1、1戴 五 星戴 五 星同济医学院生物化学与分子生物学系同济医学院生物化学与分子生物学系23 第一节第一节 分子生物学与医学的关系及研究的主要内容分子生物学与医学的关系及研究的主要内容 一分子生物学的定义一分子生物学的定义 分子生物学是一门从分子水平研究生命现象、生命本质、分子生物学是一门从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的科学。生命活动及其规律的科学。它是在分子水平这一层次所形成它是在分子水平这一层次所形成的理论和技术体系，被称为分子生物学的理论和技术体系，被称为分子生物学 。 医学分子生物学是从分子水平上研究人体在正常和疾病医学分子生物学是从分子水平上研究人体在正常和疾病状态
2、下的生命活动及其规律状态下的生命活动及其规律,从分子水平开展人类疾病的预防、从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的一门科学。诊断和治疗研究的一门科学。4二分子生物学和医学的关系二分子生物学和医学的关系 分子生物学在整个医学中起到纽带作用，将基础分子生物学在整个医学中起到纽带作用，将基础医学各分支学科及基础医学与临床医学联系起来，医学各分支学科及基础医学与临床医学联系起来，成为现代医学和生命科学的前沿学科和领域，在一成为现代医学和生命科学的前沿学科和领域，在一定程度上起到牵动全局的作用。定程度上起到牵动全局的作用。5 未来的医学将把研究层次深入到量子水平，分子生未来的医学将把研究层次深入
3、到量子水平，分子生物学则可能把自己的物学则可能把自己的“血液血液”熔化到医学的躯体之中，熔化到医学的躯体之中，“化己为他化己为他”，“化整为零化整为零”，渗透到各个相关学科中，渗透到各个相关学科中，成为科学上的成为科学上的“蜡烛蜡烛”，燃烧自己，照亮别人。分子生，燃烧自己，照亮别人。分子生物学在医学上的价值和物学在医学上的价值和“灵魂灵魂”将永存。分子生物学将将永存。分子生物学将成为现代生命科学的成为现代生命科学的“共同语言共同语言”。6 三三 、医学分子生物学研究的主要内容、医学分子生物学研究的主要内容1、研究生物大分子、基因及基因组的结构与功能、研究生物大分子、基因及基因组的结构与功能2、
4、研究遗传信息的传递及其调控、研究遗传信息的传递及其调控3、研究生物大分子的相互作用及信息传递、研究生物大分子的相互作用及信息传递4、研究分子生物学的技术体系、研究分子生物学的技术体系5、研究人体各种（包括生长、发育、衰老、死亡等）、研究人体各种（包括生长、发育、衰老、死亡等）生命现象中的分子生物学基础生命现象中的分子生物学基础7 第二节、第二节、 分子生物学的历史回顾、发展现状及发分子生物学的历史回顾、发展现状及发展趋势展趋势 任何一门科学及其学科的诞生都有其历史的必然性任何一门科学及其学科的诞生都有其历史的必然性,分分子生物学也不例外子生物学也不例外。分子生物学的出现归功于人类对生分子生物学
5、的出现归功于人类对生命现象的认识层次的深入以及研究技术和方法的逐步深化命现象的认识层次的深入以及研究技术和方法的逐步深化和精密和精密,即在认识上由宏观向微观转变即在认识上由宏观向微观转变,技术方法由粗放向技术方法由粗放向精细准确转变精细准确转变。归功于近百年无数科学家智慧的结晶，归功于近百年无数科学家智慧的结晶，成果的融汇。尤其从上世纪成果的融汇。尤其从上世纪40年代起，在理论和技术方面年代起，在理论和技术方面的重大突破。的重大突破。8 1859年，达尔文的进化论年，达尔文的进化论 1866年，孟德尔的遗传因子学说年，孟德尔的遗传因子学说 1909年年,Johannsen将遗传因子改称为基因将
