分子生物学概述分子生物学概述Outline of Molecular Biology主要内容：主要内容：n什么是分子生物学？什么是分子生物学？n分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程n分子生物学与医学发展分子生物学与医学发展2一一. .什么是分子生物学？什么是分子生物学？围绕着生物的围绕着生物的中心法则中心法则，重点在，重点在DNADNA水平水平上，通过研究上，通过研究生物大分子生物大分子间相互作用及其间相互作用及其互调网络，揭示生命及其规律的科学互调网络，揭示生命及其规律的科学ProteinProteinDNADNARNARNA3思维方式：思维方式：传统生物学：从宏观到微观传统生物学：从宏观到微观我国现在解剖学、组我国现在解剖学、组织胚胎学等发展始于织胚胎学等发展始于2020世纪初世纪初比欧美国家晚比欧美国家晚200200多年多年从从1919世纪中期到世纪中期到2020世纪世纪初，关于细胞结构尤其初，关于细胞结构尤其是细胞核的研究，有了是细胞核的研究，有了长足的进展长足的进展 19441944年证明年证明DNADNA是遗传物质是遗传物质1961-641961-64年年破译破译DNADNA遗遗传密码传密码4思维方式：思维方式：传统生物学：从宏观到微观传统生物学：从宏观到微观分子生物学：从微观到宏观分子生物学：从微观到宏观生物学生物学5思维方式：思维方式：传统生物学：从宏观到微观传统生物学：从宏观到微观分子生物学：从微观到宏观分子生物学：从微观到宏观基因异常基因异常生物体异常生物体异常结构变化结构变化数量变化数量变化修饰变化修饰变化？信号转导异常信号转导异常动态动态受精卵受精卵生长发育生长发育成熟成熟6思维方式：思维方式：传统生物学：从宏观到微观传统生物学：从宏观到微观分子生物学：从微观到宏观分子生物学：从微观到宏观最终目的：最终目的：在分子水平上解释生物的生命本质在分子水平上解释生物的生命本质DNARNA蛋白质蛋白质分子生物学的中心法则分子生物学的中心法则7二二. .分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程分子生物学的发展：分子生物学的发展：源于对生命现象探究的源于对生命现象探究的渴望渴望eager to know问题：问题：你最想知道什么？你最想知道什么？ 8What is life?What Is Life? is a 1944 non-fiction science book written by physicist Erwin Schrdinger.Schrdinger推测：推测：含有遗传信息的物质是一种不含有遗传信息的物质是一种不断变换的液状晶体，由共价化断变换的液状晶体，由共价化学键维持其构型学键维持其构型19501950年，这种年，这种ideaidea刺激了寻找遗传物质的热情刺激了寻找遗传物质的热情18691869年，已经知道年，已经知道DNA,DNA,但其功能及结构都未知但其功能及结构都未知9ChrickWatson分子生物学的诞生：分子生物学的诞生：起始于起始于DNA双螺旋模板学说双螺旋模板学说Watson：原从事鸟类研究的原从事鸟类研究的开始从事开始从事DNA相关研究是源于读了相关研究是源于读了“Whatislife”这本小册子这本小册子Crick：物理学家，一直思考两个问题：物理学家，一直思考两个问题：分子为什么能使非生命体变成生命体？分子为什么能使非生命体变成生命体？头脑怎么就有智慧了呢？头脑怎么就有智慧了呢？推测：推测：DNA和蛋白质，和蛋白质，DNA更可能更可能是遗传物质是遗传物质Howmoleculesmakethetransitionfromthenon-livingtotheliving?Howthebrainmakesaconsciousmind?10知道了：知道了：DNA是遗传物质，是遗传物质，DNA是双螺旋结构是双螺旋结构下面你最想知道什么？下面你最想知道什么？是不是想知道：是不是想知道：DNADNA真能决定生物体的一切吗？真能决定生物体的一切吗？如果是，你这时最想干什么？如果是，你这时最想干什么？是不是想动一动是不是想动一动DNADNA？ 11分子生物学的快速发展：分子生物学的快速发展：起始对起始对DNA的操作的操作靶向化学键的操作：靶向化学键的操作：限制性核酸内切酶（限制性核酸内切酶（RE）DNA连接酶连接酶DNA变性变性-复性复性切割磷酸二酯键切割磷酸二酯键形成磷酸二酯键形成磷酸二酯键氢键断裂氢键断裂- -形成形成12问题：问题：一旦实现了操作一旦实现了操作DNA了，你想干什么？了，你想干什么？