医学]分子医学概论.ppt

周 俊 宜 周次 内 容 教 师 2分子医学概论分子医学概论, ,分子医学技术分子医学技术周俊周俊宜宜 副教授副教授 3干细胞与再生医学干细胞与再生医学项项 鹏鹏 副教授副教授 4细胞信号转导细胞信号转导: :基因调控与肿瘤基因调控与肿瘤黎孟黎孟枫枫 教教 授授 5蛋白质组学及其实验技术蛋白质组学及其实验技术黎明涛黎明涛 教教 授授 7细细 胞胞 凋凋 亡亡朱振朱振宇宇 教教 授授 8肿瘤转移的分子基础肿瘤转移的分子基础朱振宇朱振宇 教教 授授 9血管增生的平衡调节血管增生的平衡调节高国高国全全 教教 授授 10血管增生与疾病血管增生与疾病高国全高国全 教教 授授 课程考试 分分 子子 医医 学学 课课 程程 安安 排排 分子医学分子医学 生生 命命 螺螺 旋旋 19941994年年2 2月，美国国立卫生研究院月，美国国立卫生研究院 (NIH) NIH) 卡普卡普(Karp) , Karp) , 布罗德布罗德(BroderBroder) ) 癌研究癌研究 “分子医学的新方向分子医学的新方向 ” ” 19951995年年 , , 美国美国 分子医学分子医学杂志正式创刊杂志正式创刊 标志着标志着现代生物医学现代生物医学进入进入分子医学分子医学新阶段新阶段 从从基因的角度基因的角度重新认识疾病，运用基因技术预防和重新认识疾病，运用基因技术预防和 治疗疾病、鉴定身份，器官再造，运用基因技术防止治疗疾病、鉴定身份，器官再造，运用基因技术防止 新生儿疾病，培育新的动植物品种新生儿疾病，培育新的动植物品种 目前目前基因技术基因技术大多数尚待完善，前景却未可限量。大多数尚待完善，前景却未可限量。 随着基因技术日益深入、广泛地随着基因技术日益深入、广泛地干预生命干预生命，许多人，许多人 也产生了诸多忧虑，从也产生了诸多忧虑，从伦理、道德、法律、社会伦理、道德、法律、社会的角的角 度来重新审视基因技术的应用。度来重新审视基因技术的应用。 分子医学分子医学 分子医学的基本内容分子医学的基本内容: : 疾病的分子机理疾病的分子机理 疾病的基因诊断疾病的基因诊断 疾病的基因治疗疾病的基因治疗 疾病的基因预防疾病的基因预防 分子医学的社会、伦理问题分子医学的社会、伦理问题 分子医学与传统医学的主要不同在于前者对疾病分子医学与传统医学的主要不同在于前者对疾病 的认识和操作都是在的认识和操作都是在分子和基因分子和基因水平上进行的水平上进行的。 探索疾病的原因，是有效治疗疾病的前提。探索疾病的原因，是有效治疗疾病的前提。 目前，医学对某些还缺少有效的治疗方法，就是目前，医学对某些还缺少有效的治疗方法，就是 因为对病因缺乏深入的认识。因为对病因缺乏深入的认识。 基因科学的发展，为人类从基因科学的发展，为人类从细胞内部的微观生理细胞内部的微观生理 学和分子生物学水平上寻找病因学和分子生物学水平上寻找病因提供了新的思路。提供了新的思路。 1 1 疾病的分子机理疾病的分子机理 尿黑酸症尿黑酸症 尿液尿液 接触空气 黑色 常常染色体隐性遗传病染色体隐性遗传病 tyrosinetyrosine尿黑酸尿黑酸氧化分解氧化分解 尿黑酸尿黑酸氧化酶氧化酶 先天性缺乏先天性缺乏尿黑酸氧化酶基因尿黑酸氧化酶基因表达表达 19491949年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的红细胞为年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的红细胞为 镰刀形）与镰刀形）与血红蛋白结构异常血红蛋白结构异常相关。相关。 镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人HbHb ( (HbSHbS) ) 亚基亚基 N N- -valval hishis leuleu thrthr pro pro valval glu glu C C 肽链肽链 C CA AC C GGT TGG 基因基因 正常成人正常成人HbHb ( (HbAHbA) ) 亚基亚基 N N- -valval hishis leuleu thrthr pro pro gluglu glu glu C C 肽链肽链 CTC CTC GAGGAG 基因基因 正常血细胞 镰形红细胞镰形红细胞 英国女王维多利亚。她带有英国女王维多利亚。她带有血友病基因血友病基因，并将其传给了她的儿女。