新课标苏教版高中生物必修一精品资源-备课资料(身边的生物科学

1、备课资料 1.基因诊断的方法与疾病相关的遗传背景改变主要有两类，一是遗传物质，即DNA或RNA的水平变化。例如病毒基因及其转录产物在人体内的从无到有，某些肿瘤中癌基因表达水平的从低到高。二是遗传物质的结构变化，即基因突变，如点突变引起的基因失活，及染色体转位引起的基因激活或灭活等等。所以从理论上说所有检测基因水平或结构的方法都应可用于基因诊断。但如考虑其临床适用性、灵敏度等问题，下列几种方法可看作是有应用前景的基因诊断的方法。(1)核酸杂交：核酸杂交是从核酸分子混合液中检测特定大小的核酸分子的传统方法。其原理是核酸变性和复性理论。即双链的核酸分子在某些理化因素作用下双链解开，而在条件恢复后又可

2、依碱基配对规律形成双边结构。杂交通常在一支持膜上进行，因此又称为核酸印迹杂交。根据检测样品的不同又被分为DNA印迹杂交（Southern blot hybridization ）和RNA印迹杂交（Northern blot hybridization）。其基本过程包括下列几个步骤：制备样品：首先需要从待检测组织样品提取DNA或RNA。DNA应先用限制性内切酶消化以产生特定长度的片段，然后通过凝胶电泳将消化产物按分子大小进行分离。一般来说DNA分子有其独特的限制性内切酶图谱，所以经酶切消化和电泳分离后可在凝胶上形成特定的区带。再将含有DNA片段的凝胶进行变性处理后，直接转印到支持膜上并使其牢固结

3、合。这样检测片段在凝胶上的位置就直接反映在了转印在膜上。RNA样品则可直接在变性条件下电泳分离，然后转印并交联固定。制备探针：探针是指一段能和待检测核酸分子依碱基配对原则而结合的核酸片段。它可以是一段DNA、RNA或合成的寡核苷酸。在核酸杂交实验中，探针需要被标记上可直接检测的元素或分子。这样，通过检疫与转印膜上的核酸分子结合上的探针分子，即可知道被检测的核酸片段在膜上的位置，也就是在电泳凝胶上的位置，也就知道了它的分子大小。杂交：首先要进行预杂交，即用非特异的核酸溶液封闭膜上的非特异性结合位点。由于转印在膜上的核酸分子已经是变性的分子，所以杂交过程中只需变性标记好的探针，再让探针与膜在特定的

4、温度下反应，然后洗去未结合的探针分子即可。检测：检测的方法依标记探针的方法而异。用放射性同位素标记的探针需要用放射自显影来检测其在膜上的位置；而如果是用生物素等非同位素方法标记的探针则需要用相应的免疫组织化学的方法进行检测。(2)聚合酶链反应：核酸杂交反应是一对一的反应，即膜上有一个被检测分子时，相应就有一个标记的探针分子与它杂交。所以整个实验敏感性主要取决于标记探针的质量和杂交后的检测方法。在优化的条件下，核酸杂交可检测到pg水平的靶分子，约相当于106个分子。但是，在许多临床情况下，即无法得到这样的品质和质量。这时可以用聚合酶链反应来扩增靶分子以特异性地增加靶分子量，达到提高敏感性的目的。

5、聚合酶链反应（polymerase chain reaction,PCR）本身是在同一试管内利用DNA聚合酶催化的反应反复进行同一段DNA片段的合成。聚合酶反应的模板是待检测核酸分子：DNA可直接用于反应，而RNA则需要用反转录酶反转录成为cDNA，然后用作聚合酶反应的模板。反应的引物有两条，分别位于待扩增DNA片段的两端，可启动相对方向的DNA合成。这样从一个模板分子起始的话，经过n次聚合酶反应后就可以合成2n个模板分子。假如进行了30轮反应，则可从一个待检分子合成出230，即约109个待检分子。对于一段500个碱基对的DNA片段来说，这大约等于1ng的DNA。所以从很小时的样品即有可能扩增

6、出电泳后肉眼可见的产物。最初的聚合酶链反应是用DNA聚合酶的Klenow片段或T4DNA聚合酶催化的。但是由于每轮反应都需要三个温度点，尤其是模板变性需在较高的温度下进行，所以最初的PCR需要在每轮反应中加入DNA聚合酶。这个问题在发现了耐热DNA聚合酶（Taq DNA聚合酶）后才得以完满的解决。Taq DNA聚合酶分离自水栖高温菌，其最适反应温度为7580摄氏度，且经90摄氏度以上的加温后仍可在温度恢复后复性。所以这种酶特别适合于在不同温度点进行循环加温与降温而不丧失酶的活性。因此被广泛应用于各种PCR。 2.基因治疗的策略基因治疗主要以两种策略达到治疗目的。其一是正常基因来纠正突变基因，也

