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1、第一章 走进生命科学什么是生命科学？研究自然界所有生命现象和生命活动规 律的科学。研究生命科学需要什么学科的支持？需要数学、物理、化学、信息科学等多 学科的支持。第一节 走进生命科学的世纪生物学的发展简史：7000年前水稻的种植 5000年前猪的饲养 1400年前齐民要术人工杂交 400年前本草纲目分类 17世纪显微镜的发明 18世纪林奈创立“生物分类法则” 19世纪施莱登和施旺的“细胞学说” 达尔文的物种起源“进化论”20世纪奥森和克里克DNA双螺旋结构分子模型结晶牛胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸 （我国的成就）（个体水平）观察和描述（细胞水平）实验（分子水平）第一节 走进生命科学的世纪二十
2、世纪生物学发展的两个领域？微观领域：宏观领域：分子水平的突破，分子生物 学的确立生态科学的确立（个体和群 体、生物和环境）第一节 走进生命科学的世纪为什么21世纪被认为是生命科学的世纪？看一看：上世纪人类在各领域的投入3050年代各国在核能上竟相投入研究5070年代在航空、航天上竟相投入研究80年代至今信息科技和生命科学逐渐成为龙头生命科学能成为21世纪的龙头，其中数学、 物理、化学、信息科学的发展，为揭开生命之迷 提供了有利的条件。看一看：、近年来生命科学研究的重大成果 人类基因组计划简介人类基因组计划(HGP)是由美国科学 家提出, 1990年美国政府正式启动, 总体计 划在15年内投资3
3、0亿美元, 进行人类全基 因组30亿碱基对的排序分析. 人类基因组计 划得到了世界的广泛支持和行动, 英国, 法国,日本,德国和中国先后加入了人类基因组 计划国际合作研究.2000年6月26日 人类基因组草图完成由美英日法德中六国参加的以及美 国Celera公司独立开展的人类基因组 计划取得重要进展, 他们同时宣布绘制 了人类基因组31亿碱基对中99%的草 图, 其中, 美国完成54%, 我国科技工作 者完成了其中(3号染色体中3000 万个碱基对)的测序任务，并按期完成 了“ 工作框架图”。人类基因组研究的伟大意义n1. 揭开生命的奥秘, 生命的本质, 生命的起源和 进化, 生物的生长发育,
4、 人类的生老病死, 思维 的本质等.n2. 引起一场深远的医学革命, 包括预防医学, 诊 断医学, 治疗医学等, 从根本上改变传统医学的 观念, 从治疗医学到预防医学. n3. 促进生命科学和其它科学的交叉,融合, 诞生 一批新兴的分支学科, 吸引更多的优秀人才加 入到生命科学的领域(Bio-X).n4. 极大推进生物技术的产业化进程, 特别是生 物医药产业的发展.干细胞的研究 干细胞具有自我更新能力和高度增殖以 及多向分化的潜能。又称“万能细胞”。 按照其分化的潜能，可分为：Totipotent （全能性的）Pluripotent（多能性的）Multipotent（专能性的）干细胞的来源来源
5、于胚胎- 胚胎干细胞 ESC（Embryonic Stem Cell ）胚胎性生殖细胞 EGC（Embryonic Germ Cell ）来源于成体- 成年组织来源的干细胞 ASC（Adult-derived Stem Cell )体细胞核移植（SCNT）是得到多能性干细 胞的另一种途径干细胞有什么用呢？造血干细胞移植治疗白血病n造血干细胞移植是从60年代逐渐发展起来 的一种医疗技术，最初是通过抽取供体骨 髓而救治，使急性白血病的长期生存率提 高到5070。n为发展此项技术作出重要贡献的美国医学 家托马斯（E.DThomas）因此而获得了 1990年度的诺贝尔医学奖。 造血干细胞移植过程的示意
