基因与健康复习

基因与健康复习纲要 一 绪论：基因健康 疾病 1. 什么是基因？ 2. 基因的功能与意义 3. 基因与疾病的关系 4. 运用基因科学、维护自身健康 让我们一起来走近生命，揭开基因与健康之谜！ 1 什么是基因？ 基因是什么？ 遗传物质信息传递的载体。 染色体上编码特定遗传信息的一段 DNA（脱氧核糖核酸）序列就是基因。 它是具有遗传效应的最小功能单位，记录和传递着我们每个人的遗传信息，好比是 生命的密码。 2 基因的功能与意义 （1 ）基因是生命的基本因子，基因是生命之源，是生命之本，是生命的操纵者和调控者。 （2 ）基因是人类生老病死、健康长寿的内因，决定着一切生命的存在或衰亡形式。 （3 ）人的长相、身高、体重、肤色和性格等均与基因密切相关。 （4 ）基因决定您是否比一般人更容易患高血压、患糖尿病或者到老年时容易患骨质疏松症、 老年痴呆症。 （5 ）在营养方面：基因决定你是否少吃也发胖或者多吃却苗条；决定你是否无论怎么补钙 骨质依然出现问题。 （6 ）在生活方式上：基因决定你是否比大多数人都耐受咖啡和烟酒的刺激；或对这些物质、 行为特别敏感。 因此，我们只有了解了父母遗传给我们独特的遗传信息基因，才可以有针对性地 接受个性化的保健、用药、体检、饮食、运动等方面的指导，积极改变和干预不良 生活方式等环境因素、预防疾病的发生。 案例 1 ：镰刀状贫血症 由于红血球不正常带来严重后果。 问题在于血红蛋白 - 链 N 端第 6 位 一个谷氨酸残基变成了缬氨酸残基 3 基因与疾病的关系 “基因受损是人类除创伤之外所有疾病之源” 基因变异所引起的疾病 主要分为：单基因病、多基因病 和染色体异常病。 （1 ） 单基因疾病 单基因疾病就是指由单个基因突变所导致的疾病，又可分为显性遗传、隐性遗传和 伴性遗传。 单基因疾病（一） 显性遗传病 软骨发育不全、抗维生素 D 佝偻病、多指症、亨廷顿氏、病家族性高胆 固醇血症 隐性遗传病 苯丙酮尿症（PKU） 、进行性肌营养不良、白化病、 X-染色体连锁的遗传病 血友病 Y-连锁遗传 （2 ）多基因与疾病的关系 多基因病则是指由多个基因和环境因素控制的遗传病，与单个基因病不 同的是这些基因没有显性、隐性的关系，每个基因只有微小的累加作用，因此，同 样的病不同的人由于可能涉及致病基因数目上的不同，或由于所处环境条件差异， 其病情严重程度、复发风险均可能有明显的不同。 多基因相关疾病 由多对等位基因控制。 常表现出家族性聚集现象，且比较容易受环境影响。 常见的有唇裂（俗称兔唇） 、无脑儿、原发性高血压、青少年型糖尿病等。 唇裂、无脑儿 （2 ） 染色体异常病 由于染色体畸变，包括染色体数目或结构改变所致的遗传病，称为染色 体病。这种疾病已记录有 500 多种，其中，性染色体异常占 75，常染色体异常 占 25。如：先天愚型病是因为有三条 21 号染色体所致。 染色体异常病 4 基因与自身健康 了解基因、疾病和健康的相关性，对于帮助我们正确地认识基因，更深层次的了解我 们的生命，并及时运用相关的科技和转化产品，趋利避害，服务于自己和子代的健康均具 有举足轻重的作用 。 让我们一起来走近生命，揭开基因与健康之谜！ 二 生命科学的“阿波罗计划” 本章要点 1、 HGP 是什么 2、 HGP 的意义 3、 HGP 的实施策略 4、 HGP 的完成 1 什么是 HGP？ HGP: Human Genome Project 参与人员：美、英、法、德、日本和中国 经费预算： $ 30 亿 完成年限：15 年 项目目标：为 30 多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并 搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。 