醫(yī)學分子生物學_PPT課件ppt.ppt

2020 3 10 1 醫(yī)學分子生物學MedicalMolecularBiology 第一章緒論Chapter1Introduction 主講人 胡維新教授中南大學生物科學與技術學院 2020 3 10 2 2020 3 10 3 2 分子生物學的研究內容 1 分子生物學的定義 3 分子生物學與生物技術 4 分子生物學與醫(yī)學 內容概要 2020 3 10 4 一 分子生物學的定義 2020 3 10 5 從整體水平到分子水平示意圖 分子水平 細胞水平 整體水平 生命科學的發(fā)展過程 2020 3 10 6 生命科學的研究內容 生命物質的結構與功能 生物與生物之間及生物與環(huán)境之間相互關系 生命科學的前沿領域 分子生物學 分子遺傳學 細胞生物學 發(fā)育生物學和神經生物學 而分子生物學是生命科學的核心前沿 生命科學是研究生命現象和生命活動規(guī)律的一門綜合性學科 2020 3 10 7 分子生物學 從分子水平研究生命現象及其規(guī)律的一門新興學科 它是生命科學中發(fā)展最快并且與其他學科廣泛交叉和滲透的前沿領域 2020 3 10 8 由于分子生物學以其嶄新的觀點和技術對其他學科的全面滲透 推動了細胞生物學 遺傳學 發(fā)育生物學和神經生物學向分子水平的方向發(fā)展 使這些學科已不再是原來的經典學科 而成為生命科學的前沿 2020 3 10 9 1950年 Astbury在一次講演中首先使用 分子生物學 這一術語 用以說明它是研究生物大分子的化學和物理學結構 現代分子生物學的建立 2020 3 10 10 DNA的X光衍射照片1952年5月拍攝 羅沙琳德 弗蘭克林 RosalindFranklin 1920 1958 英國 DNA雙螺旋結構模型的建立 2020 3 10 11 DNA雙螺旋結構模型的建立 諾貝爾醫(yī)學與生理學獎1962年 2020 3 10 12 WatsonJD和CrickFHC的 雙螺旋結構模型 啟動了分子生物學及重組DNA技術的發(fā)展 確立了核酸作為信息分子的結構基礎 提出了堿基配對是核酸復制 遺傳信息傳遞的基本方式 最終確定了核酸是遺傳的物質基礎 2020 3 10 13 分子生物學技術 例如 DNA及RNA的印跡轉移 核酸分子雜交 基因克隆 基因體外擴增 DNA測序等 形成了獨特的重組DNA技術及其相關技術 由生物化學 生物物理學 細胞生物學 遺傳學 應用微生物學及免疫學等各專業(yè)技術的滲透 綜合而成 并在此基礎上發(fā)明和創(chuàng)造了一系列新的技術 2020 3 10 14 分子克隆 molecularcloning 重組DNA recombinantDNA 技術是近代分子生物學技術的核心 基因操作 genemanipulation 基因克隆 genecloning 基因工程 geneengineering 2020 3 10 15 分子醫(yī)學 molecularmedicine 由于分子生物學滲透進入生物學和醫(yī)學的每一分支領域 全面推動了生命科學和醫(yī)學的各個方面的發(fā)展 如疾病的發(fā)病機理研究 疾病的診斷和治療 使醫(yī)學進入了一個嶄新的時代 2020 3 10 16 遺傳性狀改變或治療疾病可能從某一生物體的基因組中分離出某一特定功能基因 導入到另一種生物的基因組 基因工程和蛋白質工程外源DNA與載體在體外進行連接 或在基因水平上進行有目的的定向誘變 生物技術進入了分子水平 基因 或DNA 也進入了社會生產和人們生活的方方面面 2020 3 10 17 按照自己的意愿和社會需求改造基因 制備各種具有生物活性的大分子 DNA RNA和蛋白質成為人類治病 防病的一類新型的生物制品或藥物 生物技術在農業(yè)上用于快速育種 改良品種 提高農作物的產量 質量以及抗病蟲害 抗干旱等能力 2020 3 10 18 二 分子生物學的研究內容 2020 