生物技术与人类健康课件

第8章生物技术与人类健康第8章生物技术与人类健康1Outline

人类疾病特征

人类疾病的诊断与治疗

人类基因组计划(HGP)

基因芯片生物工程制药Outline人类疾病特征2一.人类疾病特征1.遗传病

1902年英国医生加洛特(A.Garrod)从家族病史，发现并研究了第一例遗传病——尿黑酸症，并发现该病由单个隐性基因控制。

尤其难得是，加洛特预测，尿黑酸病病人缺乏一种酶（苯丙氨酸羟化酶），而正常人有，加洛特把这种遗传病症状称为“先天性代谢差错”。

后来的研究证明加洛特的预见是对的。

加洛特的工作推动了对一系列遗传病的发现。当时，对遗传病的认识是：

①由于某个基因的缺失、突变或异常，导致一定病症的出现。

②可以遗传给下一代子女。

③这类病的遗传遵循孟德尔规律。

一.人类疾病特征1.遗传病1902年英国3苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病4例如：某些儿童由于缺少苯丙氨酸羟化酶而产生严重的苯基酮尿症。这是因为苯丙氨酸羟化酶的缺乏，使苯丙氨酸正常的降解途径受阻，而改变为另一条降解途径，即苯丙氨酸与α-酮戊二酸发生转氨反应，产生苯丙酮酸。此物质积累在血液中，最后由尿排出体外。血液中过量的苯丙酮酸妨碍儿童大脑的正常发育．造成严重的智力迟钝。例如：某些儿童由于缺少苯丙氨酸羟化酶而产生严重的苯基酮尿症。5亦是苯丙氨酸代谢紊乱病症。但是疾病后果的严重程度远大于尿黑酸症。因为脑发育受阻，严重脑力呆滞，智商0～50。苯丙酮尿症(PKU)是苯丙氨酸代谢途径中又一种“遗传病”。也是常染色体隐性遗传。白化病亦是苯丙氨酸代谢紊乱病症。但是疾病后果的严重程度远6白化病白化病7

2、遗传病的类型和特征

迄今已记录的遗传病有

3000

多种，找到了200

多个与遗传病有关的基因。根据基因的位置与病症，把遗传病分为三类：2、遗传病的类型和特征

迄今已记录的遗8类型特征病例基因在常染色体(隐性)基因在常染色体(显性)基因在X染色体只有在父母均携带缺陷基因情况下，子女才可能表现病症。父母一方有病症，子女出现病症的概率为50％。

母/女常常是缺陷基因携带者。病症更多出现在儿子身上。苯丙酮尿症(PKU)

纤维性囊泡化(CF)镰刀状贫血症亨廷顿氏病家族性高胆固醇血症血友病

红绿色盲

肌营养不良症类型特征病例基因在常染色体(隐性)基因在常染色体(显性)基因9由于红血球不正常带来严重后果。

问题在于血红蛋白

-链一个谷氨酸残基变成了缬氨酸残基。镰刀状贫血症正常红血球镰刀状红血球由于红血球不正常带来严重后果。

问题10有意思的是在非洲大陆某些地区镰刀状贫血症发病率高，携带者也多。这些地区恰恰又是一种恶性疟疾流行地区。分析表明，镰刀状贫血症缺陷基因携带者比正常人对恶性疟疾有抗性。恶性疟疾流行地区镰刀状贫血病基因高频地区有意思的是在非洲大陆某些地区镰刀状贫血症发病率高，携11一个基因缺陷会导致多种症状一个基因缺陷会导致多种症状12

亨廷顿氏病

----是一种神经症状疾病，患者出现不由自主动作，渐渐记忆丧失，行为失常，直至行动失控、致死。

NancyWexler

领导的研究组在委内瑞拉西北一个小山村里进行调查并作出富有成效的研究。

最终找到缺陷基因位于4号染色体。此基因包含一段

CAG重复序列，相当于谷氨酸重复序列。正常基因含10－34

个CAG拷贝，病人含

40以上甚至100

个拷贝。亨廷顿氏病是第一个被发现的显性遗传病。

亨廷顿氏病

----是一种神经症状疾病，患者出现不由自主动13常染色体显性基因遗传病的家族遗传特征常染色体显性基因遗传病的家族遗传特征14显性遗传病裂手裂足(龙虾爪手)多指短指软骨发育不全正常的手指短指显性遗传病裂手裂足(龙虾爪手)正常的手指15

