《生物技术与医药》PPT课件.ppt

生物技术与人类健康 生物技术与疫苗生物技术与疾病诊断生物技术与生物制药生物技术与生物疗法人类基因组计划 1生物技术与疫苗 亚基疫苗肽疫苗活体重组疫苗多价疫苗流感DNA疫苗 狂犬病DNA疫苗 乙肝DNA疫苗 结核病DNA疫苗 疟疾DNA疫苗 乙肝疫苗 乙型肝炎是全球性传染病 我国患者和带毒者估计有1 2亿人之多 乙型肝炎病毒 HBV 基因工程从70年代末期开始 首先是用大肠肝菌表达系统 以后是酵母表达系统 进而发展到用哺乳动物表达系统表达HBV的抗原基因 HBV基因组长3 2kb 有4个基因 包括表面抗原 HBsAg 基因 核心抗原 HBcAg 基因和E抗原 HBeAg 基因 大肠杆菌表达的HBsAg不稳定 不能装备成22nm颗粒 免疫原性很低 酵母表达系统克服了大肠杆菌系统的缺点 1983年 Valenzuela用酵母生产出HBV疫苗 1984年Michal等用鼠卵细胞表达 产量达到15 g 106细胞 天 1984年日本用酵母工程茵生产 产量达到5x106个分子 细胞 美国基因工程公司用猴肾细胞表达也达到较高水平 80年代末期 新加坡用酵母生产的疫苗进行临床试验 效果达到97 我国的HBV基因工程工作自1983年开始 中国科学院上海生化所 中国预防医学科学院病毒所以及上海生物制品所等许多单位相继开展了HBV的序列测定 基因定位和分子克隆等基础工作 取得了很大进展 2生物技术与疾病诊断 运用基因工程设计制造的 DNA探针 检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷 不但准确而且迅速 通过基因工程给患有遗传病的人体内导入正常基因可 一次性 解除病人的疾苦 基因诊断 特异性强 灵敏度高 简便快速 遗传病 优生优育 传染病 包括HIV 常见病 糖尿病 动脉粥样硬化及精神分裂症等 的诊断 还应用于结核病 肝炎 传染病及恶性肿瘤的诊断及法医学鉴定 主要限制 造成疾病的基因突变多样性 妨碍针对所有疾病进行分子诊断试验的设计 基因诊断技术 PCR技术核酸探针杂交技术基因芯片 genechip 技术限制性片段长度多态性 RFLP 发展趋势 自动化 程序化 非标记技术 和 多病种 等特色 2 1HIV病毒的检测 2 2遗传性疾病的诊断 羊水和胎盘绒毛膜检测 2 3血红蛋白分子病 分子病 由于基因突变导致蛋白质一级结构突变 使蛋白质功能下降或丧失 而产生的疾病被称为分子病 分子病是可以遗传的 血红蛋白分子病 或 链发生了变化 如镰刀状细胞贫血病 缺少 或 链 如 和 地中海贫血病 2 3 1镰刀状细胞贫血病 sickle cellanemia 一种常染色体退化遗传病 患者的异常血红蛋白 HbS 与正常人的血红蛋白 HbA 相比 仅仅是 亚基 链 第6位的氨基酸残基不同 病因 基因的点突变 GAA GTA G1u R侧链是带负电荷的亲水基团 Val R侧链是不带电荷的疏水基团 取代使原来血红蛋白分子表面的电荷发生了改变 等电点改变 溶解度降低 产生纤维沉淀 从而压迫细胞质膜 使扁圆形的红细胞变成镰刀形 不易通过毛细血管 运输氧的功能下降 导致组织缺血受伤 严重的可以致死 正常 三条带患病 一条带子女1 正常子女2 患病子女3 携带者 基因的点突变丢失MstII或Cvnl限制性酶位点 镰刀型红细胞贫血症的检测 2 3 2地中海贫血病病因 缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因 所有基因都可能存在 但一个或多个基因发生无义突变 结果产生缩短了的蛋白链 或发生移码突变 致使合成的链含不正确的氨基酸序列 所有基因都可能存在 但突变发生在编码区之外 导致转录被阻断或前体mRNA的不正确加工 种类 地中海贫血 地中海贫血 特异性互补寡核苷酸法检测 地中海贫血症 1 提取DNA 热处理成为单链DNA 2 以单链DNA为模板 仅对可能发生突变的核苷酸区域设计引物进行PCR扩增后转移到滤膜上 热变性成单链 3 分别用两种特异性互补寡核苷酸分子探针 ASO 杂交 正常与正常杂交 突变与突变杂交 3生物技术与生物制药 3 1抗生素及其他天然药物3 2基因工程药物 