6、图HLA配型供体造血干细胞的采集患者超大剂量放化疗预处理 ，摧毁其免疫系统供体造血干细胞输入患者体内， 重建其免疫系统n美国科学家从尚未发病的糖尿病小鼠的胰 岛管中分离出胰岛干细胞，并在体外诱导 分化成能产生胰岛素的细胞。移植实验表 明，接受移植的糖尿病鼠血糖浓度控制良 好，而对照组小鼠则死于糖尿病。这为干 细胞治疗糖尿病奠定了实验基础。胰岛干细胞移植治疗糖尿病由 胚胎干细胞 来源的各种干细胞 及其可能治疗的相关疾病细胞类型疾病 神经细胞中风、帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、脊髓损伤心肌细胞心脏病、充血性心脏病胰岛细胞糖尿病 软骨细胞骨关节炎血细胞免疫缺陷、恶性肿瘤、先天性血液病、白血病干细胞肝炎
7、、肝硬化皮肤细胞烧伤、创伤骨细胞骨质疏松骨骼肌细胞肌营养不良 。克隆动物1997年，“多利羊”在英国诞生标志着高度分化的体细 胞也能进行“无性繁殖”转基因动物1997年，我国上海医学 遗传研究所的科学家将 整合有人凝血因子IX基 因的胚胎转移到母羊子 宫里，1998年成功地产 出了转基因羊，开创了 我国利用转基因动物大 量地生产廉价珍贵药物 的先河。从羊的血中可提取 人的凝血因子IX人体器官移植早在三世纪时，人类就 有器官移植的念头 人面狮身。一个神话般 的想法，是如何成为事 实的呢？这个化不可能为可能 的主角人物就是凯瑞尔（ Alexis Carrel），他克服 了血管缝合技术上的难题 ；而
8、梅德渥尔（Peter B. Medawar）则揭开了排斥 现象之谜。人体器官移植一九三三年，乌 克兰的医生渥若诺利 用输血的血清定型方 法，首次完成同种人 体间的肾脏移植，可 惜没有成功。一九四 六年，哈佛大学哈纳 格、休姆、兰斯特纳 提出移植失败的原因 是因为免疫反应的关 系。一九五三年，法国医生麦肯 和汉伯格则首次完成活体亲属间 肾脏移植，这枚肾脏发挥功能达 22 天之久。一九五四年，哈佛大 学梅瑞尔及穆睿为首的移植小组 ，则首次成功地完成同卵双生子 间的肾脏移植。2005年11月，世界第一 列“换脸”在法国成功多器官多系 统的整合2006年4月，第二列“ 换脸”在中国成功所换的体积比 第
9、一列更大器官移植的供体严重缺乏全国有500万盲人，其中400万可以通过角 膜移植得到光明。美国人工培 植膀胱，且 移植成功。1996年，我国科学家利用 组织工程学技术，世界第一个 在裸鼠背上人工复制“人耳”、近年来生命科学正在研究的问题 后基因组计划-生命解码的第二步n 人类基因组草图的绘制只是生 命揭密的第一步, HGP已经由结构基 因组向功能基因组转化. n HGP人类基因组草图本身并不代 表生物医药本身, 而功能基因组的研 究将为研究基因功能, 生命奥秘, 新药 筛选, 疾病治疗和预防, 基因克隆, 基 因诊断和基因治疗, 提高人体健康水 平奠定基础. 转基因技术带荧光的鼠和兔不易变质的
10、 转基因番茄转基组技术 “杂交水稻之父” 袁隆平改变育种 方法，2000年5月 开始实施“水稻基 因组计划”，并于 2002年4月4日完 成世界第一张籼 稻全基因组框架 序列图。我科学家发现谷类“大个子”基因解放日报06年8月27日记者 彭德倩报道：昨天从复旦 大学传出信息：该校生命 科学院研究人员在国际上 首次发现可使谷类种子变 成“大个子”的基因片断 位于开花基因FCA中名 为RRM1的结构域。专家指 出，RRM1基因片断带来大 粒种子的奥秘是：它可使 植株的所有细胞变大。基因治疗n60年代Lederberg设想基因治疗遗传病n1980年，美国Cline 主持了地中海贫血 的基因治疗, 引
11、发社会风波n1980-1989年, 美国 Anderson 为首的科学 家争取社会和政府的支持理解，FDA和 RAC制定了基因治疗审批管理方案n1989年 美国Rosenberg 经FDA批准主持肿 瘤患者标志基因转移临床试验. n1990年, 美国 Culver/Blease 主持世界首例 ADA缺乏症基因治疗临床试验.基因治疗研究现状n 基因治疗从1989年进入临床试验以 来, 从相对禁锢到迅速发展, 过热泛滥, 反思降温, 平稳发展, 猛烈抨击, 捷报频 传等阶段, 几经波折, 充分体现了新生事 物发展规律. n 但是, 无论基因治疗发展坎坷如何, 科学家坚信, 基因治疗是一场医学革命,
