《分子生物学1》课件.ppt

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1、1,绪 论,戴五星,同济医学院生物化学与分子生物学系,2,本章我们讨论3方面的内容：,一、分子生物学和医学的关系及研究的主要内容 二、分子生物学的历史回顾、发展现状与发展趋势.三、分子生物学在医学中的应用,3,第一节 分子生物学与医学的关系及研究的主要内容 一分子生物学的定义 分子生物学是一门从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的科学。它是在分子水平这一层次所形成的理论和技术体系，被称为分子生物学。医学分子生物学是从分子水平上研究人体在正常和疾病状态下的生命活动及其规律,从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的一门科学。,4,二分子生物学和医学的关系 分子生物学在整个医学中

2、起到纽带作用，将基础医学各分支学科及基础医学与临床医学联系起来，成为现代医学和生命科学的前沿学科和领域，在一定程度上起到牵动全局的作用。,5,未来的医学将把研究层次深入到量子水平，分子生物学则可能把自己的“血液”熔化到医学的躯体之中，“化己为他”，“化整为零”，渗透到各个相关学科中，成为科学上的“蜡烛”，燃烧自己，照亮别人。分子生物学在医学上的价值和“灵魂”将永存。分子生物学将成为现代生命科学的“共同语言”。,6,三、医学分子生物学研究的主要内容1、研究生物大分子、基因及基因组的结构与功能2、研究遗传信息的传递及其调控3、研究生物大分子的相互作用及信息传递4、研究分子生物学的技术体系5、研究人

3、体各种（包括生长、发育、衰老、死亡等）生命现象中的分子生物学基础,7,第二节、分子生物学的历史回顾、发展现状及发展趋势 任何一门科学及其学科的诞生都有其历史的必然性,分子生物学也不例外。分子生物学的出现归功于人类对生命现象的认识层次的深入以及研究技术和方法的逐步深化和精密,即在认识上由宏观向微观转变,技术方法由粗放向精细准确转变。归功于近百年无数科学家智慧的结晶，成果的融汇。尤其从上世纪40年代起，在理论和技术方面的重大突破。,8,1859年，达尔文的进化论 1866年，孟德尔的遗传因子学说 1909年,Johannsen将遗传因子改称为基因.1910年，摩尔根创立了基因学说。分子生物学建立与

4、发展归功于上世纪40年代以来在理论上和技术上的如下突破。,一、历史回顾,9,（一）理论上的四项重大突破 1.40年代，Avery发现了生物遗传物质的化学本质是DNA 2.50年代，Watson-Crick提出了DNA结构的双螺旋模型 3.50年代，Crick提出了遗传学中心法则 4.60年代，Nirenberg等人破译了遗传密码,从1944年至今,10,1934年，Avery在一次学术报告会上首次报道了肺炎球菌的转化，他不仅证明了DNA 是遗传物质，且证明DNA把1个细菌的遗传性状转给了另一个细菌，理论意义十分重大。正如诺贝尔奖金获得者Lederberg指出的：Avery的工作是现代分子生物学

5、革命的开端，基因工程的先导。但是，超越时代的科学成就，往往不易被人们所接受，Avery成就的命运也是如此，当时并未引起阵阵掌声，他的论文事隔10年才公开发表。,11,Watson和Crick於1953年提出DNA双螺旋结构模型,是进入分子生物学时期的标志,12,Proposition of central dogma,13,Scientists cracked the genetic code stored in DNA,14,1.限制性核酸内切酶发现与应用2.重组DNA技术的建立3.逆转录酶的发现与应用4.PCR技术的建立5.人类基因组计划,（二）技术上的5项重大突破,15,阿尔伯(Weme

6、r Arber 1929)瑞士生物学家，内森斯(Danien Nathans 19282019)美国微生物学家，史密斯(Hamilton OSmith 1931)美国微生物学家，由于限制性核酸内切酶的发现及其在分子遗传学中的应用，为遗传工程的产生拉开了序幕而获得1978年诺贝尔生理学或医学奖。,16,Recombinant DNA Technology,17,In 1980 he shared half of the Nobel Prize for Chemistry with the team of Walter Gilbert and Frederick Sanger.All three

7、were recognized for their important contributions to basic research in nucleic acids,Paul Berg,18,An American biochemist who assisted Herbert Boyer in the creation of the first recombinant DNA organism,and won the 1986 Nobel Prize for his work with Rita Levi-Montalcini in discovering cell growth fac