这种病的患者身体内，编码低密度脂蛋白(LDL)受体的基因突变。

LDL受体分布在细胞表面，功能是把血流中的

LDL

吸收到细胞中来。LDL受体蛋白失去功能，便形成高胆固醇血症，进一步造成动脉粥样硬化。家族性高胆固醇血症

LDL受体基因在19号染色体上。但属不完全显性。CC纯合子在初生婴儿中占1/106，在很小年纪就得心脏病。Cc杂合子孩子在初生婴儿中占1/500，在30岁左右出现心脏病症状。这是人类遗传病中最常见最严重的一种。这种病的患者身体内，编码低密度脂蛋白(LD16正常人轻度病症严重病症正常人轻度病症17正常血管动脉粥样硬化血管正常血管动脉粥样硬化血管18患者表现为血凝过程受阻，常常在有伤口时，出血不止。

血凝机制包括一系列蛋白水解酶活化过程的级联反应。涉及十个左右凝血因子。其中凝血因子

Ⅷ和Ⅸ位于Ⅹ－染色体上。血友病正是因为这两个因子之一的基因发生突变，所以血友病是基因位于X－染色体的隐性基因遗传病。血友病患者表现为血凝过程受阻，常常在有伤口时，出血19

血友病家族的一个著名的例子是英国维多利亚女王(1819－1901)家族。维多利亚女王身上的血友病缺陷基因—使凝血因子Ⅸ失活—通过皇族通婚，传递到普鲁士皇室，西班牙王室和俄罗斯王室。维多利亚女王家族谱系血友病家族的一个著名的例子是英国维多利亚女王(20英国维多利亚女王及其家族英国维多利亚女王及其家族21末代沙皇尼古拉二世家庭末代沙皇尼古拉二世家庭22(1)单基因遗传病的患者在人群中比例不高。

以上所说的遗传病都属于单基因遗传病。即病因明确地在于一对基因的突变或缺陷。单基因遗传病的发病率较低，几百分之一至几万分之一。染色体病

由于染色体畸变，包括染色体数目或结构改变所致的遗传病，称为染色体病。这种疾病已记录有500多种，其中，性染色体异常占75％，常染色体异常占25％。如：先天愚型病是因为有三条21号染色体所致。

3、遗传病对人类健康的影响到底有多大？

(1)单基因遗传病的患者在人群中比例不高。染色体病

23生物技术与人类健康ppt课件24先天愚型病患者有独特的面部特征先天愚型病患者有独特的面部特征25先天愚型病患者有三条21号染色体新生儿患病概率与母亲年龄有关先天愚型病患者新生儿患病概率与母亲年龄有关26经过良好的训练,唐氏综合症患者也能有幸福和丰富的生活。经过良好的训练,唐氏综合症患者也能有幸福和丰27有的病受几对基因控制，这类遗传病发病与否，不但取决遗传，也在很大程度上受环境影响。

相当一部分常见病或多发病，如：糖尿病、高血压、神经分裂症、支气管哮喘等，都属多基因遗传病。(2)多基因遗传病有的病受几对基因控制，这类遗传病发病与否，不28（3）随着医学的进步，对人类威胁很大或引起婴儿死亡率甚高的许多传染病，如：鼠疫、天花等已得到控制。代谢疾病，器质性疾病和遗传病对人类健康的影响相对的增长。加上，医学生物学研究的深入，使越来越多的代谢疾病和器质性疾病中遗传因素被揭示出来，归入多基因遗传病，所以遗传病对人类健康的威胁益凸现出来。在一些发达国家，婴儿死亡率中的50％归因于遗传病。我国每年出生1500万婴儿中，3％带有先天缺陷，其中80％与遗传病有关。（3）随着医学的进步，对人类威胁很大或引起婴儿死亡率甚高的许29因为有环境因素的影响，包括：饮食、妊娠、创伤、情绪等，于是，遗传的影响程度不一，被称为“遗传易感性”。疾病名称环境因素遗传率所起作用支气管哮喘较小

