基因工程在人类健康中的应用

基因工程在人类健康中的应用 1 目录 基因工程与人类疾病 基因工程与医疗药物基因工程与癌症治疗 基因工程与模式生物 基因工程与长生不老 2 基因工程与人类疾病 从基因组学到疾病与健康基因可归味入药 基因可断疾切脉 基因可治病救人 基因可延年益寿 基因可返老还童 基因可起死回生 基因组计划的目的把基因组学的科学成果用到生物学其他领域里 用到人的健康上 最后到社会的应用 目前 人类面对很多慢性疾病 如高血压 癌症等 对此 研发新药也有新的突破 中国科学家生产出来第一个用基因重组的药 是基因治疗药物 第一个在市场上应用 在基因检测和治疗方面 分类很详细 有着临床诊断 出生前诊断等等 正常状态下的基因检测和健康检测可以预测疾病发生的可能性 3 基因诊断与基因治疗 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 我国研究人员正在制备用于基因治疗的基因工程细胞 基因诊断 genediagnosis 就是利用DNA分析技术在分子水平上检测人类遗传病的基因缺陷以诊断疾病 1978年简悦威 YWKan 首次用DNA重组技术进行镰刀型贫血病的产前诊断 开创了基因诊断的先例 基因诊断意义 现症病人的诊断 争取有效 针对性治疗 产前诊断 意义更为重要 预防遗传病患儿的出生 基因治疗 Genetherapy 指应用DNA重组技术 将外源正常基因导入靶细胞 以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病 以达到治疗的目的 为达到这一目的 实施相应的策略 途径 就基因转移的受体细胞不同 基因治疗有两种途径 1 生殖细胞基因治疗 2 体细胞基因治疗 基因治疗的分类 按治疗的靶细胞 受体细胞 的不同 基因治疗分为 生殖细胞基因治疗 将正常基因转移到患者的生殖细胞 精子 卵子或受精卵 中而使其发育成一个正常的个体 为理想的治疗方法 从根本上治疗遗传病 使其有害基因不能在人群中散播 体细胞基因治疗 指将正常基因转移到特定的体细胞中 以纠正致病基因的缺陷 并使之表达 以达到治疗疾病的目的 常用的靶细胞主要有 a 造血干细胞b 成纤维细胞c 肌细胞 肾细胞 肝细胞 淋巴组织等 基因疗法 SCID的基因工程治疗 重症联合免疫缺陷 SCID 患者缺乏正常的人体免疫功能 只要稍被细菌或者病毒感染 就会发病死亡 这个病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶 简称ADA 的基因 ada 发生了突变 可以通过基因工程的方法治疗 SCID患者生存在无菌环境中 基因治疗SCID的过程 基因工程与医疗药物 基因工程在医药上的应用 在临床上有应用 A 放射性探针在诊断上的应用 如乙型肝炎病毒 大肠杆菌肠毒素 轮状病毒等 均可以基因DNA片段标明以同位素作探针 用于诊断 B 产前诊断 如对血红蛋白病的诊断 从组织 血 羊水中抽提DNA 从放射自显影术中可获得基因图谱 经分析比较可助诊断 用微生物合成药物制品 应用DNA重组技术 已有多种药物可用于大肠杆菌合成 例如生长抑制素 生长激素 胰岛素 干扰素 胸腺素 酶和蛋白质等 用微生物制造的疫苗 乙型肝炎病毒 流感病毒 口蹄病毒等疫苗 14 用基因工程微生物生产的药物及斯所控制的疾病 胰岛素 糖尿病 干扰素 病素疾病 流行性感冒 肝炎 疱疹 脊髓灰质炎等 干扰素 乳房癌 何杰金氏病 白血病等 人生长激素 侏儒症等 红血球生成素 