分子生物学概述-兼容

分子生物学概述OutlineofMolecularBiology主要内容：什么是分子生物学？分子生物学的发展历程分子生物学与医学发展2一.什么是分子生物学？围绕着生物的中心法则，重点在DNA水平上，通过研究生物大分子间相互作用及其互调网络，揭示生命及其规律的科学ProteinDNARNA3思维方式：传统生物学：从宏观到微观我国现在解剖学、组织胚胎学等发展始于20世纪初比欧美国家晚200多年从19世纪中期到20世纪初，关于细胞结构尤其是细胞核的研究，有了长足的进展1944年证明DNA是遗传物质1961-64年破译DNA遗传密码4思维方式：传统生物学：从宏观到微观分子生物学：从微观到宏观生物学5思维方式：传统生物学：从宏观到微观分子生物学：从微观到宏观基因异常生物体异常结构变化数量变化修饰变化？信号转导异常动态受精卵生长发育成熟6思维方式：传统生物学：从宏观到微观分子生物学：从微观到宏观最终目的：在分子水平上解释生物的生命本质DNARNA蛋白质分子生物学的中心法则7二.分子生物学的发展历程分子生物学的发展：源于对生命现象探究的渴望eagertoknow问题：你最想知道什么？8Whatislife?WhatIsLife?isa1944non-fictionsciencebookwrittenbyphysicistErwinSchrödinger.Schrödinger推测：含有遗传信息的物质是一种不断变换的液状晶体，由共价化学键维持其构型1950年，这种idea刺激了寻找遗传物质的热情1869年，已经知道DNA,但其功能及结构都未知9ChrickWatson分子生物学的诞生：起始于DNA双螺旋模板学说Watson：原从事鸟类研究的开始从事DNA相关研究是源于读了“Whatislife”这本小册子Crick：物理学家，一直思考两个问题：——分子为什么能使非生命体变成生命体？——头脑怎么就有智慧了呢？推测：DNA和蛋白质，DNA更可能是遗传物质Howmoleculesmakethetransitionfromthenon-livingtotheliving?Howthebrainmakesaconsciousmind?10知道了：DNA是遗传物质，DNA是双螺旋结构下面你最想知道什么？是不是想知道：—DNA真能决定生物体的一切吗？如果是，你这时最想干什么？—是不是想动一动DNA？11分子生物学的快速发展：起始对DNA的操作靶向化学键的操作：限制性核酸内切酶（RE）DNA连接酶DNA变性-复性切割磷酸二酯键形成磷酸二酯键氢键断裂-形成12问题：一旦实现了操作DNA了，你想干什么？好奇心可能驱使你将不同生物的DNA组装到一起看能出现什么奇迹，是吗？13问题：一旦实现了操作DNA了，你想干什么？好奇心可能驱使你将不同生物的DNA组装到一起看能出现什么奇迹，是吗？猿猴病毒DNA噬菌体DNA限制性内切酶限制性内切酶DNA连接酶重组DNA分子PaulBergabiochemistryatStanford1980年，获诺贝尔化学奖1972年：14真正意义上的DNA重组技术：1973年建立的基因克隆体系Plasmid1Plasmid2REREligaseRecombinantplasmidTransformationE.coli要点：不同来源DNA的重新组合在生物体内能自我复制无性繁殖StanleyCohen(Stanford)HerbertBoyer(UCSF)151974年，申请了重组DNA技术发明专利1976年,Boyer和投资人Swanson(29岁)作为发起人，创建了GenentechInc.第一个产品：重组人胰岛素(1982年上市)RobertA.Swanson