历史地位：与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划并称为三大科学计划。 人类基因组？ 基因组（genome）：原义指单倍型染色体的总和。 现在我们认为：位于单倍型染色体上所有 DNA 的排列顺序的图谱，即 A、T、 C 、 G 的排列图以及线粒体 DNA 中四种碱基排列的图谱。 美国人类基因组计划的形成 1985 年 5 月，美国能源部提出 “人类基因组计划”草案；经过一番讨论后于 1986 年 3 月宣布实施这个草案； 1986 年 3 月 7 日，Dulbecco 在 Science 上发表了一篇有关开展人类基因组计划的短 文，引起了全世界的强烈反响，不仅推动了美国，也推动了全世界的人类基因组计 划的发展； 1987 年初，美国能源部和国家健康研究院为“人类基因组计划”下拨了启动经费 550 万美元，全年 1.66 亿美元； 1988 年 2 月，国家科学研究委员会的专家成立了 “国家人类基因组研究中心”，由沃 森任第一任主任； 1990 年 10 月 1 日美国国会正式批准 “人类基因组计划“ 启动，其规模在世界上是最 大的，计划在 15 年内投入 30 亿美元以上的资金进行人类基因组的分析。 其他国家的情况 在 Dulbecco 短文的影响下，整个欧洲都行动起来了，并各具特色。 1987 年，意大利；1989 年，英国；1990 年，法国；1995 年，德国，开始启动各自 的基因组计划； 1990 年 6 月，欧共体通过 “欧洲人类基因组计划“。 中国的 HGP 始于 1994 年，是在吴昱，强伯勤，陈竺，杨焕明等人的倡导下启动的。 最初由国家自然科学基金委员会和“863“高科技计划的支持下，先后启动了“ 中华民 族基因组中若干位点基因结构的研究“和“重大基因相关基因的定位、克隆、结构与 功能研究“。 1998 年 3 月由陈竺院士挂帅成立上海中心， 10 月改名为中国南方基因中心。同时， 决定成立由国家卫生部牵头的若干中国人类遗传资源保护中心。1998 年由杨焕明 和余军教授组织了中国科学院遗传所，1999 年由强伯勤院士挑头在北京先后成立 了中国科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心。 企业的争夺 此外，除了早期的政府介入之外，世界上几乎所有的医药公司都卷入了这场所谓的 HGP，无形中形成了一场“ 抢基因 ”大战。 谁掌握了基因，谁就掌握了生物技术的制高点，谁就掌握了未来医药产品竞争的市 场主动权。 2 HGP 的意义？ HGP 对人类疾病基因研究的贡献 HGP 对医学的贡献 HGP 对生物技术的贡献 HGP 对制药工业的贡献 HGP 对社会经济的重要影响 HGP 对生物进化研究的影响 HGP 带来的负面作用 (1) HGP 对人类疾病基因研究的贡献 人类疾病相关的基因是人类基因组中结构和功能完整性至关重要的信息。 对于心血管疾病、肿瘤、糖尿病、神经精神类疾病（老年痴呆、精神分裂症） 、自 身免疫性疾病等多基因疾病是目前疾病基因研究的重点。 健康相关研究是 HGP 的重要组成部分，1997 年相继提出：“ 肿瘤基因组解剖计划” 和“环境基因组学计划” 。 (2) HGP 对医学的贡献 基因诊断、基因治疗 疾病易感基因的识别 风险人群生活方式、环境因子的干预 实例之一：基因治疗 遗传病的根治应该是基因治疗，但是基因治疗的难度很高。 1990 年第一例基因治疗临床试验使腺苷酸脱氨酶（ADA）基因进入骨髓细胞，再送回 病人体内，治疗严重综合免疫缺失症（SCID ）获得初步效果。 实施基因治疗的必要步骤如下： 1. 找到致病基因 2. 克隆得到大量与致病基因相应的 正常基因 3. 采取适当方法把正常基因放回到 病人身体内去 4. 