基因与疾病知识概述

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1、基因与疾病,主讲教师：黄慧聪,基因工程大事记,1973 Cohen第一例成功的克隆实验 1978 Genentech公司 人胰岛素 世界上第一种基因工程蛋白药物 1982 第一个基因工程药物-重组人胰岛素在英、美获准使用 1985 第一批转基因家畜（兔、猪和羊），中国 转基因鱼,1993 基因工程西红柿在美国上市 1997 英国罗斯林研究所 多莉羊 1999.9 中国获准加入人类基因组计划.负责测定人类基因组全部序列的1% 2000.6.26 科学家公布人类基因组工作草图 2001.2.11 公布人类基因组基本信息 生物技术工程：基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程,从基因的角度重新认识疾病

2、，运用基因技术预防和治疗疾病、鉴定身份，器官再造，运用基因技术防止新生儿疾病甚至设计更加“完美”的新生儿，培育新的动植物品种,分子医学,分子医学的基本内容:,疾病的分子机理 一、基因结构异常 二、癌基因与抑癌基因 疾病的基因诊断 疾病的基因治疗,英国女王维多利亚。她带有血友病的基因，并将其传给了她的儿女。血友病在女性一般表现为隐性遗传，较少发病，但会传给后代；在男性则表现为显性遗传。她的孙女亚历山德拉（21），她同俄国沙皇尼古拉二世结婚，导致他们的儿子患有血友病。,疾病的分子机理,HbA与HbS比较,1949年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的红血细胞为镰刀形）与血红蛋白结构异常相关，根据杂交原

3、理应用限制性酶切图谱分析，其病因是密码子GAG突变为GTG。,3获得性基因病 由病原微生物感染引起的，不会遗传。,2多基因病（Multifactor gene disorder） 由多基因的结构或表达调控的改变引发的疾病。 【Clinic disease】 高血压、糖尿病、自身免疫性疾病和恶性肿瘤。,Duchenne肌营养不良症（假性肌肥大型）,白化病患者,21三体综合症患儿 （先天愚型）,唇裂与腭裂,（一）基因突变 基因组DNA分子在结构上发生核酸序列或数目的改变。,1. 碱基置换突变 概念 一个碱基被另一碱基取代而造成的突变。,同义突变（Same-sense or synonymous m

4、utation） 单个碱基置换后，改变前后密码子所编码的氨基酸一样。,如错义突变不影响蛋白质或酶的生物活性，不出现明显的表型改变 （效应），称为中性突变（Neutral mutation）。,3.染色体错误配和不等交换（ Mispaired synapsis and unequal crossing-over）,整码突变（Codon mutation） 如插入或丢失部位的前后氨基酸顺序不变。,二、癌基因、抑癌基因,癌基因：指具有致癌能力或致癌潜能的基因的总称。它是细胞内总体遗传物质的组成部分。,当其受到致癌因素作用被活化并发生异常时，则导致细胞癌变。 病毒癌基因；细胞癌基因 癌基因的名称一般用

5、3个斜体小写字母表示，如myc、ras、src等。,抑癌基因：抑制细胞过度生长、增殖从而遏制肿瘤形成的基因。,意大利裔美国病毒学家R杜尔贝科20世纪60年代初发现：致癌病毒会把自身携带的DNA片断整合到宿主细胞的DNA上，在宿主细胞核内形成新的DNA。新的DNA上的一些来自致癌病毒的基因，会使细胞（这时宿主细胞已成为癌细胞）疯狂地增殖，导致肿瘤的产生。 美国病毒学家H特明、美国病毒学家和生物化学家D巴尔的摩都曾是杜尔贝科的学生。1970年，特明与巴尔的摩发现在RNA致癌病毒中存在着一种“逆转录酶”，在它的作用下，可以将RNA逆转录成为DNA。这就解释了RNA病毒的致癌机理。 由于上述成果，杜尔

6、贝科、特明与巴尔的摩师生三人共同荣获1975年诺贝尔生理或学医学奖。,1976年，美国生物化学家、病毒学家JM毕晓普和美国微生物学家、病毒学家HE瓦慕斯发现许多动物包括人类与生俱来就带着癌症的种子原癌基因（即原致癌基因），而且数量相当惊人。这一发现引起人们的恐慌，许多实验室纷纷投入实验，企图否定这一发现，然而结果却使人们不得不相信他们的发现是正确的。 由于发现动物体内的“原癌基因”，毕晓普和瓦慕斯共同荣获1989年的诺贝尔生理学或医学奖。,美国毕晓普和瓦慕斯等人的研究表明：动物体内的癌基因不是来自病毒，而是由于在动物的正常细胞基因中本来就存在一个庞大的癌基因族，正常情况下这些原癌基因是不活跃的