1947-1999

16—GenentechInc.的产品1982-Synthetic"human"insulin1987-Activase(alteplase)-todissolvebloodclotsinpatients.1990-Actimmune(IFN1b)-chronicgranulomatousdisease.1997-Rituxan(rituximab)-Treatmentforspecifickindsofnon-Hodgkinslymphomas.1998-Herceptin(trastuzumab)-Treatmentformetastaticbreastcancerpatients2000-TNKase(tenecteplase)-totreatacutemyocardialinfarction.2003-Xolair(omalizumab)-formoderatetoseverepersistentasthma.2004-Avastin(bevacizumab)-Anti-VEGFmAbforthetreatmentofmetastaticcancerofthecolonorrectum,locallyadvanced,recurrentormetastaticnon-smallcelllungcancer,untreatedadvancedHER2-negativebreastcancer.2004-Tarceva(erlotinib)-Treatmentforpatientswithlocallyadvancedormetastaticnon-smallcelllungcancer,andpancreaticcancer.2006-Lucentis(ranibizumab)-forthetreatmentofneovascular(wet)age-relatedmaculardegeneration(AMD).2010-Actemra(tocilizumab),IL-6R-inhibitingmAbtotreatrheumatoidarthritis.2012-Erivedge(vismodegib)-Treatmentforadvancedbasal-cellcarcinoma(BCC2012-PERJETAforuseincombinationwithHerceptin(trastuzumab)anddocetaxelchemotherapyforthetreatmentofpatientswithpreviouslyuntreatedHER2-positivemetastaticbreastcancer(mBC).17—关于GenentechInc.宗旨：UsinghumangeneticinformationTodiscover（发现）

develop（开发）

manufacture（生产）

commercialize（销售）

biotherapeuticsthataddresssignificantunmetmedicalneedsunmet:未满足的HerbertW.Boyer(UCSF)RobertA.Swanson

1947-1999

18接下来：不满足于只知道DNA构型1975年，DNA测序技术诞生WalterGilbertHarvardFrederickSangerUniversityofCambridge1980年获诺贝尔奖94岁1958年，第一次获诺贝尔化学奖Insulinproteinsequencing1980年，第二次获诺贝尔化学奖DNAsequencingTillnow，Sanger是第四个获两次诺贝尔奖的人发现一系列疾病相关基因1976年发现第一个病毒癌基因发现编码序列和非编码序列发现基因表达调控序列1990年启动人类基因组计划个体基因组测序

2007年：Watson,Venter

2008年：中国YH

Watson

Venter19—基因组测序1990年，人类基因组计划启动1996年，酵母(S.cervisiae)基因组测序1998年，线虫基因组测序2000年，果蝇基因组测序2001年，人类基因组草图完成2002年，小鼠基因组测序2003年，人类基因组计划结束2004年，发表人类基因组序列；大鼠基因组测序；鸡基因组测序2005年，狗基因组测序

猩猩基因组测序

第一个基因组范围相关性研究发表人类基因组与小鼠基因组高度同源（80%同源性）2005年开始，大规模小鼠基因敲除的研究计划在美国、欧盟和加拿大实施人类的研究工具10年4年2006年，第一个直接对消费者的基因组测序

海胆(seaurchin)基因组测序

蜜蜂基因组测序

基因型、表型-NCBIdatabase启动2007年，第一个个人基因组测序中国汉人基因组测序

人类遗传变异有重大突破的一年

猕猴基因组测序2008-11-6,第一个中国人YH的个人基因组序列发表在Nature上Yourlifeinyourhands—基因组测序212008年，遗传信息非歧视Act在美国通过第一个癌基因组测序(AML)

胶质瘤全基因组分析

鸭嘴兽(platypus)基因组测序

非洲优鲁巴人(Yoruba)基因组测序

第一个用新技术个人基因组测序2009年，韩国人基因组测序

第一张人类甲基化图谱2009年，牛基因组测序

国际数据释放研讨会

完成了哺乳动物基因收集(MGC)JamesWatson—基因组测序222010年，Exosome测序发现MillerFisher综合征的致病基因1000基因组试验性计划完成

