医学分子生物学

医学分子生物学基础 MedicalBasicMoleculobiology 研究生物大分子结构 功能 相关联系 阐明生命现象本质 为人类认识生命现象带来前所未有的机会 为人类利用和改造生物创造了宽广的前景 第一节分子生物学进展与研究内容一 分子生物学发展简史 二个阶段 1 准备与酝酿阶段 19世纪后期 20世纪50年代初 1 PPT专业文档 认识生命现象的二大标志性突破 1 确定了蛋白质是生命的主要物质 19世纪末Bucher兄弟 酶是生物催化剂糖 发酵 洒精酵母 20世纪30 40年代 酶的本质是蛋白质 许多生命现象 生命代谢活动 与酶有关 可用纯酶或蛋白质在体外重复 2 确定生物遗传基础物质是DNA 1944年O T Avey证明肺炎球菌转化因子是DNA 1952年A D Hershey和M Chase进一步证明DNA是遗传物质 2 PPT专业文档 2 现代分子生物学的建立和发展 50 70年代 里程碑 1953年WatsonmRNA与DNA序列互补 认识到蛋白质是接受RNA的遗传信息而合成破译了RNA上编码合成蛋白质的遗传密码 认识了蛋白 3 PPT专业文档 质翻译过程中的基本过程 HIV HumanImmuno deficiencyVirus 属RNA病毒 是AIDS AcquiredImmuno deficiencySyndrom 病源二 分子生物学主要研究内容1 核酸的分子生物学 研究核酸的结构及功能 包括核酸 基因组的结构 遗传信息的复制 转录一翻译 核酸储存的信息修复与突变 基因表达调控和基因工程技术的发展等 2 蛋白质的分子生物学 研究执行各种生命功能的主要大分子 蛋白质的结构与功能 4 PPT专业文档 3 细胞信息转导的分子生物学研究细胞内 细胞间信息传递的分子基础 外源信号 细胞 转为一系列生物化学变化如蛋白质构象转变 蛋白质分子磷酸化 蛋白相互间的变化等 细胞增殖 分化 分泌 适应环境需要 研究的目标是阐明每一种信号转导与传递的途径 参与该途径的所有分子的作用和调节方式 各途径间的网络调控系统 5 PPT专业文档 第二节基因与基因工程一 基因与基因组 基因 1909年丹麦W L Johannsen 基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列 是遗传物质的最小功能单位 对于编码蛋白质结构基因来说 基因是决定一条多肽链的DNA功能片段 基因分子位于细胞核的染色体上 其通过复制把遗传信息传递给下一代 从而使后代表现出与亲代相似的性状 正常人体有23对染色体 长度总和约1600亿公里 其中的性染色体X Y是决定性别的 6 PPT专业文档 基因分三类 编码蛋白质基因 具有转录和翻译功能 只有转录功能但无翻译功能的基因 不转录基因 调控基因 基因组指细胞或生物体一条完整单体的全部染色体物质遗传物质的总和 包括全部基因与调控元件 具体来说 基因组主要指不同的DNA功能区域在整个DNA分子中的分布情况 即总体DNA核苷酸顺序 人类细胞基因组通常指包括X Y染色体在内的23对染色体中的所有基因 人类基因组计划 HumanGenomeProject HGP 旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列 发现所有 7 PPT专业文档 人类基因并搞清其在染色体上的位置 破译人类全部遗传信息 使人类第一次在分子水平上认识自我 HGP进展简况 1985年美国科学家提出 1990年正式启动30亿美元 1996年后基因组学 功能基因组学 蛋白组学 2006年5月展望 利用基因组全系列所提供的信息进行各种疾病的基因定位研究和治疗二 基因工程 基因工程能通过人的意志 对不同生物的遗传基因进行切割 拼接 和重组 再转入生物体内 产生出人们期望的产物 或创造出具有新遗传特征的生物类型 8 PPT专业文档 基因工程分5个步骤 下图 待插入的外源DNA 质粒载体 连接 重组体DNA 转化 宿主染色体 筛选 克隆 DNA重组体的构建与克隆示意图 9 PPT专业文档 1 获取符合要求的DNA片段 目的基因 2 用特异限切酶切割目的基因和载体DNA 3 重组DNA 将目的基因与质粒或病毒DNA连接 4 将重组DNA引入某种细胞 5 把能表达的目的基因受体细胞挑选出来 从20世纪80年代始 基因工程药品疫苗等产品广泛应用于医药领域 基因工程技术在农林牧渔等行业也大显身手 培育出许多高产质优抗性强的新品种 三 基因芯片 基因芯片概念 定义 基因芯片技术 是一种大规模集成的固相杂交 即在 10 PPT专业文档 固相支持物上原位合成寡核苷酸或直接将多种预先制备DNA探针以显微打印方式有序的固定于支持物表面 然后与标记的样品杂交 通过对杂交信号的检测分析 得出样品的遗传信息 基因序列与表达的信息 