6、遗传因子改称为基因. 1910年，摩尔根创立了基因学说。年，摩尔根创立了基因学说。 分子生物学建立与发展归功于上世纪分子生物学建立与发展归功于上世纪40年代以年代以来在理论上和技术上的如下突破。来在理论上和技术上的如下突破。一、历史回顾一、历史回顾9（一）理论上的四项重大突破（一）理论上的四项重大突破 1. 40年代，年代，Avery发现了生物遗传物质的化学本发现了生物遗传物质的化学本质是质是DNA 2. 50年代，年代，Watson-Crick提出了提出了DNA结构的双螺结构的双螺旋模型旋模型 3. 50年代，年代，Crick提出了遗传学中心法则提出了遗传学中心法则 4 . 60年代，年代，
7、 Nirenberg等人破译了遗传密码等人破译了遗传密码从从1944年年至今至今10 1934年，年，Avery在一次学术报告会上首次报道了肺在一次学术报告会上首次报道了肺炎球菌的转化，他不仅证明了炎球菌的转化，他不仅证明了DNA 是遗传物质，且是遗传物质，且证明证明DNA把把1个细菌的遗传性状转给了另一个细菌，个细菌的遗传性状转给了另一个细菌，理 论 意 义 十 分 重 大 。 正 如 诺 贝 尔 奖 金 获 得 者理 论 意 义 十 分 重 大 。 正 如 诺 贝 尔 奖 金 获 得 者Lederberg指出的：指出的：Avery的工作是现代分子生物学革的工作是现代分子生物学革命的开端，基
8、因工程的先导。但是，超越时代的科学命的开端，基因工程的先导。但是，超越时代的科学成就，往往不易被人们所接受，成就，往往不易被人们所接受，Avery成就的命运也成就的命运也是如此，当时并未引起阵阵掌声，他的论文事隔是如此，当时并未引起阵阵掌声，他的论文事隔10年年才公开发表。才公开发表。11 Watson和和Crick於於1953年提出年提出DNA双螺旋双螺旋结构模型结构模型, 是进入分子生物学时期的标志是进入分子生物学时期的标志12 Proposition of central dogma13Scientists cracked the genetic code stored in DNA14
9、15 阿尔伯阿尔伯Wemer Arber瑞士生物学家巴塞尔Biozentrum大学1929 内森斯内森斯Danien Nathans美国微生物学家霍普金斯大学医学院1931 史密斯史密斯Hamilton OSmith美国微生物学家霍普金斯大学医学院1931阿尔伯(Wemer Arber 1929)瑞士生物学家，内森斯(Danien Nathans 19282019)美国微生物学家，史密斯(Hamilton OSmith 1931)美国微生物学家，由于限制性核酸内切酶的发现及其在分子遗传学中的应用，为遗传工程的产生拉开了序幕而获得1978年诺贝尔生理学或医学奖。 16 Recombinant D
10、NA Technology17In 1980 he shared half of the Nobel Prize for Chemistry with the team of Walter Gilbert and Frederick Sanger. All three were recognized for their important contributions to basic research in nucleic acids Paul Berg 18An American biochemist who assisted Herbert Boyer in the creation of
11、 the first recombinant DNA organism, and won the 1986 Nobel Prize for his work with Rita Levi-Montalcini in discovering cell growth factors.Stanley Cohen191970年，年， 反转录酶反转录酶的发现告诉我们，遗传信息不仅能的发现告诉我们，遗传信息不仅能从从DNA流向流向RNA, 也能从也能从RNA转移转移到到DNA，从而为中心法则（，从而为中心法则（central dogma）增加了新内容。这在遗传）增加了新内容。这在遗传学上是一重大发现，在实