好奇心可能驱使你将不同生物的好奇心可能驱使你将不同生物的DNA组装到一组装到一起看能出现什么奇迹，是吗？起看能出现什么奇迹，是吗？13问题：问题：一旦实现了操作一旦实现了操作DNA了，你想干什么？了，你想干什么？好奇心可能驱使你将不同生物的好奇心可能驱使你将不同生物的DNA组装到一组装到一起看能出现什么奇迹，是吗？起看能出现什么奇迹，是吗？猿猴病毒猿猴病毒DNADNA 噬菌体噬菌体DNADNA限制性内切酶限制性内切酶限制性内切酶限制性内切酶DNADNA连接酶连接酶 重组重组DNADNA分子分子PaulBergabiochemistryatStanford1980年，年，获诺贝尔化学奖获诺贝尔化学奖1972年：年：14真正意义上的真正意义上的DNA重组技术：重组技术：1973年建立的基因克隆体系年建立的基因克隆体系Plasmid1Plasmid2REREligaseRecombinantplasmidTransformationE.coli要点：要点：不同来源不同来源DNADNA的重新组合的重新组合在生物体内能自我复制在生物体内能自我复制无性繁殖无性繁殖StanleyCohen(Stanford)HerbertBoyer(UCSF)151974年，年，申请了重组申请了重组DNA技术发明专利技术发明专利1976年年,Boyer和投资人和投资人Swanson(29岁岁)作为发起人，作为发起人，创建了创建了GenentechInc.第一个产品：重组人胰岛素第一个产品：重组人胰岛素(1982年上市年上市)RobertA.Swanson1947-199916Genentech Inc.的的产品品1982-Synthetichumaninsulin1987-Activase(alteplase)-todissolveblood clots inpatients.1990 -Actimmune(IFN1b)-chronic granulomatous disease.1997-Rituxan(rituximab)-Treatmentforspecifickindsofnon-Hodgkins lymphomas.1998-Herceptin(trastuzumab)-Treatmentformetastatic breast cancer patients2000 -TNKase(tenecteplase)-totreatacutemyocardial infarction.2003-Xolair(omalizumab)-formoderatetoseverepersistentasthma.2004-Avastin(bevacizumab)-Anti-VEGFmAbforthetreatmentofmetastatic cancer of the colon or rectum,locallyadvanced,recurrentormetastaticnon-small cell lung cancer,untreatedadvancedHER2-negativebreast cancer.2004 -Tarceva(erlotinib)-Treatmentforpatientswithlocallyadvancedormetastaticnon-small cell lung cancer,andpancreatic cancer.2006-Lucentis(ranibizumab)-forthetreatmentofneovascular(wet)age-relatedmaculardegeneration(AMD).2010-Actemra(tocilizumab),IL-6R-inhibitingmAbtotreatrheumatoid arthritis .2012-Erivedge(vismodegib)-Treatmentforadvancedbasal-cell carcinoma (BCC2012-PERJETAforuseincombinationwithHerceptin(trastuzumab)anddocetaxelchemotherapyforthetreatmentofpatientswithpreviouslyuntreatedHER2-positivemetastatic breast cancer (mBC).17关于关于Genentech Inc.