分子生物学与检验技术ppt课件.ppt

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1、分子生物学与检验技术分子生物学与检验技术 徐美兰徐美兰234567891011 黄金大米（Golden Rice）是一种转基因大米，它通过转基因技术将-胡萝卜素转化酶系统转入到大米中而获得，外表为金黄色，故称黄金大米。 苏黎世瑞士联邦理工学院的 Ingo Potrykus 教授和德国弗赖堡大学的Peter Beyer（分别为育种专家和分子生物学家）是这一大米作用机制的创始人。 1999年，研发此大米，并于2004年在美国进行试验。1213争议核心问题 转基因作物的安全性 ？！14主要质疑 转基因食品对人体有害，甚至造成不孕不育等等。 转基因农业会导致基因扩散，对生态环境造成危害。 转基因会导致

2、病菌产生抗性。 转抗虫基因会导致害虫产生抗性，因此不得不继续打农药。 转基因技术的专利大都掌握在外国人手中，对中国的粮食安全不利。 转基因技术只适用于大农场，不适合小农。 转基因技术只应用了十几年，将来很可能会发现有害，因此必须谨慎。 15需要具备的基础知识 什么是基因？ 什么是转基因？ 如何进行转基因操作？16第一章第一章 绪论绪论Introduction 第一节 分子生物学的兴起与发展 第二节 分子生物学检验技术的主要任务 第三节 分子生物学检验技术的临床应用前景学习目的和要求学习目的和要求1. 掌握分子生物学检验技术的主要任务与掌握分子生物学检验技术的主要任务与分析对象分析对象2. 熟悉

3、分子生物学与检验技术的发展及主熟悉分子生物学与检验技术的发展及主要里程碑要里程碑3. 了解分子生物学检验技术的临床应用前了解分子生物学检验技术的临床应用前景景第一章第一章 绪论绪论Introduction 第一节第一节第二节第二节第三节第三节中英文中英文退退 出出绪论绪论现代分子生物学兴起的标志：现代分子生物学兴起的标志：20世纪世纪50年代年代Watson和和 Crick DNA双螺丝结构双螺丝结构分子生物学分子生物学以揭示生命现象本质为目的，以以揭示生命现象本质为目的，以研究生物分子的结构与功能为对象，为研究生物分子的结构与功能为对象，为破解生命奥秘、探究疾病现象、疾病的破解生命奥秘、探究

4、疾病现象、疾病的诊断治疗及预防控制等，实现个体化循诊断治疗及预防控制等，实现个体化循征医护等奠定基础。征医护等奠定基础。第一章第一章 绪论绪论Introduction 第一节第一节第二节第二节第三节第三节中英文中英文退退 出出一、分子生物学发展历程及其主要的一、分子生物学发展历程及其主要的里程碑里程碑二、临床二、临床分子生物学检验技术的发展分子生物学检验技术的发展与进步与进步 第一节第一节 分子生物学的兴起与发展分子生物学的兴起与发展第一章第一章 绪论绪论Introduction 退退 出出首首 页页一、一、分子生物学发展历程及其主要的里程碑分子生物学发展历程及其主要的里程碑19世纪中后期到世

5、纪中后期到20世纪世纪50年代初期年代初期1.遗传学诞生的遗传规律遗传学诞生的遗传规律 1865 孟德尔孟德尔 性状遗传性状遗传2.确定了蛋白质是生命的主要组分确定了蛋白质是生命的主要组分 3.揭示了生物遗传的物质基础是揭示了生物遗传的物质基础是DNA （一（一）准备与酝酿阶段）准备与酝酿阶段细胞亚显微结构细胞亚显微结构第一章第一章 绪论绪论Introduction 退退 出出首首 页页肺炎双球菌遗传转化实验 Oswald Avery （1877-1955） 1944年证实DNA是遗传信息的载体。2223一、一、分子生物学发展历程及其主要的里程碑分子生物学发展历程及其主要的里程碑20世纪世纪5

