生命科学研究进展课件

生命科学研究进展生命科学研究进展1.生命科学发展史描述型生物学阶段：20世纪以前实验生物学阶段：1900年年孟德尔遗传规律的重新发现至1953年分子生物学阶段：1953年DNA双螺旋分子模型的建立1.生命科学发展史描述型生物学阶段：20世纪以前50年代：沃森和克里克发现DNA分子的双螺旋结构模型。此模型的建立，是分子生物学诞生的标志。60年代：我国首次用人工方法合成具有生物活性的牛胰岛素获得成功。突破了一般有机物分子与生物大分子的界限，带来了人工合成生命的曙光。70年代：随着限制性内切酶的发展和DNA分子杂交技术的建立，分子生物学进入了技术化时代。80年代：PCR技术的诞生使在体外快速扩增目的基因成为可能。90年代：克隆羊多莉的出现引发克隆热潮…………….2.分子生物学时代的来临50年代：沃森和克里克发现DNA分子的双螺旋结构模型。此模

21世纪生命科学的几个重要研究领域21世纪生命科学的几个重要研究领域3.1人类基因组计划是21世纪生命科学的敲门砖1985年，美国能源部（DepartmentofEnergy,DOE）提出，要将共包含约30亿碱基对的人类基因组全部碱基序列分析清楚1986年，美国宣布启动“人类基因组计划（HumanGenomeProject,HGP）”1993年，中国加入人类基因组计划（CHGP），首先开展了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”。1997年，我国启动了“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研究”项目之后，在上海和北京相继成立了国家人类基因组南、北两个中心。1999年12月1日，首条人类染色体完成测序，人类第22号染色体DNA全序列测定宣布完成。2000年4月6日，美国Celera遗传信息公司宣布，该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。2000年5月，科学家聚集美国冷泉港，宣布人类基因组草图的完成。3.1人类基因组计划是21世纪生命科学的敲门砖1985年，中国在人类基因组计划研究成果1%测序任务，第三条染色体3000万bp精确度99.99%发现142个基因，其中80个为预测基因中国在人类基因组计划研究成果1%测序任务，第三条染色体300弗朗西斯·柯林斯；人类基因组计划首席科学家、美国国家人类基因组研究所所长

弗朗西斯·柯林斯；人类基因组计划首席科学家、美国国家人类基因2000年6月26日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成2000年6月26日克林顿宣布人类基因组草图基本信息由31.65亿bp组成含3~3.5万基因与蛋白质合成有关的基因占2%人类基因组人类蛋白质61%与果蝇同源43%与线虫同源46%与酵母同源人类基因组草图基本信息由31.65亿bp人类基因组计划的意义1.生物与医学基础研究2.基因诊断、基因疗法、基因药物3.形成了结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学、转录组学、蛋白质组学、表型组学和代谢组学、RNA组学等新兴领域。这些分支领域已成为生物学基础研究的重要方面。4.带动一批高技术产业的发展人类基因组计划的意义1.生物与医学基础研究

关于发育的研究虽然已经有很长的历史，但发育生物学是在20世纪50年代分子生物学的迅速发展的基础上形成的以模式生物为研究对象：小鼠、斑马鱼、爪蟾、果蝇、线虫、拟南芥、水稻等。3.2基因组学研究开创发育生物学的新时代关于发育的研究虽然已经有很长的历史，但发

研究目的：

1.发现新的与发育相关基因；

阐明它们的时空表达谱、调控机理以及对细胞行为和组织器官形成与分化的影响，

2.从分子和细胞水平阐述一些重要发育途径；如胚胎诱导作用、胚层的形成和分化、组织器官发育、配子发育和细胞极性运动等的调控机理。

研究目的：主要科学问题：

1.发育过程中基因时空表达的遗传和表观遗传调控机制

2.机体形成时的“格式化”（patterning）；3.组织和器官形成中细胞分化和移动的分子基础；4.以动物发育为模型研究人类重大疾病的发生发展机制等。主要科学问题：生物信息学：是基于基因组、蛋白组信息分析的需要而出现的一门与信息科学、数学、计算机科学等交叉的新兴领域。

