分子生物學(xué)在醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

分子生物學(xué)在醫(yī)學(xué)的應(yīng)用第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四1.分子生物學(xué)的概念2.分子生物學(xué)的內(nèi)容3.分子生物學(xué)的應(yīng)用4.寄語及參考文獻(xiàn)第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)（molecularbiology）在分子水平上研究生命的重要物質(zhì)的化學(xué)與物理結(jié)構(gòu)、生理功能及其結(jié)構(gòu)與功能的相關(guān)性，揭示復(fù)雜生命現(xiàn)象本質(zhì)的一門現(xiàn)代科學(xué)。廣義：研究生物化學(xué)中所涉及的一切生物組成成分及其各種物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、代謝過程及作用機制。狹義：偏重于生物大分子——核酸。第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)通過闡明生物大分子的三維結(jié)構(gòu)來解釋細(xì)胞的生理功能。1951年L.C.Pauling等提出α螺旋結(jié)構(gòu)描述了蛋白質(zhì)分子中肽鏈的一種構(gòu)象1955年F.Sanger完成了胰島素的氨基酸序列的測定1957、1959年J.C.Kendrew和M.F.Perutz闡明了鯨肌紅蛋白和馬血紅蛋白的立體結(jié)構(gòu)1965年中國科學(xué)家合成了有生物活性的胰島素1944年O.T.Avery等研究細(xì)菌中的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，證明了DNA是遺傳物質(zhì)1953年J.D.Watson和F.H.C.Crick提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)1961年F.Jacob和J.L.Monod提出了操縱子的概念第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

DNARNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯DNARNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)控第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四遺傳信息的傳遞規(guī)律復(fù)制：DNA→DNA，RNA→RNA轉(zhuǎn)錄：DNA→初始轉(zhuǎn)錄本mRNARNA加工：初始轉(zhuǎn)錄本mRNA→成熟的mRNA翻譯：成熟mRNA→多肽鏈（蛋白質(zhì)前體）逆轉(zhuǎn)錄：RNA→cDNA（互補DNA）→雙鏈DNA蛋白質(zhì)的調(diào)控作用？sRNA、ncRNA的作用？朊病毒的發(fā)現(xiàn)？第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四遺傳信息的傳遞規(guī)律中心法則中三類遺傳信息的傳遞順序一般特殊未知DNA→DNARNA→DNA蛋白質(zhì)→DNADNA→RNARNA→RNA蛋白質(zhì)→RNARNA→蛋白質(zhì)DNA→蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)→蛋白質(zhì)第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四基因、基因組和蛋白質(zhì)組基因組：單倍體細(xì)胞中的全套染色體或病毒粒子所含的全部DNA分子或RNA分子?；蚪M學(xué)：對所有基因進(jìn)行基因組作圖、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一門科學(xué)。蛋白質(zhì)組：全部基因表達(dá)的全部蛋白質(zhì)及其存在方式，是一個基因、一個細(xì)胞或組織所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)成分。蛋白質(zhì)組學(xué)：對不同時間和空間發(fā)揮功能的特定蛋白質(zhì)群體進(jìn)行研究，從蛋白質(zhì)水平上探索蛋白質(zhì)作用模式、功能機理、調(diào)節(jié)機制及蛋白質(zhì)群體內(nèi)相互作用。第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四基因的表達(dá)和調(diào)控組織特異性&階段特異性管家基因&奢侈基因誘導(dǎo)&阻遏開放&關(guān)閉第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四基因工程（應(yīng)用層面）轉(zhuǎn)基因技術(shù)基因治療基因診斷第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四史?？v覽1940年P(guān)auling發(fā)現(xiàn)鐮狀細(xì)胞貧血病的病因是血紅蛋白結(jié)構(gòu)改變所致。1956年Ingram發(fā)現(xiàn)珠蛋白第6位氨基酸由谷氨酸突變?yōu)槔i氨酸是鐮狀細(xì)胞貧血的致病原因。1959年JeromeLejeune等發(fā)現(xiàn)Down綜合征是由21號染色體三體突變引起的——第一個染色體病。1976年發(fā)現(xiàn)癌基因。