贫血 尿激酶 血栓 血清白蛋白 休克等 15 基因工程药物过程示意图 从细胞中分离出DNA 限制酶截取DNA片断 分离大肠杆菌中的质粒 DNA重组 用重组质粒转化大肠杆菌 培养大肠杆菌克隆大量基因 16 2020 4 24 我国生产的部分基因工程疫苗和药物 许多药品的生产是从生物组织中提取的 受材料来源限制产量有限 其价格往往十分昂贵 微生物生长迅速 容易控制 适于大规模工业化生产 若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内 让它们产生相应的药物 不但能解决产量问题 还能大大降低生产成本 2 基因工程与药物研制 17 胰岛素从猪 牛等动物的胰腺中提取 100Kg胰腺只能提取4 5g的胰岛素 其产量之低和价格之高可想而知 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 使其价格降低了30 50 18 干扰素治疗病毒感染简直是 万能灵药 过去从人血中提取 300L血才提取1mg 其 珍贵 程度自不用多说 19 乙肝疫苗 我国生产的部分基因工程药物和疫苗 我国生产的部分胰岛素产品 20 基因工程与癌症治疗 癌症 Cancer 亦称恶性肿瘤 Malignantneoplasm 为由控制细胞生长增殖机制失常而引起的疾病 癌细胞除了生长失控外 还会局部侵入周遭正常组织甚至经由体内循环系统或淋巴系统转移到身体其他部分 21 22 癌症的诱发 医学家指出癌症病因是 机体在环境污染 化学污染 化学毒素 电离辐射 自由基毒素 微生物 细菌 真菌 病毒等 及其代谢毒素 遗传特性 内分泌失衡 免疫功能紊乱等等各种致癌物质 致癌因素的作用下导致身体正常细胞发生癌变的结果 常表现为 局部组织的细胞异常增生而形成的局部肿块 癌症是机体正常细胞在多原因 多阶段与多次突变所引起的一大类疾病 23 癌症与基因 正常人体内的基因中 有一类叫原癌基因 另一类叫抑癌基因 原癌基因也可叫作癌基因 如果发生突变 可以导致遗传失调 在内外因素的作用下 使正常细胞变成癌细胞 抑癌基因能抑制 拮抗癌基因的功能 作用 或直接抑制癌细胞的生长 对人体有利 如果抑癌基因发生突变 也可导致细胞生长失调而发生癌变 原癌基因和抑癌基因可以说是对立统一的 如果原癌基因或者抑癌基因两者之一发生突变 就有可能发生癌症 24 癌症治疗 癌症治疗主要以外科手术 放射线疗及化学治疗但常规治疗治愈率低 复发率和病死率高 预后差造成治疗效果不理想 疾病无法有效根治等情形 1 放射治疗利用放射线同位素如60Co以照射的方式对癌细胞的基因造成破坏使细胞死亡 如今放射线疗法发展很快甚至对某些癌症而言采用放射线疗法的生存率要高于手术疗法所以放射线治疗可以成为根治治疗的选择疗法之一 它和手术被同等认可 因为放射线同时也会对正常的细胞造成伤害所以目前以研发利用单株抗体结合放射线同位素或癌症化学药物直接攻击癌细胞避免正常细胞遭受伤害 放射线治疗的最大优点是在保存脏器的形态和机能的情况下以达到治疗目的但是放疗效果的差异非常显著放射性疗法只对早期或对放射线感受性强烈的癌症才有效 25 2 化学药物治疗 肿瘤的发生发展与细胞调亡有关已经证明 多种化疗药物是通过诱导其调亡而发挥作用的每类药物都有其相应的作用靶点这些药物靶点大多数是控制细胞增殖过程的关键酶化疗药物通过对关键酶的作用阻碍癌细胞的增殖以达到治疗的目的 化学疗法如同放射线疗法对某些正常细胞如毛囊细胞或骨髓细胞等生长快速的细胞会大幅造成伤害导致免疫系统受损脱发及呕吐等可能严重危及生命的不良反应 