1、2022-8-11医学分子生物学医学分子生物学Medical Molecular Biology 第一章第一章 绪论绪论 Chapter 1 Introduction 主讲人：主讲人：葛堂栋葛堂栋佳木斯大学基础医学院生化教研室佳木斯大学基础医学院生化教研室2022-8-122022-8-132.分子生物学的研究内容1.分子生物学的定义 3.分子生物学与医学内容概要内容概要2022-8-14 从从分子分子水平水平研究生物大分子的结构与研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学功能从而阐明生命现象本质的科学，主要，主要指指遗传信息遗传信息的的传递传递（复制）、（复制）、保持保持（损伤（损
2、伤和修复）、和修复）、基因的表达基因的表达（转录和翻译）与（转录和翻译）与调控调控。一、分子生物学的定义一、分子生物学的定义2022-8-15从整体水平到分子水平示意图从整体水平到分子水平示意图分子水平分子水平细胞水平细胞水平整体水平整体水平 生命科学的发展过程生命科学的发展过程：2022-8-16 生命科学的研究内容：生命科学的研究内容：生命物质的结构与功能，生物与生物生命物质的结构与功能，生物与生物之间及生物与环境之间相互关系。之间及生物与环境之间相互关系。生命科学的前沿领域：生命科学的前沿领域：分子生物学分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、分子遗传学、细胞生物学、发育生物学和神经生物学，
3、而分子生物学是发育生物学和神经生物学，而分子生物学是生命科学的核心前沿。生命科学的核心前沿。生命科学是研究生命现象和生命活动生命科学是研究生命现象和生命活动规律的一门综合性学科。规律的一门综合性学科。2022-8-17 由于分子生物学以其崭新的观由于分子生物学以其崭新的观点和技术对其他学科的全面渗透，点和技术对其他学科的全面渗透，推动了细胞生物学、遗传学、发育推动了细胞生物学、遗传学、发育生物学和神经生物学向分子水平的生物学和神经生物学向分子水平的方向发展，使这些学科已不再是原方向发展，使这些学科已不再是原来的经典学科，而成为生命科学的来的经典学科，而成为生命科学的前沿。前沿。2022-8-1
4、8二、分子生物学研究内容 生物大分子的结构和功能研究 基因的表达调控 基因组、功能基因组与生物信息学研究 DNA重组技术（基因工程）2022-8-19生物大分子的结构和功能研究l生物大分子结构的测定l结构运动变化规律l结构与功能的关系lX射线衍射（蛋白质晶体学）、核磁共振等波谱学方法2022-8-110基因表达调控机制基因表达调控机制 19611961年，年，JacobJacob和和MonodMonod提出操纵子学说，提出操纵子学说，认识了原核生物基因表达调控的一些规律。认识了原核生物基因表达调控的一些规律。80 80年代开始，人们逐步认识到年代开始，人们逐步认识到真核基因组真核基因组结构和调
5、控的复杂性。结构和调控的复杂性。真核基因的真核基因的顺式调控元件与反式作用因子、顺式调控元件与反式作用因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用。核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用。小分子反义小分子反义RNARNA、核酶、核酶、siRNAsiRNA等。等。信号转导研究转录因子研究RAN剪接2022-8-111基因组与功能基因组学研究l 基因组（基因组（genomegenome）:一个物种遗传信息的一个物种遗传信息的总和。总和。l 基因结构与功能研究已经从单个基因发展基因结构与功能研究已经从单个基因发展到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的低等生物到真核生
6、物，从多细胞生物到人类。低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。2022-8-112 人类基因组计划（人类基因组计划（human genome project,HGPhuman genome project,HGP）美国科学家、诺贝尔奖获得者美国科学家、诺贝尔奖获得者Dulbecco RDulbecco R于于19861986年在美国年在美国 Science Science 杂志上发表的短文中率先提出，并认为这是加快癌杂志上发表的短文中率先提出，并认为这是加快癌症研究进程的一条有效途径。症研究进程的一条有效途径。主要的目标是绘制遗传连锁图、物理图、转录图，并完成人主要的目标是绘制遗传连锁图、物