3 10 19 分子生物學的主要研究內容 生物大分子的結構 功能 生物大分子之間的相互作用及其與疾病發(fā)生 發(fā)展的關系 2020 3 10 20 核酸的分子生物學主要研究核酸的結構及其功能 核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息 因此形成了分子遺傳學 一 核酸分子生物學 分子遺傳學 形成了比較完整的理論體系和研究技術 它是目前分子生物學中內容最豐富 研究最活躍的一個領域 2020 3 10 21 1 核酸的發(fā)現 早在1868年 Miescher從膿細胞中分離出細胞核 用稀堿抽提再加入酸 得到了一種含氮和磷特別豐富的物質 當時稱其為核素 nuclein 1872年 他又在鮭魚精子細胞核中發(fā)現了大量的這類物質 由于這類物質都是從細胞核中提取出來的 而且又是酸性 故稱其為核酸 nucleicacid FriedeichMiescher 2020 3 10 22 自核酸被發(fā)現以來的相當長時期內 對它的生物學功能幾乎毫無所知 1928年 FrederickGriffith 以后 核酸功能研究取得了重大進展 2020 3 10 23 In1928 anexperimentofFrederickGriffithusingpneumoniabacteriaandmice 2020 3 10 24 1952年 HersheyAD和ChaseM用35S和32p分別標記T2噬菌體的蛋白質和核酸 感染大腸桿菌 在大腸桿菌細胞內增殖的噬菌體中都只含有32P而不含35S 這表明噬菌體的增殖直接取決于DNA而不是蛋白質 2 核酸功能研究的重大進展 1944年 AveryOT等首次證明肺炎雙球菌的DNA與其轉化和遺傳有關 2020 3 10 25 In1952 AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant ithasbeennicknamedthe Hershey ChaseExperiment 2020 3 10 26 In1952 AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant ithasbeennicknamedthe Hershey ChaseExperiment 2020 3 10 27 TheMeselson Stahlexperiment 1958 showedthatDNAisreplicatedsemi conservatively DNAsemi conservativeduplication 3 DNA復制模型 2020 3 10 28 DNA復制模型 2020 3 10 29 1961年 Nirenberg Ochoa以及Khorana等幾組科學家的共同努力 破譯了RNA上編碼合成蛋白質的遺傳密碼 證明DNA分子中的遺傳信息是以三聯密碼的形式貯存 遺傳密碼在生物界具有通用性 2020 3 10 30 2020 3 10 31 2020 3 10 32 4 中心法則的建立1958年 Crick提出了分子生物學的中心法則 centraldogma 中心法則是分子遺傳學基本理論體系 2020 3 10 33 2020 3 10 34 1970年 Temin和Baltimore從雞Rous肉瘤病毒 Roussarcomavirus RSV 顆粒中發(fā)現了以RNA為模板合成DNA的逆轉錄酶 進一步補充了遺傳信息傳遞的中心法則 2020 3 10 35 5 DNA序列分析技術 雙脫氧末端終止法 1977年 劍橋大學SangerF等發(fā)明 化學裂解法 美國MaxamI和GilbertW發(fā)明 2020 3 10 36 2020 3 10 37 對DNA片段的一級結構進行分析 導致一系列重大發(fā)現 4 從cDNA序列推導出蛋白質的一級結構 1 斷裂基因 splitgene 的發(fā)現 