走进基因组医学时代ppt课件.ppt

走进基因组医学时代GenomicMedicine,专题讲座,人类科学史上的三大工程,人类基因组计划,曼哈顿原子计划,阿波罗登月计划,研究背景,1985年，美国能源部（DOE）率先提出，旨在阐明人类基因组DNA长达3109碱基对（basepair，bp）的序列。发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，从而在整体上破译人类遗传信息。,1986年美国宣布启动“人类基因组启动计划”。,1989年，美国国家卫生研究院（NIH）建立国家人类基因组研究中心（NCHGR）。,1990年，NIH和DOE联合提出美国人类基因组计划，正式启动HGP，计划于15年内提供30亿美元的资助，在2005年完成人类基因组全部序列的测定。,1999年12月1日，国际人类基因组计划联合研究小组宣布完整破译出人体第22对染色体的遗传密码，解读结果刊登在1999年12月2日的nature杂志上。,22号染色体的解读工作是由英国桑格中心伊安坦哈姆博士的研究小组、日本庆应大学医学院清水信义的研究小组、美国奥克拉荷马大学与华盛顿大学的研究小组共同完成的。,22号染色体：长臂约有3400万个碱基对短臂约1500万个碱基对共发现545个基因，134个假基因初步断定了22号染色体上与遗传病有关的一些基因,白内障,异染色体白质脑症,血氧酵素缺乏症,肺泡蛋白症,葡萄糖-半乳糖吸收不良,慢性/急性淋巴球白血病,我国科学家于年月日绘制完成“中国卷”，赢得了国际科学界的高度评价。,中国1999年9月加入这一国际协作组，成为参与这一计划的唯一发展中国家。我国承担的工作区域，位于人类号染色体短臂上。由于这一区域约占人类基因组的，因此简称为“项目”。,中国科学家担负了人类基因组计划，在数万个人类基因中，有142个基因是由中国科学家发现的。参加人类基因组计划的6国科学家对此次研究的贡献程度依次如下：,美国54，英国33，日本7，法国2.8，德国2.2，中国1。,2000年06月27日美国总统克林顿于当地时间26日上午10时在白宫举行的记者招待会上郑重宣布，由一批国际科学家组成的人类基因组研究计划已经完成人类基因组草图。英国首相布莱尔以卫星电视的形式参与了这个发布会。,克林顿在评价这一历经10年时间完成的科学成果的深远意义时说，“人们将世世代代记住这一天”。他感谢美国、英国、德国、日本、中国和法国的上千名科学家为取得将这一开辟新纪元的成果所作出的贡献。,这项人类基因组草图破解了人体97基因的遗传密码，并精确测定了其中85基因的碱基对排序。草图的完成将对认识、治疗和预防各种疾病产生划时代的影响。人类大大延长寿命也将成为可能。,但克林顿在讲话中也提醒人们，人类基因组草图不应被用来造成人们之间的分裂、歧视或对隐私的侵犯。,年月日，美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯柯林斯博士在华盛顿宣布，美、英、日、法、德和中国科学家经过年努力共同绘制完成了人类基因组序列图，,人类基因组计划所有目标全部实现。在人类揭示生命奥秘、认识自我的漫漫长路上迈出了重要的一步。意义：人类基因组是全人类的共同财富。国内外专家普遍认为，基因组序列图首次在分子层面上为人类提供了一份生命“说明书”，不仅奠定了人类认识自我的基石，推动了生命与医学科学的革命性进展，而且为全人类健康带来福音。,一、基因数量少得惊人。一些研究人员曾经预测人类约有14万个基因，但塞莱拉公司将人类基因总数定在2.6383万3.9114万个之间。