走进生命科学的世纪.ppt

第一章走进生命科学 什么是生命科学 研究自然界所有生命现象和生命活动规律的科学 研究生命科学需要什么学科的支持 需要数学 物理 化学 信息科学等多学科的支持 第一节走进生命科学的世纪 生物学的发展简史 7000年前水稻的种植 5000年前猪的饲养 1400年前 齐民要术 人工杂交 400年前 本草纲目 分类 17世纪显微镜的发明 18世纪林奈创立 生物分类法则 19世纪施莱登和施旺的 细胞学说 达尔文的 物种起源 进化论 20世纪奥森和克里克DNA双螺旋结构分子模型 结晶牛胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸 我国的成就 个体水平 观察和描述 细胞水平 实验 分子水平 第一节走进生命科学的世纪 二十世纪生物学发展的两个领域 微观领域 宏观领域 分子水平的突破 分子生物学的确立 生态科学的确立 个体和群体 生物和环境 第一节走进生命科学的世纪 为什么21世纪被认为是生命科学的世纪 看一看 上世纪人类在各领域的投入 30 50年代各国在核能上竟相投入研究 50 70年代在航空 航天上竟相投入研究 80年代至今信息科技和生命科学逐渐成为龙头 生命科学能成为21世纪的龙头 其中数学 物理 化学 信息科学的发展 为揭开生命之迷提供了有利的条件 看一看 近年来生命科学研究的重大成果 人类基因组计划简介 人类基因组计划 HGP 是由美国科学家提出 1990年美国政府正式启动 总体计划在15年内投资30亿美元 进行人类全基因组30亿碱基对的排序分析 人类基因组计划得到了世界的广泛支持和行动 英国 法国 日本 德国和中国先后加入了人类基因组计划国际合作研究 2000年6月26日人类基因组草图完成 由美英日法德中六国参加的以及美国Celera公司独立开展的人类基因组计划取得重要进展 他们同时宣布绘制了人类基因组31亿碱基对中99 的草图 其中 美国完成54 我国科技工作者完成了其中 3号染色体中3000万个碱基对 的测序任务 并按期完成了 工作框架图 人类基因组研究的伟大意义 1 揭开生命的奥秘 生命的本质 生命的起源和进化 生物的生长发育 人类的生老病死 思维的本质等 2 引起一场深远的医学革命 包括预防医学 诊断医学 治疗医学等 从根本上改变传统医学的观念 从治疗医学到预防医学 3 促进生命科学和其它科学的交叉 融合 诞生一批新兴的分支学科 吸引更多的优秀人才加入到生命科学的领域 Bio X 4 极大推进生物技术的产业化进程 特别是生物医药产业的发展 干细胞的研究 干细胞具有自我更新能力和高度增殖以及多向分化的潜能 又称 万能细胞 按照其分化的潜能 可分为 Totipotent 全能性的 Pluripotent 多能性的 Multipotent 专能性的 干细胞的来源 来源于胚胎 胚胎干细胞ESC EmbryonicStemCell 胚胎性生殖细胞EGC EmbryonicGermCell 来源于成体 成年组织来源的干细胞ASC Adult derivedStemCell 体细胞核移植 SCNT 是得到多能性干细胞的另一种途径 干细胞有什么用呢 造血干细胞移植治疗白血病 造血干细胞移植是从60年代逐渐发展起来的一种医疗技术 最初是通过抽取供体骨髓而救治 使急性白血病的长期生存率提高到50 70 为发展此项技术作出重要贡献的美国医学家托马斯 E D Thomas 因此而获得了1990年度的诺贝尔医学奖 造血干细胞移植过程的示意图 HLA配型 供体造血干细胞的采集 患者超大剂量放化疗预处理 摧毁其免疫系统 供体造血干细胞输入患者体内 重建其免疫系统 美国科学家从尚未发病的糖尿病小鼠的胰岛管中分离出胰岛干细胞 并在体外诱导分化成能产生胰岛素的细胞 移植实验表明 接受移植的糖尿病鼠血糖浓度控制良好 而对照组小鼠则死于糖尿病 这为干细胞治疗糖尿病奠定了实验基础 胰岛干细胞移植治疗糖尿病 由胚胎干细胞来源的各种干细胞及其可能治疗的相关疾病 克隆动物 1997年 多利羊 在英国诞生 标志着高度分化的体细胞也能进行 无性繁殖 转基因动物 1997年 我国上海医学遗传研究所的科学家将整合有人凝血因子IX基因的胚胎转移到母羊子宫里 1998年成功地产出了转基因羊 