7、就是在原位修复缺陷基因的直接疗法，此乃理想的基因治疗策略，由于多种困难，目前尚未实现；其二是用正常基因不替代致病基因的间接疗法，此法较前者难度小，也是目前众多主张采用的策略，并已付诸临床实践。而就基因转移的受体细胞不同，基因治疗又有两种途径,即生殖（种系）细胞基因治疗和体细胞基因治疗。(1)生殖细胞基因治疗：生殖细胞基因治疗(germ cell gene therapy)是将正常基因转移到患者的生殖细胞（精细胞、卵细胞中早期胚胎）使其发育成正常个体，显然，这是理想的方法。实际上，这种靶细胞的遗传修饰至今尚无实质性进展。基因的这种转移一般只能用显微注射，然而效率不高，并且只适用于排卵周期短而次数

8、多的动物，这难适用于人类。而在人类实行基因转移到生殖细胞，并世代遗传，又涉及伦理学问题。因此，就人类而言，目前多不考虑生殖细胞的基因治疗途径。(2)体细胞基因治疗：体细胞基因治疗(somatic cell gene therapy)是指将正常基因转移到体细胞，使之表达基因产物，以达到治疗目的。这种方法的理想措施是将外源正常基因导入靶体细胞内染色体特定基因座位，用健康的基因确切地替换异常的基因，使其发挥治疗作用，同时还须减少随机插入引起新的基因突变的可能性。对特定座位基因转移，目前还有很大困难。体细胞基因治疗目前采用将基因转移到基因组上非特定座位，即随机整合。只要该基因能有效地表达出其产物，便可

9、达到治疗的目的。这不是修复基因结构异常而是补偿异常基因的功能缺陷，这种策略易于获得成功。基因治疗中作为受体细胞的体细胞，多采取离体的体细胞，先在体外接受导入的外源基因，在有效表达后，再输回到体内，这也就是间接基因治疗法。体细胞基因治疗不必矫正所有的体细胞，因为每个体细胞都具有相同的染色体。有些基因只在一种类型的体细胞中表达，因此，治疗只需集中到这类细胞上。其次，某些疾病，只需少量基因产物即可改善症状，不需全部有关体细胞都充分表达。3.转基因作物会变成超级杂草吗科学家经研究发现，转基因作物在野外不能很好的存活。该结论减轻了对这种“超级杂草”可能的疯狂生长存有的疑虑。从1990年开始起，科学家便对

10、转基因作物在野外的生存能力进行了实验研究，被研究的转基因作物主要是第一代转基因作物，如玉米、甜菜、油菜和马铃薯。科学家通过对比种植实验发现，除一块马铃薯外，其他所有的转基因作物，在不到四年内都自然死亡了，这种状况过去十年都是如此，而能存活的马铃薯都是非转基因品种。研究人员在英国科学周刊自然上撰文指出，“从来没有发现转基因作物比传统的非转基因作物有更强的耐受力或繁殖性”。4.DNA亲子鉴定测试的常见问题(1)什么是DNA亲子鉴定测试?DNA(脱氧核糖核酸)是人身体内细胞的原子物质，每个原子有46条染色体,另外,男性的精子细胞和女性的卵子,各有23条染色体,当精子和卵子结合的时候，这46个原子染色

11、体就制造一个生命,因此,每人从生父处继承一半的分子物质,而另一半则从生母处获得。DNA亲子鉴定测试与传统的血液测试有很大的不同，它可以在不同的样本上进行测试,包括血液、腮腔细胞、组织细胞样本和精液样本。由于血液型号,例如A型、B型、O型或Rh型,在人类中比较普遍,用于分辨每一个人,便不如DNA亲子鉴定测试有效。除了同卵双胞胎外,每人的DNA是独一无二的。由于它这样独特,就好像指纹一样,用于亲子鉴定,DNA是最为有效的方法。我们的结果通常是比法庭上要求的还准确10到100倍。（2）DNA亲子鉴定有多准确?DNA亲子鉴定是目前亲子测试中最准确的一种。如果小孩和测试男子的DNA模式在一个或多个的DN

12、A探针上不吻合,那么被测试男子便被100%排除，他不可能是孩子的生父。如果是母亲,孩子和被测试父亲的DNA模式完全吻合,那么我们可以计算出99.9%或更大的或然率。这个结果证明他是小孩的亲生父亲。大部分的美国法庭接受90%或然率作为生父证明的证据。5.国外生物医药的发展动向综述国外生物医药的最新发展动向突出表现在以下几个方面：（1）克隆技术:1997年克隆羊“多利”的出现使人类的克隆技术出现划时代的革命。1999年4月，美国的研究人员将得自成年人的骨髓干细胞在体外成功培养，并分化为软骨、脂肪和骨骼细胞。采用该技术开发以干细胞为基础的再生药物将具有庞大的市场，可治疗软骨损伤、骨折愈合不良、心脏病