宗旨：宗旨：Usinghuman genetic information Todiscover（发现）develop（开（开发）manufacture（生（生产）commercialize（销售）售）biotherapeuticsthataddresssignificantunmetmedicalneedsunmet:未未满足的足的Herbert W. Boyer(UCSF)Robert A. Swanson1947 - 199918接下来：接下来：不满足于只知道不满足于只知道DNA构型构型1975年，年，DNA测序技术诞生测序技术诞生WalterGilbertHarvardFrederickSangerUniversityofCambridge1980年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖94岁岁1958年，年，第一次获诺贝尔化学奖第一次获诺贝尔化学奖Insulinproteinsequencing1980年，年，第二次获诺贝尔化学奖第二次获诺贝尔化学奖DNAsequencingTillnow，Sanger是第四是第四个获两次诺贝尔奖的人个获两次诺贝尔奖的人发现一系列疾病相关基因发现一系列疾病相关基因1976年发现第一个病毒癌基因年发现第一个病毒癌基因发现编码序列和非编码序列发现编码序列和非编码序列发现基因表达调控序列发现基因表达调控序列1990年启动人类基因组计划年启动人类基因组计划个体基因组测序个体基因组测序2007年：年：Watson,Venter2008年：中国年：中国YHWatsonVenter19基因基因组测序序1990年，人年，人类基因基因组计划启划启动1996年，酵母年，酵母 (S. cervisiae) 基因基因组测序序1998年，年，线虫基因虫基因组测序序2000年，果年，果蝇基因基因组测序序2001年，人年，人类基因基因组草草图完成完成2002年，小鼠基因年，小鼠基因组测序序2003年，人年，人类基因基因组计划划结束束2004年，年，发表人表人类基因基因组序列；大鼠基因序列；大鼠基因组测序；序；鸡基因基因组测序序2005年，狗基因年，狗基因组测序序 猩猩基因猩猩基因组测序序 第一个基因第一个基因组范范围相关性研究相关性研究发表表人人类基因基因组与小鼠基因与小鼠基因组高度高度同源（同源（80%同源性）同源性）2005年开始，大年开始，大规模小鼠基因模小鼠基因敲除的研究敲除的研究计划在美国、欧盟划在美国、欧盟和加拿大和加拿大实施施人类的研究工具人类的研究工具 1010年年4 4年年2006年，第一个直接年，第一个直接对消消费者的基因者的基因组测序序 海胆海胆 (sea urchin) 基因基因组测序序 蜜蜂基因蜜蜂基因组测序序 基因型、表型基因型、表型-NCBI database启启动2007年，第一个个人基因年，第一个个人基因组测序序 中国中国汉人基因人基因组测序序 人人类遗传变异有重大突破的一年异有重大突破的一年 猕猴基因猴基因组测序序2008-11-6,第一个中国人第一个中国人YH的个人基的个人基因因组序列序列发表在表在Nature上上Your life in your hands基因基因组测序序212008年，年，遗传信息非歧信息非歧视Act在美国通在美国通过 第一个癌基因第一个癌基因组测序序 (AML) 胶胶质瘤全基因瘤全基因组分析分析 鸭嘴嘴兽 (platypus) 基因基因组测序序 非洲非洲优鲁巴人巴人 (Yoruba)基因基因组测序序 第一个用新技第一个用新技术个人基因个人基因组测序序2009年，年，韩国人基因国人基因组测序序 第一第一张人人类甲基化甲基化图谱2009年，牛基因年，牛基因组测序序 国国际数据数据释放研放研讨会会 完成了哺乳完成了哺乳动物基因收集物基因收集 (MGC)James Watson基因基因组测序序222010年，年，Exosome测序序发现Miller Fisher综合征的致病基因合征的致病基因 1000基因基因组试验性性计划完成划完成 穴居人穴居人(Neanderthal)基因基因组测序序 1000小鼠基因敲除突小鼠基因敲除突变品系品系 第第500个基因个基因组范范围的研究的研究发表表 南非人基因南非人基因组测序序附：附：Miller FisherMiller Fisher综合征是一种罕见的多发性神经炎疾病，综合征是一种罕见的多发性神经炎疾病，其病理现象即为脑干的脑神经核体功能缺损其病理现象即为脑干的脑神经核体功能缺损基因基因组测序序23基因基因组中的中的“垃圾垃圾DNA”ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements)研究研究组上上百位研究人百位研究人员2012-9-6 公布了最新成果公布了最新成果:人人类基因基因组中中“垃圾垃圾DNA”实际上是一个上是一个庞大的控制面板，能大的控制面板，能调控数以百万控数以百万计基因的活性。