12、践上反转学上是一重大发现，在实践上反转录酶的应用为分子生物学和遗传工录酶的应用为分子生物学和遗传工程研究开辟了一条新的途径。程研究开辟了一条新的途径。202122232425 在人体全部在人体全部22 22 对常染色体中对常染色体中,1 ,1 号染色体包含基因数量号染色体包含基因数量最多最多, ,块头最大。其基因数目多达块头最大。其基因数目多达3 141 3 141 个个, ,是平均水平的是平均水平的2 2 倍倍, ,共有超过共有超过2. 23 2. 23 亿个碱基对亿个碱基对, ,破译难度也最大。一个由破译难度也最大。一个由150 150 名英国和美国科学家组成的团队历时名英国和美国科学家组
13、成的团队历时10 10 年年, ,才完成了才完成了1 1 号染色体的测序工作号染色体的测序工作, , 于于2019 2019 年年5 5 月月18 18 日在英国日在英国自然自然杂志网络版上发表了人类最后一个染色体杂志网络版上发表了人类最后一个染色体1 1 号染色号染色体的基因测序体的基因测序, , 历时历时16 16 年的人类基因组计划书写完了年的人类基因组计划书写完了“生生命之书命之书”的最后一个章节的最后一个章节, ,覆盖了人类基因组的覆盖了人类基因组的99. 99 %99. 99 %。人类基因组计划写完人类基因组计划写完“生命之书生命之书”最后一节最后一节2627 （三）基因表达调控研
14、究（三）基因表达调控研究基因表达调控是多步骤多层次的过程。基因表达调控是多步骤多层次的过程。1.转录前调控表现为基因重排和修饰及结构基因活化。转录前调控表现为基因重排和修饰及结构基因活化。2.转录水平的调控是目前研究的重点。主要研究的焦点是顺转录水平的调控是目前研究的重点。主要研究的焦点是顺式作用元件与反式作用因子之间的相互识别和作用机理式作用元件与反式作用因子之间的相互识别和作用机理。3.转录后水平的调控指对转录产物转录后水平的调控指对转录产物RNA的加工和修饰。的加工和修饰。4.翻译调控作用指调控翻译速率。翻译调控作用指调控翻译速率。5.翻译后调控指调控新生肽链的加工、修饰和折叠。翻译后调
15、控指调控新生肽链的加工、修饰和折叠。28 （四）信号转导（四）信号转导未来细胞信号转导研究的发展趋势有以下几个方面：未来细胞信号转导研究的发展趋势有以下几个方面：从单一分子、单一通路研究向多通路、规模化研从单一分子、单一通路研究向多通路、规模化研究发展究发展从定性研究向定量研究发展从定性研究向定量研究发展从单纯生物学实验研究向计算机模拟研究发展从单纯生物学实验研究向计算机模拟研究发展从体外研究向体内研究的发展从体外研究向体内研究的发展从基础研究向应用研究的发展从基础研究向应用研究的发展29第三节、分子生物学在医学中的应用第三节、分子生物学在医学中的应用一、分子生物学在医学基础理论研究中的应用一
16、、分子生物学在医学基础理论研究中的应用 分子生物学使整个医学科学研究提高到分子水平。经典的分子生物学使整个医学科学研究提高到分子水平。经典的生物学只能从生物表型的变化描述和归纳生命活动的某些规生物学只能从生物表型的变化描述和归纳生命活动的某些规律，所谓基因也还只是抽象的概念，表型的分子基础也未查律，所谓基因也还只是抽象的概念，表型的分子基础也未查明。从前的医学研究状况大体上也是如此。只有分子生物学明。从前的医学研究状况大体上也是如此。只有分子生物学的研究才使医学各科上升到基因水平、分子水平，从而出现的研究才使医学各科上升到基因水平、分子水平，从而出现了所谓分子微生物学、分子免疫学、分子生理学、