如果最终确定出的基因数在这个范围内，比如3万个左右，那么，人类只比果蝇多大约1.3万个基因。塞莱拉公司的科学家测出的序列准确地覆盖了基因组的95%，并已经确定了所有基因的23，平均测序精度为99.96%。,六国科学家公布人类基因组细节研究成果,二、人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”。人类基因组序列中所谓的“荒漠”就是包含极少或根本不包含基因的部分，基因组上大约14的区域是长长的、没有基因的片段。基因密度在第17、第19和第22号染色体上最高，在X染色体、第4、第18号和Y染色体上相对贫瘠。,三、35.3%的基因组包含重复的序列。这意味着所有这些重复序列，即原来被认为的“垃圾DNA”应该被进一步研究。事实上，第19号染色体57%是重复的。除了重复片段，科学家还鉴定了210万个人与人之间不同的基因序列，这些序列被称为“单核苷酸多态性”，它们通常是无害的。四、地球上人与人之间99.99%的基因密码是相同的。研究发现，来自不同人种的人比来自同一人种的人在基因上更为相似。在整个基因组序列中，人与人之间的变异仅为万分之一。,挑战：年前发现双螺旋结构的资深科学家詹姆斯沃森指出，基因隐私和基因歧视是当前基因研究和应用领域面临的两个严重问题。,泛基因化现象基因兴奋剂的滥用基因武器中国人基因资源流失,冷泉港人类基因组完成图发布会,2003.5.282003.6.2,从这时起,生物学被重新划分为前基因组和后基因组两部分,我们正生活在后基因组时代。,按照已公布的人类基因组图谱，人与人之间99的基因相同，仅存在1的基因差异。遗传学家认为，正是这种极小的、被称为SNP的差异，导致了生命的多样性不同的种族、肤色、相貌，对各类疾病不同的敏感性，以及对药物的不同反应。,HapMap计划是继HGP完成测序之后的又一个国际合作项目，由美国、英国、加拿大、中国、日本和尼日利亚六国参加，于2002年10月启动。,国际人类基因组单体型图计划,单核苷酸多态性(SNP),单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphisms，SNPs）是指基因组DNA序列中由于单个核苷酸（A，G，C，T）插入、缺失、转换和颠换等而引起的多态性，而且任何一种等位基因在群体中的频率不小于1%。,自然界之所以没有完全相同的两个个体，就是由SNP造成的。在由30亿个碱基对构成的人类基因组中，平均1000个碱基对中就有1个差别存在（这1个碱基对的差异，也被称为SNP）。由此，我们可以算出，人类SNP的总数在300万个左右。,Singlenucleotidepolymorphism,SNPs特点：1）SNP作为一种碱基的替换，大多数为转换（C-T,A-G），也可能是颠换（C-A,C-G,A-T）。转换的发生率总是明显高于其它几种变异，而且在CpG序列上出现最为频繁，多是发生C-T的转换，原因是CpG中的C是甲基化的，它能自发的脱氨基而替换为胸腺嘧啶T。2）SNP大都表现为二等位基因（bialletic)多态性,即在该位置只存在两种不同的碱基。,CH,3）SNPs在基因组中具有高密度和高保守的特点，人类30亿个碱基中每千个碱基出现一次，初步估计在整个基因组共有300万以上SNPs。4）大多数SNPs位于基因组的非编码区，并且有些位于基因组编码区的SNPs所致编码序列的改变并不影响翻译后的氨基酸序列，这种SNPs对个体的表现型是无影响的。但是有的SNPs位于基因启动子中，导致基因转录活性的上升或下降，造成该蛋白的表达量上升或下降，进一步影响其生物学活性。