走进生命科学的世纪课件

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。2021/7/91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双螺旋结构分子模型结晶牛胰岛素结晶牛胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸酵母丙氨酸转移核糖核酸（我国的成就）（我国的成就）（个体水平）观察和描述（细胞水平）实验（分子水平）2021/7/92第一节走进生命科学的世纪生物学的发展简史：7000年前水稻第一节走进生命科学的世纪二十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）2021/7/93第一节走进生命科学的世纪二十世纪生物学发展的两个领域？微观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。2021/7/94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简介人类基因组计划人类基因组计划(HGP)是由美国科学家是由美国科学家提出提出,1990年美国政府正式启动年美国政府正式启动,总体计总体计划在划在15年内投资年内投资30亿美元亿美元,进行人类全基进行人类全基因组因组30亿碱基对的排序分析亿碱基对的排序分析.人类基因组人类基因组计划得到了世界的广泛支持和行动计划得到了世界的广泛支持和行动,英国英国,法国法国,日本日本,德国和中国先后加入了人类基德国和中国先后加入了人类基因组计划国际合作研究因组计划国际合作研究.2021/7/95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2000年年6月月26日日人类基因组草图完成人类基因组草图完成由美英日法德中六国参加的以及美由美英日法德中六国参加的以及美国国Celera公司独立开展的人类基因组公司独立开展的人类基因组计划取得重要进展计划取得重要进展,他们同时宣布绘制他们同时宣布绘制了人类基因组了人类基因组31亿碱基对中亿碱基对中99%的草的草图图,其中其中,美国完成美国完成54%,我国科技工我国科技工作者完成了其中作者完成了其中(3号染色体中号染色体中3000万个碱基对万个碱基对)的测序任务，并按期的测序任务，并按期完成了完成了“工作框架图工作框架图”。2021/7/962000年6月26日由美英日法德中六国参加的以及美国Ce人类基因组研究的伟大意义人类基因组研究的伟大意义n1.揭开生命的奥秘揭开生命的奥秘,生命的本质生命的本质,生命的起源生命的起源和进化和进化,生物的生长发育生物的生长发育,人类的生老病死人类的生老病死,思思维的本质等维的本质等.n2.引起一场深远的医学革命引起一场深远的医学革命,包括预防医学包括预防医学,诊断医学诊断医学,治疗医学等治疗医学等,从根本上改变传统医从根本上改变传统医学的观念学的观念,从治疗医学到预防医学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促进生命科学和其它科学的交叉,融合融合,诞生诞生一批新兴的分支学科一批新兴的分支学科,吸引更多的优秀人才加吸引更多的优秀人才加入到生命科学的领域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极大推进生物技术的产业化进程,特别是生特别是生物医药产业的发展物医药产业的发展.2021/7/97人类基因组研究的伟大意义1.揭开生命的奥秘,生命的本质,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）2021/7/98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干细胞的来源干细胞的来源来源于胚胎来源于胚胎-胚胎干细胞胚胎干细胞 ESC ESC （Embryonic Stem Cell）胚胎性生殖细胞胚胎性生殖细胞 EGC EGC （Embryonic Germ Cell）来来 源源 于于 成成 体体-成成 年年 组组 织织 来来 源源 的的 干干 细细 胞胞 ASCASC（Adult-derived Stem Cell)2021/7/99干细胞的来源来源于胚胎-胚胎干细胞 ESC2021/72021/7/9102021/7/910体细胞核移植（体细胞核移植（SCNTSCNT）是得到多能性干细）是得到多能性干细胞的另一种途径胞的另一种途径2021/7/911体细胞核移植（SCNT）是得到多能性干细胞的另一种途径202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。