分子生物作业(论文)

分 子 生 物 姓名：梁镔 所在年级：临床医学院学位班 学号：092 四川大学 2013 年 6 月 基因治疗与健康及其安全性探讨 Gene Therapy and Health and safe 摘要 随着分子生物学及基因工程技术的迅猛发展, 基因治疗已经成为治疗人类疾病的重要方 法之一, 同时也是维护人类健康最有发展前景的手段之一。诸如遗传病、肿瘤、和传染病 与心血管病的基因治疗。遗传免疫方面, 病毒性疾病和肿瘤的基因治疗, 如将病毒抗原基因 (HBsAg) 及一些肿瘤抗原基因( CEA) 直接注入人体内而产生抗体; 人类亚健康状态, 如肥 胖、秃顶、疲劳、衰老等的基因治疗。然而基因治疗目前仍面临着许多困扰, 如基因治疗 的有效性、安全性、及社会伦理等诸多问题, 因此在临床实际应用中要慎之又慎。只有对 基因治疗合理规范和正确引导并遵循伦理原则, 才能最终推动现代医学的发展。 关键词 基因治疗 人类疾病 维护健康 安全性 伦理道德 Abstract Gene therapy have been becoming one of the most important method to cure human disease with the development of molecular biology and gene engineering technology, and also one of most prospective method to maintain health of human being. It could be used in many areas, Such as heredity disease, cancer and infectious and cardiovascular diease; It could be used to prevent viruses and cancer; for example, the ant igen genes of virus( HBsAg) and the antigen genes of tumor( CEA) are injected into the body of human being directly for producition of antibody; It could also be used in the area of human sub health, such as obesity, baldness, fatigue, caducity etc. However, many problems face gene therapy. Such as it s efficency, security and social ethics, so we must be careful to use it in clinical applications. Gene therapy will advance the development of modern medical science, so long as there are reasonable standards, proper guide and ethical principles. Key words Gene therapy Human disease Human health Security Ethics 基因治疗是指将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞( 需修复 或治疗的细胞) , 以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用,从而达到治疗疾病目的的生物医学 新技术。基因治疗的研究对象也已由原来的遗传病扩展到肿瘤 1 、传染病和心血管 2 等疾病, 而且研究的重点已转移到肿瘤基因治疗方面 3 , 另外基因治疗方法还可以用于遗 传免疫方面 4 , 预防病毒性疾病和肿瘤, 如将病毒抗原基因 (HbsAg) 及一些肿瘤抗原基因( CEA) 直接注射到人体内; 基因治疗不仅可以用于儿童、成人的疾病治疗, 还可以用于孕妇 腹中患病的胎儿, 让疾病消失在胎儿出生之前。基因治疗还可用于人类亚健康状态的治疗, 如肥胖、秃顶、疲劳、衰老等: 但基因治疗不仅存在有待解决的关键技术问题 , 如高效的、 靶向性基因导入系统的筛选, 外源基因表达的可控性, 治疗基因过少等问题 5, 6 , 同时在 临床实际应用中首先要考虑基因 治疗的有效性、安全性、及社会伦理等诸多问题 7 。 1 基因治疗与减肥 1 1 肥胖症的危害及其治疗的现状 肥胖已经成为一种世界流行病。国际肥胖大会最近公布, 全球因患肥胖病死亡的人数已超 过同期全球饿死的人数, 而我国肥胖人口为 9000 万人左右, 占总人口的 8%, 城市人口的 17% 为肥胖者。在北京、上海等大城市, 近三分之一的成人体重超重, 成为肥胖症的高发 区。对此, 国内外专家认为 ,肥胖已成为日趋严重的全球性流行病, 与艾滋病、吸毒和酒癖 并列为世界四大医学社会问题。医学界还把与肥胖相关的冠心病、高血压、高脂血症、糖 尿病及脑血管意外称为 死亡五重奏 8,9 , 同时肥胖会大大增加患恶性肿瘤的几率。 