生物科技蓬勃发展生物科技蓬勃发展2121世纪生物科技将全方位世纪生物科技将全方位地改变世界地改变世界ITIT只改变只改变人的生活人的生活模式模式而生物科而生物科技则改变技则改变人本身人本身将改变物将改变物种演化的种演化的规律规律Nature Nature 409:824-958 (2001)409:824-958 (2001) The Human Genome 人的基因组人的基因组生命科学归根结底就是信息学生命科学归根结底就是信息学www.ncbi.nlm.nih.gov人类基因组人类基因组DNADNA的数据模样的数据模样 CTTCTCGTTC AGGCAGTACG CCTCTTTTCT TTTCCAGACC TGAGGGAGGC GGAAATGGTG CTTCTCGTTC AGGCAGTACG CCTCTTTTCT TTTCCAGACC TGAGGGAGGC GGAAATGGTG TGAGGTTCCC GGGGAAAAGC CAAATAGGCG ATCGCGGGAG TGCTTTATTT GAAGATCAGG TGAGGTTCCC GGGGAAAAGC CAAATAGGCG ATCGCGGGAG TGCTTTATTT GAAGATCAGG CTATCACTGC GGTCAATAGA TTTCACAATG TGATGGCTGG ACAGCCTGAG GAACTCTCGA CTATCACTGC GGTCAATAGA TTTCACAATG TGATGGCTGG ACAGCCTGAG GAACTCTCGA ACCCGAATGG AAACAACCAG ATATTTATGA ATCAGCGCGG CTCACATGGC GTTGTGCTGG ACCCGAATGG AAACAACCAG ATATTTATGA ATCAGCGCGG CTCACATGGC GTTGTGCTGG CAAATGCAGG TTCATCCTCT GTCTCTATCA ATACGGCAAC AAAATTGCCT GATGGCAGGT CAAATGCAGG TTCATCCTCT GTCTCTATCA ATACGGCAAC AAAATTGCCT GATGGCAGGT ATGACAATAA AGCTGGAGCG GGTTCATTTC AAGTGAACGA TGGTAAACTG ACAGGCACGA ATGACAATAA AGCTGGAGCG GGTTCATTTC AAGTGAACGA TGGTAAACTG ACAGGCACGA TCAATGCCAG GTCTGTAGCT GTGCTTTATC CTGATGATAT TGCAAAAGCG CCTCATGTTT TCAATGCCAG GTCTGTAGCT GTGCTTTATC CTGATGATAT TGCAAAAGCG CCTCATGTTT TCCTTGAGAA TTACAAAACA GGTGTAACAC ATTCTTTCAA TGATCAACTG ACGATTACCT TCCTTGAGAA TTACAAAACA GGTGTAACAC ATTCTTTCAA TGATCAACTG ACGATTACCT TGCGTGCAGA TGCGAATACA ACAAAAGCCG TTTATCAAAT CAATAATGGA CCAGACGACA TGCGTGCAGA TGCGAATACA ACAAAAGCCG TTTATCAAAT CAATAATGGA CCAGACGACA GGCGTTTAAG GATGGAGATC AATTCACAAT CGGAAAAGGA GATCCAATTT GGCAAAACAT GGCGTTTAAG GATGGAGATC AATTCACAAT CGGAAAAGGA GATCCAATTT GGCAAAACAT ACACCATCAT GTTAAAAGGA ACGAACAGTG ATGGTGTAAC GAGGACCGAG AAATACAGTT ACACCATCAT GTTAAAAGGA ACGAACAGTG ATGGTGTAAC GAGGACCGAG AAATACAGTT TTGTTAAAAG AGATCCAGCG