稀少珍贵的蛋白质药物 1982年 美国食品与药物管理局批准了首例基因工程产品 人胰岛素投放市场 它标志了基因工程产品正式进入到商业化阶段 人生长激素 表皮生长因子 肿瘤坏死因子 a 干扰素 纤维素酶 抗血友病因子 红细胞生成素 尿激酶原 白细胞介素 2 集落刺激因子等等 基因工程药物 胰岛素 胰岛素是治疗糖尿病的特效药 目前世界上大约有6 000万人患糖尿病 其中约有400万人使用胰岛素治疗 从猪 牛等动物的胰腺中提取 100Kg胰腺只能提取4 5g的胰岛素 一位患者一年需要40头牛或50头猪的胰脏 产量低 价格高 胰岛素分子结构 1978年美国哈佛大学的Gilbert等把老鼠胰岛素基因与大肠杆菌的一个基因连接 转化大肠杆菌 生产出了胰岛素 这是基因工程的又一重大突破 美国的基因工程胰岛素己在1982年投放市场 1985年 日本也获得成功并投放市场 据报导 加拿大用大肠杆菌生产胰岛素 产量达到100mg L 也就是说 100升培养液中获得的胰岛素就相当于一吨猪羊胰腺的提取量 将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌 每2000L培养液就能产生100g胰岛素 价格降低了30 50 胰岛素生产车间 干扰素 在上世纪五十年代 日本的长野泰一博士发现了细胞能产生抑制病毒增殖的因子 并将该物质取名为病毒抑制因子 随后 英国学者把它命名为干扰素 interferon 人在受病毒浸染而得病时 体内的细胞产生干扰素 干扰素的作用 防止病毒侵染其他细胞 干扰素是治疗病毒性肝炎和肿瘤的药物 以前主要从人血中提取或用病毒感染诱导人血白细胞生产 估计 约需1200升人血才能提取2 5 108单位的干扰素 治疗一个肝炎病人需2 3万美元 价格之高 尤如奇珍异宝 H Boyer 美国加州大学生化教授 美国基因工程公司董事长 1977年 他首次用细菌合成生长激素释放抑制素 是基因工程第一块金牌的获得者 1980年他又与华盛顿大学的学者合作 用酵母生产了人干扰素 他筹建了美国基因工程公司 是基因工程研究中的权威科学家 W Gilbert 美国哈佛大学教授 1980年他与瑞士苏黎世大学和生物基因公司教授Weissmann合作 用细菌生产了人干扰素 W Gilbert也是测定DNA序列的化学直读法创始人 由于他对科学的巨大贡献 获1980年诺贝尔奖 1983年 美国Summers等用杆状病毒作载体 昆虫细胞作受体表达人的 干扰素基因 每106个细胞能生产干扰素5x106单位 并且95 分泌至细胞外 1985年 美国加州大学Maeda用杆状病毒作载体 家蚕作表达系统 合成 干扰素 产量为50 g 条蚕 80年代 我国预防医学科学院病毒所用大肠杆菌表达出 干扰素 并已投放市场 干扰素治疗病毒感染简直是 万能灵药 从人血中提取 300L血才提取1mg 干扰素生产车间 干扰素分子结构 基因工程人干扰素 2 安达芬 是我国第一个全国产化基因工程人干扰素 具有抗病毒 抑制肿瘤细胞增生 调节人体免疫功能的作用 广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗 是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物 其它基因工程药物 人造血液 白细胞介素等通过基因工程实现工业化生产 均为解除人类的病苦 提高人类的健康水平发挥了重大的作用 人造血液及其生产 4 1基因治疗 概念 利用基因工程技术治疗人类遗传性疾病 正常的人类基因可以克隆并引入遗传病患者的体细胞 以替代 修复或纠正有缺陷的基因 4生物技术与生物疗法 基因治疗 基因替代 genereplacement 基因修正 genecorrection 基因增强 geneaugmentation 基因抑制 geneconstraint 和 或基因失活 geneinactivation 反义疗法 严重型联合型免疫缺陷症 SCID 病因 细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶 ADA 的基因 ada 发生了突变 是免疫系统的T淋巴细胞和B淋巴细胞功能先天性缺乏的一种遗传病 