因此各种各样的减肥方法应运而生, 净饿, 剧烈运动, 服用各种减肥茶、减肥冲剂, 服用利 尿剂、维生素、泻药等药物,推脂, 针灸, 甚至灌肠, 缩胃, 抽脂等。可遗憾的是迄今还没有 一种方法能从肥胖产生的根本原因入手, 只治标不治本, 当然无法最终达到减肥的目的。 1 2 肥胖相关基因及肥胖症的基因治疗 基因治疗作为后起之秀已经在肥胖治疗领域初显峥嵘。1994 年, 美国 Rockfeller 大学的科 学家 Lee G.H. 发现了与肥胖有关的瘦基因( leptin, 又称 ob 基因) , 为肥胖基因治疗展示了 美好的前景 10 。台湾 中研院 研究员李英惠的研究发现, 可利用 C EBP 基治疗来 防止肥胖。她利用基因取代策略, 把体内一个控制脂肪细胞发育因子取代成另一功能相似 而又相互有别的因子, 两种主要的差异在于控制脂肪堆积过程上。这项基因治疗已在老 鼠身上获得良好的效果, 同时喂食两只老鼠吃奶油, 其中一只是事先经过基因替换治疗, 一 只没有, 结果发现未经基因替换治疗者日益肥胖, 经过基因治疗者则保持原来的体型。这项 发明最大优点在于把储存能量用的脂肪转变成高代谢活性的能量消耗, 所以可以防止脂肪 堆积且不会影响其他器官的正常功能及正常代谢机能。美国密歇根大学医学院的科学家在 老鼠身上发现了构成脂肪细胞的一种分子转换开关 WNT。如果缺少 WNT, 细胞将变成脂 肪细胞。研究者的下一个目标是通过受精卵水平的基因转移制造一个无脂肪的老鼠。澳大 利亚科学家发现了又一种导致人类肥胖的基因：培根基因。这将为医学界生产抵御肥胖和 糖尿病基因药物和基因治疗提供了一条新的思路。研究人员将这种人类培根基因转移到保 持正常食量的沙鼠体内, 结果发现, 一周后这些沙鼠的体重普遍增加 5%, 证明了这种基因 对肥胖的作用。最近, 有人发现在调节因子瘦素( leptin) 的下游通路中的 Mc3r 基因在脂肪 代谢中发挥了重要作用。Mc3r 基因缺失的小鼠体内脂肪组织可达到野生型小鼠的两倍 , 这 种小鼠比正常的小鼠更不爱动, 这可能也是发胖的原因之一。这同样为基因治疗减肥提供 了又一种候选靶基因。 2 宫内基因治疗一种新型的基因治疗策略 2 1 宫内基因治疗的产生 21 世纪的医学将从治疗为主向预防医学和诊断为基础的个性化治疗医学发展, 基因治疗是 生命科学领域的研究热点, 它为许多疾病的治疗, 尤其是先天遗传性疾病的根治带来了希望。 重症联合免疫缺陷患者 Desilva 从出生的那一刻起, 病魔就纠缠着她。1990 年 Desilva 接 受了人类历史上首次基因治疗, 从此她又能像其他健康的孩子一样幸福快乐地成长, 重新回 到了大自然的怀抱。Desilva 是一个幸运者, 而许多患有 SCID 和其他严重遗传疾病如地中 海贫血, 及其他神经系统遗传疾病的患儿, 可能因为在怀孕期间就受到严重的病损, 一出生 不久就夭折了: 也有些患者出生后对现行的基因治疗的方法出现了免疫反应, 而无法摆脱疾 病的折磨和威胁。人们是多么希望疾病患者在出生前就接受基因治疗。 2 2 宫内基因治疗的现状及前景 宫内基因治疗( in utero gene therapy, IUGT) 是 French W.A. 提出和倡导的新型基因治疗策 略, 是对人类某些特殊疾病的现行基因治疗方法存在的弊端所作的策略和对策上的调整。 旨在通过产前基因转移, 实现疾病的终身治愈。宫内基因治疗的优点在于可以避免某些遗 传疾病产前造成的严重病损。同时, 胚胎期旺盛的细胞分裂, 使高效的基因转移和表达成为 可能。此外免疫系统功能的不成熟, 可以减少或避免了机体免疫反应对基因治疗的负面影 响。最后, 血脑屏障发育的不完全, 为某些神经系统疾病的基因治疗带来了新的契机。目前 宫内基因治疗的研究重点在于评估它的安全性和有效性。大量的动物试验正在进行或已经 完成,涉及的病种包括囊性纤维化、SCID、重症地中海贫血等; 所采用的策略包括 in vivo 和 ex vivo 两种。动物试验的结果是令人满意的, 转基因可获得有效表达, 持续时间最长超 过 5 年, 个别试验甚至取得了完全治愈疾病的效果, 而对母体和胎儿造成损害的概率是很 低的, 并可以通过治疗载体的构建优化,转移方法的调整和改进等进一步降低或避免。宫内 基因治疗在给许多先天遗传疾病带来更大希望的同时, 也引起了社会学家、伦理学家、法 律专家的广泛争议, 相应的社会、伦理、法律问题也随之而来。同时需要进行大量、科学 严谨的前期研究工作。建立安全的治疗路线, 确保获得真正有效的治疗效果, 消除对母体、 胎儿以及他们的子代可能存在的潜在危险等, 是这种策略早日走向临床, 造福患者、家庭和 社会的关键; 同时也是解决社会、法律、伦理问题的前提。 3 歇顶与基因治疗 3 1 歇顶的成因 一个人大约有 10 万根头发, 经常脱落又不断复生。然而有许多人为头发不断脱落直至秃顶 所困扰, 男性尤甚。男性 歇顶 的成因, 有人认为是帽子戴得过紧 , 血液循环欠畅, 或缺 少某种营养成分所致。还有人认为是用脑过度, 长期烦恼焦虑的结果。其实造成脱发的原 因是多方面的, 与饮食、精神、免疫和内分泌等诸多因素有关。目前, 有关脱发的确切原因, 尤其是某些具体类型脱发的分子机制一直未能阐明, 因而针对脱发和歇顶也尚无行之有效 的治疗方法。饮食疗法、精神疗法、物理疗法、中医疗法等虽然解除了少部分患者的病痛, 但并未给众多的患者带来福音。 