基因的活性。Nature,489:5774(06Sep2012).AnintegratedencyclopediaofDNAelementsinthehumangenome.Nature,489:101108(06Sep2012).Landscapeoftranscriptioninhumancells.人基因人基因组中，中，1.5%编码蛋白，蛋白，8.5%编码结合在合在DNA上的蛋白，上的蛋白，调控基因控基因转录位于位于4%功能仍未知基因功能仍未知基因组中的一大片中的一大片与其他哺乳与其他哺乳动物不同，物不同，预示受到了示受到了进化的化的“约束束”24接下来：接下来：不满足于只知道不满足于只知道DNA构型构型不断发明新技术以满足新需求不断发明新技术以满足新需求GH转基因小鼠转基因小鼠1981年，年，大鼠生长激素大鼠生长激素(GH)基因被转入小鼠基因被转入小鼠体内（转基因技术）体内（转基因技术）转基因动物转基因动物基因敲除动物基因敲除动物转基因转基因- -基因敲除动物基因敲除动物克隆动物克隆动物 用于生物制品的生产用于生物制品的生产 如：人凝血因子如：人凝血因子(羊奶中羊奶中) )作为模式生物作为模式生物 如：如：DollyDolly早衰模型早衰模型25分子生物学的使命：分子生物学的使命：试图从根本上解释生命的奥秘试图从根本上解释生命的奥秘学科特点：学科特点：中心法则作为理论体系核心中心法则作为理论体系核心操作基因作为技术操作基因作为技术体系核心体系核心提出理论提出理论产生技术上的需求产生技术上的需求发明技术发明技术提出新的理论提出新的理论分子生物学在这样的分子生物学在这样的循环中得到发展循环中得到发展DNA是遗传物质是遗传物质DNA结构及功能关系结构及功能关系操作操作DNA改变生物遗传物质改变生物遗传物质制造模式生物制造模式生物揭示人类自身揭示人类自身生老生老生老生老病死病死病死病死的机制的机制26DNA重组技术重组技术重组蛋白重组蛋白人源抗体人源抗体重组多肽药物重组多肽药物重组疫苗重组疫苗基因克隆基因克隆DNA序列测定序列测定重组载体重组载体基因治疗载体基因治疗载体RNA转录载体转录载体打靶载体打靶载体转基因载体转基因载体基因敲除动物模型基因敲除动物模型转基因动物模型转基因动物模型发夹发夹RNARNAi核酸探针标记核酸探针标记分子杂交分子杂交SouthernblotNorthernblot构建文库构建文库基因组文库基因组文库cDNA文库文库基因合成基因合成PCR-克隆克隆-亚克隆亚克隆基因突变基因突变基因敲除动物模型基因敲除动物模型RNAi以以DNA重组技术为核心技术：重组技术为核心技术：27一些成果？一些成果？从根本上研究人类的起源、进化等奥秘问题从根本上研究人类的起源、进化等奥秘问题人类的近亲人类的近亲猩猩猩猩98%相似性相似性1.44%差异差异2005,Nature比较基因组学比较基因组学表观遗传学表观遗传学人与人之间有多大差异？人与人之间有多大差异？人与其他生物间有多大差异？人与其他生物间有多大差异？北京猿人是不是中国人的祖先？北京猿人是不是中国人的祖先？ DNA序列不变但基因功能可序列不变但基因功能可遗传性变化遗传性变化环境因素与生物进化？环境因素与生物进化？28一些成果？一些成果？从根本上研究人类的起源、进化等奥秘问题从根本上研究人类的起源、进化等奥秘问题寻求造福于人类的新途径寻求造福于人类的新途径生物制药公司生物制药公司改良动植物品种改良动植物品种用生物体作为制药工厂用生物体作为制药工厂大肠杆菌：干扰素，胰岛素大肠杆菌：干扰素，胰岛素酵酵母：母：HBsAg,HPV疫疫苗苗昆虫细胞：昆虫细胞：HPV疫苗疫苗大大动动物：凝血因子物：凝血因子抗病虫害的植物抗病虫害的植物抗病毒感染的家畜抗病毒感染的家畜转基因大豆转基因大豆转基因家禽转基因家禽转基因猪转基因猪问：问：转基因动植物对人体到底有没有害？转基因动植物对人体到底有没有害？29医学医学分子生物学分子生物学在分子水平上，在分子水平上，探讨人类生、老、病、死的分子机理探讨人类生、老、病、死的分子机理挖掘分子水平干预疾病的线索和方法挖掘分子水平干预疾病的线索和方法利用分子生物学的理论和技术使不可能成为可能利用分子生物学的理论和技术使不可能成为可能如果人类各种器件都能自我更新，人还衰老吗？如果人类各种器件都能自我更新，人还衰老吗？用皮肤细胞培育出心脏，你信吗？用皮肤细胞培育出心脏，你信吗？