第1章 绪论.docx
《第1章 绪论.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章 绪论.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
第1章绪论
生命科学
成为当今世界自然科学的热点和重点
主要由于两方面的原因：
（1）二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化；
（2）建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。
生物技术-现代生命科学的革命
生物技术显著特点
高技术（精细和密集的复杂技术）
高投入（尤其是前期科研投入高）
高利润
第一章绪论
●现代生物工程的定义
●现代生物工程的发展历程
●现代生物工程的组成
●现代生物技术领域研究热点和发展趋势
●结束语
1.4现代生物技术领域研究热点和发展趋势
生物芯片及其商业化趋势
基因组、后基因组和基因治疗研究取得重要进展
器官移植将成为新世纪临床医学的重要研究课题
超级抗药性病原及其代谢活动后效应之危害与防治
成年哺乳动物体细胞克隆技术有较大发展
植物基因工程与现代农业发展
新世纪老年生命科学必将加大研究力度
发展环保产业是世界潮流
开发核燃料铀的生物技术
生物酶制剂研究出现新的增长点
干细胞的研究及临床应用
从人类基因组计划到基因组学
FromHumanGenomeProjecttoGenomics
目录
一、基因、基因组和基因组学
二、人类基因组计划
三、模式生物基因组计划
四、后基因组计划
五、人类基因组计划的伟大科学与经济意义
一、基因、基因组和基因组学
基因（gene）：
遗传功能的单位，是编码蛋白质或RNA分子的一段DNA序列（Johansen,1909）
基因组（genome，来自gene+chromosome）（Winbler,1920）
所有基因的总和（经典遗传学定义）
一个细胞内所有染色体的总和（细胞遗传学定义）
所有DNA分子的总和（分子遗传学定义）
细胞核基因组和线粒体基因组（仅16.6kb）.
基因组学（genomics）：
研究基因组结构与功能的科学（Roderick,1986）
二、人类基因组计划
启动（1990年）
人类的DNA序列是人类的真谛，这个世界上发生的一切事情，都与这一序列息息相关。
——Dulbecco,1986
国际大合作：
美国、英国、日国、法国、德国、中国.6个国家
“公”与“私”的竞争：
FrancisCollins和J.CraigVenter
测序策略：
Shotgun方法：
随机打断成小片断测序计算机拼接组装（共复盖了8次）
测了何人的基因组？
共5人（2男，3女）
美国黑人×1
亚洲中国人×1
西班牙裔墨西哥人×1
白种人×2
工作框架图的完成（2000年6月26日）
框架图——覆盖率为90％的序列图
人类基因组的初步分析结果（2001.2.12）
覆盖率95％平均测序精度99.96％
主要结果：
▲蛋白质编码基因数在2.7万至4万之间（但最新的估计在6.5万至7.5万之间）
▲35％以上是重复序列
19号染色体上有57％的重复序列
▲人与人之间99.99%的基因组序列是相同的
单核苷酸多态性SNP（SingleNucleotidePolymorphisms）
非随机分布
具有重大的医学意义：
SNP通常是无害的，但相当多的SNP与各种疾病息息相关。
疾病的早期预报、基因治疗、个体化的药物……。
▲在人类基因组中存在大片的渺无“基因烟”的荒漠地区，也有基因密集的“热门”区域。
17、19、22号染色体基因密度最高；
X，4，18和Y染色体基因密度较低。
三、模式生物基因组计划
地球生物圈约有140万余种物种，其中约2％至少有一段
