分子生物学在医学的应用

SunLikeFire 分子生物学 molecularbiology 在分子水平上研究生命的重要物质的化学与物理结构 生理功能及其结构与功能的相关性 揭示复杂生命现象本质的一门现代科学 广义 研究生物化学中所涉及的一切生物组成成分及其各种物质的分子结构 代谢过程及作用机制 狭义 偏重于生物大分子 核酸 结构分子生物学通过阐明生物大分子的三维结构来解释细胞的生理功能 1951年L C Pauling等提出 螺旋结构描述了蛋白质分子中肽链的一种构象1955年F Sanger完成了胰岛素的氨基酸序列的测定1957 1959年J C Kendrew和M F Perutz阐明了鲸肌红蛋白和马血红蛋白的立体结构1965年中国科学家合成了有生物活性的胰岛素1944年O T Avery等研究细菌中的转化现象 证明了DNA是遗传物质1953年J D Watson和F H C Crick提出了DNA的双螺旋结构1961年F Jacob和J L Monod提出了操纵子的概念 遗传信息的传递规律遗传物质的本质 DNA RNA 蛋白质 中心法则 经典or教条 直线中心法则三角形中心法则圆锥形中心法则 遗传信息的传递规律复制 DNA DNA RNA RNA转录 DNA 初始转录本mRNARNA加工 初始转录本mRNA 成熟的mRNA翻译 成熟mRNA 多肽链 蛋白质前体 逆转录 RNA cDNA 互补DNA 双链DNA蛋白质的调控作用 sRNA ncRNA的作用 朊病毒的发现 遗传信息的传递规律中心法则中三类遗传信息的传递顺序 基因 基因组和蛋白质组基因 DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列 基因编码蛋白质的基因只有转录功能而没有翻译功能的基因tRNA基因rRNA基因不转录的基因启动基因操纵基因断裂基因重叠基因假基因跳跃基因 基因 基因组和蛋白质组基因组 单倍体细胞中的全套染色体或病毒粒子所含的全部DNA分子或RNA分子 基因组学 对所有基因进行基因组作图 核苷酸序列分析 基因定位和基因功能分析的一门科学 蛋白质组 全部基因表达的全部蛋白质及其存在方式 是一个基因 一个细胞或组织所表达的全部蛋白质成分 蛋白质组学 对不同时间和空间发挥功能的特定蛋白质群体进行研究 从蛋白质水平上探索蛋白质作用模式 功能机理 调节机制及蛋白质群体内相互作用 基因的表达和调控组织特异性 阶段特异性管家基因 奢侈基因诱导 阻遏开放 关闭 基因工程 应用层面 转基因技术基因治疗基因诊断 史海纵览1940年Pauling发现镰状细胞贫血病的病因是血红蛋白结构改变所致 1956年Ingram发现珠蛋白第6位氨基酸由谷氨酸突变为缬氨酸是镰状细胞贫血的致病原因 1959年JeromeLejeune等发现Down综合征是由21号染色体三体突变引起的 第一个染色体病 1976年发现癌基因 1978年美籍华裔科学家简悦威 KanYM 第一次利用DNA多态性与致病基因的关联性 成功对镰状细胞贫血进行了产前诊断 史海纵览1981年第一个转基因 生长激素基因 小鼠构建成功 1982年世界上第一个基因工程产品 人胰岛素问世 1983年Huntington病的致病基因被定位于第4号染色体 1986年完成第一个人类致病基因的定位克隆 1987年第一张含400个RFLP标志的人遗传图谱绘制完毕 1990年第一例真正意义上的基因治疗 采用腺苷脱氨酶 ADA 基因治疗ada基因缺陷引起的严重复合型免疫缺陷症 SCID 的患者 1995年第一个病原微生物基因组测序 流感病毒 