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1、周俊宜基础医学院生化教研室基础医学院生化教研室1分子医学概述分子医学概述2生生命命的的螺螺旋旋3从从基因的角度基因的角度重新认识疾病，运用基因技术预防和重新认识疾病，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新生儿疾病甚至设计更加“ “完美完美” ”的新生儿，培育新的的新生儿，培育新的动植物品种动植物品种虽然目前虽然目前基因技术基因技术大多数尚待完善，其发展和应用大多数尚待完善，其发展和应用的前景却未可限量，这使人们看到了可以拥有一个更的前景却未可限量，这使人们看到了可以拥有一个更加美好世界的可能性。加美
2、好世界的可能性。但另一方面，随着基因技术日益深入、广泛地但另一方面，随着基因技术日益深入、广泛地干预干预生命生命，许多人也产生了诸多忧虑，从，许多人也产生了诸多忧虑，从伦理、道德、法伦理、道德、法律、社会律、社会的角度来重新审视基因技术的应用。的角度来重新审视基因技术的应用。分子医学41994年2月，美国国立卫生研究院(NIH)卡普(Karp) , , 布罗德(Broder)癌研究“分子医学的新方向”51994年9月, , NatureNature杂志“分子医学研讨会”“分子医学的挑战”61995年,美国分子医学杂志正式创刊 标志着现代生物医学进入分子医学新阶段7根据卡普等的定义，分子医学的内
3、容包括:发现控制正常细胞行为的基本分子弄清基因异常与疾病发生的关系 通过检查和纠正这些异常基因对疾病进行诊断、治疗和预防 分子医学与传统医学的主要不同在于前者对疾病分子医学与传统医学的主要不同在于前者对疾病的认识和操作都是在的认识和操作都是在分子和基因水平上进行的。水平上进行的。 8分子医学的基本内容:疾病的分子机理疾病的基因诊断疾病的基因治疗疾病的基因预防分子医学的社会、伦理问题9探索疾病的原因，是有效治疗疾病的前提。目前，医学对某些还缺少有效的治疗方法，就是因为对病因缺乏深入的认识。基因科学的发展，为人类从细胞内部的微观生理学和分子生物学水平上寻找病因提供了新的思路。疾病的分子机理疾病的分
4、子机理10维多利亚女王与尼古拉二世维多利亚女王与尼古拉二世维多利亚女王与尼古拉二世维多利亚女王与尼古拉二世11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。血友病是一英国女王维多利亚。她带有血友病的基因，并将其传给了她的儿女。血友病是一种遗传性凝血障碍疾病，患者可能因很小的伤口而出血不止导致死亡。血友病在女性种遗传性凝血障碍疾病，患者可能因很小的伤口而出血不止导致死亡。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，显示出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，显示出病症。维多利亚女王在科堡主持的一次欧洲王室成员集会，与
5、会者有病症。维多利亚女王在科堡主持的一次欧洲王室成员集会，与会者有1717人是她的后裔，人是她的后裔，其中有她的孙女亚历山德拉（其中有她的孙女亚历山德拉（2121），她同俄国沙皇尼古拉二世结婚，导致他们的儿子），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。患有血友病。12 1949194919491949年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的红血细年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的红血细年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的红血细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。胞为镰刀形）与血红蛋白结构异常相关。胞为镰刀形）与血红蛋白结构异常相关。胞为镰刀形）与血
6、红蛋白结构异常相关。 13美国毕晓普和瓦慕斯等人的研究表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，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，正常来就存在一个庞大的癌基因族，正常情况下这些情况下这些原癌基因原癌基因原癌基因原癌基因是不活跃的，但是不活跃的，但当受到病毒入侵或遇到物理、化学等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烟、放射线辐射等