70%神经分裂症高血压中等

50-60%冠心病消化性溃疡较大〈40%成年性糖尿病一些常见病、多发病的遗传易感性因为有环境因素的影响，包括：饮食、妊娠、创伤30

感染(传染)病HIV病毒模式图SARS病毒真菌(霉菌和酵母)

霉菌

皮肤、指甲真菌感染

白假丝酵母鹅口疮

肺组织胞浆菌病细菌附在牙齿表面，产生酸，侵蚀牙齿的釉质而形成空洞。感染(传染)病HIV病毒模式图SARS病毒真311997香港禽流感1997香港：学龄儿童因患流感死亡；流感病毒血清型：H5N1，系禽流感；引起恐慌，全体鸡鸭遭灭顶之灾。1997香港禽流感1997香港：学龄儿童因患流感死亡；32正在火化病牛以防止“疯牛病”的传播正在火化病牛以防止“疯牛病”的传播33二.人类疾病的诊断与治疗1.现代分子诊断技术利用PCR技术或PCR与分子杂交标记相结合，可以快速准确地检测出病原性物质。二.人类疾病的诊断与治疗1.现代分子诊断技术利34检测寄生虫感染诊断方法比较方法优点缺点显微镜检查简单易行，可直接观察到寄生虫的形态速度慢、灵敏度低，对经验水平要求高、费时、费共，无法辨别形态相似的寄生虫体外培养、接种能检测到活的寄生虫，并可检测感染性和感染烈度速度慢，花费高，寄生虫可能难以进行体外培养，且必须用动物材料抗体检测简单、快速、能够实现自动化，可用于检测大量的样品无法区分活体与处于潜伏状态的寄生虫，有时会有非特异性反应DNA杂交及PCR快速灵敏，能够实现自动化，可分辨不同种的寄生虫，不需要从前有寄生虫感染病史花费高，步骤多，无法区分活体和死的寄生虫，有时会有假阳性和假阴性检测寄生虫感染诊断方法比较方法优点缺点显微镜检查简单易行，可35核酸杂交是DNA诊断分析方法的一种，其工作原理是两条DNA链之间通过碱基配对形成氢键；理论上讲，核酸杂交用来诊断疾病可用于对所有致病微生物的检测。将单链目的DNA结合在膜上加入探针DNA与目标分子共同孵育冲洗掉多余的未结合探针检测探针和目标DNA形成的杂合分子核酸杂交核酸杂交是DNA诊断分析方法的一种，其工作原理是两条DNA链36生物技术与人类健康ppt课件37生物技术与人类健康ppt课件382、限制性内切酶图谱多态性技术（RFLP）

基因突变后，使限制性内切酶切点改变，导致电泳条带的改变。

在RFLP实际操作中，还是要使用放射性探针。基因突变使得内切酶图谱改变2、限制性内切酶图谱多态性技术（RFLP）

基39下图酶切电泳放射性探针杂交图谱多态性下图酶切电泳放射性探针杂交图谱多态性40返回RFLP用于镰刀状贫血症基因检查正常有1150bp和200bp，突变后没有上述两条条带，多一条1350bp－珠蛋白基因返回RFLP正常有－珠蛋白基因41DNA指纹DNA指纹(DNAFingerprinting)指对待测样品中的DNA进行分析所得到的具有特征性的分子杂交图谱。DNA样本酶解为片段电泳放射自显影DNA

指纹DNA指纹DNA指纹(DNAFingerprinting)42DNA指纹的应用-司法鉴定DNA指纹带型图在法庭上可用于谋杀案取证DNA指纹的应用-司法鉴定DNA指纹带型图在法庭上可用于谋43被告血样受害者血样被告衣服上的血样DNA指纹的应用——司法鉴定被告血样受害者血样被告衣服上的血样DNA指纹的应用——司法鉴44√