揭示生命活动机制 决策在所有生物中 构成生物大分子的单体都是相同的 它们具有共同的核酸语言和共同的蛋白质语言生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规则生物大分子单体 核苷酸 氨基酸 组成和排列方式的不同是产生功能差异的基础所以对正常生命活动机制的探索 尤其是对模式生物的研究 可以为我们在医疗决策中提供策略 揭示生命活动机制 决策分子生物学机制给我们带来的策略示例 蛋白质降解癌症治疗策略阻断蛋白降解通路 解救抗病蛋白促进疾病蛋白降解 粉碎致病元凶蛋白质互作 抑制促进鸠占鹊巢 设计抑制剂特异性地结合在蛋白质相互作用的界面 抑制 阻断 异常蛋白质的相互作用 对于逆转录病毒感染 肿瘤 神经退行性疾病等的进程具有重要作用 围魏救赵 抑制蛋白质相互作用的负调控因子 促进疾病中缺陷的蛋白质相互作用 揭示生命活动机制 决策人类疾病的发生有多种多样的原因 但归结到分子生物学水平 人类的各种疾病都与某一个 些 基因有关 人体某种细胞内的基因发生异常改变外源基因进入体内引起疾病疾病易感基因使机体对致病因素更为敏感当然 除了基因水平的致病因素 在基因表达过程中出现的种种问题也是导致疾病的因素 目前看来 只有在分子水平对致病因素有了详细的了解 才能从本质上解释疾病的发病机制 揭示生命活动机制 决策对人类疾病机制探索的示例 囊肿性纤维化病 CF 图 囊肿性纤维化病基因中引起病变的突变图例 读码框内缺失 剪切突变 错义突变 无义突变 移码突变 揭示生命活动机制 决策对人类疾病机制探索的示例 囊肿性纤维化病 CF 揭示生命活动机制 决策对人类疾病机制探索的示例 囊肿性纤维化病 CF 囊肿性纤维化病变基因产物 被称为囊肿性纤维化病变跨膜介导调节因子 CFTR蛋白 形成通过组成呼吸道 胰 汗腺 肠和其他组织的细胞细胞膜的离子通道 并且调节盐分和水分在那些细胞中的进出 该蛋白工作不正常 盐分在上皮细胞中聚集并导致黏液在这些细胞表面的累积 揭示生命活动机制 决策对人类疾病机制探索的示例 囊肿性纤维化病 CF 策略 将正常基因导入患者以弥补缺陷蛋白实施 2002 2003年囊性纤维化基因治疗一期临床试验利用 压缩DNA 技术使外来DNA直接穿透细胞膜进入细胞通过鼻通道滴注生理盐水导入正常基因通过鼻组织活检检测正常的cftr基因是否进入患者细胞并产生足够蛋白 分子生物学技术的发展 实施基因工程用于药物的生产基因工程 在体外将各种基因工程可打破种属界 来源的遗传物质插入病毒 细菌质粒 噬菌体或其他载体分子 形成遗传物质的新组合 继而通过转化或转染使之掺入到原先没有这类分子的宿主细胞内 而能持续稳定地繁殖 限 在原核生物中表达真核生物基因 分子生物学技术的发展 实施基因工程用于药物的生产示例 利用大肠杆菌生产人类生长激素 图 构建载体 分子生物学技术的发展 实施基因工程用于药物的生产示例 利用大肠杆菌生产人类生长激素位于hGH E coli 第24个密码子的Hae 酶切位点被用来将一段编码第1 23个氨基酸的合成DNA序列和一段编码第24 191个氨基酸的部分cDNA序列融合在一起 以使得hGH编码序列置于大肠杆菌调节元件的控制下 这部分之后被插入一个携带lac调节信号的质粒中 通过转化导入大肠杆菌 分子生物学技术的发展 实施基因诊断 分子生物学技术的发展 实施基因诊断以上诊断方法都是针对疾病的表型改变建立诊断指标 而表型的改变常常是在疾病的中晚期才出现 很多情况下还不够特异 从基因水平进行疾病的诊断不仅可以在表型改变以前进行早期诊断 更是对疾病进行本质的诊断 基因诊断 