7、因素致癌的原因。14 疾病的基因诊断疾病的基因诊断 从从广广义义上上讲讲，大大多多数数疾疾病病都都可可以以从从遗遗传传物物质质的的变变化化中中寻寻找找出出原原因因。而而从从技技术术上上看看，只只要要找找到到了了与与疾疾病病相相关关的的基基因因，基基因因诊诊断断便便立立即即可可以以实实现现。随随着着“人人类类基基因因组组计计划划”的的进进程程，将将大大大大加加快快疾疾病病相相关关基基因因的的发发现现与与克克隆隆，基基因因诊诊断断将将成成为为疾疾病病诊诊断断的常规方法。的常规方法。 单单基基因因疾疾病病的的诊诊断断：一一般般可可在在临临床床症症状状出出现现之之前前作作出出诊诊断断，不依赖临床表型；
8、不依赖临床表型；有有遗遗传传倾倾向向的的疾疾病病：易易感感基基因因的的筛筛查查，如如高高血血压压，冠冠心心病病，肥胖等。肥胖等。 外源性病源体外源性病源体：如病毒、细菌、寄生虫等引起的传染病：如病毒、细菌、寄生虫等引起的传染病， 15 美国前副总统汉弗莱美国前副总统汉弗莱Humphrey)Humphrey)在在19671967年发现膀胱内有一肿物，病理切片未发现癌细胞年发现膀胱内有一肿物，病理切片未发现癌细胞 良性良性“慢性增生性囊肿慢性增生性囊肿”，未进行手术治疗。，未进行手术治疗。九年后，他被诊断为患有九年后，他被诊断为患有“膀胧癌膀胧癌”，两年后死于该病。，两年后死于该病。 16 199
9、41994年，研究者用灵敏的年，研究者用灵敏的PCRPCR技术对上述汉弗莱技术对上述汉弗莱19671967年的病理切片进行了年的病理切片进行了P53P53抑癌基因检查，发现那时的组抑癌基因检查，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，但其织细胞虽然在形态上还没有表现出恶性变化，但其P53P53P53P53基因的第基因的第基因的第基因的第227227227227个密码个密码个密码个密码子子子子已经发生了一个核苷酸的突变。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
10、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前的很长时间，细胞癌变的信息已经在基因上表现出来了来了17基因鉴定技术人体细胞有总数约为人体细胞有总数约为3030亿个碱基对的亿个碱基对的DNADNA，每个人的，每个人的DNADNA都都不完全相同，人与人之间不同的碱基对数目达几百万之多，因此不完全相同，人与人之间不同的碱基对数目达几百万之多，因此通过分子生物学方法显示的通过分子生物学方法显示的DNADNA图谱也因人而异，由此可以识别图谱也因人而异，由此可以识别不同的人。所谓不同的人。所谓“DNA“DNA指纹指纹” ”，就是把，就是把DNADNA作为像指
11、纹那样的独特作为像指纹那样的独特特征来识别不同的人。由于特征来识别不同的人。由于DNADNA是遗传物质，因此通过对是遗传物质，因此通过对DNADNA鉴鉴定还可以判断两个人之间的亲缘关系。定还可以判断两个人之间的亲缘关系。DNADNA鉴定技术是英国遗传学家鉴定技术是英国遗传学家AJAJ杰弗里斯（杰弗里斯（19501950）在）在19841984年发明的。由于人体各部位的细胞都有相同的年发明的。由于人体各部位的细胞都有相同的DNADNA，因此可，因此可以通过检查血迹、毛发、唾液等判明身分。以通过检查血迹、毛发、唾液等判明身分。18DNADNA指纹指纹只要罪犯在案只要罪犯在案发现场发现场留下任何与留
12、下任何与身体有关的身体有关的东东西，例如血迹和毛西，例如血迹和毛发发，警方就可以根据警方就可以根据这这些蛛些蛛丝马丝马迹将其迹将其擒擒获获，准确率非常高。，准确率非常高。DNADNA鉴鉴定技定技术术在破在破获获强强奸和暴力犯罪奸和暴力犯罪时时特特别别有有效，因效，因为为在此在此类类案件中，罪犯很容案件中，罪犯很容易留下包含易留下包含DNADNA信息的罪信息的罪证证。根据根据DNADNA指指纹纹破案破案虽虽然准确率然准确率高，但也有出高，但也有出错错的可能，因的可能，因为为两个两个人的人的DNADNA指指纹纹在在测试测试的区域内有完的区域内有完全吻合的可能。因此在全吻合的可能。因此在200020