6、0年代到年代到70年代年代Watson和和 Crick DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型意义：确立了核酸作为信息分子的结构基础；提出了碱基配意义：确立了核酸作为信息分子的结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式；最终阐明了遗传对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式；最终阐明了遗传的物质基础是核酸。这三点为认识核酸与蛋白质的关系及其的物质基础是核酸。这三点为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用打下了最为重要的基础。在生命中的作用打下了最为重要的基础。（二）建立与发展阶段（二）建立与发展阶段细胞亚显微结构细胞亚显微结构第一章第一章 绪论绪论Introduction 退退 出出

7、首首 页页DNA双螺旋模型：里程碑 1953年，Watson和Crick在Nature上发表论文，提出DNA为双螺旋结构。碱基位于双螺旋内侧，磷酸与糖基在外侧，通过磷酸二脂键相连，形成核酸的骨架。碱基平面与中心轴垂直，糖环平面则与轴平行，两条链皆为右手螺旋。碱基按A-T，G-C配对互补，彼此以氢键相连。并指出，DNA的特定配对原则，立即使人联想到遗传物质可能有的复制机制。 标志着分子生物学这一崭新学科的正式诞生。25James Dewey Watson （1928-）Francis Harry Compton Crick （1916-2004）2627 Maurice Hugh Frederi

8、ck Wilkins (1916-2004)通过X射线证实了Watson-Crick模型 三人获noble 生理医学奖28 Rosalind Elsie Franklin （1920-1958） 1952年她所拍摄的DNA晶体衍射图片“照片51号”，以及关于此物质的相关数据，是沃森与克里克解出DNA结构的关键线索。 29 Nature于1953年4月25日同时发表三篇论文，顺序是以Watson和Crick为先，再是Wilkins等人，最后是Franklin等人。沃森与克里克在论文中提及他们是受到Wilkins与Franklin等人的启发，但并未详细说明，也没有致谢。而Wilkins与Frank

9、lin 则是在论文中表示自己的数据与Watson和Crick的模型相符。 30当时研究DNA分子模型的3个实验室 伦敦国王学院的Wilkins、Franklin实验室，用X射线衍射法研究DNA的晶体结构。 加州理工学院的大化学家Pauling实验室，他已发现了蛋白质的-螺旋结构。 剑桥大学卡文迪许实验室的非正式研究小组，Watson和Crick。31Watson和Crick依据的3条数据1. 广为人知的，DNA由6种小分子组成：脱氧核糖，磷酸和4种碱基（A、G、T、C），由这些小分子组成了4种核苷酸，这4种核苷酸组成了DNA.2. 最新的， Franklin得到的衍射照片表明，DNA是由两条长

10、链组成的双螺旋，宽度为20埃。3. 最为关键的，1950年美国生物化学家Chargaff发现DNA中的4种碱基的含量并不是传统认为的等量的，虽然在不同物种中4种碱基的含量不同，但是A和T的含量总是相等，G和C的含量也相等。 32DNA作为遗传物质需具备的特点1. 能够携带遗传信息。2. 能够自我复制传递遗传信息。3. 能够让遗传信息得到表达以控制细胞活动。4. 能够突变并保留突变。DNA双螺旋模型完美地解释1、2和4。1958年，Meselson和Stahl完成了DNA半保留复制的实验。 33遗传信息传递规律：中心法则 1957年， Crick提出中心法则： DNARNA蛋白质 遗传信息在不同

11、的大分子之间的转移都是单向的，不可逆的，只能从DNA到RNA(转录)，从RNA到蛋白质（翻译）。 这两种形式的信息转移在所有生物的细胞中都得到了证实。34 1950年，科学家发现RNA可复制。 1970年Temin和Baltimore在RNA致癌病毒中发现了以RNA为模板合成DNA的逆转录酶。351970年Crick提出了完整的中心法则。实线箭头的转移普遍地存在于所有生物细胞中。 虚线箭头是特殊情况下的遗传信息转移。RNA复制只在RNA病毒中存在。逆转录最初在RNA致癌病毒中发现，现在在人的白细胞和胎盘滋养层中也测出逆转录酶的活性。遗传信息从DNA到蛋白质的直接转移仅在理论上具可能性，在活细胞