穴居人(Neanderthal)基因组测序>1000小鼠基因敲除突变品系

第500个基因组范围的研究发表

南非人基因组测序附：MillerFisher综合征是一种罕见的多发性神经炎疾病，其病理现象即为脑干的脑神经核体功能缺损—基因组测序23—基因组中的“垃圾DNA”ENCODE(ENCyclopediaOfDNAElements)研究组上百位研究人员2012-9-6公布了最新成果:—人类基因组中“垃圾DNA”实际上是一个庞大的控制面板，能调控数以百万计基因的活性。Nature,489:57–74(06Sep2012).AnintegratedencyclopediaofDNAelementsinthehumangenome.Nature,489:101–108(06Sep2012).Landscapeoftranscriptioninhumancells.人基因组中，—1.5%编码蛋白，8.5%编码结合在DNA上的蛋白，调控基因转录—位于4%功能仍未知基因组中的一大片与其他哺乳动物不同，预示受到了进化的“约束”24接下来：不满足于只知道DNA构型不断发明新技术以满足新需求GH转基因小鼠1981年，大鼠生长激素(GH)基因被转入小鼠体内（转基因技术）转基因动物基因敲除动物转基因-基因敲除动物克隆动物用于生物制品的生产如：人凝血因子Ⅷ(羊奶中)作为模式生物如：Dolly早衰模型25分子生物学的使命：试图从根本上解释生命的奥秘学科特点：中心法则作为理论体系核心操作基因作为技术体系核心提出理论产生技术上的需求发明技术提出新的理论分子生物学在这样的循环中得到发展DNA是遗传物质DNA结构及功能关系操作DNA改变生物遗传物质制造模式生物揭示人类自身生老病死的机制26DNA重组技术重组蛋白人源抗体重组多肽药物重组疫苗基因克隆DNA序列测定重组载体基因治疗载体RNA转录载体打靶载体转基因载体基因敲除动物模型转基因动物模型发夹RNARNAi核酸探针标记分子杂交SouthernblotNorthernblot构建文库基因组文库cDNA文库基因合成PCR-克隆-亚克隆基因突变基因敲除动物模型RNAi以DNA重组技术为核心技术：27一些成果？从根本上研究人类的起源、进化等奥秘问题人类的近亲——猩猩98%相似性1.44%差异2005,Nature比较基因组学表观遗传学人与人之间有多大差异？人与其他生物间有多大差异？北京猿人是不是中国人的祖先？DNA序列不变但基因功能可遗传性变化环境因素与生物进化？28一些成果？从根本上研究人类的起源、进化等奥秘问题寻求造福于人类的新途径生物制药公司改良动植物品种用生物体作为制药工厂大肠杆菌：干扰素，胰岛素酵母：HBsAg,HPV疫苗昆虫细胞：HPV疫苗大动物：凝血因子Ⅷ抗病虫害的植物抗病毒感染的家畜转基因大豆转基因家禽转基因猪问：转基因动植物对人体到底有没有害？29医学分子生物学在分子水平上，探讨人类生、老、病、死的分子机理挖掘分子水平干预疾病的线索和方法利用分子生物学的理论和技术使不可能成为可能如果人类各种器件都能自我更新，人还衰老吗？用皮肤细胞培育出心脏，你信吗？2008年，小鼠皮肤细胞心肌细胞、血管平滑肌细胞、造血细胞2008年(NatMed)，利用大鼠心脏脱细胞支架的第一个人工心脏诞生30OneoftheTaylorteam’sbio-artificialheartsinajar生物反应器将大鼠心脏的细胞去掉，保留心脏的三维结构Ittookaboutayear31ScientistscreateartificialjellyfishfromratheartcellsUsingratheartmusclecellsandathinsiliconefilm,researchershaveconstructedaswimmingjellyfishlikecreature.水母ByStephaniePappas,