13、00年英国年英国将将DNADNA指指纹测试扩纹测试扩展到展到1010个区域，个区域，使偶然吻合的危使偶然吻合的危险险几率降到十几率降到十亿亿分分之一。之一。1920基因疗法，即是通过基因疗法，即是通过基因水平的操作基因水平的操作来治疗疾病来治疗疾病的方法。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、肝细胞、癌细胞等）胞（如造血干细胞、纤维干细胞、肝细胞、癌细胞等），然后利用对人体无害的病毒当载体，把正常的基因，然后利用对人体无害的病毒当载体，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，嫁接到病毒上，再用这些病
14、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，使人体细胞就可以就可以“获得获得”正常的基因，以取代原有的异常基因；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，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，这些细胞就会发挥送回患者体内，这些细胞就会发挥“医生医生”的功能，的功能，把疾病治好了。把疾病治好了。疾病的基因治疗疾病的基因治疗21一个外科庸医一个外科庸医正在从一个痴呆的正在从一个痴呆的精神病患者头上取精神病患者头上取出出“ “愚人之石愚人之石” ”，该，该画是画是1616世纪
15、博希所世纪博希所画，以讽刺那个时画，以讽刺那个时代人们的无知。但代人们的无知。但在基因时代，如果在基因时代，如果真能取出致病的基真能取出致病的基因，那么这名患者因，那么这名患者也许就有救了。也许就有救了。22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。19901990年年9 9月月1414日，安德森对一例患日，安德森对一例患ADAADA缺乏症的缺乏症的4 4岁岁女孩谢德尔进行基因治疗。这个女孩谢德尔进行基因治疗。这个4 4岁女孩由于遗传基因岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产有缺陷，自身不能生产ADAADA，先天性免疫功能不全，先天
16、性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将含有这个女孩自只能生活在无菌的隔离帐里。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。在以后的基因所替代。在以后的1010个月内她又接受了个月内她又接受了7 7次这样的次这样的治疗，同时也接受酶治疗。经治疗后，免疫功能日趋治疗，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。健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活。谢德尔，谢德尔，1999232
17、4 19901990年沃尔夫（年沃尔夫（WOffWOff）等发现，将带有甲型流感病）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。这种裸露的经受致死剂量的甲型流感病毒的攻击。这种裸露的DNADNA通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。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这种具有疫苗作用的裸露DNADNA称之为称之为“基因疫苗基因疫苗”（gene gene vaccinevaccine）。）。 疾病的基因预防疾病的基因预防25基因
18、疫苗不仅可用于病毒感染，还可用于防治肿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瘤，其主要优点为可以诱导很有效的专一性T T杀伤性杀伤性细胞，后者可以杀死肿瘤细胞。基因疫苗的安全性极细胞，后者可以杀死肿瘤细胞。基因疫苗的安全性极高，一是无直接副作用，二是无间接副作用，不存在高，一是无直接副作用，二是无间接副作用，不存在对人体的毒性，机体耐受性好，输注疫苗不引起其它对人体的毒性，机体耐受性好，输注疫苗不引起其它疾患。疾患。19951995年年4 4月，经美国月，经美国FDAFDA批准进行了首例应用基批准进行了首例应用基因疫苗的人体临床试验因疫苗的人体临床试验