TCGGCCAAAA CCATCGGCTA TCAAAATCCG AATCATTGGA TTGTTAAAAG AGATCCAGCG TCGGCCAAAA CCATCGGCTA TCAAAATCCG AATCATTGGA GCCAGGTAAA TGCTTATATC TATAAACATG ATGGGAGCCG AGTAATTGAA TGCTCGGGCG GCCAGGTAAA TGCTTATATC TATAAACATG ATGGGAGCCG AGTAATTGAA TGCTCGGGCG并不是基因组越大生物就越高等并不是基因组越大生物就越高等哺乳动物哺乳动物 鸟鸟两栖两栖植物植物真菌真菌昆虫昆虫软骨鱼软骨鱼硬骨鱼硬骨鱼细菌细菌病毒病毒软体动物软体动物 爬行爬行不同生物的基因数比较不同生物的基因数比较生物生物 基因数基因数人人 35000 (35000 (约约) )猴猴 35000 35000果蝇果蝇 1333813338线虫线虫 1822618226啤酒酵母啤酒酵母 61446144大肠杆菌大肠杆菌 42884288人类基因组研究的意外发现人类基因组研究的意外发现人类的基因比预期的人类的基因比预期的少少得多；得多；人类只有约人类只有约1,5001,500个基因家族，每个基因家族，每个家族的基因数远多于其他生物；个家族的基因数远多于其他生物；有有223223个基因源自微生物，可能在个基因源自微生物，可能在进化过程中逐个插入的；进化过程中逐个插入的；染色体上基因有染色体上基因有群聚群聚现象；现象；只有只有1.51.5的的DNADNA编码蛋白质。编码蛋白质。人类基因组研究能明白什么？人类基因组研究能明白什么？ 搞清楚人类基因组序列后，可以通过搞清楚人类基因组序列后，可以通过各种分析手段将所编码的基因进行定各种分析手段将所编码的基因进行定位，就好象将一架钢琴的位，就好象将一架钢琴的8888个键的音个键的音频搞清楚（或者说要将基因的频搞清楚（或者说要将基因的元素周元素周期表期表定出来）。但对这架钢琴是如何定出来）。但对这架钢琴是如何演奏出动听的乐曲演奏出动听的乐曲, , 不能提供什么信不能提供什么信息。要理解演奏法，还需要分子生物息。要理解演奏法，还需要分子生物学、蛋白组学、学、蛋白组学、生物信息学、比较基生物信息学、比较基因组学因组学的长期艰苦的工作。的长期艰苦的工作。同一种基因组可以有同一种基因组可以有不同的演奏法不同的演奏法人类基因组研究推动医药发展人类基因组研究推动医药发展治疗医学治疗医学: : 新治疗技术、新药物技术新治疗技术、新药物技术 将进入鼎盛时期将进入鼎盛时期诊断医学诊断医学: : 生物芯片技术使得诊断变生物芯片技术使得诊断变得异常快速和方便得异常快速和方便, ,指导用药的个性化指导用药的个性化预防预防/ /保健医学保健医学: : 基因信息让我们知基因信息让我们知道自己容易得什么病，该如何预防道自己容易得什么病，该如何预防老年医学老年医学: : 干细胞工程、基因调控内干细胞工程、基因调控内分泌等技术有望让人返老还童分泌等技术有望让人返老还童 西药的西药的“中医化中医化”有望让有望让 疾病的治疗进入个性化时代疾病的治疗进入个性化时代医院的误诊率高达医院的误诊率高达15-3015-30；美国常规处方药导致美国常规处方药导致200200万人病情加重，万人病情加重，1010万人死亡；万人死亡；FDAFDA现在已经开始要求药品开发商提供药品现在已经开始要求药品开发商提供药品有效率的数据的同时，提供为什么有效和有效率的数据的同时，提供为什么有效和无效的依据；无效的依据； 一种疾病往往与数个至数十个基因的表达一种疾病往往与数个至数十个基因的表达相关，并因人而异，而一种药物的作用有相关，并因人而异，而一种药物的作用有限，这就需要西药象中药一样开药方；限，这就需要西药象中药一样开药方； 刷卡时代即将到来刷卡时代即将到来。 到到20302030年，预计只要年，预计只要10001000美金就能得到个人的基因组美金就能得到个人的基因组序列。人与人之间平均序列。人与人之间平均1000 1000 个碱基对就有一个碱基呈多个碱基对就有一个碱基呈多态性态性(SNP)(SNP)。