21世纪的生命科学热点与展望01课件.ppt

1、121世纪生命科学的热点2010203概况三点击此处输入相关文本内容整体概况概况一点击此处输入相关文本内容概况二点击此处输入相关文本内容3 人口膨胀、粮食短缺、环境污染、生态失衡、气候异常、疾病肆虐。4 医药卫生（医药生物技术）生命科学 农林牧渔（农业生物技术）环境保护（环境生物技术）5 二十一世纪是现代生物科学的世纪，统计美国“科学引文索引（SCI）”收录的4500余种学术刊物，发现有2350种左右为生物科学相关杂志！统计全世界引用指数（Impact factor）在10以上的超一流学术刊物，也发现80%左右是生物科学相关刊物。6引用指数在10以上的超一流刊物分科比较7 人类基因组计划（HG

2、P）干细胞研究与发展前景 克隆技术的发展8人类基因组计划Human Genome Project910染色体（Chromosome）细胞有丝分裂时出现的、易被碱性染料着色的丝状或棒状小体、由细长的染色质纤丝盘旋折叠而成。染色体由核酸和蛋白质组成，是遗传的主要物质基础。各种生物的染色体有一定的数目、形状和大小，人染色体有46条。11Chromosome 染色体Karyotype 染色体组型12核酸（Nucleic acid）核酸是一类由核苷酸组成的生物大分子 正常生理状态细胞内含有两种类型的核酸DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）每一个核苷酸又由3个基本亚单位：碱基、戊糖环（脱氧戊糖环）和

3、磷酸基团。131415基因(Gene)基因（gene）是1909年丹麦生物学家W.Johannsen根据希腊文“给予生命”之意创造的。现代分子生物学的基因概念：合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列（除部分病毒RNA），即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。16揭开生命之谜的里程碑 -DNA双螺旋结构的发现17 DNA分子结构的发现是20世纪最伟大的科学成就之一，它为现代分子生物学、遗传学和医学等领域的研究开辟了新纪元!18 1953年4月25日，Nature发表了Watson和Crick的短文 “Molecular structure

4、of nucleic acids”，提出了DNA分子的双螺旋结构模型。这是现代遗传学乃至整个生命科学发展历程中的重要里程碑。他们与Wilkins分享了1962年度诺贝尔医学和生理学奖。19DNA分子的双螺旋结构模型20人生历程科学家之奠基石！21 沃森1928年4月6日出生于美国芝加哥的伊利诺斯一个圣公会教徒的家庭。沃森的父亲崇尚有思想的人，喜欢各类哲学书籍，沃森却喜欢科学类书，他梦想成为科学家。1943年沃森进入芝加哥大学学习动物学。聆听当时世界上最优秀的基因学家斯沃尔 莱特的讲课，基因的概念也融入他的脑海，使他作出了一生最重要的决定，把基因的研究作为一生的主要研究目标。22 1947年，沃

5、森从芝加哥大学毕业并获得理学学士，到印地安那州立大学从事研究工作，用X-射线进行噬菌体研究，三年后获得动物学博士学位。1951年秋，沃森赴欧洲的哥本哈根，进行了一年基因转移的研究，并未获得令人振奋的结果。后又转往剑桥大学卡文迪希实验室，在那里沃森结识了比他年长的克里克。23 克里克1916年6月8日出生于英国的北安普敦一个中产阶级家庭，一家人信奉基督教，星期天早上都会上教堂。12岁起，克里克由于对科学日渐增长兴趣，使他对基督教慢慢产生怀疑，成为一个无神倾向的怀疑者。克里克后来回忆说：“毫无疑问，对基督教失去信仰，对科学的逐渐执着，是我科学生涯的关键一部分”。24 1937年，克里克伦敦大学毕业

6、，继续攻读物理学博士。1939年二战爆发，在英国海军总部实验室工作了8年。1947年，到以结晶技术研究巨分子结构著称的剑桥大学医学研究中心实验室，在那里，他对X光衍射模式解释生物大分子产生了浓厚的兴趣。但直到1951年沃森到剑桥之后，他才真正开始进行DNA的研究。25科学家的合作典范创造伟大的科学成就!26沃森和克里克在一起27 23岁的沃森和35岁的克里克两位年轻人都不是资深的生物学家。当时，威尔金斯和富林克林根据X射线衍射研究，已经知道了DNA分子由许多亚单位堆积而成，而且DNA分子是长链的多聚体，其直径保持恒定不变。化学家鲍林也通过对蛋白质螺旋的研究，认为大多数已知蛋白质中的多肽链会自动