19、。因而，可以看到其实际应用。因而，可以看到其实际应用已指日可待了。已指日可待了。26爱滋病基因疫苗爱滋病基因疫苗爱滋病基因疫苗爱滋病基因疫苗27时钟基因与抗衰老人类从公元人类从公元35003500年前就开始寻找长生不老药。老化的年前就开始寻找长生不老药。老化的原因有多种因素，如蛋白质损伤、原因有多种因素，如蛋白质损伤、DNADNA损伤、细胞膜损伤、损伤、细胞膜损伤、细胞内积累废弃物、端粒缩短等。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，疗疾病、均衡营养、减少环境污染
20、、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。发掘控制衰老或长寿的基因成为最有潜力的途径之一。28 “ “时钟基因时钟基因” ”： 破坏破坏“ “时钟时钟1 1基因基因” ”（clock1geneclock1gene）可使线虫的寿命延长）可使线虫的寿命延长1.51.5倍。倍。科学家们发现，人类也有与时钟科学家们发现，人类也有与时钟1 1基因大致相同的基因。基因大致相同的基因。“ “年龄年龄1 1基因基因” ”（age1age1）、“daf-2”“daf-2”等受损会延长寿命的基因。人等受损会延长寿命的基因。人类的类的DNADNA中原来就有负责化解活性氧毒性的基因，我们也可
21、以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。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。限制热量摄入而延长生命的现象与一种叫作周期。限制热量摄入而延长生命的现象与一种叫作SIR2SIR2基因基因有有关。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。29 DNADNA缠绕成的染色体末端，有称做缠绕成的染色体末端，有称做端粒（端粒（telomeretelomere）的区域。的区域。控制着细
22、胞的分裂次数，端粒随着细胞分裂每次变短，短到某个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，细胞大约能分裂程度，细胞将不再分裂。人的一生中，细胞大约能分裂50506060次。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“ “年龄年龄” ”的指标。如果加入一种的指标。如果加入一种“ “端粒酶端粒酶” ”阻止它缩短，就可使细胞保阻止它缩短，就可使细胞保持年轻，人就像吃了持年轻，人就像吃了“ “唐僧肉唐僧肉” ”一样实现长生不老的梦想。一样实现长生不老的梦想。3031 分分子子医医学
23、学与与传传统统医医学学最最根根本本的的区区别别在在于于前前者者可可在在基基因因水水平平上上对对疾疾病病进进行行操操作作。对对遗遗传传物物质质的的操操作作可可能能引引发发的的后后果果一一开开始始就就是是科科学学界界和和公公众众关关注注的的问问题题。早早在在7070年年代代初初，基基因因重重组组技技术术刚刚开开始始出出现现的的时时候候，以以美美国国著著名名分分子子生生物物学学家家伯伯格格（BergBerg）为为首首的的1111名名科科学学家家共共同同呼呼吁吁禁禁止止开开展展基基因因工程的研究，并得到了美国国立卫生研究院的赞同工程的研究，并得到了美国国立卫生研究院的赞同。 分子医学的社会、伦理问题分
24、子医学的社会、伦理问题分子医学的社会、伦理问题分子医学的社会、伦理问题32 科学家们对自己的研究工作可能产生的严重后果公开科学家们对自己的研究工作可能产生的严重后果公开唤起公众的注意，这在科学史上还是第一次，说明科学唤起公众的注意，这在科学史上还是第一次，说明科学家对遗传物质的操作所取的态度是极其谨慎的。家对遗传物质的操作所取的态度是极其谨慎的。 在那以后，利用基因工程技术在大肠杆茵中生产预定在那以后，利用基因工程技术在大肠杆茵中生产预定的蛋白质分子被证明是无害可行的，因而在的蛋白质分子被证明是无害可行的，因而在8080年代以来年代以来得到了迅速的发展，但将基因操作直接应用于人类疾病得到了迅速