因此共有。因此共有300300万万碱基上可能存在差异。碱基上可能存在差异。 防治基因信息的滥用和基因防治基因信息的滥用和基因歧视，将是今后社会的重任。歧视，将是今后社会的重任。 2020 2020年前后年前后, , 世界世界经济将从经济将从信息经济信息经济转型转型为为生物经济生物经济, , 地球上的地球上的每个人都无法逃避这次每个人都无法逃避这次转型转型. .再大胆朝前看一眼再大胆朝前看一眼 若干世纪后人类会移民太空，需要高度的生物科技。 因此因此, 20, 20年后生物科技年后生物科技的黄金时代才会到来的黄金时代才会到来, , 复复旦大学生命科学学院的毕旦大学生命科学学院的毕业生才不至于因找不到工业生才不至于因找不到工作而出国。作而出国。生物科技以生物科技以人人为为“本本”农农医医食食工工环环太空太空我还要更好看点我还要更好看点我还要更好看点我还要更好看点人类永恒的愿望人类永恒的愿望长长 生生不不 老老目前只能目前只能延年益寿延年益寿越美丽越美丽越好越好近年来世界生物科技大事记近年来世界生物科技大事记与阿波罗与阿波罗计划相比的征服癌症计划计划相比的征服癌症计划日本政府发起的日本政府发起的 “脑的十年脑的十年”人类基因组计划人类基因组计划（鼠、水稻、拟南芥、果蝇、酵母、原虫、细菌、病毒等几十种）（鼠、水稻、拟南芥、果蝇、酵母、原虫、细菌、病毒等几十种）DollyDolly羊和羊和TracyTracy羊羊后基因组研究后基因组研究/ /蛋白组研究蛋白组研究人类已经或即将能做到人类已经或即将能做到根据蛋白分子结构计算机设计药物根据蛋白分子结构计算机设计药物用牛奶或鸡蛋生产多肽药物用牛奶或鸡蛋生产多肽药物基因治疗疾病基因治疗疾病/ /改良人的基因改良人的基因人工子宫与克隆人人工子宫与克隆人人的寿命延长到人的寿命延长到150150200200岁岁用药物改善记忆力用药物改善记忆力/ /控制大脑控制大脑半导体与脑神经的通讯半导体与脑神经的通讯攻克癌症攻克癌症人体脏器的量产化人体脏器的量产化研究热点研究热点后基因组研究后基因组研究癌症发生分子机理癌症发生分子机理细胞信号转导机理细胞信号转导机理发育的分子、细胞机制发育的分子、细胞机制生物多样性（生态学）生物多样性（生态学）衰老分子机理衰老分子机理脑科学脑科学细胞免疫网络细胞免疫网络商业投资热点商业投资热点后基因组研究后基因组研究生物芯片技术生物芯片技术传统传统/生物制药生物制药医用器械医用器械克隆技术克隆技术人工脏器人工脏器抗衰老与老年病防治抗衰老与老年病防治保健品保健品/化妆品化妆品转基因食品转基因食品生命科学和生物科技生命科学和生物科技生命科学：生命科学：探索探索生命的奥秘，生命的奥秘， 理解理解 生命体中分子、细胞、组织器生命体中分子、细胞、组织器 官、个体、集团的运行规律官、个体、集团的运行规律生物技术生物技术：开发利用开发利用生物资源，生物资源， 改改 良物种，发展医药，保护环境，良物种，发展医药，保护环境， 发展太空科技发展太空科技生物科学史上两座生物科学史上两座最大的里程碑最大的里程碑细胞结构的发现细胞结构的发现DNA是基因载体的发现是基因载体的发现Morgan, Watson/CrickMorgan, Watson/CrickSchwann /SchleidenSchwann /Schleiden生命体中两种关键大分子生命体中两种关键大分子DNA蛋白质蛋白质DNADNA分子的真面貌分子的真面貌分子的真面貌分子的真面貌 蛋白质是由氨基酸串联起来的蛋白质是由氨基酸串联起来的项链，再揉作一团。项链，再揉作一团。 地球上所有生物使用的建筑地球上所有生物使用的建筑原料（氨基酸原料（氨基酸, , 核苷酸核苷酸, , 葡萄糖葡萄糖, ,脂肪等）是完全一样脂肪等）是完全一样, , 就象所有就象所有的大楼都由砖头、砂和水泥为主的大楼都由砖头、砂和水泥为主建起来一样。为什么地球上的生建起来一样。为什么地球上的生物千姿万态呢？物千姿万态呢？ 那是因为那是因为DNA上的信息不一样。上的信息不一样。因此因此, ,生物的本质是信息。生物的本质是信息。 