7、卷曲成螺旋状。28 沃森和克里克对DNA的分子结构并没有做许多的实验工作，他们最大限度地吸取了威尔金斯、富兰克林和鲍林的研究结果。1951年秋，在意大利的一次学术会议上，从富兰克林拍摄的一张高清晰度的DNA晶体的X射线衍射照片中领悟到了DNA的结构是两条以磷酸核糖为骨架的链相互缠绕形成的双螺旋结构。29 根据理论上的研究成果建立模型，再用X射线衍射结构来检验模型，从而否定了DNA的单螺旋与三螺旋，正确地提出了双螺旋模型。30 为什么维尔金斯和富兰克林自己不能从积累的数据中整理出双螺旋模型？他认为，他用X射线分析DNA晶体并得到一些数据是应该的，因为他是物理学家，没能用这些数据提出双螺旋分子结构

8、模型，因为他不是生物学家。他还提到，沃森和克里克在论文定稿时，请他签名，他婉言谢绝了。31 维尔金斯感到，沃森和克里克用他们的数据提出了双螺旋模型是十分欣慰的事。鲍林也盛赞道：“双螺旋的发现和由此发现所产生的发展是过去100年间生物科学对生命理解上的最伟大的进步”。32 DNA双螺旋模型的确定是许多遗传学家、生物化学家、物理学家历经了近百年探索的成果，最后又与沃森和克里克的才智相结合才完成此伟业。DNA双螺旋的提出是人类科技史上合作的典范。33科学之路永无止境生命科学将创造更大的奇迹!34 核酸的分子结构脱氧核糖核酸的一个结构模型发表之后，年轻的沃森回到哈佛大学生物实验室，1961年成为教授，

9、任职至1976年。1968年起，还任纽约长岛冷泉港实验室主任。沃森也是美国科学院院士及英国皇家学会会员。沃森还与其他科学家一起发起了“人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)”。35 克里克则回到蛋白质研究工作上，此外，他还研究遗传密码，并提出了遗传的中心法则(Central dogma)；1977年，克里克到加州的一个研究所，专注研究生命现象中的“意识的性质和起源”。2003年，他还在自然神经学上发表论文，研究人类意识产生的神经细胞学基础。36 在DNA双螺旋结构的基础上，20世纪70年代初兴起的基因工程，已在生产和医学中应用。传统的遗传学也以崭新的面貌向前发展。以

10、体细胞遗传学为基础的细胞工程，特别是克隆技术更为人们所注目。20世纪末成体干细胞(adult stem cells)研究取得突破性进展，被评为美国1999年十大科技成果之首位。37 2003年4月14日，美国、英国、日本、法国、德国和中国政府的首脑，骄傲地向全世界宣布：“我们六国的科学家已完成了人类生命的分子指南 由30亿个碱基对组成的人类基因组DNA的关键序列图”。人类“生命天书”全部章节的解读，适逢DNA双螺旋结构发表五十周年。五十年前的这个月，沃森和克里克这一里程碑的发现，使基因科学与生物技术取得了举世瞩目的进展。五十年后，“国际人类基因组测序协作组”公布了人类基因组序列信息，人类基因组

11、是全人类的共同财富和遗产。38 人类基因组序列图不仅奠定了人类认识自我的基石，推动了生命与医学科学的革命性进展，而且为全人类的健康带来了福音，使我们向着更加幸福的未来迈出了意义非凡的下一步。可见沃森和克里克50年前的发现，对整个生命科学的发展做出了多么大的贡献，然而，又有谁能预料：在今后的50年中，还会出现什么样的奇迹！39生物学进入基因组(Genome)时代40人类基因组包括分布于人46条染色体30亿核苷酸的30,000-35,000个基因。人类基因组计划最终目的是测定基因组的全部序列，弄清整个基因组的的结构、功能及其表达产物，彻底了解人类生命活动本质。41 这一计划的科学意义重大，可与产生

12、原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任务相媲美，是当前国际生物学、医学领域内一项引人注目的工程，是人类自然科学史上最重大的研究项目之一，将推动整个生命科学的发展。42人类基因组计划的意义生物与医学基础研究基因诊断、基因疗法、基因药物带动一批高技术产业的发展43人类基因组计划的启动 1985年，美国能源部（Department of Energy,DOE）提出，要将共包含约3109碱基对的人类基因组全部碱基序列分析清楚；1986年，美国宣布启动“人类基因组计划（Human Genome Project,HGP）”。44人类基因组计划的发展 1999年12月1日，首条人类染色体完成测序，人类第2

13、2号染色体DNA全序列测定宣布完成。2000年4月6日，美国Celera遗传信息公司宣布，该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。2000年5月，科学家聚集美国冷泉港，宣布人类基因组草图的完成。456国科学家组成的国家人类基因组中心主要研究比例 美国：WASHMIT等7家研究中心，贡献率为54。英国：SANGER一家研究中心，贡献率为33。日本：RIKEN等两家研究中心，贡献率为7。法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为2.8。德国：IMB等3家研究中心，贡献率为2.2。中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究中心等三家，贡献率为1。46二000年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制