7、理图、转录图，并完成人类基因组全部核苷酸序列测定。测出人体细胞中类基因组全部核苷酸序列测定。测出人体细胞中2424条染色体上全条染色体上全部部3030亿对核苷酸的序列，把所有人类基因都明确定位在染色体上，亿对核苷酸的序列，把所有人类基因都明确定位在染色体上，破译人类的全部遗传信息。破译人类的全部遗传信息。HGPHGP是人类自然科学史上与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计是人类自然科学史上与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划相媲美的伟大科学工程。划相媲美的伟大科学工程。2022-8-113 研究结果表明，人类基因数量仅有研究结果表明，人类基因数量仅有3 3万万个左右，比此前估计的要少得多。通过研究个左
8、右，比此前估计的要少得多。通过研究还发现男女可能存在巨大遗传差异，男性染还发现男女可能存在巨大遗传差异，男性染色体减数分裂的突变率是女性的两倍。在已色体减数分裂的突变率是女性的两倍。在已经分析的序列中，找到很多与遗传病有关的经分析的序列中，找到很多与遗传病有关的基因，包括乳腺癌、遗传性耳聋、中风、癫基因，包括乳腺癌、遗传性耳聋、中风、癫痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。2022-8-114DNA重组技术重组技术1、可被用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽2、可用于定向改造某些生物的基因组结构3、可被用来进行基础研究 2022-8-1151972年,B
9、oyer获得第一个重组DNA分子2022-8-1161972-BergEcoRI recognition sites phage DNAEcoRI cuts DNA into fragmentsSticky endSV40 DNAThe two fragments stick together by base pairingDNA ligaseRecombinant DNA2022-8-117三、分子生物学与医学2022-8-118 1.1.从从机体表型机体表型来认识疾病来认识疾病,即根据现象和检即根据现象和检查所获知的症状与体征。查所获知的症状与体征。2.2.从从组织细胞的病理、生理变化组织
10、细胞的病理、生理变化来分析和来分析和诊断疾病。诊断疾病。使人类积累了十分丰富的医学资料。但都使人类积累了十分丰富的医学资料。但都不能从本质上真正认识疾病发生的根本原因，更不能从本质上真正认识疾病发生的根本原因，更不能从根本上治愈疾病和阐明疾病的发病机制。不能从根本上治愈疾病和阐明疾病的发病机制。人类对疾病的认识：2022-8-119 现代现代分子生物学已经对医学的各个领域分子生物学已经对医学的各个领域产生了全面而深刻的影响，并逐步形成了一系产生了全面而深刻的影响，并逐步形成了一系列以分子冠名的交叉学科。列以分子冠名的交叉学科。如如分子遗传学、分子免疫学、分子病理分子遗传学、分子免疫学、分子病理
11、学、分子血液学、分子肿瘤学、分子病毒学、学、分子血液学、分子肿瘤学、分子病毒学、分子流行病学分子流行病学等。等。由于生命本质的高度一致性，由于生命本质的高度一致性，使得这些使得这些学科可以使用同一套理论、同一套技术，来解学科可以使用同一套理论、同一套技术，来解释和研究不同的病理、生理现象，甚至治疗不释和研究不同的病理、生理现象，甚至治疗不同的疾病同的疾病。2022-8-120 由于分子生物学的发展和渗透，各种生理和由于分子生物学的发展和渗透，各种生理和病理现象都可能从基因水平找到答案。病理现象都可能从基因水平找到答案。肿瘤发生与癌基因和肿瘤抑制基因。肿瘤发生与癌基因和肿瘤抑制基因。表明生物机体
12、各种各样的生命现象及生理和表明生物机体各种各样的生命现象及生理和病理表现，几乎无一不与基因有关。病理表现，几乎无一不与基因有关。药物的耐药性与抗药基因。药物的耐药性与抗药基因。2022-8-121 由于分子生物学在医学上的不断渗由于分子生物学在医学上的不断渗透和影响，导致基础医学和临床医学从透和影响，导致基础医学和临床医学从基因水平来探讨多种多样的生命现象，基因水平来探讨多种多样的生命现象，基因诊断和基因治疗的开展是分子生物基因诊断和基因治疗的开展是分子生物学在医学领域中应用的典范。学在医学领域中应用的典范。2022-8-122（一）分子生物学在基础医学中的应用（一）分子生物学在基础医学中的应