LiveScience/July23,2012agoodmodeltousetostudycardiacphysiology你也许会问：这与分子生物学有什么关系？32三.分子生物学与医学发展传统医学，比如中医学现代医学，比如西医学望、闻、问、切个性化诊疗模糊处理内在与外在的关系系统性分析避免个性偏差从解剖开始精确到器官、细胞，必然寻求更精确的解释结合？33分子变异与疾病1956年，发现镰状细胞性贫血的主要原因是珠蛋白的第6位谷氨酸变为缬氨酸镰状细胞性贫血后来证明：疾病的本质是编码珠蛋白的基因发生了点突变GAG(谷氨酸)GTG(缬氨酸)点突变这是第一次确认的一种疾病由一个分子的一个特定改变所引起34—老年痴呆阿尔海默氏痴呆症血管性痴呆症其他类型的痴呆症美国前总统——里根中国和欧美国家发病率相似>65岁：2-5%发病>85岁：50%以上发病早期发病(<65岁)：<1%病例与APP、PS1和PS2基因突变有关。晚期发病(>65岁):载脂蛋白酶E4(APOE4)基因的过度复制可能是重要原因1994年里根被诊断为Alzheimerdisease1994.9.21被确定为worldAlzheimer’sday2011年：通过鼻腔将胰岛素送入脑内，近70%患者在4个月内记忆力有所改善2012年：抗癫痫药左乙拉西坦在小鼠模型中能降低50%脑内异常网络活动并改善记忆351970年，从鸡肉瘤中分离到能使细胞转化成肉瘤的病毒HaroldVarmus

J.MichaelBishop1976年，发现病毒癌基因Src

(1989年获Nobel奖)

之后确定了细胞癌基因的概念因此，对肿瘤发生发展机制方面的知识影响巨大现在已经发现大约40个不同的癌基因这种发现也拓宽了人们洞察复杂信号系统的视野，从而掌控细胞的正常生长—恶性肿瘤36 Prostate LungandbronchusColonandrectum Uterinebladder Melanomaofskin Non-HodgkinlymphomaKidney&renalpelvis Leukemia OralCavity Pancreas AllOtherSites 33%12%10% 7% 5% 4%3% 3% 3% 2% 17% 28%15%9% 7% 5% 4% 4%

4%

3%

Men:710,0402005and2011EstimatedUSCancerNewCases789,6202005201137Women:662,870 Breast LungandbronchusColonandrectum Uterinecorpus Non-Hodgkinlymphoma MelanomaofskinOvary Thyroid Urinarybladder Pancreas AllOtherSites 32%12%11% 6% 4% 4%3% 3% 2% 2% 21% 28%14%10% 6% 4% 4% 3% 5%

3%

2005and2011EstimatedUSCancerNewCases

739,9402005201138疾病的分子诊断从基因水平上判断癌症的预后提供治疗方案选择的依据,如Her2MammaPrint:Agendia’s

开发美国FDA批准同时检测70个基因判断乳腺癌转归据分析：80%乳腺癌术后没有必要进行化疗提问：我们现在为什么对几乎所有癌症术后患者进行化疗？敢不敢不化疗？391990年，世界上第一例真正意义上的基因治疗将腺苷脱氨酶(ADA)基因用逆转录病毒作载体导入ADA缺陷病人的T淋巴细胞中基因治疗对象：4岁女孩ADA缺乏性严重复合型免疫缺陷病替代疗法虽然从此掀起基因治疗研究的热潮基因治疗仍面临极大的困难和挑战疾病的分子治疗40—基因型与治疗HBV感染：全世界有3亿多携带者，我国有1.2亿人长期携带我国每年死于HBV相关肝病人数28万HCV感染：全球有1.7亿人感染丙肝全球每年约30万例死于丙肝引起的肝癌中国约3800万丙型肝炎重症感染者33%HIV感染者合并HCV感染研究发现：人基因组上与IL-28基因相连的一个基因的一个点突变，显著影响丙肝的治疗效果<Nature>(2009-8-16)TC突变30%治愈80%治愈干扰素+利巴韦林41疾病治疗的生物替代品重组蛋白(多肽)产品：IFN,IL-2,GM-CSF…基因治疗载体：病毒，质粒…转基因细胞干细胞：胚胎干细胞，诱导型多能干细胞inducedpluripotentstem(iPS)embryonicstemcell(ES