DNA序列被测定。
▲真核生物12500种
▲哺乳动物4200种
▲真细菌3600种
▲古细菌180种
▲病毒1750种
模式生物：
小鼠、线虫、拟南芥、果蝇、水稻、酵母、古细菌、真细菌、病毒……。
比较基因组学（ComparativeGenomics）
四、人类基因组计划伟大的科学与经济意义
继H.Gray人体解剖图发表以来，HGP的完成提供了“第二张人体解剖图”，对生物特别是医学将引起
革命性的飞跃。
肿瘤（特别是癌症）将彻底被攻克。
高血压、心脑血管病、糖尿病、恶性传染病等将找到根本性的预防和治疗方法。
▲人类的寿命将大幅度地延长。
大规范的基因资源的开发，将带动生物医学的飞跃发展和产生巨大的经济效益，将整个人类带入生物学世纪。
人类的DNA序列是人类的真谛，这个世界上发生的一切事情，都与这一序列息息相关。
——R.Dulbecco,1986
一、人类后基因组时代的特点
人类首次了解了自身的基因序列，了解了很多远亲生物的基因序列
人类正在面对指数扩增的基因序列资料和各种数据库
人类面临的挑战是如何将基因序列资料转变为有用的知识，进而让这些知识服务于人类，使之能够造福于人类的健康。
二、后基因组计划主要内容
结构基因组学
功能基因组学
比较基因组学
蛋白质组学（Proteome来自Protein+Genome）（Wasinger,1995）
▲定义：
由一个细胞或一个组织的基因所表达的全部蛋白质。
▲与基因组学的比较，同：
整体；异，固定与动态。
▲主要技术手段：
双向凝胶电泳，质谱技术。
药物基因组学（Pharmacogenomics）
研究药物作用的遗传分布，通过全基因组扫描来寻找遗传多胎性，用于药物设计和发现，是药物个体化的基础。
是生物制药学研究的热点。
中药基因组学
肿瘤基因组学
环境基因组学（EnvironmentalGenomics）与分子流得病学
在分子水平研究环境与人类疾病的相互关系，着重研究引起疾病的DNA片断与环境暴露的相互关系。
SNP与人类基因组多样性计划（HumcmGenomeDiversityProject）
▲瑞典Karolinske研究所，英国EBI，德国EMBL，英国Hybaid公司联合成立风险投资建立SNP数据库HGBASE（Humangenebi-allelicsequence）（http:
//hgbase.interactiva.de）收集cSNP及iSNP数据。
▲在人类基因组中平均每1000bp就有一个SNP
▲研究药物的利器
▲研究人类起源和迁徒的重要工具
▲中国的SNP计划正在启动
基因表达谱分析与DNA芯片技术
生物信息学
三.、后基因组时代研究的重要方向
1.单基因遗传病的致病基因研究和基因诊断
我国有丰富的疾病资源，特别是一些我国特有的单基因遗传病家系，可提供良好的基础发的新的致病基因.
2.复杂性疾病的相关基因研究和疾病易感性分析
在复杂性疾病的中，由于基因的变异加环境和生活习惯等因素的共同影响，使得每个人对不同的疾病的易感性不同。
基因变异的一个重要的指标是单核苷酸多态性。
单核苷酸多态性（SingleNucleotidePolymorphisms，SNPs）
不同个体间在基因水平上的单核苷酸变异，平均每1000对硷基出现一个SNP,2个无关个体间有300万SNPs.
SNP研究为了解疾病的发病机理，疾病的诊断及疾病易感性研究提供基础。
位于外显子区并改变氨基酸序列的SNP以及位于基因表达调控区的SNP可能具有重要临床意义和功能意义
生物信息学可提供SNP的数据库和功能预测
可能具有重要功能意义的SNP
位于外显子区并改变氨基酸序列的SNP
位于基因表达调控区如启动子、增强子、转录因子结合区、加尾信号的SNP
位于外显子和内含子交界区域的SNP
3.药物基因组学研究与个体化治疗