利用分子生物学技术 从DNA RNA水平检测基因的存在 分析基因的结构变异和表达状态 从而对疾病作出诊断 病因学诊断 分子生物学技术的发展 实施基因诊断案例 Beery夫妇和双胞胎Noah 男 Alexis 女 出生后 腹绞痛 呕吐两岁时 确诊为脑瘫五岁半 Alexis眼珠上翻 手无法正常下垂Noah一天24小时不断呕吐 注 图片非当事者 仅供参考 分子生物学技术的发展 实施基因诊断案例 Beery夫妇和双胞胎Noah 男 Alexis 女 密歇根大学神经学教授JohnFink诊断 多巴反应性肌张力障碍治疗 小剂量左旋多巴效果 症状显著缓解 注 图片非当事者 仅供参考 分子生物学技术的发展 实施基因诊断案例 Beery夫妇和双胞胎Noah 男 Alexis 女 贝勒医学院人类基因组测序中心对双胞胎及其哥哥 父母的基因组进行测序研究结果 三个可能致病突变基因 其二未知 其一编码墨蝶呤还原酶 SPR 双胞胎遗传了这个基因的两个变异副本 分别来自父亲 母亲 分析 SPR变异 破坏多巴胺 五羟色胺 去甲肾上腺素的产生途径 患儿不仅缺乏多巴胺 而且缺乏五羟色胺治疗 补充小剂量五羟色胺药物 分子生物学技术的发展 实施基因诊断应用核酸分子杂交可进行基因的特异识别和分析Southern印迹杂交Northern印迹杂交斑点杂交原位杂交夹心杂交PCR技术是基因诊断的一种基础技术定时定量PCRAlu PCR原位PCR多重PCR 分子生物学技术的发展 实施基因诊断DNA序列测定是最直接 最准确的基因诊断技术DNA芯片技术是应用前景广阔的基因诊断技术原理 核酸分子杂交将一系列预先设计好的核酸探针有序地 高密度地排列在固体支持物 玻璃 硅片 尼龙膜 上 制成DNA微阵列用荧光标记的待测样品 DNA cDNA RNA 与核酸探针杂交通过激光共聚焦荧光扫描系统检测杂交信号强度经过计算机综合分析获得基因序列信息或表达信息 分子生物学技术的发展 实施基因诊断 分子生物学技术的发展 实施基因诊断 分子生物学技术的发展 实施基因治疗生殖细胞治疗体细胞治疗 分子生物学技术的发展 实施基因治疗基因置换 基因矫正 将特定的目的基因导入特定的细胞 通过定位重组 以导入的正常基因置换基因组原有的缺陷基因 必要条件 对导入的基因及其产物有详尽的了解 外来基因能有效地导入靶细胞 导入基因能在靶细胞中长期稳定存在 导入基因能有适度水平的表达 基因导入的方法及所用载体对宿主细胞安全无害 技术 基因同源重组 基因打靶 分子生物学技术的发展 实施基因治疗基因添加 基因增补 通过导入外源基因使靶细胞本身不表达的基因 类型 针对特定的缺陷基因导入其相应的正常基因导入靶细胞本来不表达的基因 利用其产物治疗必要条件 对导入的基因及其产物有详尽的了解 外来基因能有效地导入靶细胞 导入基因能在靶细胞中长期稳定存在 导入基因能有适度水平的表达 基因导入的方法及所用载体对宿主细胞安全无害 分子生物学技术的发展 实施基因治疗基因干预 采用特定的方式抑制某个基因的表达 或者通过破坏某个基因的结构而使之不能表达 以达到治疗疾病的目的 方法 反义核酸 核酶等 干扰RNA技术等 分子生物学技术的发展 实施基因治疗导入自杀基因 将 自杀 基因转移入宿主细胞中 这种基因编码的酶能使无毒性的药物前体转化为细胞毒性代谢物 诱导靶细胞产生 自杀 效应 从而达到消除肿瘤细胞的目的 分子生物学技术的发展 实施基因治疗 实例 选修3现代生物科技专题 P23 分子生物学技术的发展 实施基因治疗表 适合于体细胞基因治疗的人类疾病 基因疗法似乎还需要很长的时间才能创造基因革命开始时所预见的奇迹 这个技术破解遗