×

DNA指纹的应用——亲子鉴定Myfather?√×DNA指纹的应用——亲子鉴定45返回RFLP用于亲子关系确认，电泳图谱中左侧：母亲中间：儿子右侧：父亲（？）返回RFLP用于亲子关系确认，电泳图谱中462.人类疾病的基因治疗遗传病的根治应该是基因治疗，但是基因治疗的难度很高。

1990年第一例基因治疗临床试验使腺苷酸脱氨酶(ADA)基因进入骨髓细胞，再送回病人体内，治疗严重综合免疫缺失症(SCID)获得初步效果。1990年，转基因T淋巴细胞注射到人体骨髓组织中治疗SCID。2.人类疾病的基因治疗遗传病的根治应该是基因47这个名叫David的男孩已近10岁了,他生下来就在隔离室中长大。【SCID患儿】这个名叫David的男孩已近10岁了,他生下来就在48找到致病基因；克隆得到大量与致病基因相应的正常基因；采取适当方法把正常基因放回到病人身体内去；进入体内的正常基因应正常表达。基因治疗的必要步骤：找到致病基因；基因治疗的必要步骤：49①克隆得到正常基因②以病毒DNA为载体③正常基因转入人体细胞④再转入病人身体①克隆得到正常基因②以病毒DNA为载体③正常基因转入人体细胞50目前，基因疗法的对象：基因病、肿瘤、心血管病、糖尿病、血友病、严重贫血、关节炎、爱滋病等15种以上疑难顽症；基因治疗人类遗传性疾病,仍在探索阶段。基因治疗是将正常的外源基因导入靶细胞中以弥补靶细胞所缺失或突变的基因、或抑制异常表达的基因。

1990年9月，美国FAD批准了用AIJA(腺昔脱氨酶)基因治疗严重联合型免疫缺陷病(一种单基因遗传病)，并取得了较满意的结果。

------标志着人类疾病基因治疗的开始。2.人类疾病的基因治疗目前，基因疗法的对象：基因治疗是将正常的外源基因导入靶细胞中51基因治疗的策略原位修复(基因修复)对有缺陷的基因在原来位置上进行修复，使该基因恢复正常。基因替代疗法治疗策略是切除发生缺陷的基因，再转入有功能的正常。基因增强将目的基因导入靶细胞，目的基因的表达产物可以补偿缺陷细胞的功能。基因抑制导入外源基因以抑制原有的基因，目的在于阻断有害基因的表达。基因治疗的策略原位修复(基因修复)52

1990年9月14日美国第一例临床基因治疗申请获得批准：国立卫生研究院NIH，重组DNA顾问委员会RAC。

SCID患者(severecombinedimmunodeficiency)：缺乏腺苷酸脱氨酶，ada基因缺失。将正常基因转入患者(4岁的女孩)淋巴细胞，再将改造细胞送回患者体内。基因治疗重症联合免疫缺陷病：1990年9月14日美国第一例临床基因治疗申请获53AshantideSilva,Now13,wasthefirstpatienttobetreatedwithgenetherapy.重症联合免疫缺陷的基因治疗

腺苷脱氨酶基因治疗(1990)AshantideSilva,Now13,was54有时，补充必要的酶也很起作用。纤维性囊泡化病(CF)是美国白色人种中较为常见的遗传病。病儿从肺、胰腺等处分泌粘液，阻碍呼吸、消化等功能。5岁前可能因呼吸阻碍致死。(2)蛋白质水平治疗CF病儿吸入基因工程法制备的DNA酶粉，症状大为改善。有时，补充必要的酶也很起作用。纤维性囊泡化病55三.人类基因组计划(HGP)February2001,TheHGPconsortiumpublishesitsworkingdraftinNature

(15February),andCelerapublishesitsdraftinScience(16February).什么是“人类基因组”？----指人体DNA分子所携带的全部遗传信息三.人类基因组计划(HGP)February56人体细胞的核型(SpectralKaryotype)“基因组(genome)”一词是1920年Winkles从GENes和chromosOMEs组成的。泛指一个细胞或一个生物体的全部遗传信息。在真核生物，基因组是指一套(单倍体)染色体DNA。