在临床上对同样一种疾病使用同一种药物，不同的个体对药物的敏感性和毒性反应有很大的区别，这种区别主要由基因决定的,特别是药物靶点基因、药物代谢基因等的单核苷酸多态性，影响了药物作用的强弱和药物代谢的不同。
4.人类功能基因组学研究
以全基因组为背景，开展人类基因及其编码蛋白的功能研究。
目前虽然完成了绝大部分基因的序列分析，但约60%的人类基因的功能未知。
目前认为人类有3.2万个基因，其中1.5万已知功能，1.7万未知功能。
人类功能基因组学研究涉及众多的新技术，包括生物信息学技术、生物芯片技术、转基因和基因敲除技术、酵母双杂交技术、基因表达谱系分析、蛋白质组学技术、高通量细胞筛选技术等。
人类功能基因组学必须多学科协作
生物信息学是人类功能基因组学研究的必要工具
5.基于基因组的新型药物（Genome-baseddrug）
利用反向生物学原理，根据人类基因序列数据，经生物信息学分析、高通量基因表达、高通量功能筛选和体内外药效研究开发得到的新药候选物。
人类基因组与生物技术产业
一个人类基因有可能带动和形成一个生物技术产业。
例如基因工程的胰岛素、干扰素等
基因的开发研究
基因组药物、基因芯片、基因诊断、基因治疗、实验室仪器试剂、基因数据库和分析软件等
人类基因组为药物开发提供了新源泉
迄今已应用的人类药物靶标约500种，包括受体、酶、信号转导分子等。
开发成功的药物约2000种。
估计人类基因组中3-4万个基因中，约5000个基因产物可成为潜在的药物靶标
人类基因组为药物开发提供了新源泉
迄今已应用的人类药物靶标约500种，包括受体、酶、信号转导分子等。
开发成功的药物约2000种。
估计人类基因组中3-4万个基因中，约5000个基因产物可成为潜在的药物靶标
基因组药物的种类
基因工程重组蛋白质药物
以人类基因编码蛋白为靶标的化学药物
以人类基因编码蛋白为靶标的人源化抗体
反义核酸类和RNA类药物
基因治疗
国际新药开发的三个浪潮
基因组学：
药物靶标发现、反义治疗、基因治疗
蛋白质组学：
药物靶标评价、药物筛选、抗体治疗、重组蛋白质治疗
分子设计：
蛋白质结构确定、蛋白质工程、以结构为基础的小分子药物设计
6.基因治疗
将人类基因导入人体，纠正缺陷基因或辅助机体抵抗疾病。
具有良好开发前景，但近期离产业化尚有距离。
7.生物信息学（Bioinformatics）
生物信息学需要处理指数扩增的海量基因和蛋白质序列资料
核酸序列的生物信息学分析
结构域分析（基因组序列注释）包括启动子、转录因子结合序列、内含子、外显子、重复序列、开放读码框架等。
同源分析和检索，包括Nr数据库、EST数据库、STS数据库、Unigene数据库、Swissprot数据库、HTGS数据库等。
基因突变分析包括EST数据库，SNP数据库等
Data-mining从基因数据库发掘重要的功能基因
蛋白质一级结构分析：
结构特点分析，包括等电点、信号肽、穿膜区、DNA结合序列等
同源分析和检索，包括Nr数据库、Swissprot数据库等
功能区分析，包括Prosite、Emotif、Identify分析等。
蛋白质空间结构分析：
蛋白质晶体结构数据库检索，如PDB数据库。
蛋白质空间结构预测，如Homology等软件分析。
人类功能基因研究的二级数据库要求
提供未知功能的靶基因cDNA、基因组DNA、编码区蛋白质序列，应有EST序列的支持。
提供蛋白质一级结构信息数据，包括等电点、穿膜区、核定位信号、DNA结合域、功能区、特殊结构分析结果等
提供核酸和蛋白质序列同源性分析的结果（应定期更新）
提供外显子、内含子、启动子等基因组结构的图谱
提供表达谱分析
8。
蛋白质组学（Proteomics）
研究细胞或组织的基因组表达的全部蛋白质（表达蛋白质组学，Expressionproteomics）
通过细胞内蛋白质复合物研究蛋白质与蛋白质的相互作用（细胞作图蛋白质组学，Cell-mapproteomics）