8、tors.,Stanley Cohen,19,1970年，Baltimore和 Temin等同时各自发现了逆转录酶.。反转录酶的发现告诉我们，遗传信息不仅能从DNA流向RNA,也能从RNA转移到DNA，从而为中心法则（central dogma）增加了新内容。这在遗传学上是一重大发现，在实践上反转录酶的应用为分子生物学和遗传工程研究开辟了一条新的途径。,20,PCR技术的创建,Kary B.Mullis（穆利斯（美）,1983年,Mullis发明了PCR技术,使Khorana的设想得到实现。1989年美国Science杂志列PCR 为十余项重大科学发明之首,比喻1989年为PCR爆炸年,Mul

9、lis荣获1993年度诺贝尔化学奖。,21,人类基因组研究 人类的全部遗传信息包含在23对染色体上，每个基因组由3.3109核苷酸组成,编码约4万个基因。人类基因组研究的对象是人类基因组，因此也称为“基因组学”。“人类基因组计划”（Human Genomic Project.HGP）是人类科学史上与阿波罗登月计划及曼哈顿原子弹计划相媲美的伟大科学工程，于1990年正式出台和实施，该计划的主要科学目标是绘制遗传连锁图、物理图、序列图和转录图。,22,（一）分子生物学的研究和发展轨迹基本上遵循两个大方向：1.不断把本学科理论和技术引向深入。2.不断与其他学科进行深入的横向联系和交叉融合，以期使分子

10、，细胞，整体水平研究得到和谐的统一，使表现型和基因型的关系得到客观准确的解释。,二、分子生物学研究现状和发展趋势,23,三、四大前沿研究领域（一）结构分子生物学 在DNA，基因或RNA水平，存在各种体现功能的结构域，结构域本身结构特点和形态以及它们所处的大分子的空间结构形态都直接影响DNA、基因或RNA的功能发挥。在蛋白质水平，由于它们是直接体现生理功能的物质,其空间结构对其功能影响更直接。因此，蛋白质空间结构与功能的关系的研究是结构分子生物学研究的主体。,24,（二）人类基因组研究 人类的全部遗传信息包含在23对染色体上，每个基因组由3.3109核苷酸组成,编码约4万个基因。人类基因组研究的

11、对象是人类基因组，因此也称为“基因组学”。“人类基因组计划”（Human Genomic Project.HGP）是人类科学史上与阿波罗登月计划及曼哈顿原子弹计划相媲美的伟大科学工程，于1990年正式出台和实施，该计划的主要科学目标是绘制遗传连锁图、物理图、序列图和转录图。,25,在人体全部22 对常染色体中,1 号染色体包含基因数量最多,块头最大。其基因数目多达3 141 个,是平均水平的2 倍,共有超过2.23 亿个碱基对,破译难度也最大。一个由150 名英国和美国科学家组成的团队历时10 年,才完成了1 号染色体的测序工作,于2019 年5 月18 日在英国自然杂志网络版上发表了人类最后

12、一个染色体1 号染色体的基因测序,历时16 年的人类基因组计划书写完了“生命之书”的最后一个章节,覆盖了人类基因组的99.99%。,人类基因组计划写完“生命之书”最后一节,26,一般说来，“基因组学”主要解决的问题是基因组的“结构”，即上述4张结构图，当HGP完成后，下一步该做什么？下步是将重心逐步由“结构”向“功能”转移，人们提出1个新的名词，称“后基因组学”(post-genomics)或功能基因组学。,27,（三）基因表达调控研究基因表达调控是多步骤多层次的过程。1.转录前调控表现为基因重排和修饰及结构基因活化。2.转录水平的调控是目前研究的重点。主要研究的焦点是顺式作用元件与反式作用因

13、子之间的相互识别和作用机理。3.转录后水平的调控指对转录产物RNA的加工和修饰。4.翻译调控作用指调控翻译速率。5.翻译后调控指调控新生肽链的加工、修饰和折叠。,28,（四）信号转导未来细胞信号转导研究的发展趋势有以下几个方面：从单一分子、单一通路研究向多通路、规模化研究发展从定性研究向定量研究发展从单纯生物学实验研究向计算机模拟研究发展从体外研究向体内研究的发展从基础研究向应用研究的发展,29,第三节、分子生物学在医学中的应用,一、分子生物学在医学基础理论研究中的应用 分子生物学使整个医学科学研究提高到分子水平。经典的生物学只能从生物表型的变化描述和归纳生命活动的某些规律，所谓基因也还只是抽

14、象的概念，表型的分子基础也未查明。从前的医学研究状况大体上也是如此。只有分子生物学的研究才使医学各科上升到基因水平、分子水平，从而出现了所谓分子微生物学、分子免疫学、分子生理学、分子病理学、分子药理学、分子心脏病学、分子神经病学、分子内分泌学等等全新的领域,30,二、分子生物学在基因诊断方面的应用利用现代分子生物学和分子遗传学的技术和方法，直接监测基因结构及其表达水平变化，从而对疾病作出诊断的方法。1、应用分子生物学技术诊断遗传病如杜氏肌营养不良症由抗肌萎缩蛋白基因决定的，该基因全长2000多kb,包含79个外显子，该基因的突变是导致发病的根本原因，而突变多发生在9个易发热点区，根据突变易发热