研究目标：揭示“基因组信息结构的复杂性及遗传语言的根本规律”。它是当今乃至下一世纪自然科学和技术科学领域中“基因组、“信息结构”和“复杂性”这三个重大科学问题的有机结合。3.3生物信息学是21世纪生命科学飞速发展的发动机生物信息学：是基于基因组、蛋白组信息分析的需要而出现的一门与生物信息学和其他学科进一步交叉、融合，发展形成了系统生物学(整合生物学)。其主要特征是从分子、细胞、器官到机体和从个体、群体到生态系统的不同层次上生物信息的整合和定量化。生物信息学和其他学科进一步交叉、融合，发展形成了系统生传统生物科学（中国传统医学）输入输出经典生物实验科学输入输出A(基因/蛋白质)B(基因/蛋白质)系统生物学输入输出系统生物学是认识生命复杂系统的新角度综合性研究分析性研究分析+综合研究传统生物科学输入输出经典生物实验科学输入输出A(基因/B(基研究对象：各种生物分子的整合Genome基因组Transcriptome转录物组Proteome蛋白质组CitricacidcycleMetabolome代谢组17研究对象：各种生物分子的整合Genome基因组Transcr研究对象：各种层次的整合18研究对象：各种层次的整合18研究策略：实验科学与理论科学的整合系统生物学实验科学分子生物学细胞生物学基因组学蛋白质组学······理论科学数学计算科学信息科学理论物理学······19研究策略：实验科学与理论科学的整合系统生物学实验科学理论科学3.4干细胞研究的快速发展。

干细胞具有在体外大量增殖和分化为多种细胞的潜能，是研究细胞生物学基础科学问题的理想模型，也可以为难治性疾病提供细胞来源。

目前，干细胞的定向分化、自我更新、干细胞的可塑性等是重要的基础研究。3.4干细胞研究的快速发展。干细胞工程

核移植去核胚胎干细胞组装胚胎干细胞组织干细胞各种组织器官体外诱导培养干细胞工程核移植去核胚胎干细胞组装胚胎干细胞组织干细胞各种3.5克隆技术的发展1.克隆来源与英语“clone”或“cloning”的音译，曾译为无性生殖或无性繁殖，即由同一个祖先细胞分裂而形成的纯细胞系，这个细胞系每个细胞的基因彼此是相同的。2.克隆技术第一个发展时期—微生物克隆。3.克隆技术第二个发展时期—生物技术克隆。3.克隆技术第三个发展时期—动物克隆。3.5克隆技术的发展1.克隆来源与英语“clone”或“cl克隆羊多利（Dolly）的诞生1.1997年12月，英国Roslin研究所克隆羊多利（Dolly）的诞生揭示一个全新概念：由成年机体的一个体细胞核，可以复制一个基因完全相同的新生命个体。2.克隆鼠、克隆牛等实验的成功进一步验证了其科学性将体细胞核移植去核卵细胞形成的克隆细胞，其基因组DNA与细胞核供体一致，由克隆细胞复制出可供移植、无免疫排斥的各种组织细胞、器官，是21世纪生命科学的一个新里程碑。克隆羊多利（Dolly）的诞生1.1997年12月，英国Ro

3.6蛋白质结构－功能关系蛋白质结构－功能关系是细胞生命活动的重要基础。蛋白质的功能通过其结构、运动和相互作用得以实现。蛋白质三维结构主要包括整体水平的肽链折叠方式、原子水平的构象、分子的内在运动性和在不同条件下的结构变化，从而实现蛋白质分子间和亚基间、以及蛋白质与非蛋白质分子之间的相互作用。本领域鼓励在蛋白质结构和功能及其相互关系等方面开展创新性研究。

主要科学问题：蛋白质三维结构与功能的关系；蛋白质分子在不同条件下的运动规律；蛋白质与其它生物大分子的相互作用；氨基酸序列和三维结构之间的关联；原子水平蛋白质结构与蛋白质折叠和功能的关系；膜蛋白和糖蛋白的结构及其在细胞生命活动中的功能等。3.6蛋白质结构－功能关系

3.7细胞信号转导的网络调节及效应

生命活动离不开信息交流。细胞通过复杂的信号网络实现增殖、分化、运动、凋亡及其它生理活动并对其进行精细的调节，以应对复杂的环境。尽管目前在这一领域已取得一些研究进展，但对生命活动的信息调控机制的认识还远非完善。由于疾病最终可归因于信号网络的失调，其中的很多组分都可成为药物筛选的靶标，因此相关研究对人类健康也有深远的影响。主要科学问题：信号网络新组分的鉴定和功能分析；信号网络组分间的相互作用及其调节机制；信号通路间的对话机制及生物学意义；信息整合机制和应答方式的系统整合生物学分析；生理与病理条件下信号传递的异同等。3.7细胞信号转导的网络调节及效应