2008年，年，小鼠皮肤细胞小鼠皮肤细胞心肌细胞、心肌细胞、血管平滑肌细胞、造血细胞血管平滑肌细胞、造血细胞2008年年(NatMed)，利用大鼠心脏脱细胞支架的利用大鼠心脏脱细胞支架的第一个人工心脏诞生第一个人工心脏诞生30One of the Taylor teams bio-artificial hearts in a jar生物反应器生物反应器将大鼠心脏的细胞去掉，将大鼠心脏的细胞去掉，保留心脏的三维结构保留心脏的三维结构It took about a year31Scientists create artificial jellyfish from rat heart cellsUsing rat heart muscle cells and a thin silicone film, researchers have constructed a swimming jellyfish like creature. 水母水母ByStephaniePappas,LiveScience/July23,2012agoodmodeltousetostudycardiacphysiology你也许会问：这与分子生物学有什么关系？你也许会问：这与分子生物学有什么关系？32三三. .分子生物学与医学发展分子生物学与医学发展传统医学，比如中医学传统医学，比如中医学现代医学，比如西医学现代医学，比如西医学望、闻、问、切望、闻、问、切个性化诊疗个性化诊疗模糊处理内在与模糊处理内在与外在的关系外在的关系系统性分析避免系统性分析避免个性偏差个性偏差从解剖开始从解剖开始精确到器官、细胞，必然寻求更精确的解释精确到器官、细胞，必然寻求更精确的解释结合？结合？33分子变异与疾病分子变异与疾病1956年，年，发现镰状状细胞性胞性贫血的主要原因是珠蛋白血的主要原因是珠蛋白的第的第6位谷氨酸位谷氨酸变为缬氨酸氨酸镰状细胞性贫血镰状细胞性贫血后来证明：后来证明：疾病的本质是编码珠蛋白的疾病的本质是编码珠蛋白的 基因发生了点突变基因发生了点突变GAG (GAG (谷氨酸谷氨酸) )GTG (GTG (缬氨酸缬氨酸) )点突变点突变这是第一次确认的一种疾病由一个这是第一次确认的一种疾病由一个分子的一个特定改变所引起分子的一个特定改变所引起34老年痴呆老年痴呆阿尔海默氏痴呆症阿尔海默氏痴呆症血管性痴呆症血管性痴呆症其他类型的痴呆症其他类型的痴呆症美国前总统美国前总统里根里根中国和欧美国家发病率相似中国和欧美国家发病率相似6565岁：岁：2-5%2-5%发病发病8585岁：岁：50%50%以上发病以上发病早期发病早期发病(65岁岁)：65岁岁): 载脂蛋白酶载脂蛋白酶E4(APOE4)基因的过度复制可能是重要原因基因的过度复制可能是重要原因19941994年里根被诊断为年里根被诊断为Alzheimer diseaseAlzheimer disease1994.9.211994.9.21被确定为被确定为world Alzheimerworld Alzheimers s dayday20112011年：年：通过鼻腔将胰岛素送入脑内，近通过鼻腔将胰岛素送入脑内，近70%70%患者在患者在4 4个月内记忆力有所改善个月内记忆力有所改善20122012年：年：抗癫痫药左乙拉西坦在小鼠模型中能降低抗癫痫药左乙拉西坦在小鼠模型中能降低50%50%脑内异常网络活动并改善记忆脑内异常网络活动并改善记忆351970年，年，从鸡肉瘤中分离到能使细胞转化从鸡肉瘤中分离到能使细胞转化成肉瘤的病毒成肉瘤的病毒HaroldVarmus J.MichaelBishop1976年，年，发现病毒癌基因发现病毒癌基因Src(1989年获年获Nobel奖奖)之后确定了细胞癌基因的概念之后确定了细胞癌基因的概念因此，因此，对肿瘤发生发展机制方面的知识影响巨大对肿瘤发生发展机制方面的知识影响巨大现在已经发现大约现在已经发现大约40个不同的癌基因个不同的癌基因这种发现也拓宽了人们洞察复杂信号系统的视野，这种发现也拓宽了人们洞察复杂信号系统的视野，从而掌控细胞的正常生长从而掌控细胞的正常生长恶性肿瘤36ProstateProstateLung and bronchusLung and bronchusColon and rectumColon and rectumUterine bladder Uterine bladder Melanoma of skin Melanoma of skin Non-Hodgkin lymphomaNon-Hodgkin lymphomaKidney & renal pelvisKidney & renal pelvisLeukemiaLeukemiaOral CavityOral CavityPancreasPancreasAll Other SitesAll Other Sites33%33%12%12%10%10%7% 7% 5% 5% 