传统癌症化学药物的研发是利用化学有机合成小分子药物配合药物筛选技术取得具有潜力的候选药物然而寻找到具有上市潜力的药物机率实在太低目前以寻找极地深海南北极的生物体内提取小分子化合物配合组合化学技术来提高寻找潜力药几率 因此如何找出找出一种高效的治疗癌症的方法 是目前癌症研究的关键 而基因疗法的诞生让科学家们看到了希望 26 癌症的基因疗法 癌基因疗法就是针对性地去除引起细胞恶性转化的主要癌症基因激活基因的表达或是增强抑癌基因的功能即如何封闭被激活治疗如何恢复基因的功能 治疗包括两个方面 1化学干预性治疗 维甲酸等 生物学疗法细胞因子使突变的癌细胞逆转为正常细胞 即目的基因 取代致病的癌基因即去除被激活的癌基因表达 2将目的基因抑癌细胞直接导入宿主癌细胞以替代致病基因发挥功能或使致病基因失去活性 基因打靶 将癌细胞消灭在萌芽 基因治疗属于一种生物治疗手段 是一大类治疗策略的总称 根据治疗机理不同目前可以分为以下几方面 1免疫基因治疗 指通过基因修饰的瘤苗或抗原呈递细胞体外回输 或者免疫基因的直接体内导入 激发或增强人体的抗肿瘤免疫功能 达到治疗肿瘤的目的 它也是一大类治疗的总称 2抑癌基因治疗 研究表明 体内导入研究较为深入的抑癌基因治疗主要应用p53 p16 RB基因等 其中又以p53基因应用最广泛 许多治疗方案已进入临床试验阶段反义癌基因治疗 27 基因工程在癌症治疗方面的发展 癌症已经公认是一种分子疾病所有癌细胞都来自单克隆细胞 癌症的诊断和治疗最终必须从分子水平加以解决 上世纪中下叶科学家们相继发现不少直接与癌症发生相关的癌基因与抑癌基因为人类揭开癌症发生发展之谜及癌症的防治开辟了崭新的途径 许多癌症的发生是由于癌基因的激活而过度表达或是抑癌基因表达受抑制突变丢失失活所造成 治疗肿瘤的传统方法包括手术化疗放疗 虽然取得了一定的成效但是距离彻底根治肿瘤还很遥远 过去的余年间人们将彻底根治肿瘤的希望寄托于基因治疗 但肿瘤的基因治疗尚处于探索阶段 相对于成熟的方案也只是处于临床试验期欲用于临床仍有很多的工作要做 28 基因工程与模式生物 模式生物 果蝇 模式生物 斑马鱼 29 模式生物 定义及简介 利用基因工程制备及模式生物应用 利用模式生物进行基因组研究的意义 30 定义 中文名称 模式生物英文名称 modelorganism定义 作为实验模型以研究特定生物学现象的动物 植物和微生物 从研究模式生物得到的结论 通常可适用于其他生物 应用学科 遗传学 一级学科 发育遗传学 二级学科 31 简介 生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究 用于揭示某种具有普遍规律的生命现象 此时 这种被选定的生物物种就是模式生物 比如 孟德尔在揭示生物界遗传规律时选用豌豆作为实验材料 而摩根选用果蝇作为实验材料 在他们的研究中 豌豆和果蝇就是研究生物体遗传规律的模式生物 由于进化的原因 许多生命活动的基本方式在地球上的各种生物物种中是保守的 这是模式生物研究策略能够成功的基本基础 选择什么样的生物作为模式生物首先依赖于研究者要解决什么科学问题 然后寻找能最有利于解决这个问题的物种 19世纪末20世纪初 人们就发现 如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育现象的难题可以得到部分解答 因为这些生物更容易被观察和实验操作 如线虫 果蝇 非洲爪蟾 蝾螈 小鼠等 32 