双相电泳技术和质谱技术是蛋白质组学研究的最重要技术
9。
结构基因组学
高通量的蛋白质三维结构分析，为蛋白质的功能研究和药物设计提供基础
10。
模式生物和病原生物基因组学
对其它生物进行全基因组序列分析,开展比较基因组学（comparativegenomics）研究。
迄今至少已有5种真核生物，38种微生物完成全基因组序列分析
异种器官移植中的免役排斥
首先要克服的障碍是移植后发生的免役排斥反应。
这可通过转基因技术得到解决，即建立免役排斥相关基因转基因猪，如：
可先将少量的人类基因注入到一至两个细胞阶段的猪胚胎中去，得到一两只会天然产生这些保护性蛋白的转基因小猪。
这些特别培育的家猪的器官组织由于已能经得起人类的补体，因而也就可以存活在人类的血液中间了。
例如：
不含“排斥基因”的克隆猪
这种“基因敲除”基因克隆猪敲除了引起移植排斥反应的“祸首”——一种特定基因，从“源头”上减少甚至消除了引起排斥反应的可能性。
关闭一个受人体排斥的基因——3-半乳糖转移酶（GT）基因。
GT基因控制一种酶，这种酶使猪细胞表面产生一种糖类物质。
当猪器官或细胞被移植给人体时，人类免役系统能识别这种酶，从而产生强烈的排斥反应，把移植来的器官或细胞视为外来异物进行攻击。
最新进展
灵长类动物克隆成功
华人科学家于2000年左右成功利用胚胎分裂法复制两只恒河猴。
这是人类第一次克隆出与人最类似的灵长类动物。
转基因克隆技术
转基因——新物种，但繁殖？
克隆——快速繁殖，但创造性？
两者结合？
——转基因克隆哺乳动物，使之成为用途广泛的“活体生物反应器”。
大大降低转基因动物制作的技术难度和投入成本。
当今动物克隆技术最重要的应用方向之一是高附加值转基因克隆动物的研究开发。
克隆技术存在的问题
技术上——尚不成熟
得到的克隆动物具有极大的偶然性和随机性。
迄今为止，克隆试验的成功率始终很低。
例如，在培育多莉的过程中，科学家共克隆出２７７个绵羊胚胎，最终成功使母羊受孕并生产的只有多莉一个。
目前，多莉羊的制备还不能重复，更不能肯定克隆多莉羊的方法也适用于其它动物或其它不同组织器官的细胞。
克隆动物的体细胞突变、寿命及其它遗传问题
克隆动物夭折率高，不少克隆动物天生患有疾病或体形过大。
克隆动物没有遗传物质的交流和互补，将会加剧一些遗传疾病的发生。
是否是完全的“复制”
1、克隆则是一个过程，克隆产生的个体还需进行胚胎发育和胎后发育。
克隆与其原本尽管基因相同，所处环境却绝不会相同。
2、虽然克隆个体是由核移植产生的，但由于重建细胞的细胞质并非来自原本，而我们知道细胞质中也有遗传物质，它们必然会对个体产生影响，所以不能把克隆个体看成是原本的复制品。
是否是倒退？
——可应用性
有性生殖是历史进化的结果，利于种族繁衍和生存。
选择无性生殖——克隆的方式不利于遗传多样性的保护。
社会学和伦理学问题
一个例子——人+动物
中山医科大学陈系古教授等于2001年1月以来，先后使用“核移植”技术，将人类皮肤细胞核移植到家兔卵母细胞中，经过２０００多次实验，成功克隆出１００多个人类胚胎，其中部分发育到“桑葚胚”阶段。
这是国际上首次用该技术克隆出人类胚胎。
但有些学者就对在家兔卵母细胞中克隆出人类胚胎的提出质疑，认为这是违背人类伦理的“科学”实验。
克隆人制备过程
科学家们计划将普通的男性细胞或者是主体细胞和一枚女性卵子结合起来，储存于女性卵子中的遗传信息将事先被消除。
通过细胞分裂形成的胚胎应只带有这名男性的全部遗传信息，最后将胚胎移植到女性子宫中。
当然，如果一对夫妇愿意的话，也可以克隆女性。
克隆的漫漫长路
1938年汉斯.斯皮曼建议用成年的细胞核植入卵子的办法进行哺乳动物克隆。
1952年运用斯皮曼的构想，出现世界上第一只克隆青蛙。