13、、癌症和衰老引起的退化症等疾病。（2）药物基因组学：药物基因组学利用基因组学和生物信息学研究获得的有关病人和疾病的详细知识，针对某种疾病的特定人群设计开发最有效的药物，以及鉴别该特定人群的诊断方法，使疾病的治疗更有效、更安全。采取这种策略，医药公司可以针对一种疾病的不同亚型，生产同一种药物的一系列变构体，从而真正实现“对症下药”，使功效和适应症十分明确，可以减少临床试验病人数和费用，缩短临床审批周期。（3）基因治疗：基因治疗就是将外源基因通过载体导入人体内并在体内（器官、组织、细胞等）表达，从而达到治病目的。基因治疗掀起了一场临床医学革命，为治疗包括遗传病、重要病毒性传染病、恶性肿瘤等在内的、

14、目前尚无理想方法治疗的疾病开辟了广阔前景，随着“后基因组”的到来，基因治疗有可能在21世纪20年代以前成为临床医学上常规治疗手段之一。目前国外临床研究主要集中在遗传病、心血管疾病、肿瘤、艾滋病、血友病和囊性纤维化等疾病上，但临床效果不明显。（4）血管发生：用于治疗癌症的血管发生抑制因子。（5）艾滋病疫苗。（6）人类基因组计划。6.基因疗法基因疗法是治疗分子病的最先进手段，在很多情况下也是唯一有效的方法。如果说公共健康措施和卫生制度的建立、目前麻醉术在外科手术中的应用以及疫苗和抗生素的问世称得上是医学界的三次革命，那么分子水平上的基因治疗无疑是第四次白色大革命。基因治疗的基本定义是用正常基因取代

15、病人细胞中的缺陷基因，以达到战胜分子病的目的。分子病根据病变基因所处的细胞类型可分为遗传性分子病和非遗传性分子病两大类。前者的病变基因位于生殖细胞中，具有遗传倾向性，如血友病；后者的病变基因则定位于体细胞内，如大多数的癌症及病毒感染疾病。用于基因治疗的基因根据其功能及作用方式可分为以下三大类：(1)正常基因：从健康人体内分离克隆正常基因，或通过同源重组方式置换病变基因，或依靠其表达产物弥补病变基因的非功能性蛋白的生理作用。这类基因通常用于矫正各种基因缺陷型的遗传病，如血友病、地中海贫血病以及由腺苷脱氨酶、基因缺陷所致的重度联合免疫缺陷症等。（2）反义基因：用于治疗病毒感染或肿瘤疾病，从某种意义

16、上来说，这两大类病均属于获得性分子病。反义基因的体内表达产物反义，或与病毒的激活因子编码基因互补，如艾滋病；或与肿瘤基因的互补，如食道癌癌基因，从而阻断其表达。（3）自杀基因：用于治疗癌症。很早人们就发现在病毒、细菌和真菌中存在一些酶，它们能将细胞中一些原本无毒的代谢物转化为毒性化合物，而这些酶在动物体内是不存在的。如果将它们转入肿瘤细胞，再辅以原代谢物或药物，就能杀灭癌细胞，因此这类酶称为自杀酶，相应的基因则为自杀基因。7.中国生命科学的现状与展望中国科学院副院长陈竺院士在“中国生命科学的现状与展望”一文中，主要论述了中国生命科学的重点领域及成就，分析了中国生命科学和生物技术发展中需注意的问

17、题，并预言中国完全有能力跨入世界生命科学和生物技术强国的行列。陈竺院士在文章中首先指出，基因组学、生物信息学、重大疾病相关基因的识别、分子生物学与生物化学、细胞和发育生物学、神经生物学、动植物区系的系统演化与协同进化等是我国生命科学基础性研究的优先发展领域。接着，总结了我国近年来在基因组学研究、生物医学、生态学与生物多样性以及系统演化与古生物学等方面所取得的成就。同时还指出，中国的生命科学技术发展中还存在一些问题，主要有：优秀人才不足，缺乏原始创新；系统平台建设差，集团作战少；协调机制不健全，立项重复；科学研究与产业的结合不紧密；法制建设跟不上科技发展等。针对这些问题，最近政府有关部门已提出了一些新的思路和发展计划，如实施人才、专利、标准的“三大战略”。在生命科学基础研究方面，将进一步加强对基因和蛋白质科学、脑和认知科学、干细胞生物学等重要领域的支持，尤其要促进学科交叉，推动系统生物学等新兴学科。需要改善和建立若干大的科学平台，如同步辐射光源、计算生物学、高等级生物安全实