3 2 歇顶相关基因 近来, 美国、德国和日本科学家相继发现与脱发相关的基因, 从而为从根上治疗歇顶带来巨 大的希望。有趣的是, 秃顶基因在儿子身上表现为显性, 在女儿身上却表现为隐性。美国科 学家发现有一种基因与一种少见的、严重的遗传性秃顶的病例有关。脱发基因以好几种形 式影响人体毛发的生长, 最常见的是雄激素脱发基因, 或称为男性脱发染色体, 在男性脱发 患者中, 约有 80% 是受这种基因的影响。原来该基因会指令发囊产生一种还原酶, 与男性 激素结合后, 产生一种叫双氢睾丸甾酮的化学物质, 在该物质影响下, 一些发囊开始萎缩,头 发越长越稀, 有的发囊则完全停止生长。女性由于缺少男性激素 , 虽然也有还原酶, 但形成 不了秃顶的罪魁祸首-双氢丸甾酮 , 所以如云的秀发不会受其所害。与此相类似的是, 古代 太监也不会秃顶, 与阉割后雄性激素急剧减少有关。所以有人戏称, 阉割是防止秃顶的最有 效方法。日本的科学家近来也证实了一种叫做 FGF 5S 的基因对抑制脱发具有重要作用。 这些相关基因的发现和证实, 使脱发的治疗, 尤其是基因治疗成为可能。德国专家研究发现, 促进脑细胞繁殖的生长因子蛋白质, 同时也导致毛囊收缩, 使毛发脱落。 3 3 歇顶基因治疗与发展前景 脱发相关基因的克隆和功能研究的日益深入,必将为歇顶患者带来新的希望。专家们正计划 生产可以抑制生长因子蛋白质表达的药物, 以达到人类防秃顶的目的。基因治疗将会给歇 顶患者带来一头秀美、飘逸的头发。专家乐观地认为, 这种药物用不了几年就会问世。不 仅如此, 人类的头发将来也可随着情绪的变化自动改变其颜色。哈佛大学的一项研究成果 发现, 男性的秃顶和他们的心、胸健康有很大关系。对于一部分男性来说, 秃顶是冠心病、 胸痛和心脏病等发作的先兆。还有一些秃顶的男性可能出现心血管方面的问题,而那些大量 掉头发的人比常人更容易死于心脏并发症。这项研究迄今持续了 11 年, 共有 2 万名美国 男性医生参与。他们的年龄在 11 年前从 40 岁到 84 岁不等。11 年后, 研究者发现, 脑前 部头发脱落的男性比常人患心脏病的风险高 10% , 而前部和头顶头发均有不同程度脱落的 男性出现心脏问题的可能性又高出 36%。对于那些已经患有高血压和高胆固醇的秃顶男性 来说, 出现心脏并发症的可能性要高 80% 280% 。学者们对此提供了两种可能的解释。一 是秃顶与睾丸激素有关, 它一方面能降低人体脂蛋白的浓度 , 也可以使血液黏稠凝固, 增加 患心脏病的危险; 二是秃顶有很大的遗传性 , 它的基因可以从外祖父遗传给母亲, 又从母亲 遗传给儿子。心脏病基因就此可能同秃顶基因伴随着代代相传。 基因治疗面临的问题和挑战 基因治疗的发展经历了“乐观与热情失望与怀疑理性与挑战”的过程，这是符合事物 发展规律的28。目前，基因治疗领域存在的主要问题是有效性和安全性。主要表现为： (1)基因导入系统缺乏靶向性，效率也较低。如以腺病毒为载体的 p53 基因转移治疗恶性肿 瘤的方案中，只能直接将腺病毒注射到肿瘤局部。若静脉注射，病毒颗粒将很快被清除， 真正能够到达肿瘤组织的很少，难以达到治疗效果，且增加了副作用。前面提到的第一例 逆 转录病毒介导 ADA 基因转移成功治疗 SCID 的病例，因为导入效率较低，前后经历了 11 次体外转导和回输。(2)目前针对遗传性疾病的基因治疗方案大多采用逆转录病毒载体，其 插入或整合到染色体的位置是随机的，有引起插入突变及细胞恶性转化 的潜在危险9。而理想的基因治疗方案应该是在原位补充、置换或修复致病基因，或者将 治疗基因插入到宿主细胞染色体上不致病的安全位置。(3)理想的基因治疗应能根据病变性 质和严重程度不同，调控治疗基因在适当的组织器官内和以适当的水平或方式表达。但目 前还达不到这一目标，其主要原因是：现有的基因导入载体容量有限，不能包容全基因或 完整的调控顺序，同时人们对导入的基因在体内的转录调控机理的认识有限。以上列举的 问题 代表了基因治疗领域的关键问题，其核心问题在于基因治疗的靶向性，目前全世界范围内 的科学家都在不同层面上对这些问题进行深入研究。基因治疗发展方向拟以改善和优化基 因入系统的靶向性和效率、构建新的基因定点整合载体、提高原位纠错效率，以及分离克 隆新表达调控元件和构建可控性表达载体为切入点，研究和解决这些关键问题。这些研究 不仅将大幅度地提高基因治疗的疗效，还为基因治疗的最后成功铺平道路。2005 年 3 月 4 日，美国 FDA 组织专家讨论基因治疗安全性问题。自 2000 年以来，法国巴黎内克尔医院 Fischer 教授对 17 名患 SCID 的小孩实施基因疗法，当时疗效很显著，但是在 200 3 年， 其中 2 名者出现白血病症状，目前有一个患病小孩已经死亡，现在第三个小孩也出现了白 血病症状67,10 。针对这一情况，美国 FDA 组织专家讨论这一严重副作用是由于使用了 特殊基因引起的孤立事件，还是所有基因治疗都会面临的共有问题。除了 Fischer 教授的治 疗方案出现严重副作用外，联邦专家提醒在美国国家心脏、肺和血液研究所利用逆转录病 毒载体对 42 只猴子开展的基因治疗试验，6 年后，其中一只猴子得了癌症并且已经死亡， 这暗示基因治 疗可能具有潜在的、长期的、延迟的副作用11。因此，美国 FDA 已经停止了 3 个与 Fischer 教授临床试验类似结果的治疗方案，另外还暂时推迟了 27 个基因治疗临床试验， 直到他们能够确定这种导致癌症的副作用是由于特殊的环境引起的方可继续进行。 