1962年约翰.格登宣布他用一个成年细胞克隆出一只蝌蚪，从而引发了关于克隆的第一轮辩论。
1984年斯蒂恩.威拉德森用胚胎细胞克隆出一只羊。
这是第一例得到证实的克隆哺乳动物。
1996年第一个用成年哺乳动物细胞克隆出的个体———克隆羊多莉出世了。
1997年美国总统克林顿决定5年之内禁止用联邦基金资助克隆人的计划。
2000年美国科学家用无性繁殖技术成功地克隆出一只猴子“泰特拉”，这意味着克隆人在技术上已有可能。
2001年美、意科学家联手展开克隆人的工作。
课堂讨论
问题一：
克隆人是不是正常的人？
解答：
不管克隆技术怎样发展，克隆人怎样产生，都是人，与被克隆人实质上是存在着年龄差的同胞胎，正是这一点让人们觉得很难应对克隆人出现的伦理关系。
问题二：
克隆人有没有心灵？
解答：
克隆人同正常人一样有情感和感受，但克隆人的情感和被克隆人并不一样。
一个广为人知的例子就是克隆希特勒，他是否会制造一场屠杀浩劫？
虽然一个人的性格一部分由基因决定，是天生的，但外部环境对形成一个人的性格起更大作用。
如果克隆的希特勒生活在现在的美国，这时全世界都是处于稳定繁荣状态，这个希特勒与生活在战后的德国充满仇恨和一片废墟的希特勒性格是不一样的。
所以，伟大的历史人物、英雄是很难重生的！
问题三：
身体上任何一部分的细胞是否都可以用来克隆？
解答：
不是，具体情况研究人员也不太说得清，他们认为，一种称为干细胞的细胞，制造起来较为方便。
这种遍布全身的细胞，可以产生多种其他细胞，即使在头发上也可找到。
问题5：
人可以无休止地被克隆吗？
解答：
克隆羊多莉刚出生时，它的染色体却告诉我们：
当它离开母体时，就已经有好几岁了。
苏格兰罗斯林研究院的科学家们对多莉的染色体做了仔细的研究，发现其染色体末端，即端粒，比同龄的普通绵羊短。
科学家认为，端粒是决定细胞老化的主要因素，端粒越短的细胞越接近死亡。
变短的端粒或许表明遗传的蓝本会随着时间流逝而老化，无休止地克隆一个动物是不可能的。
小结
一、技术上
克隆人类胚胎技术面临哪两大难题?
以已经成功地克隆出了第一个人类早期胚胎的美国马萨诸塞州的先进细胞技术（ACT）公司的研究为例：
首先：
获得人类卵细胞和干细胞
价钱——这种卵细胞是相当昂贵的。
医院至少要支付卵细胞捐赠者3000到5000美元的费用，而先进细胞技术公司为了从事这项研究从7名妇女身上获取了71枚卵细胞，其成本之高可见一斑。
而且从人体获取卵细胞的程序相当复杂，上述妇女都接受了医疗手术，如果手术不成功极容易留下伤疤。
进行动物克隆实验的研究人员则不必担心得不到足够的卵细胞，例如，牛的卵细胞可以很便宜地从屠宰场获得，否则的话屠宰场拿这些卵细胞也没什么用。
最近，美国洛克菲勒大学的科学家皮特-莫巴伊茨表示，4000只老鼠卵细胞成本仅2000美元，但如果换作人类卵细胞则高达200万美元。
即便科学家从10名捐赠者身上提取100只卵细胞，仅支付给捐赠者的报酬也至少在5万美元以上。
再加上处理这些卵细胞的医疗费用，莫巴伊茨估计最终每只卵细胞的成本将超过1000美元，这意味着治疗一位病人的费用至少在10万美元以上。
过程——相当繁琐，其效率并不比克隆动物高多少。
在19枚被进行细胞核转移以便分裂成胚胎的卵细胞当中，没有一枚卵细胞顺利度过分裂成6个细胞的这一阶段。
干细胞的获取
而干细胞则必须是从100个细胞以上的胚胎中获得的。
因此，卵细胞的溃乏以及成本之高将成为利用上述克隆技术治疗人类疾病的主要阻碍因素。
其次：
专业技术人员缺乏
从事克隆研究也需要拥有专业的技术。
这也正是很多科学家都估计还要等上10年甚至20年克隆人类胚胎技术才能被应用于临床领域的原因。
转基因抗虫害植物
无机污染物的生物治理
绿藻消除磷酸盐硝酸盐
有机污染物的生物治理
还原脱氯细菌含氯有机化合物（氯乙烯、氯乙烷、氯苯、氯苯酚和聚氯联二苯等）可在厌氧微生物的作用下，进行还原脱氯反应。