證明真核細胞的基因不是連續(xù)的DNA片段 2 前體mRNA分子的拼接 去除內含子序列 連接成成熟mRNA 3 發(fā)現單基因遺傳病的基因結構的變異 5 根據DNA序列合成基因 并與載體連接 使之在細菌中表達 合成活性蛋白質 開創(chuàng)了基因工程 2020 3 10 38 6 基因的人工合成1978年體外首次成功地人工合成第一個完整基因 直接證實了MendelG在1865年發(fā)現的遺傳因子 基因 的化學本質 就是DNA分子 DNA分子是多種多樣生命現象的物質基礎 2020 3 10 39 7 基因組研究的進展 基因組 genome 一個物種遺傳信息的總和 基因結構與功能研究已經從單個基因發(fā)展到生物體整個基因組 基因組研究已從簡單的低等生物到真核生物 從多細胞生物到人類 2020 3 10 40 1977年 Sanger測定了 X174DNA全部5375bp核苷酸序列 1978年 Fiers等測出環(huán)狀SV40DNA全部5243bp核苷酸序列 1980年代 噬菌體DNA全部48502堿基對的序列被測出 一些小的病毒包括乙型肝炎病毒 艾滋病毒等基因組的全序列也陸續(xù)被測定 1996年底 大腸桿菌基因組DNA的全部序列長4 106堿基對 1996年底 完成了真核生物酵母 Saccharomyceserevisiae 的基因組全序列測定 1998年底 長達100Mb的線蟲的基因組序列測定也已全部完成 這是第一個完成的多細胞生物體的全基因組序列測定 2020 3 10 41 人類基因組計劃 humangenomeproject HGP 美國科學家 諾貝爾獎獲得者DulbeccoR于1986年在美國 Science 雜志上發(fā)表的短文中率先提出 并認為這是加快癌癥研究進程的一條有效途徑 主要的目標是繪制遺傳連鎖圖 物理圖 轉錄圖 并完成人類基因組全部核苷酸序列測定 測出人體細胞中24條染色體上全部30億對核苷酸的序列 把所有人類基因都明確定位在染色體上 破譯人類的全部遺傳信息 HGP是人類自然科學史上與曼哈頓原子彈計劃和阿波羅登月計劃相媲美的偉大科學工程 2020 3 10 42 研究結果表明 人類基因數量僅有3萬個左右 比此前估計的要少得多 通過研究還發(fā)現男女可能存在巨大遺傳差異 男性染色體減數分裂的突變率是女性的兩倍 在已經分析的序列中 找到很多與遺傳病有關的基因 包括乳腺癌 遺傳性耳聾 中風 癲癇癥 糖尿病和各種骨骼異常的基因 2020 3 10 43 可編輯 2020 3 10 44 8 基因表達調控機制的研究 1961年 Jacob和Monod提出操縱子學說 認識了原核生物基因表達調控的一些規(guī)律 80年代開始 人們逐步認識到真核基因組結構和調控的復雜性 真核基因的順式調控元件與反式作用因子 核酸與蛋白質間的分子識別與相互作用 小分子反義RNA 核酶 siRNA等 2020 3 10 45 二 蛋白質分子生物學 DNA 儲存生命活動的各種信息 蛋白質 生命活動的執(zhí)行者 蛋白質的分子生物學主要研究蛋白質的結構與功能 2020 3 10 46 蛋白質結構與功能的研究進展 1956年 Anfinsen和White根據對酶蛋白的變性和復性實驗 提出蛋白質的三維空間結構是由其氨基酸序列來確定的 1958年 Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮狀細胞溶血癥病人的血紅蛋白之間 在其亞基的肽鏈上僅有一個氨基酸殘基的差別 1969年 Weber開始應用SDS 聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質分子量 20世紀60年代先后分析了血紅蛋白 核糖核酸酶A等一批蛋白質的一級結構 中國科學家在1965年人工合成了牛胰島素 1973年又用1 8AX射線衍射分析法測定了牛胰島素的空間結構 2020 3 10 47 構成生物體的每一個細胞的分裂與分化及其他各種生物學功能 