3.8

细胞运动的分子机制

细胞运动是以微管和微丝骨架支撑的重要生命活动，包括细胞迁移、细胞分裂和胞内运输等，其共同特征是需要驱动蛋白的参与及细胞骨架的动态协调。

在体内，细胞定向迁移需要胞外信号分子的引导，这一过程为胚胎发育、神经系统形成和免疫系统趋化功能所必须。细胞迁移异常将导致严重的疾病，而肿瘤的恶化也是细胞迁移异常激活的结果。细胞运动性是细胞生物学领域中的一个重要的基础性理论问题。

主要科学问题：细胞运动相关过程的分子机理；细胞运动的信号调控机制；驱动蛋白功能和特异性调节；微管和微丝系统的动态性调节和功能协调机制；细胞运动与胚胎发育、器官形成和疾病发生的关系等。3.8细胞运动的分子机制

3.9膜系统及物质跨膜运输

细胞作为生命活动的基本单元，不断地与外界进行物资交换。细胞内的物质运输和与外界物质交换是生命的基本现象，它直接影响到细胞的增殖和分化。胞内运输涉及内膜系统的动态变化、囊泡运输、胞吞和胞吐等重要过程。这些过程不仅为普通细胞所必须，在神经和腺体细胞中尤为重要。因此，膜系统和物质跨膜运输一直是细胞生物学研究的中心问题之一。

主要科学问题：囊泡运输、胞吞和胞吐的分子机制和调控，以及与信号转导的相互影响；核膜内外物质交流机制；细胞周期中内膜系统的动态变化等。

3.9膜系统及物质跨膜运输

3.10小分子RNA的发现和对其功能研究1.近10年来分子生物学领域最突出的热点之一2.小分子RNA存在的广泛性和多样性，提示小分子RNA可能有广泛的生物功能。3.是调控基因表达和蛋白活性的重要方式。

对具有调节功能的非编码RNA分子的结构特征、调控方式以及生物学功能是近期重要的研究方向。3.10小分子RNA的发现和对其功能研究3.11系统发育重建与分子进化

进化是生命科学的基本问题之一，没有进化论的指导，生物学一切问题都难以解释。20世纪进化研究取得了显著进展，也带动和促进了相关领域的发展。基因组研究的突破性进展为进化研究创造了难得的机遇。近年来我国在进化生物学领域取得了骄人成绩，如能抓住这一机遇，充分利用我国丰富的生物种类和多样的环境条件这一优势，将会取得为世人瞩目的成绩。进化研究涉及的问题非常广泛，在有限的时间内只能根据我国的特色和优势集中一些科学问题进行探索。主要科学问题：结合DNA序列、形态和化石证据，重建生命之树（系统发育）；基因与基因组进化；进化发育式样的多样性；适应性辐射和物种形成的分子机制等。3.11系统发育重建与分子进化

3.10生物科学与其它学科的交叉和渗透更加广泛与深入生命科学的很多重要的里程碑式的成果都离不开物理学、化学等学科的贡献,如：1.X射线晶体衍射：对DNA双螺旋结构的确定

2.各种先进设备：用于精确和高通量的基因测序

3.数学和计算机技术：对基因组测序的整合和分析等极大地推动了分子生物学的发展3.10生物科学与其它学科的交叉和渗透更加广泛与深入生命科学研究进展生命科学研究进展1.生命科学发展史描述型生物学阶段：20世纪以前实验生物学阶段：1900年年孟德尔遗传规律的重新发现至1953年分子生物学阶段：1953年DNA双螺旋分子模型的建立1.生命科学发展史描述型生物学阶段：20世纪以前50年代：沃森和克里克发现DNA分子的双螺旋结构模型。此模型的建立，是分子生物学诞生的标志。60年代：我国首次用人工方法合成具有生物活性的牛胰岛素获得成功。突破了一般有机物分子与生物大分子的界限，带来了人工合成生命的曙光。70年代：随着限制性内切酶的发展和DNA分子杂交技术的建立，分子生物学进入了技术化时代。80年代：PCR技术的诞生使在体外快速扩增目的基因成为可能。90年代：克隆羊多莉的出现引发克隆热潮…………….2.分子生物学时代的来临50年代：沃森和克里克发现DNA分子的双螺旋结构模型。此模