有些位于蛋白质编码区的SNPs可能影响翻译后关键的功能基团的氨基酸序列，从而影响蛋白质的功能，最终导致对特定环境或病因的反应敏感性,SNPs是一种单核苷酸的变异，是第三代多态性遗传诊断标记，近几年被广泛应用于生物以及医学研究的诸多领域。自从1996年SNPs被正式定为第三代遗传标记以来筛查SNPs的方法得到很大的发展，进一步促进了对SNPs的研究继限制性酶切片断长度多态性即RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism）可变数重复序列即VNTR（variablenumberoftandemrepeat）微卫星多态性（microsatellitepolymorphism）,第一代多态性标记是RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism，限制性片段长度多态性）,第二代多态性标记是短的串联重复序列包括小卫星DNA和微卫星DNA，其多态性主要来自重复序列拷贝数的变化,小卫星DNA由15-65bp的基本单位串联重复而成，长度一般不超过20kb。重复次数（小卫星DNA区的长度）在人群中是高度变异的；按照孟德尔的规律遗传,微卫星DNA/简短串联重复（STR、STRP或SSLP）重复单元2-8bp，通常重复10-60次,CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC,SNP与RFLP和STR标记的主要不同之处在于，它不再以DNA片段的长度变化作为检测手段，而直接以序列变异作为标记,HapMap计划不再单以白人为样本，而将采样范围扩大至三大人群，分别是：亚裔（中国汉族、日本家系）黄种人、非洲（尼日利亚的约鲁巴人）黑人和欧洲血统的美国白人。其中，三大人群样本各占1/3，而中国将提供一半的亚裔样本，占样本总数的1/6。,科学家发现，SNP在人类基因序列上的分布并非杂乱无章，而是有规律可寻的。,比如，在长长的DNA链条上，数量不等的SNP总是喜欢“抱成团”，构成若干个距离不等的“街区”。而在每个“街区”之中，总是存在一个或几个举足轻重的“代表人物”。,这表明，人类300万个SNP中，并非每个都具有遗传意义。相反，它们中的大多数与个体差异无关紧要，只有少量的、关键的几个才与个体差异直接相关，它们代表着某一人群的遗传背景。,先天无虹膜家族成员的合影,在3年内完成对270个对象（代表了全球主要的种族和地区）的基因型分析。每个对象的基因型分析至少包括100万个SNP.比较这些基因型总数，将能发现几乎所有的常见单型，以其中50万个较常见的SNP（称为标签SNP，基本上代表了1000万个SNP）为对象绘制人类基因组的单型图。,HapMap目标:,用这些标签SNP来研究比较健康组和疾病组之间不同的单型频率，可以低成本、高速度地发现致病基因。,尽快建立人类基因组的单型图是加快研究许多与基因变异相关的严重疾病的重要工具，如癌症、心脏病、高血压、中风、糖尿病、哮喘、精神性疾病、老年痴呆等常见病都是由遗传因素（易感基因型）经环境因素诱导造成。,导致疾病的原因,内在因素（主要遗传因素）外在因素（环境因素）内在因素外在因素,由遗传因素决定的疾病环境因素决定的疾病由遗传因素与环境因素共同引起的疾病,人类疾病的分类,基因组医学是以人类基因组为基础的生命科学和临床医学的革命，它将对整个21世纪产生重大社会影响和重大经济效益。基因与医学的结合使得以基因序列为基础的疾病诊断技术和基因治疗技术将成为21世纪临床医学的核心。,2003年被称为是基因组医学的诞生日。