血友病是一种，并将其传给了她的儿女。血友病是一种 遗传性凝血障碍疾病，患者可能因很小的伤口而出血不止导致死亡。血友病在女性一遗传性凝血障碍疾病，患者可能因很小的伤口而出血不止导致死亡。血友病在女性一 般表现为隐性遗传，较少发病，但会传给后代；在男性则表现为显性遗传，显示出病般表现为隐性遗传，较少发病，但会传给后代；在男性则表现为显性遗传，显示出病 症。维多利亚女王在科堡主持的一次欧洲王室成员集会，与会者有症。维多利亚女王在科堡主持的一次欧洲王室成员集会，与会者有1717人是她的后裔，人是她的后裔， 其中有她的孙女亚历山德拉（其中有她的孙女亚历山德拉（2121），她同俄国沙皇尼古拉二世结婚，导致他们的儿子），她同俄国沙皇尼古拉二世结婚，导致他们的儿子 患有血友病。患有血友病。 血友病血友病 基基 因因 2 2 疾病的基因诊断疾病的基因诊断 从广义上讲，大多数疾病都可以从从广义上讲，大多数疾病都可以从遗传物质的变化遗传物质的变化中寻找出原中寻找出原 因。而从技术上看，只要找到了与疾病相关的基因，基因诊断便因。而从技术上看，只要找到了与疾病相关的基因，基因诊断便 立即可以实现。随着立即可以实现。随着“人类基因组计划人类基因组计划”的进程，将大大加快的进程，将大大加快疾疾 病相关基因病相关基因的发现与克隆，基因诊断将成为疾病诊断的常规方法的发现与克隆，基因诊断将成为疾病诊断的常规方法 。 单基因疾病的诊断：单基因疾病的诊断：一般可在临床症状出现之前作出诊断，不依一般可在临床症状出现之前作出诊断，不依 赖临床表型。赖临床表型。 有遗传倾向的疾病有遗传倾向的疾病：易感基因的筛查，如高血压，冠心病，肥胖易感基因的筛查，如高血压，冠心病，肥胖 等。等。 外源性病源体：外源性病源体：如病毒、细菌、寄生虫等引起的传染病。如病毒、细菌、寄生虫等引起的传染病。 美国前副总统汉弗莱美国前副总统汉弗莱 Humphrey)Humphrey) 在在19671967年发现膀胱内有一肿物，病理切片未发现癌细胞年发现膀胱内有一肿物，病理切片未发现癌细胞 良性良性“慢性增生性囊肿慢性增生性囊肿”，未进行手术治疗。，未进行手术治疗。 九年后，他被诊断为患有九年后，他被诊断为患有“膀胧癌膀胧癌”，两年后死于该病。，两年后死于该病。 19941994年，研究者用灵敏的年，研究者用灵敏的PCRPCR技术对上述汉弗莱技术对上述汉弗莱19671967 年的病理切片进行了年的病理切片进行了P53P53抑癌基因检查，发现那时的组抑癌基因检查，发现那时的组 织细胞虽然在形态上还没有表现出恶性变化，但其织细胞虽然在形态上还没有表现出恶性变化，但其P53P53 基因的第基因的第227227个密码个密码子子已经发生了一个核苷酸的突变。已经发生了一个核苷酸的突变。 就是这个基因的微小变化，使其抑癌功能受损，导致就是这个基因的微小变化，使其抑癌功能受损，导致 九年后细胞癌变的发生。这说明，在典型症状出现之九年后细胞癌变的发生。这说明，在典型症状出现之 前的很长时间，细胞癌变的信息已经在基因上表现出前的很长时间，细胞癌变的信息已经在基因上表现出 来了来了 P53P53抑癌基因抑癌基因 DNADNA指纹指纹 基因疗法，即是通过基因疗法，即是通过基因水平的操作基因水平的操作来治疗疾病来治疗疾病 的方法。目前的基因疗法是先从患者身上取出一些细的方法。目前的基因疗法是先从患者身上取出一些细 胞（如造血干细胞、纤维干细胞、肝细胞、癌细胞等胞（如造血干细胞、纤维干细胞、肝细胞、癌细胞等 ），然后利用对人体无害的病毒当载体，把正常的基），然后利用对人体无害的病毒当载体，把正常的基 因嫁接到病毒上，再用这些病毒去感染取出的人体细因嫁接到病毒上，再用这些病毒去感染取出的人体细 胞，让它们把正常基因插进细胞的染色体中，使人体胞，让它们把正常基因插进细胞的染色体中，使人体 细胞就可以细胞就可以“获得获得”正常的基因，以取代原有的异常正常的基因，以取代原有的异常 基因；接着把这些修复好的细胞培养、繁殖到一定的基因；接着把这些修复好的细胞培养、繁殖到一定的 数量后，送回患者体内，这些细胞就会发挥数量后，送回患者体内，这些细胞就会发挥“医生医生” 的功能，把疾病治好了。的功能，把疾病治好了。 3 3 疾病的基因治疗疾病的基因治疗 美国医学家WF安德森等人对腺甘脱氨 酶缺乏症（ADA缺乏症）的基因治疗，是 世界上第一个基因治疗成功的范例。 