17、分子病理了所谓分子微生物学、分子免疫学、分子生理学、分子病理学、分子药理学、分子心脏病学、分子神经病学、分子内分学、分子药理学、分子心脏病学、分子神经病学、分子内分泌学等等全新的领域泌学等等全新的领域30二、分子生物学在基因诊断方面的应用二、分子生物学在基因诊断方面的应用利用现代分子生物学和分子遗传学的技术和方法，直接监测基利用现代分子生物学和分子遗传学的技术和方法，直接监测基因结构及其表达水平变化，从而对疾病作出诊断的方法。因结构及其表达水平变化，从而对疾病作出诊断的方法。1、应用分子生物学技术诊断遗传病、应用分子生物学技术诊断遗传病如杜氏肌营养不良症由抗肌萎缩蛋白基因决定的，该基因全长如杜
18、氏肌营养不良症由抗肌萎缩蛋白基因决定的，该基因全长2000多多kb,包含包含79个外显子，该基因的突变是导致发病的根本个外显子，该基因的突变是导致发病的根本原因，而突变多发生在原因，而突变多发生在9个易发热点区，根据突变易发热点区个易发热点区，根据突变易发热点区的核苷酸序列设计的核苷酸序列设计9对引物，采用多重对引物，采用多重PCR可对患者进行诊断。可对患者进行诊断。312、应用分子生物学技术诊断感染性患者携带的病原体、应用分子生物学技术诊断感染性患者携带的病原体 例如应用核酸分子杂交或例如应用核酸分子杂交或PCR技术可对感染性疾病所携带的技术可对感染性疾病所携带的病原体作出诊断。病原体作出诊
19、断。3、应用分子生物学技术对癌基因和抑癌基因的点突变进行检测、应用分子生物学技术对癌基因和抑癌基因的点突变进行检测 应用应用PCR/ASO或或PCR-SSCP可对癌基因和抑癌基因的点突变可对癌基因和抑癌基因的点突变进行检测。进行检测。4、应用分子生物学技术进行法医学鉴定、应用分子生物学技术进行法医学鉴定 应用应用southern印记杂交或单核苷酸多态性与印记杂交或单核苷酸多态性与DNA芯片技术结芯片技术结合进行个体识别和亲子鉴定合进行个体识别和亲子鉴定32定义：定义： 广义地说广义地说，基因治疗是应用基因或基因产物，基因治疗是应用基因或基因产物，治疗疾病的一种方法。治疗疾病的一种方法。从狭义地
20、说从狭义地说，基因治疗，基因治疗是把外界的正常基因或治疗基因，通过载体转是把外界的正常基因或治疗基因，通过载体转移到人体的靶细胞，进行基因修饰和表达，改移到人体的靶细胞，进行基因修饰和表达，改善疾病的一种治疗手段。善疾病的一种治疗手段。 三、分子生物学在基因治疗方面的应用三、分子生物学在基因治疗方面的应用 现在基因治疗不仅用于治疗多种遗传病（如血友病现在基因治疗不仅用于治疗多种遗传病（如血友病等）而且用于恶性肿瘤、某些传染病、（如爱滋病）心等）而且用于恶性肿瘤、某些传染病、（如爱滋病）心血管疾病和糖尿病的基因治疗。血管疾病和糖尿病的基因治疗。33四、分子生物学在生物工程和与生物制药方面的应用四
21、、分子生物学在生物工程和与生物制药方面的应用 生物工程包括基因工程、蛋白质工程、酶工程及生物工程包括基因工程、蛋白质工程、酶工程及细胞工程等。生物工程广泛用于生物制药领域细胞工程等。生物工程广泛用于生物制药领域.目前采目前采用基因工程制备的多肽药物已达用基因工程制备的多肽药物已达100多种，如干扰素、多种，如干扰素、白介素、生长激素、红细胞生成素、免疫球蛋白等白介素、生长激素、红细胞生成素、免疫球蛋白等34（一）重组激素（一）重组激素 通过蛋白质工程手段可以提高重组蛋白质的通过蛋白质工程手段可以提高重组蛋白质的活性活性、改善制品的稳定性、提高生物利用度、改善制品的稳定性、提高生物利用度、延长在
22、体内的半衰期、降低制品的免疫原性等。延长在体内的半衰期、降低制品的免疫原性等。重组蛋白质重组蛋白质/多肽药物多肽药物35（二）重组抗体药物（二）重组抗体药物 单克隆抗体：单克隆抗体：2019年达年达200亿美元亿美元目前正在开发中的抗体数百种，已有目前正在开发中的抗体数百种，已有150150个产品已个产品已进入临床研究阶段。临床适应症以癌症最多，约占进入临床研究阶段。临床适应症以癌症最多，约占50%50%，其次是自身免疫性疾病，约占，其次是自身免疫性疾病，约占18%18%，感染占，感染占13%13%，心血管疾病占，心血管疾病占6%6%，器官移植引起的排斥占，器官移植引起的排斥占5%5%，其他占
