医学分子生物学基础课件

医学分子生物学基医学分子生物学基础 (Medical Basic Moleculobiology)-研究生物大分子研究生物大分子结构构-功能功能-相关相关联系系阐明明 生命生命现象本象本质;-为人人类认识生命生命现象象带来前所未有的机会来前所未有的机会,为人人类利用和改造生物利用和改造生物创造了造了宽广的前景广的前景!第一第一节 分子生物学进展与研究内容分子生物学进展与研究内容一、分一、分子生物学发展简史（二个阶段子生物学发展简史（二个阶段）1.准备与酝酿阶段准备与酝酿阶段(19世纪后期世纪后期-20世纪世纪50年代初年代初)医学分子生物学基础1 认识生命现象的二大标志性突破认识生命现象的二大标志性突破:(1)确定了蛋白质是生命的主要物质确定了蛋白质是生命的主要物质-19世纪末世纪末 Bucher兄弟兄弟:酶是生物催化剂酶是生物催化剂 糖糖 发酵发酵洒精洒精 酵母酵母 20世纪世纪30-40年代年代:酶的本质是蛋白质酶的本质是蛋白质 许多生命现象许多生命现象(生命代谢活动生命代谢活动)与酶有关与酶有关,可可 用纯酶或蛋白质在体外重复用纯酶或蛋白质在体外重复 (2)确定生物遗传基础物质是确定生物遗传基础物质是DNA-1944年年O.T.Avey 证明肺炎球菌转化因子是证明肺炎球菌转化因子是DNA 1952年年A.D.Hershey 和和M.Chase进一步证明进一步证明DNA 是遗传物质是遗传物质 认识生命现象的二大标志性突破:22.现代分子生物学的建立和发展现代分子生物学的建立和发展(50-70年代年代)里程碑里程碑:1953年年Watson&Crick DNA双螺旋链。双螺旋链。DNA双螺旋链发现的价值双螺旋链发现的价值:确立了核酸作为信息分子的结构基础确立了核酸作为信息分子的结构基础,提出了提出了碱碱基基 配对配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式是核酸复制、遗传信息传递的基本方式 确定了确定了核酸是遗传的物质基础核酸是遗传的物质基础 为认识核酸与蛋白为认识核酸与蛋白 质的关系及基在生命中的作用打下最重要的基础质的关系及基在生命中的作用打下最重要的基础 本阶段的标志性进展：本阶段的标志性进展：遗传信息传递中心法则的建立遗传信息传递中心法则的建立 DNA 复制将信息传复制将信息传 给子代给子代,RNA在遗传信息传到蛋白质过程中起着中在遗传信息传到蛋白质过程中起着中 介作用介作用;mRNA与与DNA序列互补。序列互补。认识到蛋白质是接受认识到蛋白质是接受RNA 的遗传信息而合成的遗传信息而合成 破译破译 了了RNA上编码合成蛋白质的上编码合成蛋白质的遗传密码遗传密码，认识了蛋白，认识了蛋白2.现代分子生物学的建立和发展(50-70年代)3 质翻译过程中的基本过程。质翻译过程中的基本过程。HIV(Human Immuno-deficiency Virus)属属RNA病毒病毒,是是AIDS(Acquired Immuno-deficiency Syndrom)病源病源二、分子生物学主要研究内容二、分子生物学主要研究内容 1.核酸的分子生物学核酸的分子生物学 -研究核酸的结构及功能研究核酸的结构及功能(包括核酸包括核酸/基因组的结基因组的结 构、构、遗传信息的复制、转录一翻译、核酸储存的信息修遗传信息的复制、转录一翻译、核酸储存的信息修 复与突变、基因表达调控和基复与突变、基因表达调控和基 因工程技术的发展等因工程技术的发展等)2.蛋白质的分子生物学蛋白质的分子生物学 -研究执行各种生命功能的主要大分子研究执行各种生命功能的主要大分子-蛋白质的结蛋白质的结 构与功能构与功能 质翻译过程中的基本过程。4 3.细胞信息转导的分子生物学细胞信息转导的分子生物学 研究细胞内研究细胞内/细胞间信息传递的分子基础。细胞间信息传递的分子基础。