人体细胞的核型(SpectralKaryotype)“基57白宫的庆典2000-6-26,Venter(left)&Collins(right)1998年，Venter成立了Celera公司，参与竞争HGP。Collins为美国HGP首席科学家。白宫的庆典2000-6-26,Venter(left)58什么是“人类基因组计划”？、“人类基因组计划”的意义是有哪些？----人类基因组计划：基因组就是一个物种中所有基因的整体组成。----人类基因组有两层意义：遗传信息和遗传物质。要揭开生命的奥秘，就需要从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。人类是在“进化”历程上最高级的生物，对它的研究有助于认识自身、掌握生老病死规律、疾病的诊断和治疗、了解生命的起源。对于奠定21世纪医学、生物学发展的基础具有重要而深远的意义什么是“人类基因组计划”？、“人类基因组计划”的意义是有哪595、参与“人类基因组计划”的国家及我国参与的意义有哪些？

2000年6月26日宣布“人类基因组草图”绘制完成，现已绘制出“人类基因组精图”。①通过参与,分享了历时多年的类基因组计划积累的技术与资料。②建立了我国自己的基因大规模测序的全套技术及科学技术队伍。③大大促进了我国生命科学技术前沿领域的发展，为医药、农业等生物高技术的产业发展开辟了广阔的前景。……4、“人类基因组计划”的现状？5、参与“人类基因组计划”的国家及我国参与的意义有哪些？60人类的染色体组人类的染色体组61已完成测序工作的生物已完成测序工作的生物62疾病基因的发现

1990年美国科学家率先启动人类基因组计划（HGP），计划历时15年，至2005年完成；

2001年2月12日由Since和Nature杂志同时向世界宣布，人类基因组3X109bp的最新图谱，约含34万个基因；整个人类基因组的全部核苷酸序列不久即将完成。但要揭示人类4万个基因功能的任务将更为艰巨。疾病基因的发现63

人类基因组图谱的初步完成，不仅为全部基因的定位建立了一个开放框架，而且为分离、鉴定人类疾病相关基因提供了参照模板。如已知人类遗传性疾病约有3000种，推测可能是由于某些基因结构异常或基因位移等突变所致。如果利用分子生物学技术，将患者疾病基因与正常基因图谱作对照分析，必将有助于阐明遗传病的分子机制，这对遗传病的基因治疗将起到不可估量的推动作用。人类基因组图谱的初步完成，不仅为全部基因的定位64HGP将给人类带来的好处(1)将带动一场医学革命

用基因图谱看病

基因药物治病

基因检测预防隐患

基因治疗疾病(2)获取了操纵生命的工具

控制生命的孕育—优生优育

延长人的寿命

选择最佳生活环境(3)得以进行精确的个体鉴定

基因身份证

生物考古(4)将带来巨大的商机

生物制药

器官培植HGP将给人类带来的好处(1)将带动一场医学革命(2)获取了65

社会平等与基因歧视

科技进步与基因技术滥用

社会公正与基因成果利益的均等分配

技术的不确定性和基因安全HGP可能给人类带来的隐患社会平等与基因歧视HGP可能给人类带来的隐患66基因诊断(GeneDiagnosis)

通过从患者体内提取样本(DNA)用基因检测方法来判断患者是否有基因异常或携带病原微生物的方法，就是基因诊断。G到T一个碱基的改变，决定一个人的命运！小皓出生23个月就出现皮疹、便血等病状，患上了罕见的原发性免疫缺陷病。DNA序列分析，证实了小皓WAS蛋白基因的1388位核苷酸由G突变为T，使编码谷氨酸的密码GAG突变为终止密码TAG。WAS蛋白突变为无功能的WAS蛋白，导致患儿血小板减少，淋巴细胞形态和功能异常。希望：WAS目前已经可以用骨髓移植或干细胞移植根治。基因诊断(GeneDiagnosis)通过67传统与基因诊断的比较