均依賴于外界環(huán)境所產生的各種信號 在這些外源信號的刺激下 細胞可以將這些信號通過第二信使轉變成一系列的生物化學變化 主要研究內容 研究細胞內 細胞間信息傳遞的分子基礎 闡明這些變化的分子機制 明確每一條信號轉導途徑及參與該途徑的所有分子間的相互作用和調節(jié)方式 三 細胞信號轉導機制研究 2020 3 10 48 1965年又提出第二信使學說 1977年 Ross等用重組實驗證實G蛋白的存在和功能 將G蛋白與腺苷環(huán)化酶的作用聯系起來 癌基因 抑癌基因和酪氨酸蛋白激酶的發(fā)現及其結構與功能的深入研究 使得細胞信號轉導的研究有了很大的進展 1957年 Sutherland發(fā)現了cAMP 2020 3 10 49 2020 3 10 50 三 分子生物學與生物技術 2020 3 10 51 生物技術的定義 按照美國生物技術產業(yè)組織下的定義 生物技術 biotechnology 是指 利用細胞和分子過程來解決問題或制造產品的技術 2020 3 10 52 古代生物技術 釀酒 制醋 制酪 面包發(fā)酵 人畜排泄物循環(huán)利用 動 植物雜交育種 嫁接等 2020 3 10 53 20世紀以來 分子生物學的發(fā)展 產生了重組DNA技術 推動生物技術深入發(fā)展 而導致現代生物技術作為一門交叉學科的產生 轉基因細胞 轉基因動物和基因剔除動物的出現 是現代分子生物學技術在生物技術領域的應用與發(fā)展 2020 3 10 54 現代生物技術主要包括兩個方面 基因工程和蛋白質 酶 工程 應用現代分子生物學 微生物學 細胞生物學 生物化學和生物加工等學科的理論和技術 并相互交叉和滲透 現代生物技術是分子生物學技術在生物加工過程中的應用 2020 3 10 55 1972年 SV40病毒DNA片段轉化大腸桿菌 使本來在真核細胞中合成的蛋白質能在細菌中合成 打破了種屬界限 開創(chuàng)了利用基因工程技術在原核細胞中表達真核基因產物的時代 人工合成的生長激素釋放抑制因子14肽的DNA片段與質粒重組 在大腸桿菌中合成得到這種14肽 1978年 人生長激素191肽在大腸桿菌中表達成功 1979年 人工合成的人胰島素基因經過重組后導入大腸桿菌 在大腸桿菌中合成了人胰島素 運用基因定向誘變技術和重組DNA技術改造酶或蛋白質的結構 使其具有更高的效能和更好的穩(wěn)定性 以滿足人類社會的需求 生物技術進展 2020 3 10 56 用轉基因動物獲取治療人類疾病的重要蛋白質 如 導入了凝血因子 基因的轉基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子 能有效地用于血友病的治療 轉基因動物和基因剔除動物 2020 3 10 57 在轉基因植物方面取得重大進展 比普通西紅柿保鮮時間更長的轉基因西紅柿投放市場 轉基因玉米 轉基因大豆相繼投入商品生產 我國科學家將蛋白酶抑制劑基因轉入棉花 獲得抗棉鈴蟲的棉花株 轉基因植物和轉基因食品 2020 3 10 58 四 分子生物學與醫(yī)學 2020 3 10 59 1 從機體表型來認識疾病 即根據現象和檢查所獲知的癥狀與體征 2 從組織細胞的病理 生理變化來分析和診斷疾病 使人類積累了十分豐富的醫(yī)學資料 但都不能從本質上真正認識疾病發(fā)生的根本原因 更不能從根本上治愈疾病和闡明疾病的發(fā)病機制 人類對疾病的認識 2020 3 10 60 現代分子生物學已經對醫(yī)學的各個領域產生了全面而深刻的影響 并逐步形成了一系列以分子冠名的交叉學科 如分子遺傳學 分子免疫學 分子病理學 分子血液學 分子腫瘤學 分子病毒學 分子流行病學等 由于生命本質的高度一致性 使得這些學科可以使用同一套理論 同一套技術 來解釋和研究不同的病理 生理現象 甚至治療不同的疾病 2020 3 10 61 由于分子生物學的發(fā)展和滲透 各種生理和病理現象都可能從基因水平找到答案 腫瘤發(fā)生與癌基因和腫瘤抑制基因 