分子生物学在医学的应用

分子生物学在医学的应用第一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五1.分子生物学的概念2.分子生物学的内容3.分子生物学的应用4.寄语及参考文献第二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学（molecularbiology）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。狭义：偏重于生物大分子——核酸。第三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五结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F.Sanger完成了胰岛素的氨基酸序列的测定1957、1959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年中国科学家合成了有生物活性的胰岛素1944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J.D.Watson和F.H.C.Crick提出了DNA的双螺旋结构1961年F.Jacob和J.L.Monod提出了操纵子的概念第四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五

DNARNA蛋白质转录翻译DNARNA蛋白质转录翻译逆转录调控调控第五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五遗传信息的传递规律复制：DNA→DNA，RNA→RNA转录：DNA→初始转录本mRNARNA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？第六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五遗传信息的传递规律中心法则中三类遗传信息的传递顺序一般特殊未知DNA→DNARNA→DNA蛋白质→DNADNA→RNARNA→RNA蛋白质→RNARNA→蛋白质DNA→蛋白质蛋白质→蛋白质第七页，共四十一页，编辑于2023年，星期五

第八页，共四十一页，编辑于2023年，星期五基因、基因组和蛋白质组基因组：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。基因组学：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。蛋白质组学：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。第九页，共四十一页，编辑于2023年，星期五基因的表达和调控组织特异性&阶段特异性管家基因&奢侈基因诱导&阻遏开放&关闭第十页，共四十一页，编辑于2023年，星期五基因工程（应用层面）转基因技术基因治疗基因诊断第十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五史海纵览1940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JeromeLejeune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年发现癌基因。1978年美籍华裔科学家简悦威（KanYM）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。第十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五史海纵览1981年第一个转基因（生长激素基因）小鼠构建成功。1982年世界上第一个基因工程产品——人胰岛素问世。1983年Huntington病的致病基因被定位于第4号染色体。1986年完成第一个人类致病基因的定位克隆。1987年第一张含400个RFLP标志的人遗传图谱绘制完毕。1990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年第一个病原微生物基因组测序——流感病毒。第十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五揭示生命活动机制——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。第十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五

第十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五揭示生命活动机制——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。第十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五揭示生命活动机制——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○移码突变第十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期五揭示生命活动机制——决策对人类疾病机制探索的示例：囊肿性纤维化病（CF）第十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期五揭示生命活动机制——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。第十九页，共四十一页，编辑于2023年，星期五揭示生命活动机制——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第二十页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因工程用于药物的生产基因工程：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。第二十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实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：构建载体第二十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实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。第二十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因诊断临床表现第一类实验室诊断技术第二类实验室诊断技术第三类实验室诊断技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第二十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实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。基因诊断：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→病因学诊断。第二十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因诊断案例：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？孩子们还有救吗？第二十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因诊断案例：Beery夫妇和双胞胎Noah（男）、Alexis（女）密歇根大学神经学教授JohnFink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！注：图片非当事者，仅供参考第二十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因诊断案例：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第二十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因诊断应用核酸分子杂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技术是基因诊断的一种基础技术定时定量PCRAlu-PCR原位PCR多重PCR第二十九页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因诊断DNA序列测定是最直接、最准确的基因诊断技术DNA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第三十页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因诊断第三十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因诊断第三十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因治疗生殖细胞治疗体细胞治疗第三十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因治疗基因置换（基因矫正）：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：对导入的基因及其产物有详尽的了解；外来基因能有效地导入靶细胞；导入基因能在靶细胞中长期稳定存在；导入基因能有适度水平的表达；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）第三十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因治疗基因添加（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：对导入的基因及其产物有详尽的了解；外来基因能有效地导入靶细胞；导入基因能在靶细胞中长期稳定存在；导入基因能有适度水平的表达；基因导入的方法及所用载体对宿主细胞安全无害。第三十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因治疗基因干预：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技术等第三十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子生物学技术的发展——实施基因治疗导入自杀基因：将“自杀