目前，科学家们把焦点集中在基因治疗的传递系统上，Fischer 教授的临床试验方案用的是 逆转录病毒，这种病毒可以非特异性地插入到宿主细胞的基因组中，可能会导致难以预见 的后果，如果插入到了一个癌基因附近，就可能引起癌症。现在很多研究者在研究新的安 全、有效的基因传递系统，现在非病毒传递系统是一种很有前景的基因传递系统。 参考文献 1 Yoshio Gunj i,Takenori Ochial, Shimada H, et al.Gene Therapy for Cancer. Surgery Today, 2000, 30(11) : 967 973 2 Rios C D, Chu Y, Heist ad D D, Ten steps to gene therapy for cardirovascular diseases.Lab Clin Med, 1998, 132( 2) : 104 3 Allen Gustin, Lee Pederson, Ryan Miller, et al. Applicat ion of molecular biology studies to gene therapy treatment strategies. World Journal of Surgery, 2002, 26( 7) : 521 630 4 Lin Hui Wang, Dian Wen Ju, Yinghao Sun, et al. The pot ent ant itumor effects of combined pq6 gene and GM CSF gene therapy through ef ficient induct ion of antitumor immunity. Journal of CancerResearch and Clinical Oncology, 2001, 127( 2) : 102 131 5 卢大儒. 基因治疗. 化学工业出版社, 2003. 148 162 6 顾健人, 曹雪涛. 基因治疗. 科学出版社, 2001. 3 11 7 Norman C Nevin. What has happened to gene therapy? European Journal of Pediatrics, 2000, 159( 15) : 894 901 8 Winfried Siffert. Molecular genetics of G proteins and atheroscl erosis risk. Basic Research in Cardiology, 2001, 96 ( 6 ) : 606 611 9 Couillard C, Mauri ge P, Prud homme D, et al. Plasma lept in concentrat ions: gender differences and associations with metabolic risk factors for cardiovascular disease. Diabetologia, 1997, 40( 10) : 369 373 10 Huang Y, Ying K, Xie Y, et al. Cloning and charact erization of a novel human leptin receptor overlapping transcript like 1 gene. Biochim Biophys Acta, 2001, 1517( 2) : 327 331 11 Mart in Lind, Cody B nge. Factors stimulating bone format ion. European Spine Journal, 2001, 10( 2) : 0361 0366 12 Dalip Pelinkovi c,Uwe Horas,Mart in Engelhardt, et al. Genetherapie in der Knochenheilung. Trauma und Berufskrankheit, 2001, 3( 4) : 0278 0282 13 Balt zer A W A, Christian Latt ermann, Whalen J D, et al. A gene therapy approach t o accel erating bone healing Evaluat ion of gene expression in a New Zealand whit e rabbit model. Knee Surgery, Sport s Traumatology, Arthroscopy, 1999, 7( 3) : 197 202 14 Karachalios T H, Lyrit is G P. New Horizons in Applied Musculoskelet al Research. Calcified Tissue Int ernational, 2000, 66 ( 3) : 0165 0167 15 Rikke Christensen, Uffe Birk Jensen, Thomas G, et