外源信号外源信号 细胞细胞 （转为一系列生物化学变化（转为一系列生物化学变化 如蛋白质构象转变、如蛋白质构象转变、蛋白质分子磷酸化、蛋白相互间的变化等）蛋白质分子磷酸化、蛋白相互间的变化等）细胞增殖细胞增殖/分化分化/分泌分泌 （适应环境需要）（适应环境需要）研究的目标研究的目标是阐明每一种信号转导与传递的途径是阐明每一种信号转导与传递的途径 /参与该途径的所有分子的作用和调节方式参与该途径的所有分子的作用和调节方式/各途各途 径间的网络调控系统。径间的网络调控系统。3.细胞信息转导的分子生物学5 第二节第二节 基因与基因工程基因与基因工程 一、基因与基因组一、基因与基因组 基因基因(1909年丹麦年丹麦W.L.Johannsen)-基因是基因是DNA分子中含有分子中含有特定遗传信息特定遗传信息的一段核苷的一段核苷 酸序列，是遗传物质的最小功能单位。酸序列，是遗传物质的最小功能单位。对于编码蛋对于编码蛋 白质结构基因来说，基因是决定一条多肽链的白质结构基因来说，基因是决定一条多肽链的 DNA 功能片段。功能片段。-基因分子位于细胞核的染色体上基因分子位于细胞核的染色体上;其通过复制把其通过复制把 遗传信息传递给下一代遗传信息传递给下一代,从而使后代表现出与亲代从而使后代表现出与亲代相相 似的性状。似的性状。-正常人体有正常人体有23对染色体对染色体,长度总和约长度总和约1600亿公里亿公里;其中的性染色体其中的性染色体X-Y是决定性别的。是决定性别的。第二节 6 -基因分三类：基因分三类：编码蛋白质基因（具有转录和翻译功能）编码蛋白质基因（具有转录和翻译功能）只有转录功能但无翻译功能的基因只有转录功能但无翻译功能的基因 不转录基因（调控基因）不转录基因（调控基因）基因组基因组 指细胞或生物体一条完整单体的全部染色体物质指细胞或生物体一条完整单体的全部染色体物质 遗传物质的总和。包括全部基因与调控元件遗传物质的总和。包括全部基因与调控元件,具体来具体来 说，基因组主要指不同的说，基因组主要指不同的DNA功能区域在整个功能区域在整个DNA 分子中的分布情况，即总体分子中的分布情况，即总体DNA核苷酸顺序。核苷酸顺序。人类细胞基因组人类细胞基因组 通常指包括通常指包括X-Y染色体在内的染色体在内的23 对染色体中的所有基因。对染色体中的所有基因。人类基因组计划人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)旨在阐明人类基因组旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列亿个碱基对的序列,发现所有发现所有 -基因分三类：7 人类基因并搞清其在染色体上的位置人类基因并搞清其在染色体上的位置,破译人类全部破译人类全部 遗传信息遗传信息,使人类第一次在分子水平上认识自我。使人类第一次在分子水平上认识自我。HGP进展简况：进展简况：-1985年年 美国科学家提出美国科学家提出 -1990年年 正式启动正式启动 30亿美元亿美元 -1996年年 后基因组学后基因组学(功能基因组学功能基因组学/蛋白组学蛋白组学)-2006年年5月月 展望展望:利用基因组全系列所提供的信息进行各种疾利用基因组全系列所提供的信息进行各种疾病病 的基因定位研究和治疗的基因定位研究和治疗二、基因工程二、基因工程 基因工程基因工程 能通过人的意志能通过人的意志,对不同生物的遗传基因进对不同生物的遗传基因进 行行切割、拼接、和重组切割、拼接、和重组,再转入生物体内再转入生物体内,产生出人产生出人们们 期望的产物，或创造出具有新遗传特征的生物类型期望的产物，或创造出具有新遗传特征的生物类型 人类基因并搞清其在染色体上的位置,破译人类8 基因工程分基因工程分5个步个步骤(下下图):待插入的外源待插入的外源DNA 质粒粒载体体 (连接接)重重组体体DNA (转化化)宿主染色体宿主染色体 (筛选)(克隆克隆)DNA重重组体的构建与克隆示意体的构建与克隆示意图 基因工程分5个步骤(下图):9 (1)获取符合要求的获取符合要求的DNA片段片段(目的基因目的基因)-(2)用特异限切酶切割用特异限切酶切割 目的基因目的基因 和和载体载体DNA-(3)重组重组DNA(将目的基因与质粒或病毒将目的基因与质粒或病毒DNA连接连接)-(4)将将重组重组DNA 引入某种细胞引入某种细胞 (5)把能表达的目的基因受体细胞挑选出来把能表达的目的基因受体细胞挑选出来-从从20世纪世纪80年代始年代始,基因工程药品基因工程药品 疫苗等产品广泛疫苗等产品广泛 应用于医药领域应用于医药领域;基因工程技术在农基因工程技术在农 林林 牧牧 渔等行业渔等行业 也大显身手也大显身手,培育出许多高产质优抗性强的新品种。培育出许多高产质优抗性强的新品种。三、基因芯片三、基因芯片 基因芯片概念（定义）基因芯片概念（定义）基因芯片技术基因芯片技术-是一种大规模集成的固相杂交，是一种大规模集成的固相杂交，即在即在 (1)获取符合要求的DNA片段(目的基因 10 固相支持物上原位合成寡核苷酸固相支持物上原位合成寡核苷酸 或或 直接将多种预先直接将多种预先 制备制备DNA探针探针 以显微打印方式有序的以显微打印方式有序的 固定于支持物固定于支持物 表面，然后与标记的样品杂交。通过对杂交信号的检表面，然后与标记的样品杂交。通过对杂交信号的检 测分析，得出样品的遗传信息（基因序列与表达的信测分析，得出样品的遗传信息（基因序列与表达的信 息），由于常用计算机硅芯片作因相支持物，所以称息），由于常用计算机硅芯片作因相支持物，所以称 为为DNA芯片。芯片。基因芯片的应用：基因芯片的应用：生物医学、分子生物学基础研究生物医学、分子生物学基础研究-利用利用基因芯片技术基因芯片技术 可寻找基因与疾病（可寻找基因与疾病（Ca./遗传病遗传病/传染病等）的相关性传染病等）的相关性进而发展相关药物进而发展相关药物/疫苗治疗疫苗治疗 医学临床诊断医学临床诊断-一旦弄清疾病与基因的相关性一旦弄清疾病与基因的相关性,基因芯片即可提供高基因芯片即可提供高 效简便诊断。现代基因芯片诊断技术优势突显：效简便诊断。现代基因芯片诊断技术优势突显：固相支持物上原位合成寡核苷酸 或 直接将多11 基因诊断速度加快基因诊断速度加快 一般可在一般可在30 min完成完成-检测效率高检测效率高 每次可同时检测上千个基因序列每次可同时检测上千个基因序列-基因诊断成本基因诊断成本-自动化程度自动化程度-由于是全封闭由于是全封闭 避免了交义感染避免了交义感染 假阳假阳/阴性率阴性率 HGP的研究的研究-基因芯片技术既是基因芯片技术既是HGP研究成果的重要应用研究成果的重要应用,又又是促进是促进人类基因组学、后基因组学、功能基因组学人类基因组学、后基因组学、功能基因组学 研究的崭新手段；研究的崭新手段；开展基因表达活性和大规模的基因变异多态性研开展基因表达活性和大规模的基因变异多态性研究时究时,就用定制的就用定制的DNA芯片可同时监测千百个基因芯片可同时监测千百个基因,甚至全部基因。甚至全部基因。基因诊断速度加快 一般可在30 mi12 第三节第三节 基因与疾病基因与疾病一、基因结构变异一、基因结构变异 基因突基因突变的定的定义：基因突基因突变是指是指:基因的核苷酸碱基或基因的核苷酸碱基或顺序序发生改生改变。仅涉及涉及DNA分子中分子中单个碱基改个碱基改变者称者称点突点突变;涉及多涉及多 个碱基的不有个碱基的不有缺失缺失、重复重复、和、和 插入插入等形式。等形式。基因突变的种类（基因突变的种类（4种）：种）：碱基置换突变碱基置换突变（图（图6-2，P230）一个碱基被另一个碱基取代一个碱基被另一个碱基取代的突变称碱基置换突变。的突变称碱基置换突变。