4%4%3%3%3%3%3%3%2%2%17%17%28%28%15%15%9%9%7% 7% 5% 5% 4%4%4%4%4%4% 3%3% MenMen: : 710,040710,0402005 and 2011 Estimated US Cancer New Cases 2005 and 2011 Estimated US Cancer New Cases 789,620789,620200520052011201137WomenWomen: : 662,870662,870BreastBreastLung and bronchusLung and bronchusColon and rectumColon and rectumUterine corpus Uterine corpus Non-Hodgkin lymphoma Non-Hodgkin lymphoma Melanoma of skinMelanoma of skinOvaryOvaryThyroidThyroidUrinary bladderUrinary bladderPancreasPancreasAll Other SitesAll Other Sites32%32%12%12%11%11%6% 6% 4% 4% 4%4%3%3%3%3%2%2%2%2%21%21%28%28%14%14%10%10%6% 6% 4% 4% 4%4%3%3%5%5% 3%3%2005 and 2011 Estimated US Cancer New Cases2005 and 2011 Estimated US Cancer New Cases 739,940739,940200520052011201138疾病的分子诊断疾病的分子诊断从基因水平上判断癌症的预后从基因水平上判断癌症的预后提供治疗方案选择的依据提供治疗方案选择的依据,如如Her2MammaPrint:Agendias开发开发美国美国FDA批准批准同时检测同时检测70个基因个基因判断乳腺癌转归判断乳腺癌转归据分析：据分析：80%乳腺癌术后没有必要进行化疗乳腺癌术后没有必要进行化疗提问：提问：我们现在为什么对几乎所有癌症术后患者我们现在为什么对几乎所有癌症术后患者进行化疗？敢不敢不化疗？进行化疗？敢不敢不化疗？391990年，年，世界上第一例真正意义上的基因治疗世界上第一例真正意义上的基因治疗将腺苷脱氨酶将腺苷脱氨酶(ADA)基因用逆转录病毒作载体基因用逆转录病毒作载体导入导入ADA缺陷病人的缺陷病人的T淋巴细胞中淋巴细胞中基因治疗对象：基因治疗对象：4岁女孩岁女孩ADA缺乏性严重复合型免疫缺陷病缺乏性严重复合型免疫缺陷病替代疗法替代疗法虽然从此掀起基因治疗研究的热潮虽然从此掀起基因治疗研究的热潮基因治疗仍面临极大的困难和挑战基因治疗仍面临极大的困难和挑战疾病的分子治疗疾病的分子治疗40基因型与治疗HBV感染：感染：全世界有全世界有3 亿多携带者，我国有亿多携带者，我国有1.2亿人长期携带亿人长期携带我国每年死于我国每年死于HBV相关肝病人数相关肝病人数 28万万HCV感染：感染：全球有全球有1.7亿人感染丙肝亿人感染丙肝全球每年约全球每年约30万例死于丙肝引起的肝癌万例死于丙肝引起的肝癌中国约中国约3800万丙型肝炎重症感染者万丙型肝炎重症感染者33%HIV感染者合并感染者合并HCV感染感染研究发现：研究发现：人基因组上与人基因组上与IL-28IL-28基因相连的基因相连的一个基因的一个点突变，显著影一个基因的一个点突变，显著影响丙肝的治疗效果响丙肝的治疗效果(2009-8-16)(2009-8-16)T TC C突变突变30%30%治愈治愈80%80%治愈治愈干扰素干扰素+ +利巴韦林利巴韦林41疾病治疗的生物替代品疾病治疗的生物替代品重组蛋白重组蛋白(多肽多肽)产品：产品：IFN, IL-2, GM-CSF基因治疗载体：病毒，质粒基因治疗载体：病毒，质粒转基因细胞转基因细胞干细胞：胚胎干细胞，干细胞：胚胎干细胞，诱导型多能干细胞诱导型多能干细胞induced pluripotent stem (iPS)embryonic stem cell (ES cell)将皮肤等体细胞诱导成多能干细胞将皮肤等体细胞诱导成多能干细胞问题：问题：为什么能将终末分化的细胞变成干细胞呢？为什么能将终末分化的细胞变成干细胞呢？42掌控细胞的命运掌控细胞的命运缘于对基因表达调控的认识缘于对基因表达调控的认识基因组重新编程基因组重新编程(re-programme)在受精过程中在受精过程中精子提供另一套染色体精子提供另一套染色体精子还提供精子还提供6种种mRNA这些这些mRNA：使基因组重新程序化？