25、的发展，但将基因操作直接应用于人类疾病的治疗则与一般的基因工程不可同日而语。的治疗则与一般的基因工程不可同日而语。 33分子医学常用技术分子医学常用技术343536基因获取基因获取基因检测基因检测基因重组基因重组基因表达基因表达基因标记基因标记基因探测基因探测基因转移基因转移基因信息基因信息3738 获取目标基因常常是基因操作的首要步骤。常规方法有PCR法，基因文库或cDNA文库法以及化学合成法。应根据具体的研究目的和实验条件选用合适的方法。 39化学合成法化学合成法较短的基因（较短的基因（60-80bp60-80bp）用途：用途：PCRPCR引物引物 测序引物测序引物 定点突变定点突变 核酸
26、杂交探针核酸杂交探针40基因文库基因文库限制性限制性内切酶内切酶克隆、转化、培养、鉴定克隆、转化、培养、鉴定基因组DNA基因文库基因文库4142引物引物引物引物引物引物引物引物3555PCRPCR技术技术基因组基因组4344引物设计：引物设计：（1) 1) 序列应位于高度保守区，与非扩增区无同源序列。序列应位于高度保守区，与非扩增区无同源序列。（2 2）引物长度以）引物长度以15-40 bp15-40 bp为宜。为宜。（3 3）碱基尽可能随机分布。碱基尽可能随机分布。（4 4）引物内部避免形成二级结构。）引物内部避免形成二级结构。（5 5）两引物间避免有互补序列。）两引物间避免有互补序列。（6
27、 6）引物）引物33端为关键碱基；端为关键碱基；55端无严格限制端无严格限制45PCR技术的基本过程模板模板模板模板DNADNAdNTPdNTP引物引物引物引物BufferBuffer预变性预变性模板模板模板模板DNADNAdNTPdNTP引物引物引物引物BufferBufferTaqDNATaqDNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶循循环环仪仪9494oC594945555727246加样孔电泳图谱电泳图谱电泳图谱电泳图谱PCRPCRPT-PCRPT-PCRDNAMarker4748对一个基因或一段DNA片段进行检测鉴定是分子医学技术中最常用到的手段。包括电泳检测、序列分析、分光光度分析等方法。49
28、DNA分子的电泳检测电电泳泳条条带带加样孔50凝胶浓度与凝胶浓度与DNA片段大小片段大小电压、电流与分辨率电压、电流与分辨率电泳缓冲液、上样缓冲液电泳缓冲液、上样缓冲液电泳的时间与环境温度电泳的时间与环境温度凝胶板的制备凝胶板的制备51法国法国法国法国VLVL凝胶成像系统凝胶成像系统凝胶成像系统凝胶成像系统 52核酸定量和纯度分析核酸定量和纯度分析共轭双键：对260nm波长紫外光有较强吸收。消消光光系系数数波长波长220240260280300220240260280300 53BECKMANDU800BECKMANDU800核酸蛋白检测仪核酸蛋白检测仪核酸蛋白检测仪核酸蛋白检测仪54DNA序
29、列检测5556基因重组技术作为分子医学中最重要、最基本的技术之一，是许多分子医学实验实施的基础，在基因诊断、治疗和预防中具有举足轻重的意义。5758现代基因工程的创始人现代基因工程的创始人PP伯格伯格伯格伯格（美国（美国,1926,1926）在）在19601960年以敏锐的科学预见年以敏锐的科学预见力提出一个大胆的设想：是否可以创造出一种人工方法，把外界的遗传基因引力提出一个大胆的设想：是否可以创造出一种人工方法，把外界的遗传基因引入动物体内，以达到改变遗传性状和治疗某些疾病的需要呢？入动物体内，以达到改变遗传性状和治疗某些疾病的需要呢？19721972年，伯格把年，伯格把两种病毒的两种病毒的
30、DNADNA用同一种限制性内切酶切割后，再用用同一种限制性内切酶切割后，再用DNADNA连接酶把这两种连接酶把这两种DNADNA分子连接起来，于是产生了一种新的重组分子连接起来，于是产生了一种新的重组DNADNA分子，首次实现两种不同生物的分子，首次实现两种不同生物的DNADNA体外连接，获得了第一批重组体外连接，获得了第一批重组DNADNA分子，这标志着基因工程分子，这标志着基因工程技术的诞生。伯格因此获得了19801980年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖。5919731973年，美国斯坦福大学教授年，美国斯坦福大学教授SS科恩科恩科恩科恩和加州大学旧金山分校教授和加州大学旧金山分校教授HWHW