进入体内正常基因应正常表达 实例之二：美 GenStar 公司血友病 A 基因药物将步入临床试验阶段 GenStar 公司研制开发的治疗血友病 A 的基因药物临床试验方案近日通过了 NIH 重 组 DNA 咨询委员会审批，不日即将进入临床试验。 美国 GenStar 治疗公司近日向媒介宣布，其研制开发的治疗血友病 A 的基因药物载 体临床试验方案近日通过了美国国立卫生院（NIH）重组 DNA 咨询委员会的审批， 不日即将进入临床试验。 GenStar 公司研制开发的该转基因载体源自一种常见的感冒病毒。该转基因载体能 够将完整的人凝血因子基因转导入人体并使之在人体肝脏内大量产生，从而对血 友病 A 的治疗作用。 除血友病外，GenStar 公司的产品还可用于治疗前列腺癌、AIDS 等疾病。 (3) HGP 对生物技术的贡献 基因工程药物：分泌蛋白（多肽激素，生长因子，趋化因子，凝血和抗凝血因子等） 及其受体 诊断和研究试剂产业：基因和抗体试剂盒、诊断和研究用生物芯片、疾病和筛药模 型 对细胞、胚胎、组织工程的推动：胚胎和成年期干细胞、克隆技术、器官再造 (3) HGP 对制药工业的贡献 筛选药物的靶点：与组合化学和天然化合物分离技术结合，建立高通量的受体、酶结 合试验 以基因知识为基础的药物设计：基因蛋白产物的高级结构分析、预测、模拟 个体化的药物治疗：药物基因组学 3 HGP 的实施策略 HGP 及不同生物基因组比较 模式生物的应用 HGP 的实施 HGP 的发展 模式生物？ 所谓模式生物通常指人们研究生命现象过程中长期、反复作为研究材料的物种，如， 果蝇、线虫、拟南芥等。 人们在对这些物种的形态、解剖、生理、生化、细胞及遗传进行全面分析和归纳的 基础上，把它们作为典范，将对其研究得出的规律，推演到相关的生物物种中，从 而加快了对其他各种生物的研究。 惊人发现 19 号染色体是含基因最丰富的染色体，而 13 号染色体含基因量最少 目前已经发现和定位了 26000 多个功能基因，其中尚有 42%的基因尚不知道功能 人类基因组中存在 “热点”和大片“荒漠”。在染色体上有基因成簇密集分布的区域，也有大 片的区域只有“无用 DNA” 不包含或含有极少基因的成分。 35.3的基因包含重复的序列。这说明那些原来被认为是“垃圾” 的 DNA 也起重要作用， 应该被进一步研究。 后 HGP 伴随着人类基因组计划的迅速进展，基因的全序列逐步被完整的测出，会出现大量的 不知道任何功能信息的序列。因此，在 HGP 完成之后，即全部人类基因被定序之后， 还需要： 破解贮存于基因组之中的遗传语言; 识别、分离、鉴定和克隆所有基因； 搞清每个基因的功能及基因之间的相互作用和相互关系。 HGP 的深远影响 在 HGP 推动下，世界大公司投入生物技术意向剧增。 推动新学科兴起 基因组学 蛋白质组学 药物基因组学 生物信息学 三 探索基因之谜 本章要点 1. DNA 是主要的遗传物质 2. 基因的基本结构及组成 3. 核移植、克隆技术 四 揭开基因信息的面纱 本章要点 基因的体内复制 基因的表达 复制的基本特征 （1 ）半保留复制 DNA 复制时，亲代 DNA 解开的两条单链各自作为模板，按碱基配对原则，合成与模板 互补的 DNA 子链，成为两个与亲代 DNA 完全相同的子代 DNA 分子，在子代 DNA 分子中一 条链是新合成的，另一条是保留亲代的，故称半保留复制。 (2) 双向复制 (3)半不连续复制（semidiscontinuous replication） 在 DNA 复制过程中，一条链连续合成，称为前导链；另一条链不连续合成，称为 滞后链。 基因表达（gene expression） DNA RNA Protein 通过转录和翻译，将 DNA 分子上 A，G，C，T 四个符号所包含的遗传信息，转变为 蛋白质分子上 20 种氨基酸的信息 世界首例基因工程药物批准上市 p53 基因是一种肿瘤抑制基因，定位于人类 17 号染色体短臂，编码 p53 蛋白；p53 蛋白的正常功能是调控细胞增殖，在白血病、骨肉瘤、肺癌和结直肠癌中有 p53 蛋 白的突变和缺失。 