人类疾病基因工程动物模型的研究 人类疾病动物模型是生物医学研究中建立的具有人类疾病模拟性表现的动物实验对象和材料 目前 人类疾病动物模型获得方法有自发性动物模型 诱发性动物模型和基因工程动物模型 传统的自发性动物模型的种类和数量远远不能满足医学研究和应用的需要 常规诱发性动物模型与人类疾病在其疾病的发生 发展表现方面有很大出入 并不能全面反映人类疾病的本质 难以深入到分子水平进行研究 基因工程动物模型克服了上述传统动物模型研究中的不足 能从动物整体水平研究目的基因的生物学特性 在新基因的功能鉴定及人类疾病的研究中展现出不可估量的应用前景 为21世纪人类疾病研究的理想动物模型 近年来两大类基因工程动物模型 即转基因动物模型和基因剔除动物模型 33 随着人类基因组计划的完成和后基因组研究时代的到来 模式生物研究策略得到了更加的重视 基因的结构和功能可以在其它合适的生物中去研究 同样人类的生理和病理过程也可以选择合适的生物来模拟 目前在人口与健康领域应用最广的模式生物包括 噬菌体 大肠杆菌 酿酒酵母 秀丽隐杆线虫 海胆 果蝇 斑马鱼 爪蟾和小鼠 在植物学研究中比较常用的有 拟南芥 水稻等 34 随着生命科学研究的发展 还会有新的物种被人们用来作为模式生物 但它们会有一些基本共同点 1 有利于回答研究者关注的问题 能够代表生物界的某一大类群 2 对人体和环境无害 容易获得并易于在实验室内饲养和繁殖 3 世代短 子代多 遗传背景清楚 4 容易进行实验操作 特别是具有遗传操作的手段和表型分析的方法 35 转基因动物模型是通过实验手段将新的遗传物质导入到胚胎细胞中 并获得稳定遗传的一类动物 其原理是将目的基因或基因组片段经体外加工 修饰与可表达的载体连接后 用显微注射 胚胎干细胞或逆转录病毒载体等方法注入实验动物的受精卵或着床前胚胎细胞 然后将此受精卵或着床前胚胎再植入受体动物的输卵管或子宫中 使其发育成携带有外源目的基因的转基因动物 当外源基因在转基因动物体内表达 并培育出其表型与人类疾病症状相似的动物模型 则称其为转基因动物模型 36 基因剔除动物模型在制作单基因缺陷所致人类疾病模型时 选择特定基因的突变较为复杂 而基因灭活或破坏是最易造成的缺陷 基于这一原理 用基因工程的方法去除动物的某种特定基因 可制作由基因缺陷所致人类疾病模型 通过基因剔除技术 已建立起近千种的基因剔除鼠模型 这些疾病模型在探讨人类各种疾病的发病机制 疾病诊断 预防及基因治疗等方面有重大意义 38 外源基因的导入方法1 显微注射法 微注射法 microinjection 它是创造转基因动物的有效途径 39 2020 4 24 2 逆转录病毒介导法 40 2020 4 24 3 胚胎干细胞法生产转基因动物的流程图 41 2020 4 24 4 生殖细胞转染法 42 2020 4 24 模式小鼠制备 基本程序1 目的基因克隆和体外重组1 人工合成2 互补DNA cDNA 的克隆3 DNA克隆2 外源基因的导入将目的基因转入 培养 产下后代3 外源DNA整合 转录及表达的分子检测是否是转基因动物 43 从细胞中分离出DNA 从大肠杆菌中提取质粒 提取目的基因 目的基因与运载体结合 DNA连接酶 目的基因导入受体细胞 目的基因的表达与检测 基因工程操作的基本步骤 44 通过病毒载体导入ES细胞建立转基因小鼠的技术路线 45 基因敲除基本原理 46 应用 在人类基因组研究中十分注重模式生物的研究 这是由于要认识人体基因的功能 无法直接用人体作为实验对象 但是 生物是从共同祖先演化而来的 