19901990年年9 9月月1414日，安德森对一例患日，安德森对一例患ADAADA缺乏症的缺乏症的4 4岁岁 女孩谢德尔进行基因治疗。这个女孩谢德尔进行基因治疗。这个4 4岁女孩由于遗传基因岁女孩由于遗传基因 有缺陷，自身不能生产有缺陷，自身不能生产ADAADA，先天性免疫功能不全，先天性免疫功能不全， 只能生活在无菌的隔离帐里。他们将含有这个女孩自只能生活在无菌的隔离帐里。他们将含有这个女孩自 己的白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中，这己的白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中，这 种白血球都已经过改造，有缺陷的基因已经被健康的种白血球都已经过改造，有缺陷的基因已经被健康的 基因所替代。在以后的基因所替代。在以后的1010个月内她又接受了个月内她又接受了7 7次这样的次这样的 治疗，同时也接受酶治疗。经治疗后，免疫功能日趋治疗，同时也接受酶治疗。经治疗后，免疫功能日趋 健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活。健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活。 谢德尔，1999 19901990年沃尔夫（年沃尔夫（WOffWOff）等发现，将带有甲型流感病毒等发现，将带有甲型流感病毒 核蛋白编码基因的质粒注射到小鼠肌肉内，可使小鼠能经核蛋白编码基因的质粒注射到小鼠肌肉内，可使小鼠能经 受致死剂量的甲型流感病毒的攻击。这种裸露的受致死剂量的甲型流感病毒的攻击。这种裸露的DNADNA通过通过 滴鼻和肠道也可以进人细胞，并获得成功的保护性免疫。滴鼻和肠道也可以进人细胞，并获得成功的保护性免疫。 这种具有疫苗作用的裸露这种具有疫苗作用的裸露DNADNA称之为称之为“基因疫苗基因疫苗”（gene gene vaccinevaccine）。）。 4 疾病的基因预防 基因疫苗的安全性极高，一是无直接副作用，二基因疫苗的安全性极高，一是无直接副作用，二 是无间接副作用，不存在对人体的毒性，机体耐受性是无间接副作用，不存在对人体的毒性，机体耐受性 好，输注疫苗不引起其它疾患。好，输注疫苗不引起其它疾患。19951995年年4 4月，经美国月，经美国 FDAFDA批准进行了首例应用基因疫苗的人体临床试验。批准进行了首例应用基因疫苗的人体临床试验。 因而，可以看到其实际应用已指日可待了。因而，可以看到其实际应用已指日可待了。 爱滋病基因疫苗爱滋病基因疫苗 时钟基因与抗衰老时钟基因与抗衰老 人类从公元人类从公元35003500年前就开始寻找长生不老药。老化的年前就开始寻找长生不老药。老化的 原因有多种因素，如蛋白质损伤、原因有多种因素，如蛋白质损伤、DNADNA损伤、细胞膜损伤损伤、细胞膜损伤 、细胞内积累废弃物、端粒缩短等。、细胞内积累废弃物、端粒缩短等。 提升寿命上限的目标可以通过多种方法实现，除了治 提升寿命上限的目标可以通过多种方法实现，除了治 疗疾病、均衡营养、减少环境污染、适量运动等方法外，疗疾病、均衡营养、减少环境污染、适量运动等方法外， 发掘控制衰老或长寿的基因成为最有潜力的途径之一。发掘控制衰老或长寿的基因成为最有潜力的途径之一。 “时钟基因时钟基因”： 破坏破坏“时钟时钟1 1基因基因”（clock 1 geneclock 1 gene）可使线虫的寿命延长可使线虫的寿命延长 1.51.5倍。科学家们发现，人类也有与时钟倍。科学家们发现，人类也有与时钟1 1基因大致相同的基因基因大致相同的基因 。 “年龄年龄1 1基因基因”（age 1age 1）、“daf-2”“daf-2”等受损会延长寿命的等受损会延长寿命的 基因。人类的基因。人类的DNADNA中原来就有负责化解活性氧毒性的基因，我们中原来就有负责化解活性氧毒性的基因，我们 也可以采取活化该基因的办法，以防止老化。也可以采取活化该基因的办法，以防止老化。 热量限制可以延长包括哺乳动物在内的许多物种动物的生命热量限制可以延长包括哺乳动物在内的许多物种动物的生命 周期。限制热量摄入而延长生命的现象与一种叫作周期。限制热量摄入而延长生命的现象与一种叫作SIR2SIR2基因基因有有 关。关。 “我还活着”基因一旦发生改变，就会使果蝇寿命延长一倍 。 人体内也存在这种基因，它是通过改变新陈代谢来发挥作用 的。 