,通过预测性遗传检查，基因组医学在诊断和预防方面的应用已经开始。基因治疗基因疫苗干细胞治疗,基因组医学的现状和未来,产前诊断（prenataldiagnosis）,有选择性地在怀孕早、中期对胎儿是否患有遗传病进行基因诊断，并提供终止或继续妊娠的选择。,主要对象是对某种遗传病具有高发风险或已有该病家属史的夫妇的胎儿。,产前诊断主要病种：常染色体显性遗传病强直性肌营养不良；成人多囊肾；Huntington病；I型神经纤维瘤；家族性乳腺癌常染色体隐性遗传病镰状细胞贫血；-、-地中海贫血；囊性纤维化（CF）；苯丙酮尿症；a1-抗胰蛋白酶缺乏症X连锁隐性遗传病甲型、乙型血友病；脆性X染色体综合症；Duchenne、Becker肌营养不良（DMD、BMD）,常染色体显性遗传病,常染色体隐性遗传病,X连锁隐性遗传病,活产新生儿群体筛查、早期诊断、及时治疗控制后果严重但可治可防的先天性、遗传性疾病防止或减轻体格和智力发育障碍避免痴呆、死亡等严重后果发生,新生儿筛查（neonatescreening）,新生儿筛查普遍地对活产新生儿进行遗传性、先天性疾病的筛查，以便及早诊断、治疗和预防。,目前主要新生儿筛查病种举例：,1苯丙酮尿症（phenylketonuria，PKU）发病率：约1/12000，常染色体隐性遗传病,发病机理：苯丙氨酸羟化酶缺陷血苯丙氨酸浓度发育中的大脑和神经系统受损害不可逆性智力低下或痴呆,筛查方法：细菌抑制法（BIA）测定血苯丙氨酸浓度防治方法：出生后36周内（不得迟于2个月）开始以低（无）苯丙酸奶粉喂养，即可防止智力低下或痴呆发生。,临床症状：神经系统受损。智力低下；头发色黄；尿中含过多的苯丙酮酸而有异味。,3半乳糖血症（galactosemia，GAL）发病率：约1/5700，常染色体隐性遗传。,发病机理：,半乳糖激酶缺陷半乳糖代谢紊乱不可逆白内障或智能障碍,半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶缺陷血中半乳糖和1-磷酸-半乳糖堆积脓毒症或肝硬化,筛查方法：检测血中半乳糖和1-磷酸-半乳糖含量（Paigen法）或半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶活性（Beutler法）。,防治方法：停止人奶或牛奶，改用大豆奶方,预测性遗传检查基因组医学在诊断和预防方面的应用已经开始。,在白人中发病率较高的肝血色病虽然可以治疗但发病时已出现肝硬化现象，甚至致命。发现携带有易感基因型的人群就可以通过避免食用含铁食物来预防。,有几个与DNA修复系统有关的基因突变与肠癌相关。携带这些易感基因型的人25岁开始每3年作一次肠镜，40岁开始每年作一次肠镜，甚至可以作预防性切除手术（接受率达70），这就使家族性肠癌的发病率下降了90。,乳腺癌也同样，虽然预防手术接受率只有50，但对于易感人群的常规检查已使发病率下降了70。,可以预测预防的例子还有凝血因子5和凝血因子2，携带有易感基因型的人群应避免口服避孕药和戒烟，以降低静脉血栓症的发病率。,早在19世纪中期（1846-1856），著名的病理学家魏尔啸就提出了静脉血栓形成的三大致病因素：血流滞缓，血液高凝及血管壁损伤。一.发病原因：1.血液淤滞状态；只要血小板与血管内膜接触机会增多，血小板就有可能沉积粘附在血管内膜上，构成血栓形成的核心。2.血液高凝状态；导致因素很多，像创伤，手术后，大面积烧伤，妊辰，长期口服避孕药等。3.静脉壁损伤；有机械损伤，化学损伤，感染性损伤等，当静脉壁损伤后所发生的各种改变，都可引起局部血小板粘附，聚集，纤维蛋白及血细胞沉积，最后形成血栓。