一个嘌呤一个嘌呤(-(-嘧啶嘧啶)被另一个被另一个嘌呤嘌呤(-嘧啶嘧啶)取代称取代称 转换转换;一个嘌呤一个嘌呤(-嘧啶嘧啶)被另一个嘧啶被另一个嘧啶(-嘌呤嘌呤)取代称取代称 颠换颠换;13 碱基置换会导致蛋白质一级结构氨基酸组成的改变碱基置换会导致蛋白质一级结构氨基酸组成的改变 而影响蛋白质生物酶的功能。而影响蛋白质生物酶的功能。因碱基置换导致核苷酸顺序改变因碱基置换导致核苷酸顺序改变，对，对多肽链中氨基多肽链中氨基 酸顺序的影响有下列几种类型（详见酸顺序的影响有下列几种类型（详见 P229-231）：）：同义突变同义突变-错义突变错义突变-无义突变无义突变-终止密码突变终止密码突变 抑制基因突变抑制基因突变 （2 2）移码突变）移码突变 指指DNA链上插上或丢失链上插上或丢失1 1个、个、2 2个甚至多个碱基（但个甚至多个碱基（但 不是三联子密码子及其倍数）。在读码时不是三联子密码子及其倍数）。在读码时,由于原来由于原来 的密码子移位的密码子移位,导致在插入或丢失碱基部位以后的编导致在插入或丢失碱基部位以后的编 码子都发生了相应的改变。码子都发生了相应的改变。碱基置换会导致蛋白质一级结构氨基14 整码突变整码突变 在在DNA链的密码子之间插入或丢失一个或几个密码链的密码子之间插入或丢失一个或几个密码 子子,则合成的肽链将增加或减少一个或几个氨基酸，则合成的肽链将增加或减少一个或几个氨基酸，但但插入或丢失部位的前后的氨基酸顺序不变。插入或丢失部位的前后的氨基酸顺序不变。染色体错误配对不等交换染色体错误配对不等交换 染色体错误配对不等交换减数分裂期间，同源染色染色体错误配对不等交换减数分裂期间，同源染色 体间的同源部份发生联会和交换，如果联会时配对体间的同源部份发生联会和交换，如果联会时配对 时不精确，会发生不等交换，造成一部分基因缺失时不精确，会发生不等交换，造成一部分基因缺失 和部分基因重复。和部分基因重复。整码突变 15二、癌基因和抑癌基因二、癌基因和抑癌基因（一）癌基因（一）癌基因癌基因的定义癌基因的定义:可在可在体外体外引起细胞转化、在引起细胞转化、在体内体内引起癌瘤的一类引起癌瘤的一类 基因称为基因称为癌基因癌基因。病毒中存在癌基因，统称病毒中存在癌基因，统称病毒癌基因病毒癌基因；各种动物；各种动物 细胞基因组中，普遍存在与病毒癌基因相似的序列细胞基因组中，普遍存在与病毒癌基因相似的序列 统称为统称为细胞癌基因细胞癌基因；由于细胞癌基因在正常细胞中以非激活形式存在由于细胞癌基因在正常细胞中以非激活形式存在 故又称为故又称为原癌基因原癌基因。原癌基因的特点原癌基因的特点:广泛存在于生物界中广泛存在于生物界中,从酵母到人细胞普遍存在从酵母到人细胞普遍存在;二、癌基因和抑癌基因16 在进化过程中在进化过程中,基因系列呈高度保守性基因系列呈高度保守性;其作用通过其表达产物蛋白质来体现。它们的存在其作用通过其表达产物蛋白质来体现。它们的存在 对正常细胞不仅无害对正常细胞不仅无害,而且对维持正常生理功而且对维持正常生理功能能/调调 控细胞生长和分化起重要控细胞生长和分化起重要作用，是细胞发育、组织作用，是细胞发育、组织 再生、创伤愈合等所必需；再生、创伤愈合等所必需；在某些因素作用（如射线、化学物质等在某些因素作用（如射线、化学物质等)下下,原癌基原癌基 因的结构和数量发生改变而被激活因的结构和数量发生改变而被激活 癌癌C转化基因转化基因 常常见的癌基因家族的癌基因家族(P232)src家家族族-ras家族家族 myc家族家族 sis 家族家族 myb 家族家族 在进化过程中,基因系列呈高度保守性;17 原癌基因激活的机制原癌基因激活的机制(详见详见P232):获得启动子与增强子获得启动子与增强子-基因易位基因易位-染色体染色体易位重排易位重排 原癌基因扩增原癌基因扩增 点突变点突变 原癌基因的产物与功能原癌基因的产物与功能(表表6-1,P232)癌基因表达产物可按其在细胞信号传递系统中的作癌基因表达产物可按其在细胞信号传递系统中的作 用分为用分为4类类:C外生长因子外生长因子 C外信号含生长因子外信号含生长因子/激素激素/N递质等递质等 跨膜生长因子受体跨膜生长因子受体-信号传递因子信号传递因子-核内转录因子核内转录因子 原癌基因激活的机制(详见P232):18(二二)抑癌基因抑癌基因 -抑癌基因是一类抑癌基因是一类抑制抑制C过度生长、增殖过度生长、增殖,从而从而遏制遏制 肿瘤形成的基因。