23、其他占8%8%。36l 细胞因子是一类由免疫细胞及相关细细胞因子是一类由免疫细胞及相关细胞分泌的具有调节细胞功能的高活性的胞分泌的具有调节细胞功能的高活性的小分子蛋白质。通过与细胞表面的受体小分子蛋白质。通过与细胞表面的受体作用后发挥广泛的生物学作用。作用后发挥广泛的生物学作用。37基因药物基因药物 指将具有治疗意义的指将具有治疗意义的DNADNA重组入真核表达载重组入真核表达载体，直接转移至人体细胞，在体内表达出具有体，直接转移至人体细胞，在体内表达出具有治疗意义的多肽和蛋白质；或应用直接作用于治疗意义的多肽和蛋白质；或应用直接作用于细胞内细胞内DNADNA或或RNARNA，达到抑制基因复制
24、和表达的，达到抑制基因复制和表达的核酸片段或其人工合成的类似物，以及对核酸片段或其人工合成的类似物，以及对RNARNA具有切割作用的核酶。具有切割作用的核酶。 目前临床上应用或处于研究阶段的主要基因药目前临床上应用或处于研究阶段的主要基因药物为物为DNADNA药物和反义药物和反义RNARNA药物药物38 将治疗基因植入体内，让细胞自己合成和将治疗基因植入体内，让细胞自己合成和分泌药用蛋白质，从而达到防治疾病的目分泌药用蛋白质，从而达到防治疾病的目的。的。39（二）反义药物（二）反义药物 反义药物：反义药物： 指人工合成或生物合成的指人工合成或生物合成的DNA或或RNA，可用于由，可用于由于基因
25、过度表达所致的肿瘤、遗传性疾病和病毒感于基因过度表达所致的肿瘤、遗传性疾病和病毒感染。这种核酸药物就是反义药物。包括反基因、反染。这种核酸药物就是反义药物。包括反基因、反义寡核苷酸、反义义寡核苷酸、反义RNA、小干扰、小干扰RNA(siRNA)、肽核、肽核酸（酸（PNA）和核酶。）和核酶。40五、分子生物学在预防医学中的应用五、分子生物学在预防医学中的应用1、疫苗研究、疫苗研究 疫苗的研究包括致死疫苗、灭活疫苗、减毒活疫苗、疫苗的研究包括致死疫苗、灭活疫苗、减毒活疫苗、亚单位疫苗、重组活疫苗及亚单位疫苗、重组活疫苗及DNA疫苗的研究。前疫苗的研究。前3者属者属传统疫苗的研究，而后传统疫苗的研究
26、，而后3者则属于采用分子生物学的理者则属于采用分子生物学的理论和技术所进行的疫苗的研究。论和技术所进行的疫苗的研究。412、环境监测与净化、环境监测与净化 （1）环境监测：采用核酸分子杂交技术或）环境监测：采用核酸分子杂交技术或PCR技术可灵敏技术可灵敏地检测环境中病原体的存在。如水中的细菌、病毒。地检测环境中病原体的存在。如水中的细菌、病毒。（2）环境净化：将一些特殊的基因导入特定的微生物中，可）环境净化：将一些特殊的基因导入特定的微生物中，可清除环境的有害物质。例如将抗清除环境的有害物质。例如将抗DDT害虫中分离的抗害虫中分离的抗DDT基基因转移到细菌中去，可降解农田中残留的因转移到细菌中
27、去，可降解农田中残留的DDT；将能分解有；将能分解有机化合物的基因通过质粒导入微生物中，可清除污染水面上机化合物的基因通过质粒导入微生物中，可清除污染水面上的石油；将耐汞基因导入腐臭假单胞杆菌中，该菌株能把剧的石油；将耐汞基因导入腐臭假单胞杆菌中，该菌株能把剧毒的汞化合物吸收到细胞内，可净化汞污染。毒的汞化合物吸收到细胞内，可净化汞污染。 42Reference books:1. 医学分子生物学医学分子生物学 冯作化主编冯作化主编 供八年制用供八年制用2. 医学分子生物学医学分子生物学 查锡良主编查锡良主编 供研究生用供研究生用docin/sanshengshiyuandoc88/sanshenglu 更多精品资源请访问更多精品资源请访问