气泡儿童 SCID患者生存在无菌环境中 使用一种反转录病毒作为基因治疗的转移系统 重组载体可以感染人的组织和细胞 但不自我复制 1990年 转基因T淋巴细胞注射到人体骨髓组织中治疗SCID 半乳糖血症病人的基因治疗 病因 由于细胞内缺少基因G 不能产生半乳糖 1 磷酸 尿苷酰转换酶 以致大量半乳糖 1 磷酸和半乳糖堆积在肝组织中 这些半乳糖可转变为酒精 因而造成肝脏损害 临床表现 小结节性肝硬化 呕吐 腹泻 营养不良 黄疸 腹水 白内障 智力发育迟钝 半乳糖血症 半乳糖尿 氨基酸尿等 人们把大肠杆菌 一般内含G基因 能产生半乳糖酶的脱氧核糖核酸片段提取出来 让噬菌体作为运载体带入病人的细胞内 病人细胞便开始产生半乳糖酶 这样 原来不能利用半乳糖的细胞便恢复了对半乳糖的正常代谢 如果再将这种已经治愈的细胞用人工的方法移植到人体器官内 使之成为人体的正常部分 那么这种病就从根本上治愈了 而且由于病人细胞内脱氧核糖核酸的缺陷部分得了纠正 这种病也就不会再遗传给下一代了 基因治疗希望与局限 1 基因治疗癌症未获进展 2 仅限于治疗少数疾病 费用昂贵 3 导入人体的目的基因表达水平 4 获得长期表达效果难 4 2干细胞的利用 干细胞工程 我国研究人员正在制备用于治疗的细胞 来源于干细胞的组织可能用于治疗的疾病 细胞类型治疗的疾病神经细胞中风 帕金森氏病 老年痴呆症 脊髓损伤 多发性硬化病心肌细胞心脏病发作 充血性心脏病产生胰岛素的细胞糖尿病软骨细胞骨性关节炎血细胞癌症 免疫缺乏症 遗传学血液病 白血病肝细胞肝炎 肝硬化皮肤细胞烧伤骨细胞骨质疏松症视网 眼 细胞黄斑症骨骼肌细胞肌肉萎缩症 5人类基因组计划 基因组 genome 是一个单倍体细胞内基因的总和 它分为核基因组 线粒体基因组与叶绿体基因组 基因组内包括编码序列与非编码序列 1 人体基因组的大小 人类DNA30亿个碱基对的序列 2 人体基因组结构 人体基因组中含有大量的重复顺序和高度重复顺序 非重复顺序约只占总基因组的54 58 3 人体基因特征 基因数目为3 5万 95 以上的基因含有内含子结构 平均外显子数为7个 平均基因长度为16 3kb 1 人类基因组计划的启动 1986年诺贝尔奖获得者R Dulbecco提出人类基因组计划 测出人类全套基因组的DNA碱基序列 美国政府决定于1990年正式启动HGP 预计用15年时间 投入30亿美元 完成HGP 由国立卫生研究院和能源部共同组成 人类基因组研究所 NHGRI 逐渐地 HGP扩展为多国协作计划 参与者包括 欧共体 日本 加拿大 俄罗斯 巴西 印度和中国等国的科学家 2 人类基因组计划的进展状况 截至1998年10月 完成1 8X108b 占计划的6 模式生物全基因组测定 完成一系列模式生物全基因组测定 这些的完成有重大理论与现实意义 原计划20053X109b100 执行1998 101 6X108b6 物种全基因组完成年份酿酒酵母1 2x107bp1996枯草杆菌4 2x106bp1997幽门螺杆菌1 6x106bp1997梅毒螺旋体1 13x106bp1998 一些模式生物和病源物的全基因组测定 理论意义酵母 第一次揭示真核生物全基因组 已大致确定 5885个编码蛋白基因140个rRNA基因40个SnRNA275个tRNA基因实践意义病原微生物 病理机制药物 疫苗 DNA测序技术飞速提高1998 5 9J C Venter等宣布 组建商业公司 投入3亿美元 3年内完成 接着又有若干家公司成立 总共投入资金约几十亿美元 形成 公 私 并进格局 2000 6完成并公布人类基因组工作草图 2001年2月16日人类基因组计划 HGP 完成 同时发表两套报告Science Vol 291 No 5507Nature Vol 409 p 860Celera等的论文 Science 2001 291 1304 1351 DAN测序胶图 DNA测序峰形图 3 对人基因组计划的质疑花这样大力气集中做一件事是否值得 是否冲击了生命科学其他重要问题的研究 目前估计 3x109bp中仅5 编码蛋白质95 不编码蛋白质 4 人类基因组计划的重大影响 在HGP推动下 世界大公司投入生物技术意向剧增 推动新学科兴起生物信息