15、点区的核苷酸序列设计9对引物，采用多重PCR可对患者进行诊断。,31,2、应用分子生物学技术诊断感染性患者携带的病原体 例如应用核酸分子杂交或PCR技术可对感染性疾病所携带的病原体作出诊断。3、应用分子生物学技术对癌基因和抑癌基因的点突变进行检测 应用PCR/ASO或PCR-SSCP可对癌基因和抑癌基因的点突变进行检测。4、应用分子生物学技术进行法医学鉴定 应用southern印记杂交或单核苷酸多态性与DNA芯片技术结合进行个体识别和亲子鉴定,32,定义：,广义地说，基因治疗是应用基因或基因产物，治疗疾病的一种方法。从狭义地说，基因治疗是把外界的正常基因或治疗基因，通过载体转移到人体的靶细胞，

16、进行基因修饰和表达，改善疾病的一种治疗手段。,三、分子生物学在基因治疗方面的应用,现在基因治疗不仅用于治疗多种遗传病（如血友病等）而且用于恶性肿瘤、某些传染病、（如爱滋病）心血管疾病和糖尿病的基因治疗。,33,四、分子生物学在生物工程和与生物制药方面的应用 生物工程包括基因工程、蛋白质工程、酶工程及细胞工程等。生物工程广泛用于生物制药领域.目前采用基因工程制备的多肽药物已达100多种，如干扰素、白介素、生长激素、红细胞生成素、免疫球蛋白等,34,（一）重组激素,通过蛋白质工程手段可以提高重组蛋白质的活性、改善制品的稳定性、提高生物利用度、延长在体内的半衰期、降低制品的免疫原性等。,重组蛋白质/

17、多肽药物,35,（二）重组抗体药物,单克隆抗体：2019年达200亿美元,目前正在开发中的抗体数百种，已有150个产品已进入临床研究阶段。临床适应症以癌症最多，约占50%，其次是自身免疫性疾病，约占18%，感染占13%，心血管疾病占6%，器官移植引起的排斥占5%，其他占8%。,36,（三）细胞因子类药物,细胞因子是一类由免疫细胞及相关细胞分泌的具有调节细胞功能的高活性的小分子蛋白质。通过与细胞表面的受体作用后发挥广泛的生物学作用。,37,基因药物,指将具有治疗意义的DNA重组入真核表达载体，直接转移至人体细胞，在体内表达出具有治疗意义的多肽和蛋白质；或应用直接作用于细胞内DNA或RNA，达到抑

18、制基因复制和表达的核酸片段或其人工合成的类似物，以及对RNA具有切割作用的核酶。,目前临床上应用或处于研究阶段的主要基因药物为DNA药物和反义RNA药物,38,（一）DNA药物,将治疗基因植入体内，让细胞自己合成和分泌药用蛋白质，从而达到防治疾病的目的。,39,（二）反义药物,反义药物：,指人工合成或生物合成的DNA或RNA，可用于由于基因过度表达所致的肿瘤、遗传性疾病和病毒感染。这种核酸药物就是反义药物。包括反基因、反义寡核苷酸、反义RNA、小干扰RNA(siRNA)、肽核酸（PNA）和核酶。,40,五、分子生物学在预防医学中的应用1、疫苗研究 疫苗的研究包括致死疫苗、灭活疫苗、减毒活疫苗、

19、亚单位疫苗、重组活疫苗及DNA疫苗的研究。前3者属传统疫苗的研究，而后3者则属于采用分子生物学的理论和技术所进行的疫苗的研究。,41,2、环境监测与净化（1）环境监测：采用核酸分子杂交技术或PCR技术可灵敏地检测环境中病原体的存在。如水中的细菌、病毒。（2）环境净化：将一些特殊的基因导入特定的微生物中，可清除环境的有害物质。例如将抗DDT害虫中分离的抗DDT基因转移到细菌中去，可降解农田中残留的DDT；将能分解有机化合物的基因通过质粒导入微生物中，可清除污染水面上的石油；将耐汞基因导入腐臭假单胞杆菌中，该菌株能把剧毒的汞化合物吸收到细胞内，可净化汞污染。,42,Reference books:,1.医学分子生物学 冯作化主编 供八年制用,2.医学分子生物学 查锡良主编 供研究生用,docin/sanshengshiyuandoc88/sanshenglu,更多精品资源请访问,