13、用 基础医学是整个医学科学的基石，基础医学是整个医学科学的基石，分子生物学不仅是生命科学的前沿，也是分子生物学不仅是生命科学的前沿，也是整个基础医学的前沿。今后总的发展趋势整个基础医学的前沿。今后总的发展趋势仍然是分子生物学向医学，特别是基础医仍然是分子生物学向医学，特别是基础医学广泛交叉、渗透和影响。学广泛交叉、渗透和影响。2022-8-123 1.1.对人的生理功能和疾病机制的研究对人的生理功能和疾病机制的研究,已由整体水平、器官水平进入到细胞和已由整体水平、器官水平进入到细胞和分子水平；对生命的了解，由表面现象分子水平；对生命的了解，由表面现象观察进入了本质的探讨。观察进入了本质的探讨。
14、2022-8-124 2.2.基础医学中不断出现新的边缘学科，基础医学中不断出现新的边缘学科，如如分子分子生理学、生理学、分子分子药理学、药理学、分子分子病理病理学、学、分子分子遗传学、遗传学、分子分子免疫学、免疫学、分子分子病病毒学、毒学、分子分子肿瘤学、肿瘤学、分子分子神经生物学等神经生物学等等。等。2022-8-125 3.3.传统上按传统上按“形态形态”和和“机能机能”来进行来进行基础医学各个学科划分的界限已日益模基础医学各个学科划分的界限已日益模糊糊,出现了各学科在分子水平上进行整出现了各学科在分子水平上进行整合的趋势。合的趋势。2022-8-126 4.4.开始改变传统生物学的研究
15、方开始改变传统生物学的研究方法和策略，形成了直接从基因水法和策略，形成了直接从基因水平入手平入手,研究基因型和表型的相研究基因型和表型的相互关系。互关系。2022-8-127（二）分子生物学在病理学中的应用（二）分子生物学在病理学中的应用 由于分子生物学向病理学的渗透由于分子生物学向病理学的渗透,出现出现“分子病理学分子病理学”这样一个新学科。这样一个新学科。分子生物学理论和技术彻底改变了病分子生物学理论和技术彻底改变了病理学和实验医学的面貌理学和实验医学的面貌,开始从基因水平来开始从基因水平来进行疾病诊断。应用于分子病理学的基因进行疾病诊断。应用于分子病理学的基因检测技术，揭示了疾病发生的分
16、子事件。检测技术，揭示了疾病发生的分子事件。2022-8-128（三）基因诊断（三）基因诊断 由于重组由于重组DNADNA技术的问世技术的问世,人们对于许多疾病人们对于许多疾病的认识的认识,已经深入到基因水平。一种从基因水平对已经深入到基因水平。一种从基因水平对疾病进行诊断的新技术疾病进行诊断的新技术基因诊断技术得以诞基因诊断技术得以诞生和发展。生和发展。基因诊断：在基因诊断：在DNADNA水平或水平或RNARNA水平水平,应用核酸应用核酸分子杂交技术、限制性内切酶长度多态性（分子杂交技术、限制性内切酶长度多态性（RFLPRFLP）连锁分析、连锁分析、PCRPCR技术、技术、DNADNA序列分
17、析技术以及近年序列分析技术以及近年发展起来的发展起来的DNADNA芯片技术等芯片技术等,对人类疾病进行诊断。对人类疾病进行诊断。2022-8-129 基因诊断基因诊断技术技术核酸分子杂交：核酸分子杂交：Southern Southern 印迹印迹杂交杂交技术：技术：19751975年，年，Southern EMSouthern EM发明。发明。从生物体的细胞中提取基因组从生物体的细胞中提取基因组DNADNA，并从中鉴别出某一特，并从中鉴别出某一特异的核苷酸序列。异的核苷酸序列。Northern Northern印迹杂交技术：印迹杂交技术：19771977年年AlwineAlwine JC JC
18、等发明。等发明。用于样品中某种用于样品中某种mRNAmRNA分子的定量，分子量大小的测定。分子的定量，分子量大小的测定。原理：原理：RNARNA分子在变性琼脂糖凝胶中电泳，按分子量大小分子在变性琼脂糖凝胶中电泳，按分子量大小不同而相互分离，其原理与不同而相互分离，其原理与SouthernSouthern转移技术的方法类似。转移技术的方法类似。细胞原位杂交技术：细胞原位杂交技术：19691969年，年，ParduePardue等建立。等建立。2022-8-130基因诊断技术基因诊断技术聚合酶链式反应聚合酶链式反应 (polymerase chain(polymerase chain reacti
19、on,PCR)reaction,PCR)：19851985年，年，Mullis KMullis K首首创。创。体外模拟细胞内体外模拟细胞内DNADNA复制过程，进行体复制过程，进行体外基因扩增。外基因扩增。2022-8-131基因诊断技术基因诊断技术基因芯片（基因芯片（Gene chipsGene chips）技术：）技术：基因芯片技术基因芯片技术:将大量探针固定于支持物上，与标记将大量探针固定于支持物上，与标记的样品进行杂交。可一次性对样品中大量序列进行检测的样品进行杂交。可一次性对样品中大量序列进行检测和分析。和分析。解决了传统核酸杂交技术操作繁杂、检测效率低的解决了传统核酸杂交技术操作繁