,日本前列腺癌患者可能独有个单核苷酸多态性,在对日本余名前列腺癌患者进行全基因组分析后，研究人员发现，与前列腺癌发病相关的个单核苷酸多态性（）可能为日本人所独有。,由日本理化研究所和东京大学等机构组成的研究小组，对日本名前列腺癌患者和名健康人进行了全基因组对照分析。他们发现，在此前科研人员发现的与欧美人患前列腺癌相关的个单核苷酸多态性中，有个与日本人患该病有关，另外个则没有在日本患者身上发现。此外，研究人员还新发现了与日本人患前列腺癌有强烈关联的个单核苷酸多态性。,基因治疗指的是DNA水平上对异常基因进行修饰以达到纠正基因缺陷所导致的一系列病理生理的治疗。基因治疗包括基因修正、基因替换和基因增补。,基因修正指的是有缺陷的基因进行原位修复基因替换指的是用正常的外源基因来替换有缺陷的基因基因增补则不需要去除异常基因，而是另外转入与缺陷基因同源的有功能的基因来弥补功能缺陷,2.基因治疗GeneTherapy,单基因突变的基因治疗，可采用在原位修正有缺陷的基因或在基因组内插入一个功能基因的方法，实践中常采用后一方式。,目前基因的分离和克隆技术已经掌握，输入患者组织细胞可利用逆转录病毒。用剪切DNA的方法除去有害基因，得到基因治疗的安全载体。,目前只有皮肤细胞和骨髓细胞可接受该处理，而且能做到的治疗只是引入外源基因使其表达，以补充缺失的或失去正常功能的酶，而不能做到用正常基因去替换突变基因。加拿大科学家将胰岛细胞植入糖尿病患鼠的胰脏，取得了疗效。,基因治疗所采用的方式,归纳起来可分为“exvivo”与“invivo”两种。“exvivo”是指从病人身上取出特定的病变细胞，施以基因工程技术改造。比如取出血友病人的细胞，向其中加入血友病人缺乏的正常基因，再将经过“更新”的细胞移植入病人体内，从而起到治疗疾病的作用。但这种疗法必须具备的条件是：细胞不会受到排斥并能执行正常的功能，同时植入的细胞是安全的，不会无限制地增生而成为恶性细胞。“invivo”方式则是将治疗病人的基因经由遗传工程技术处理后，直接注射入病人身体内。（基因疫苗）,1990年美国国立卫生研究院（NIH）的BlaseRM和AndersonWF用ADA（腺苷酸脱氨酶）基因治愈一位由于ADA基因缺陷导致严重免疫缺损的4岁女孩的淋巴结内，完成世界上首例基因治疗试验。,基因治疗的临床应用,1994年，中国用导入人凝血因子IX基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者。,基因治疗的临床应用,重组人p53腺病毒注射液，成为世界上第一个获得正式批准的基因治疗药物。p53是科技界广泛研究并已获公认的一种抑癌基因,自从1990年美国国立卫生研究院批准第一例临床基因治疗申请以来，基因治疗的研究内容也从单基因的遗传病扩大到多基因的肿瘤、艾滋病、心血管病、神经系统疾病、自身免疫病和内分泌疾病等。,由5型腺病毒载体与人p53基因重组的肿瘤基因治疗制品。在正常组织中，P53蛋白的表达量很低，在受到DNA损伤等刺激时，P53蛋白表达量升高，发挥细胞增殖调控作用，抑制细胞分裂，诱导细胞凋亡；不同类型的肿瘤中，p53基因突变频率可高达5070%。高表达的P53蛋白质能有效刺激机体的特异性抗肿瘤免疫反应，局部注射可吸引T淋巴细胞等肿瘤杀伤性细胞聚集在瘤组织。,值得提出的是，无论哪一种基因治疗目前都处于初期的临床试验阶段，均没有稳定的疗效和完全的安全性，这是当前基因治疗的研究现状。可以说，在没有完全解释人类基因组的运转机制，充分了解基因调控机制和疾病的分子机理之前进行基因治疗是相当危险的。