表明生物機體各種各樣的生命現象及生理和病理表現 幾乎無一不與基因有關 藥物的耐藥性與抗藥基因 2020 3 10 62 由于分子生物學在醫(yī)學上的不斷滲透和影響 導致基礎醫(yī)學和臨床醫(yī)學從基因水平來探討多種多樣的生命現象 基因診斷和基因治療的開展是分子生物學在醫(yī)學領域中應用的典范 2020 3 10 63 一 分子生物學在基礎醫(yī)學中的應用 基礎醫(yī)學是整個醫(yī)學科學的基石 分子生物學不僅是生命科學的前沿 也是整個基礎醫(yī)學的前沿 今后總的發(fā)展趨勢仍然是分子生物學向醫(yī)學 特別是基礎醫(yī)學廣泛交叉 滲透和影響 2020 3 10 64 1 對人的生理功能和疾病機制的研究 已由整體水平 器官水平進入到細胞和分子水平 對生命的了解 由表面現象觀察進入了本質的探討 2020 3 10 65 2 基礎醫(yī)學中不斷出現新的邊緣學科 如分子生理學 分子藥理學 分子病理學 分子遺傳學 分子免疫學 分子病毒學 分子腫瘤學 分子神經生物學等等 2020 3 10 66 3 傳統(tǒng)上按 形態(tài) 和 機能 來進行基礎醫(yī)學各個學科劃分的界限已日益模糊 出現了各學科在分子水平上進行整合的趨勢 2020 3 10 67 4 開始改變傳統(tǒng)生物學的研究方法和策略 形成了直接從基因水平入手 研究基因型和表型的相互關系 2020 3 10 68 二 分子生物學在病理學中的應用 由于分子生物學向病理學的滲透 出現 分子病理學 這樣一個新學科 分子生物學理論和技術徹底改變了病理學和實驗醫(yī)學的面貌 開始從基因水平來進行疾病診斷 應用于分子病理學的基因檢測技術 揭示了疾病發(fā)生的分子事件 2020 3 10 69 三 基因診斷 由于重組DNA技術的問世 人們對于許多疾病的認識 已經深入到基因水平 一種從基因水平對疾病進行診斷的新技術 基因診斷技術得以誕生和發(fā)展 基因診斷 在DNA水平或RNA水平 應用核酸分子雜交技術 限制性內切酶長度多態(tài)性 RFLP 連鎖分析 PCR技術 DNA序列分析技術以及近年發(fā)展起來的DNA芯片技術等 對人類疾病進行診斷 2020 3 10 70 基因診斷技術 核酸分子雜交 Southern印跡雜交技術 1975年 SouthernEM發(fā)明 從生物體的細胞中提取基因組DNA 并從中鑒別出某一特異的核苷酸序列 Northern印跡雜交技術 1977年AlwineJC等發(fā)明 用于樣品中某種mRNA分子的定量 分子量大小的測定 原理 RNA分子在變性瓊脂糖凝膠中電泳 按分子量大小不同而相互分離 其原理與Southern轉移技術的方法類似 細胞原位雜交技術 1969年 Pardue等建立 2020 3 10 71 基因診斷技術 聚合酶鏈式反應 polymerasechainreaction PCR 1985年 MullisK首創(chuàng) 體外模擬細胞內DNA復制過程 進行體外基因擴增 2020 3 10 72 基因診斷技術 基因芯片 Genechips 技術 基因芯片技術 將大量探針固定于支持物上 與標記的樣品進行雜交 可一次性對樣品中大量序列進行檢測和分析 解決了傳統(tǒng)核酸雜交技術操作繁雜 檢測效率低的問題 通過設計不同的探針陣列和使用特定的分析方法 使該技術具有多種不同的應用價值 如基因表達譜分析 基因突變檢測 多態(tài)性分析 基因診斷等 2020 3 10 73 疊加圖 綠色代表下調 紅色代表上調 黃色無差異 正常樣品Cy3標記 待測樣品Cy5標記 疊加 石奕武 胡維新等 多發(fā)性骨髓瘤的基因表達譜分析 湖南醫(yī)科大學學報 2003 28 3 201 205 2020 3 10 74 2020 3 10 75 2020 3 10 76 基因診斷的其它技術 DNA序列分析技術 DNAsequencing 限制性內切酶長度多態(tài)性 RFLP PCR