12、 在 21世纪将真正走向临床, 为人类造福. 基因治疗糖尿病n 全世界糖尿病患者已超过1.2亿，糖尿病 已成为仅次于心脑血管疾病和癌症的第三 大死亡疾病的“甜蜜杀手”。 我国目前糖尿病 患者的总数已达到3000万人，跃居世界第 二位。n2000年美国爱尔伯特大学的Anhony T.Cheung等人制备了K细胞特异表达胰岛素 的转基因小鼠。注射细胞特异毒剂STZ后 ，对照鼠7-10天内由于糖尿病而死亡，而 转基因鼠直到3个月都没出现糖尿或高血糖 ，体重也没显著变化。n 韩国Yonsei 大学的Lee HC等人采用 LPK启动子调控胰岛素类似物（SIA）表 达. SIA通过AAV途径转入STZ诱发
13、糖尿病 大鼠或者自身免疫性糖尿病NOD小鼠体内 ，糖尿病鼠的症状明显好转，血糖浓度 得到控制，并且SIA的表达受血糖浓度调 控，葡萄糖耐受实验也获得了一致的结 果,也没有发现明显的毒副作用.n 糖尿病基因治疗的热潮将要兴起, 2001年美国基因治疗年会已经有20余篇 论文摘要. 基因治疗身体创伤n 基因治疗将来可能治疗运动员严重 受伤的肌肉，骨折的大腿或膝盖。n 在动物实验中，基因治疗已成功的 愈合了骨折的骨骼，而且使受伤的肌 肉长得更加强壮。 可以用来治疗目前 技术无法治愈的严重受伤的关节和骨 骼, 韧带和肌腱, 也有可能治疗如关节 炎等关节疾病。基因治疗肥胖n 台湾中研院 李英惠利用基 因
14、治疗来防止肥胖。可利用基因取代策 略，把体内一个控制脂肪细胞发育因子 取代成另一功能相似相互有别的因子,脂 肪转变成高代谢活性的能量消耗, 不影响 人脂肪功能及正常代谢机能 。 n这项基因治疗已在老鼠身上获得良好的效果，经过基 因治疗者虽然美食保持苗条体型。该研究可望让人们吃 得多、吃得好，不运动也不会增胖。n 其它治疗肥胖的策略: PCG-1,瘦素基因,能量代谢开 关, 脂肪吸收基因反义抑制, 线粒体解偶联蛋白基因等.基因治疗侏儒症n Kagami证实用涎腺基因治 疗其合成蛋白可投递到全身 。n 将AdGH经尾静脉注入侏儒 小鼠，血中生长激素升高， 恢复到正常范围，侏儒小鼠 生长发育明显改善
15、，接近正 常小鼠，对照组侏儒小鼠体 重仅为治疗组的十分之一。 动物实验已见很好的苗头。基因治疗肌肉老化n 美国宾夕法尼亚州大学成功发 明新的基因治疗法，能够防止老 鼠的肌肉老化,使肌肉不致因年纪 而失去力量和萎缩。 n人类到了五十岁以後，肌肉的功能会每十年退 化10%, IGF-I蛋白质刺激肌肉生 长，补充已损坏 的肌肉细胞；利用基因治疗，使肌肉继续制造 IGF-I蛋白质,实验 证实，老鼠经过基因治疗後， 肌肉的功能增加百分之27%.基因治疗成功范例(I)n ADA缺乏症基因治疗: ADA缺乏导致严重联合 免疫缺乏症, 没有免疫能力. 1990年9月 , 一位 四岁的ADA缺乏症女孩接受了首例
16、基因治疗, 患者注入10亿个遗传修饰的T淋巴细胞, 约每月 1次, 连续1年, ADA水平从1%上升到20%, 淋巴 细胞数量正常, 免疫功能正常, 1991年另一位9 岁患者基因治疗也取得成功, 他们从隔离病房 走向了美好生活. 美国,意大利,荷兰和日本等国 先后开展了该病临床试验.世 界 首 例 基 因 治 疗 患 者基因治疗成功范例(II)n血友病B基因治疗: 血友病是一种由于人凝 血因子缺陷导致的遗传性出血疾病. 1991年, 复旦大学遗传学研究所采用反转录病毒介导 的自体皮肤成纤维细胞对2例血友病B患者 进行了世界首次血友病基因治疗临床试验, 患者体内凝血因子浓度和活性上升, 出血症 状减轻, 取得了安全有限的结果. 1999年美 国UP和Avigen 公司合作采用AAV途径进行 了