21世纪生命科学的几个重要研究领域21世纪生命科学的几个重要研究领域3.1人类基因组计划是21世纪生命科学的敲门砖1985年，美国能源部（DepartmentofEnergy,DOE）提出，要将共包含约30亿碱基对的人类基因组全部碱基序列分析清楚1986年，美国宣布启动“人类基因组计划（HumanGenomeProject,HGP）”1993年，中国加入人类基因组计划（CHGP），首先开展了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”。1997年，我国启动了“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研究”项目之后，在上海和北京相继成立了国家人类基因组南、北两个中心。1999年12月1日，首条人类染色体完成测序，人类第22号染色体DNA全序列测定宣布完成。2000年4月6日，美国Celera遗传信息公司宣布，该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。2000年5月，科学家聚集美国冷泉港，宣布人类基因组草图的完成。3.1人类基因组计划是21世纪生命科学的敲门砖1985年，中国在人类基因组计划研究成果1%测序任务，第三条染色体3000万bp精确度99.99%发现142个基因，其中80个为预测基因中国在人类基因组计划研究成果1%测序任务，第三条染色体300弗朗西斯·柯林斯；人类基因组计划首席科学家、美国国家人类基因组研究所所长

弗朗西斯·柯林斯；人类基因组计划首席科学家、美国国家人类基因2000年6月26日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成2000年6月26日克林顿宣布人类基因组草图基本信息由31.65亿bp组成含3~3.5万基因与蛋白质合成有关的基因占2%人类基因组人类蛋白质61%与果蝇同源43%与线虫同源46%与酵母同源人类基因组草图基本信息由31.65亿bp人类基因组计划的意义1.生物与医学基础研究2.基因诊断、基因疗法、基因药物3.形成了结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学、转录组学、蛋白质组学、表型组学和代谢组学、RNA组学等新兴领域。这些分支领域已成为生物学基础研究的重要方面。4.带动一批高技术产业的发展人类基因组计划的意义1.生物与医学基础研究

关于发育的研究虽然已经有很长的历史，但发育生物学是在20世纪50年代分子生物学的迅速发展的基础上形成的以模式生物为研究对象：小鼠、斑马鱼、爪蟾、果蝇、线虫、拟南芥、水稻等。3.2基因组学研究开创发育生物学的新时代关于发育的研究虽然已经有很长的历史，但发

研究目的：

1.发现新的与发育相关基因；

阐明它们的时空表达谱、调控机理以及对细胞行为和组织器官形成与分化的影响，

2.从分子和细胞水平阐述一些重要发育途径；如胚胎诱导作用、胚层的形成和分化、组织器官发育、配子发育和细胞极性运动等的调控机理。

研究目的：主要科学问题：

1.发育过程中基因时空表达的遗传和表观遗传调控机制

2.机体形成时的“格式化”（patterning）；3.组织和器官形成中细胞分化和移动的分子基础；4.以动物发育为模型研究人类重大疾病的发生发展机制等。主要科学问题：生物信息学：是基于基因组、蛋白组信息分析的需要而出现的一门与信息科学、数学、计算机科学等交叉的新兴领域。

研究目标：揭示“基因组信息结构的复杂性及遗传语言的根本规律”。它是当今乃至下一世纪自然科学和技术科学领域中“基因组、“信息结构”和“复杂性”这三个重大科学问题的有机结合。3.3生物信息学是21世纪生命科学飞速发展的发动机生物信息学：是基于基因组、蛋白组信息分析的需要而出现的一门与生物信息学和其他学科进一步交叉、融合，发展形成了系统生物学(整合生物学)。其主要特征是从分子、细胞、器官到机体和从个体、群体到生态系统的不同层次上生物信息的整合和定量化。生物信息学和其他学科进一步交叉、融合，发展形成了系统生传统生物科学（中国传统医学）输入输出经典生物实验科学输入输出A(基因/蛋白质)B(基因/蛋白质)系统生物学输入输出系统生物学是认识生命复杂系统的新角度综合性研究分析性研究分析+综合研究传统生物科学输入输出经典生物实验科学输入输出A(基因/B(基研究对象：各种生物分子的整合Genome基因组Transcriptome转录物组Proteome蛋白质组CitricacidcycleMetabolome代谢组47研究对象：各种生物分子的整合Genome基因组Transcr研究对象：各种层次的整合48研究对象：各种层次的整合18研究策略：实验科学与理论科学的整合系统生物学实验科学分子生物学细胞生物学基因组学蛋白质组学······理论科学数学计算科学信息科学理论物理学······49研究策略：实验科学与理论科学的整合系统生物学实验科学理论科学3.4干细胞研究的快速发展。