所以对生命活动有重要功能的基因在进化上是保守的 也就是说 这些基因的结构和功能 在低等生物和高等生物中是相似的 因此 可以用比较容易研究的生物作为模型来研究其基因的结构和生物学功能 由此获得的信息可以使用于其他比较难以研究的生物 特别是推测相似的人体基因的功能 应用 果蝇 大肠杆菌 斑马鱼 小鼠 酵母 47 疾病机制研究方面的应用 几乎所有人类疾病都与基因有关 利用基因工程动物的方法研究基因的表达调控与疾病发生的关系 建立各种人类疾病的动物模型 为人类疾病发病机制的研究提供了十分有用的材料 基因功能研究方面的应用 人类基因组计划已完成 越来越多的新基因被克隆 但对这些新基因在体内的具体功能却很少了解 转基因技术具有能在个体水平从时间和空问角度同时观察基因表达功能和表型效应的独特优点 可通过建立高效表达转基因动物 观察基因功能 还可通过构建含有不同报道基因的小基因的转基因动物研究基因调控 48 基因治疗研究方面的应用 通过基因剔除技术可将正常基因或有治作用的基因引人病变细胞中 取代原来异常的基因或对缺陷基因进行精确改正 使修复后的细胞表达正常蛋白 不再表达错误产物 还可通过基因剔除技术去除多余的 过量表达的 影响正常生理功能的基因以达到治疗目的 49 药学研究方面的应用 应用实验动物进行药物筛选 是现代医药学发现药物的主要途径 尤其是整体动物的病理模型 建立重大疾病 疑难疾病以及与中医 病证 相对应的动物模型是药物筛选的长期重要任务 然而传统的动物模型由于选用与人类某种疾病有着相似症状的动物 其致病原因 机制常不尽相同 因此导致筛选结果有时具有不确定性 试验结果与临床结果不一致 且价格昂贵 生物转基因技术和基因剔除技术的发展 为建立动物病理模型提供了有利的条件 可建立敏感动物品系及与人类疾病相同的动物模型用于药物筛选 可以从整体水平直观反映出药物的治疗作用 不良反应及毒性作用 真正体现目的基因的活动特征 避免了传统动物模型上述缺点 50 人类器官移植方面的应用 众所周知 器官移植已成为许多终末期疾病首选的治疗方法 导入人基因具特殊用途的猪和小鼠 51 生产用于人体器官移植的动物器官生产可用于人体器官移植的动物器官 异源器官移植 可能是解决世界范围内普遍存在的器官短缺的有效途径 目前对器官供体动物研究较多的是猪 猪作为人类器官移植的供体动物有以下一些优势 妊娠期短 产仔数多 后代生长快 而且不存在伦理方面的问题 更重要的是猪的不同发育时期的器官 诸如心脏 肾等与不同年龄的人体器官大小上比较接近 极有可能代替病人的某些器官 52 克隆猪 器官移植 克隆猴 研究疾病的模型 53 利用模式生物研究的意义 1 生物的多样形式在进化过程中形成的 不同的生物有不同的形态结构和生理特征 但对生命活动有重要功能的基因却是高度保守的 因此 可从模式生物着手 先弄清楚低等生物的相对比较简单的基因组和生理功能 再以此为基础进一步研究人体这一复杂系统 比如 克隆低等生物的基因和阐明其功能后 将有助于克隆与该基因有同源序列的人体基因 并推测其可能的生理功能 2 在很多情况下不可能用人直接进行试验 比如设法破坏某一个基因或转入某一个基因 观察这样做对生物体的发育 生长 寿命和健康会产生什么样的后果 这只能在实验动物身上进行 因此也就的研究这些实验动物的基因组 54 百奥赛图 北京百奥赛图基因生物技术有限公司2013年1月12日晚7点多称基因敲出模式大鼠正式完成 可以进行咨询并订购所需模式大鼠 55 大鼠 ACI大鼠 Rat RattusNorvegicus 56