还原脱氯产物无毒性或毒性较小，而且容易被嗜氧微生物降解。
发展生物可降解塑料
通过微生物发酵途径生产塑料物质PHB（聚羟基丁酸脂）
通过转基因植物生产PHB或其共聚物（PHBV）
基因工程菌生产植物酶
通过基因工程技术构建的“工程毕赤酵母”
高等动物产生的端粒酶
通过“酶分子定向进化”技术改进的各种酶
α-乙酰乳酸脱羧酶的定向进化：
啤酒发酵过程中形成的α-乙酰乳酸可经非酶氧化脱羧形成双乙酰.这一阶段是啤酒发酵过程必然经历的。
当双乙酰含量超过0.15mg/L时,啤酒就会产生类似馊饭的味道,同时形成双乙酰的过程需要很长时间。
所以双乙酰含量的控制已经是啤酒成熟不可缺少的指标。
α-乙酰乳酸脱羧酶（α-ALDC）可直接将啤酒发酵过程中的α-乙酰乳酸（α-acetolactate）转化为乙偶姻（acetion）,而不经过形成双乙酰（diacetyl）这一阶段（见下图）。
这不仅可以改善啤酒的风味.而且可大大缩短啤酒发酵时间,节省能源,降低生产成本。
目前,已经从多种细菌中克隆到α-ALDC基因,并在大肠杆菌中得到高效表达,并且有的已经整合到酿酒酵母体内.然而,不同来源的α-ALDC最适温度一般都在35~45℃,而啤酒发酵要求的温度一般在15℃以下，此温度下α-ALDC酶活力仅达最高活力的15-20%。
所以，需要对α-ALDC进行改造，使之更加适合啤酒发酵的条件。
易错PCR法制备突变体是一种新的生物诱变技术，它的基本原理是在扩增产物中使之含有与模板核苷酸序列相异的碱基。
因此，用PCR介导可产生核苷酸的改变、缺失或插入。
由于某些热稳定DNA聚合酶（如TaqDNA聚合酶）不具备3’→5’外切酶活性，
所以在链延伸过程中不可避免地存在一定的核苷酸掺入。
调整PCR反应体系中核苷酸、酶及镁离子用量，可以获得没有突变序列倾向性的突变体系。
由此可通过快速筛选的方法，从突变体库中筛出具有特殊性质的突变个体。
据此，本实验探索并建立了利用易错PCR法制备α-ALDC突变重组个体库的筛选体系，并且得到了几株酶活较高的菌株。
超氧化物歧化酶（SOD）的定向进化
SOD：
是体内超氧负离子自由基的专一性清除剂。
在体内自由基的产生与消除的动态变化过程中起关键作用。
自由基：
在细胞代谢过程中产生的带有未配对的自由电子的高活性化合物。
细胞衰老的自由基理论：
自由基导致细胞结构和功能的改变，导致细胞的衰老
一、什么是干细胞？
干细胞（stemcell）是具有无限期产生各种分化细胞能力的细胞。
它是各种干细胞的统称。
通常认为干细胞有几个主要特征：
它们是未分化的，但具有分化成各种特定细胞的能力；
它们可无限地分裂产生大量后裔;
其子细胞有两种命运，保持为干细胞或分化为特定细胞。
二、干细胞分类
Totipotentstemcell:
全能干细胞,如受精卵
pluripotentstemcell:
多能干细胞，如囊胚中的内囊细胞
multipotentstemcell:
专能干细胞，如造血干细胞
三、怎样得到pluripotentstemcell?
来自于人的胚胎
JohnD.Gearhart在JohnsHopkins大学领导的一个研究小组也从人胚胎组织中建立了干细胞株。
他们的方法是：
从受精后5－9周人工流产的胚胎中提取生殖母细胞（primordialgermcell）。
由此培养的细胞株，证实具有巨能干细胞的特征。
伦理道德问题是在研究利用胚胎干细胞的所面临的最大的困扰之一
成年个体的干细胞研究
成体干细胞研究是干细胞研究中最激动人心的部分。
它可以有效地防止组织排斥，可以避免伦理学、法律系方面的争论。
成体干细胞是否具有胚胎干细胞那样的分化潜力？
大量的动物实验证明了成体干细胞具有很强的分化能力。
1999年4月美国奥西里斯治疗公司的研究人员成功地从成年人的骨髓中分离出单个的间质干细胞。
升级会员 