20、杂、检测效率低的问题。问题。通过设计不同的探针阵列和使用特定的分析方法，通过设计不同的探针阵列和使用特定的分析方法，使该技术具有多种不同的应用价值。使该技术具有多种不同的应用价值。如基因表达谱分析、基因突变检测、多态性分析、如基因表达谱分析、基因突变检测、多态性分析、基因诊断等。基因诊断等。2022-8-132叠加图：绿色代表下调；红色代表上调；黄色无差异。正常样品Cy3标记待测样品Cy5标记叠加石奕武，胡维新等：多发性骨髓瘤的基因表达谱分析，湖南医科大学学报，2003，28（3）：2012052022-8-1332022-8-1342022-8-135 在法医学中利用在法医学中利用DNADN
21、A指纹图谱技术进行刑事指纹图谱技术进行刑事侦破和亲子鉴定。侦破和亲子鉴定。临床上对遗传病、传染病及常见疾病（如临床上对遗传病、传染病及常见疾病（如肿瘤、心血管疾病等）的诊断。肿瘤、心血管疾病等）的诊断。基因分型。基因分型。基因诊断是通过直接检测目的基因（或该基因诊断是通过直接检测目的基因（或该基因的转录产物）的存在状态对疾病作出诊断基因的转录产物）的存在状态对疾病作出诊断的方法。的方法。基因诊断的用途2022-8-136 基因诊断技术不仅用于出生后人群的基因诊断技术不仅用于出生后人群的疾病诊断疾病诊断,而且还应用于产前基因诊断和着而且还应用于产前基因诊断和着床前诊断，这样可大大减少有先天性疾病
22、床前诊断，这样可大大减少有先天性疾病或携带遗传性疾病基因的胎儿出世，促进或携带遗传性疾病基因的胎儿出世，促进优生优育，提高人口素质。优生优育，提高人口素质。产前基因诊断和着床前诊断产前基因诊断和着床前诊断2022-8-137 基因诊断技术也为流行病学调查以基因诊断技术也为流行病学调查以及食品卫生检验和环境卫生监测等工作及食品卫生检验和环境卫生监测等工作开创了崭新的领域开创了崭新的领域,使诊断技术进入一使诊断技术进入一个新的、更高的水平个新的、更高的水平,从而刷新了医学诊从而刷新了医学诊断的面貌。断的面貌。2022-8-138(四四)基因治疗基因治疗(gene therapy)(gene the
23、rapy)基因治疗是分子生物学理论与技术基因治疗是分子生物学理论与技术的飞速发展给医学带来新的希望和新的的飞速发展给医学带来新的希望和新的治疗手段，开辟了治疗学治疗手段，开辟了治疗学(therapeutics)(therapeutics)的新纪元。基因治疗是临床医学中发展的新纪元。基因治疗是临床医学中发展起来的新领域，发展十分迅速。起来的新领域，发展十分迅速。2022-8-139 基因治疗技术的发展与整个医学科学的发展以及基因治疗技术的发展与整个医学科学的发展以及许多分子生物学新理论、新技术、新方法的应用密切许多分子生物学新理论、新技术、新方法的应用密切相关。相关。临床基因治疗研究已经得到了迅
24、速发展，基因治临床基因治疗研究已经得到了迅速发展，基因治疗的范围从单基因缺陷遗传病扩大到多基因遗传病疗的范围从单基因缺陷遗传病扩大到多基因遗传病（恶性肿瘤、心血管病、免疫性疾病等）以及传染性（恶性肿瘤、心血管病、免疫性疾病等）以及传染性疾病（如肝炎、艾滋病等）。疾病（如肝炎、艾滋病等）。2022-8-140 狭义基因治疗狭义基因治疗：目的基因导入靶细胞：目的基因导入靶细胞后与宿主细胞内的基因发生整合、成为后与宿主细胞内的基因发生整合、成为宿主基因组的一部分，目的基因表达产宿主基因组的一部分，目的基因表达产物起治疗疾病的作用。物起治疗疾病的作用。广义基因治疗广义基因治疗：包括通过基因转移技：包括
25、通过基因转移技术，使目的基因得到表达，封闭、剪切术，使目的基因得到表达，封闭、剪切致病基因的致病基因的mRNAmRNA，或自杀基因产物催化，或自杀基因产物催化药物前体转化为细胞毒性物质，杀死肿药物前体转化为细胞毒性物质，杀死肿瘤细胞，从而达到治疗疾病的目的。瘤细胞，从而达到治疗疾病的目的。2022-8-141 随着人类基因组遗传信息的全部破随着人类基因组遗传信息的全部破译和基因功能的澄清，临床医生有可能译和基因功能的澄清，临床医生有可能根据病人的需要，将外源基因导入患病根据病人的需要，将外源基因导入患病的细胞，替换有缺陷的基因以治疗疾病。的细胞，替换有缺陷的基因以治疗疾病。在新的世纪，可以预期基因治疗将在新的世纪，可以预期基因治疗将会有一个更大的发展。会有一个更大的发展。