12、中尚未发现。 36 中心法则合理地说明了在细胞的生命活动中两类大分子的联系和分工： 核酸的功能是储存和转移遗传信息，指导和控制蛋白质的合成。 蛋白质的主要功能是进行新陈代谢活动和作为细胞结构的组成成分。 37乳糖操纵子模型 1961年，Monod和Jacob提出乳糖操纵子模型。他们还提出了mRNA的概念。预言并参与证实存在38mRNA的发现 1961年，Monod和Jacob提出了mRNA的概念，认为在DNA与其表达产物蛋白质之间存在一种传递信息的中间物质，这种物质极可能是一种RNA。 Brenner、 Monod和Jacob的实验和此后Spiegelman的实验证实了mRNA的存在。39遗传

13、密码的破解 1954年，Gamov提出密码子是三联体。 1961年，Crick等证实密码子是非重叠、无标点的三联体。 1966年，在Nirenberg、Khorana等的努力下，完成了全部64个遗传密码子的解码。40一、一、分子生物学发展历程及其主要的里程碑分子生物学发展历程及其主要的里程碑20世纪世纪70年代以后年代以后1.重组重组DNA技术的建立和发展技术的建立和发展2.后继研究和持续发展阶段后继研究和持续发展阶段 （三）深入发展阶段（三）深入发展阶段细胞亚显微结构细胞亚显微结构第一章第一章 绪论绪论Introduction 退退 出出首首 页页重组DNA技术 Paul Berg（1926

14、-） 1972年，Paul Berg 创造出第一个重组DNA分子。 1973年，Herbert Boyer和Stanley Cohen发展了重组DNA技术，发现改造后的DNA分子可在外来细胞中复制。42DNA测序技术 1977年，Sanger与Maxam和Gilbert等发明了DNA测序技术。43PCR技术 1985年，Kary Mullis发明聚合酶链式反应（PCR）技术。 1988年，Saiki发现耐热的Taq DNA聚合酶，PCR技术迅速推广。 44随着随着2003年年人类基因组计划（人类基因组计划（ human genome project，HGP）的完成，逐渐发展起来的的完成，逐渐发

15、展起来的基因组学基因组学和蛋白质组学和蛋白质组学，以及新近于真核细胞内发现的控制，以及新近于真核细胞内发现的控制基因信息流通的基因信息流通的非编码非编码RNA（noncoding RNA）和和不依赖不依赖DNA序列的序列的表观遗传表观遗传（epigenetics)等新兴领等新兴领域生命信息和新技术体系的引入，预示着分子生物域生命信息和新技术体系的引入，预示着分子生物学又将发生一场深刻的革命。学又将发生一场深刻的革命。Introduction 退退 出出首首 页页第一章第一章 绪论绪论4620世纪人类科技发展史上的三大创举世纪人类科技发展史上的三大创举90年代人类基因组计划年代人类基因组计划40

16、年代第一颗原子弹爆炸年代第一颗原子弹爆炸60年代人类首次登上月球年代人类首次登上月球二、临床二、临床分子生物学检验技术的发展与进步分子生物学检验技术的发展与进步 （二）聚合酶链反应（二）聚合酶链反应PCR （三）生物芯片技术（三）生物芯片技术 （四）（四）DNA测序技术测序技术（一（一）DNADNA分子交杂技术分子交杂技术细胞亚显微结构细胞亚显微结构第一章第一章 绪论绪论Introduction 退退 出出首首 页页一、分子生物学检验技术的理论基础一、分子生物学检验技术的理论基础二、二、分子生物学检验技术的分析对象分子生物学检验技术的分析对象第二节第二节 分子生物学检验技术的主要任务分子生物学

17、检验技术的主要任务第一章第一章 绪论绪论Introduction 退退 出出首首 页页一、分子生物学检验技术的理论基础一、分子生物学检验技术的理论基础 （二）单基因病与基因变异（二）单基因病与基因变异 （三）线粒体遗传病与线粒体基因变异（三）线粒体遗传病与线粒体基因变异 （四）恶性肿瘤与肿瘤相关基因（四）恶性肿瘤与肿瘤相关基因（一（一）人类感染性疾病与病原微生物）人类感染性疾病与病原微生物细胞亚显微结构细胞亚显微结构第一章第一章 绪论绪论Introduction 退退 出出首首 页页一、分子生物学检验技术的理论基础一、分子生物学检验技术的理论基础 （二）单基因病与基因变异（二）单基因病与基因变