开创了我国利用转基因动物大量地生产廉价珍贵药物的先河 从羊的血中可提取人的凝血因子IX 人体器官移植 早在三世纪时 人类就有器官移植的念头 人面狮身 一个神话般的想法 是如何成为事实的呢 这个化不可能为可能的主角人物就是凯瑞尔 AlexisCarrel 他克服了血管缝合技术上的难题 而梅德渥尔 PeterB Medawar 则揭开了排斥现象之谜 人体器官移植 一九三三年 乌克兰的医生渥若诺利用输血的血清定型方法 首次完成同种人体间的肾脏移植 可惜没有成功 一九四六年 哈佛大学哈纳格 休姆 兰斯特纳提出移植失败的原因是因为免疫反应的关系 一九五三年 法国医生麦肯和汉伯格则首次完成活体亲属间肾脏移植 这枚肾脏发挥功能达22天之久 一九五四年 哈佛大学梅瑞尔及穆睿为首的移植小组 则首次成功地完成同卵双生子间的肾脏移植 2005年11月 世界第一列 换脸 在法国成功 多器官多系统的整合 2006年4月 第二列 换脸 在中国成功 所换的体积比第一列更大 器官移植的供体严重缺乏 全国有500万盲人 其中400万可以通过角膜移植得到光明 美国人工培植膀胱 且移植成功 1996年 我国科学家利用组织工程学技术 世界第一个在裸鼠背上人工复制 人耳 近年来生命科学正在研究的问题 后基因组计划 生命解码的第二步 人类基因组草图的绘制只是生命揭密的第一步 HGP已经由结构基因组向功能基因组转化 HGP人类基因组草图本身并不代表生物医药本身 而功能基因组的研究将为研究基因功能 生命奥秘 新药筛选 疾病治疗和预防 基因克隆 基因诊断和基因治疗 提高人体健康水平奠定基础 转基因技术 带荧光的鼠和兔 不易变质的转基因番茄 转基组技术 杂交水稻之父 袁隆平改变育种方法 2000年5月开始实施 水稻基因组计划 并于2002年4月4日完成世界第一张籼稻全基因组框架序列图 我科学家发现谷类 大个子 基因 解放日报06年8月27日记者彭德倩报道 昨天从复旦大学传出信息 该校生命科学院研究人员在国际上首次发现可使谷类种子变成 大个子 的基因片断 位于开花基因FCA中名为RRM1的结构域 专家指出 RRM1基因片断带来大粒种子的奥秘是 它可使植株的所有细胞变大 基因治疗 60年代Lederberg设想基因治疗遗传病1980年 美国Cline主持了 地中海贫血的基因治疗 引发社会风波1980 1989年 美国Anderson为首的科学家争取社会和政府的支持理解 FDA和RAC制定了基因治疗审批管理方案1989年美国Rosenberg经FDA批准主持肿瘤患者标志基因转移临床试验 1990年 美国Culver Blease主持世界首例ADA缺乏症基因治疗临床试验 基因治疗研究现状 基因治疗从1989年进入临床试验以来 从相对禁锢到迅速发展 过热泛滥 反思降温 平稳发展 猛烈抨击 捷报频传等阶段 几经波折 充分体现了新生事物发展规律 但是 无论基因治疗发展坎坷如何 科学家坚信 基因治疗是一场医学革命 在21世纪将真正走向临床 为人类造福 基因治疗糖尿病 全世界糖尿病患者已超过1 2亿 糖尿病已成为仅次于心脑血管疾病和癌症的第三大死亡疾病的 甜蜜杀手 我国目前糖尿病患者的总数已达到3000万人 跃居世界第二位 2000年美国爱尔伯特大学的AnhonyT Cheung等人制备了K细胞特异表达胰岛素的转基因小鼠 注射 细胞特异毒剂STZ后 对照鼠7 10天内由于糖尿病而死亡 而转基因鼠直到3个月都没出现糖尿或高血糖 体重也没显著变化 韩国Yonsei大学的LeeHC等人采用LPK启动子调控胰岛素类似物 SIA 表达 SIA通过AAV途径转入STZ诱发糖尿病大鼠或者自身免疫性糖尿病NOD小鼠体内 糖尿病鼠的症状明显好转 血糖浓度得到控制 并且SIA的表达受血糖浓度调控 葡萄糖耐受实验也获得了一致的结果 也没有发现明显的毒副作用 糖尿病基因治疗的热潮将要兴起 2001年美国基因治疗年会已经有20余篇论文摘要 基因治疗身体创伤 基因治疗将来可能治疗运动员严重受伤的肌肉 骨折的大腿或膝盖 在动物实验中 基因治疗已成功的愈合了骨折的骨骼 而且使受伤的肌肉长得更加强壮 可以用来治疗目前技术无法治愈的严重受伤的关节和骨骼 韧带和肌腱 也有可能治疗如关节炎等关节疾病 基因治疗肥胖 台湾中研院李英惠利用 基因治疗来防止肥胖 