31、博耶博耶博耶博耶将两个不同的质粒（一个是抗四环素质粒，另一个是抗将两个不同的质粒（一个是抗四环素质粒，另一个是抗链霉素质粒）拼接在一起，组成嵌合质粒，并将其导入大肠杆菌，链霉素质粒）拼接在一起，组成嵌合质粒，并将其导入大肠杆菌，当该重组质粒进入大肠杆菌体内后，这些大肠杆菌能抵抗两种药物，当该重组质粒进入大肠杆菌体内后，这些大肠杆菌能抵抗两种药物，而且这种大肠杆菌的后代都具有双重抗药性。这表明而且这种大肠杆菌的后代都具有双重抗药性。这表明“ “杂合质粒杂合质粒” ”在在大肠杆菌的细胞分裂时也能自我复制。大肠杆菌的细胞分裂时也能自我复制。60科恩随后以科恩随后以DNADNA重组技术发明人重组技术发
32、明人的身份向美国专利的身份向美国专利局申报了世界上第一个基因工程的技术专利。这标志局申报了世界上第一个基因工程的技术专利。这标志着自然界不同物种间在亿万年中形成的天然屏障被打着自然界不同物种间在亿万年中形成的天然屏障被打破了，人类可以根据自己的意愿定向地改造生物的遗破了，人类可以根据自己的意愿定向地改造生物的遗传特性，甚至创造新的生命类型。传特性，甚至创造新的生命类型。 1977 1977年，吉尔伯特（年，吉尔伯特（WGilbertWGilbert）分别将编码）分别将编码胰岛素胰岛素和干扰素和干扰素的的DNADNA经过体外重新拼接后，导入大肠杆菌中，经过体外重新拼接后，导入大肠杆菌中，分别使大
33、肠杆菌合成了胰岛素和干扰素分别使大肠杆菌合成了胰岛素和干扰素。 61基因工程问世后的短短基因工程问世后的短短3030年间，不仅催生了一个又一年间，不仅催生了一个又一个基因工程的新成果，也催生了一个源于个基因工程的新成果，也催生了一个源于DNADNA研究的新兴研究的新兴产业，导致众多的生命科学高技术企业应运而生。到产业，导致众多的生命科学高技术企业应运而生。到20012001年年初，美国生物技术公司已有年年初，美国生物技术公司已有14001400家，而这一数字还不家，而这一数字还不包括为数更多的相关技术公司和传统制药公司，包括为数更多的相关技术公司和传统制药公司，20002000年底年底美国生物
34、技术产业的收入达到美国生物技术产业的收入达到250250亿美元亿美元。可以毫不夸张。可以毫不夸张地说，基因工程对生物、医药和农业等领域都产生了革命地说，基因工程对生物、医药和农业等领域都产生了革命性的影响，它对人们生活影响的深度和广度早已超出了人性的影响，它对人们生活影响的深度和广度早已超出了人们的想象。们的想象。 62淡绿、橘黄、浅红、金黄淡绿、橘黄、浅红、金黄用这些天然彩色蚕茧丝无需染用这些天然彩色蚕茧丝无需染色而织成色彩斑斓的绸缎，兼具华美外观和环保内质色而织成色彩斑斓的绸缎，兼具华美外观和环保内质。通过基因通过基因重组法选育高产彩色茧蚕品种重组法选育高产彩色茧蚕品种获成功。获成功。63
35、玫瑰的栽培历史可以追溯到玫瑰的栽培历史可以追溯到50005000年前，但通过色素呈现出蓝色的年前，但通过色素呈现出蓝色的玫瑰却从来没有过玫瑰却从来没有过。从蓝色三叶草中提取制造蓝色色素的基因，然从蓝色三叶草中提取制造蓝色色素的基因，然后注入到玫瑰中，后注入到玫瑰中，并成功地让翠雀花素单独显色。并成功地让翠雀花素单独显色。64目的基因目的基因基因载体基因载体重组体重组体分切接转筛总总体体技技术术路路线线65分:66切:限制性内切酶“分子手术刀”限制性酶活性缓冲液甲基化底物性状67“ “分子剪刀分子剪刀分子剪刀分子剪刀” ”的发现者的发现者的发现者的发现者68接:DNA DNA 连接酶 “分子针线
36、”69转:70筛:基因载体宿主细胞克隆位点717273大肠杆菌大肠杆菌SSSS蛋白蛋白重组体+SSSS基因基因基因基因741 E.coli1 E.coli表达体系优势： 一种成熟的基因克隆表达的受体细胞 繁殖迅速，培养代谢易于控制 易于进行遗传操作和高效表达75不足之处：1 1）缺乏适当的转录后和翻译后加工机制。2 2）缺乏表达蛋白质复性系统，表达蛋白无特异性空间结构。3 3）表达产物不稳定，易被细菌蛋白酶降解。762 2 目的基因高效表达三个因素： 强化蛋白质的生物合成 抑制蛋白质的降解 恢复蛋白质的空间构象773 3目的基因表达产物的检测1 1）蛋白质的PAGEPAGE对照样品Marker
37、Marker782 2）表达蛋白生物学功能检测淀粉酶基因表达794 4目的蛋白的分离纯化目的蛋白的分离纯化分子筛分子筛分子筛分子筛亲和柱亲和柱亲和柱亲和柱离子交换离子交换离子交换离子交换抗原抗体抗原抗体抗原抗体抗原抗体目的蛋白目的蛋白80安玛西亚快速蛋白纯化仪（安玛西亚快速蛋白纯化仪（FPLC）8182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