现在已经证明，p53 蛋白是人体内最有效的对抗肿瘤的自然防御物。现在关于 p53 的研究已经付诸实用了，中国已经批准了用于人类癌症的首个基因治疗药物（2003 年 ） 。 五 生命密码破译术 本章要点 限制性内切酶及其应用 基因分子克隆原理 PCR 技术原理及应用 1 限制性内切酶及其应用 定义:识别并切割特异的双链 DNA 序列的一种内切核酸酶。 别名：Endodeoxyribonuclease 20 世纪 70 年代，在细菌中陆续发现了一类核酸内切酶，能专一性地识别并水解双 链 DNA 上的特异核苷酸顺序，称为限制性核酸内切酶（restriction endonuclease， 简称限制酶） 。 限制酶的功能 1限制酶识别序列的长度 限制酶识别序列的长度一般为 4-8 个碱基，最常见的为 6 个碱基。当识别序 列为 4 个和 6 个碱基时，它们可识别的序列在完全随机的情况下，平均每 256 个和 4096 个碱基中会出现一个识别位点（44=256 ，46=4096） 。以下是几个有代 表性的种类，箭头指切割位置。 2 .限制酶识别序列的结构 限制酶识别的序列大多数为回文对称结构，切割位点在 DNA 两条链相对称的位置。 有一些限制酶的识别序列不是对称的 。 有一些限制酶可识别多种序列，如 Acc 识别的序列是 GTMKAC ，也就是说可 识别 4 种序列，其中两种是对称的，另两种是非对称的。 有一些限制酶识别的序列呈间断对称，对称序列之间含有若干个任意碱基。 4. 限制酶产生的末端 （1 ） 限制酶产生匹配粘性末端 识别位点为回文对称结构的序列经限制酶切割后，产生的末端为匹配粘端，亦即 粘性末端（cohesive end） ，这样形成的两个末端是相同的，也是互补的。 （2） 限制酶产生平末端（ blunt end） 在回文对称轴上同时切割 DNA 的两条链，则产生平末端，如 Hae （GGCC） 和 EcoR V（GATATC） 。 产生平末端的 DNA 可任意连接，但连接效率较粘性末端低。 （3 ） 限制酶产生非对称突出端 许多限制酶切割 DNA 产生非对称突出端。当识别序列为非对称序列时，切割的 DNA 产物的末端是不同的，如 BbvC 内切酶的应用 当限制性内切酶的应用在上世纪七十年代流传开来的时候，以 NEB（New England Biolabs）为代表的许多公司开始寻找更多的限制性内切酶。 除了某些病毒以外，限制性内切酶只在原核生物中被发现。人们正在从数以千计的 细菌及古细菌中寻找新的限制性内切酶。 上世纪 80 年代，NEB 开始克隆并表达限制性内切酶。 /nebecomm/default.asp 目前限制性内切酶被广泛应用于分子生物学方法中。 2 分子基因克隆原理 一个完整的 DNA 分子克隆过程应包括： 目的基因的获取 基因载体的选择与构建 目的基因与载体的连接 重组 DNA 分子导入宿主细胞 筛选含重组分子的宿主细胞 （一） 目的基因的获取 目前获取目的基因大致有如下几种途径或来源。 （1 ） 化学合成法：如果已知某基因的核苷酸序列，或根据某种基因产物的氨基酸序列 推导出该多肽编码基因的核苷酸序列，再利用 DNA 合成仪通过化学合成原理合成 目的基因。 （2 ） 基因组 DNA 文库：采用物理方法( 剪切或超声波)或限制性内切酶将染色体 DNA 切 割成许多片段，继而将它们与适当克隆载体结合，将重组 DNA 转入受体菌中扩增， 每个细菌内都携带一种重组 DNA 分子的多个拷贝。全部细菌所携带的各种染色体 DNA 片段就涵盖了基因组全部信息，即基因文库。用适当方法从基因文库中就可 以筛选分离到目的基因。 （3 ） cDNA 文库：以 mRNA 为模板，利用反转录酶合成与 mRNA 互补的 DNA，再利用 DNA 聚合酶催化合成双链 cDNA 片段，与适当载体连接后转入受体菌，扩增为 cDNA 文库。用适当方法从 cDNA 文库中就可以筛选分离到目的基因。 （4 ） 聚合酶链反应：在有模板 DNA、特异性引物及 dNTPs 存在时，向 DNA 合成体系中 引入热稳定的 Taq DNA 聚合酶。反应体系经变性、退火及扩增循环自动、反复进 行感兴趣 DNA 片段的酶促合成，使目的基因按指数扩增。 （二） 克隆载体的选择与改建 （三） 外源基因与载体的连接 （四） 重组 DNA 导入受体细胞 （五） 重组子的筛选 3 PCR 技术及其应用 多聚酶链式反应（PCR：Polymerase Chain Reaction) PCR 技术的创建 Khorana(1971)等提出在体外经 DNA 变性,与适当引物杂交,再用 DNA 聚合酶延伸,克隆 DNA 的设想 1983 年 , Mullis 发明了 PCR 技术 ,使 Khorana 的设想得到实现 1993 ， Mullis 荣获年度诺贝尔化学奖 PCR 技术的特点 1 ）高度的灵敏性 2 ）特异性 3）操作简便易行 4 ）用途广泛 PCR 技术的应用举例 1）基因克隆 2）性别鉴定 3）法医学分析 六 基因工程创奇迹 1. 基因工程概论 2. 植物基因工程 3. 动物基因工程 1. 基因工程概论 genetic engineering 基因工程是 20 世纪 70 年代发展起来的遗传学的一个分支学科 指在基因水平上的遗传工程,是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能 在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。 基因工程是指按照人们的意愿，在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其他载体分子， 构成遗传物质的新组合，并使之转入到原先没有这类分子的宿主细胞内，形成能持续稳定 繁殖的新物种。其目的是为人类提供有用产品及服务。 基因操作的主要内容和基本过程 1、获得目的基因 2、在体外，将带有目的基因的外源 DNA 片段连接到能自我复制并具有选择记号的载 体分子上，形成重组 DNA 分子。 3、将重组 DNA 分子转移到适当的宿主细胞中，并与之一起增殖。 4、从大量细胞繁殖群体中，筛选出获得重组 DNA 分子的宿主细胞克隆。 5、从这些筛选出来的宿主细胞克隆中，提取出已经得到扩增的目的基因，供进一步分 析研究用。 6、将目的基因克隆到表达载体上，导入宿主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表 达，产生出人类所需要的物质。 基因工程的特点 第一个特征：外源核酸分子在不同的寄主生物中进行繁殖，能够跨越天然物种屏障， 把来自任何一种生物的基因放置到新的生物中，而这种生物可以与原来生物毫无亲缘 关系，这种能力是基因工程的第一个重要特征。 第二个特征是，一种确定的 DNA 小片段在新的寄主细胞中进行扩增，这样实现很少量 DNA 样品“拷贝“出大量的 DNA，而且是大量没有污染任何其它 DNA 序列的、绝对纯净 的 DNA 分子群体。 二、植物基因工程 植物基因工程是指植物学领域的基因工程，其研究对象是植物。 利用植物基因工程技术，改良作物蛋白质成分，提高作物中必需的氨基酸含量，培 育抗病毒、抗虫害、抗除草剂的工程植株以及抗盐、抗旱等逆境植株，在当前农业 生产中已显示出巨大的经济效益，并展示了植物基因工程在未来农业生产中的广阔 前景 植物基因工程技术路线 1 目的基因（植物种子、块茎等贮藏器官中的贮藏蛋白基因