干细胞具有在体外大量增殖和分化为多种细胞的潜能，是研究细胞生物学基础科学问题的理想模型，也可以为难治性疾病提供细胞来源。

目前，干细胞的定向分化、自我更新、干细胞的可塑性等是重要的基础研究。3.4干细胞研究的快速发展。干细胞工程

核移植去核胚胎干细胞组装胚胎干细胞组织干细胞各种组织器官体外诱导培养干细胞工程核移植去核胚胎干细胞组装胚胎干细胞组织干细胞各种3.5克隆技术的发展1.克隆来源与英语“clone”或“cloning”的音译，曾译为无性生殖或无性繁殖，即由同一个祖先细胞分裂而形成的纯细胞系，这个细胞系每个细胞的基因彼此是相同的。2.克隆技术第一个发展时期—微生物克隆。3.克隆技术第二个发展时期—生物技术克隆。3.克隆技术第三个发展时期—动物克隆。3.5克隆技术的发展1.克隆来源与英语“clone”或“cl克隆羊多利（Dolly）的诞生1.1997年12月，英国Roslin研究所克隆羊多利（Dolly）的诞生揭示一个全新概念：由成年机体的一个体细胞核，可以复制一个基因完全相同的新生命个体。2.克隆鼠、克隆牛等实验的成功进一步验证了其科学性将体细胞核移植去核卵细胞形成的克隆细胞，其基因组DNA与细胞核供体一致，由克隆细胞复制出可供移植、无免疫排斥的各种组织细胞、器官，是21世纪生命科学的一个新里程碑。克隆羊多利（Dolly）的诞生1.1997年12月，英国Ro

3.6蛋白质结构－功能关系蛋白质结构－功能关系是细胞生命活动的重要基础。蛋白质的功能通过其结构、运动和相互作用得以实现。蛋白质三维结构主要包括整体水平的肽链折叠方式、原子水平的构象、分子的内在运动性和在不同条件下的结构变化，从而实现蛋白质分子间和亚基间、以及蛋白质与非蛋白质分子之间的相互作用。本领域鼓励在蛋白质结构和功能及其相互关系等方面开展创新性研究。

主要科学问题：蛋白质三维结构与功能的关系；蛋白质分子在不同条件下的运动规律；蛋白质与其它生物大分子的相互作用；氨基酸序列和三维结构之间的关联；原子水平蛋白质结构与蛋白质折叠和功能的关系；膜蛋白和糖蛋白的结构及其在细胞生命活动中的功能等。3.6蛋白质结构－功能关系

3.7细胞信号转导的网络调节及效应

生命活动离不开信息交流。细胞通过复杂的信号网络实现增殖、分化、运动、凋亡及其它生理活动并对其进行精细的调节，以应对复杂的环境。尽管目前在这一领域已取得一些研究进展，但对生命活动的信息调控机制的认识还远非完善。由于疾病最终可归因于信号网络的失调，其中的很多组分都可成为药物筛选的靶标，因此相关研究对人类健康也有深远的影响。主要科学问题：信号网络新组分的鉴定和功能分析；信号网络组分间的相互作用及其调节机制；信号通路间的对话机制及生物学意义；信息整合机制和应答方式的系统整合生物学分析；生理与病理条件下信号传递的异同等。3.7细胞信号转导的网络调节及效应

3.8

细胞运动的分子机制

细胞运动是以微管和微丝骨架支撑的重要生命活动，包括细胞迁移、细胞分裂和胞内运输等，其共同特征是需要驱动蛋白的参与及细胞骨架的动态协调。

在体内，细胞定向迁移需要胞外信号分子的引导，这一过程为胚胎发育、神经系统形成和免疫系统趋化功能所必须。细胞迁移异常将导致严重的疾病，而肿瘤的恶化也是细胞迁移异常激活的结果。细胞运动性是细胞生物学领域中的一个重要的基础性理论问题。

主要科学问题：细胞运动相关过程的分子机理；细胞运动的信号调控机制；驱动蛋白功能和特异性调节；微管和微丝系统的动态性调