14、完成47 这是人类基因组计划首席科学家、美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯柯林斯在介绍情况。48人类基因组草图基本信息 由31.65亿bp组成 含33.5万基因 与蛋白质合成有关 的基因占2%人类基因组人类蛋白质 61%与果蝇同源 43%与线虫同源 46%与酵母同源49人类基因组研究成果表明基因数量少得惊人人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”三分之一为“垃圾”DNA种族歧视毫无根据男性基因突变比例更高50中国人类基因组计划 1993年，中国人类基因组计划（CHGP）启动，首先开展了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”。1997年，我国启动了“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研

15、究”项目。之后，在上海和北京相继成立国家人类基因组南、北两个中心。51中国人类基因组计划研究成果1%测序任务，第三条染色体3000万bp精确度99.99%发现142个基因，其中80个为预测基因52人类基因组计划1%1%测序中国实验室53后基因组时代序幕拉开 哈佛大学科学家麦克贝斯说，人类基因组图谱并没有告诉我们所有基因的“身份”以及它们所编码的蛋白质。人体内真正发挥作用的是蛋白质，蛋白质扮演着构筑生命大厦的“砖块”角色，其中可能藏着开发疾病诊断方法和新药的“钥匙”。54 基因组:人类细胞中的全部基因 蛋白组:由全套基因组编码控制的蛋白质 药物基因组:即为一个病人的基因组对单个药物反应的相互关系

16、 人类基因组、蛋白组和药物基因组是生命科学研究路上的三个阶段 5556人类疾病基因治疗57 基因治疗概念：向靶细胞或组织引入外院性DNA或RNA片段，纠正或补偿基因缺陷，关闭或抑制异常表达基因以达到治疗目的。基本思想：使变异基因和表达异常基因变为正常基因和正常表达基因，从根本上治愈遗传疾病。一、基因治疗的基本概念58例：1973年第一例人体实验 1978年第二例基因治疗实验 基因治疗动物实验广泛开展 Dr Anderson（1980）首先阐明基因治疗前景和发展方向 Rosenberg（1990）利用逆转录病毒将基因导入肿瘤浸润淋巴细胞（TIL），并将TIF输回体内，TIF集中在肿瘤部位，表达n

17、eoR。59 1990年9月14日：第一例正式批准的基因治疗实验开始进行（美国，世界上开展基因治疗最早的国家）大规模进行基因治疗临床实验必须经历以下阶段：体外试验和动物试验 I期临床试验6-10名志愿者 II期临床试验20-30名志愿者 III期临床试验充分分析疗效、安全性 中国：1991年7月开始进行基因治疗试验60二、基因治疗的方法与应用 靶细胞(基因治疗的对象):体细胞和性细胞（美国政府1985年规定，目前治疗仅限于体细胞）目前基因治疗的主要方法：体外原位基因治疗；体内基因治疗；反义基因治疗法；核酶基因治疗。611：体外原位治疗 步骤：从患着体内取出基因缺陷细胞体外培养通过基因转移进行基

18、因修正（逆转录病毒载体）培养和选择修正后细胞通过细胞融合或移植转入患者体内62影响因素：转基因技术是否成熟、转入基因表达基因寻靶技术：基因定点整合技术应用举例：SCID基因治疗；转基因肝细胞治疗LDLR；基因突变；血管平滑肌细胞。632：体内基因治疗将基因转入特定组织载体：腺病毒、庖疹病毒、逆转录病毒等示例：肌肉萎缩症、囊性纤维化64方法：引入反义基因序列存在问题：安全性、专一性、稳定性反义药物转移方法：直接注射法、载体导入法、受体介导法3：反义疗法通过阻遏或降低基因表达进行治疗 654：通过核酶基因治疗核酶：具有酶活性的核酸分子。核酶功能：治疗应用举例：核酶运载系统与表达系统：优点：核酶为R

19、NA，免疫原性小，核酶分子较小，操作方便66三：基因治疗应用实例1：癌症基因治疗 治疗基因分类：直接杀伤或抑制癌细胞基因（抑癌基因、细胞雕亡基因、癌基因反义序列）；提高免疫系统功能基因（细胞因子基因）；多种药物耐药基因基因导入方法：同其他基因治疗 应用举例：672：AIDS 基因治疗68HIV简介：1986年，美国发现首例AIDS患者，病原体HIV（I型）为逆转录病毒科，慢病毒属。一般认为起源与中非地区。传播途径：血液、性、母婴垂直传播潜伏期：平均78年，潜伏期内有大量病毒繁殖复制。69 HIV生活史70AIDS治疗药物：鸡尾酒疗法 目前几种新的AIDS治疗方向：反义疗法；HIVHIV疫苗 7