7、，但当受到病毒入侵或遇到物理、化学等因素作用时，就可能被激活，突变为癌基因。这也就解释了化学污染、吸烟、放射线辐射等因素致癌的原因。,（一）原癌基因的特点,1、广泛存在 2、高度保守 3、是细胞的必需基因，有重要作用 4、结构异常或表达失控引起细胞恶变,（二）癌基因活化的机制,1、获得启动子与增强子 2、基因易位 3、原癌基因扩增 4、点突变,（三）原癌基因的产物与功能,原癌基因的产物 1、生长因子：PDGF、EGF、TGF-2 2、生长因子受体 3、细胞内信号转导体 4、核内转录因子,美国前副总统汉弗莱Humphrey) 在1967年发现膀胱内有一肿物，病理切片未发现癌细胞 良性“慢性增生性

8、囊肿”，未进行手术治疗。 九年后，他被诊断为患有“膀胧癌”，两年后死于该病。,1994年，研究者用灵敏的PCR技术对上述汉弗莱1967年的病理切片进行了P53抑癌基因检查，发现那时的组织细胞虽然在形态上还没有表现出恶性变化，但其P53基因的第227个密码子已经发生了一个核苷酸的突变。就是这个基因的微小变化，使其抑癌功能受损，导致九年后细胞癌变的发生。这说明，在典型症状出现之前的很长时间，细胞癌变的信息已经在基因上表现出来了., 疾病的基因诊断,从广义上讲，大多数疾病都可以从遗传物质的变化中寻找出原因。而从技术上看，只要找到了与疾病相关的基因，基因诊断便立即可以实现。随着“人类基因组计划”的进程

9、，将大大加快疾病相关基因的发现与克隆，基因诊断将成为疾病诊断的常规方法。,单基因疾病的诊断：一般可在临床症状出现之前作出诊断，不依赖临床表型； 有遗传倾向的疾病：易感基因的筛查，如高血压，冠心病，肥胖等。 外源性病源体：如病毒、细菌、寄生虫等引起的传染病，,一、基因鉴定技术,人体细胞有总数约为30亿个碱基对的DNA，每个人的DNA都不完全相同，人与人之间不同的碱基对数目达几百万之多。 所谓“DNA指纹”，就是把DNA作为像指纹那样的独特特征来识别不同的人。由于DNA是遗传物质，因此通过对DNA鉴定还可以判断两个人之间的亲缘关系。 DNA鉴定技术是英国遗传学家AJ杰弗里斯（1950）在1984年

10、发明的。由于人体各部位的细胞都有相同的DNA，因此可以通过检查血迹、毛发、唾液等判明身分。,DNA指纹,只要罪犯在案发现场留下任何与身体有关的东西，例如血迹和毛发，警方就可以根据这些蛛丝马迹将其擒获，准确率非常高。DNA鉴定技术在破获强奸和暴力犯罪时特别有效，因为在此类案件中，罪犯很容易留下包含DNA信息的罪证。 根据DNA指纹破案虽然准确率高，但也有出错的可能，因为两个人的DNA指纹在测试的区域内有完全吻合的可能。因此在2000年英国将DNA指纹测试扩展到10个区域，使偶然吻合的危险几率降到十亿分之一。,核酸标记： 同位素标记 非同位素标记,核酸探针：探针是一段人工合成的碱基序列，连接上一些

11、可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用探针到基因混合物中识别特定基因,核酸杂交：探测基因所依据的最基本的理论就是核酸碱基互补原则，最常用的方法就是核酸分子杂交，它应用一段与目标基因碱基互补的核酸作为探针去探测待测样品,二、基因芯片（Genechip） 基因芯片又称DNA芯片或DNA微阵列。它高度集成成千上万的网格状密集排列的核酸分子（也叫分子探针）。 它的出现给分子生物学、细胞生物学及医学领域带来新的革命，成为后基因时代最重要的基因功能分析技术之一。,DNA微点阵已广泛和流行的用于疾病诊断、基因组比较、以及新型癌症的分类。,三、时钟基因与抗衰老,人类从公元3500年前就开始寻找长生不老药。老化