肿瘤形成的基因。-对于正常对于正常C,原癌基因和抑癌基因的协调表达原癌基因和抑癌基因的协调表达 是调是调 控控C生长的重要分子机制之一。两者相互制约维持相生长的重要分子机制之一。两者相互制约维持相 对稳定。原癌基因激活或过量表达对稳定。原癌基因激活或过量表达(或抑癌基因的丢或抑癌基因的丢 失或失活失或失活)，均可导致肿瘤的发生。，均可导致肿瘤的发生。常常见的抑癌基因（的抑癌基因（P234，表表6-2）：）：基因基因 染色体定位染色体定位 相关相关肿瘤瘤 基因基因产物及功能物及功能 RB 13q14 RB 胃癌胃癌 乳癌乳癌 P105 抑制生抑制生长 WT 11P13 WT 肺癌肺癌 肝癌肝癌 WT-ZFP NF-1 17P12 N纤维瘤瘤(/肉瘤肉瘤)GAP p53 17p13 乳癌乳癌 结肠癌癌 p53 控制生控制生长(二)抑癌基因19 抑癌基因作用机理抑癌基因作用机理 目前只对目前只对Rb（视网膜母（视网膜母C瘤基瘤基 因）和因）和P53基因的作用机理了解比较清楚。基因的作用机理了解比较清楚。三、基因诊断三、基因诊断 基因诊断的概念基因诊断的概念 利用基因探针、利用基因探针、PCR等技术直接探查基因的存在和等技术直接探查基因的存在和 缺陷缺陷,对人体疾病和状态作出判断对人体疾病和状态作出判断-即称基因诊断。即称基因诊断。基因诊断的常用技术基因诊断的常用技术:核酸分子杂交核酸分子杂交 -聚合酶链式反应聚合酶链式反应(PCR)-限制酶谱分析限制酶谱分析 -DNA序列测定序列测定 -单链构象多态性分析单链构象多态性分析-抑癌基因作用机理 目前只对Rb（视网膜20 基因基因诊断的途径和方法断的途径和方法 异常基因的直接检测异常基因的直接检测 -间接的基因诊断间接的基因诊断-多态性连锁分析多态性连锁分析 四、基因治疗四、基因治疗 基因治疗的概念基因治疗的概念 -试图从基因水平试图从基因水平 调控调控C中缺陷基因的表达，或以正中缺陷基因的表达，或以正 常基因矫正、代替缺陷的基因，以此治疗基因缺陷常基因矫正、代替缺陷的基因，以此治疗基因缺陷所所 致的遗传病、免疫缺陷、或治疗因癌基因激活致的遗传病、免疫缺陷、或治疗因癌基因激活/或或抑抑癌癌 基因失活所致的肿瘤。基因失活所致的肿瘤。-要实现基因治疗，须先了解该病在要实现基因治疗，须先了解该病在DNA水平上的水平上的发发 病机制，并能获得用于弥补缺陷基因的外源正常基因病机制，并能获得用于弥补缺陷基因的外源正常基因 (目的基因目的基因),然后以适当方式将目的基因转入体内然后以适当方式将目的基因转入体内,并并 能在体内表达。能在体内表达。基因诊断的途径和方法21 基因治疗的类型基因治疗的类型(2种种):体体 C基因治疗基因治疗-健康基因被植入健康基因被植入特殊特殊缺损缺损基因的人体（目的是基因的人体（目的是 修复缺损和提高生活质量）修复缺损和提高生活质量）种系基因治疗种系基因治疗-基因被植入基因被植入特殊特殊C(能传递能传递遗传特征遗传特征给后代给后代)基因治疗的范围基因治疗的范围:遗传性疾病遗传性疾病 肿瘤性疾病肿瘤性疾病 多基因遗传性疾病多基因遗传性疾病 糖尿病糖尿病 高血压高血压 A硬化等硬化等 基因疫苗基因疫苗-Keep You in Health Position and Improve Your Life!基因治疗的类型(2种):22