使基因组重新程序化？是生命之初的基因开关？是生命之初的基因开关？43iPS细胞的启示：细胞的启示：基因组重新程序化并不需要太复杂的因素基因组重新程序化并不需要太复杂的因素四种转录因子四种转录因子(Oct4,Sox2,Klf4和和c-Myc)可将体细胞转化为可将体细胞转化为iPS细胞细胞单个转录因子单个转录因子Oct4可将人神经可将人神经干细胞诱导成干细胞诱导成iPS细胞细胞细胞这么容易就能获得全能性，你能想象细胞这么容易就能获得全能性，你能想象一下细胞癌变的难易吗？一下细胞癌变的难易吗？器官移植的材料来源还是问题吗？器官移植的材料来源还是问题吗？44Early-stage epigenetic modification during somatic cell reprogramming by Parp1 Early-stage epigenetic modification during somatic cell reprogramming by Parp1 and Tet2.and Tet2. Nature Nature, 488: 652, 488: 652655 (30 Aug 2012)655 (30 Aug 2012)2012年年8月：月：基因表达受到两基因表达受到两类蛋白的共同控制：蛋白的共同控制：转录因子因子表表观遗传调控子控子以各种方式来影响基因的表达，如通过改变组蛋白以各种方式来影响基因的表达，如通过改变组蛋白直接结合到直接结合到DNADNA上发挥作用上发挥作用两种表观遗传调控因子两种表观遗传调控因子Parp1Parp1和和Tet2Tet2刺激了成纤维细胞中静止多能基因的表达，由此启动刺激了成纤维细胞中静止多能基因的表达，由此启动了这些细胞重编程为了这些细胞重编程为iPSCsiPSCs成纤维细胞中成纤维细胞中Oct4Oct4诱导了诱导了Parp1Parp1表达表达Oct4Oct4转录因子转录因子Parp1Parp1表观调控因子表观调控因子启动多能基因的表达启动多能基因的表达问题：问题：表观调控因子是如何表观调控因子是如何“知道知道”哪些基因需要被重新激活哪些基因需要被重新激活？是否广泛除去对整个基因组基因表达的抑制？是否广泛除去对整个基因组基因表达的抑制？是通过重编程转录因子引导到特异的基因？是通过重编程转录因子引导到特异的基因？45哪种疾病与基因没关系呢？哪种疾病与基因没关系呢？每个人在这个世界上都是独一无二的每个人在这个世界上都是独一无二的每个基因组序列都不可能是一样的每个基因组序列都不可能是一样的(同卵双生？同卵双生？)你能回答下面的问题吗？你能回答下面的问题吗？同一环境下为什么有人感冒了而你安然无恙？同一环境下为什么有人感冒了而你安然无恙？同样的饮食营养为什么有人得动脉硬化了？同样的饮食营养为什么有人得动脉硬化了？同样的打击为什么有人疯了？同样的打击为什么有人疯了？那是因为，那是因为，他们的基因有差异，序列不一样？修饰不一样？他们的基因有差异，序列不一样？修饰不一样？数目不一样？位置不一样？数目不一样？位置不一样？其实，就是老百姓说的其实，就是老百姓说的“体质体质”不一样不一样46不同个体的基因不同个体的基因组有差异有差异中国人中国人YHYH基因组序列与基因组序列与WatsonWatson和和VenterVenter序列的异同序列的异同All SNPsnon-synonymous SNPsgenes with non-synonymous SNPs synonymous 同义的47未来医学研究的思维方式：未来医学研究的思维方式：单基因病单基因病几个基因病几个基因病复杂性状疾病的遗传背景研究复杂性状疾病的遗传背景研究肿瘤肿瘤心血管系统疾病心血管系统疾病糖尿病糖尿病重要感染性疾病重要感染性疾病疾病易感性疾病易感性药物敏感性药物敏感性个体基因组与环境个体基因组与环境相互作用相互作用基因突变基因突变基因多态性基因多态性表观遗传改变表观遗传改变环境相互作用环境相互作用遗传背景遗传背景参与分子参与分子易感因素易感因素疾病的诊断：疾病的诊断：评价疾病的存评价疾病的存在状态在状态预测疾病的转预测疾病的转归及预后归及预后评判疾病在个评判疾病在个体发生的风险性体发生的风险性48从碱基到病床从碱基到病床基因组结构基因组生物学疾病生物学前瞻医学科学改善医疗保健1990-2003人类基因组计划2004-20102011-20202020以后Nature, Feb 10, 2011 