信息或表达信息§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因诊断§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因诊断§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因治疗•生殖细胞治疗•体细胞治疗§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因治疗基因置基因置换（基因（基因矫正）：正）：将特定的目的基因导入特定的细胞，通过定位重组，以导入的正常基因置换基因组原有的缺陷基因。

•必要条件：1.对导入的基因及其产物有详尽的了解；2.外来基因能有效地导入靶细胞；3.导入基因能在靶细胞中长期稳定存在；4.导入基因能有适度水平的表达；5.基因导入的方法及所用载体对宿主细胞安全无害•技术：基因同源重组（基因打靶）§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因治疗基因添加（基因增基因添加（基因增补）：）：通过导入外源基因使靶细胞本身不表达的基因•类型：–针对特定的缺陷基因导入其相应的正常基因–导入靶细胞本来不表达的基因，利用其产物治疗•必要条件：1.对导入的基因及其产物有详尽的了解；2.外来基因能有效地导入靶细胞；3.导入基因能在靶细胞中长期稳定存在；4.导入基因能有适度水平的表达；5.基因导入的方法及所用载体对宿主细胞安全无害§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因治疗基因干基因干预：：采用特定的方式抑制某个基因的表达，或者通过破坏某个基因的结构而使之不能表达，以达到治疗疾病的目的•方法：反义核酸、核酶等、干扰RNA技术等§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因治疗导入自入自杀基因：基因：将“自杀”基因转移入宿主细胞中，这种基因编码的酶能使无毒性的药物前体转化为细胞毒性代谢物，诱导靶细胞产生“自杀”效应，从而达到消除肿瘤细胞的目的。

§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因治疗（实例）《选修3　现代生物科技专题》P23§分子生物学分子生物学技技术的的发展展——实施施§基因治疗•表：适合于体细胞基因治疗的人类疾病疾病疾病靶靶细胞胞被被传染的基因染的基因血友病A肝、肌肉、骨髓细胞凝血因子Ⅷ血友病B成纤维细胞凝血因子Ⅸ家族性高胆固醇症肝低密度脂蛋白受体重度联合免疫缺陷病骨髓细胞、T细胞腺苷脱氨酶（ADA）血红蛋白病红细胞前体细胞α-珠蛋白、β-珠蛋白囊性纤维化骨髓细胞、巨噬细胞CFTR癌症癌症肿瘤细胞P53，Rb，白细胞介素，生长抑制基因，凋亡基因 基因疗法似乎还需要很长的时间才能创造基因革命开始时所预见的奇迹 …… 这个技术破解遗传疾病宿命的潜力实在巨大，医学界决不能放弃它——James Watson 通常，人们只看到事物的表面，并容易被眼前的困难吓倒；而我则对一切怀有梦想，并愿意去迎接挑战——Robert F. Kennedy§冯作化主编. 医学分子生物学. 北京：人民卫生出版社, 2005.08. §李霞，赵晶主编. 生物化学与分子生物学. 西安：第四军医大学出版社, 2014.06. §张来军，孔芳，马军主编. 分子生物学理论与方法研究. 北京：中国水利水电出版社, 2014.06. §参考视频：Discovery-基因的力量。