基因操作与医学(3 LMJ)课件.ppt
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1、基因操作,第七章,Gene Manipulating,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,1,基因操作第七章Gene Manipulating基因操作与医,第七节,基因操作在医学发展中的意义,The Significance of Gene Manipulating in Medical Develapments,江黎明 2012年10月,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,2,第七节基因操作在医学发展中的意义The Significan,基因操作技术在医学方面的价值主要包括:,(1) 疾病相关基因和疾病分子机制的分析家;,(5)高效率、低成本地生产用于疾病防治
2、的生物 活性蛋白质、细胞、器官。,(2) 建立新的疾病诊断方法-基因诊断;,(4)纠正人类基因缺陷的方法-基因治疗;,(3)发展出新的法医学鉴定方法-法医学鉴定;,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,3,基因操作技术在医学方面的价值主要包括:(1) 疾病相关基因和,一、疾病相关基因分析,要确认某一疾病的相关基因,就是利用不同的方法将各种基因确定到染色体的实际位置上,并分析基因的结构和疾病状态下基因的突变。,1911年Wilson将红绿色盲基因首次定位到X染色体上,开创了人类基因定位的先河。,1968年Donahue利用系谱分析将Duffy血型基因定位于1号染色体上,这是人类首次
3、将基因定位于常染色体上。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,4,一、疾病相关基因分析 要确认某一疾病的相关基因,就是利,20世纪80年代以前,可进行结构分析的疾病相关基因仅限于个别功能异常非常明确,基因表达产物纯化较易的遗传性疾病,尤其是血液系统疾病如镰刀状贫血、地中海贫血等。,20世纪80年代中期以后,随着分子生物学技术的发展,尤其是重组DNA技术水平的提高和PCR技术的广泛应用,使疾病相关基因的鉴定与克隆工作得以迅速发展。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,5,20世纪80年代以前,可进行结构分析的疾病相关基因仅,(一)功能性克隆(functional
4、cloning),从对一种致病基因的功能理解出发,克隆该致病基因。实际上是利用纯化蛋白克隆致病基因。,获得纯化蛋白后的基因克隆方式有两种:,获取部分氨基酸序列,推导出mRNA序列,合成 寡核苷酸探针,筛选 cDNA 文库;从基因组文库 获取其基因组序列。,制备特异性抗体,筛选表达型cDNA文库。,只要能获得部分氨基酸序列就可以进行基因克隆。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,6,(一)功能性克隆(functional cloning),根据mRNA表达差异来克隆疾病相关基因:,(1)削减杂交(subtractive hybridization),(2)差异显示(differe
5、ntial display)PCR,(3)基于PCR的削减杂交法,将正常与异常的同一组织的mRNA或cDNA文库进行杂交,筛选出表达有差异的克隆;,能很灵敏地扩增两个mRNA样品中有差异的片段,克隆后进行分析;,将前两种方法结合起来,克服了削减杂交灵敏度低,差异显示PCR假阳性高的缺点。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,7,根据mRNA表达差异来克隆疾病相关基因:(1)削减杂交(su,缺点:,大多数症状的生理、生化变化很复杂,对与之有关的蛋白质了解甚少,对其基因表达主要组织也知之不多。,不同组织甚或至于同一组织的蛋白质与mRNA的“正常”差异很难与特异性差异区别。,功能性克
6、隆技术成熟、方法直接、费用较低,迄今仍是克隆基因的首选策略。,优点:,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,8,缺点: 大多数症状的生理、生化变化很复杂,对与之有关的,(二)定位克隆(positional cloning),从一种致病基因的染色体定位出发,逐步缩小范围,最后克隆该基因 。系统的定位克隆包含:,遗传学分析:,分子生物学分析:,包括交换分析和连锁不平衡分析以确定致病基因的染色体定位;,包括染色体异常(缺失、易位等)分析和基因文库的筛选与基因克隆。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,9,(二)定位克隆(positional cloning)从,杜氏肌营
7、养不良(DMD) 致病基因的克隆:,首先,遗传学的家族连锁分析确定了致病基因位于Xp21(性染色体X短臂第2区第1条带)。,将病人的Xp21 DNA与正常人的杂交,从而减掉了相同的基因序列,最后剩余的序列即为病人缺失的基因。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,10,杜氏肌营养不良(DMD) 致病基因的克隆: 首先,遗传,新的技术,非定位候选基因克隆策略(position-independent candidate gene approaches):,定位候选基因克隆策略 ( positional candidate gene approaches):,直接根据分子病理学变化和
8、基因组作图中各种基因产物功能的了解预测出候选致病基因。,一旦致病基因的染色体定位得以确认,可以利用因特网上的基因网站所提供的基因序列数据鉴定出候选致病基因。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,11,新的技术非定位候选基因克隆策略定位候选基因克隆策略 直,(三)基因结构和产物功能的分析,利用对于某基因结构和功能的理解,分析其与疾病的关系、是否有突变、突变产物的致病机制。,获得未知基因后可进一步进行下列工作:,1克隆和分析全长cDNA序列:根据cDNA序列推出该基因编码的蛋白质的氨基酸序列;,2克隆基因全序列:分析存在的内含子,启动子以及其调节位点,探讨基因表达调控方式;,3确定
9、基因在的位置和拷贝数:染色体中定位多用原位杂交法,拷贝数可用Southern杂交法确定。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,12,(三)基因结构和产物功能的分析利用对于某基因结构和功能的,4基因表达谱分析:该基因在不同组织、细胞的表达状态。Northern blotting和点阵杂交检测mRNA的水平。Western blotting检测蛋白质的表达。,5基因表达产物的功能分析:,(1)找已知功能的同源蛋白或同源结构域。,(2)在细胞内过量表达该基因,观察各种功能影响。,(3)在细胞内抑制该基因表达,分析细胞功能变化; 建立基因剔除小鼠,分析基因产物功能。,(4)分析与该基因