传统的诊断望问

听

触——经验化验/检验——微生物、免疫学、生物化学、病理学等对细胞、组织、酶、代谢物等检测影像学—X线、B超、CT、核磁共振、内窥镜等特殊检查—肌电/脑电/心电、骨密度等基因诊断应用分子生物学方法：如PCR技术或PCR与分子杂交标记主要应用于先天遗传性疾患(苯丙酮尿症、血红蛋白病)后天基因突变引起的疾病(肿瘤、糖尿病)病原生物的侵入(流感、肝炎、艾滋病)个体识别、法医物证传统与基因诊断的比较传统的诊断基因诊断68生物芯片技术

生物芯片技术的一般原理生物芯片又称DNA芯片或基因芯片，它们是DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。1996年底，美国Affymetrix结合照相平板印刷、计算机、半导体、寡核苷酸合成、荧光标记、核酸探针分子杂交和激光共聚扫描等高新技术，研制创造了世界第一块DNA芯片。生物芯片技术生物芯片技术的一般原理生物芯片又称DNA芯片或69生物技术与人类健康ppt课件70生物芯片之所以成为全世界科学家孜孜以求的目标的原因——▲一个指甲大的地方就能建个实验室，医生可以一次同时测出多种病原微生物，在极短的时间内知道病人被哪种微生物感染，迅速医治；想知道胎儿是否患有遗传病，只要取少量羊水或几滴父母血液，同时鉴别的遗传病达数十种甚至数千种！▲这个缩微实验室名叫“生物芯片”。生物芯片之所以成为全世界科学家孜孜以求的目标的原因71基因芯片实验程序基因芯片实验程序72基因芯片实验程序基因芯片实验程序73DNA点阵DNA点阵74生物芯片技术的主要应用

1998年底，美国科学促进会将基因芯片技术列为1998年度自然科学领域十大进展之一。一些科学家把基因芯片称为“可以随身携带的微型实验室”。DNA芯片可用于大规模筛查基因突变所引起的疾病；

分析基因组及发现新基因等具有很大的优势；

DNA芯片技术用于基因组分析时，具有样品用量小、信息量大、分析方法简易快速、自动化程度高等多项优点，特别适合于寻找新基因、基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。

医学、化学、新药开发、司法鉴定、农业技术和食品技术领域也具有广泛的应用；生物芯片技术的主要应用1998年底75生物技术制药产业过程提供新药研发的方法、策略和目标基因、蛋白或其他代谢产物体外实验、动物模型的建立及动物模型的体内实验临床实验，通过相关管理部门的审查，市场营销基础研究从事新药发现生物技术公司制药公司生物技术制药产业过程提供新药研发的方法、策略和目标基因、蛋白76生物技术制药DrugR&D(新药开发)生物技术制药DrugR&D(新药开发)77人类基因序列生物信息学重组蛋白质表达高通量生物活性筛选功能研究药物靶标研究先导化合物筛选基因工程药物开发化学新药基因组药物开发流程蛋白质序列基因治疗人类基因序列生物信息学重组蛋白质高通量生物功能研究药物靶标先781976年第一家基因工程技术开发药物的公司建立；1982年第一个基因工程药物重组人胰岛素正式生产，推向市场2002年全球生物技术公司总数已达4284家，美国占34％。2004年基因重组生物技术药物的年销售额已经突破400亿美元；。2005年市场上的生物技术药物达到200种左右，而在研的药物为600种。全世界已有2.5亿人使用生物技术药物和疫苗。国外生物医药的发展1976年第一家基因工程技术开发药物的公司建立；国外生物医药79许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。如胰岛素长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！相当于1000Kg猪胰脏中提取的量。基因工程药品的生产许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，80从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA乳腺生物反应器:使外源基因在哺乳动物的乳腺组织(上皮细胞)中进行特异表达我们需要的蛋白产物；血液生物反应器细胞生物反应器已生产的药物：α-抗胰蛋白酶、抗凝血因子Ⅸ、tPA、凝血因子Ⅷ、白细胞介素22等。组织型纤溶酶原