cell)将皮肤等体细胞诱导成多能干细胞问题：为什么能将终末分化的细胞变成干细胞呢？42掌控细胞的命运缘于对基因表达调控的认识基因组重新编程(re-programme)在受精过程中精子提供另一套染色体精子还提供6种mRNA这些mRNA：使基因组重新程序化？是生命之初的基因开关？43iPS细胞的启示：基因组重新程序化并不需要太复杂的因素四种转录因子(Oct4,Sox2,Klf4和c-Myc)可将体细胞转化为iPS细胞单个转录因子Oct4可将人神经干细胞诱导成iPS细胞细胞这么容易就能获得全能性，你能想象一下细胞癌变的难易吗？器官移植的材料来源还是问题吗？44Early-stageepigeneticmodificationduringsomaticcellreprogrammingbyParp1andTet2.Nature,488:652–655(30Aug2012)2012年8月：基因表达受到两类蛋白的共同控制：—转录因子—表观遗传调控子以各种方式来影响基因的表达，如通过改变组蛋白直接结合到DNA上发挥作用两种表观遗传调控因子Parp1和Tet2—刺激了成纤维细胞中静止多能基因的表达，由此启动了这些细胞重编程为iPSCs—成纤维细胞中Oct4诱导了Parp1表达Oct4转录因子Parp1表观调控因子启动多能基因的表达问题：表观调控因子是如何“知道”哪些基因需要被重新激活？是否广泛除去对整个基因组基因表达的抑制？是通过重编程转录因子引导到特异的基因？45哪种疾病与基因没关系呢？每个人在这个世界上都是独一无二的每个基因组序列都不可能是一样的(同卵双生？)你能回答下面的问题吗？同一环境下为什么有人感冒了而你安然无恙？同样的饮食营养为什么有人得动脉硬化了？同样的打击为什么有人疯了？那是因为，他们的基因有差异，序列不一样？修饰不一样？数目不一样？位置不一样？其实，就是老百姓说的“体质”不一样46—不同个体的基因组有差异中国人YH基因组序列与Watson和Venter序列的异同AllSNPsnon-synonymousSNPsgeneswithnon-synonymousSNPssynonymous同义的47未来医学研究的思维方式：单基因病几个基因病复杂性状疾病的遗传背景研究肿瘤心血管系统疾病糖尿病重要感染性疾病疾病易感性药物敏感性个体基因组与环境相互作用基因突变基因多态性表观遗传改变环境相互作用遗传背景参与分子易感因素疾病的诊断：评价疾病的存在状态预测疾病的转归及预后评判疾病在个体发生的风险性48—从碱基到病床基因组结构基因组生物学疾病生物学前瞻医学科学改善医疗保健1990-2003人类基因组计划2004-20102011-20202020以后—Nature,Feb10,201149—60年前我们无法想象通过操作遗传物质来认识生命的奥秘—今天我们也无法想象未来生命科学会出现怎样的巨变但我们知道：—分子生物学能带领我们去探索生命的奥秘50小结：主要内容：分子生物学的概念——中心法则，DNA分子生物学的发展历程—DNA双螺旋模板学说——分子生物学诞生—分子生物学快速发展——DNA操作，基因克隆分子生物学与医学发展—疾病与基因变异、异常开启或关闭有关—分子诊断与治疗方案选择有关51这门课需要准备的知识：普通生物化学遗传学简单病毒学和细菌学细胞生物学52自学内容：三种生物大分子的基本特性关键酶的功能基因表达原核细胞和真核细胞DNA结构、DNA复制、DNA重组DNA序列，基因组及其序列元件(element)DNA聚合酶，RNA聚合酶53Abriefreview：DNA结构特性：一级结构：

GATC四种核苷酸——3