38、8384DNA聚合酶-32P-dNTPDNA缺口平移缺口平移855-CCCCAA5-CCCCAAOHOHCCCAACCCCAACCCCAACCCAACCCCAACCCCAAOHOHCCCAACCCAA-3-33-GGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT-3-GGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT-55DNA聚合酶5 3聚合酶5 3外切酶55865-CCCCAACCC5-CCCCAACCC3-GTTGGG3-GTTGGG末端标记物末端标记物 - -3232P-dNTPP-dNTP5-CCCCAACCC5-CCCCAACCC3-3-GGGGGGGTTGGG
39、GTTGGG87基因芯片（Genechip）基因芯片又称基因芯片又称DNADNA芯片或芯片或DNADNA微阵列。它高度集成成微阵列。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）。千上万的网格状密集排列的核酸分子（也叫分子探针）。基因芯片能快速破译人类基因组和检测基因突变，目基因芯片能快速破译人类基因组和检测基因突变，目前，该技术主要应用于基因表达检测、突变检测、基因组前，该技术主要应用于基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。它的出多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。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，现给分子生物学
40、、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成为后基因时代最重要的基因功能分析技术之一。8889应用基因微矩阵芯片研究宫颈癌相关基因表达应用基因微矩阵芯片研究宫颈癌相关基因表达90DNA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。9192转基因生物是指用实验方法导入的外源基因在染色体基因组内稳定整和并能遗传给后代的一类动物。自从1982年Palmiter等首次将大鼠生长激素基因导人小鼠受精卵雄性原核中，获得了个体比对照组大一倍的转基因“超级小鼠”以来，这项高新技术受到各国重视，发展迅速，取得不少突破，全世界已申请的工程动物专利达到80多项
41、。93囊性纤维变性是一种遗传囊性纤维变性是一种遗传病，患者体内会产生粘稠的病，患者体内会产生粘稠的粘液，阻塞肺部、胰腺和消粘液，阻塞肺部、胰腺和消化器官的内部通道，大约有化器官的内部通道，大约有一半的患者活不过一半的患者活不过3131岁。英岁。英国国PPTPPT公司培育了植入人体公司培育了植入人体基因的克隆羊，羊奶中含有基因的克隆羊，羊奶中含有能够治疗囊性纤维变性的人能够治疗囊性纤维变性的人体蛋白。体蛋白。 维尔莫特所在的研究所曾维尔莫特所在的研究所曾向德国一家药厂出售一头这向德国一家药厂出售一头这样的样的转基因羊转基因羊转基因羊转基因羊，获得，获得5050万英万英镑。镑。94“ “克隆克隆”
42、 ”和和“ “转基因转基因” ”之间最大的不同是前者纹丝不动地保留了原来之间最大的不同是前者纹丝不动地保留了原来的遗传性状，而后者则改变了原来的遗传性状。的遗传性状，而后者则改变了原来的遗传性状。“ “克隆克隆” ”是无性繁殖，是无性繁殖，克隆动物是不经过生殖细胞而直接由体细胞获得的新个体；而转克隆动物是不经过生殖细胞而直接由体细胞获得的新个体；而转基因动物和普通动物的区别只在于在受精卵或胚胎干细胞中转入基因动物和普通动物的区别只在于在受精卵或胚胎干细胞中转入了另外的基因。了另外的基因。 如果能将克隆技术和转基因技术结合起来的话，也许可以在短如果能将克隆技术和转基因技术结合起来的话，也许可以在