20、1四：基因治疗的发展前景1 基因治疗存在的技术问题：多基因调控复杂，技术难度大有赖与基因组计划进展；病毒载体问题。2：基因治疗引起的伦理学与社会问题 后果无法预料；延长人类寿命，谋求不正当利益，引入生殖细胞决定权问题等723：基因治疗的前景 转移基因调控问题；导入基因不被宿主细胞降解734.基因研究对医学的影响 进一步阐明人类基因在时空特异表达和调控机制，从而推动发育生物学、神经生物学、发展，揭示细胞分化、胚胎发育、人类思维、记忆等复杂高级生命活动的分子基础。向人们提供不同种族、不同民族起源、演进强有力的分子证据，带动民族学和种族学研究发展。在人类疾病分子治疗、预防方面做出特别贡献。如获得人类

21、疾病发病分子机制、设计治疗方案，使人们在诊断、基因治疗、遗传保健、优生优育等方面建立全新医学，提高人类寿命。745.基因资源保护：中国国务院办公厅1998年9月转发科技部、卫生部人类遗传资源管理站行办法，保护我国基因资源。75基因争夺战的原因：1：人类基因资源只有一套，为有限资源不能再生，谁先发现基因即可通过申请专利获得保护。2：知识产权之战：人类基因只有5%对认识疾病有意义，1%有巨大开发前景。包括生产基因药物、直接利用基因治疗遗传疾病、解释或阐明发病机制，开发出治疗药物。一个基因开发出来其转让费高达千万至数亿美圆。3：中国为基因研究的风水宝地。人口众多、56个民族历史悠久、徒迁率低、城乡差

22、异显著、家族隔离群最多，基因家系保存完好，能准确提供保健与疾病、城市与乡村人类迁移系铺最佳模型。76干细胞研究与发展前景77 长期以来，人类一直在研究和寻找能治愈各种疾病、抗衰老甚至长生不老的方法。随着现代科学技术的发展，尤其是干细胞的研 究，人类的这些幻想正在逐步变成现实。1998年，美国科学杂志将干细胞的研究成果列在十大科学进展的首位。78细胞是机体组成的基本单位细胞细胞群组织机体79干细胞的定义 干细胞(Stem cell)即起源细胞。在细胞的分化过程中，细胞往往由于高度化分而完全失去了再分裂的能力，最终衰老死亡。机体在发展适应过程中为了弥补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞。因此，

23、干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。80干细胞的分类 全能干细胞 多能干细胞 单能干细胞按分化潜能按发育状态胚胎干细胞成体干细胞8182胚胎干细胞 ES细胞是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。在未来几年，ES细胞移植和其它先进生物技术的联合应用很可能在移植医学领域引发革命性进步。83成体干细胞 成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组

24、织和器官保持生长和衰退的动态平衡。84干细胞的用途 治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。以干细胞为种子培育成某些组织和器官，用于移植医学。抗衰老，延年益寿。85干细胞工程核移植去核胚胎干细胞组装胚胎干细胞组织干细胞各种组织器官体外诱导培养86干细胞治疗的进展 科学家们认识到干细胞可能成为一种“拯救生命”的有效的疾病治疗手段。例如：小剂量纯化的造血干细胞足可使患者骨髓再生，可以避免肿瘤病人进行自体骨髓移植时所致的瘤细胞（尤其是白血病细胞）污染。又例如：成熟的神经系统中存在的干细胞，在某些因素诱导作用下，可增殖和定向分化，给神经退行性疾病（如帕金森氏病）、骨髓损伤患者带来新的希望。87造血干细胞 造血干细胞

25、是体内各种血细胞的唯一来源，它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。造 血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性转移性肿瘤疾病的最有效方法。与骨髓移植和外周血干细胞移植相比，脐血干细胞移植的长处在于无来源的限制，对HLA配型要求不高，不易受病毒或肿瘤的污染。88神经干细胞 神经干细胞的研究尚处初级阶段。理论上讲，任何一种中枢神经疾病都可归结为神经干细胞功能的紊乱。给帕金森氏综合症患者的脑内移植含有多巴胺生成细胞的神经细胞，可治愈部分患者的症状。89克隆技术的发展克隆来源与英语“clone”或“cloning”的音译，曾译为无性生殖或无性繁殖，即由同一个祖先细胞分裂而形成的纯细胞系

26、，这个细胞系每个细胞的基因彼此是相同的。克隆技术第一个发展时期微生物克隆。克隆技术第二个发展时期生物技术克隆。克隆技术第三个发展时期动物克隆。90Q&A问答环节敏而好学，不耻下问。学问学问，边学边问。Heisquickandeagertolearn.Learningislearningandasking.91结束语 CONCLUSION感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边，来自于您的声音是对我们最大的鼓励和帮助，大家在填写评估表的同时，也预祝各位步步高升，真心期待着再次相会！92最后、感谢您的到来讲师：XXXX时间：202X.XX.XX