DNADNA缠绕成的染色体末端，有称做缠绕成的染色体末端，有称做端粒（ 端粒（telomeretelomere）的区域。的区域。 控制着细胞的分裂次数，端粒随着细胞分裂每次变短，短到某个控制着细胞的分裂次数，端粒随着细胞分裂每次变短，短到某个 程度，细胞将不再分裂。人的一生中，细胞大约能分裂程度，细胞将不再分裂。人的一生中，细胞大约能分裂50506060次次 。因此端粒是控制生理寿命的生物钟，而端粒长短就成为表示细。因此端粒是控制生理寿命的生物钟，而端粒长短就成为表示细 胞胞“年龄年龄”的指标。如果加入一种的指标。如果加入一种“端粒酶端粒酶”阻止它缩短，就可阻止它缩短，就可 使细胞保持年轻，人就像吃了使细胞保持年轻，人就像吃了“唐僧肉唐僧肉”一样实现长生不老的梦一样实现长生不老的梦 想。想。 分子医学与传统医学最根本的区别在于前者可分子医学与传统医学最根本的区别在于前者可在在基因基因 水平上对疾病进行操作水平上对疾病进行操作。对遗传物质操作可能引发的后果。对遗传物质操作可能引发的后果 一开始就是科学界和公众关注的问题。一开始就是科学界和公众关注的问题。 分子医学的社会、伦理问题分子医学的社会、伦理问题 利用基因工程技术生产预定的蛋白质分子被证明是无利用基因工程技术生产预定的蛋白质分子被证明是无 害可行的，因而在害可行的，因而在8080年代以来得到了迅速的发展，但将基年代以来得到了迅速的发展，但将基 因操作直接应用于人类疾病的治疗则与一般的基因工程不因操作直接应用于人类疾病的治疗则与一般的基因工程不 可同日而语。可同日而语。 分子医学技术分子医学技术 基因获取基因获取 基因检测基因检测 基因重组基因重组 基因表达基因表达 基因标记基因标记 基因探测基因探测 基因转移基因转移 基因信息基因信息 主要模式生物的基因组已经全部测序完毕；越来越多生物的基因主要模式生物的基因组已经全部测序完毕；越来越多生物的基因 组正在或已经完成测序。测序基因组之后组正在或已经完成测序。测序基因组之后功能基因组：基因功功能基因组：基因功 能分析，进化分析，比较基因组分析等能分析，进化分析，比较基因组分析等. . 分分 子子 文文 库库 基本策略基本策略 构建不同的文库；构建不同的文库； 基于核酸杂交的筛选基于核酸杂交的筛选; ; 基于抗原抗体反应的筛选。基于抗原抗体反应的筛选。 cDNAcDNA 文文 库库 EcoR I Genomic Library Infect cells AAAAAAAAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA AAAAAA cDNA synthesis Infect cellscDNA library 噬菌体展示技术噬菌体展示技术 丝状噬菌体基因丝状噬菌体基因 基因基因编码产编码产编码产编码产 物物功能功能 gIgIpIpI噬菌体装配噬菌体装配 gIIgIIpIIpII噬菌体基因噬菌体基因组组组组复制复制 gIIgIIpIIIpIII尾端外壳蛋白，与尾端外壳蛋白，与F F因子因子结结结结合合 gIVgIVpIVpIV噬菌体装配噬菌体装配 gVgVpVpV噬菌体基因噬菌体基因组组组组复制复制 gVIgVIpVIpVI外壳蛋白，末端外壳蛋白，末端“ “塞子塞子” ” gVIIgVIIpViIpViI外壳蛋白，高度疏水，外壳蛋白，高度疏水，组组组组装起始信号装起始信号 gVIIIgVIIIpVIIIpVIII主要外壳蛋白主要外壳蛋白 gIXgIXpIXpIX外壳蛋白，高度疏水，末端外壳蛋白，高度疏水，末端“ “塞子塞子” ” gXgXpXpXgIIIgIII启启动动动动子激活蛋白子激活蛋白 建 库 筛选 核糖体展示 无细胞翻译系统无细胞翻译系统 PCRPCR扩增的扩增的DNADNA文库文库 mRNA-mRNA-核糖体核糖体- -蛋白质蛋白质 固相化靶分子 体外展示系统 酵母双杂交系统酵母双杂交系统 Gene Binding Domain Activation Domain Reporter Gene Bait Protein Binding Domain Prey Protein Activation Domain The Two-Hybrid System 融 合 基 因 报 道 株 Reporter Gene Bait Protein Binding Domain Prey Protein Activation Domain 突突 