496060年前我们无法想象通过操作遗传年前我们无法想象通过操作遗传物质来认识生命的奥秘物质来认识生命的奥秘今天我们也无法想象未来生命科学今天我们也无法想象未来生命科学会出现怎样的巨变会出现怎样的巨变但我们知道：但我们知道：分子生物学分子生物学能带领我们去探索能带领我们去探索生命的奥秘生命的奥秘50小结：小结：主要内容：主要内容：分子生物学的概念分子生物学的概念中心法则，中心法则，DNADNA分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程DNADNA双螺旋模板学说双螺旋模板学说分子生物学诞生分子生物学诞生分子生物学快速发展分子生物学快速发展DNADNA操作，基因克隆操作，基因克隆分子生物学与医学发展分子生物学与医学发展疾病与基因变异、异常开启或关闭有关疾病与基因变异、异常开启或关闭有关分子诊断与治疗方案选择有关分子诊断与治疗方案选择有关51这门课需要准备的知识：这门课需要准备的知识：普通生物化学普通生物化学遗传学遗传学简单病毒学和细菌学简单病毒学和细菌学细胞生物学细胞生物学52自学内容：自学内容：三种生物大分子的基本特性三种生物大分子的基本特性关键酶的功能关键酶的功能基因表达基因表达原核细胞和真核细胞原核细胞和真核细胞DNA结构、结构、DNA复制、复制、DNA重组重组DNA序列，基因组及其序列元件序列，基因组及其序列元件(element)DNA聚合酶，聚合酶，RNA聚合酶聚合酶53Abriefreview：DNA结构特性：结构特性：一级结构：一级结构：GATC四种核苷酸四种核苷酸3 -5 磷酸二酯键磷酸二酯键5 -P，3 -OHOHCH25H4321OP OO O5O3 -H，？，？ATGCCGTAGCATATCGGCCGTATATAATCG53353.4nmMinorgrooveMajorgrooveSugar-phosphatebackboneBasepair二级结构：二级结构：方向相反的双链螺旋方向相反的双链螺旋氢键氢键(力力)双链间可插入化合物双链间可插入化合物(如溴酚蓝如溴酚蓝EB)变性变性 复性复性碱基序列碱基序列磷酸二酯键磷酸二酯键互补配对互补配对 对象是谁？对象是谁？ 方式？方式？( (碰撞碰撞) )54NativeDenaturedFastSlowRelativeabsorbanceTmCoolTemperature0.51.01.5你能知道你能知道DNA是否发生变是否发生变-复性了吗？复性了吗？在紫外分光光度计在紫外分光光度计A260处检测光密度值处检测光密度值(OD)dsDNA:OD 1.0ssDNA:OD1.0改变温度：改变温度：快降温快降温:局部退火局部退火慢降温：完全配对慢降温：完全配对55双螺旋类型有什么意义吗？双螺旋类型有什么意义吗？DNA右手螺旋（右手螺旋（B-DNA）Watson-Crick右手双螺旋结构右手双螺旋结构静态结构静态结构稳态结构稳态结构正常结构正常结构生物体内的生物体内的DNA几几乎都是以乎都是以B-DNA形形式存在的式存在的DNA左手螺旋（左手螺旋（Z-DNA）暂态结构暂态结构活性结构活性结构56DNA高级结构：高级结构：超螺旋结构超螺旋结构在细胞内组装成致密结构在细胞内组装成致密结构染色体染色体染色体末端有染色体末端有端粒端粒结构结构染色体的最基本单位是染色体的最基本单位是核小体核小体nucleosomePositivenegative串珠样结构中每个核小体重复单位的串珠样结构中每个核小体重复单位的DNA长约长约200bpDNA可以从核小体结构中释放出来可以从核小体结构中释放出来(动态的动态的)DNA组蛋白：核心组蛋白组蛋白：核心组蛋白H1蛋白蛋白telomere57DNA序列：序列：编码序列编码序列(2-3%):基因外显子基因外显子exon非编码序列非编码序列(95%)：内含子内含子intron基因的非编码序列基因的非编码序列(侧翼序列侧翼序列)调节序列调节序列启动子启动子promoter增强子增强子enhancer操纵子操纵子(原核原核)operon基因组中的序列元件：基因组中的序列元件：基因序列基因序列调节序列调节序列重复序列重复序列(串联重复如卫星串联重复如卫星DNA，反向重复，反向重复)其他序列其他序列(假基因，假基因，CpG岛岛)与免疫关系？与免疫关系？转座子？转座子？亲子鉴定？亲子鉴定？58编码序列中含有编码序列中含有开放阅读框架开放阅读框架：Openreadingframe,ORF密码子密码子(codon)(codon)问题：问题：密码子在什么时候发挥作用？密码子在什么时候发挥作用？谁来识别密码子？谁来识别密码子？你能理解稀有密码子或偏爱你能理解稀有密码子或偏爱密码子概念的实质吗？密码子概念的实质吗？你怎么理解基因表达与非编码你怎么理解基因表达与非编码序列也有关？序列也有关？ mRNADNA59Thats all for today60