2021/7/912干细胞有什么用呢？造血干细胞移植治疗白血病造血干细胞移植是从造血干细胞移植过程的示意图造血干细胞移植过程的示意图HLAHLA配型配型供体造血干细胞的采集供体造血干细胞的采集患者超大剂量放化疗预处理，患者超大剂量放化疗预处理，摧毁其免疫系统摧毁其免疫系统供体造血干细胞输入患者体内，供体造血干细胞输入患者体内，重建其免疫系统重建其免疫系统2021/7/913造血干细胞移植过程的示意图HLA配型供体造血干细胞的采集患者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。胰岛干细胞胰岛干细胞移植治疗糖尿病2021/7/914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，由由 胚胎干细胞胚胎干细胞 来源的各种干细胞来源的各种干细胞及其可能治疗的相关疾病及其可能治疗的相关疾病细胞类型细胞类型疾病疾病神经细胞神经细胞中风、帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、脊髓损伤中风、帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、脊髓损伤心肌细胞心肌细胞心脏病、充血性心脏病心脏病、充血性心脏病胰岛细胞胰岛细胞糖尿病糖尿病软骨细胞软骨细胞骨关节炎骨关节炎血细胞血细胞免疫缺陷、恶性肿瘤、先天性血液病、白血病免疫缺陷、恶性肿瘤、先天性血液病、白血病干细胞干细胞肝炎、肝硬化肝炎、肝硬化皮肤细胞皮肤细胞烧伤、创伤烧伤、创伤骨细胞骨细胞骨质疏松骨质疏松骨骼肌细胞骨骼肌细胞肌营养不良肌营养不良。2021/7/915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克隆动物克隆动物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”2021/7/916克隆动物1997年，“多利羊”在英国诞生标志着高度分化的体细转基因动物转基因动物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IX2021/7/917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体器官移植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；而梅德渥尔（Peter B.Medawar）则揭开了排斥现象之谜。2021/7/918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人体器官移植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。2021/7/919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2021/7/9202005年11月，世界第一列“换脸”在法国成功多器官多系统的2006年4月，第二列“换脸”在中国成功所换的体积比第一列更大2021/7/9212006年4月，第二列“换脸”在中国成功所换的体积比第一列更器官移植的供体严重缺乏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”2021/7/922器官移植的供体严重缺乏全国有500万盲人，其中400万可、近年来生命科学正在研究的问题后基因组计划后基因组计划-生命解码的第二步生命解码的第二步n 人类基因组草图的绘制只是生人类基因组草图的绘制只是生命揭密的第一步命揭密的第一步,HGP已经由结构已经由结构基因组向功能基因组转化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人类基因组草图本身并不代表生物医药本身表生物医药本身,而功能基因组的研而功能基因组的研究将为研究基因功能究将为研究基因功能,生命奥秘生命奥秘,新新药筛选药筛选,疾病治疗和预防疾病治疗和预防,基因克隆基因克隆,基因诊断和基因治疗基因诊断和基因治疗,提高人体健康提高人体健康水平奠定基础水平奠定基础.2021/7/923、近年来生命科学正在研究的问题后基因组计划-生命解码转基因技术转基因技术带荧光的鼠和兔不易变质的转基因番茄2021/7/924转基因技术带荧光的鼠和兔不易变质的转基因番茄2021/7/9转基组技术转基组技术“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。