10、产物相互作用分子,或者是相互 作用的蛋白分子或核酸。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,13,4基因表达谱分析:该基因在不同组织、细胞的表达状态。Nor,二、制造生物活性蛋白,基因工程技术的发展在医学上最重要的成就表现在治疗用生物活性蛋白或疫苗的生产和使用。,通过基因的克隆,可获得具有特定生物学活性的蛋白质。这尤其适用于那些来源特别有限的蛋白质,或自然界本不存在的蛋白质。,克隆基因的表达可在大肠杆菌、枯草杆菌、酵母、昆虫细胞、哺乳类细胞或整体动物体内。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,14,二、制造生物活性蛋白 基因工程技术的发展在医学上最重要,生物安全性
11、:,活性的可控性:,资源和生产成本:,未发现诸有如此类猪胰岛素、牛脑垂体提取的生长激素、人血VIII因子的副作用。,基因工程产品的可重复性要好于生物提取物。,无资源依赖性,生产成本也明显低于生物提取。,基因工程产品比生物提取产品有明显的优势:,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,15,生物安全性:活性的可控性:资源和生产成本: 未发现诸有,表7-1 临床正在使用或试用的部分基因工程产品,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,16,产品名称适应症乙型肝炎表面抗原注射疫苗用于预防乙型肝炎表7-,(一)重组DNA技术,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,
12、17,载体质粒噬菌体病毒目的基因(外源基因)基因组DNA cDNA,是在编码蛋白质基因的特定位置引入碱基替代、产生小的碱基缺失或插入,使其编码的蛋白质的一级结构发生改变。,在合成PCR引物时,除了在定点诱变的位置引入相应的突变(点突变、小片段插入或缺失)外,其余序列与模板完全配对,PCR扩增后,产物中就引入特定的突变;将PCR产物克隆表达,可获得定点突变的蛋白质。,PCR诱变:,1.蛋白质工程中的定点诱变技术,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,18,是在编码蛋白质基因的特定位置引入碱基替代、产生小的碱,表达体系的建立包括表达载体的构建、受体细胞的建立和表达产物的分离、纯化等技
13、术和策略。,外源基因表达涉及目的基因的克隆、复制、转录、翻译、蛋白质产物的加工及分离纯化等过程,需要在适合的表达系统中完成。,表达系统可根据受体细胞的不同分为原核表达系统和真核表达系统。,2.目的基因体外表达,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,19,表达体系的建立包括表达载体的构建、受体细胞的建立和表,真核表达载体大多是穿梭载体,含有原核克隆载体的复制子、抗性筛选基因和MCS等序列;,含有真核细胞的启动子、增强子、剪接信号、转录终止信号和PolyA化信号及遗传选择标记等组件。,原核表达载体,含有强启动子及其两侧的调控序列,SD序列,带有转录终止序列,含有原核克隆载体的复制子、
14、抗性筛选基因和MCS等序列;,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,20,真核表达载体大多是穿梭载体含有原核克隆载体的复制子、抗性筛,(1)目的基因在原核系统中的表达,大肠杆菌(E.coli)表达体系最常用,优点是培养方法简单、迅速、经济而又适合大规模生产。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,21,(1)目的基因在原核系统中的表达大肠杆菌(E.coli)表达,在真核细胞中表达外源基因的体系主要有酵母、昆虫细胞(杆状病毒)、哺乳动物和高等植物。,(2)目的基因在真核细胞中的表达,瞬时表达(不与宿主染色体整合 ) 常用的瞬时表达宿主是来源于非洲绿猴肾CV-1细胞的C
15、OS细胞。,稳定表达 (整合至宿主染色体中 ) 常用的稳定表达宿主细胞是来源于中国仓鼠卵巢的CHO细胞。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,22,在真核细胞中表达外源基因的体系主要有酵母、昆虫细胞(,(二)转基因技术简介,转基因技术(transgenic technique),利用DNA重组技术在动物体内引入可遗传给子代的外源基因的技术。,转基因(transgene):被导入的目的基因,Microinjection into the Pronucleus of a Bovine Zygote,转基因动物(transgenic animal):目的基因的受体动物,基因操作与医学
16、(3_LMJ),2022/12/16,23,(二)转基因技术简介转基因技术(transgenic tec,基本原理 采用基因转移技术将目的基因导入受精卵的细胞核内或着床前的胚胎干细胞,然后将细胞导入受体动物子宫,使之发育成个体。,基因的导入方式:,显微注射法(最常用)胚胎干细胞法逆转录病毒感染法,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,24,基本原理基因的导入方式:显微注射法(最常用)基因操作与医学(,显微注射是最早发展,也是最为有效的外源 基因导入方法。,将目的基因直接注射到受精卵内,目的基因即可与 受精卵的染色体整合,最终可产生带有外源基因的 转基因动物。,转基因动物发育后,在
17、其体细胞和生殖细胞中都有 外源基因的存在和表达,并可将该基因遗传给子代。,可以在携带外源基因的载体内加上组织特异性启动 子,从而在转基因动物体内限定表达外源基因的组 织和器官。,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,25,显微注射是最早发展,也是最为有效的外源将目的基因直接注射到受,显微注射法建立转基因鼠技术路线,目的基因,供体动物,受精卵,受体动物输卵管,动物幼崽,转基因动物,微注射,移植,妊娠出生,分子检测,基因操作与医学(3_LMJ),2022/12/16,26,显微注射法建立转基因鼠技术路线目的基因供体动物受精卵受体动物,1982年哈佛R.D.Palmiter“制造”的“
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