al. Cutaneous gene therapy an update.Histochemistry and Cell Biology, 2001, 115 ( 1) : 73 82 16 Jeffrey Bonadio.Tissue engineering via local gene delivery. Journal of Molecular Medicine, 2000, 78(6) : 303 311 17 Carlo Pellegrini,Timothy O Brien, John Yap. Systemat ic evaluat ion of distribution of transgene expression aft er adenovirus mediat ed gene transf er to the transplanted heart . Transplant International , 1998, 11( 5) : 373 377 18 Cochat P, Gaulier J M, Koch P C, et al . Combined liver kidney transplantat ion in primary hyperoxaluria type 1. European Journal of Pediatrics, 1999, 158(14) : 69 75 19 Kazuo Ohashi, Frank Park, Mark A, et al . Hepatocytetransplantat ion: clinical and experimental appl ication. Journal of Molecular Medicine, 2001, 79( 11) : 617 630 20 奈斯比特. 高科技、高思维. 北京: 新华出版社, 2000. 56 72 21 库尔特 拜尔茨. 基因伦理学. 北京: 华夏出版社, 2001. 23 7 Hood JD, Bednarski M, Fraust o R, et al. Tum or regr ess ion by t ar get ed gene therapy t o the neovasculature. Science, 2002; 296( 5577) 2404 22 Park JW, Hong K, Car ter P, et al . Devel opment of ant ip185HER2 im munolipos omes f or cancer therapy. Proc Nat l Acad Sci U SA, 1995; 92( 5) 1327 23 Xu L, Huang CC , Hu ang W, et al . Syst emic tum or -targeted gene del ivery by ant i-t ransf errin receptor scFv-im munol iposomes. Mol Can cer T her, 2002; 1( 5) 337 24T an PH, Manunt a M, Ard joman d N, et al . Ant ibody targeted gene t ransf er t o endothelium . J Gene M ed, 2003; 5( 4) 311 25 T orch ilin VP, Ram mohan R, Wei ssig V. TA T pept ide on the s urf ace of l iposomes af f ords thei r ef ficient int racellu lar deli very even at l ow t em perature and in the presence of met abol ic inh ibit ors. Proc Nat l Acad Sci USA, 2001; 98( 15) 8786 26T orch ilin VP, Levchenko T S, Ramm ohan R, et al . Cel l t ransf ect ion in vit ro and in vivo w ith nont oxic T AT pep tidel iposome-DNAcomplexes . Proc Nat l Acad Sci USA, 2003; 100 ( 4) 1972 27 S ingh M, Briones M , Ot t G, et al . Cat ionic micropart icl es : A pot ent d elivery sys tem f or DNA vaccin es. Proc Nat l Acad S ci U SA, 2000; 97(2) 811 28 Coh en-S acks H, Najajr eh Y, Tchaikovski V, et al . Novel PDGFbet aR ant is ens e en capsul at ed in pol ymeric nanospheres f or the t reatment of rest enosis . Gene Th er, 2002; 9( 23) 1607 29Coh en H, L evy RJ