2021/7/925转基组技术“杂交水稻之父”袁隆平改变育种方法，2000年5月我科学家发现谷类我科学家发现谷类“大个子大个子”基因基因解放日报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。2021/7/926我科学家发现谷类“大个子”基因解放日报06年8月27日记者彭基因治疗基因治疗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.2021/7/927基因治疗60年代Lederberg设想基因治疗遗传病2021基因治疗研究现状基因治疗研究现状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,在 21世纪将真正走向临床,为人类造福.2021/7/928基因治疗研究现状 基因治疗从1989年进入临床试基因治疗糖尿病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。2021/7/929基因治疗糖尿病 全世界糖尿病患者已超过1.2亿，糖尿n 韩国韩国Yonsei Yonsei 大学的大学的Lee HCLee HC等人采用等人采用LPKLPK启动子调控胰岛素类似物（启动子调控胰岛素类似物（SIASIA）表）表达达.SIA.SIA通过通过AAVAAV途径转入途径转入STZSTZ诱发糖尿病诱发糖尿病大鼠或者自身免疫性糖尿病大鼠或者自身免疫性糖尿病NODNOD小鼠体内，小鼠体内，糖尿病鼠的症状明显好转，血糖浓度得糖尿病鼠的症状明显好转，血糖浓度得到控制，并且到控制，并且SIASIA的表达受血糖浓度调控，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葡萄糖耐受实验也获得了一致的结果,也也没有发现明显的毒副作用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糖尿病基因治疗的热潮将要兴起,20012001年美国基因治疗年会已经有年美国基因治疗年会已经有2020余篇余篇论文摘要论文摘要.2021/7/930 韩国Yonsei 大学的Lee HC等人采用LPK启 基因治疗身体创伤基因治疗身体创伤n 基基因因治治疗疗将将来来可可能能治治疗疗运运动动员员严严重重受伤的肌肉，骨折的大腿或膝盖。受伤的肌肉，骨折的大腿或膝盖。n 在在动动物物实实验验中中，基基因因治治疗疗已已成成功功的的愈愈合合了了骨骨折折的的骨骨骼骼，而而且且使使受受伤伤的的肌肌肉肉长长得得更更加加强强壮壮。可可以以用用来来治治疗疗目目前前技技术术无无法法治治愈愈的的严严重重受受伤伤的的关关节节和和骨骨骼骼,韧韧带带和和肌肌腱腱,也也有有可可能能治治疗疗如如关关节炎等关节疾病。节炎等关节疾病。2021/7/931 基因治疗身体创伤 基因治疗将来可能治基因治疗肥胖基因治疗肥胖n 台台湾湾中中研研院院 李李英英惠惠利利用用基基因因治治疗疗来来防防止止肥肥胖胖。可可利利用用基基因因取取代代策策略略，把把体体内内一一个个控控制制脂脂肪肪细细胞胞发发育育因因子子取取代代成成另另一一功功能能相相似似相相互互有有别别的的因因子子,脂脂肪肪转转变变成成高高代代谢谢活活性性的的能能量量消消耗耗,不不影影响人脂肪功能及正常代谢机能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。因治疗者虽然美食保持苗条体型。该研究可望让人们吃该研究可望让人们吃得多、吃得好，不运动也不会增胖。得多、吃得好，不运动也不会增胖。n 其它治疗肥胖的策略其它治疗肥胖的策略:PCG-1,瘦素基因瘦素基因,能量代谢开能量代谢开关关,脂肪吸收基因反义抑制脂肪吸收基因反义抑制,线粒体解偶联蛋白基因等线粒体解偶联蛋白基因等.2021/7/932基因治疗肥胖 台湾中研院 李英惠利用基因治疗基因治疗侏儒症基因治疗侏儒症nKagami证证实实用用涎涎腺腺基基因因治治疗其合成蛋白可投递到全身。疗其合成蛋白可投递到全身。n 将将AdGH经经尾尾静静脉脉注注入入侏侏儒儒小小鼠鼠，血血中中生生长长激激素素升升高高，恢恢复复到到正正常常范范围围，侏侏儒儒小小鼠鼠生生长长发发育育明明显显改改善善，接接近近正正常常小小鼠鼠，对对照照组组侏侏儒儒小小鼠鼠体体重重仅仅为为治治疗疗组组的的十十分分之之一一。动物实验已见很好的苗头。动物实验已见很好的苗头。