18、异 （三）线粒体遗传病与线粒体基因变异（三）线粒体遗传病与线粒体基因变异 （四）恶性肿瘤与肿瘤相关基因（四）恶性肿瘤与肿瘤相关基因（一（一）人类感染性疾病与病原微生物）人类感染性疾病与病原微生物细胞亚显微结构细胞亚显微结构第一章第一章 绪论绪论Introduction 退退 出出首首 页页转基因动物模型 在佛罗里达州杰克逊维尔的MAYO诊所研究员成功的繁殖出了大脑患有神经纤维缠结，具有人类老年性痴呆症病理特征的小鼠。 这只小鼠模拟了人类神经纤维缠结的形成过程，为研究者希望攻克预防、治疗老年性痴呆和其他痴呆症提供了重要的基础。5152微生物基因工程与多肽类产品的生产 2008年，美国华盛顿大学的

19、罗伊卡斯蒂斯和他的研究小组成员共同研制成功避孕疫苗。对老鼠的实验已经取得了成功。 新型的避孕疫苗是由沙门氏菌进行基因改造而成的。经过基因改后，沙门氏菌就不会产生有害感染。这种经过基因改造过的沙门氏菌之所以能够阻止怀孕，就是因为它会产生一种重要的蛋白质。这种蛋白质一旦附在卵子的表面后，可以有效地阻止精子与卵子的结合，从而达到避孕的目的。 53微生物基因工程与多肽类产品的生产 美国陆军研究发展和工程中心将合成蜘蛛丝的基因转入细菌，生产出一种可溶性丝蛋白，可纺成一种强度超过钢的特殊纤维。54转基因动物与蛋白药物的生产 将生物活性蛋白基因导入动物的受精卵，在发育成的转基因动物体液或血液、乳汁、尿、腹水

20、中收获基因产物，通常将此动物称为“动物生物反应器”。 英国用转基因绵羊来试行生产人类抗胰蛋白酶因子，在每升羊奶中可取得35克这种蛋白质。 tPA（组织型纤溶蛋白元激活因子）已在转基因小鼠的乳汁中得到了表达，成为治疗血栓的理想药物。 转基因小鼠可表达羊奶的主要成分-乳糖球蛋白。 凝血因子也在转基因绵羊中得到了表达。55转基因植物与蛋白药物的生产 2007年5月16日美国农业部批准一种转基因水稻大规模种植。 这种转基因水稻产出的大米含有人类乳汁中常见的溶菌酶、乳铁蛋白以及人类血清白蛋白。其中，前两者具有抗菌作用，能治疗肠胃感染引起的腹泻等疾病，后者可用于贫血的治疗。56转基因植物与蛋白药物的生产

21、2011年10月31日，武汉大学杨代常的论文利用转基因水稻规模化生产重组人血清白蛋白在美国科学院院报发表，文章证明，植物来源的重组人血清白蛋白与临床使用的血浆来源血清白蛋白，无论是在生理生化性质，还是功能用途等方面，都具有高度的等同性。 目前大约每亩水稻可以产生1.5-2kg血清白蛋白。如果说一个人一次能献血200ml，一亩转基因水稻产出的血清白蛋白量约等于300人献血。57转基因植物与口服疫苗研究 把致病基因植入植物胚胎中，培养试管苗，然后移植到肥沃的土壤中，以传统方法培育。成熟的果实含有抗原蛋白，抗原蛋白进入人体后，能模拟病毒侵入人体的过程，激活免疫系统，使人体内产生对有关疾病的抗体，从而

