基因与健康复习.docx

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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:

HumanGenomeProject

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。

2HGP的意义？

1HGP对人类疾病基因研究的贡献

2HGP对医学的贡献

3HGP对生物技术的贡献

4HGP对制药工业的贡献

5HGP对社会经济的重要影响

6HGP对生物进化研究的影响

7HGP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Ⅷ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

3HGP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（semi－discontinuousreplication）

■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（geneexpression）DNARNAProtein

■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（restrictionendonuclease，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（4^4=256，4^6=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AccⅠ识别的序列是GT↓MKAC，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（cohesiveend），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（bluntend）

•在回文对称轴上同时切割DNA的两条链，则产生平末端，如HaeⅢ（GG↓CC）和EcoRV（GAT↓ATC）。

•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BbvCⅠ

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（NewEnglandBiolabs）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。

•

•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：

•①目的基因的获取

•②基因载体的选择与构建

•③目的基因与载体的连接

•④重组DNA分子导入宿主细胞

•⑤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TaqDNA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

3PCR技术及其应用

多聚酶链式反应（PCR：

PolymeraseChainReaction）

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

geneticengineering

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；抗病毒、抗虫和抗除草剂基因）

2经过一定的修饰改造

3将其转入植物

4转基因植物（获得抗性；或者提高蛋白质和某些氨基酸的含量；或者用于医药生产）

三、动物基因工程

•动物基因工程是利用DNA重组技术对动物所进行的工程操作。

•从遗传学角度分为：

遗传性动物基因工程：

外源基因能够通过配子进行垂直传递并稳定的遗传。

非遗传性动物基因工程：

转基因仅在当代表现，不能够遗传给子代。

•动物基因工程的实质是改变动物的遗传组成，增加动物的遗传多样性，赋予转基因动物新的表型特征，使能够更好地服务与人类社会.

七解密生命后的喜与忧

•人类历史上第一个基因组草图绘制完成的消息，给全世界造成了巨大的震动。

•这个重大突破会不会像原子物理学一样用于战争？

其潜在的可能性很值得忧虑。

•“可以拯救生命的发现有可能带来危险的滥用”。

基因既能造福人类，也有可能制成基因武器给人类带来灭顶之灾

•21世纪是网络与基因的世纪

•21世纪的首富将出自基因领域

•生物药物极具市场价值

•基因专利战－新型“圈地运动

•人类进入“分子医学”时代，以基因序列为基础的疾病诊断技术和基因治疗技术将成为21世纪临床医学的核心技术

•“裁缝式”预防医学

•优质、高产、无污染、无病虫害和高效益的绿色农业

•肉、蛋、奶产量飞速增加

•动物制药厂满足医药临床需要

•高科技植物种群改善生态环境

•指纹：

防伪标志

•DNA指纹：

新一代身份证

•亲权鉴定：

刑事案件、民事案件、意外灾害和恐怖事件

•转基因生物安全吗？

•1转基因生物作为食物对人类健康是否会带来危害？

•2转入病毒蛋白基因的植物大面积中之后，是否会产生新病毒或新疾病？

•3转基因生物对环境有何影响？

•致病性等对人类健康的有害影响

•植物基因的稳定性

•基因的扩散对生物种间关系、食物链、生态系统以及生物进化速度的影响

•遗传性失业大军

•企业、保险公司与学校

•“爱因斯坦”与“斯蒂芬·霍金”

•“王侯将相宁有种乎？

”

•科学是一把“双刃剑”

•是否需要“超人”

•根据基因设计“完人”

•长生不老破坏生态

•奥运会纪录不断刷新

•约束自我、尊重人类：

科学技术健康发展