12、的原因有多种因素，如蛋白质损伤、DNA损伤、细胞膜损伤、细胞内积累废弃物、端粒缩短等。 提升寿命上限的目标可以通过多种方法实现，除了治疗疾病、均衡营养、减少环境污染、适量运动等方法外，发掘控制衰老或长寿的基因成为最有潜力的途径之一。,“时钟基因”： 破坏“时钟1基因”（clock 1 gene）可使线虫的寿命延长1.5倍。科学家们发现，人类也有与时钟1基因大致相同的基因。 “年龄1基因”（age 1）、“daf-2”等受损会延长寿命的基因。人类的DNA中原来就有负责化解活性氧毒性的基因，我们也可以采取活化该基因的办法，以防止老化。 热量限制可以延长包括哺乳动物在内的许多物种动物的生命周期。限制

13、热量摄入而延长生命的现象与一种叫作SIR2基因有关。 “我还活着”基因一旦发生改变，就会使果蝇寿命延长一倍。 人体内也存在这种基因，它是通过改变新陈代谢来发挥作用的。,DNA缠绕成的染色体末端，有称做端粒（telomere）的区域。控制着细胞的分裂次数，端粒随着细胞分裂每次变短，短到某个程度，细胞将不再分裂。人的一生中，细胞大约能分裂5060次。因此端粒是控制生理寿命的生物钟，而端粒长短就成为表示细胞“年龄”的指标。如果加入一种“端粒酶”阻止它缩短，就可使细胞保持年轻。,基因疗法，即是通过基因水平的操作来治疗疾病的方法。 目前的基因疗法是先从患者身上取出一些细胞（如造血干细胞、纤维干细胞、肝细

14、胞、癌细胞等），然后利用病毒当载体，把正常的基因嫁接到病毒上，再用这些病毒去感染取出的人体细胞，让它们把正常基因插进细胞的染色体中，使人体细胞就可以“获得”正常的基因，以取代原有的异常基因；接着把这些修复好的细胞培养、繁殖到一定的数量后，送回患者体内，这些细胞就会发挥“医生”的功能，把疾病治好了。, 疾病的基因治疗,美国医学家WF安德森等人对腺甘脱氨酶缺乏症（ADA缺乏症）的基因治疗，是世界上第一个基因治疗成功的范例。,1990年9月14日，安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女孩谢德尔进行基因治疗。这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。

15、他们将含有这个女孩自己的白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中，这种白血球都已经过改造，有缺陷的基因已经被健康的基因所替代。在以后的10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受酶治疗。经治疗后，免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活。,谢德尔，1999,一、基因治疗概念 狭义概念 将具有正常功能的基因置换或增补患者体内有缺陷的基因，从而达到治疗疾病的目的。 广义概念 将某种遗传物质转移到患者细胞内，使其在体内发挥作用，最终达到治疗疾病的目的。,二、基因治疗的基本程序 （一）治疗性基因的获得 在了解疾病发生的分子机制基础上， 选择对疾病有治疗作用的特定基因。 （二）基因载体的选择

16、 基因治疗关键步骤之一，是将治疗基因高效转移 入患者体内、并能调控其适度表达。 常用的载体有两类：病毒载体和非病毒载体。 病毒载体：逆转录病毒载体， 腺病毒载体， 腺相关病毒载体等； 非病毒载体：,（三）靶细胞的选择 基因治疗的受体细胞有生殖细胞和体细胞两大类。 对生殖细胞进行基因治疗，可使该生殖细胞分化发育成长的个体及其后代均具有正常基因，理论上讲是根治遗传病的理想方法。 但由于涉及安全性和伦理学问题，目前基因治疗中禁止使用生殖细胞作为靶细胞，只限于使用体细胞。,1990年沃尔夫（WOff）等发现，将带有甲型流感病毒核蛋白编码基因的质粒注射到小鼠肌肉内，可使小鼠能经受致死剂量的甲型流感病毒的攻击。这种裸露的DNA通过滴鼻和肠道也可以进人细胞，并获得成功的保护性免疫。这种具有疫苗作用的裸露DNA称之为“基因疫苗”（gene vaccine）。,疾病的基因预防,基因疫苗不仅可用于病毒感染，还可用于防治肿瘤，其主要优点为可以诱导很有效的专一性T杀伤性细胞，后者可以杀死肿瘤细胞。