2021/7/933基因治疗侏儒症Kagami证实用涎腺基因治疗其合成蛋白可投基因治疗肌肉老化基因治疗肌肉老化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%.2021/7/934基因治疗肌肉老化 美国宾夕法尼亚州大学成功发明新的基因基因治疗成功范例基因治疗成功范例(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.2021/7/935基因治疗成功范例(I)ADA缺乏症基因治疗:ADA缺乏导世世界界首首例例基基因因治治疗疗患患者者2021/7/936世界首例基因治疗患者2021/7/936基因治疗成功范例基因治疗成功范例(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途径进行了血友病B基因治疗,患者治疗后出血症状显著改善.2021/7/937基因治疗成功范例(II)血友病B基因治疗:血友病是一种由基因治疗成功范例基因治疗成功范例(III)nAdP53基因治疗肿瘤:P53基因突变与肿瘤发生发展高度相关(50%),将正常P53基因导入肿瘤细胞,可以诱发肿瘤细胞凋亡,而对正常细胞无害.1995年进入临床试验以来,已经有600多名患者接受治疗,60%患者显示出安全有效,1999年进入临床III期试验,腺病毒P53基因治疗临床方案已经超过8个,而且治疗肿瘤范围扩大到其它肿瘤和转移癌.该方案可望获得世界上第一个基因治疗临床药证.我国该项基因治疗进入临床II期试验.2021/7/938基因治疗成功范例(III)AdP53基因治疗肿瘤:P53基基因治疗成功范例基因治疗成功范例(IV)nHSV-TK自杀基因治疗:利用肿瘤细胞对HSV-TK基因/GCV的敏感性而自杀,并具备广泛的旁观者效应.这方面的基因治疗脑肿瘤开展较早,先后多种策略进入临床试验,取得了一定的疗效,并进入了临床III期试验.但是,由于RV的转移效率,GCV毒副作用等原因,推广有一定的困难.我国首例肿瘤基因治疗也采用此方法.2021/7/939基因治疗成功范例(IV)HSV-TK自杀基因治疗:利用肿瘤基因治疗成功范例基因治疗成功范例(IV)n心血管基因治疗:VEGF165对于血管的生成具有重要作用,而一些心脑血管疾病由于血管堵塞,狭窄导致,可以采用该策略进行血管再生,旁路再通,使病人免受开刀搭桥之苦.美国已经有19项方案进入临床试验,300多人接受临床试验,60%的患者新血管生长、心肌血流灌注和室壁功能改善，大多数病人的心绞痛减轻。n 该项研究具有立竿见影的惊人效果,商业价值巨大,被称为21世纪初最激动人心和快速发展的进展之一。我国这方面的研究进入临床试验阶段.2021/7/940基因治疗成功范例(IV)心血管基因治疗:VEGF165对不幸的悲剧不幸的悲剧!n基因治疗一人死亡:1999年10月美国宾州大学JM Wilson 在开展腺病毒OTC基因治疗肝脏遗传病时,一位亚利桑那州的十八岁的青年 Gelsinger 接受了高剂量治疗后死亡.nFDA终止试验.媒体社会群起攻之;科学家保持沉默,内心呼吁理解.n基因治疗前景?基因治疗是不是一场梦?2021/7/941不幸的悲剧!基因治疗一人死亡:1999年10月美国宾州大学J环境保护任重而道远环境保护任重而道远2021/7/942环境保护任重而道远2021/7/942环境保护任重而道远环境保护任重而道远保护地球生态系统的重点？保护生物多样性2021/7/943环境保护任重而道远保护地球生态系统的重点？保护生物多样性20、近年来生命科学研究的未解之迷脑科学脑科学“人类脑计划”认识脑保护脑创造脑研究方向？（1）在细胞和分子水平进一步推进对神经系统活动的认识；（2）在脑的高级功能（如运动控制、学习和记忆、语言、情绪、意识等）的研究方面取得突破性进展。2021/7/944、近年来生命科学研究的未解之迷脑科学“人类脑计划”认识脑研埃博拉病毒埃博拉病毒该病毒在1976年首次发现，感染后患者可能在24小时内死亡，死亡率高达50%90%。传播途径（血液、体液、精液）其他方面，人类对它都还不了解。生命科学的未知之迷生命科学的未知之迷还有很多还有很多很多很多2021/7/945埃博拉病毒该病毒在1976年首次发现，感染后患者可能在22021/7/946再见2021/7/946无性生殖：不管是在中国神话还是在圣经故事中，一些重要人物的诞生总是要与众不同的，比如鲧治水失败后自决于深渊，其灵魂化为黄熊，而禹则从鲧的腹中生出。这种降生方法在圣经中并没有看见论述，但是处女生子则是中国神话和圣经故事所共有的，比如圣母玛利亚在和约瑟结婚之前就已经怀了孕，约瑟一直到玛利亚生下耶稣之后才与玛利亚同房(之)；而周人的祖先后稷，其母亲在一座庙宇的门前踩了一个巨人的脚印，欣然而有感，后来生下后稷()。2021/7/947无性生殖：不管是在中国神话还是在圣经故事中，一些重要人物的诞