由于常用计算机硅芯片作因相支持物 所以称为DNA芯片 基因芯片的应用 生物医学 分子生物学基础研究 利用基因芯片技术可寻找基因与疾病 Ca 遗传病 传染病等 的相关性 进而发展相关药物 疫苗治疗 医学临床诊断 一旦弄清疾病与基因的相关性 基因芯片即可提供高效简便诊断 现代基因芯片诊断技术优势突显 11 PPT专业文档 基因诊断速度加快一般可在30min完成 检测效率高每次可同时检测上千个基因序列 基因诊断成本 自动化程度 由于是全封闭避免了交义感染假阳 阴性率 HGP的研究 基因芯片技术既是HGP研究成果的重要应用 又是促进人类基因组学 后基因组学 功能基因组学研究的崭新手段 开展基因表达活性和大规模的基因变异多态性研究时 就用定制的DNA芯片可同时监测千百个基因 甚至全部基因 12 PPT专业文档 第三节基因与疾病一 基因结构变异 基因突变的定义 基因突变是指 基因的核苷酸碱基或顺序发生改变 仅涉及DNA分子中单个碱基改变者称点突变 涉及多个碱基的不有缺失 重复 和插入等形式 基因突变的种类 4种 碱基置换突变 图6 2 P230 一个碱基被另一个碱基取代的突变称碱基置换突变 一个嘌呤 嘧啶 被另一个嘌呤 嘧啶 取代称转换 一个嘌呤 嘧啶 被另一个嘧啶 嘌呤 取代称颠换 13 PPT专业文档 碱基置换会导致蛋白质一级结构氨基酸组成的改变而影响蛋白质生物酶的功能 因碱基置换导致核苷酸顺序改变 对多肽链中氨基酸顺序的影响有下列几种类型 详见P229 231 同义突变 错义突变 无义突变 终止密码突变 抑制基因突变 2 移码突变指DNA链上插上或丢失1个 2个甚至多个碱基 但不是三联子密码子及其倍数 在读码时 由于原来的密码子移位 导致在插入或丢失碱基部位以后的编码子都发生了相应的改变 14 PPT专业文档 整码突变在DNA链的密码子之间插入或丢失一个或几个密码子 则合成的肽链将增加或减少一个或几个氨基酸 但插入或丢失部位的前后的氨基酸顺序不变 染色体错误配对不等交换染色体错误配对不等交换减数分裂期间 同源染色体间的同源部份发生联会和交换 如果联会时配对时不精确 会发生不等交换 造成一部分基因缺失和部分基因重复 15 PPT专业文档 二 癌基因和抑癌基因 一 癌基因 癌基因的定义 可在体外引起细胞转化 在体内引起癌瘤的一类基因称为癌基因 病毒中存在癌基因 统称病毒癌基因 各种动物细胞基因组中 普遍存在与病毒癌基因相似的序列统称为细胞癌基因 由于细胞癌基因在正常细胞中以非激活形式存在故又称为原癌基因 原癌基因的特点 广泛存在于生物界中 从酵母到人细胞普遍存在 16 PPT专业文档 在进化过程中 基因系列呈高度保守性 其作用通过其表达产物蛋白质来体现 它们的存在对正常细胞不仅无害 而且对维持正常生理功能 调控细胞生长和分化起重要作用 是细胞发育 组织再生 创伤愈合等所必需 在某些因素作用 如射线 化学物质等 下 原癌基因的结构和数量发生改变而被激活 癌C转化基因 常见的癌基因家族 P232 src家族 ras家族 myc家族 sis家族 myb家族 17 PPT专业文档 原癌基因激活的机制 详见P232 获得启动子与增强子 基因易位 染色体易位重排 原癌基因扩增 点突变 原癌基因的产物与功能 表6 1 P232 癌基因表达产物可按其在细胞信号传递系统中的作用分为4类 C外生长因子C外信号含生长因子 激素 N递质等 跨膜生长因子受体 信号传递因子 核内转录因子 18 PPT专业文档 二 抑癌基因 抑癌基因是一类抑制C过度生长 增殖 从而遏制肿瘤形成的基因 对于正常C 原癌基因和抑癌基因的协调表达是调控C生长的重要分子机制之一 两者相互制约维持相对稳定 原癌基因激活或过量表达 或抑癌基因的丢失或失活 均可导致肿瘤的发生 常见的抑癌基因 P234 表6 2 基因染色体定位相关肿瘤基因产物及功能RB13q14RB胃癌乳癌P105抑制生长WT11P13WT肺癌肝癌WT ZFPNF 117P12N纤维瘤 肉瘤 GAPp5317p13乳癌结肠癌p53控制生长 19 PPT专业文档 抑癌基因作用机理目前只对Rb 视网膜母C瘤基因 和P53基因的作用机理了解比较清楚 三 基因诊断 基因诊断的概念利用基因探针 PCR等技术直接探查基因的存在和缺陷 对人体疾病和状态作出判断 即称基因诊断 基因诊断的常用技术 核酸分子杂交 聚合酶链式反应 PCR 限制酶谱分析 DNA序列测定 单链构象多态性分析 20 PPT专业文档 基因诊断的途径和方法 异常基因的直接检测 间接的基因诊断 多态性连锁分析 四 基因治疗 基因治疗的概念 试图从基因水平调控C中缺陷基因的表达 或以正常基因矫正 代替缺陷的基因 以此治疗基因缺陷所致的遗传病 免疫缺陷 或治疗因癌基因激活 或抑癌基因失活所致的肿瘤 要实现基因治疗 须先了解该病在DNA水平上的发病机制 并能获得用于弥补缺陷基因的外源正常基因 目的基因