,基因治疗的临床应用,1999年9月份，一位18岁美国青年JesseGelsinger因一种在医学上称为鸟氨酸转氨甲酰酶不足症的罕见遗传性疾病而在美国宾夕法尼亚州大学人类基因治疗中心接受基因治疗时不幸死亡，成为被报道的首例死于基因治疗中的患者。,基因治疗在1999年经历了最痛苦的阶段。一位病情并不致命的志愿病人接受治疗后死于病毒载体诱发的自身免疫，美国当即下令暂停所有基因治疗的临床试验。同样，在对10位SCID(免疫缺乏症候群)的志愿病人成功地作了基因治疗后，其中两位病人却在三年内患白血病。这说明虽然在基因转移、表达等技术上过关了，但是还有许多问题需要研究。,基因治疗产品,3.基因疫苗：又名DNA疫苗，不含肽、蛋白质或病毒载体，仅由来源于病原体的一个抗原编码基因及作为其载体的质粒DNA组成。这段抗原编码基因可在体细胞中控制合成抗原蛋白，从而引起免疫反应。,基因疫苗前景更好，有望加入未来医疗实践的主流。基因疫苗是利用基因工程制作疫苗，它的优越性包括人体接受性好（无自身免疫）；既可作为免疫预防又可进行免疫治疗（免疫反应强，可同时激活抗体、细胞毒T细胞和T助细胞，据此已有许多癌症的基因疫苗治疗进入临床试验）；既能产生单克隆抗体也能产生多克隆抗体等。,单克隆抗体,多克隆抗体,疫苗的发展历程,灭活或减毒疫苗第一代疫苗,保护性抗原制成的疫苗第二代疫苗,核酸疫苗，重组质粒DNA，直接注入机体组织，诱导机体表达病毒蛋白质，发生免疫应答第三代疫苗,临床应用基因疫苗包括预防或治疗感染性疾病、癌症、自身免疫性疾病和过敏症等。目前，对乙肝、疟疾、流感、肺结核、癌症、艾滋病和SARS的基因疫苗正在研制中。甚至已将重组的乙肝病毒基因转入马铃薯中，类似的抗病原体的转基因植物也都在开发中。这些口服疫苗将对非洲贫困地区缺医少药的卫生防疫起到很大的作用。,又因为基因疫苗用的只是编码抗原的基因，所以载体本身无复制能力，不具逆转录病毒的致病性，也不存在整合入基因组的问题。,4.干细胞治疗很有前途随著人们对克隆争议的渐渐冷却，干细胞分化和治疗性克隆的研究已经显示了很大的发展势头。,1954年12月23日，美国波士顿医生约瑟夫梅里为一对孪生兄弟实施肾脏移植手术，代表着人类器官移植手术首次取得成功。50年以来，从肾脏、肝脏到心脏移植，医学界在器官移植技术领域不断取得突破，迄今挽救了10余万人的生命。,罗纳德（左）捐肾给哥哥理查德，一不留神名留青史,人类若想长寿，那么就一定要解决衰老引起的器官衰竭,现在器官移植的手术已经非常高超，去年的世界第一例人造心脏移植手术本身也是非常成功的。美国已有成千上万例的肾、肝移植者生存率超过510年，,而慢性排异仍然阻碍器官移植者长期生存，必须用大量的免疫抑制药物抗排异，但常引起感染或诱发心脏病致死。自体干细胞分化和治疗性克隆可能解决这个难题。,异体器官移植因为每个人对药物的反应都不一样，相信对于器官移植的排异反应强弱也与每个人不同的基因型有关。,通过药物基因组研究，外科医生就有可能了解每个病人最合适的免疫抑制药物种类和剂量，既使得人体不产生免疫排斥反应，又不至于将免疫力减低到会死于轻微感染。,令人振奋的进展体细胞重编程逆转为干细胞,若能够在其它的细胞组织中也找到可诱导分化的干细胞，那将来器官来源的途径就很多了自体干细胞器官克隆和移植也就很有潜力了,图为器官起动器。不含有干细胞(左)和含有干细胞的人工多聚物支架,5、个体化医疗将信息技术和基因组信息整合进入医学，对疾病既要进行预测和预防、也要做针对特定目标的治疗。如药物基因组已经发现了几十种基因型，包括对于感染性疾病的易感基因型和防御基因型；对癌症的易感基因型；对药物