变变 谱谱 The The SaccharomycesSaccharomyces Genome Deletion Project Genome Deletion Project 用同源重组方法将用同源重组方法将61316131个基因中的个基因中的59165916个基个基 因突变，获得相应的突变株（因突变，获得相应的突变株（Nature, 2002, Nature, 2002, 418: 387)418: 387)； KamathKamath(Nature, 2003, 421: 220)(Nature, 2003, 421: 220)利用利用 RNAiRNAi技术阻断了线虫技术阻断了线虫1975719757个基因中的个基因中的1675716757 基因；并分析了相应的表型；基因；并分析了相应的表型； RNAiRNAi技术技术 Dicer RNAiRNAi技术技术 siRNA 55 3355 33 Initiation Step Initiation Step RISC 2 2 RNA binding RNA binding proteinsproteins RNA/DNA RNA/DNA HelicaseHelicase Translation Initiation Translation Initiation FactorFactor RNA-Dependent RNA RNA-Dependent RNA Polymerase (RdRP)Polymerase (RdRP) Transmembrane Transmembrane ProteinProtein Initiation Step ATP ATP ADP + ppi ADP + ppi DICER KINASE RdRP Effector Step siRNA binding siRNA unwinding RISC activation RNAiRNAi 技术技术 Vectors expressing siRNAsVectors expressing siRNAs U6U6 H1H1 siRNAsiRNA Vectors expressing siRNAs U6 Sense sequence Anti-sense sequence Hair-pin loop Sense sequence Anti-sense sequence 表表 达达 谱谱 主要技术手段：主要技术手段：基因芯片基因芯片 Medium-density DNA microarray fluorescence images lDNA array with a distance of 400 um of center-to-center lSYBR stains ssDNA probe (Up) lCy5 (red) and Fluor X (Green) stain immobilized DNA probes (Right) Array Area: 0.6 cm x 0.3 cm 瓶颈问题瓶颈问题 相关基因的基础数据相关基因的基础数据 技术难题技术难题 信号检测灵敏度信号检测灵敏度 操作的简单化、自动化操作的简单化、自动化 质控体系质控体系 价格价格 转基因生物转基因生物 转基因生物是指用实验方法导入的外源基因转基因生物是指用实验方法导入的外源基因 在染色体基因组内稳定整和并能遗传给后代的一在染色体基因组内稳定整和并能遗传给后代的一 类动物。自从类动物。自从19821982年年PalmiterPalmiter等首次将大鼠生长激等首次将大鼠生长激 素基因导人小鼠受精卵雄性原核中，获得了个体素基因导人小鼠受精卵雄性原核中，获得了个体 比对照组大一倍的转基因比对照组大一倍的转基因“ “超级小鼠超级小鼠” ”以来，这项以来，这项 高新技术受到各国重视，发展迅速，取得不少突高新技术受到各国重视，发展迅速，取得不少突 破，全世界已申请的工程动物专利达到破，全世界已申请的工程动物专利达到8080多项。多项。 囊性纤维变性是一种遗传囊性纤维变性是一种遗传 病，患者体内会产生粘稠的病，患者体内会产生粘稠的 粘液，阻塞肺部、胰腺和消粘液，阻塞肺部、胰腺和消 化器官的内部通道，大约有化器官的内部通道，大约有 一半的患者活不过一半的患者活不过3131岁。英岁。英 国国PPTPPT公司培育了植入人体公司培育了植入人体 基因的克隆羊，羊奶中含有基因的克隆羊，羊奶中含有 能够治疗囊性纤