1978年美籍華裔科學(xué)家簡悅威（KanYM）第一次利用DNA多態(tài)性與致病基因的關(guān)聯(lián)性，成功對鐮狀細(xì)胞貧血進(jìn)行了產(chǎn)前診斷。第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四史?？v覽1981年第一個轉(zhuǎn)基因（生長激素基因）小鼠構(gòu)建成功。1982年世界上第一個基因工程產(chǎn)品——人胰島素問世。1983年Huntington病的致病基因被定位于第4號染色體。1986年完成第一個人類致病基因的定位克隆。1987年第一張含400個RFLP標(biāo)志的人遺傳圖譜繪制完畢。1990年第一例真正意義上的基因治療：采用腺苷脫氨酶（ADA）基因治療ada基因缺陷引起的嚴(yán)重復(fù)合型免疫缺陷癥（SCID）的患者。1995年第一個病原微生物基因組測序——流感病毒。第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四揭示生命活動機制——決策在所有生物中：構(gòu)成生物大分子的單體都是相同的，它們具有共同的核酸語言和共同的蛋白質(zhì)語言生物體內(nèi)一切有機大分子的建成都遵循共同的規(guī)則生物大分子單體（核苷酸、氨基酸）組成和排列方式的不同是產(chǎn)生功能差異的基礎(chǔ)所以對正常生命活動機制的探索（尤其是對模式生物的研究）可以為我們在醫(yī)療決策中提供策略。第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四揭示生命活動機制——決策人類疾病的發(fā)生有多種多樣的原因，但歸結(jié)到分子生物學(xué)水平，人類的各種疾病都與某一個（些）基因有關(guān)：人體某種細(xì)胞內(nèi)的基因發(fā)生異常改變外源基因進(jìn)入體內(nèi)引起疾病疾病易感基因使機體對致病因素更為敏感當(dāng)然，除了基因水平的致病因素，在基因表達(dá)過程中出現(xiàn)的種種問題也是導(dǎo)致疾病的因素，目前看來，只有在分子水平對致病因素有了詳細(xì)的了解，才能從本質(zhì)上解釋疾病的發(fā)病機制。第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四揭示生命活動機制——決策對人類疾病機制探索的示例：囊腫性纖維化?。–F）圖：囊腫性纖維化病基因中引起病變的突變

圖例：★讀碼框內(nèi)缺失

☆剪切突變◆錯義突變●無義突變○移碼突變第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四揭示生命活動機制——決策對人類疾病機制探索的示例：囊腫性纖維化?。–F）第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四揭示生命活動機制——決策對人類疾病機制探索的示例：囊腫性纖維化?。–F）囊腫性纖維化病變基因產(chǎn)物，被稱為囊腫性纖維化病變跨膜介導(dǎo)調(diào)節(jié)因子（CFTR蛋白）形成通過組成呼吸道、胰、汗腺、腸和其他組織的細(xì)胞細(xì)胞膜的離子通道，并且調(diào)節(jié)鹽分和水分在那些細(xì)胞中的進(jìn)出，該蛋白工作不正常，鹽分在上皮細(xì)胞中聚集并導(dǎo)致黏液在這些細(xì)胞表面的累積。第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四揭示生命活動機制——決策對人類疾病機制探索的示例：囊腫性纖維化病（CF）策略：將正?；?qū)牖颊咭詮浹a缺陷蛋白實施：2002-2003年囊性纖維化基因治療一期臨床試驗利用“壓縮DNA”技術(shù)使外來DNA直接穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞通過鼻通道滴注生理鹽水導(dǎo)入正?；蛲ㄟ^鼻組織活檢檢測正常的cftr基因是否進(jìn)入患者細(xì)胞并產(chǎn)生足夠蛋白第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因工程用于藥物的生產(chǎn)基因工程：在體外將各種基因工程可打破種屬界來源的遺傳物質(zhì)插入病毒、細(xì)菌質(zhì)粒、噬菌體或其他載體分子，形成遺傳物質(zhì)的新組合，繼而通過轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)染使之摻入到原先沒有這類分子的宿主細(xì)胞內(nèi)，而能持續(xù)穩(wěn)定地繁殖。限，在原核生物中表達(dá)真核生物基因。第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因工程用于藥物的生產(chǎn)示例：利用大腸桿菌生產(chǎn)人類生長激素圖：構(gòu)建載體第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因工程用于藥物的生產(chǎn)示例：利用大腸桿菌生產(chǎn)人類生長激素位于hGH（E.coli.）第24個密碼子的HaeⅢ酶切位點被用來將一段編碼第1~23個氨基酸的合成DNA序列和一段編碼第24~191個氨基酸的部分cDNA序列融合在一起，以使得hGH編碼序列置于大腸桿菌調(diào)節(jié)元件的控制下。這部分之后被插入一個攜帶lac調(diào)節(jié)信號的質(zhì)粒中，通過轉(zhuǎn)化導(dǎo)入大腸桿菌。