22、获得免疫功能。 1998年，美国的植物研究中心研究成功了含疫苗的马铃薯，创造了口服疫苗的先河。 俄罗斯、墨西哥、中国等均报道有科研人员研究成功含疫苗的香蕉或西红柿。 58转基因动物模型 英国伦敦的一个研究小组把一个来自Y染色体的Sry基因注入基因型为雌性的鼠的胚胎内，结果令人吃惊。这些本来应该发育成雌鼠的胚胎最后竟都长成了雄性鼠。这个结果表明，Sry基因是决定雄性性别的基因。科学家猜测，这个基因很可能在人类中也起着同样的作用。59 裸鼠身上的人造耳朵 人造耳朵？人造大脑？让人怀疑，是不是人造器官的时代已经到来？ 如果有一天，全身上下的“零件”都脱胎换骨的打制成“人造”器官，那岂不是将是一个“人

23、将不人”的时代？ 603、转基因动物与人类器官移植、转基因动物与人类器官移植4、物种改良转基因植物 转基因作物，是利用基因工程将原有作物的基因加入其它生物的遗传物质，并将不良基因移除，从而造成品质更好的作物。通常转基因作物，可增加作物的产量、改善品质、提高抗除草剂、抗病虫害、抗旱、抗寒及其它特性。61 1983年，世界上第一例转基因植物一种含有抗生素药类抗体的烟草在美国成功培植。 1994年，世界上第一种转基因食品转基因晚熟西红柿Flavr Savr（转多聚半乳糖醛酸酶“反义基因” ）正式投放美国市场。 1996年，世界转基因作物种植总面积仅为170万公顷。 2002年，全球种植面积已扩大到5

24、870万公顷。62物种改良工程微生物 超级细菌：含有分解各种石油成分的重组DNA，能快速分解石油，可用来清除石油污染。63物种改良转基因动物 转基因动物可以稳定地整合外源基因，并在合适的组织表达，还能将这种性状遗传给后代，这样就可以生产出生长快、产肉、产毛、产奶更多而耗料极少的转基因家禽家畜，为家禽家畜改良提供一条重要的途径。 642、多肽类产品的生产 微生物基因工程与多肽类产品的生产 转基因动物与蛋白药物的生产 转基因植物与蛋白药物的生产65微生物基因工程与多肽类产品的生产 我国已有人干扰素、人白介素 2、人集落刺激因子、重组人乙型肝炎疫苗、基因工程幼畜腹泻疫苗等多种基因工程药物和疫苗进入生

25、产或临床试用。 世界上还有几百种基因工程药物及其它基因工程产品在研制中，成为当今农业和医药业发展的重要方向，将对医学和工农业发展作出新贡献。66一、分子生物学检验技术的分析对象一、分子生物学检验技术的分析对象（二）基因缺陷（二）基因缺陷（单基因病致病基因、线粒体基因变异、肿瘤单基因病致病基因、线粒体基因变异、肿瘤基因）基因） （一（一）病原微生物）病原微生物（细菌鉴定、细胞耐药、病毒分型和载量细菌鉴定、细胞耐药、病毒分型和载量细胞亚显微结构细胞亚显微结构第一章第一章 绪论绪论Introduction 退退 出出首首 页页1.1.实验室实验室临床实用临床实用2.2.以生物分子为靶标，以基因的结构

26、、基因表达变化以生物分子为靶标，以基因的结构、基因表达变化和由此导致的基因功能的改变为主线，以和由此导致的基因功能的改变为主线，以PCRPCR技术和技术和DNADNA测序、芯片技术、色谱测序、芯片技术、色谱- -质谱技术、生物信息学技质谱技术、生物信息学技术等在临床应用越来越广。术等在临床应用越来越广。第三节第三节 分子生物学检验技术的临床前景分子生物学检验技术的临床前景第一章第一章 绪论绪论Introduction 退退 出出首首 页页3.3.基因突变基因突变病原微生物基因组及感染性疾病病原微生物基因组及感染性疾病疾病全基因组关联性分析疾病风险分析和疾病及耐药疾病全基因组关联性分析疾病风险分析和疾病及耐药4.4.对疾病的风险预测、病因分析、病情程度、疗效评对疾病的风险预测、病因分析、病情程度、疗效评价、预后评估等价、预后评估等5.5.实验室建设、检验人员的培训、质量控制实验室建设、检验人员的培训、质量控制第三节第三节 分子生物学检验技术的临床前景分子生物学检验技术的临床前景第一章第一章 绪论绪论Introduction 退退 出出首首 页页