可利用基因取代策略 把体内一个控制脂肪细胞发育因子取代成另一功能相似相互有别的因子 脂肪转变成高代谢活性的能量消耗 不影响人脂肪功能及正常代谢机能 这项基因治疗已在老鼠身上获得良好的效果 经过基因治疗者虽然美食保持苗条体型 该研究可望让人们吃得多 吃得好 不运动也不会增胖 其它治疗肥胖的策略 PCG 1 瘦素基因 能量代谢开关 脂肪吸收基因反义抑制 线粒体解偶联蛋白基因等 基因治疗侏儒症 Kagami证实用涎腺基因治疗其合成蛋白可投递到全身 将AdGH经尾静脉注入侏儒小鼠 血中生长激素升高 恢复到正常范围 侏儒小鼠生长发育明显改善 接近正常小鼠 对照组侏儒小鼠体重仅为治疗组的十分之一 动物实验已见很好的苗头 基因治疗肌肉老化 美国宾夕法尼亚州大学成功发明新的基因治疗法 能够防止老鼠的肌肉老化 使肌肉不致因年纪而失去力量和萎缩 人类到了五十岁以後 肌肉的功能会每十年退化10 IGF I蛋白质刺激肌肉生长 补充已损坏的肌肉细胞 利用基因治疗 使肌肉继续制造IGF I蛋白质 实验证实 老鼠经过基因治疗後 肌肉的功能增加百分之27 基因治疗成功范例 I ADA缺乏症基因治疗 ADA缺乏导致严重联合免疫缺乏症 没有免疫能力 1990年9月 一位四岁的ADA缺乏症女孩接受了首例基因治疗 患者注入10亿个遗传修饰的T淋巴细胞 约每月1次 连续1年 ADA水平从1 上升到20 淋巴细胞数量正常 免疫功能正常 1991年另一位9岁患者基因治疗也取得成功 他们从隔离病房走向了美好生活 美国 意大利 荷兰和日本等国先后开展了该病临床试验 世界首例基因治疗患者 基因治疗成功范例 II 血友病B基因治疗 血友病是一种由于人凝血因子缺陷导致的遗传性出血疾病 1991年 复旦大学遗传学研究所采用反转录病毒介导的自体皮肤成纤维细胞对2例血友病B患者进行了世界首次血友病基因治疗临床试验 患者体内凝血因子浓度和活性上升 出血症状减轻 取得了安全有限的结果 1999年美国UP和Avigen公司合作采用AAV途径进行了血友病B基因治疗 患者治疗后出血症状显著改善 基因治疗成功范例 III AdP53基因治疗肿瘤 P53基因突变与肿瘤发生发展高度相关 50 将正常P53基因导入肿瘤细胞 可以诱发肿瘤细胞凋亡 而对正常细胞无害 1995年进入临床试验以来 已经有600多名患者接受治疗 60 患者显示出安全有效 1999年进入临床III期试验 腺病毒P53基因治疗临床方案已经超过8个 而且治疗肿瘤范围扩大到其它肿瘤和转移癌 该方案可望获得世界上第一个基因治疗临床药证 我国该项基因治疗进入临床II期试验 基因治疗成功范例 IV HSV TK自杀基因治疗 利用肿瘤细胞对HSV TK基因 GCV的敏感性而自杀 并具备广泛的旁观者效应 这方面的基因治疗脑肿瘤开展较早 先后多种策略进入临床试验 取得了一定的疗效 并进入了临床III期试验 但是 由于RV的转移效率 GCV毒副作用等原因 推广有一定的困难 我国首例肿瘤基因治疗也采用此方法 基因治疗成功范例 IV 心血管基因治疗 VEGF165对于血管的生成具有重要作用 而一些心脑血管疾病由于血管堵塞 狭窄导致 可以采用该策略进行血管再生 旁路再通 使病人免受开刀搭桥之苦 美国已经有19项方案进入临床试验 300多人接受临床试验 60 的患者新血管生长 心肌血流灌注和室壁功能改善 大多数病人的心绞痛减轻 该项研究具有立竿见影的惊人效果 商业价值巨大 被称为21世纪初最激动人心和快速发展的进展之一 我国这方面的研究进入临床试验阶段 不幸的悲剧 基因治疗一人死亡 1999年10月美国宾州大学JMWilson在开展腺病毒OTC基因治疗肝脏遗传病时 一位亚利桑那州的十八岁的青年Gelsinger接受了高剂量治疗后死亡 FDA终止试验 媒体社会群起攻之 科学家保持沉默 内心呼吁理解 基因治疗前景 基因治疗是不是一场梦 环境保护任重而道远 环境保护任重而道远 保护地球生态系统的重点 保护生物多样性 近年来生命科学研究的未解之迷 脑科学 人类脑计划 认识脑保护脑创造脑 研究方向 1 在细胞和分子水平进一步推进对神经系统活动的认识 2 在脑的高级功能 如运动控制 学习和记忆 语言 情绪 意识等 的研究方面取得突破性进展 埃博拉病毒 该病毒在1976年首