第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因診斷臨床表現(xiàn)第一類實驗室診斷技術(shù)第二類實驗室診斷技術(shù)第三類實驗室診斷技術(shù)以病人的癥狀和體征為診斷依據(jù)以細(xì)胞學(xué)檢查為主、根據(jù)疾病所導(dǎo)致的機體細(xì)胞形態(tài)或（和）數(shù)量的改變提供診斷依據(jù)通過分析生物化學(xué)代謝產(chǎn)物和酶的活性變化，為疾病的臨床診斷提供更多的信息以免疫學(xué)檢驗技術(shù)為主，通過識別特定蛋白質(zhì)分子的差異為疾病診斷提供依據(jù)第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因診斷以上診斷方法都是針對疾病的表型改變建立診斷指標(biāo)，而表型的改變常常是在疾病的中晚期才出現(xiàn)，很多情況下還不夠特異。從基因水平進(jìn)行疾病的診斷不僅可以在表型改變以前進(jìn)行早期診斷，更是對疾病進(jìn)行本質(zhì)的診斷?；蛟\斷：利用分子生物學(xué)技術(shù)，從DNA/RNA水平檢測基因的存在、分析基因的結(jié)構(gòu)變異和表達(dá)狀態(tài)，從而對疾病作出診斷→病因?qū)W診斷。第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因診斷案例：Beery夫婦和雙胞胎Noah（男）、Alexis（女）出生后：腹絞痛、嘔吐兩歲時：確診為腦癱五歲半：Alexis眼珠上翻，手無法正常下垂Noah一天24小時不斷嘔吐注：圖片非當(dāng)事者，僅供參考孩子們真是腦癱嗎？孩子們還有救嗎？第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因診斷案例：Beery夫婦和雙胞胎Noah（男）、Alexis（女）密歇根大學(xué)神經(jīng)學(xué)教授JohnFink診斷：多巴反應(yīng)性肌張力障礙治療：小劑量左旋多巴效果：癥狀顯著緩解好景不長！注：圖片非當(dāng)事者，僅供參考第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因診斷案例：Beery夫婦和雙胞胎Noah（男）、Alexis（女）貝勒醫(yī)學(xué)院人類基因組測序中心對雙胞胎及其哥哥、父母的基因組進(jìn)行測序研究結(jié)果：三個可能致病突變基因，其二未知，其一編碼墨蝶呤還原酶（SPR）；雙胞胎遺傳了這個基因的兩個變異副本，分別來自父親、母親。分析：SPR變異，破壞多巴胺、五羥色胺、去甲腎上腺素的產(chǎn)生途徑→患兒不僅缺乏多巴胺，而且缺乏五羥色胺治療：補充小劑量五羥色胺藥物第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因診斷應(yīng)用核酸分子雜交可進(jìn)行基因的特異識別和分析Southern印跡雜交Northern印跡雜交斑點雜交原位雜交夾心雜交PCR技術(shù)是基因診斷的一種基礎(chǔ)技術(shù)定時定量PCRAlu-PCR原位PCR多重PCR第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因診斷DNA序列測定是最直接、最準(zhǔn)確的基因診斷技術(shù)DNA芯片技術(shù)是應(yīng)用前景廣闊的基因診斷技術(shù)原理：核酸分子雜交將一系列預(yù)先設(shè)計好的核酸探針有序地、高密度地排列在固體支持物（玻璃、硅片、尼龍膜）上，制成DNA微陣列用熒光標(biāo)記的待測樣品（DNA、cDNA、RNA）與核酸探針雜交通過激光共聚焦熒光掃描系統(tǒng)檢測雜交信號強度經(jīng)過計算機綜合分析獲得基因序列信息或表達(dá)信息第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因診斷第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因診斷第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因治療生殖細(xì)胞治療體細(xì)胞治療第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因治療基因置換（基因矯正）：將特定的目的基因?qū)胩囟ǖ募?xì)胞，通過定位重組，以導(dǎo)入的正?；蛑脫Q基因組原有的缺陷基因。必要條件：對導(dǎo)入的基因及其產(chǎn)物有詳盡的了解；外來基因能有效地導(dǎo)入靶細(xì)胞；導(dǎo)入基因能在靶細(xì)胞中長期穩(wěn)定存在；導(dǎo)入基因能有適度水平的表達(dá)；基因?qū)氲姆椒八幂d體對宿主細(xì)胞安全無害。技術(shù)：基因同源重組（基因打靶）第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因治療基因添加（基因增補）：通過導(dǎo)入外源基因使靶細(xì)胞本身不表達(dá)的基因。類型：針對特定的缺陷基因?qū)肫湎鄳?yīng)的正常基因?qū)氚屑?xì)胞本來不表達(dá)的基因，利用其產(chǎn)物治療必要條件：對導(dǎo)入的基因及其產(chǎn)物有詳盡的了解；外來基因能有效地導(dǎo)入靶細(xì)胞；導(dǎo)入基因能在靶細(xì)胞中長期穩(wěn)定存在；導(dǎo)入基因能有適度水平的表達(dá)；基因?qū)氲姆椒八幂d體對宿主細(xì)胞安全無害。第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因治療基因干預(yù)：采用特定的方式抑制某個基因的表達(dá)，或者通過破壞某個基因的結(jié)構(gòu)而使之不能表達(dá)，以達(dá)到治療疾病的目的。方法：反義核酸、核酶等、干擾RNA技術(shù)等第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展——實施基因治療導(dǎo)入自殺基因：將“自殺