DNA上的信息最终以蛋上的信息最终以蛋白质的形式得以表现，就白质的形式得以表现，就象计算机硬盘上的象计算机硬盘上的 “0/10/1”数据最终通过应用数据最终通过应用软件变成一幅图一样。而软件变成一幅图一样。而计算机本身就相当于一个计算机本身就相当于一个细胞。细胞。物种是基因信息的具体表现物种是基因信息的具体表现基因是永垂不朽的，但它们呢必基因是永垂不朽的，但它们呢必须结成帮派来共存，生命则是这须结成帮派来共存，生命则是这群基因信息的具体表现。在某种群基因信息的具体表现。在某种意义上，生命是基因一代一代往意义上，生命是基因一代一代往下传的生存机器，下传的生存机器，人人也不过是基也不过是基因往下传的因往下传的工作站工作站而已。而已。生物科技史上两座生物科技史上两座最大的里程碑最大的里程碑细胞结构的发现细胞结构的发现DNA是基因载体的发现是基因载体的发现Morgan, Watson/CrickMorgan, Watson/CrickSchwann / SchleidenSchwann / Schleiden细胞是生命体的基本单位细胞是生命体的基本单位溶酶体线粒体核糖体中心体高尔基体细胞质核 仁核 膜细胞核核糖体细胞膜膜造就细胞膜造就细胞, 膜蛋白是内外交流的大门膜蛋白是内外交流的大门膜蛋白膜蛋白膜蛋白膜蛋白 (受体蛋白受体蛋白受体蛋白受体蛋白) 是是是是药物作用的药物作用的药物作用的药物作用的主要位点主要位点主要位点主要位点从单细胞生物演化从单细胞生物演化出多细胞生物，地球出多细胞生物，地球大约化了三十亿年的大约化了三十亿年的时间。足以说明社会时间。足以说明社会的形成是一个多么复的形成是一个多么复杂的事件。杂的事件。器官由亿为计数单位的细胞组成器官由亿为计数单位的细胞组成刚出生时，人脑细胞刚出生时，人脑细胞数数 2000-10000亿亿成人人体细胞总数成人人体细胞总数 2-5 x 10 12 人体一生细胞总数人体一生细胞总数 约约 10 15 为什么三岁以前没有记忆？为什么三岁以前没有记忆？为什么三岁以前没有记忆？为什么三岁以前没有记忆？由于多细胞生物都由于多细胞生物都有生长发育的过程，有生长发育的过程，因此遗传信息和后天因此遗传信息和后天环境对个体生物的生环境对个体生物的生存状况同等重要。存状况同等重要。细胞细胞 家庭家庭组织组织 企业、学校企业、学校器官器官 系统系统人体人体 城市、国家城市、国家人类社会学结构人类社会学结构人人人体生物学结构人体生物学结构生物结构的多层次性生物结构的多层次性决定了生物科技决定了生物科技高度复杂和多样高度复杂和多样学科结构学科结构生物化学生物化学生物化学生物化学经典生物学经典生物学微生物学微生物学微生物学微生物学植物学植物学植物学植物学遗传学遗传学遗传学遗传学动物学动物学动物学动物学细胞学细胞学细胞学细胞学生理学生理学生理学生理学发育生物学发育生物学发育生物学发育生物学生态学生态学生态学生态学生物统计生物统计生物统计生物统计生物信息生物信息生物信息生物信息免疫学免疫学免疫学免疫学进化生物学进化生物学进化生物学进化生物学最前沿的学科最前沿的学科最前沿的学科最前沿的学科生命科学最前沿的两个学科生命科学最前沿的两个学科发育生物学发育生物学：研究基因信息是：研究基因信息是如何进行抽提和表现的，即研究如何进行抽提和表现的，即研究钢琴如何演奏出动听的乐曲。钢琴如何演奏出动听的乐曲。进化生物学进化生物学：研究物种演化规：研究物种演化规律的，即从大时间尺度来看基因律的，即从大时间尺度来看基因组合群的变化史，新基因又如何组合群的变化史，新基因又如何诞生并影响物种间竞争。诞生并影响物种间竞争。从基因从基因突变突变、蛋白质、蛋白质构象变化到细胞功能与构象变化到细胞功能与形态的变化，最后导致形态的变化，最后导致病变病变，是一个多层次的，是一个多层次的问题，需要花大力气才问题，需要花大力气才能够研究明白。能够研究明白。 要想深刻理解生命要想深刻理解生命现象，应该随身带两现象，应该随身带两副副 “ “眼镜眼镜” ” ，一副，一副是是“网络观网络观” ” ， 另另一副是一副是“进化观进化观” ” 。先学好生物化学先学好生物化学千里之途，始于足下千里之途，始于足下