43、短时间内就得到许多一模一样的拥有优良性状的转基因动物。也就时间内就得到许多一模一样的拥有优良性状的转基因动物。也就是说，转基因动物将不再是单个生产，而是批量生产。这对于制是说，转基因动物将不再是单个生产，而是批量生产。这对于制药或器官移植等领域来说是一个很有潜力的发展方向药或器官移植等领域来说是一个很有潜力的发展方向95克隆羊克隆羊“多利多利多利多利” ”969798基因测序基因测序是确定是确定DNADNA双股链上每个独立结构单元或碱基的双股链上每个独立结构单元或碱基的确切顺序的过程。测序经常被称为确切顺序的过程。测序经常被称为“ “破译破译” ”，因为其结果就像，因为其结果就像解码一样。解码
44、结果包含数百页和成千上万行解码一样。解码结果包含数百页和成千上万行4 4种字母的序列。种字母的序列。这些字母表示这些字母表示4 4种不同的碱基，分别用它们的首字母种不同的碱基，分别用它们的首字母A A、T T、C C、GG表示，其排列顺序中蕴藏着各种各样的遗传信息和生命指表示，其排列顺序中蕴藏着各种各样的遗传信息和生命指令。令。 生物信息学生物信息学(bioinformation) (bioinformation) 是一门伴随着基因组研是一门伴随着基因组研究而产生的交叉学科。广义地说，它是从事与基因组研究有究而产生的交叉学科。广义地说，它是从事与基因组研究有关的生物信息的获取、加工、储存、分配
45、、分析和解释的一关的生物信息的获取、加工、储存、分配、分析和解释的一门学科。这个定义包含两层意思，即对海量数据的收集、整门学科。这个定义包含两层意思，即对海量数据的收集、整理以及对这些数据的应用。理以及对这些数据的应用。99基因组，指的是生物体内的所有基因组，指的是生物体内的所有DNADNA，包括它的基，包括它的基因。人类基因组计划要测定的是人体因。人类基因组计划要测定的是人体2323对染色体中的所对染色体中的所有有DNADNA的序列，它由的序列，它由31.64731.647亿个碱基对组成，共有亿个碱基对组成，共有3 3万万至至3.53.5万个基因。换句话说，生命天书是由万个基因。换句话说，生
46、命天书是由3030多亿个字多亿个字写成的，如果将这写成的，如果将这3030多亿字排版到一张报纸上，那么大多亿字排版到一张报纸上，那么大约需要约需要2020万页纸才能排完这部巨著。万页纸才能排完这部巨著。 由此可以想见，由此可以想见，读取这部巨著所要耗费的时间将是如何的惊人。读取这部巨著所要耗费的时间将是如何的惊人。解读生命的“天书”-人类基因组计划100英国著名化学家桑格。他因英国著名化学家桑格。他因测定出胰岛素的氨基酸排列测定出胰岛素的氨基酸排列顺序获顺序获19581958年诺贝尔化学奖，年诺贝尔化学奖，又因发明测定又因发明测定DNADNA序列的方序列的方法（即桑格法）获法（即桑格法）获19
47、801980年诺年诺贝尔化学奖贝尔化学奖美国分子生物学家美国分子生物学家WW吉尔伯特因发明出另吉尔伯特因发明出另一种测定一种测定DNADNA序列的序列的方法，与桑格分享方法，与桑格分享19801980年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。美国生物化学家穆利斯、1993年因创建PCR技术获诺贝尔化学奖。101根据桑格法开发的根据桑格法开发的DNADNA自动定序机使一周（自动定序机使一周（2424小时小时运转）解读运转）解读100100万甚至几百万个碱基成为可能。它为万甚至几百万个碱基成为可能。它为“ “人类基因组计划人类基因组计划” ”立下了汗马功劳立下了汗马功劳102 “ “人类基因组计划人类基因组
48、计划” ”的主要任务包括：的主要任务包括：找出人类找出人类DNADNA上的所有基因（当时估计约上的所有基因（当时估计约1010万个，万个，后来证实只有后来证实只有3-3.53-3.5万个），确定万个），确定3030亿个碱基对的排亿个碱基对的排列顺序；列顺序；建立相应的数据库，进行数据分析，并分析此计建立相应的数据库，进行数据分析，并分析此计划可能带来的人种、伦理及社会问题；划可能带来的人种、伦理及社会问题；对一些动物的遗传组成进行研究，包括大肠杆菌，对一些动物的遗传组成进行研究，包括大肠杆菌，果蝇和小白鼠等。果蝇和小白鼠等。103DNADNA双螺旋结构体现着一种与和谐的大自然之美交相辉映的科学之美。双螺旋结构体现着一种与和谐的大自然之美交相辉映的科学之美。DNADNA是螺旋状的，生命科学的探索之路也是螺旋的。人体自身和大千世界还有是螺旋状的，生命科学的探索之路也是螺旋的。人体自身和大千世界还有数不清的未解之谜，正等待着人们进行探索。让我们续写和创造永无止境的螺数不清的未解之谜，正等待着人们进行探索。让我们续写和创造永无止境的螺旋之美。旋之美。104
